DE2228332B2 - Verfahren zur selektiven Härtung von Fetten und ölen - Google Patents

Verfahren zur selektiven Härtung von Fetten und ölen

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    • C11C3/12Fats, oils, or fatty acids by chemical modification of fats, oils, or fatty acids obtained therefrom by hydrogenation

Description

Bedingungen selektiv zu hochwertigen Fellen gehärtet werden können.
Es wurde nun gefunden, daß man Nickel-Trägerkatalysatoren zur selektiven Härtung von pflanzlichen und tierischen Fetten und Ölen durch Anlagerung von Wasserstoff bei erhöhter Temperatur. Normaldruck oder erhöhtem Druck, erhält, die die obengenannten Aufgaben erfüllen, wenn dieser Katalysator aus der Verbindung
■ CO3 · 4 H2O,
in der Me2+Ni und/oder Cu und Co bedeutet und die aus einer wäßrigen Lösung, die ein- bis zweimolare Lösungen der zweiwertigen Metalle und des dreiwerti- 1 -, gen Aluminiums im Molverhältnis von Me2+ zu Al3 + von 3 :1 enthält, durch Fällung mit einer (ein- bis zweimolaren) Alkalicarbonatlösung bei Temperaturen im 3ereich von 50 bis 95° C und einem pH-Wert zwischen 4,0 und 8,5 gewonnen und daraus durch >o Filtrieren, Waschen, Trocknen im Bereich von 100 bis 150° C, Kalzinieren im Bereich von 340 bis 370° C und Reduktion mit Wasserstoff bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 600°C hergestellt wird.
Der erfindungsgemäß verwendete Katalysator zeigt schon bei tiefen Temperaturen eine wesentlich höhere Aktivität als Nickelträgerkatalysatoren auf Kieselgur vom Stande der Technik (vgl. Beispiel und insbesondere Tabelle 1).
Der Katalysatorvorläufer gehört einer Mischkristall- jo reihe an, die sich allgemein durch folgende Formel wiedergeben läßt:
Me6(2+)AI2P+)(OH),b · CO3 · 4 H2O.
35
Das zweiwertige Metall ist vorzugsweise Nickel. So kann in diesem Mischkristall durch andere zweiwertige Metalle mit ähnlichem Ionenradius, wie z. B. Cu-II oder Co-II teilweise oder ganz ersetzt werden, ohne daß sich die Struktur des Katalysatorvorläufers wesentlich ändert.
Der Katalysatorvorläufer wird aus wäßriger Lösung durch Fällung bei Temperaturen zwischen 50 und 95° C hergestellt, vorzugsweise werden Temperaturen im Bereich zwischen 75 und 85° C angewendet. Die pH-Werte während der Fällung werden im Bereich zwischen 4,0 und 8,5, vorzugsweise zwischen 4,5 und 6,5 eingestellt. Die Fällung erfolgt aus 1- bis 2molaren wäßrigen Lösungen der Nitrate von Nickel, Kupfer oder Kobalt und Aluminium mit 1- bis 2molaren Lösungen von Alkalicarbonaten; vorzugsweise wird als Fällungsmittel Natriumcarbonatlösung angewendet.
Der Niederschlag der Fällung wird filtriert und gewaschen, bei Temperaturen im Bereich zwischen 100 und 150° C, vorzugsweise zwischen 110 und 120° C, getrocknet und danach bei Temperaturen zwischen 300 und 500° C, vorzugsweise im Bereich von 340 bis 370° C, kalziniert.
Der eigentliche Katalysator wird aus dem Katalysatorvorläufer durch Reduktion bei Temperaturen im bo Bereich von 200 bis 500° C hergestellt; vorzugsweise wird die Reduktion jedoch im Temperaturbereich von 350 bis 500° C vorgenommen.
