DE102005060316A1 - Verfahren zur Herstellung von Methionin - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Methionin aus 5-(2'-Methylmercaptoäthyl-)-hydantoin durch Hydrolyse bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in basischer Lösung unter Entfernung der bei der Hydrolyse entstehenden gasförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrolyse in Gegenwart einer tert. Stickstoffbase durchführt, während der Hydrolyse laufend Ammoniak und Kohlendioxid ausschleust, nach der Hydrolyse mittels Kohlendioxid das Methionin abscheidet und die Mutterlauge wieder in die Hydrolyse-Stufe zurückführt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Methionin aus 5-(2'-Methylmercoptoäthyl)-hydantoin im Folgenden abkürzend als 5-MMH bezeichnet.
• Es ist bekannt, Methionin durch Hydrolyse von 5-MMH herzustellen. Dazu wird 5-MMH mit Wasser in Gegenwart von basischen Stoffen unter Druck erhitzt und die gasförmigen Spaltprodukte Ammoniak und Kohlendioxyd zusammen mit Wasserdampf aus dem Hydrolysegleichgewicht entfernt.
• Nach einem großtechnisch zur Synthese von Methionin ausgeübten Verfahren setzt man als basisches Mittel eine wässrige Lösung von Kaliumcarbonat ein. Dieses Verfahren wird in DOS 1906405 beschrieben und in der Literatur allgemein als Carbonat-Verfahren bezeichnet. Das bei diesem Verfahren zunächst als sein Kalium-Salz anfallende Methionin wird durch Begasen mittels Kohlendioxid (sog Carbonisieren) in Freiheit gesetzt und als Feststoff durch Filtration oder durch Abzentrifugieren gewonnen. Die Mutterlauge aus dieser Trennoperation enthält nicht abgetrenntes Methionin und Kalium-Hydrogencarbonat. Zur Vermeidung von Methionin-Verlusten und eines Zwangsanfalls von großen Mengen eines anorganischen Salzes kann die Mutterlauge in die Hydrolysestufe de 5-MMH zurückgeführt werden.
• Wie bei allen geschlossenen Kreislaufprozessen bedarf diese wiederholte Rückführung der Mutterlauge der Ausschleusung von Teilen derselben, um die gebildeten Nebenprodukte nicht über das erträgliche Maß ansteigen zu lassen. Da jedoch die ausgeschleusten Mutterlaugemengen noch erhebliche Mengen an Methionin und an Kalium-salzen enthalten, können diese nicht einfach verworfen werden.
• Eine einfache Aufarbeitung und Rückgewinnung der in der Mutterlauge noch enthaltenen Wertprodukte durch das sonst übliche Aufkonzentrieren und durch erneute Kristallisation gelingt im Falle des Carbonat-Verfahrens jedoch nicht, weil sich in der Mutterlauge schmierige Nebenprodukte anreichern.
• Beim Carbonat-Verfahren muss der auszuschleusende Anteil der Mutterlauge vielmehr einem aufwendigen, mehrstufigen Prozess unterworfen werden, welcher in der DOS 2421167 beschrieben wird.
• Es wurde nun ein technisch wesentlich einfacheres und effizienteres Verfahren zur Herstellung von Methionin durch Hydrolyse des 5-MMH in Gegenwart eines basischen Hydrolyse-Katalysators und Entfernung der gasförmigen Hydrolyse-Produkte bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man zur basischen Katalyse des 5-MMH eine tert. Stickstoffbase einsetzt, die Hydrolyse bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unter fortlaufender Entfernung von Ammoniak und Kohlendioxyd sowie Wasserdampf durchführt, das gebildete Methionin abtrennt und die Mutterlauge in die Hydrolyse-Stufe zurückführt.
• Als tert. Stickstoffbasen kommen vor allem trisubstiuierte Amine – d.h. Amine ohne ein am N-Atom noch gebundenes Wasserstoffatom – in Betracht. Besonders geeignet sind tert. Amine, deren Siedepunkt um mehr als 10 Grad Celsius über dem des Wassers liegt, die selbst und auch deren Hydrogencarbonat löslich in Wasser sind und deren Hydrogen-Carbonate beim Erhitzen unter Freisetzung von Kohlendioxid zerfallen.
