ES2229948B1 - Preparacion de monoesteres de acidos grasos. - Google Patents

Preparacion de monoesteres de acidos grasos.

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    • C07C67/03Preparation of carboxylic acid esters by reacting an ester group with a hydroxy group

Abstract

Preparación de monoésteres de ácidos grasos. En la presente invención se describe un procedimiento para la obtención de selectiva de monoésteres de ácidos grasos y alcoholes polihidroxílicos por transesterificación entre alcoholes polihidroxílicos, preferentemente glicerina, y triglicéridos de origen animal o vegetal (aceites de colza, palma, coco, girasol etc) o ésteres metílicos derivados de ácidos grasos que poseen entre 10 y 32 átomos de carbono. Los catalizadores básicos heterogéneos que se utilizan en este proceso son óxidos mixtos de un metal trivalente y un metal monovalente, óxidos mixtos de un metal trivalente y un metal divalente que se someten a un proceso de rehidratación previo a su utilización como catalizadores básicos, y alúmina impregnada con sales de metales alcalinos que tras su calcinación dan lugar al óxido correspondiente soportado sobre la alúmina.

Description

Preparación de monoésteres de ácidos grasos.
Campo de la técnica
Preparación de monoésteres de ácidos grasos y de alcoholes polihidroxilicos por transesterificación entre un alcohol polihidroxílico y una grasa o un éster metílico de ácido graso.
Antecedentes
Los mono y diésteres de ácidos grasos y alcoholes polihidroxílicos, particularmente la glicerina, son compuestos ampliamente utilizados como emulgentes o tensoactivos en la industria alimentaria, cosmética y farmacéutica. Estos compuestos pueden obtenerse de dos formas diferentes: A) por esterificación directa entre el ácido graso y el alcohol polihihidroxílico. B) por transesterificación entre un alcohol polihidroxílico y una grasa (triglicérido) o un éster metílico de ácido graso. Desde el punto de vista industrial, los procesos de transesterificación son los más importantes para la preparación de mono y diésteres de ácidos grasos y polioles.
La transestererificación es una reacción que tiene lugar según se indica en el esquema entre un éster (1) y un alcohol (2) dando lugar a un nuevo éster (3) y otro alcohol (4).
6
En general las transesterificaciones pueden ser catalizadas tanto por ácidos como por bases. Sin embargo, en muchos casos es preferible la utilización de catalizadores básicos, ya que los ácidos pueden provocar, dependiendo de la estructura de los alcoholes que intervienen en el proceso, reacciones secundarias tales como isomerizaciones o deshidrataciones.
En la transesterificación catalizada por bases los catalizadores preferidos son bases convencionales tales como KOH, NaOH, alcóxidos alcalinos tales como NaOC_{2}H_{5}, NaO-t-C_{4}H_{9}, o NaHCO_{3}, Na_{2}CO_{3}, y Ca(OH)_{2}. Así por ejemplo, las patentes US 2 360 844, FR 2 603 296 y EP 0 121 440, describen procesos para la producción de ésteres de ácidos grasos y polialcoles mediante la transesterificación de triglicéridos utilizando catalizadores básicos homogéneos tales como NaOH o KOH. Este tipo de catalizadores son difíciles de eliminar del producto final y además no son reutilizables.
C.M. Gooding et al. H.W. en la patente US 2 197 339, describen un método para la transesterificación de aceite de coco con glicerina utilizando NaHCO_{3} y Na_{2}CO_{3} como catalizadores. Obtienen una mezcla de ésteres y sales de ácidos grasos que hacen reaccionar a continuación con diferentes clorhidrinas como por ejemplo la clorhidrina del glicerol, dando lugar a la formación de un monoéster y NaCl.
La patente US 2 197 340 presenta una alternativa a la anterior patente en la cual se adiciona H_{2}SO_{4} a la mezcla final constituida por ésteres y jabones obteniéndose en este caso ácidos grasos y Na_{2}SO_{4}. Los ácidos grasos esterifican con la glicerina dando lugar a mono- y diglicéridos.
Edeler et al. describen en las patentes US 2 206 167 y US 2 206 168 dos procesos de transesterificación de triglicéridos que se llevan a cabo a temperaturas comprendidas entre 150 y 260ºC utilizando jabones o alcoholatos como catalizadores básicos respectivamente.
