Способ получения цитрата магния и производных на его основе
METHOD FOR PRODUCING MAGNESIUM CITRATE AND ITS DERIVATIVES

Изобретение относится к области химии и фармацевтики, а именно - к получению цитрата магния и его производных в твердом виде в качестве лекарственных средств, пищевых добавок, а также растворов цитрата магния и его производных для инъекций и для получения разнообразных напитков, обладающих лекарственными свойствами, профилактическим воздействием на организм человека, а также хорошими вкусовыми качествами.
Известен способ по патентному документу КНР №102503811 (опубл. 06.20.2012 [1]), в соответствии с которым сульфат магния получают смешением в эквивалентных количествах исходных веществ: сульфата магния и лимонной кислоты, добавлением воды в полученную смесь, ее нагреванием и выдерживанием в нагретом состоянии в течение определенного времени сначала при 90°С, затем при 130°С для получения смешанного раствора и для проведения обменной реакции с получением цитрата магния, охлаждения полученного раствора для кристаллизации продукта и его отделения. Недостатки указанного способа заключаются в том, что в качестве второго продукта получается концентрированный раствор серной кислоты с примесью растворенной части цитрата магния и остатков исходных веществ, и связанный с этим небольшой выход цитрата магния из-за высокой растворимости продукта в серной кислоте. Другим недостатком способа [1] является необходимость применения специального реакционого сосуда под давлением (автоклава) для поддержания температуры 130°С.
Известны также способы по патентным документам КНР №101591235 (опубл. 02.12.2009 [2]), №104447272 (опубл. 25.03.2025 [3]) и №101591234 (опубл. 02.12.2009 [4]), в которых указанные недостатки преодолены за счет применения различных реакций нейтрализации в ходе получения цитрата магния. Так, по способу [2] сначала растворяют сульфат магния, очищают полученный раствор от механических примесей фильтрацией, затем к очищенному раствору сульфата магния добавляют в эквивалентных количествах карбонат натрия и высаживают карбонат магния, который отделяют от маточного раствора сульфата натрия. Карбонат магния промывают водой, добавляют к концентрированному раствору лимонной кислоты и нагревают до 70°С. В результате выделения углекислого газа реакция идет практически до конца с получением концентрированного раствора цитрата магния, который охлаждают для кристаллизации конечного продукта.
При этом, однако, получается побочный продукт - раствор сульфата натрия с небольшой примесью растворенной части карбоната магния, который необходимо утилизировать.
Этот недостаток преодолевается в способах [3] и [4]. Так, в соответствии со способом [3] в качестве исходного вещества используется материал щелочного типа - пищевой оксид магния, который добавляют к концентрированному раствору рассчитанного количества лимонной кислоты и растворяют в нем при температуре 70°С с получением концентрированного раствора цитрата магния в воде. Твердый цитрат магния выделяют охлаждением раствора или упариванием и последующим охлаждением, после чего полученный осадок сушат при различной температуре для получения обычного или полностью безводного продукта.
В соответствии со способом [4] в качестве исходного вещества используют оксид магния, или карбонат магния, или гидроксид магния, который добавляют к концентрированному раствору рассчитанного количества лимонной кислоты, проводят при температуре 70°С процесс получения цитрата магния, добавляют к полученному при pH=5-8 раствору небольшое количество уксусной кислоты для связывания в комплекс и предотвращения осаждения вредных примесей, а именно свинца, охлаждают полученный раствор для кристаллизации продукта, отделяют кристаллический осадок цитрата магния, очищают его промывкой водой и сушат.
Основной недостаток способов [3] и [4] состоит в том, что весь магний, содержащийся в конечном продукте, получен из покупных исходных магнийсодержащих матералов - пищевого оксида магния, карбоната магния или гидроксида магния, что приводит к существенному удорожанию конечного продукта. В этом отношении еще менее привлекателен способ получения цитрата магния по патенту РФ №2691730 (опубл. 18.06.2019 [5]), в котором в качестве источника магния предусмотрено использование непосредственно магния в виде стружки, добавляемой к лимонной кислоте.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении возможности получения препарата цитрата магния преимущественно или полностью с использованием природного магнийсодержащего сырья при соответствующем исключении использования покупных магнийсодержащих материалов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [4].
