تولید اسید استیک

تعریف اسید استیک و نقش آن

اسید استیک (CH₃COOH) یک اسید کربوکسیلیک ساده با بوی تند و تیز است. که به عنوان طعم دهنده اصلی سرکه شناخته می ‌شود. غلظت اسید استیک در سرکه معمولی بین ۴ تا ۷ درصد است. این ماده در صنایع غذایی به عنوان نگهدارنده و چاشنی استفاده می ‌شود و در تولید ترشیجات ، سس‌ ها و دیگر محصولات غذایی کاربرد دارد. اسید استیک در صنایع شیمیایی به عنوان پیش ماده در سنتز مواد مختلف شیمیایی مانند وینیل استات (برای تولید چسب ‌ها و رنگ ‌ها) ، استیل سلولز (برای تولید فیلم عکاسی و الیاف مصنوعی) و استرها (به عنوان حلال ‌ها و طعم دهنده‌ ها) بکار می ‌رود. همچنین در تولید مواد دارویی ، مواد آرایشی و بهداشتی و پاک کننده ‌ها استفاده می‌ شود.

تاریخچه تولید اسید استیک

اسید استیک از زمان ‌های قدیم از طریق تخمیر مواد حاوی اتانول مانند آب ققققجو و شراب تولید می ‌شد. رومیان باستان از این روش برای تهیه سرکه استفاده می ‌کردند. در قرن ۱۸ میلادی شیمی ‌دانان به‌ طور عملی فرایند تولید اسید استیک از تقطیر چوب را به دست آوردند. این روش اسید استیک با خلوص پایین تولید می‌ کرد. در اواخر قرن ۱۹ روش تولید اسید استیک از طریق اکسیداسیون آکرولدئید توسعه یافت که محصولی با خلوص بیشتر تولید می ‌کرد. اما روش صنعتی مهم و غالب تولید اسید استیک از دهه ۱۹۶۰ به بعد روش کربونیلاسیون متانول است که بازده و خلوص بسیار بالایی دارد.

روش های تولید اسید استیک در صنعت

روش ‌های صنعتی تولید اسید استیک به طور کلی به سه دسته تقسیم می ‌شوند : اکسیداسیون استالدئید ، تخمیر بیولوژیکی و کربونیلاسیون متانول. روش اکسیداسیون استالدئید روشی قدیمی‌ تر با بازده نسبتا پایین است که در آن استالدئید با استفاده از کاتالیزورهای فلزی در حضور هوا اکسید می ‌شود. این روش به دلیل نیاز به مراحل تصفیه بیشتر و بازده کمتر به تدریج جای خود را به روش ‌های مدرن ‌تر داده است. تخمیر بیولوژیکی روشی زیستی و دوستدار محیط زیست است که از باکتری ‌های خاص برای تبدیل قندها یا اتانول به اسید استیک استفاده می‌ کند. گرچه این روش از لحاظ زیست محیطی مطلوب است اما اسید استیک تولیدی غلظت پایین‌ تری دارد و نیاز به مراحل خالص ‌سازی بیشتری دارد. روش کربونیلاسیون متانول متداول ‌ترین و کارآمدترین روش صنعتی است. در این فرآیند متانول در حضور یدومتان و کاتالیزور رودیم یا ایریدیم کربونیله شده و اسید استیک با خلوص بالا تولید می ‌شود. این روش به دلیل بازده بالا ، کنترل ‌پذیری بهتر و تولید اسید استیک با کیفیت بالا به عنوان روش غالب در صنعت شناخته می ‌شود. انتخاب روش تولید به عوامل مختلفی از جمله مقیاس تولید ، در دسترس بودن مواد اولیه و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد.

