DE60036369T2

DE60036369T2 - Emulsionskristallisation mit rückführung

Info

Publication number: DE60036369T2
Application number: DE60036369T
Authority: DE
Inventors: Karl Reuter
Original assignee: Reuter Chemischer Apparatebau KG
Current assignee: Reuter Chemischer Apparatebau KG
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: DK1161290T3; PT1161290E; JP2002538948A; US6855176B1; JP4755760B2; EP1161290A1; WO2000054865A1; DE60036369D1; AU2917600A; ES2292432T3; EP1161290B1; ATE372819T1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung einer unreinen Substanz durch Emulsionskristallisation. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung hoch reiner kristalliner Materialien mit hoher Ausbeute.
Die Kristallisation von Substanzen aus Emulsionen ist gut bekannt. Vgl. EP 0 548 028 A1 und WO 97/32644 , die beide dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören. Bei derartigen Emulsionskristallisationsverfahren wird eine Emulsion aus organischen Flüssigkeitstropfen in einer kontinuierlichen wässrigen Phase gebildet. Anschließend wird eine Mischung aus Substanzen in der Emulsion gelöst und die Emulsion mit der erwünschten Substanz der Mischung übersättigt. Die erwünschte Substanz wird dann in der wässrigen Phase gegebenenfalls mithilfe von Impfkristallen auskristallisiert.
Die vorliegende Erfüllung baut auf dieser Technik auf, um eine ultrahohe Reinigung von Substanzen mit hohen Ausbeuten zu ermöglichen. Somit erhöht die vorliegende Erfindung das kommerzielle Potenzial von Emulsionskristallisationsverfahren enorm.
Die vorstehend genannten Patentveröffentlichungen beschreiben Emulsionskristallisationsverfahren zur Reinigung von Substanzen, die gegebenenfalls kontinuierlich durchgeführt werden können. Bei diesen Verfahren werden gebildete Kristalle von der Emulsion abfiltriert und das gebildete Emulsionsfiltrat erwärmt. Das erwärmte Emulsionsfiltrat wird dann in einer Säule, die von dem Gefäß, in dem die Kristallisation stattfindet, getrennt gehalten wird, mit verunreinigter Substanz in Berührung gebracht. Dies dient zur erneuten Beladung des Emulsionsfiltrats mit verunreinigter Substanz, das dann filtriert und abgekühlt und erneut in das Kristallisationsgefäß eingebracht wird.
Die Durchführung einer kontinuierlichen Emulsionskristallisation wie in diesen Patentveröffentlichungen beschrieben kann einige Schwierigkeiten mit sich bringen. Die erforderliche Ausrüstung ist verhältnismäßig kompliziert und verlangt eine externe Säule, zwei Filter und zwei Wärmetauschereinheiten. Die externe Säule und die Filter neigen zum Verstopfen. Beim Verfahren besteht das Risiko von Emulsionsverlusten während des Entfernens ungelöster Restrohstoffe in der Säule, was den Wirkungsgrad verringert. Das erneute Beladen mit verunreinigter Substanz in der externen Säule erfolgt ohne den Vorteil des Rührens, was ebenfalls den Wirkungsgrad verringert.
Ein weiterer Nachteil einiger Emulsionskristallisationsverfahren besteht darin, dass ihre Ausbeute nach einem einzigen Kristallisationsschritt aufgrund der Schwierigkeit beim Entfernen von Lösungsmittel aus der Mutterlauge wesentlich geringer sein kann als die entsprechende Ausbeute, die mittels klassischer Kristallisation erreicht wird. Oder die Emulsionen kann nicht ausreichend mit verunreinigter Substanz beladen werden, da dies zu einer Instabilität der Emulsion, einer die Verarbeitung behindernden Viskosität und/oder ungünstigen Wachstumsbedingungen für die Kristalle führen würde.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst die Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellung eines vereinfachten Verfahrens zur Durchführung der Emulsionskristallisation mit Recyceln der Emulsion. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren für den Erhalt von Substanzen mit ultrahohen Reinheitsgraden und hervorragenden Ausbeuten be reit. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Reinigung einer verunreinigten Substanz durch Emulsionskristallisation gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Verunreinigte Substanzen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gereinigt werden, können beliebige Substanzen sein, die für Emulsionskristallisationsverfahren geeignet sind. Die verunreinigte Ausgangssubstanz enthält in der Regel > 60 Gew.-% reine Substanz, vorzugsweise > 70 %, mehr bevorzugt > 80 %. Besonders gute Ergebnisse wurden in Fällen mit > 95 % Reinheit erzielt, was zu einer endgültigen Reinheit der Substanz von beispielsweise > 99,9 % führte.