Ein wesentlicher Vorteil der Katalysatorherstellung über diese Katalysatorvorstufe besteht darin, daß durch einfache röntgenographische Analyse der Katalysatorvorstufe die Güte der Fällung kontrolliert werden kann. (Zur Kontrolle der gefällten Verbindung werden die charakteristischen d-Werte - 7,75; 3,88; 2,63; 2,58; 230; 1,96; 1,77; 1,66; 1,525; 1,492; 1,42 und 1,30(A) herangezogen.) Durch diese Kontrolle der Fällung der Katalysatorvorstufe ist sichergestellt, daß der reduzierte Katalysator die erwarteten Aktivi-ätswerte aufweist.
Der Katalysator kann für die Hydrierung von tierischen und pflanzlichen ölen angewendet werden. Beispielsweise seien genannt pflanzliche öle, wie Olivenöl, Sojabohnenöl, Sonnenblumenöl, Erdnußöl oder die tierischen öle, wie Walöle, Fischöle usw.
Die Fetthärtung kann drucklos oder bei Drucken bis zu 50 Atmosphären durchgeführt werden. Vorzugsweise wird drucklos oder bei Drucken bis zu 5 Atmosphären gearbeitet.
Die Hydrierung kann bei Temperaturen zwischen 80 und 160°C durchgeführt werden; vorzugsweise werden Temperaturen von 100 bis 140° C angewendet Die Wahl der Hydriertemperatur oder des Bereiches der Hydriertemperatur hängt von dem verwendeten Ausgangsmaterial ab. Sie liegt jedoch im Vergleich mit Nickel-Kieselgur-Katalysatoren vom Stande der Technik erheblich niedriger, da hier Temperaturen im allgemeinen zwischen 140 und 180° C angewendet werden. Die Katalysatoren sind — verglichen mit Nickel-Kieselgur-Katalysatoren — im Temperaturbereich zwischen 100 und 140°C erheblich aktiver. Dies ist aus Abb. 1 ersichtlich, in der Olivenöl bei 100° C — mit einem Nickel-Kieselgur-Katalysator, bei dem Nickel elektrolytisch auf Kieselgur niedergeschlagen wurde, und mit einem erfindungsgemäß verwendeten Katalysator bei der Hydrierung von Olivenöl verglichen ist Es sind aufgetragen als Ordinaten die Wasserstoffaufnahme gegen die Zeit in Minuten. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die Wasserstoffaufnahme bei der erfindungsgemäßen Verwendung des neuen Katalysators (Kurve 1) in Abhängigkeit von der Zeit erheblich höher als bei dem Katalysator vom Stande der Technik (Kurve 2). Der erfindungsgemäß verwendete Katalysator ist daher insbesondere bei niedrigen Temperaturen gegenüber Katalysatoren vom Stande der Technik durch seine überlegene Hydrieraktivität ausgezeichnet Die Anwendung niedriger Temperaturen bei der Hydrierung von pflanzlichen und tierischen Ölen bewirkt ihrerseits, daß die Anlagerung von Wasserstoff selektiver durchgeführt werden kann, d. h. daß die mehrfach ungesättigten Fettsäuren bzw. deren Glyceride selektiv bis zu den einfach ungesättigten Fettsäuren, wie ölsäure bzw. deren Glyceriden, hydriert werden.
Die Herstellung des Katalysators wird in dem nachfolgenden Beispiel 1 erläutert Seine Anwendung bei der Härtung von pflanzlichen und tierischen Fetten und Ölen ist in den nachfolgenden Beispielen beschrieben. Die Beispiele 2 bis 5 (vgl. Tabelle 1 bis 4 und Abbildung) belegen die Überlegenheit des erfindungsgemäß verwendeten Katalysators gegenüber Katalysatoren vom Stande der Technik. (In allen Vergleichsversuchen wurde als Katalysator vom Stande der Technik ein Nickel-Kieselgur-Katalysator gewählt, dessen metallischer Bestandteil auf elektrolytischem Wege auf dem Träger niedergeschlagen worden war.)
Beispiel 1
Zur Herstellung des Katalysatorvorläufers der Formel
Ni6Al2(OH)16CO3 · 4 H2O
werden zunächst die folgenden molaren Lösungen hergestellt:
Lösung 1
55,840 kg = 192 Mol Ni(NO3J2 · 6 H2O und
24,008 kg = 64 Mol AI(NO3)J · 9 H2O
werden in H2O gelöst, so daß eine Lösung von insgesamt 128 Liter entsteht (2molar).
