ES2250914T3 - Procedimiento para la separacion de acido ascorbico a partir de un disolvente polar que contiene acido ascorbico y acido 2-ceto-l-glonico. - Google Patents

Procedimiento para la separacion de acido ascorbico a partir de un disolvente polar que contiene acido ascorbico y acido 2-ceto-l-glonico.

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Abstract

Procedimiento para la separación de ácido ascórbico a partir de un disolvente 1 polar, que contiene ácido ascórbico y ácido 2-ceto-L-gulónico, caracterizado porque el procedimiento comprende el siguiente paso: (a) extracción de ácido ascórbico a partir del disolvente 1 con dialquilformamida (agente de extracción 1), que presenta un hueco de mezcla con el disolvente 1, en una extracción líquido-líquido.

Description

Procedimiento para la separación de ácido ascórbico a partir de un disolvente polar que contiene ácido ascórbico y ácido 2-ceto-L-gulónico.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la separación de ácido ascórbico a partir de una mezcla que contiene ácido ascórbico y ácido 2-ceto-L-gulónico en un disolvente polar, preferentemente acuoso, por medio de extracción líquido-líquido con una amida. El procedimiento según la invención comprende preferentemente también pasos para la reextracción de ácido ascórbico, recirculación del agente de extracción y/o del agente de reextracción, y para el aislamiento de ácido ascórbico del agente de reextracción. Del mismo modo, la presente invención se refiere igualmente a un procedimiento para la obtención de ácido ascórbico a partir de KGS y aislamiento del ácido ascórbico obtenido.
Descripción
Se obtiene ácido L-ascórbico (vitamina C, ácido ascórbico, ácido L-xilo-ascórbico, \tau-lactona de ácido L-treo-hex-2-enólico) habitualmente a partir de ácido 2-ceto-L-gulónico (KGS), ácido monoaceton-2-ceto-L-gulónico o ácido diacetoncetogulónico. En procedimientos más recientes se obtiene KGS en un proceso de fermentación de una o varias etapas, a modo de ejemplo mediante la fermentación de dos etapas de sorbitol a través de sorbosa con microorganismos apropiados a tal efecto, en parte modificados especialmente.
KGS, o bien el ácido diaceton-2-ceto-L-gulónico que se produce en el "procedimiento de Reichstein" se lactoniza directamente, o a través de etapas intermedias, como por ejemplo ésteres, en especial éster metílico o butílico. Como catalizador se emplean ácidos, en la mayor parte de los casos ácidos minerales, en especial ácido clorhídrico concentrado (lactonización ácida) o bases, como por ejemplo hidróxido sódico, NaHCO3, Na_{2}CO_{3}, alcoholatos, etc. (lactonización alcalina). Del mismo modo se describe la reacción autocatalítica de KGA para dar ácido ascórbico. Como producto de reacción de lactonización se produce ácido ascórbico crudo con una fracción más o menos elevada de KGS, a partir del cual se purifica entonces el ácido ascórbico.
El ácido ascórbico y KGS se diferencian esencialmente en su estructura química solo por la estructura de lactona de ácido ascórbico formada durante la lactonización. Correspondientemente, éstos son similares en sus propiedades de reacción químicas, y tienen propiedades físicas análogas. De este modo, ambos ácidos muestran una tendencia a la descomposición y formación de componentes secundarios teñidos dependiente de pH y temperatura bajo las condiciones de obtención y purificación técnicas de procedimiento habituales. La solubilidad de KGS y ácido ascórbico se pronuncia mediante los cuatro grupos hidroxi hidrófilos y el grupo ácido. Ambos poseen un producto de solubilidad similar: son convenientemente solubles en disolventes polares, en especial agua, pero apenas en medios orgánicos apolares.
Por lo tanto, una separación rentable de una mezcla de ácido ascórbico y KGS es complicada. Esto se muestra especialmente en los pasos del procedimiento, descritos en el estado de la técnica para la obtención de ácido ascórbico, para la separación de ácido ascórbico de educto transformado KGS o sus derivados.
Según la JP 85019285 se pueden separar ácido ascórbico y KGS a partir de una disolución acuosa mediante cristalización de KGS como Na-KGS. En un paso sucesivo, Na-KGS se debe transformar de nuevo en el KGS libre.
En procedimientos catalizados por vía alcalina se produce en primer lugar la sal sódica de ácido ascórbico, que se debe transformar en el ACS libre en un paso de procedimiento subsiguiente, y está vinculado a una producción equimolar de NaCl o Na_{2}SO_{4}. En la mayor parte de los casos, después es necesario un paso de cristalización adicional.