Способ получения цитрата магния по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкий к нему способ по патентному документу [4], включает стадию обработки исходного магнийсодержащего материала щелочного типа концентрированным раствором лимонной кислоты при повышенной температуре с получением горячего раствора цитрата магния, стадию добавления химиката с последующим охлаждением и выдерживанием охлажденного раствора для кристаллизации цитрата магния, а также стадию разделения жидкой и твердой фаз для отделения цитрата магния.
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного способа [4], в качестве исходного магнийсодержащего материала щелочного типа используют подвергнутый очистке от железа природный серпенинит. Последний обрабатывают 15-20% раствором лимонной кислоты при температуре 50-65°С до достижения pH=2,5-3,0 с получением суспензии, которую разделяют с получением утилизируемого осадка и горячего раствора цитрата магния. На стадии добавления химиката в указанный раствор добавляют карбонат магния, раствор охлаждают до температуры 5-8°С и выдерживают в течение 1-3 суток для кристаллизации цитрата магния. На стадии разделения жидкой и твердой фаз кристаллический цитрат магния промывают охлажденной до 5-8°С деионизованной водой.
Как видно из приведенной характеристики предлагаемого способа, основная доля магния, содержащегося в получамом продукте, поступает из используемого природного магнийсодержащего материала - серпентинита. Эта доля составляет около 75%, и лишь примерно 25% магния поступают из карбоната магния, используемого в технологическом процессе в качестве добавляемого химиката.
В предпочтительном частном случае осуществления предлагаемого способа указанная доля может быть увеличена до 100%, для чего на стадии добавления химиката используют карбонат магния, который также получают из природного серпентинита, подвергнутого очистке от железа, обработкой его горячей серной кислотой, разделением полученной при этом суспензии на нерастворившийся утилизируемый осадок серпентинита и раствор сульфата магния, последовательной обработкой раствора сульфата магния содой с осаждением и отделением сначала гидроксида железа при рН=4,0-5,0, а затем карбоната магния при рН=6,5-8,0.
На стадии обработки исходного магнийсодержащего материала щелочного типа концентрированным раствором лимонной кислоты целесообразно использовать лимонную кислоту с концентрацией в интервале 15-20% по массе. При меньшей концентрации резко снижается выход магния из серпентинита, а большая, чем 20%, концентрация практически не ведет к повышению степени извлечения.
На той же стадии целесообразно использовать температуру в интервале 50-65°С, так как при меньшей температуре не достигается требуемая степень извлечения магния из серпентинита, а при большем значении температуры возрастает доля железа и кальция в получаемом растворе цитрата магния.
Целесообразные конечные значения показателя кислотности раствора на этой стадии заключены в интервале pH от 2,5 до 3,0. При меньшем 2,5 значении pH остается избыток лимонной кислоты, при значении же, большем 3,0, уменьшается степень извлечения магния из серпентинита.
На стадии разделения фаз охлажденный раствор целесообразно выдерживать в температурном интервале от 5°С до 8°С. Меньшее 5°С значение температуры резко снижает скорость кристаллизации, но не увеличивает при этом эффективность разделения фаз. При температуре более 8°С снижается выход твердой фазы.
Охлажденный раствор на этой стадии целесообразно выдерживать в течение 1-3 суток. При выдерживании менее 1 суток выход твердой фазы оказывается низким, а выдерживание более 3 суток не способствует дальнейшему повышению указанного выхода.
Для более полного использования природного магнийсодержащего материала - серпентинита, а также лимонной кислоты жидкость, отделяемая на стадии разделения жидкой и твердой фаз, может быть использована для получения жидкого концентрата для приготовления напитков. С этой целью указанную жидкость обрабатывают гидроксидом кальция и отделяют из полученной суспензии раствор смеси цитратов магния и кальция.