En la patente US 2 383 581 asignada a Colgate-Palmolive-Peet Co, se describe la glicerolisis de triglicéridos a 150-250ºC utilizando tanto catalizadores básicos (NaOH, Na_{2}CO_{3}) como ácidos (H_{2}SO_{4}, HCl). La eliminación del exceso de glicerina se lleva a cabo por decantación de fases o destilación a vacío previa neutralización del catalizador.
Montañola Martínez et al. describen en la patente SP 9001084 "Procedimiento para la preparación de monoésteres de ácidos grasos con glicoles" asignada a Kao Corporation, un método para la transesterificación de ésteres de ácidos grasos con glicerina utilizando como catalizador Na_{2}CO_{3} seco.
También en la patente europea EP 0 200 982 (Henkel) se describe la transesterificación de triglicéridos con alcoholes a temperaturas entre 60-75ºC y presión atmosférica en presencia de Na_{2}CO_{3} o NaHCO_{3}.
En la patente EP 1 260 497 (2002), se describe un proceso para la obtención de monoésteres de alcoholes polihidroxílicos con elevado rendimiento y pureza. La transesterificación entre aceites vegetales y polioles se realiza en presencia de un disolvente (tert-butanol o tert-amilalcohol) a temperaturas comprendidas entre 160-200ºC y utilizando catalizadore básicos tales como sales (óxidos, hidróxidos carbonatos, alcóxidos y acetatos) de metales alcalinos y alcalinotérreos y bases nitrogenadas.
Jeromin L. et al. describen en la patente WO 9931043 un proceso para la producción de monoglicéridos mediante transesterificación de glicerina con ésteres metílicos de ácidos grasos. El proceso se lleva a cabo a temperaturas comprendidas entre 130-160ºC y a una presión de 200 a 400 mmbar en presencia de bases tales NaOH, KOH o alcóxidos de sodio.
Los procesos de transesterificación previamente presentados poseen importantes desventajas, como por ejemplo la utilización de disolventes que tienen que ser totalmente eliminados del producto final, o la utilización de catalizadores básicos homogéneos que deben ser neutralizados y eliminadas las sales resultantes del medio de reacción, además de la imposibilidad de reutilización del catalizador.
La utilización de catalizadores básicos heterogéneos simplifica en gran manera este tipo de procesos. Así, el catalizador básico heterogéneo se elimina fácilmente del medio de reacción por filtración, permite la posibilidad de reutilización y además es posible su aplicación en procesos de lecho fijo.
Corma et al. describen la utilización de catalizadores básicos heterogéneos del tipo de óxidos de metales alcalinotérreos, hidrotalcitas calcinadas, zeolitas, sepiolitas y zeotipos intercambiados con cationes alcalinos como catalizadores en la transesterificación de alcoholes mono o polihidroxílicos con grasas de origen animal o vegetal ( Sp 9601087; Journal Catalysis 173, 315 (1998)). También la tranesterificación de glicerina con ésteres metílicos de ácidos grasos ha sido llevada a cabo utilizando catalizadores sólidos con carácter básico. Barrautl et al. describen la transesterificación de ésteres metílicos con glicerol en presencia de óxidos tales como, MgO, CeO_{2} y La_{2}O_{3} así como MgO dopado con metales alcalinos (Li/MgO y Na/MgO)((Applied Catalysis A, 218, 1 (2001); Catalysis Today 75, 177 (2002)).
La presente invención se refiere a un proceso de transesterificación entre alcoholes polihidroxílicos y ésteres grasos, preferentemente triglicéridos y ésteres metílicos, utilizando catalizadores formados por óxidos mixtos de uno o más metales monovalentes y uno o más metales trivalentes. Hemos visto que con este tipo de óxido mixto se consiguen mayores velocidades de reacción y mayores selectividades a monoésteres que con los reportados formados por un óxido mixto de un metal monovalente y uno divalente que, en principio, parecerían más adecuados de acuerdo a su basicidad para llevar a cabo la transesterificación.
Se presenta igualmente en esta memoria que para un proceso de transesterificación se consiguen catalizadores más activos que los convencionales de óxidos mixtos formados por óxidos mixtos de metales divalentes y trivalentes, si estos se rehidratan con una cantidad de agua determinada.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a la utilización de una serie de catalizadores básicos heterogéneos de alta superficie para dirigir la transesterificación entre un polialcohol y un triglicérido o un éster metílico de un ácido graso, dando lugar a monoésteres de polialcoholes con elevado rendimiento y selectividad.
