DE2300492C2 - Verfahren zur Abtrennung von Betain aus einer wäßrigen Lösung - Google Patents

Description

A. mit Wasser ein System bildet, welches ein Flüssigkeits/Dampf-Phasendiagramm bei kon- :s stantem Druck-ohne Anomalien hat, wobei die Siedetemperatur des organischen Lösungsmittels bei atmosphärischem Druck höher als 100⁰C liegt, oder

B. mit Wasser ein System bildet, dessen FlussigkejessDampf-Phasendiagramm bei konstantem Druck eine azeotrope Anomalie zeigt, derart, daß die Siedetemperatur des gebildeten Azeotrops niedriger liegt als die Siedetemperaturen von Wasser und dem organischen Lösungsmittel, wobei das organische Lösungsmitte! zur wäßrigen Lösung in einer solchen Menge zugegeben wird, daß der Gehalt des Gemisches an dem organischen Lösungsmittel höher liegt als derjenige des Azeotrops, anschließend das. Wasser durch Destillation entfernt und die Feststoffe von dem flüssigen, das Betain enthaltenden Rückstand abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses in de. Ausführungsform A. mit Äthylenglykol, Diäthylenglykol oder 13-Butandioi durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses in der Ausführungsform B. mit Isobutanol, 1-ButanoI, 1-Pentanol, 1-HexanoI, 2-Hexanol oder Anilin durchführt

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses mit einem organischen Lösungsmittel durchführt, dessen Mischbarkeit mit Wasser mit der Temperatur abnimmt.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Betain aus einer wäßrigen Lösung, die Betain und ein Alkali- oder Erdalkalimetallsalz enthält, das durch Reaktion eines Betainadditionssalzes mit einem Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxid gebildet worden ist.

Betain (Trimethylglycin) ist in gewissen pflanzlichen Stoffen vorhanden, und zwar insbesondere in Zuckerrüben. Es kann aus Produkten und Nebenprodukten, die bei der Verarbeitung von Zuckerrüben anfallen, insbesondere aus Destillationsrückständen und Melassen, extrahiert werden. Betain dient in der Industrie als Quelle für Methylgruppen und auch als Zusatz in der Färbe- und Textilindustrie.

Bei der industriellen Gewinnung von Betain aus solchen Rückständen erfolgt üblicherweise eine Behandlung mit einer Säure, durch welche gewisse Verunreinigungen durch Ausfällung als deren Salze beseitigt werden. Dabei reagiert Betain unter Bildung eines Additionssalzes. So erhält man beispielsweise bei der Behandlung mit Salzsäure Betainhydrochlorid.

Um dann das Betain aus seinem Additionssalz in Freiheit zu setzen ist es nötig, das Additionssalz mit Hilfe eines alkalischen Stoffs, wie z. B. einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhydroxid, zu behandeln und hierauf das in Freiheit gesetzte Betain aus der wäßrigen Lösung abzutrennen, welche das Neutralisationssalz enthält

Erfindungsgemäß erfolgt die Abtrennung von Betain in der Weise, daß man zu dieser wäßrigen Lösung ein solches organisches Lösungsmittel für Betain zusetzt, in welchem das Alkali- bzw. Erdalkalisalz sehr schwer löslich oder unlöslich ist und das außerdem entweder

A. mit Wasser ein System bildet, welches ein Flüssigkeits/Dampf-Phasendiagramm bei konstantem Druck ohne Anomalien hat, wobei die Siedetemperatur des organischen Lösungsmittels bei atmosphärischem Druck höher als 100⁰C liegt, oder

B. mit Wasser ein System bildet dessen Flüssigkeits/ Dampf-Phasendiagramm bei konstantem Druck eine azeotrope Anomalie zeigt, derart, daß die Siedetemperatur des gebildeten Azeotrops niedriger liegt als die Siedetemperaturen von Wasser und dem organischen Lösungsmittel, wobei das organische Lösungsmittel zur wäßrigen Lösung in einer solchen Menge zugegeben wird, daß der Gehalt des Gemisches an dem organischen Lösungsmittel höher liegt als derjenige des Azeotrops, anschließend das Wasser durch Destillation entfernt und die Feststoffe von dem flüssigen, das Betain enthaltenden Rückstand abtrennt