Используемый в предлагаемом способе подвергнутый очистке от железа природный серпенинит может быть получен методом магнитной сепарации измельченного до частиц размером 45 мкм и менее порошка природного серпентинита, что обеспечивает премлемое качество сепарации.
В частном случае осуществления предлагаемого способа при использовании такого пути получения очищенного от железа природного серпентинита твердые отходы магнитной сепарации могут быть объединены с упомянутым выше утилизируемым осадком с получением при этом продукта для использования в качестве удобрения или добавки к удобрениям.
При наличии и использовании уже очищенного от железа серпентинита сам утилизируемый осадок может быть использован в качестве удобрения, обогащенного кремнием, или добавки к удобрениям.
Таким образом, в предлагаемом способе используются последовательность и сочетание операций, которые позволяют получить препарат цитрата магния требуемого качества, обеспечить практически безотходную переработку серпентинита с получением жидкого концентрата для приготовления столовых и столово-лечебных напитков, а также твердых отходов, утилизируемых в виде удобрения или добавки к удобрениям.
Предлагаемый способ поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема основных операций, проводимых в процессе получения цитрата магния по предлагаемому способу.
Фиг. 2 иллюстрирует процесс получения используемого в предлагаемом способе карбоната магния из серпентинита.
Фигура 1 предназначена для иллюстрации последовательности операций при промышленном производстве цитрата магния и его производных, включая получение очищенного от железа серпентинита и дополнительных к цитрату магния конечных продуктов в виде жидкого концентрата для приготовления напитков и удобрения или добавки к удобрениям.
Серпентинит подвергается размолу и магнитной сепарации (блок 1). Кристаллическую лимонную кислоту любого происхождения растворяют (блок 2) частично в водопроводной воде питьевого качества и частично - в оборотном растворе на основе деионизованной воды, соответствующем промывочной воде (для промывочных вод на схеме фиг. 1 использовано обозначение ПВ) при промывке, предшествующей получению чистого конечного препарата (блок 10).
Подготовленный порошок серпентинита обрабатывают при повышенной температуре лимонной кислотой (блок 3), получают горячую суспензию, которую разделяют (блок 4) фильтрацией или центрифугированием также при повышенной температуре. Твердую фазу, а именно, нерастворенную часть серпентинита промывают (блок 5) и вместе с твердыми отходами от магнитной сепарации после просушивания (блок 6) направляют на утилизацию в качестве удобрения или добавки к удобрениям.
Фильтрат (жидкую фазу после разделения, блок 4) опять нагревают и смешивают (блок 7) с карбонатом магния. Полученный раствор подвергают охлаждению и выдержиаают в холодном состоянии, при этом имеет место кристаллизация цитрата магния (блок 8). Осуществляют разделение фаз (блок 9) в холодном виде. Кристаллический цитрат магния промывают (блок 10) охлажденной деионизованной водой и получают чистый препарат, а жидкую фазу используют для получения жидкого концентрата цитратов магния и кальция, предназначенного для приготовления напитков, для чего ее объединяют (блок 11) с промывочными водами и обрабатывают гашеной известью.
В случае, когда используемый карбонат магния не является покупным химическим реагентом, а производится также из серпентинита, используют отдельный процесс, основные стадии которого иллюстрируются схемой фиг. 2.
Подготовленный порошок серпентинита (см. блок 1 на предыдущей фигуре) смешивают с водой, а затем в эту смесь добавляют концентрированную серную кислоту и далее смесь нагревают при перемешивании в течение нескольких часов (фиг. 2, блок 12). Полученную суспензию разделают на жидкую и твердую фазы (блок 13). Такое разделение может быть сделано с использованием центрифужных установок непрерывного действия или с помощью фильтров. Отделяют неразложившуюся часть серпентинта, обогащеннную кремнеземом, а фильтрат направляют на дальнейшую переработку (блок 14), где в него при перемешивании и при продувании воздуха (аэрации) добавляют соду (карбонат натрия) до достижения pH=4,5. При этом осаждается гидроксид железа вместе гидроксидами примесей тяжелых металлов. Из полученной суспензии также методом центрифунирования или тонкой фильтрации удаляют гидроксид железа с примесями (блок 15), а фильтрат, представляющий собой раствор сульфата магния, направляют на следующую стадию переработки (блок 16), где продолжают добавлять соду до достижения pH=8,5. При этом из раствора осаждается карбонат магния. Полученную суспензию разделяют на фазы (блок 17) методом фильтрации.
