روش های صنعتی تولید اسید استیک

مروری بر روش ‌های صنعتی تولید اسید استیک

تولید صنعتی اسید استیک از طریق روش‌های مختلفی انجام می‌ شود که انتخاب هر روش به عوامل اقتصادی و نیازهای صنعتی بستگی دارد. روش ‌های قدیمی ‌تر شامل اکسیداسیون استالدئید و فرآیند بیولوژیکی تخمیر اتانول هستند. اکسیداسیون استالدئید با استفاده از کاتالیزورهای فلزی ، استالدئید را به اسید استیک تبدیل می‌ کند اما راندمان پایین و تولید محصولات جانبی محدودیت ‌های این روش است. تخمیر اتانول روشی سنتی و زیست‌ محیطی است که باکتری ‌ها اتانول را به اسید استیک تبدیل می ‌کنند. این روش بیشتر برای تولید سرکه استفاده می‌ شود و مقیاس صنعتی محدودی دارد. در حال حاضر روش غالب تولید اسید استیک کربونیلاسیون متانول است که به دلیل بازده بالا و خلوص محصول بر سایر روش ‌ها برتری دارد.

تولید اسید استیک به روش کربونیلاسیون متانول

کربونیلاسیون متانول فرآیند صنعتی غالب تولید اسید استیک است که با واکنش متانول و مونوکسید کربن در حضور یک کاتالیزور فلزی معمولاً نمک‌های رودیم یا ایریدیوم انجام می ‌شود. در این واکنش متانول و مونوکسید کربن ابتدا با کاتالیزور واکنش می ‌دهند و یک واسطه یودومتان تشکیل می‌ دهند. این واسطه سپس با مونوکسید کربن دیگر واکنش داده و اسید استیک تولید می ‌کند. این فرآیند در فشار بالا (30 تا 70 اتمسفر) و دمای 150 تا 200 درجه سانتیگراد انجام می ‌شود. استفاده از پروموترها مانند یدید متیل سرعت واکنش را افزایش می ‌دهد. کاتالیزور رودیم به دلیل انتخاب ‌پذیری بالا و بازده قابل قبول در مقایسه با ایریدیوم ارجحیت دارد هرچند ایریدیوم در شرایط سخت ‌تر ، پایدارتر است. این روش به دلیل راندمان بالا (بالای 99%) و تولید محصولات جانبی بسیار کم به عنوان یکی از کارآمدترین روش‌ های صنعتی تولید اسید استیک شناخته می ‌شود.

تولید اسید استیک از اکسیداسیون استالدئید

اکسیداسیون استالدئید روشی قدیمی برای تولید اسید استیک است که در آن استالدئید (CH₃CHO) در حضور کاتالیزورهای فلزی مانند منگنز استات و کبالت استات و با استفاده از اکسیژن هوا اکسید می ‌شود. این فرآیند به طور معمول در فاز مایع و در دمای 50 تا 60 درجه سانتیگراد انجام می ‌گیرد. کاتالیزور نقش کلیدی در سرعت واکنش و انتخاب ‌پذیری دارد. مکانیسم واکنش شامل چند مرحله است : ابتدا استالدئید به رادیکال آزاد تبدیل می ‌شود و سپس با اکسیژن ترکیب شده و پر اکسید استالدئید را تشکیل می ‌دهد. این ترکیب ناپایدار با کاتالیزور واکنش داده و به اسید استیک تبدیل می ‌شود. با این حال این روش دارای معایبی از جمله بازده نسبتا پایین (حدود 95%) نیاز به خالص ‌سازی محصول و مصرف انرژی بالا است. همچنین تولید محصولات جانبی مانند اسید استیک و سایر ترکیبات آلی بازده را کاهش می‌ دهد. به همین دلیل این روش در مقایسه با کربونیلاسیون متانول به ‌ویژه در تولید صنعتی مقیاس بزرگ ، کمتر مورد استفاده قرار می ‌گیرد.