Lösung 2
30,540 kg
288 Mol Na2CO3(techn. Soda)
werden in H2O gelöst, so daß sich eine Lösung von 144 Liter ergibt (2molar).
In einem Fällungsgefäß werden 401 Wasser vorgelegt. Die Lösungen 1 und 2 und der Inhalt des Fällungsgefäßes werden getrennt auf ungefähr 80°C erhitzt. In das Fällungsgefäß wird dann soviel von der Lösung 1 unter Rühren zugegeben, bis pH 5,0 erreicht wird. Bei weiterer Zugabe der Lösung 1 mit einer Zulaufgeschwindigkeit von etwa 32 l/h wird mit Lösung 2 der pH-Wert auf 4,5 bis 5,5 gehalten. Erst wenn die Nitratlösung vollständig zugelaufen ist (ca. 4 Stunden), wird mit dem Rest der Sodalösung ein pH-Wert von 6,5 eingestellt. Anschließend wird die Fällung noch 15 Minuten bei 80°C nachgerührt und dann abfiltriert. Der Niederschlag wird so lange gewaschen, bis im Filtrat kein Nitrat mehr nachgewiesen werden kann.
Der gewaschene Niederschlag wird bei 10O0C getrocknet und der so erhaltene Katalysatorvorläufer 20 Stunden bei 35O0C kalziniert (zersetzt) und
κι anschließend zwischen 400 und 470° C 20 Stunden lang im Wasserstoffstrom reduziert.
Vom reduzierten Katalysator wurden, weil es in der Härtungstechnik so üblich ist, in Hartfett eingeschmolzene Konzentrate hergestellt, die 15 bis 25 Gewichts-
1) prozent Nickel/kg Hartfett enthalten.
Es ist jedoch auch möglich, den kalzinierten Katalysatorvorläufer direkt zu verwenden und vor Einbringen des zu härtenden Substrats zu reduzieren. Diese Technik hat sich jedoch bei der Fetthärtung bislang nicht eingebürgert.
Beispiel
Ein nach Beispiel 1 hergestellter Katalysator wurde mit einem Katalysator vom Stande der Technik (Nickel-Kieselgur-Katalysator) bei der Härtung von Olivenöl (1 ata Wasserstoff, Rührgeschwindigkeit 1000 U/min und bei Katalysatorkonzentrationen von 0,9 Gewichtsprozent Nickel, bezogen auf 1 kg öl) bei verschiedenen Temperaturen bis zu einer Temperatur von 160° C verglichen. Die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß der erfindungsgemäß verwende-
Tabelle 1
te Katalysator insbesondere bei niedrigen Temperaturen dem Katalysator vom Stande der Technik weit
2r) überlegen ist (vgl. dazu die Wasserstoffaufnahme).
In der Abbildung ist die Wasserstoffaufnahme (als Ordinate: Einheit NL) in Abhängigkeit von der Zeit (in Minuten) für einen Nickel-Kieselgur-Katalysator vom Stande der Technik (2) und einem erfindungsgemäß
jo verwendeten Katalysator (1) bei der Hydrierung von Olivenöl (100° C) graphisch dargestellt.
Erfindungsgemäß verwendeter Katalysator, Beispiel 1 Handelsüblicher Kontakt,
Ni auf Kieselgur
Temperatur [ÜC]
WasserstofTaufnahme
NL
160
26,1
130
17,1
100
7,7
kg Ol · h
Beispiel
160
23,5
130
6,1
100
0,0
In Tabelle 2 sind die Ergebnisse mit dem Katalysator von Beispiel 1 denen gegenübergestellt, die beim Nickelgur-Trägerkatalysator vom Stande der Technik bei der Hydrierung von Erdnußöl erhalten worden sind. Die Reaktion wurde mit je 100 g öl bei Rührgeschwindigkeiten von 1000 U/min und mit Katalysatormengen von 0,09 g Nickel durchgeführt.
