环氧乙烷法连续合成氯化胆碱的工艺探究

季国尧，季 盛

（绍兴市东湖高科股份有限公司，浙江 绍兴 312074）

氯化胆碱（choline chloride）属于维生素B 族药物，在生物体的生理调节中具有不可替代的作用，能有效预防和治疗动物肝脏、肾脏内的脂肪沉积和组织病变，促进氨基酸的再构成及提高氨基酸在体内的利用率，在效果上表现为动物加速生长，肉质改善，体质和抗病能力增强[1]，是一类重要的饲料营养添加剂。此外，氯化胆碱在植物生长调节剂[2]、催化剂[3]、纺织助剂[4]、食品防腐[5]、抗静电涂料[6]等新兴领域也有广泛的应用。

目前，工业上合成氯化胆碱主要有两条路线：氯乙醇法和环氧乙烷法[7]，见图1。其中氯乙醇法[8-15]以三甲胺和氯乙醇为原料，三甲胺具有胺臭味，沸点低，在生产过程中三甲胺会泄漏到空气中，出现恶臭，影响周围环境；氯乙醇属于剧毒化学品，其残留会直接影响产品的安全性，同时氯乙醇在反应温度下会水解生成乙二醇，影响产品的收率和纯度。环氧乙烷法[16-18]以环氧乙烷（EO）和三甲胺盐酸盐为原料，环氧乙烷属于易燃易爆有毒的化学品，对设备、运输、存储提出更高的要求，同时环氧乙烷化学活性高，在生产过程中会释放大量的热量，在反应过程中需要根据设备换热能力精准控制环氧乙烷的投料量。

图1 氯化胆碱的主要合成方法Fig.1 The main synthesis method of choline chloride

本研究以环氧乙烷和三甲胺盐酸盐为原料，利用微反应器技术安全、高效的特点，设计并开发了符合药物和饲料要求的氯化胆碱生产工艺。相比反应釜工艺，该工艺大幅缩减了反应时间，提高了反应效率，减少了副产物在反应液中的比例，提升了产品的收率和纯度。

1 实验部分

1.1 反应方程式

1.2 实验仪器及试剂

Ehrfeld 的Miprowa 微反应器系统，戴安ICS-900型离子色谱仪，天平；所有试剂为国产市售分析纯。

1.3 实验装置流程图

图2 实验装置流程图Fig.2 Flow chart of experimental setup

1.4 实验步骤

1.4.1 全系统检漏

起始阶段，关闭所有阀门，向三甲胺盐酸盐储罐加入足量30%的三甲胺盐酸盐溶液，随后开启球阀B101、B102、B103、B106、B107、B109，针阀N102，背压阀BPV，开启氮气钢瓶的减压阀，逐级背压至2 MPa，关闭氮气钢瓶减压阀，30 min 内压力无变化，检漏完成。系统泄压后关闭所有阀门。

1.4.2 环氧乙烷液体的提取

打开环氧乙烷钢瓶减压阀，环氧乙烷气体进入缓冲罐T101，打开球阀B101，环氧乙烷气体进入液化罐T102，在制冷系统的作用下，环氧乙烷气体液化，待液化罐T102 内环氧乙烷液体足量，关闭环氧乙烷钢瓶的减压阀和球阀B101，打开氮气减压阀和球阀B102，观察液化罐T102 内压力为1.5 MPa 时，关闭氮气减压阀和球阀B102。

1.4.3 氯化胆碱的连续合成

打开球阀B103、B106、B108和针阀N101、N102，启动泵P101 和P102，按摩尔比输送反应液进入微反应系统，其中泵P101 输送30%的三甲胺盐酸盐溶液，泵P102 输送环氧乙烷液体，用质量流量计（MFC）监控环氧乙烷的流量，反应液经过混合器混合后在Miprowa 微反应器（见图3）中进行反应并检测反应温度。反应完全后，反应液经换热器换热后经背压阀（背压1.5 MPa）流出微反应系统，待反应稳定后，在收集罐内收集反应液，用离子色谱检测氯化胆碱的收率。最后反应液用浓盐酸调节pH 值后，经减压蒸馏、过滤、洗涤、干燥，得到氯化胆碱粉末，称重计算产率并分析纯度。

图3 微反应器装置图Fig.3 Microreactor device diagram

2 结果与讨论

在氯化胆碱的微反应合成中，微反应器内的压力为1.5 MPa，在实验温度下，环氧乙烷和三甲胺盐酸盐均为液态。相较于反应釜内的气液混合，微反应器内反应物之间的接触面积大幅度提升，提高了反应速度，缩短了反应时间，同时反应过程中产生的热量被微反应器迅速转移，避免了反应过程中“窜温”现象的发生。在工艺优化的研究中发现氯化胆碱的收率与原料的摩尔比、反应温度、停留时间息息相关，并且收率与纯度呈正相关，即收率越高，纯度越好。

2.1 原料的摩尔比对反应的影响

环氧乙烷属于易燃易爆有毒的化学品，若环氧乙烷过量，则对氯化胆碱的后处理在安全上提出了更高的要求，同时过量的环氧乙烷会转化为乙二醇和氯乙醇，影响氯化胆碱的收率和品质。因此研究了微反应过程中在三甲胺盐酸盐过量的情况下，不同原料摩尔比对反应的影响，结果见图4。

图4 原料的摩尔比对反应的影响Fig.4 The influence of the molar ratio of raw materials on the reaction

由图4 可知，三甲胺盐酸盐与环氧乙烷的摩尔比在1:1 时，氯化胆碱的收率为94.2%；随着三甲胺盐酸盐的比例逐渐提高，在三甲胺盐酸盐与环氧乙烷的摩尔比为1.02:1 时，收率达到99.2%，纯度为99.6%；之后三甲胺盐酸盐再过量，收率并没有明显的提升。

2.2 反应温度对反应的影响

反应温度与反应速率呈正相关，表现为温度越高，反应速率越快，但过高的反应温度可能会在反应过程中引发副反应，从而对反应造成不利影响，因此研究了微反应过程中反应温度对反应的影响，结果见图5。

图5 反应温度对反应的影响Fig.5 The effect of temperature on the reaction

由图5 可知，温度在70 ℃时，氯化胆碱的收率最好，为99.2%，纯度为99.6%；反应温度继续提升会引发副反应，反应液中乙二醇和氯乙醇的含量有所提升。

2.3 停留时间对反应的影响

停留时间决定了反应液所处的反应阶段，停留时间过短，反应原料未完全转化；停留时间过长，主反应完成，副反应的量在时间上得到累积，直接影响氯化胆碱的收率。因此研究了微反应过程中停留时间对反应的影响，结果见图6。

图6 停留时间对反应的影响Fig.6 The effect of residence time on the reaction

由图6 可知，停留时间在30 s 时，反应原料未完全转化；停留时间在180 s 时，氯化胆碱的收率达到99.2%，纯度为99.6%；随着停留时间的进一步延长，主反应完成，副反应在量上得到累积，氯化胆碱的收率逐渐下降。

3 结论

利用微反应器技术安全、高效的特点，以环氧乙烷和三甲胺盐酸盐为原料开发的氯化胆碱生产工艺，首先解决了环氧乙烷在反应过程中热量转移的问题，保证了生产的安全性，其次液液反应环境，加快了反应速度，缩短了反应时间，减少了副产物在量上的累积，提高了氯化胆碱的收率。所得最佳的工艺条件为n(三甲胺盐酸盐):n(环氧乙烷)=1.02:1，反应温度为70 ℃，停留时间为180 s，在该条件下氯化胆碱的收率为99.2%，纯度为99.6%。