DE19600025A1 - Verfahren zur Herstellung von Fettstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von FettstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fettstoffen, bei dem
zunächst die im Ausgangsmaterial enthaltenen Fettsäuren in Gegenwart saurer
Katalysatoren mit Alkoholen verestert und anschließend weiterverarbeitet werden.
Native Fette und Öle enthalten fast immer beträchtliche Mengen an freien
Fettsäuren, wobei der Gehalt - je nach Ursprung des Materials und seiner
Vorgeschichte - in einem weiten Bereich schwanken kann und fast immer oberhalb
von 3 Gewichtsprozent liegt. Dieser Gehalt an freien Fettsäuren führt bei den
unterschiedlichen Verfahren zur Weiterverarbeitung der Fette und Öle - wie z. B.
der Hydrierung, Spaltung und insbesondere Umesterung - zu Problemen. Daher ist
eine Vorbehandlung der Fette und Öle, bei der die Anteile an freien Fettsäuren
durch Überführung in entsprechende Fettsäureester erniedrigt werden, erforderlich.
Im Rahmen einer Vorveresterung können so die Fettsäuren in die entsprechenden
Alkyl- und/oder Glycerinester überführt werden. Es ist ein Verfahren zur
Veresterung von Fetten und Ölen bekannt, das in Gegenwart alkalischer
Katalysatoren bei 240°C und 20 bar durchgeführt wird (Ullmann Enzyklopädie
der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 11 (1976), Seite 432). Diese Art der
Vorveresterung mit Methanol setzt die Verwendung kostspieliger Druckreaktoren
voraus. Ebenfalls aus der Literatur bekannt ist die Veresterung der freien
Fettsäuren in Fetten und/oder Ölen mit monofunktionellen niederen Alkoholen,
insbesondere Methanol, in homogener Phase mittels saurer Katalyse, z. B. unter
Verwendung von p-Toluolsulfonsäure als Katalysator. Dieses Verfahren erfordert
allerdings eine relative schwierige Katalysatorabtrennung. Durch Waschen mit
Methanol können der Katalysator sowie das Reaktionswasser abgetrennt werde. Es
ist dazu jedoch erforderlich, dem Öl ein flüssiges - im wesentlichen mit der Ölphase
nicht mischbares - Schleppmittel zuzusetzen, bevorzugt wird Glycerin als
Schleppmittel eingesetzt (DE OS 33 19 590). Die Nachteile dieses Verfahrens
liegen besonders darin, daß eine unvollständige Abtrennung des Katalysators z. B.
bei anschließender Hydrierung zur Inhibierung der entsprechenden
Hydrierkatalysatoren führt. In der EP 0 192 035 ist ein Verfahren zur Entsäuerung
nativer Fette und Öle beschrieben, bei dem saure feste Ionenaustauscherharze als
Katalysatoren eingesetzt werden, und nach dessen Abtrennung vom
Reaktionsgemisch das Reaktionswasser entfernt wird. Gemäß diesem Verfahren ist
ein hoher Methanolüberschuß erforderlich um eine hinreichende Reduktion der
Säurezahl zu erreichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat darin bestanden, ein technisch leicht
durchzuführendes Verfahren zu entwickeln, mit dem man die Säurezahl von Fetten
und/oder Ölen so weit senken kann, daß man diese anschließend direkt in an sich
bekannter Weise weiterverarbeiten kann, z. B. Spalten, Umestern und/oder
Hydrieren.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von
Fettstoffen, bei dem man im Ausgangsstoff enthaltene freie Fettsäuren in
Gegenwart saurer Katalysatoren mit Alkoholen verestert und das Produktgemisch
anschließend weiterverarbeitet, in der Weise, daß man