• Da es für die basische Hydrolyse des 5-MMH nur auf die beim Kontakt des Amins mit dem Wasser gebildeten Hydroxyl-Ionen ankommt, kann als basischer Katalysator eine Vielzahl an N-trisubstitierten Aminen einzeln oder auch im Gemisch und ganz unterschiedlicher chemischer Struktur eingesetzt werden.
• Als Reste R1-, R2- und R3- in der allgemeinen Formel eines tert. Amins der Formel NR1R2R3 kommen beispielsweise Alkyl-, Cycloalkyl- und Aralkyl-Reste infrage, die selbst Substituenten tragen können wie z.B. Hydroxylgruppen oder Dialkylaminogruppen; die Reste R1 und R2 können auch einen gemeinsamen nicht aromatischen Ring bilden wie z.B. einen Pyrrolidin-, Piperidin-, Piperazin- und einen Morpholinring.
• Die hier nur auszugsweise genannten tert. Amine werden zur Hydrolyse des 5-MMH im allgemeinen bezogen auf 5-MMH in einem Molverhältnis von 1 bis 5 und bevorzugt von 1,1 bis 1,5 eingesetzt.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird z.B. so verfahren:
  Zu einer wässrigen Lösung von 5-MMH setzt man die freie Stickstoffbase zu und erhitzt das Gemisch unter fortwährendem Rühren in einer geschlossenen Druckapparatur bis auf 140 bis 180 Grad Celsius. Die sich bildenden gasförmigen Hydrolyse-Produkte Ammoniak und Kohlendioxid lässt man zur Vervollständigung der Reaktion zusammen mit Wasserdampf entweichen. Das austretende Gas-/Dampfgemisch wird entweder in einer Waschkolonne niedergeschlagen oder einem Kühler kondensiert. Die hieraus resultierende wässrige Lösung von Ammoniumbicarbonat kann wertstofferhaltend in die Synthese von 5-MMH zurück geführt werden.
• Nach beendeter Hydrolyse des 5-MMH, erkenntlich am Abklingen der Ammoniak-Entwicklung, wird das Hydrolyse-Gemisch abgekühlt und unter Rühren mit Kohlendioxid so lange begast bis sich ein Kohlendioxid-Druck von bleibend 3 bis 4 bar aufgebaut hat. Der ph-Wert fällt hierdurch auf Werte von 7 bis 7,5 ab und aus dem vorher vorliegenden Salz des Methionins mit der zugesetzten Base wird Methionin in Freiheit gesetzt und kann in kristalliner Form abfiltriert oder abzentrifugiert werden.
• Die Mutterlauge aus dieser Feststoffabtrennung kann entweder direkt oder nach einer Decarbonisierung durch Erhitzen derselben in die Hydrolyse-Stufe des 5-MMH zurückgeführt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren liefert bei sehr guter Ausbeute (größer 99%) Methionin in hoher Reinheit. Das so hergestellte Methionin ist nicht wie nach dem Carbonatverfahren mit anorganischen Salzen (0,5%) verunreinigt. Es erfüllt u.a. die Spezifikationen der gängigsten Pharmakopöen und kann demzufolge auch auf dem Human-Gebiet eingesetzt werden.
• Da alle Produktkreisläufe geschlossen sind, reichern sich in der Mutterlauge im Laufe der Zeit Nebenprodukte und Verunreinigungen an.
• Die Wiedergewinnung der in der Mutterlauge noch enthaltenen Wertprodukte gestaltet sich bei dem vorliegenden Verfahren besonders einfach und viel effizienter als beim Carbonatverfahren.
• Während das Carbonat-Verfahren mit Schwierigkeiten durch die Abscheidung von schmierigen Produkten bei der Feststoffabtrennung des Methionins aus der Mutterlauge zu kämpfen hat, bleiben diese beim beanspruchten Verfahren bei der destillativen Reinigung des Amins im Sumpf der Destillationskolonne zurück und können so einfach und effizient aus dem Kreislauf ausgeschleust werden.