Bei 100°C wurde für die Aufnahme von 2,5 NL Wasserstoff beim erfindungsgemäß verwendeten Kata-
Tabelle 2
Härtung von je 100 g Erdnußöl bei 100°C lysator entsprechend seiner höheren Aktivität eine Hydrierdauer von 120 Minuten benötigt (vgl. dazu den Katalysator vom Stande der Technik, er benötigte dazu 154 Minuten). Auch in seinem selektiven Verhalten ist der erfindungsgemäß verwendete Katalysator demjenigen vom Stande der Technik überlegen, da von ihm weniger Linolensäure und insbesondere weniger ölsäure in Stearinsäure übergeführt wurde als beirr Katalysator vom Stande der Technik.
Ausgangsöl
Gehärtetes Ol Katalysator
Katalysator Stand
Beispiel 1 der Technik
11,5
11,3 11,5 11,0
3,0 8,9 57,3
39,2 63,3
Palmitinsäure (%)
Stearinsäure (%)
Ölsäure (%)
22 28 7 l'oilsct/ung Beisp 332 Gehärtetes iel 4 8 Katalysator Gehärtetes Beispiel 5 Öl I 1 (Gewichtsprozent Ni im Öl) 2,89
Ausgangsöl Die in Beispiel 3 genannten Katalysatoren wurden Katalysator betrug 1000 U/min). Die Stand Katalysator Wie in den vorangegangenen Beispielen beschrieben, 45 Katalysator f 60 Hj-AufnahmeNL/lOOgÖI 15,1 18,2
auch in ihrem Verhalten bei der Härtung von Beispiel 1 Öl der Technik Beispiel 1 wurde bei einer Rührgeschwindigkeit von 1000 U/min vom Stande c 0,9 Ci6-Palmitinsäure 3,7 4,3
Sojabohnenöl verglichen. Es wurden 0,09 g Nickel auf 21 15,3 \ Walöl bei 1800C gehärtet. Die Ergebnisse (vgl. Tabelle der Technik }■ Cm-Stearinsäure 31,9 38,6
100 g des zu härtenden Substrats eingesetzt und bei 42,7 12,3 0,4 I 10,4 9,8 Tabelle 4 10,8 I Cn'-Ölsäurc 6,7 3,6
C|8" Linolsäure (%) 1200C so lange hydriert, bis 5,0NL Wasserstoff 1,5 0,5 74,5 I 4,3 7,7 13,4 I C|8"-Linolsäure 8,0 7,2
Cm'" Linolensäure (%) aufgenommen worden waren (die Rührgeschwindigkeit 101 74,8 189 \ 24,0 76,3 64,9 I C|8'"-Linolsiiurc 117 94,7
Jodzahl Tabelle 3 190 189 2,5 I 52,6 4,2 9,5 I Jodzahl 191 191,7
Verseifungszahl Ausgangsöl 2,5 154 I 8,0 H2-DmCk (atm) t Verscifungszahl
aufgenommene H2-Menge (L) 120 130 74,9 Hydrierzeit (min) 73,6 i
Hydrierungsdauer (min) Ergebnisse sind in Tabelle 3 f 193 189 Katalysator-Konzentration 190,7 I
wiedergegeben. Neben den höheren Aktivitäten (ent- :: 57 68 ί
Cin Palmitinsäure (%) sprechend kürzerer Hydrierzeit) ist auch eine bessere f 5,0 5,0 I
C|,s Stearinsäure (%) Selektivität (weniger Stearinsäure wird gebildet) beim ?
C,8' Ölsäure (%) erfindungsgemäß verwendeten Katalysator festzustel 4) zeigen, daß die Härtung mit dem erfindungsgemäßen j
C)8" Linolsäure (%) len. Verfahren auch bei relativ hohen Temperaturen noch 1I
Ci8"' Linolensäure (%) sehr selektiv verläuft.