En la US 5041563 se describe un procedimiento que proporciona ácido ascórbico libre sin producción de sales. En este caso se propone la lactonización catalizada por vía ácida de un éster de KGS con una amina de cadena larga en un disolvente dipolar para dar un ascorbato amónico. La liberación de ácido ascórbico se ocasiona entonces mediante extracción de la amina con un disolvente apolar. En este caso se extraen de modo concomitante también productos secundarios de color.
Los métodos exentos de catalizador para la síntesis de ácido ascórbico a partir de ésteres de KGS son conocidos desde aproximadamente 1.940. La lactonización de ésteres de KGS para dar ácido ascórbico se lleva a cabo mediante calentamiento simple en agua, alcoholes o mezclas de agua con un disolvente hidrófilo a temperaturas por encima de 130ºC y tiempos de residencia de 30 minutos a 90 horas. Una adición de ácido cítrico y fosfato como tampón para el ajuste de un valor de pH constante podrá aumentar los rendimientos. En este caso, también es desventajoso que las sales se deban separar de nuevo a continuación.
En la DE 861 841 se describe una lactonización directa de un éster de KGS con conversión parcial y separación de ácido ascórbico mediante cristalización selectiva y recirculación de eductos. El educto no transformado se separa mediante cristalización de ácido ascórbico.
El educto se debe presentar solo en concentración reducida en las aguas madre tras la cristalización, ya que, en caso contrario, el producto se impurifica. Por lo tanto, se debe operar con rendimientos elevados.
La US 1,904,619 describe un procedimiento para la lactonización continua (de derivados de) KGS bajo conversión parcial en disolución acuosa. El producto se aísla mediante cristalización y recristalización a partir de metanol. Todas las aguas madre se deben reunir, concentrar, y transformar de nuevo en una disolución acuosa.
Hasta la fecha, en el estado de la técnica no se pusieron a disposición procedimientos económicos para la separación de ácido ascórbico y KGS, de modo que, por regla general, en los procesos de obtención para ácido ascórbico el lactonizado de KGS o del respectivo educto se debe llevar a cabo para evitar una impurificación de ácido ascórbico con KGS. No obstante, la obtención de ácido ascórbico se distingue por requisitos especiales en pureza y rendimiento en todas las etapas de procedimiento: por una parte para posibilitar el empleo de producto final en la aplicación para la alimentación humana, y por otra parte para reducir en lo posible los costes en la obtención.
En muchos procedimientos se derivatiza el educto o producto. De este modo se obtienen en especial los ésteres metílicos o butíricos de KGS, que son solubles en alcohol, en contrapartida a ácido ascórbico. Los procedimientos de separación descritos son muy complejos, en especial debido a los pasos de derivatizado y los siguientes pasos de liberación, requieren mucho tiempo, son poco eficientes, y no son inofensivos desde el punto de vista ecológico debido al consumo elevado de energía así como al empleo de disolventes orgánicos, en su mayor parte tóxicos.
Por consiguiente la tarea de la presente invención es poner a disposición un procedimiento ventajoso para poder separar ácido ascórbico y ácido 2-ceto-L-gulónico de manera económica, ecológica y eficiente a partir de un disolvente polar, preferentemente acuoso. El problema que motiva la presente invención se soluciona mediante las formas de ejecución caracterizadas en las reivindicaciones de la presente invención.
Por consiguiente, la presente invención se refiere a un procedimiento para la separación de ácido ascórbico a partir de un disolvente 1, que contiene ácido ascórbico y ácido 2-ceto-L-gulónico, caracterizado porque el procedimiento comprende los siguientes pasos:
(a)
extracción de ácido ascórbico a partir del disolvente 1 con dialquilformamida (agente de extracción 1), que presenta un hueco de mezcla con el disolvente 1, en una extracción líquido-líquido.
En la DE 38 31 071 se extrae KGS en presencia de 2 a 6 equivalentes molares de una amina de cadena larga a una presión parcial de KGS de 10 a 60 bar.
En la EP 359 645 se extrae una disolución acuosa de KGS con una disolución del mismo volumen de una amina (Adogen 83) en querosina, y se reextrae con ácido nítrico.
La GB 1,426,018 describe la obtención en otros, de ácido cítrico, ácido láctico y ácido oxálico a partir de disoluciones acuosas por medio de extracción.