La reacción de transesterificación tiene lugar según procedimientos convencionales en un reactor continuo o discontinuo del tipo de tanque agitado o en un reactor continuo de lecho fijo o fluidizado en el que se encuentra el catalizador.
La reacción se lleva a cabo en un rango de temperatura comprendido entre 50 y 260ºC, utilizando una proporción en peso de poliol/éster comprendido entre 0.2 y 20, siendo la cantidad de catalizador utilizada entre el 0.1 y 10% con respecto al peso total de reactivos. La reacción se lleva a cabo en presencia de aire o en atmósfera inerte a presión atmosférica, a presión reducida (10-100 mmHg) o en un reactor a presión entre 2-100 atm.
Los triglicéridos pueden ser de origen animal y vegetal, aceite de pescado, aceite de coco, de palma, de maíz, de oliva, soja, colza, etc.
Los ésteres metílicos son ésteres de ácidos grasos, saturados o insaturados que contienen entre 10 y 32 átomos de carbono.
Los alcoholes polihidroxílicos son por ejemplo glicerol, sorbitol, manitol, xilitol, polietilenglycoles, etc.
Los catalizadores básicos heterogéneos a los que se refiere la presente invención están basados en combinaciones de óxidos de metales mono y trivalentes y en combinaciones de óxidos de metales di y trivalentes hidratados.
Como combinaciones de óxidos de metales mono y trivalentes tenemos los óxidos mixtos de un metal trivalente como por ejemplo Ga, Al, B Fe, Ce, La o mezclas de ellos y un metal monovalente tal como Li, Na, K, Rb, Cs, o mezclas de ellos y cuya relación M^{I}/M^{III} esta comprendida entre 2 y 4, siendo M^{I} y M^{III} uno o mas metales monovalentes y uno o más metales trivalentes respectivamente.
Alúmina impregnada con sales, (preferentemente nitratos, carbonatos o hidróxidos) de metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) que tras su calcinación con aire y/o nitrógeno libres de CO_{2} dan lugar al óxido correspondiente soportado sobre la alúmina. El porcentaje de la sal impregnada esta comprendido entre el 1 y el 40%.
Como óxidos mixtos de metales di y trivalentes tenemos los óxidos mixtos de n metal trivalente como por ejemplo Ga, Al, Fe, Ce, La o mezclas de ellos y un metal divalente tal como Mg, Zn, Co, Ni, Ca, Cu o Mn o mezclas de ellos, con relación M^{II}/M^{III} comprendida entre 2 y 5. El óxido mixto de estas características se somete a un proceso de rehidratación previo a su utilización como catalizador básicos. La rehidratación se realiza sometiendo al óxido mixto a una corriente de nitrógeno saturada con vapor de agua o añadiendo directamente la cantidad de agua sobre el óxido mixto. El contenido en agua de estos óxidos mixtos rehidratados esta comprendida entre el 15 y el 80% en peso con respecto al óxido mixto precursor.
Ejemplos Ejemplo 1 Preparación de un óxido mixto formado por un metal monovalente y uno trivalente: preparación de un óxido mixto de Al-Li
Una solución al 17% en peso de tri-sec-butóxido de aluminio en hexano se añade gota a gota sobre una disolución acuosa de carbonato de litio (0.55% m/m) bajo vigorosa agitación a temperatura ambiente. La suspensión resultante se calienta en autoclave a 60ºC durante 24 h. Transcurrido este tiempo, el sólido resultante se filtra y se lava hasta que el pH del agua de lavado resulta ser igual a 7. A continuación y tras secar el sólido a 60ºC durante 12 h, se calcina a 450°C durante 8 h.
Ejemplo 2 Preparación de un óxido mixto de un metal divalente y trivalente hidratado: preparación de un óxido mixto de Al-Mg (Mg/A1=4) hidratado al 43%
El óxido mixto de Al-Mg se preparó mezclando dos disoluciones: A y B. La solución A contiene (3-x) moles de Mg(NO_{3})_{2}6H_{2}O y x moles de Al(NO_{3})_{3} 9H_{2}O en agua destilada siendo la disolución 1.5 M en (Mg + Al) y la relación Mg/Al= 4. La disolución B se prepara disolviendo (6+x) moles de NaOH y 2 moles de Na_{2}CO_{3} en el mismo volumen de agua destilada que la disolución A. Las dos disoluciones A y B se mezclan a una velocidad de 1 mL/min bajo vigorosa agitación mecánica a temperatura ambiente. El gel resultante se calienta en autoclave a 60ºC durante 12 horas. Después de este tiempo el sólido resultante se filtra y se lava repetidamente con agua hasta que el pH del agua de lavado resulta ser 7. Tras secar el sólido a 80ºC durante 12 h, este se calcina a 450ºC durante 8h bajo corriente de nitrógeno libre de CO_{2}. El óxido mixto así obtenido se hidrata bajo una corriente de nitrógeno (40 mL/min) saturada de vapor de agua y libre de CO_{2} durante el tiempo necesario para obtener un contenido en agua del 43%.