روش تولید	مواد اولیه	دمای واکنش (°C)	فشار واکنش (bar)	کاتالیزور	محصولات جانبی	بازدهی (%)	مزایا و معایب
اکسیداسیون استالدهید	استالدهید، اکسیژن	50-100	1-5	منگنز، کبالت	اسید فرمیک، استرها	85-90	روش ارزان ولی تولید مواد جانبی زیاد
اکسیداسیون بوتان	بوتان، اکسیژن	150-200	10-30	مولیبدن، وانادیم	دی‌اکسید کربن، هیدروکربن‌ها	70-80	کارایی بالا اما نیاز به شرایط سخت
اکسیداسیون متانول	متانول، اکسیژن	120-180	5-20	کبالت، کروم	فرمالدهید، آب	75-85	روش ایمن اما نیاز به کاتالیزور گران
کربونیلاسیون متانول	متانول، مونوکسید کربن	180-250	30-50	رودیم، ایریدیوم	متانول، آب	90-95	بازدهی بالا ولی وابسته به متانول
فرآیند بیولوژیکی	مواد آلی زیستی	25-40	1	آنزیم‌های بیولوژیکی	گازهای زیستی	50-60	سازگار با محیط زیست اما کم‌بازده
تجزیه اکسیداتیو اتیلن	اتیلن، اکسیژن	200-250	10-20	پالادیم، پلاتین	اتانال، دی‌اکسید کربن	80-85	سریع اما پرهزینه
اکسیداسیون مستقیم اتان	اتان، اکسیژن	250-300	30-40	وانادیم، نقره	دی‌اکسید کربن، بخار آب	60-70	تکنولوژی جدید ولی پرهزینه
کاتالیز نوری	نور و کاتالیزور	50-100	1-5	تیتانیوم دی‌اکسید	هیچ	95-98	روش پاک اما بهینه‌سازی نیاز دارد

تولید اسید استیک به روش تخمیر بیولوژیکی

تولید اسید استیک به روش تخمیر بیولوژیکی ، روشی سنتی است که از باکتری ‌های جنس استوباکتر (مانند استوباکتر استی و استوباکتر پاستوریانوس) استفاده می ‌کند. این باکتری ‌ها اتانول را در حضور اکسیژن به اسید استیک تبدیل می‌ کنند. روند تخمیر معمولاً در شرایط هوازی (با حضور اکسیژن) و در دمای بهینه برای رشد باکتری انجام می گیرد. کنترل دقیق پارامترهای فرآیند از جمله دما ، pH و غلظت اکسیژن برای افزایش راندمان تولید اسید استیک حیاتی است. مواد اولیه مورد نیاز در این روش عمدتا اتانول و منبع غذایی مناسب برای باکتری ‌ها است که می‌ توانند از منابع مختلف مانند مواد زائد کشاورزی تامین شوند. این روش به طور گسترده در تولید سرکه به‌ کار می ‌رود زیرا محصول حاصل علاوه بر اسید استیک ، ترکیبات فرار دیگری نیز دارد که به طعم و عطر سرکه می ‌افزایند. با وجود بازده پایین ‌تر نسبت به روش ‌های شیمیایی روش تخمیر به علت پایداری زیست محیطی و هزینه تولید پایین ‌تر مورد توجه است. پیشرفت ‌های اخیر در مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی منجر به توسعه سویه ‌های باکتریایی با بازده بالاتر در تولید اسید استیک شده ‌اند.