Emulsionen und ihre Bildung sind im Fachgebiet gut bekannt. Emulsionen sind definitionsgemäß "Tropfen", die in einer "kontinuierlichen Phase" dispergiert sind. In der vorliegenden Erfindung sind die Tropfen organische Flüssigkeitstropfen und die kontinuierliche Phase ist eine wässrige Phase.
Die Emulsion enthält gegebenenfalls Zusätze, wie Tenside und Dispergiermittel, die im Fachgebiet bekannt sind, um die Bildung und Stabilisierung der Emulsion zu fördern und um den Transport der Substanz aus den organischen Flüssigkeitstropfen und in die wässrige Phase, in der die Kristallisation auf einer Kristalloberfläche (d. h. entweder dem Impfkristall oder dem spontan gebildeten Kristall) stattfindet, zu erleichtern. Derartige Tenside und Dispergiermittel sind entsprechend der Art der Emulsion ausgewählt und können nichtionisch, anionisch und/oder kationisch sein. Die Zusätze sind normalerweise in einer Menge von 0,01–30 Gew.-%, vorzugsweise 0,1–20 Gew.-%, vorhanden.
Die Tropfen haben normalerweise einen Durchmesser von ungefähr 0,05 bis 80 μm. Tropfen mit einem Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 80 μm sind als "Makrotropfen" und die Emulsionen als "Makroemulsionen" bekannt. Tropfen mit einem Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 0,3 μm sind als "Mikrotropfen" und die Emulsionen als "Mikroemulsionen" bekannt. Zur Vereinfachung werden die Begriffe "Tropfen" und "Emulsionen" im Sinne der Erfindung derart verwendet, dass sie sowohl Makro- als auch Mikrotropfen und Makro- und Mikroemulsionen erfassen.
Die organische Flüssigkeitsphase der Tropfen ist wasserunlöslich. "Wasserunlöslich" bedeutet im Sinne der Erfindung alles, was weniger ist als mit Wasser mischbar ist, in den meisten Fällen vermischt sich die organische Flüssigkeitsphase bei der Temperatur, bei der die Kristallisation stattfindet, jedoch mit Wasser in einer Menge von nicht mehr als 30 Gew.-%.
Die Emulsion kann ferner ein Puffermittel, wie Natriumacetat und Essigsäure, enthalten, um den pH-Wert der Emulsion auf einem gewünschten Niveau zu halten, Gefrierschutzmittel und die Löslichkeit verändernde Mittel, wie im Fachgebiet bekannt; und kann ebenfalls einen Lösungsvermittler für die verunreinigte Substanz, wie Aceton oder Methanol, enthalten, der nach der Kristallisation ohne weiteres entfernt und wieder verwendet werden kann.
Die Übersättigung der Emulsion und die Einleitung der Kristallisation erfolgen auf jede beliebige herkömmliche Weise. Die Übersättigung wird in der Regel durch Abkühlen der Emulsion erreicht. Die Kristallisation kann entweder spontan oder durch Beimpfen mit Impfkristallen der Substanz eingeleitet werden.
Die Bildung der ursprünglichen Emulsion sowie das erneute Beladen des Emulsionsfiltrats mit verunreinigter Substanz können in dem Gefäß durchgeführt werden, in dem die Kristallisation stattfindet, oder in einem getrennten Gefäß. Dieses getrennte Gefäß ist vorzugsweise mit einem Rührer, einer Einrichtung mit hoher Scherkraft und/oder einer Heizeinrichtung ausgestattet, sodass eine optimale Emulsion erzeugt werden kann.
Das Isolieren von Kristallen aus der Emulsion kann auf jede beliebige herkömmliche Weise, wie Filtrieren oder Zentrifugieren, durchgeführt werden. Das Zentrifugieren ist bevorzugt, da es zu einem höheren Prozentsatz an Emulsionsfiltrat führt, das von den Kristallen abgetrennt wird.