Bei der Ausführungsform A. bildet das organische Lösungsmittel mit Wasser ein System, das ein Flüssigkeits/Dampf-Phasendiagramm bei konstantem Druck ohne Anomalien entsprechend demjenigen von F i g. 1 hat Bei diesem Diagramm ist die Zusammensetzung des binären Gemischs aus den Stoffen A und B auf der Abszisse aufgetragen, wobei der Punkt A. den reinen Stoff A und der Punkt B. den reinen Stoff B darstellt. Die Temperatur ist auf der Ordinate aufgetragen. Die Linien 1 und 2 des Diagramms, die allgemein mit »Linien des Anfangs und des Endes des Siedens« bezeichnet werden, umschließen 3 Zonen 3, 4 und 5, welche den Zustand des binären Gemischs A, B definieren. Diese 3 Zonen entsprechen dem flüssigen Zustand, dem Flüssigkeits-Dampf-Zwischenzustand und dem Dampfzustand. Aus einem solchen Diagramm ergibt sich unmittelbar, daß durch eine fraktionierte Destillation des Gemischs die Komponenten A. und B. voneinander getrennt werden können, wobei der Stoff A, dessen Siedepunkt niedriger liegt, das Destillat darstellt und der Stoff B den Destillationsrückstand darstellt. Um also das Wasser aus dem flüssigen Gemisch zu entfernen, das aus der wäßrigen Lösung und dem organischen Lösungsmittel besteht, ist es nötig, daß die Siedetemperatur des Lösungsmittels höher liegt als diejenige des Wassers.

Beispiele für organische Lösungsmittel, die diese Bedingungen erfüllen, sind Äthylenglykol, Diäthylenglykol oder 1,3-Butandiol, deren Siedetemperaturen 197, 245 bzw. 205⁰C betragen.

Wenn Wasser und das organische Lösungsmittel bei der Destillationstemperatur vollständig mischbar sind,

dann unterwirft man das homogene Gemisch einer fraktionierten Destillation, um das Wasser aus dem Gemisch zu entfernen.

Wenn Wasser und das organische Lösungsmittel bei der Destinationstemperatur nur teilweise mischbar sind, dann werden zwei getrennte flüssige Phasen erhalten, nämlich eine gesättigte Lösung des organischen Lösungsmittels in Wasser und eine gesättigte Lösung von Wasser im organischen Lösungsmittel. Im Verlaufe der Destillation v/ird das Wasser aus den beiden Phasen entfernt, wobei beide miteinander in Wechselwirkung treten, so daß ihre jeweiligen Zusammensetzungen beibehalten werden.

Es ist vorteilhaft, ein organisches Lösungsmittel zu verwenden, dessen Mischbarkeit mit Wasser mit der Temperatur abnimmt und sehr gering, nämlich praktisch null, sein kann. Vorzugsweise wird dabei ein Lösungsmittel verwendet, dessen Mischbarkeit mit Wasser bei Raumtemperatur sehr schwach ist. Bei dieser Variante ist es nicht nötig, eine fraktionierte Destillation mit Hilfe einer Kolonne durchzuführen, sondern es genügt, die aus dein auf Destillationstemperatur erhitzten Gemisch austretende Dampfphase zu kondensieren, d-'cs Kondensat in zwei Phasen trennen zu lassen, die organische Phase abzutrennen und sie zum Verfahren zurückzuführen, d. h., sie erneut zu einer wäßrigen Lösung zuzugeben, die Betain und Neutralisationssalz enthält. Am Ende des Verfahrens wird ein flüssiger Rückstand ohne Wasser erhalten, aus welchem die unlöslichen Feststoffe wie oben beschrieben entfernt werden.