تولید اسید استیک از تخمیر بیولوژیکی

تخمیر بیولوژیکی روشی سنتی برای تولید اسید استیک است که از باکتری ‌های استو باکتر (Acetobacter) استفاده می‌ کند. در این فرآیند اتانول (C₂H₅OH) به عنوان ماده اولیه توسط باکتری ‌ها اکسید شده و به اسید استیک تبدیل می ‌شود. این واکنش در شرایط هوازی و در حضور اکسیژن انجام می ‌شود. باکتری ‌ها آنزیم ‌هایی را ترشح می ‌کنند که در فرایند اکسیداسیون اتانول به اسید استیک نقش دارند. این روش به ‌طور عمده در تولید سرکه استفاده می ‌شود زیرا شرایط واکنش نسبتا ملایم است و نیازی به فشار و دمای بالا نیست. با وجود مزایای زیست ‌محیطی و عدم نیاز به تجهیزات پیچیده تخمیر بیولوژیکی برای تولید اسید استیک در مقیاس صنعتی بزرگ ، راندمان پایین و زمان تولید طولانی دارد. همچنین کنترل و بهینه‌ سازی فرایند تخمیر دشوارتر از روش‌ های شیمیایی است. بنابراین این روش بیشتر برای تولید سرکه و مقادیر محدود اسید استیک به کار می ‌رود.

فرآیند اکسیداسیون مستقیم هیدروکربن‌ ها برای تولید اسید استیک

اکسیداسیون مستقیم هیدروکربن‌ ها روشی قدیمی‌ تر برای تولید اسید استیک است که در آن هیدروکربن‌ های سبک مانند بوتان یا نفتا در مجاورت کاتالیزورهای فلزی (معمولاً منگنز ، کبالت یا کروم) و اکسیژن هوا اکسید می ‌شوند. این فرآیند در فاز گازی و در دمای بالا (۱۵۰ تا ۲۲۰ درجه سانتیگراد) و فشار نسبتا بالا انجام می‌ شود. واکنش ‌های جانبی متعددی در این روش رخ می‌ دهند که منجر به تولید مخلوطی از محصولات شامل اسید استیک ، استون ، استالدئید و کربن دی اکسید می‌ شود. جداسازی اسید استیک از این مخلوط پیچیده و پرهزینه است. بازده این روش پایین ‌تر از کربونیلاسیون متانول بوده و محصولات جانبی فراوان آن را از نظر اقتصادی نامطلوب می‌ سازند. مصرف بالای انرژی و تولید آلاینده‌ های زیست محیطی از دیگر محدودیت ‌های این روش به ‌شمار می ‌رود. به همین دلیل این روش در مقایسه با روش ‌های مدرن ‌تر به ‌ندرت در تولید صنعتی اسید استیک به کار می ‌رود و بیشتر برای تولید مخلوطی از محصولات شیمیایی استفاده می‌ شود.

مقایسه روش ‌های مختلف تولید اسید استیک از نظر بازده و هزینه

کربونیلاسیون متانول روش غالب صنعتی است و بالاترین بازده (بالاتر از 99%) و کمترین هزینه تولید را دارد. این روش از نظر اقتصادی بهینه بوده و به دلیل کنترل دقیق فرایند و تولید حداقل محصولات جانبی ارزان ‌تر تمام می‌ شود. در مقابل تخمیر بیولوژیکی روشی سازگار با محیط زیست است که از منابع تجدیدپذیر استفاده می‌ کند و آلاینده ‌های کمتری تولید می ‌کند اما بازده آن بسیار پایین ‌تر (معمولا کمتر از 10%) و هزینه تولید آن بالاتر است. روش اکسیداسیون استالدئید و اکسیداسیون مستقیم هیدروکربن‌ ها نیز بازده و هزینه تولید نسبتاً بالایی داشته و به همین دلیل امروزه کمتر به کار می ‌روند.