- a) Fette und Öle mit einer Säurezahl von bis zu 60 zusammen mit niederen aliphatischen Alkoholen über ein saures Katalysatorbett leitet und dabei die Säurezahl auf einen Wert zwischen 1 und 6 erniedrigt, anschließend
- b) aus dem 1. Vorveresterungsprodukt Reaktionswasser und überschüssigen Alkohol abtrennt,
- c) das gereinigte 1. Vorveresterungsprodukt unter Zugabe von weiterem Alkohol erneut über ein saures Katalysatorbett leitet und die Säurezahl dabei auf Werte von 0,1 bis 0,9 erniedrigt, und
- d) das 2. Vorveresterungsprodukt ohne weitere Reinigung in an sich bekannter Weise umestert und/oder hydriert.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren selbst ausgehend von Säurezahlen über 60, Säurezahlen von 0,4 und
weniger erreicht werden können. Desweiteren ist nach der zweiten Stufe eine
Abtrennung des Reaktionswassers nicht notwendig, wodurch weniger
methanolhaltiges Abwasser anfällt und zusätzlich z. B. im Fall der bevorzugten
Ausführungsform, einer nachfolgenden Umesterung, die Menge an zuzusetzendem
niederem Alkohol reduziert werden kann, da mit dem Wasser auch der
überschüssige Alkohol im Produkt verbleibt.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsmaterialien einzusetzenden
Fette und/oder Öle können die üblichen natürlichen pflanzlichen oder tierischen
Fette oder Öle sein. Hierzu gehören beispielsweise Palmöl, Palmkernöl,
Baumwollsaatöl, Rapsöl, Kokosöl, Erdnußöl, Olivenöl, Leinöl, Babassuöl, Teeöl,
Olivenkernöl, Meadowfoamöl, Chaulmoograöl, Korianderöl, Sojaöl, Rizinusöl,
Lardöl, Rindertalg, Schweineschmalz, Fischöl, sowie Sonnenblumenöl und Rapsöl
der alten und neuen Züchtung. Die Hauptbestandteile dieser Fette und Öle sind
Glyceride verschiedener Arten von Fettsäuren, die beträchtliche Mengen an
Verunreinigungen wie etwa Aldehydverbindungen, Phospholipidverbindungen und
freie Fettsäuren enthalten. Diese Materialien können direkt eingesetzt werden.
Neben den natürlichen Fettsäureglyceriden können auch synthetische
Fettsäureglyceride eingesetzt werden, die man z. B. durch Veresterung von
Glycerin mit Fettsäuren erhält. Unter Fettsäuren sind dabei aliphatische
Carbonsäuren der Formel (I) zu verstehen,
R¹CO-OH (I)
in der R¹CO für einen aliphatischen, linearen oder verzweigten Acylrest mit 6 bis
22 Kohlenstoffatomen und 0, 1, 2 und/oder 3 Doppelbindungen steht.
Typische Beispiele sind Capronsäure; Caprylsäure, 2-Ethylhexansäure, Caprin
säure, Laurinsäure, Isotridecansäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Palmoleinsäure,
Stearinsäure, Isostearinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, Petroselinsäure, Linolsäure,
Linolensäure, Elaeostearinsäure, Arachinsäure, Gadoleinsäure, Behensäure und
Erucasäure sowie deren technische Mischungen, die z. B. bei der Druckspaltung
von natürlichen Fetten und Ölen, bei der Reduktion von Aldehyden aus der
Roelen′schen Oxosynthese oder der Dimerisierung von ungesättigten Fettsäuren
anfallen.
Bevorzugt sind technische Fettsäuren mit 12 bis 18 Kohlenstoffatomen wie
beispielsweise Kokos-, Palm-, Palmkern- oder Talgfettsäure.
Als Fettsäureglyceride im Sinne der vorliegenden Erfindung können sowohl
Fettsäuretriglyceride, als auch entsprechende Fettsäurepartialglyceride, wie Mono-
und Diglyceride sowie deren Mischungen eingesetzt werden.