Осадок карбоната магния промывают горячей водой, а промывные воды направляют в голову процесса (на фиг. 2 не показано) и используют вместе с серной кислотой для разложения серпентинита. Промытый карбонат магния используют как реагент при осаждении цитрата магния в соответствии с фиг. 1 (блок 7).
Фильтрат, представляющий собой раствор сульфата натрия, используют для дальнейшей переработки, например, выпаркой до твердого сульфата натрия, используемого в стекольной промышленности. В этом случае конденсат воды после выпарки также используется на стадии разложения серпентинита серной кислотой. Раствор сульфата натрия (при наличии привозного хлорида калия) может быть также использован для получения ионообменным методом раствора бесхлорного удобрения, а именно, сульфата калия (для капельногой подкормки растений) и хлорида натрия (повареной соли).
Твердые фазы, полученные в блоках 13 и 15, могут быть смешаны (блок 18) в виде твердых отходов, а также использованы отдельно или вместе с магнитно-активной фракцией, полученной при подготовке исходного серпентинита (блок 1, фиг. 1), или дополнительно смешаны с исходным серпентинитом и использованы в качестве агроруд или добавок в удобрения.
Предлагаемый способ иллюстрируется также приводимыми ниже примерами 1-4 его осуществления в лабораторных условиях.
Пример 1.
A. Навеску лимонной кислоты в 38 г растворяют в 170 мл водопроводной воды питьевого качества и получают 208 г (195 мл) 18,3% раствора лимонной кислоты. Раствор подогревают до 55°С с использованием лабораторной мешалки с подогревом.
Б. Используют серпентинит Веденского месторождения с содержанием оксидов: магния 38%, железа 8,5% и кальция - 0,6%. Мелкоразмолотый серпентинит (с размером зерна менее 45 микрон) рассыпают ровным слоем на гладкой поверхности, с помощью постоянного магнита отбирают фракцию, обогащенную железом в виде магнетита. Всего отбирают не менее 25% от взятой исходной навески. Из оставшейся части серпентинита берут навеску в 40 г и присыпают небольшими порциями, постепенно помешивая, к приготовленному разогретому 18% раствору лимонной кислоты. Полученную суспензию помещают в термостатирующий шкаф, где выдерживают при температуре 55°С в течение 4 часов при перемешивании при скорости мешалки 150 оборотов в минуту.
B. Суспензию после инкубации центрифугируют в лабораторной центрифуге при 2,5 тыс.оборотов в минуту в течение 5 минут. Полученную прозрачную надосадочную жидкость №1 желто-зеленого цвета объемом 160 мл сливают в чистый мерный стакан. Полученный раствор имеет показатель кислотности pH=3,2, концентрация макрокомпонентов в растворе (г/л) равна: магния - 19,5 (масса магния в растворе: 3,12 г), кальция - 1,4 и железа - 3,3. Стакан с надосадочной жидкостью помещают на магнитную мешалку с подогревом и опять доводят температуру до 55°С.
Г. Осадок №1, полученный после центрифугирования, промывают последовательно три раза водопроводной питьевой водой. Для этого в центрифужные колбы наливают равными объемами суммарно 40 мл воды. Перемешивают, центрифугируют и сливают жидкость в отдельную емкость для промывочных вод. Операцию повторяют еще дважды, Всего получают 120 мл раствора с содержанием: магния - 1,4 г/л (масса магния в растворе - 0,17 г), кальция - 0,1 г/л и железа -0,23 г/л. Промытый осадок после высушивания при 120°С в течение 4 часов имеет массу 29,2 г. Осадок объединяют с отобранной в соответствии с п. Б, магнитно-активной частью и получают продукт, пригодный для использования в качестве агроруды (удобрения или мелиоранта или добавок к различным природным удобрениям).