نقش کاتالیزورها در تولید صنعتی اسید استیک

در روش غالب کربونیلاسیون متانول کاتالیزورهای فلزی به‌ ویژه ترکیبات رودیم و ایریدیوم واکنش بین متانول و مونوکسید کربن را تسریع می ‌کنند. این کاتالیزورها با کاهش انرژی فعال ‌سازی سرعت تشکیل واسطه ‌های واکنش و در نهایت تولید اسید استیک را افزایش می‌ دهند. انتخاب کاتالیزور مناسب به عوامل متعددی از جمله نوع فرآیند ، دما ، فشار و همچنین کاهش محصولات جانبی بستگی دارد. علاوه بر رودیم و ایریدیوم کاتالیزورهای دیگری مانند نمک‌ های یدید نیز در این فرآیند به عنوان پروموتر برای افزایش سرعت و انتخاب‌ پذیری واکنش به کار می ‌روند. طراحی و سنتز کاتالیزورهای کارآمد تر یکی از زمینه ‌های فعال تحقیقاتی در این صنعت است. ویژگی‌ های کاتالیزور مانند پایداری ، فعالیت و انتخاب ‌پذیری در اقتصادی بودن فرایند تولید اسید استیک تاثیرگذار هستند.

چالش‌ ها و محدودیت ‌های تولید صنعتی اسید استیک

در روش کربونیلاسیون متانول نیاز به فشار و دمای بالا (حدود 70 اتمسفر و 200 درجه سانتیگراد) هزینه ‌های تجهیزات را افزایش داده و نگهداری سیستم ‌های مقاوم در برابر خوردگی را ضروری می‌ کند. هزینه بالای کاتالیزورهای فلزی مانند رودیم از دیگر محدودیت‌ های اقتصادی این فرآیند است. تولید محصولات جانبی ناخواسته و نیاز به فرایندهای جداساز و تصفیه پیچیده ، هزینه ‌ها را افزایش می ‌دهند. در روش ‌های سنتی مانند اکسیداسیون استالدئید بازده پایین و تولید آلاینده ‌ها محدودیت ‌های جدی هستند.

بهینه‌ سازی فرآیندهای تولید اسید استیک برای کاهش هزینه ‌ها

کاهش هزینه ‌های تولید اسید استیک از طریق چندین استراتژی امکان ‌پذیر است. بهینه ‌سازی شرایط واکنش در روش کربونیلاسیون متانول با تنظیم دقیق دما ، فشار و نسبت مواد اولیه بازده را افزایش و مصرف انرژی را کاهش می‌ دهد. استفاده از کاتالیزورهای پیشرفته ‌تر با پایداری و فعالیت بالاتر طول عمر کاتالیزور را افزایش داده و نیاز به تعویض مکرر را کاهش می ‌دهد. بهینه‌ سازی مراحل جداسازی و تصفیه ، میزان محصولات جانبی و هزینه ‌های خالص ‌سازی را کم می‌ کند. اتوماسیون و کنترل دقیق فرآیند ، خطاهای انسانی را کاهش داده و بهره ‌وری را بالا می ‌برد. به کارگیری فناوری ‌های نوین مانند حسگرها و مدل ‌سازی پیشرفته بهینه‌ سازی فرآیند را به ‌طور مداوم بهبود می ‌بخشد و در نهایت منجر به کاهش هزینه ‌های کلی تولید می ‌شود.

تأثیر بازار جهانی بر روش ‌های تولید اسید استیک

افزایش تقاضا در صنایع مختلف مانند تولید پلیمرها ، نساجی برای خرید اسید استیک رنگرزی و مواد غذایی به تولیدکنندگان فشار می‌ آورد تا روش ‌های اقتصادی ‌تر و با ظرفیت تولید بالاتر را به ‌کار گیرند. قیمت مواد اولیه به ‌ویژه متانول و مونوکسید کربن نقش مهمی در انتخاب روش تولید دارد. فناوری ‌های نوین با هزینه ‌های عملیاتی پایین ‌تر مانند کربونیلاسیون متانول بهینه شده در مقابل روش‌ های سنتی ترجیح داده می ‌شوند. ملاحظات زیست ‌محیطی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ‌ای باعث گرایش به روش ‌های کم‌ کربن ‌تر و پایدارتر می ‌شود. رقابت در بازار نیاز به بهینه‌ سازی مداوم فرآیندها و کاهش هزینه ‌های تولید را افزایش می‌ دهد.