Die Säurezahl der natürlichen Fette und Öle, und damit ihr Gehalt an freien
Fettsäuren kann in weiten Bereichen schwanken. So liegt beispielsweise die
Säurezahl des handelsüblichen rohen Kokosöls nicht über 20. Bei anderen
Pflanzenölen liegt die Säurezahl guter Qualitäten unter 10; bei minderen Qualitäten
können Werte von 20 bis 25 beobachtet werden. Technische Talge, die nach ihrer
Säurezahl bewertet und gehandelt werden besitzen - einem Gehalt an freien
Fettsäuren von 1 bis 20 Gewichtsprozent entsprechend - Säurezahlen von 1 bis 40,
wobei gelegentlich auch noch höhere Werte auftreten können. In extremen Fällen
kann die Säurezahl des Ausgangsmaterials Werte von 60 und darüber erreichen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die genannten Fette und Öle mit
niederen Alkoholen mit 1 bis 4 C-Atomen, wie z. B. Butanol, Isopropanol,
Propanol, Ethanol und/oder Methanol umgesetzt werden. Daneben können auch
wasserlösliche Polyole wie z. B. Ethylenglycol und/oder Glycerin eingesetzt
werden. Besonders bevorzugt werden Methanol, Ethanol und/oder Glycerin
eingesetzt.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung können saure Veresterungskatalysatoren,
insbesondere stark saure Kationenaustauscherharze, mit freien Sulfonsäuregruppen
an einer Polymermatrix und/oder mit Alkylsulfonsäuresiloxan modifiziertes
Kieselgel eingesetzt werden. Erfindungsgemäß geeignete Katalysatoren sind
besonders solche Harztypen mit makroporöser Struktur, die aufgrund der großen
Oberfläche einen intensiven Kontakt zwischen der Ölphase und der Feststoffphase
ermöglichen. Geeignete Katalysatortypen sind in der Literatur vielfach benannt z. B.
in Ullmann′s Encyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, 8. Band.
München-Berlin 1957, Seiten 806 bis 817. Typische Beispiele für
erfindungsgemäß einzusetzende Katalysatoren sind die von der Firma Bayer unter
dem Warenzeichen Lewatit® vertriebenen Austauscherharze, sowie die von der
Firma Rohm und Haas unter dem Namen Amberlyst® vertriebenen Katalysatoren.
Anorganische Katalysatoren auf Basis modifizierten Kieselgels, wie sie im BMFT-
Bericht BED/22-0319035A, 9191 beschrieben sind und wie sie von der Firma
Degussa unter dem Handelsnamen Deloxan® ASP vertrieben werden, eignen sich
ebenfalls. Besonders bevorzugt werden folgende Katalysatoren eingesetzt: K 2631
der Firma Bayer, Amberlyst® 15 DRY, 15 WET, 16 DRY, 16 WET sowie 36 DRY
und 36 WET der Firma Rohm und Haas.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der in den Triglyceridgemischen des
Ausgangsmaterials vorhandene Anteil an freien Fettsäuren in Gegenwart der sauren
Kationenaustauscherharze mit im Überschuß vorhandenem Alkohol verestert. Als
Ausgangsmaterial eignen sich dabei Fette und/oder Öle mit einer Säurezahl von bis
zu 60, beispielsweise zwischen 5 und 60, vorzugsweise zwischen 6 und 40,
insbesondere zwischen 8 und 25. Diese werden gemeinsam mit 5 bis 20
vorzugsweise 7 bis 15 Gew.-% - bezogen auf die eingesetzten Fette und/oder Öle -
eines niederen Alkohols über das Katalysatorbett geleitet. Nach der ersten
Reaktionsstufe kann diese Säurezahl auf einen Wert zwischen 1 und 4,
vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 reduziert werden. Die anschließende Abtrennung
des Reaktionswassers gemeinsam mit dem überschüssigen Alkohol erfolgt
bevorzugt mittels eines Fallfilmverdampfers, denkbar sind jedoch auch andere
Verfahren wie z. B. per Rektifikation. Besonders bevorzugt sind Verfahren, die eine
selektive Abtrennung des Wassers ermöglichen, d. h. bei denen der überschüssige
Alkohol im Vorprodukt verbleibt und für die weitere Veresterung zur Verfügung
steht. In diesem Sinne lassen sich Trocknungsmittel wie z. B. Molekularsiebe
einsetzen, weiterhin zur selektiven Adsorption geeignet sind auch Hydrogele.