Д. В полученную в соответствии с п. В и нагретую надосадочную жидкость №1 небольшими порциями (по 0,3-0,5 г) добавляют реактив - карбонат магния квалификации чистый («Ч», в соответствии с ГОСТ 6419-78) с содержанием магния 24,5%. После добавления каждой порции выжидают полного осветления раствора, а затем добавляют новую порцию. При этом непрерывно контролируют pH с помощью лабораторного pH-метра. Добавление проводят до достижения pH=4,0. Всего добавляют 2,9 г карбоната магния (масса в расчете на магний: 0,71 г).
Е. Полученный раствор помещают в холодильную камеру при температуре +6°С, где выдерживают в течение двух суток. За это время формируется суспензия с большим количеством твердой фазы белого цвета.
Ж. Полученную суспензию центрифугируют с помощью лабораторной центрифуги, установленной в холодильной камере, при 2,5 тыс.оборотов в минуту в течение 5 минут. Получают осадок №2 белого цвета и надосадочную жидкость (75 мл по объему) в которой содержатся макрокомпоненты в концентрациях (г/л): магния - 9,8; кальция - 1,05 и железа - 3,0). Надосадочную жидкость №2 сливают в ту же указанную в п. Г отдельную емкость для промывочных вод.
З. Полученный мокрый осадок №2 последовательно промывают до 6 раз, используя лабораторную центрифугу и охлажденную до 5°С деионизованную воду. Для этого в центрифужные колбы наливают равными объемами суммарно 25 мл воды. Перемешивают, центрифугируют и сливают жидкость в указанную выше отдельную емкость для промывочных вод. Операцию повторяют еще 5 раз, первые три порции промывочной воды (75 мл) сливают в указанную выше отдельную емкость для промывочных вод. Содержание компонентов в этой воде: магния - 1,1 г/л, кальция - 0,05 г/л и железа - 0,12 г/л. В соответствии с этим, а также с п.п. Г, Ж, всего в емкости для промывочных вод собирают 270 мл раствора. Усредненное содержание компонентов в объединенном растворе: магния - 3,65 г/л, кальция - 0,35 г/л и железа - 0,97 г/л.
Остальные три порции (75 мл) практически чистой деионизованной воды собирают в другую отдельную емкость для использования в качестве воды для растворения лимонной кислоты (вместе с водопроводной водой).
И. Промытый осадок высушивают при 120°С в течение 4 часов. Получают порошок белого цвета массой 26,2 г. Его состав (помимо цитрата): магний - 11,1%, кальций - 0,1%; железо - 0,03%. Сумма микропримесей - менее 0,005%. Содержание отдельных микрокомпонентов (мг/г): свинец - менее 0,1; мышьяк - не обнаружен. Полученный образец соответствует необходимым требованиям по чистоте, его можно использовать в виде порошкообразного препарата или для получения таблеток, а также различных микстур.
2
К. В объединенные промывочные воды (270 мл) в отдельной емкости для промывочных вод добавляют 1 г тонкодисперсного порошка гашеной извести (Ca(OH)) и выдерживают смесь в течение 2 суток при периодическом взбалтывании через каждые 8 часов. Возникает слабая суспензия, окрашенная в бледно-желто-коричневый цвет. Проводят центрифугирование суспензии и получают в условиях, описанных в п. В, раствор концентрата для напитков, содержащий макрокомпоненты: магния - 3,65 г/л, кальция - 4,05 г/л и железа - 0,07 г/л. Раствор характеризуется pH=6,5, по содержанию нормируемых компонентов соответствует ГОСТ Ρ 54316-2011 «Воды минеральные природные питьевые» для лечебно-столовых вод и может быть использован как жидкий концентрат для приготовления напитков, в том числе на основе столовых или лечебно столовых минеральных вод.
Л. 75 мл практически чистой деионизованной воды, полученной в соответствии с п. З, добавляют к 95 мл водопроводной воды питьевого качества и в нем готовят раствор лимонной кислоты (38 г. по массе), как описано в п. А.