Ejemplo 3 Preparación de un óxido de metal monovalente sobre un óxido de metal trivalente: preparación de un óxido de Li sobre Al_{2}O_{3} a partir de LiNO_{3} soportado sobre gamma-alúmina
A una disolución de 0.18 g de LiNO_{3} disueltos en 50 mL de metanol, se le añaden 3 g de gamma-alúmina. La suspensión se mantiene bajo agitación magnética a la temperatura de 50ºC durante 3 h. Transcurrido este tiempo, el metanol se evapora en rotavapor y el sólido resultante se seca a 60ºC durante 12 horas, tras lo cual se calcina a 500ºC en presencia de aire libre de CO_{2}.
Ejemplo 4 Transesterificación del glicerol con aceite de colza
A un matraz de dos bocas provisto de refrigerante se añaden la glicerina y el aceite de colza en una relación en peso glicerina/aceite de 0.62. El sistema se calienta a presión atmosférica a la temperatura de 240ºC y se añade a continuación un 4% en peso del catalizador heterogéneo. Después de 5 h de reacción el catalizador se filtra y la separación de glicerina remanente se lleva a cabo por decantación o por extracción de la fase grasa con hexano. El análisis del crudo se realiza por cromatografía gaseosa previa silanización de la muestra. En la Tabla 1 se presenta los resultados obtenidos con el óxido mixto de Li-Al (LiAl(O)) y un óxido mixto de Al-Mg rehidratado (MgAl(O)-R) con un contenido en agua del 43% según los ejemplos 1 y 2 respectivamente. Estos resultados se comparan con los obtenidos cuando la reacción se lleva a cabo sin catalizador y cuando se utiliza un óxido básico convencional tal como el MgO que ha sido descrito en Corma et al. (Sp 9601087; Journal Catalysis 173, 315 (1998)), Barrault et al. (Applied Catalysis A, 218, 1 (2001); Catalysis Today 75, 177 (2002) y EP 1 260 497 (2002).
TABLA 1
1
De los resultados se observa como el óxido mixto de Al-Mg hidratado, aun teniendo una velocidad de reacción inicial (actividad) menor, produce monoglicéridos con una elevada selectividad. Por otra parte, el catalizador formado por un óxido de un metal monovalente y trivalente, en este caso particular por un óxido mixto de Li y Al es muy activo (véase la velocidad inicial (ro)) y muy selectivo a monoglicérido y en cualquier caso más activo y selectivo que un catalizador convencional de óxido de magnesio.
Ejemplo 5 Reutilización del óxido mixto de Al-Mg hidratado
La reacción de transesterificación entre la glicerina y el aceite de colza se llevo a cabo tal como se describe en el ejemplo 4 utilizando una relación en peso de glicerina/aceite de colza igual a 1 en presencia de un óxido mixto de Al-Mg hidratado con un contenido en agua del 43%. Después de la reacción el catalizador se filtró y se lavó repetidamente con metanol. El mismo catalizador se reutilizó en un segundo, tercer, cuarto y quinto ciclo. En la Tabla 2 se presentan los resultados obtenidos en cada uno de los reusos.
TABLA 2 Reuso de MgAl(O)-R^{a}
2
Ejemplo 6 Transesterificación del Oleato de metilo con glicerina
A un matraz de dos bocas provisto de refrigerante se añaden la glicerina y el oleato de metilo en una relación molar glicerina/éster de 6. El sistema se calienta a presión atmosférica a la temperatura de 200ºC y se añade a continuación un 4% en peso del catalizador heterogéneo. Un aparato Dean-Stark acoplado al sistema de reacción permite desplazar el metanol que se forma durante la reacción. En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos utilizando un óxido mixto de Li-Al (LiAl(O)) y un óxido mixto de Al-Mg hidratado con un 24% de agua (MgAl(O)-R).