Daneben kann die Abtrennung des Wassers auch mittels Pervaporation oder
Dampfpermeation erfolgen. Für die zweite Reaktionsstufe werden erneut 5 bis 20,
vorzugsweise 7 bis 15 Gew.-% - bezogen auf die eingesetzten Fette und/oder Öle -
niederen Alkohols zugespeist und gemeinsam mit dem 1. Vorveresterungsprodukt
über ein weiteres Katalysatorbett geleitet. Anschließend erhält man Fette und/oder
Öle mit einer Säurezahl von 0,1 bis 0,9. Diese können direkt, ohne Aufarbeitung
weiterverarbeitet werden, das Reaktionswasser sowie der überschüssige Alkohol
können im Produkt verbleiben, ohne die nachfolgende Weiterverarbeitung negativ
zu beeinträchtigen. Besonders vorteilhaft ist, daß bei einer nachfolgenden
Umesterung, vorzugsweise durchgeführt gemäß der DE 39 32 514, der Gehalt an
zuzusetzendem niederen Alkohol reduziert werden kann.
Die Reaktion wird unter vergleichsweise milden Reaktionsbedingungen
durchgeführt, um so eine mögliche Umesterung der Triglyceride mit dem Alkohol
zu vermeiden. Die Reaktionstemperatur ist abhängig vom Katalysator und dessen
thermischer Stabilität. Beim Einsatz der Ionenaustauscherharze arbeitet man
bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 70, insbesondere 50 bis 65°C.
Die modifizierten Kieselgele weisen eine bessere thermische Stabilität auf,
daher kann bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 150, insbesondere 55 bis
120°C gearbeitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die
Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 55 bis 65°C unter Einsatz von
Methanol als Alkoholkomponente und unter Verwendung eines sauren
Ionenaustauscherharzes als Katalysator. Die Reaktion kann auch bei erhöhtem
Druck, beispielsweise 2 bis 5 bar, durchgeführt werden. Es sind dazu keine
speziellen Druckreaktoren erforderlich.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform bei der man dem eingesetzten Öl
und/oder Fett noch weitere Fettsäuren zusetzt. Diese Fettsäuren stammen
vorzugsweise aus der bei der Umesterung anfallenden Glycerinphase, in der sie
zunächst in Form der entsprechenden Seife vorliegen. Durch Zugabe von Säure,
z. B. Salzsäure oder Schwefelsäure, lassen sich die Fettsäuren freisetzen.
Anschließend werden noch die entsprechenden Alkali- und/oder Erdalkalisalze
herausgewaschen. Die erhaltene Fettsäure mit einem Gehalt an Alkali- bzw.
Erdalkaliionen unterhalb von 10 ppm kann dann direkt zu den Ölen und/oder
Fetten zudosiert werden bis zum Erreichen einer Säurezahl von bis zu 60. Durch
die Möglichkeit der Zudosierung freier Fettsäure kann die in anderen Prozessen
anfallende Fettsäure weiterverarbeitet werden, wodurch sich im Bezug auf den
Gesamtprozeß eine bessere Ausbeute ergibt. Betrachtet man z. B. die Umesterung
von Fetten und/oder Ölen mit Methanol gemäß der DE 39 32 514, so ergeben sich
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren folgende Vorteile:
- - Die zuzugebende Menge an Methanol kann reduziert werden, da erfindungsgemäß im Rahmen der 2. Stufe der Vorveresterung das Methanol nicht mehr abgetrennt wird und daher zur Umesterung zur Verfügung steht.
- - Die mit der Glycerinphase in Form von Seife abgetrennte freie Fettsäure kann zurückgewonnen und in den Prozeß der Vorveresterung eingebracht werden.