• Zur Aufarbeitung des zu Reinigungszwecken ausgeschleusten Teils der Mutterlauge verfährt man z.B. folgendermaßen:
  Die ausgeschleuste Mutterlauge wird zunächst bei Normaldruck auf etwa die Hälfte ihres ursprünglichen Volumens eingedampft. Das in der eingeengten Mutterlauge vorliegende Methionin liegt danach gebunden an die Aminbase vor. Zur Freisetzung des Methionins begast man den flüssigen Rückstand in einer druckfesten Rührapparatur bei 70 Grad Celsius so lange mit Kohledioxid bis sich ein bleibender Kohlendioxid-Druck von rd. 3 bar aufgebaut hat. Nach einer Verweilzeit von rd. 30 Minuten kühlt man auf 5 bis 10 Grad C. ab und trennt das hierbei abgeschiedene Methionin in gut filtrierbarer Form ab. Zur Rückgewinnung der Amin- Base engt man das Filtrat der Methioninfiltration ein und reinigt den dabei erhaltenen flüssigen Rückstand durch fraktionierte Destillation. Die hierbei in reiner Form erhaltene flüssige freie Base wird in die Hydrolysestufe des 5-MMH zurück geführt.
• Beispiel 1:
• 174 g 5-MMH werden gelöst in 1000 ml Wasser mit 172,5 g N-Äthyl-morpholin in einem Autoklaven unter fortwährendem Rühren auf 170 Grad C. erhitzt. Nach Erreichen eines Druckes von 8 bar lässt man stetig über ein Druckhalteventil das gebildete Ammoniak und Kohlendioxid zusammen mit 340 g Wasserdampf entweichen. Das Ende der Hydrolyse erkennt man daran, dass die entweichenden Dämpfe nicht mehr nach Ammoniak riechen. Man kühlt auf 90 Grad C. ab, lässt entspannen und versetzt das Hydrolyse-Gemisch mit 1 g Aktivkohle zur Entfärbung. Nach dem Abfiltrieren der verbrauchten Aktivkohle kühlt man auf 15 Grad C. ab und begast das Filtrat zunächst bei Normaldruck unter Rühren mit Kohlendioxid, dann weiter unter 4 bar so lange bis der Druck nicht mehr abfällt. Das hierbei in kristallisierter Form abgeschiedene Methionin filtriert man ab und wäscht das Kristallisat zur Verdrängung der anhaftenden Mutterlauge mit 200 ml kaltem Wasser. Nach dem Trocknen erhält mein 130 g Methionin mit einer Reinheit von größer 99,9%. Das mit dem Waschwasser vereinte Filtrat aus der Kristallisation in einer Menge von 1006 g enthält nach der HPLC-Analyse noch 1,79% Methionin, so dass sich die Ausbeute zu 99% d. Th. ergibt. Diese Lösung kann entweder direkt oder nach Entcarbonisierung wieder in die Hydrolyse-Stufe zurückgeführt werden.
• Beispiel 2:
• Zu 705 Teilen eines bereits dacorbonisierten Filtrats aus der Methionin-Kristallisation (s.w.u.), das noch 40 Teile Methionin und 133,5 Teile Dimethylaminoäthanol enthält, wird eine Lösung von 174,5 Teilen 5-MMH in 650 Teilen Wasser gegeben und dieses Gemisch in einem Autoklaven unter fortwährendem Rühren 50 Minuten auf 165 Grad C. erhitzt. Der entsehende Überdruck wird mittels eines Druckhalteventils (PRC) bei 6,5 bar konstant gehalten. Das bei der Hydrolyse des 5-MMH gebildete Ammoniak und das Kohlendioxid, das sowohl aus der Hydrolyse als auch aus dem thermischen Zerfall des Hydrocarbonats des Dimethyläthanols stammt, entweichen dabei zusammen mit 400 Teilen Wasserdampf über den Auslass des Überdrucksventils. Die entweichenden Gase werden zusammen mit dem Wasserdampf in einem nachgeschalteten Kühler auskondensiert. Das hierbei anfallende Kondensat kann direkt in die Synthese von 5-MMH eingesetzt werden. Das im Autoklaven verbliebene Hydrolysegemisch wird auf 95 Grad C. abgekühlt und mit 1,0 Teilen Aktivkohle unter Rühren versetzt und nach einer Verweilzeit von 15 Minuten durch Filtration von diesem wieder befreit. Danach kühlt man das Filtrat auf 15 Grad C. ab. Bei dieser Temperatur leitet man unter fortwährendem Rühren im Verlauf solange Kohlendioxid ein bis der Druck auf 3 bar angestiegen ist und auch nicht wieder abfällt. Durch diese Maßnahme wird aus dem Dimethylaminoäthanol-Salz des Methionins das Letztere in Freiheit gesetzt und wird in kristallisierter Form durch Filtration von der Mutterlauge abgetrennt. Der Filterkuchen wird zur Verdrängung von anhaftender Mutterlauge mit 200 Teilen 10-grädigem Wasser gewaschen und anschließend im Vakuum getrocknet. Auf diese Weise erhält man 148 Teile Methionin von großer Reinheit (größer 99,5%). Bezogen auf die eingesetzte Menge an 5-MMH liegt die Ausbeute über 99% d.Th. Nach der Filtration des reinen Methionins fallen 950 Teile Filtrat an. Zur Aufkonzentrierung dieses Filtrats und zur Freisetzung des Dimethyaminoäthanols (Decarbonylierung) werden aus dem Filtrat bei 1,5 bar 200 Teile Wasser abdestilliert. Das hierbei entweichende Kohlen-Dioxid kann bei der zur Carbonisierung des Hydrolysegemisches wiederverwendet werden.