Das nach dem Isolieren der Kristalle erhaltene Emulsionsfiltrat wird dann "erneut mit verunreinigter Substanz beladen", d. h., es wird verunreinigte Substanz zugegeben und gelöst. Das Lösen kann auf jede beliebige herkömmliche Weise durchgeführt werden, z. B. mit einem oder mehreren Elementen der Gruppe aus Ultraschall, Erwärmen und Rühren.
Nach dem erneuten Beladen und Lösen der verunreinigten Substanz wird das Emulsionsfiltrat wie die ursprüngliche Emulsion behandelt und weiter wie vorstehend beschrieben verarbeitet; d. h., in der Substanz übersättigt, die Kristallisation wird eingeleitet und die Kristalle werden isoliert. Das Recyceln des Emulsionsfiltrats kann so lange durchgeführt werden, wie akzeptable Ergebnisse erzielt werden. Mit zunehmender Wiederholung des Recycelns des Emulsionsfiltrats besteht das Risiko, dass die Reinheit der isolierten Kristalle mit zunehmendem Gehalt an Verunreinigungen in der Emulsion abnimmt.
Isolierte Kristalle der Substanz können auf bekannte Weise gewaschen werden, z. B. mit Wasser, das gegebenenfalls Tenside enthält. Das Aufbringen des Wasch- Wassers auf die Kristalle, während diese zentrifugiert werden, stellt eine besonders zweckmäßige Art und Weise zu Durchführung dieses Verfahrens dar.
Es folgen repräsentative Beispiele, die in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, aber nicht als Begrenzung des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung gedacht sind:
Beispiel 1 – Fluoren
120 g technisch reines Fluoren (85%ige Reinheit) werden zu einem Liter einer Mikroemulsion gegeben, die aus 10 % Acetophenon, 50 % Aceton, 10 % Synperonic NP 10 (einem Nonylphenoltensid, das mit 10 Mol Ethylenoxid ethoxyliert ist; ICI PLC, Großbritannien) und 30 % Wasser gebildet ist. Durch Erwärmen auf 95–100 ºC wird das gesamte Fluoren gelöst und bildet eine klare Emulsion. Durch Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Emulsion übersättigt und ergibt innerhalb von einer Stunde Fluorenkristalle.
Die gereinigten Kristalle werden durch Zentrifugieren aus der Emulsion isoliert und das Emulsionsfiltrat wird zur Seite gestellt. Um überschüssiges Wasser zu entfernen, werden die Kristalle mit insgesamt 0,5–2 Liter Wasser gewaschen, während sie zentrifugiert werden, und bei 50–60 °C getrocknet. Alternativ zum Waschen beim Zentrifugieren können die Kristalle in Wasser dispergiert und die Dispersion anschließend zentrifugiert und getrocknet werden.
Das Emulsionsfiltrat wird nun erneut mit 80 g desselben technisch reinen Fluorens beladen, das dann zum Lösen von Fluoren auf 95–100 °C erwärmt wird. Die gebildete Emulsion wird wie vorstehend beschrieben behandelt, um gereinigte Kristalle und Emulsionsfiltrat zu ergeben. Dieses Verfahren wird erneut wiederholt, sodass insgesamt drei Kristallisationen durchgeführt werden. Die erzeugten Fluorenkristalle haben eine Reinheit in der Größenordnung von 95 %. Die Gesamtausbeute, die nach drei Kristallisationen aus 1 Liter der Emulsion erhalten wird, beträgt 83,5 %. Dies steht im Vergleich zu einer Ausbeute von 70,6 % nach einer einzigen Kristallisation.
Beispiel 2 – 2,4-Dinitrophenol
140 g 2,4-Dinitrophenol (97%ige Reinheit) werden zu 2 Liter einer Lösung, bestehend aus 2 % Soprophor FL (einem Tensid), 2 % Polyvinylalkohol (Molekulargewicht 15.000), 2,5 % Benzonitril und 93,5 % Wasser, gegeben. Das 2,4-Dinitrophenol wird gelöst und die Lösung durch Erwärmen auf 90–95 ºC und Einsetzen von Ultraschall emulgiert. Feststoffreste werden abfiltriert. Die Emulsion wird über einen Zeitraum von 16 Stunden, in dem 2,4-Dinitrophenol mit rechteckigen Plättchen auskristallisiert, auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Kristalle werden filtriert und mit 0,5 Liter 1%ige Synperonic-NP-10-Lösung und 1 Liter Wasser gewaschen. Die gebildeten Kristalle haben eine Reinheit von > 99,9 %.