Bei der Ausführungsform B. bildet das organische Lösungsmittel mit Wasser ein System, dessen Flüssigkeits/Dampf-Phasendiagramm bei konstantem Druck eine azeotrope Anomalie zeigt, derart, daß die Siedetemperatur des gebildeten Azeotrops niedriger liegt als die Siedetemperaturen von Wasser und dem organischen Lösungsmittel, wie dies in der Fig.2 dargestellt ist. Bei diesem Diagramm ist die Zusammensetzung des binären Gemischs aus den Stoffen A und B auf der Abszisse und die Temperatur auf der Ordinate aufgetragen. Die Linien des Beginns des Siedens 6 und 8 und des Endes des Siedens 7 und 9, welche 3 Zonen 10, 11 und 12 definieren, die dem flüssigen Zustand, dem Flüssigkeits/Dampf-Zwischenzustand und dem Gaszustand entsprechen, schneiden sich an einem Punkt 13, der ein Azeotrop definiert, dessen Siedetemperatur t„ und dessen Zusammensetzung C₁ wohl definiert sind. Dieses Diagramm zeigt, daß, wenn der Gehalt an Stoff B im Gemisch A, B niedriger ist als beim Azeotrop, die fraktionierte Destillation des Gemischs die Erzielung so eines Kondensats und sines flüssigen Rückstands gestattet, die aus dem Azeotrop bzw. dem Stoff A bestehen. Wenn dagegen der Gehalt an Stoff B im Gemisch A, B höher ist als beim Azeotrop, dann erhält man bei der Destillation ein Gemisch aus dem gleichen Kondensat, d. h. das Azeotrop, aber einen flüssigen Rückstand, der aus dem Stoff B besteht. Es ist deshalb nötig, wenn man durch Destillation das Wasser aus dem Wasser und organischem Lösungsmittel bestehenden Gemisch entfernen will, den Gehalt des Gemischs an organischem Lösungsmittel über den Gehalt im Azeotrop zu bringen.

Beispiele für organische Lösungsmittel, die bei der Ausführungsform B. verwendet werden können, sind Isob'dtanol, 1-Butanol, 1-Pentanol, 1-Hexanol. 2-Hexanolund Anilin.

Bei dieser Ausfühi ungsform können das Wasser und das organische Lösungsmittel ebenfalls bei der Destillationstemperatur teilweise. oder vollständig mischbar sein.

Auch bei der Ausführungsform B. ist es vorteilhaft, <;in organisches Lösungsmittel zu verwenden, dessen Mischbarkeit mit Wasser mit der Temperatur abnimmt und vorzugsweise bei Raumtemperatur sehr schwach oder praktisch null ist Unter diesen Bedingungen reicht es aus, den aus dem auf Siedetemperatur erhitzten Gemisch austretenden Dampf zu kondensieren, das Kondensat in zwei gesonderte Phasen trennen zu lassen, nämlich in eine organische und eine wäßrige, und die organische Phase wieder in das auf Siedetemperatur gehaltene Gemisch einzuführen. Auf diese Weise wird nach mehreren Stunden der Destillation eine vollständige Entfernung von Wasser aus dem Gemisch erreicht, ohne daß man eine Fraktionierungsdestillationskolonne mit Böden verwenden muß.

Der bei Destillation erhaltene flüssige Rückstand, der aus einer Lösung von freiem Betain in dem verwendeten organischen Lösungsmittel besteht, enthält außerdem in Form von unlöslichen Stoffen die Nrutralisationssalze, die bei der Reaktion zwischen einem alkalischen Stoff und dem Aaditionssalz von Betain entstehen. Diese werden aus dem flüssigen Rückstand entfernt, beispielsweise durch Filtration, Dekantation oder Zentrifugation, wobei eine Lösung von Betain im organischen Lösungsmittel erhalten wird.

Man kann hierauf das Betain in einer kristallisierten Form durch Konzentration und/oder Abkühlung der Lösung gewinnen.