1000 kg/h (1,5 Mol) Kokosöl mit einer Säurezahl von 10 (entsprechend ca. 4
Gew.-% freie Fettsäure) wurden gemeinsam mit 200 kg/h (5,7 Mol) Methanol bei
einer Temperatur von 62°C durch ein Katalysatorbett aus 2 m³
Ionenaustauscherharz geleitet. Dabei wurde die freie Fettsäure in den
entsprechenden Methylester überführt. Nach der anschließenden destillativen
Entfernung von Methanol und Wasser betrug die Säurezahl 0,5.
1000 kg/h (1,5 Mol/h) Kokosöl mit einer Säurezahl von 10 wurden analog VI
gemeinsam mit 100 kg/h (2,8 Mol/h) Methanol bei einer Temperatur von 62°C
über ein Katalysatorbett, bestehend aus 1 m³ Katalysatorharz geleitet. Die
Säurezahl betrug anschließend 1,5. Das überschüssige Methanol wurde gemeinsam
mit dem entstandenen Wasser abdestilliert. Anschließend wurden 100 kg/h (2,8
Mol/h) Methanol zudosiert und gemeinsam mit dem Produktgemisch der ersten
Umsetzungsstufe über ein Katalysatorbett aus 1 m³ Ionenaustauscherharz geleitet.
Die Endsäurezahl lag bei 0,3.
Die Reaktion wurde wie in dem Beispiel 1 durchgeführt, jedoch wurde dem
Kokosöl noch 1 Gew.-% gewaschene Fettsäure aus der Seifenspaltung, mit einem
Gehalt an Alkali- bzw. Erdalkallionen unterhalb von 10 ppm, zugesetzt, wodurch
das sich die Säurezahl des eingesetzten Öls auf 13 erhöhte. Nach der ersten
Reaktionsstufe betrug die Säurezahl 2, nach der zweiten Reaktionsstufe konnte
eine Säurezahl von 0,4 erreicht werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Fettstoffen, bei dem man im Ausgangsstoff
enthaltene freie Fettsäuren in Gegenwart saurer Katalysatoren mit Alkoholen
verestert und das Produktgemisch anschließend weiterverarbeitet, dadurch
gekennzeichnet, daß man
- a) Fette und Öle mit einer Säurezahl von bis zu 60 zusammen mit niederen aliphatischen Alkoholen über ein saures Katalysatorbett leitet und dabei die Säurezahl auf 1 bis 6 erniedrigt, anschließend
- b) aus dem 1. Vorveresterungsprodukt Reaktionswasser und überschüssigen Alkohol abtrennt,
- c) das gereinigte 1. Vorveresterungsprodukt unter Zugabe von weiterem Alkohol erneut über ein saures Katalysatorbett leitet und die Säurezahl dabei bis auf Werte von 0,1 bis 0,9 erniedrigt, und
- d) das 2. Vorveresterungsprodukt ohne weitere Reinigung in an sich bekannter Weise umestert und/oder hydriert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem
eingesetzten Öl und/oder Fett weitere Fettsäuren zusetzt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man
pro Stufe 5 bis 20 Gew.-% Alkohol - bezogen auf die eingesetzten Öle
und/oder Fette - einsetzt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man
als Katalysatoren stark saure Kationenaustauscherharze, die freie
Sulfonsäuregruppen an einer Polymermatrix enthalten und/oder mit
Alkylsulfonsäuresiloxan modifizierte Kieselgele einsetzt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man
niedere, aliphatische Alkohole mit 1 bis 4 C-Atomen einsetzt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man
bei Einsatz von Ionenaustauscherharzen als Katalysator bei einer Temperatur
im Bereich 40 bis 70°C arbeitet, bei Verwendung von Katalysatoren auf Basis
von modifizierten Kieselgelen bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis
150°C.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man
das entstandene Wasser sowie den überschüssigen Alkohol nach der ersten
Stufe destillativ abtrennt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man
das entstandene Wasser nach der ersten Stufe mittels Pervaporation,
Dampfpermeation und/oder Adsorption selektiv abtrennt.
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