Basándose en esto, la EP 828 725 da a conocer un procedimiento para la obtención de ácido ascórbico mediante extracción de ácido ascórbico con una composición no miscible con agua, que contiene (a) al menos una alquilamina secundaria o terciaria, en el que el número total de átomos de carbono asciende al menos a 20, como agente de extracción primario y (b) un compuesto intensificador de extracción ("potenciador").
No obstante, hasta el momento no se mostró que ambos ácidos carboxílicos orgánicos similares, ácido ascórbico y KGS, se pueden separar entre sí mediante una extracción líquido-líquido.
Sorprendentemente, a partir de un disolvente polar, que contiene tanto KGS, como también ácido ascórbico disuelto, se puede separar ácido ascórbico selectivamente mediante la extracción con una dialquilformamida en pureza elevada a escala industrial.
Bajo el concepto "extracción" o "extraer", según la invención se entiende que a partir de una muestra sólida o líquida con disolventes apolares a polares, o mezclas de disolventes, las substancias obtenidas en los mismos se transforman en el respectivo agente de extracción o mezclas de agentes de extracción. A continuación se entiende por agente de extracción también una mezcla de diversos disolventes, en tanto la mezcla presente las propiedades descritas para el agente de extracción en este caso.
Según la invención, se entiende por extracción "líquido-líquido" una extracción de una substancia disuelta en un disolvente líquido por medio de un segundo disolvente líquido. Las condiciones de extracción, por ejemplo el agente de extracción o la temperatura, se pueden seleccionar de modo que se extraiga o no extraiga esencial o preferentemente una substancia específica.
Los disolventes polares son disoluciones acuosas según la invención, incluyendo agua, o disolventes orgánicos polares apróticos o próticos, a modo de ejemplo alcoholes alquílicos con un resto alquilo con 1 a 4 átomos de carbono, por ejemplo metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, o por ejemplo acetona, acetonitrilo o dimetilsulfóxido, o son mezclas de los mismos.
Se entiende por una "fase polar" o un "extracto polar" una fase o un extracto que se obtienen a partir de una extracción con un disolvente polar descrito anteriormente, o mezcla de disolventes.
Bajo el concepto "disolución acuosa" se entiende agua o una disolución acuosa, por ejemplo también agua desionizada, agua desmineralizada, agua destilada o bidestilada. Una o varias substancias pueden estar disueltas en la disolución acuosa, o mezcladas con la misma. De este modo, pueden estar contenidas substancias que mejoran la extracción, la estabilidad o solubilidad de las substancias de valor, o conducen a propiedades preferentes, por ejemplo valor de pH, conductividad, concentración de sales, etc., como por ejemplo disoluciones salinas o tampón. Según la invención se entiende por "agente de extracción 1" un disolvente o mezcla de disolventes que no es miscible con el disolvente 1, y que posee un vacío de mezcla con el disolvente 1. Bajo el concepto "vacío de mezcla" en este caso se entiende que ácido ascórbico y/o KGS, poseen una solubilidad más elevada en el agente de extracción que en el disolvente extraído.
Una separación rentable mediante extracción es posible si los coeficientes de distribución de ambas substancias a separar, en este caso ácido ascórbico y KGS, son suficientemente diferentes en un agente de extracción. Debido a la similitud estructural de ácido ascórbico y KGS esto no era de esperar. Esto se muestra también en que, a pesar de que las ventajas de un lactonizado parcial autocatalizado. en especial la supresión ventajosa de catalizadores, son ciertamente conocidas desde 1.940, debido a la ausencia de procedimientos de separación apropiados para educto y producto, el correspondiente procedimiento no se emplea a escala industrial.
La extracción según la invención se puede llevar a cabo como se describe en los documentos citados en este caso, o en los ejemplos, por ejemplo por medio de una columna de extracción en contracorriente o una cascada de mezclador-decantador (Mixer-Settler).
En el procedimiento según la invención se emplea preferentemente el agente de extracción y el disolvente en una proporción de 1:1 a 5:1, es preferente una proporción de 2:1 a 3:1.
En una forma de ejecución preferente, el agente de extracción es una N,N-dialquilformamida, con restos alquilo con 1 a 5 átomos de carbono N-enlazados en cada caso. Es especialmente preferente N,N-dibutilformamida (DBF) como agente de extracción. Sorprendentemente se verificó que especialmente con DBF se puede extraer selectivamente ácido ascórbico a partir de una mezcla de KGS/ácido ascórbico.