تولید اسید استیک از اکسیداسیون استالدئید

روش اکسیداسیون استالدئید ، روشی صنعتی برای تولید اسید استیک است که در آن استالدئید (CH₃CHO) در حضور کاتالیزورهای فلزی مانند منگنز ، کبالت یا کروم و اکسیژن اکسید می ‌شود. این واکنش به طور معمول در فاز مایع و در دمای نسبتا پایین (حدود 60 درجه سانتیگراد) انجام می ‌شود. کاتالیزور نقش مهمی در افزایش سرعت واکنش و انتخاب پذیری به اسید استیک ایفا می‌ کند. در این فرایند استالدئید با اکسیژن واکنش داده و اسید استیک (CH₃COOH) و آب تولید می‌ کند. کنترل دقیق پارامترهای فرآیند مانند دما ، فشار و غلظت واکنش دهنده ‌ها برای به دست آوردن بازده بالا و جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی ضروری است. اگرچه روش اکسیداسیون استالدئید نسبت به روش کربونیلاسیون متانول از نظر بازده کمتر کارآمد است اما به دلیل دسترسی آسان به استالدئید و هزینه کمتر همچنان در مقیاس‌ های کوچکتر و یا در مواردی که دسترسی به متانول محدود باشد مورد استفاده قرار می‌ گیرد و هزینه های خرید اسید استیک را کاهش می دهد. تصفیه محصول نهایی برای حذف کاتالیزور و محصولات جانبی ناخواسته نیز از مراحل کلیدی این روش محسوب می ‌شود.

کربونیلاسیون متانول : روش مدرن تولید اسید استیک

در این فرآیند متانول (CH₃OH) و مونوکسید کربن (CO) در حضور یک کاتالیزور فلزی معمولاً نمک‌ های رودیم یا ایریدیم واکنش داده و اسید استیک (CH₃COOH) تولید می ‌کنند. این واکنش در شرایط فشار بالا (حدود 30 تا 70 اتمسفر) و دمای 150 تا 200 درجه سانتیگراد انجام می ‌شود. یدومتان (CH₃I) به عنوان یک پروموتور واکنش عمل کرده و سرعت واکنش را افزایش می ‌دهد. مکانیسم واکنش شامل تشکیل یک کمپلکس واسطه بین کاتالیزور ، متانول و مونوکسید کربن است که سپس تجزیه شده و اسید استیک تولید می ‌کند. این روش به دلیل بازده بسیار بالا (بیش از 99%) ، انتخاب‌ پذیری بالا و تولید اسید استیک با خلوص بالا به عنوان روش برتر در مقایسه با روش ‌های سنتی مانند اکسیداسیون استالدئید شناخته می ‌شود. علاوه بر این استفاده از متانول و مونوکسید کربن به عنوان مواد اولیه در دسترس بودن و هزینه کم این مواد را تضمین می ‌کند. با این حال نیاز به تجهیزات مقاوم در برابر فشار بالا و استفاده از کاتالیزورهای گران‌ قیمت از معایب این روش محسوب می ‌شوند.

مقایسه روش ‌های مختلف تولید اسید استیک

روش ‌های تولید اسید استیک را می ‌توان از نظر هزینه ، بازده و کاربرد نهایی مقایسه کرد. روش تخمیر روشی سنتی و زیست‌ محیطی است که از باکتری ‌ها برای تبدیل اتانول به اسید استیک استفاده می ‌کند. این روش هزینه اولیه پایینی دارد اما بازده آن پایین و زمان تولید طولانی است. کاربرد اصلی آن در تولید سرکه است که ترکیبات فرار موجود در محصول تخمیر به طعم و عطر آن می‌ افزایند. در مقابل کربونیلاسیون متانول روش صنعتی غالب است که بازده بسیار بالا و خلوص محصول بالایی دارد. با این حال نیاز به تجهیزات پیشرفته و کاتالیزورهای گران‌ قیمت ، هزینه‌ های سرمایه ‌گذاری را افزایش می ‌دهد. این روش برای تولید اسید استیک در مقیاس بزرگ و با خلوص بالا برای کاربردهای صنعتی مانند تولید وینیل استات مونومر و سایر مشتقات اسید استیک مناسب است. اکسیداسیون استالدئید روش دیگری است که بازده کمتری نسبت به کربونیلاسیون دارد ولی هزینه کمتری نیز دارد و برای تولید مقادیر کمتر اسید استیک مورد استفاده قرار می گیرد. انتخاب روش مناسب به فاکتورهایی مانند مقیاس تولید و نیاز به خلوص محصول بستگی دارد.