Jodzahl
Verseifungszahl Walöl
Hydrierungsdauer (min) Aus- gehärtet
aufgenommene H2-Menge (L) gangsöl
9 10
Beispiel 6
In Tabelle 5 sind die Ergebnisse bei der Härtung von maß verwendete Katalysator bei sehr niedriger
Sojabohnenöl in Abhängigkeit von der Temperatur Temperatur noch sehr aktiv ist und durch geeignete
wiedergegeben. Die Werte für die Temperatur 1200C r> Wahl der Temperatur seine Selektivität gesteuert
sind bereits in Beispiel 4 enthalten. werden kann.
Die Werte in Tabelle 5 zeigen, daß der erfindungsge-
Tabelle 5
Ausgangsöl 100 gehärtetes Öl 140
Temperatur ("C) - 1 120 1
H2-DrUk (atm) -- 60 1 60
Hydrierzeit (min) - 0,9 57 0,9
Katalysator-Konzentration - 0,9
(Gew.-% Ni im Öl) 2,55 7,43
H2-Aufnahme NL/100g Öl - 10,2 5,0 12,7
Ci6-Palmitinsäure 10,4 6,2 9,8 32,2
C|8-Stearinsäure 4,3 48,9 7,7 55,1
C|g'-Ölsäure 24,0 1,6 76,3 -
C|8"-Linolensäure 8,0 32,4 - -
C|8"-Linolsäure 52,6 102 4,2 46,7
Jodzahl 130 191 74,9 189,1
Verseifungszahl 193 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 189,0

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur selektiven Härtung von pflanzlichen und tierischen Fetten und ölen durch Anlagerung von Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen, bei Normaldruck oder erhöhtem Druck in Gegenwart von Übergangsmetalle enthaltenden Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator verwendet wird, welcher aus der Verbindung
Me6 2+Al2(OH)I6 · CO3 · 4 H2O,
in der Me2+Ni und/oder Cu und Co bedeutet und die aus einer wäßrigen Lösung, die ein- bis zweimolare Lösungen der zweiwertigen Metalle und des dreiwertigen Aluminiums im Molverhältnis von Me2+ zu Al3+ von 3 :1 enthält, durch Fällung mit einer (ein- bis zweimolaren) Alkalicarbonatlösung bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 95° C und einem pH-Wert zwischen 4,0 und 8,5 gewonnen und daraus durch Filtrieren, Waschen, Trocknen im Bereich von 100 bis 1500C, Kalzinieren im Bereich von 340 bis 37O0C und Reduktion mit Wasserstoff bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 6000C hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Härtung bei Temperaturen im Bereich zwischen 80 und 1600C, vorgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft die selektive Härtung von pflanzlichen und tierischen Fetten und ölen. Dies geschieht durch Anlagerung von Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen, bei Normaldruck oder erhöhtem Druck in Gegenwart von Katalysatoren, die Übergangsmetalle enthalten.
Die Anlagerung von Wasserstoff in Gegenwart von Katalysatoren an ungesättigte Fettsäuren oder deren Glyceride wird als Härtung bezeichnet. Die technische Härtung von pflanzlichen und tierischen ölen zur Erzeugung von Speisefetten oder Hartfetten hat bereits nach den Untersuchungen von Normann um die Jahrhundertwende zunehmend an Bedeutung gewonnen.
Die während der Fetthärtung ablaufenden chemischen Reaktionen sind sehr kompliziert und werden oft vereinfacht durch folgendes Schema wiedergegeben, indem lediglich die Wasserstoffanlagerung berücksichtigt wird und Reaktionen, wie Isomerisierungen oder Umlagerungen, nicht zum Ausdruck kommen:
Linolensäure —» Linolsäure—♦ ölsäure —► Stearinsäure
(Trien * Dien > Monoen—» gesättigt)
Vereinfachend kann man als selektive Hydrierung die Anlagerung von Wasserstoff an drei- oder zweifach ungesättigte Fettsäuren oder deren Glyceride zu einfach ungesättigter ölsäure bzw. ölsäureglyceriden bezeichnen.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist jedoch die Hydrierung von Fetten und ölen sehr kompliziert; neben der Anlagerung von Wasserstoff an Doppelbindungen finden auch Dehydrierungsprozesse statt, so daß neben orts- auch stereoisomere öisäuren bei der selektiven Hydrierung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren entstehen können.