Die Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Freies Betain wird aus einer wäßrigen Lösung von Betain und Natriumchlorid abgetrennt, die durch Neutralisation einer wäßrigen Lösung von Betainhydrochlorid mit Hilfe von Soda erhalten worden ist. Hierzu werden zu 1 kg einer wäßrigen Lösung, die 500 g Betain und 250 g Natriumchlorid enthält, bei Raumtemperatur 61 Isobutanol zugegeben. Das Isobutanol, dessen Siedetemperatur 107⁰C beträgt, ist bei Raumtemperatur mit Wasser nicht mischbar, wird aber ab 85°C damit vollständig mischbar. Es bildet mit Wasser ein Azeotrop, dessen Siedetemperatur 89,8° C und dessen Gehalt an Isobutanol 67% beträgt. Bei Raumtemperatur trennen sich die wäßrige Lösung und das Isobutanol in zwei gesonderte Schichten, wobei das Isobutanol die obere Schicht darstellt. Hierauf wird das Gemisch bis zum Sieden erhitzt. Im Verlaufe des Erhitzens geht, bevor die Siedetemperatur erreicht ist, das Gemisch in üine einzige flüssige Phase über. Während des Siedens des Gemischs werden die austretenden Dämpfe in einer Rückflußkolonne kondensiert. Das in einem Überlaufbehälter aufgefangene Kondensat trennt sich in zwei Schichten, wobei das Isobutanol, welches die obere Schicht darstellt, sich durch den Überlauf wieder in den die wäUrige Lösung enthaltenden Behälter ergießt und wobei die untere Schicht, nämlich die wäßrige Phase, entfernt wird.

Der nach 3 h entstandene flüssige Rückstand wird auf eine Temperatur Von etwa 80⁰C gehalten. Dieser flüssige Rückstand stellt eine Lösung von Betain in Isobutanol dar. Diese Lösung enthält außerdem auskristallisiertes Natriumchlorid. Hierauf wird das Natriumchlorid durch Filtration der Lösung bei 80°C entfernt. Schließlich wird das Filtrat auf 20⁰C abgekühlt. Bei dieser Temperatur kristallisiert ein Teil des in der

Lösung enthaltenen Betains aus. Es werden durch Filtration 235 g nasses kristallines Betain abgetrennt. Die Betainkristalle werden dann durch Abdampfen von Isobutanol befreit. Es werden 208 g trockene Kristalle einer Reinheit von 96,1% erhalten, was 200 g reinem Betain entspricht.

Beispiel 2

Zu 1 kg einer wäßrigen Lösung, die 500 g Betain und 250 g Natriumchlorid enthält, wird bei Raumtemperatur 1 1 Äthylenglykol zugesetzt. Das Äthylenglykol, welches bei allen Temperaturen vollkommen mit Wasser mischbar ist, besitzt eine Siedetemperatur von 197°C. Die Löslichkeiten von Betain und von Natriumchlorid bei 100°C in Äthylenglykol sind 50% bzw. 4%.

Hierauf wird mit diesem Gemisch eine fraktionierte Destillation in einer Kolonne durchgeführt, die 3 Böden enthält. An der Unterseite dieser Kolonne wird ein flüssiger Rückstand erhalten, der aus einer Lösung von Betain in Äthylenglykol besteht und festes Natriumchlorid enthält. Diese Lösung wird bei 100°C filtriert, um das Natriumchlorid abzutrennen, worauf dann das Filtrat abgekühlt wird. Dabei werden 252 g nasses kristallines Betain erhalten. Trocknung ergibt 216 g Produkt einer Reinheit von 98,4%, was 212,5 g reinem Betain entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   L Verfahren zur Abtrennung von Betain aus einer wäßrigen Lösung, die Betain und ein Alkali- oder Erdalkalimetallsalz enthält, das durch Reaktion eines Betainadditionssalzes mit einem Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxid gebildet worden ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß man zu dieser wäßrigen Lösung ein solches organisches Lösungsmittel für Betain zusetzt, in welchem das Alkali- bzw. Erdalkalisalz sehr schwer löslich oder unlöslich ist und das außerdem entweder