TABLA 3
3
Ejemplo 7 Transesterificación del Oleato de metilo con glicerina utilizando un catalizador basado en LiNO_{3} soportado sobre gamma-alúmina tal como se describe en el ejemplo 3
La reacción de transesterificación entre el oleato de metilo y la glicerina se lleva a cabo como en el ejemplo 6 a la temperatura de 220ºC, utilizando como catalizador básico heterogéneo gamma-alúmina impregnada con diferentes porcentajes de LiNO_{3} y posteriormente calcinada a 500ºC. En la Tabla 4 se presentan los resultados obtenidos con estos catalizadores.
TABLA 4
4
Ejemplo 8 Tranesterificación de otros ésteres metílicos de ácidos grasos con glicerol en presencia de un óxido mixto de Li-Al tal y como se describe en el ejemplo 1
La transesterificación del laurato y palmitato de metilo se llevó a cabo según el ejemplo 6 a la temperatura de 220ºC utilizando como catalizador básico heterogéneo un óxido mixto de Li y Al. En la Tabla 5 se presentan los resultados de transesterificación de estos ésteres.
TABLA 5
5

Claims (9)

1. Proceso para la obtención de monoésteres de ácidos grasos y de alcoholes polihidroxílicos caracterizado por la transesterificación entre un alcohol polihidroxílico y una grasa de origen animal o vegetal o un éster metílico de ácido graso en presencia de catalizadores formados por óxidos mixtos de uno o más metales monovalentes y uno o más metales trivalentes.
2. Proceso según la reivindicación 1 caracterizada porque los catalizadores son óxidos mixtos de uno o más metales trivalentes como por ejemplo Ga, Al, Fe, Ce, La y uno o más metales monovalentes tales como Li, Na, K, Rb, Cs, y cuya relación M^{I}/M^{III} esta comprendida entre 2 y 4, siendo M^{I} y M^{III} el o los metales monovalentes y trivalentes respectivamente.
3. Proceso para la obtención de monoésteres de ácidos grasos y de alcoholes polihidroxílicos por transesterificación entre un alcohol polihidroxílico y una grasa de origen animal o vegetal o ésteres metílicos de ácidos grasos, caracterizado porque los catalizadores utilizados son óxidos mixtos hidratados de uno o mas metales trivalentes como por ejemplo Ga, Al, Fe, Ce, La y uno o más metales divalentes tal como Mg, Zn, Co, Ni, Ca, Cu o Mn, con relación M^{II}/M^{III} comprendida entre 2 y 5, y el contenido en agua de estos óxidos mixtos hidratados esta comprendida entre el 15 y el 80% en peso con respecto al óxido mixto precursor.
4. Proceso para la obtención de monoésteres de ácidos grasos y de alcoholes polihidroxílicos por transesterificación entre un alcohol polihidroxílico y una grasa de origen animal o vegetal o ésteres metílicos de ácidos grasos caracterizado porque el catalizador utilizado es alúmina impregnada con sales, (preferentemente sales orgánicas, nitratos, carbonatos o hidróxidos) de metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) que tras su calcinación dan lugar al óxido correspondiente soportado sobre la alúmina y en el que el porcentaje de la sal impregnada esta comprendido entre el 1 y el 40%.
5. Proceso según la reivindicación 1-4 caracterizado porque la reacción se lleva a cabo en un rango de temperaturas comprendido entre 50 y 260ºC, utilizando una proporción en peso de poliol/ester comprendido entre 0.2 y 20, siendo la cantidad de catalizador utilizada entre el 0.1 y 10% con respecto al peso total de reactivos.
6. Proceso según la reivindicación 1-5 caracterizado porque la reacción se lleva a cabo en presencia de aire o en atmósfera inerte, a presión atmosférica, a presión reducida (10-100 mmHg) o en un reactor a presión entre 2-100 atm.
7. Proceso según la reivindicación 1-6 caracterizado porque los triglicéridos pueden ser de origen animal o vegetal, como por ejemplo aceite de pescado, aceite de coco, de palma, de maíz, de oliva, soja, colza, etc.
8. Proceso según la reivindicación 1-6 caracterizado porque los ésteres metílicos son ésteres de ácidos grasos, saturados o insaturados que contienen entre 10 y 32 átomos de carbono.
9. Proceso según la reivindicación 1-6 caracterizado porque los alcoholes polihidroxílicos son por ejemplo glicerol, polietilenglicoles, sorbitol, manitol, xilitol, etc.
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