; Es kann zusammenfassend gesagt werden, daß es bisher noch nicht einmal gelungen ist, ein ih ölen und Fetten vorhandenes mehrfach ungesättigtes Fettsäureglycerid (Einzelindividium) selektiv zu hydrieren. Weder mit Nickel-, Kobalt-, Platin-, Palladium- oder anderen Katalysatoren ist es gelungen, durch Änderung der Reaktionsbedingungen, wie Wasserstoffmenge, Druck, Hydriertemperatur, Hydrierzeit, den Reaktionsverlauf einheitlich selektiv zu lenken. (Vgl. dazu »Tenside« — Zeitschrift für Physik, Chemie und Anwendung grenzflächenaktiver Stoffe —
3. Jahrg., Heft 8, August 1966, Seite 285 bis 298, »Probleme der Fetthärtung«.)
In diesem Artikel werden auf den Seiten 286 und 287 die für die Fetthärtung verwendeten Katalysatoren in einer Übersicht abgehandelt.
Danach sind Edelmetallkatalysatoren, wie Palladium und Platin, wegen ihrer besonders hohen Aktivität vorzüglich für die Hydrierung bei niedrigen Temperaturen (unter 1000C) geeignet, werden jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht für die Fetthärtung in größerem Umfange eingesetzt.
Aus Raney-Legierungen hergestellte Nickelkatalysatoren werden in gewissem Umfange für die Fetthärtung angewendet, obwohl sie sogar eine geringere Aktivität aufweisen als Nickelträgerkatalysatoren. Aus Raney-
jo Legierungen hergestellte Nickelkatalysatoren können nach der Anwendung oft nur mit Filtrierhilfsmitteln vom gehärteten Substrat entfernt werden, was sich sehr nachteilig auswirkt.
Bevorzugt werden nach den Ausführungen des Autors Nickel-Kieselgur-Trägerkatalysatoren in der Technik der Fetthärtung angewendet. Als beste Methode, hochaktive Nickel-Kieselgur-Trägerkatalysatoren herzustellen, gilt die elektrolytische Abscheidung von Nickel als Hydroxid auf Kieselgur. Die Aktivität
4» und Lebensdauer von Nickel-Kieselgur-Katalysatoren (vgl. loc. cit.: S. 286 und 287) ist jedoch sehr stark von der Art und der Fällung des Nickels auf dem Träger abhängig. Aus diesem Grunde ist bei Nickel-Kieselgur-Katalysatoren die Herstellung standardisierter Katalysatoren nicht möglich.
Aus der US-PS 33 96 124 ist ein Katalysator bekannt, der durch gemeinsame Fällung von Nickel und Aluminiumsalzen aus wäßrigen Lösungen mit Bicarbonaten der Alkalien erhalten wird. Dieser Katalysator enthält einen Promotor aus Zink und Chrom, sowie einen weiteren Promotor aus einer größeren Gruppe der Elemente, darunter auch Kupfer, wobei jedoch ein Verhältnis Me2+ zu Me3+ von etwa 1:4 bis 1:3 eingehalten wird. Dieser Katalysator dient jedoch zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen.
Es bestand also die Aufgabe, für die Hydrierung von pflanzlichen und tierischen ölen Nickel-Trägerkatalysatoren zur Verfügung zu stellen, die sich durch reproduzierbare Aktivitäten bei der Härtung von
Fetten auszeichnen. Ferner bestand ein Bedarf, besonders aktive Katalysatoren auf Nichtedelmetall-Basis herzustellen, um die Hydrierzeiten zu verringern bzw. die Reaktionstemperaturen bei der Härtung der verschiedenen öle und Fette erniedrigen zu können.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß in Gegenwart eines Nickel-Trägerkatalysators, der aus einer bestimmten Katalysatorvorstufe gewonnen wird, pflanzliche und tierische öle unter reproduzierbaren
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