М. Повторяют все операции, описанные в п.п. Б-Л. Получают препарат практически чистого цитрата магния с содержанием магния не менее 11%.
Пример 2.
Проводят процесс в соответствии с Примером 1 с отличием, заключающимся в том, что на стадиях, описанных в п.п. В, Г, Ж, З и К, вместо лабораторной центрифуги используют термостатируемый фильтр Бюхнера с водоструйным насосом. При этом все операции с нагретыми и охлажденными суспензиями проводят при температурах, указанных в Примере 1. Операции промывки осуществляют, используя указанные в Примере 1 объемы, причем выполняют их сразу после фильтрации, не снимая осадок с фильтрующей поверхности, но заменяя колбу под под фильтром или предварительно очищая и осушая ее. Получают препарат практически чистого цитрата магния с содержанием магния не менее 11%, кальция - не более 0,5%, а остальных компонентов в концентрациях, не превышающих значения, приведенные в п. И Примера 1.
Пример 3.
Проводят процесс в соответствии с Примером 1 с отличием, заключающимся в том, что используют не покупной реактив, а карбонат магния, который предварительно получают из серпентинита. Для этого проводят операции, описанные ниже.
Н. 600 г размолотого серпентинита (размер частиц - менее 45 мкм), предварительно очищенного от железа с помощью магнита, смешивают с 2160 мл дистиллированной воды и туда добавляют 480 мл концентрированной серной кислоты, нагревают смесь до 96°С и перемешивают на магнитной мешалке с подогревом в течение 4 часов.
О. Полученную суспензию охлаждают до комнатной температуры и фильтруют полученную смесь с использованием фильтра Бюхнера. Получают 2200 мл фильтрата №1.
П. Готовят 1500 мл насыщенного раствора соды -карбоната натрия (растворимость при комнатной 21,8 г на 100 мл воды). К фильтрату №1 приливают постепенно небольшими порциями приготовленный раствор соды до достижения pH=4,5. Всего уходит 910 мл раствора. В течение 2 суток через полученную смесь продувают воздух с использованием аквариумного микрокомпрессора. Полученную суспензию фильтруют, осадок гидроксида железа отделяют и получают 2106 мл фильтрата №2.
Р. Далее к полученному раствору снова прибавляют раствор карбоната натрия объемом 500 мл и получают светлую суспензию с серо-зеленоватым оттенком. Суспензию фильтруют на фильтре Бюхнера, а затем трижды промывают горячей водой порциями по 250 мл. Получено 240 г сухого вещества - карбоната магния с содержанием компонентов (масс. %): магния - 22, кальция - 0,8 и железа 0,025.
С. Проводят процесс, как описано в Примере 2, и получают сухой препарат цитрата магния, в котором содержится: магния - 9,5%, кальция - 1%, железа - 0,03%, микрокомпоненты - в концентрациях, не превышвающих значения, приведенные в п. И Примера 1.
Пример 4.
Проводят процесс в соответствии с Примером 1 с отличием, заключающимся в том, что используют лимонную кислоту, полученную из натуральных лимонов. Получают препарат практически чистого цитрата магния с содержанием магния не менее 11%, кальция - не более 0,5%, а остальных компонентов - в концентрациях, не превышающих значения, приведенные в п. И Примера 1.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать препарат цитрата магния, соответствующий существующим требованиям, преимущественно (на 75%) или полностью (на 100%) из природного сырья - серпентинита. При этом в способе достигается практически безотходная перереботка серпентинита с получением в качестве второго продукта жидкого концентрата смеси цитратов магния и кальция, который можно использовать для приготовления столовых или лечебно-столовых напитков, а также обедненного магнием серпентинита, который можно использовать в качестве удобрения и мелиоранта или добавок к удобрениям.
Источники инфомации
1. Патентный документ КНР №102503811, опубл. 20.06.2012.
2. Патентный документ КНР №101591235, опубл. 92.12.2009.
3. Патентный документ КНР №104447272, опубл. 25.03.2015.
4. Патентный документ КНР №101591234, опубл. 02.12.2009.
5. Патент РФ №2691730, опубл. 18.06.2019.