Según la invención se puede conseguir una separación económica de ácido ascórbico a partir de una mezcla de ácido ascórbico y KGS si la proporción de coeficiente es de distribución en condiciones normales para ácido ascórbico respecto a KGS asciende al menos a 1,5:1, preferentemente 4:1, más preferentemente 7:1 o más, siendo el coeficiente de distribución dependiente naturalmente de la temperatura. El coeficiente de distribución se puede determinar según métodos habituales para el especialista, por ejemplo tras una extracción de una etapa por medio de análisis por HPLC y titración yodométrica.
En una forma de ejecución preferente, el procedimiento según la invención está caracterizado porque en la extracción líquido-líquido no se emplea ningún "potenciador" de extracción.
Sorprendentemente se descubrió que en el procedimiento según la invención para la separación de ácido ascórbico y KGS, a diferencia del procedimiento de extracción descrito en el estado de la técnica (EP 828 725) no se debe emplear ningún "potenciador" de extracción. La EP 828 725 describe la extracción de ácido ascórbico a partir de una disolución acuosa con ayuda de un primer "agente de extracción", que está constituido por aminas de cadena larga y un "potenciador" de extracción, que está constituido por un agente de extracción polar y prótico, siendo el potenciador ``un agente de extracción peor que el primer agente de extracción, empleándose en la extracción una proporción de "potenciador"/ "primer agente de extracción", de 2:1. Los "potenciadores" polares, en especial próticos, preferentes, son alcanoles, cetonas, aldehídos, ésteres y éteres de diferentes pesos moleculares según la EP 828 725. Por consiguiente, según la invención se entiende bajo el concepto "potenciador de extracción"los agentes de extracción polares, en especial próticos, dados a conocer en la EP 828 725, en especial alcanoles, cetonas, aldehídos, ésteres y éteres de diferentes pesos moleculares.
Según la invención, bajo el concepto "ningún potenciador de extracción" se entiende que la proporción de un potenciador de extracción respecto al "agente de extracción 1" asciende a 0:1 a 1,9:1, preferentemente 1:1, de modo más preferente (0,2:1, de modo aún más preferente 0,05:1. En la mayor parte de los casos, la fracción de "potenciador" de extracción es preferentemente un 0% en volumen a un 1% en volumen en el volumen total del agente de extracción. En el procedimiento según la invención se pueden separar ácido ascórbico y KGS sin adición de tal potencia-
dor.
En otra forma de ejecución preferente, en el procedimiento según la invención se lleva a cabo la extracción de ácido ascórbico a partir de disolvente1 con N,N-dialquilformamida con 1 a 5 átomos de carbono como agente de extracción 1. De este modo, se obtiene en una fase 1, que contiene agente de extracción 1 cargado con ácido ascórbico, y una fase 2, que contiene el disolvente 1 y KGS. Preferentemente se emplea como agente de extracción N,N-dibutilformamida (DBF).
Como se muestra en los ejemplos, DBF es apropiado como agente de extracción 1 para ácido ascórbico a partir de una mezcla de ácido ascórbico y KGS. Sorprendentemente, la proporción de coeficientes de distribución de ácido ascórbico y KGS en DBF es 7:1.
En una forma de ejecución, en el procedimiento según la invención se emplea como disolvente 1 una disolución acuosa, o un alcohol de alquilo con 1 a 4 átomos de carbono ramificado o no ramificado, preferentemente agua o una disolución acuosa. El concepto "disoluciones acuosas", según la definición empleada en este caso, comprende tanto agua, como también tampones, disoluciones de fermentación, disoluciones salinas y otras disoluciones que contienen substancias, por ejemplo para influir sobre el pH, la esterilidad de la disolución o la estabilidad de substancias. Los disolventes 1 pueden ser también un caldo de fermentación o el exceso de un caldo de fermentación decantado o filtrado.
En una forma de ejecución especialmente preferente, en el procedimiento según la invención se emplea como disolvente 1 agua o una disolución acuosa, y como agente de extracción 1 DBF.
En el procedimiento según la invención, la extracción tiene lugar preferentemente a una temperatura entre 10ºC y 60ºC. Es especialmente preferente una temperatura entre 15ºC y 30ºC. En la selección de la temperatura preferente el especialista considerará la eficiencia de extracción frente al empleo de energía refrigerante para la consecución de las respectivas temperaturas, así como frente a la solubilidad de eductos a las respectivas temperaturas de extracción. Por motivos económicos y ecológicos puede ser preferente una temperatura que se pueda alcanzar para el enfriamiento o calentamiento sin alimentación de energía adicional (temperatura ambiental). Para posibilitar una reextracción eficiente se puede seleccionar una temperatura más elevada. En la mayor parte de los casos es preferente la puesta en práctica del paso de procedimientos según la invención a 30ºC hasta 60ºC, preferentemente a 40ºC.