• Die eingeengte und von Kohlendioxid befreite wässrige Lösung führt man wertstofferhaltend zurück in die Hydrolyse-Stufe des 5-MMH (s.w.u.)
• Beispiel 3. Aufarbeitung von Teilen der Mutterlauge
• Um bei den geschlossenen Rückführungen (Kreislauffahrweise) der Produktströme keine Anreicherung von Nebenprodukten und/oder Verunreinigungen zuzulassen,
  wird nach jedem 100.sten Ansatz die gesamte Mutterlauge nach dem Aufkonzentrieren ausgeschleust. In diese Lösung wird unter fortwährendem Rühren bei 70 Grad C. solange Kohlendioxid eingeleitet bis sich
  der Druck permanent bei 3 bar hält. Nach einer Verweilzeit von 30 Min. kühlt man auf 10 Grad C. unter Rühren ab und filtriert das sich in kristallisierter Form abgeschiedene Methionin in einer Menge von 36 Teilen ab..
• Das Filtrat wird in einer Destillationsanlage zunächst von Wasser befreit. Danach gewinnt man aus dem Rückstand das darin enthaltenen Dimethylaminoäthanol in reiner Form durch fraktionierte Destillation zurück und setzt dieses erneut wieder zur Hydrolyse des 5-MMH ein. Im Sumpf der Destillationskolonne bleiben alle höher siedenden Nebenprodukte bzw. Verunreinigungen zurück und können so aus dem Kreislaufprozess ausgeschleust werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Methionin aus 5-(2'-Methylmercaptoäthyl-)-hydantoin durch Hydrolyse bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in basischer Lösung unter Entfernung der bei der Hydrolyse entstehenden gasförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrolyse in Gegenwart einer tert. Stickstoffbase durchführt, während der Hydrolyse laufend Ammoniak und Kohlendioxid ausschleust, nach der Hydrolyse mittels Kohlendioxid das Methionin abscheidet und die Mutterlauge wieder in die Hydrolyse-Stufe zurückführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als tert. Stickstoffbase ein tert. Amin der allgemeinen Formel NR1R2R3 einsetzt, bei der die Substituenten R1, R2 und R3 die folgende Bedeutung haben können : Alkyl-, Cycloalkyl- und Aralkyl-, wobei diese Reste selbst wieder Hydroxy- oder N-Dialkylamino-alkyl-Gruppen tragen können, R1 und R2 auch einen gemeinsamen Kohlenstoff- oder hetrocyclischen jedoch nicht aromatischen 5-, 6- oder 7-Ring bilden können.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die tert. Amine und deren Hydrocarbonate in Wasser zu mindestens 2% bei Zimmertemperatur löslich sind und deren Flüchtigkeit geringer ist als die des Wassers.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substituenten R1, R2 und R3 durch Hydroxy- oder Dialkylamino-alkylreste substituiert sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass das tert. Amin bei Normaldruck einen Siedepunkt größer 110 Grad C. besitzt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Base N-Äthylmorpholin oder Dimethyläthanolamin verwendet wird.
7. Methionin, das frei von Kaliumsalzen ist, wie es nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erhalten wird.