مواد اولیه مورد نیاز برای تولید اسید استیک

مواد اولیه مورد نیاز برای تولید اسید استیک به روش تولید بستگی دارد. در روش تخمیر ، اتانول ماده اولیه اصلی است و باکتری ‌ها آن را به اسید استیک تبدیل می ‌کنند. این روش برای تولید سرکه استفاده می‌ شود و نیاز به مواد اولیه با کیفیت بالا ندارد. روش اکسیداسیون استالدئید از استالدئید و اکسیژن به عنوان مواد اولیه استفاده می ‌کند. در این روش کنترل کیفیت استالدئید و اکسیژن برای به دست آوردن بازده بالا ضروری است. در روش کربونیلاسیون متانول که روش غالب صنعتی است متانول و مونوکسید کربن به همراه یک کاتالیزور فلزی در واکنش شرکت می ‌کنند. خلوص بالای متانول و مونوکسید کربن برای عملکرد بهینه کاتالیزور و حصول بازده بالا حیاتی است. تأمین به موقع و با کیفیت بالای مواد اولیه نقش مهمی در کاهش هزینه‌ های تولید و افزایش راندمان فرآیندهای تولید اسید استیک دارد. بهینه ‌سازی فرآیند تأمین و ذخیره ‌سازی مواد اولیه نیز نقش مهمی در کاهش هزینه ‌ها و بهبود پایداری تولید دارند.

مواد اولیه مورد نیاز برای تولید اسید استیک

نقش کاتالیزورها در تولید صنعتی اسید استیک

در روش کربونیلاسیون متانول که روش غالب صنعتی است از کاتالیزورهای فلزی مانند نمک ‌های رودیم و ایریدیوم استفاده می ‌شود. این کاتالیزورها با کاهش انرژی فعال ‌سازی ، سرعت واکنش بین متانول و مونوکسید کربن را افزایش داده و تشکیل اسید استیک را تسریع می ‌کنند. انتخاب کاتالیزور مناسب و بهینه ‌سازی شرایط واکنش (مانند دما و فشار) برای حداکثر کردن بازده و جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی ناخواسته حیاتی است. پژوهش ‌های مداوم بر روی توسعه کاتالیزورهای جدید با فعالیت و انتخاب ‌پذیری بالاتر هدف اصلی برای بهبود بیشتر این فرآیند است. به عنوان مثال استفاده از نانو ذرات فلزی فعالیت کاتالیزوری را ارتقا داده و نیاز به کاتالیزور را کاهش می دهد.

آینده تولید اسید استیک و فناوری‌ های نوین

آینده تولید اسید استیک به سمت روش ‌های پایدارتر و اقتصادی ‌تر با تأکید بر کاهش انتشار گازهای گلخانه ‌ای و استفاده از منابع تجدیدپذیر پیش می ‌رود. تحقیقات بر روی استفاده از منابع زیستی مانند بیومس برای تولید متانول یا استالدئید به عنوان مواد اولیه تمرکز دارد. بیوتکنولوژی نیز نقش مهمی ایفا می ‌کند. استفاده از مهندسی ژنتیک برای تولید سویه ‌های باکتریایی با راندمان بالاتر در فرآیند تخمیر در تولید اسید استیک با روش‌ های زیست ‌محیطی ‌تر مؤثر می باشد. پیشرفت‌ های در زمینه کاتالیزورها از جمله استفاده از کاتالیزورهای نانویی یا کاتالیزورهای با فعالیت بالاتر و انتخاب ‌پذیری بیشتر بازده را افزایش می ‌دهد. علاوه بر این طراحی راکتورهای پیشرفته برای بهینه ‌سازی شرایط واکنش موجب افزایش راندمان و کاهش هزینه ‌ها می‌شود. با تمام این نوآوری ‌ها پیش‌بینی می‌ شود تولید اسید استیک در آینده به سمت فرایندهای سبزتر و کارآمدتر حرکت کند.

برچسب ها

مقالات مرتبط