Das Emulsionsfiltrat wird erneut mit 93,5 g 97%igem 2,4-Dinitrophenol beladen und erneut emulgiert. Die Emulsion wird weiter wie im vorstehenden Absatz beschrieben behandelt. Das Verfahren wird ein drittes Mal wiederholt.
Beispiel 3 – Anthracen
15 g technisch reines Anthracen (94,5%ige Reinheit) werden zu 1,5 Liter einer Mikroemulsion gegeben, die aus 10 % Benzonitril, 50 % N-Methylpyrrolidon, 10 % Synperonic NP 10 und 30 % Wasser gebildet ist. Durch Erwärmen auf 95–100 ºC wird das gesamte Anthracen gelöst und bildet eine klare Emulsion. Durch Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Emulsion übersättigt und ergibt innerhalb von zwei Stunden Anthracenkristalle.
Die gereinigten Kristalle werden durch Zentrifugieren aus der Emulsion isoliert und das Emulsionsfiltrat wird zur Seite gestellt. Die Kristalle werden mit insgesamt 0,5–2 Liter Wasser gewaschen, ein zweites Mal zentrifugiert und bei 50–60 °C getrocknet.
Das Emulsionsfiltrat wird nun erneut mit 15 g desselben technisch reinen Anthracens beladen, das dann zum Lösen von Anthracen auf 95–100 °C erwärmt wird. Die gebildete Emulsion wird wie vorstehend beschrieben behandelt, um gereinigte Kristalle und Emulsionsfiltrat zu ergeben. Dieses Verfahren wird erneut wiederholt, sodass insgesamt drei Kristallisationen durchgeführt werden. Die erzeugten Anthracenkristalle haben eine Reinheit in der Größenordnung von 99,8 %. Die Gesamtausbeute, die nach drei Kristallisationen aus 1,5 Liter der Emulsion erhalten wird, beträgt 86,9 %. Dies steht im Vergleich zu einer Ausbeute von 82,1 % nach einer einzigen Kristallisation.

Claims

Verfahren zur Reinigung einer verunreinigten Substanz, d. h. einer Mischung aus erwünschter Substanz und Verunreinigung, mittels Emulsionskristallisation, umfassend die Schritte (a) Bilden einer Emulsion aus organischen Flüssigkeitstropfen in einer kontinuierlichen wässrigen Phase, wobei die Emulsion die verunreinigte Substanz enthält; (b) Übersättigen der Emulsion mit der erwünschten Substanz; (c) Einleiten der Kristallisation der erwünschten Substanz, wobei die Kristallisation in der wässrigen Phase stattfindet; (d) Isolieren der Kristalle der erwünschten Substanz aus Schritt c) aus der Emulsion, was ein Emulsionsfiltrat ergibt; (e) Lösen weiterer verunreinigter Substanz im Emulsionsfiltrat, das direkt aus Schritt (d) resultiert; und (f) Wiederholen von Schritt (b)–(d) oder Wiederholen von Schritt (b)–(f) mit der in Schritt (e) erhaltenen Emulsion, wobei mit zunehmender Wiederholung von Schritt (f) die Konzentration an Verunreinigungen in der Emulsion zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kristalle aus der Emulsion in Schritt (d) mittels Zentrifugieren isoliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Emulsion eine Mikroemulsion ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Emulsion eine Makroemulsion ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lösen weiterer verunreinigter Substanz in Schritt (e) mithilfe von Ultraschall, Erwärmen und/oder Rühren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die in Schritt (d) isolierten Kristalle mit Wasser gewaschen werden, das gegebenenfalls ein Tensid enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Waschwasser während des Zentrifugierens auf die Kristalle aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kristallisation durch Beimpfen mit Impfkristallen der Substanz eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Lösen weiterer verunreinigter Substanz in Schritt (e) mittels Rühren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Lösen weiterer verunreinigter Substanz in Schritt (e) mittels Ultraschall und/oder Erwärmen durchgeführt wird.