En otra forma de ejecución, el procedimiento según la invención comprende el siguiente paso adicional:
(b)
reextracción completa o parcial de ácido ascórbico a partir del agente de extracción 1 cargado con un agente de extracción polar 2, obteniéndose un agente de extracción 2 cargado con ácido ascórbico.
Según la invención, se entiende por "reextracción completa o parcial" que el ácido ascórbico se reextrae esencialmente, de modo preferente en un 30% en peso a un 100% en peso en el agente de extracción 2. Es preferente un 50% en peso, más preferente un 75% en peso o más.
Para posibilitar una reextracción eficiente, la concentración de ácido ascórbico antes de la reextracción en el agente de extracción 2 es más reducida que en el agente de extracción, es decir, la fracción asciende preferentemente a un 5% en peso más preferentemente a un 1% en peso o un 0,1% en peso o menos, en la mayor parte de los casos preferente un 0% en peso.
El agente de extracción 2 es un disolvente polar como se describe anteriormente, es preferente una disolución acuosa o un alcohol de alquilo con 1 a 4 átomos de carbono ramificado o no ramificado.
En el procedimiento según la invención se emplea preferentemente el agente de extracción 2 para dar el agente de extracción 1 en proporción 1:1 a 5:1, es preferente una proporción de 1:1 a 3:1.
En una forma de ejecución preferente, el agente de extracción 2 y el disolvente 1 están constituidos esencialmente por los mismos componentes de disolvente.
En este caso, "esencialmente constituido por los mismos componentes de disolvente" significa que ambos agentes son esencialmente idénticos, y se diferencian preferentemente en un 30% o menos de sus componentes de disolvente, más preferentemente es un 10%, aún es más preferente un 5% o menos. De este modo, por ejemplo un agente puede estar constituido esencialmente por una disolución acuosa con una fracción reducida de un alcohol alquílico, mientras que el otro agente puede estar constituido solo por una disolución acuosa. En una forma de ejecución preferente, ambos agentes son idénticos respecto a sus componentes de disolvente. Preferentemente, el agente de extracción 2 es igualmente polar. De modo especialmente preferente, en el caso del disolvente 1 y el agente de extracción 2 se trata de disoluciones acuosas.
En una forma de ejecución, el disolvente 1 y el agente de extracción 2 están constituidos por disolventes iguales o similares, en los que están contenidas esencialmente las mismas substancias excepto la fracción de ácido ascórbico y/o KGS.
"Esencialmente las mismas substancias excepto la fracción de ácido ascórbico y/o KGS" significa que ambos agentes se diferencian solo en un 30% de componentes disueltos y no disueltos, a parte de ácido ascórbico y KGS, es más preferente un 10%, aún más preferente es un 5% o menos.
En una forma de ejecución preferente, en el procedimiento según la invención, la temperatura de extracción T_{1} para la extracción de ácido ascórbico a partir del disolvente 1, que contiene una mezcla de ácido ascórbico y KGS, es más reducida que la temperatura de reextracción T_{2} para la reextracción de ácido ascórbico, o bien KGS, a partir del agente de extracción con el agente de extracción 2. Es preferente una diferencia de más de 5ºC a 100ºC, más preferentemente más de 15ºC, aun más preferentemente de 20ºC.
Como se muestra en la GB 1,426,018, en reextracciones con temperaturas más elevadas que en la extracción con el mismo disolvente, por ejemplo extracción a temperatura ambiente y reextracción a 100ºC, en el reextracto se puede alcanzar una concentración elevada, en especial una concentración que es similar a la concentración de partida en la mezcla.
Por consiguiente, en una forma de ejecución de la presente invención, la temperatura de la extracción se sitúa en 10ºC a 30ºC, y la temperatura de reextracción se sitúa en 20ºC a 80ºC. Es preferente la combinación de temperatura ambiental o temperatura ambiente, por la cual se entiende en este caso una temperatura de 15ºC a 30ºC, con una temperatura de reextracción de 40ºC a 60ºC.
En una forma de ejecución, el procedimiento según la invención comprende también el siguiente paso adicional:
(c)
recirculación del agente de extracción 1, a partir del cual se reextrajo el ácido ascórbico según el paso (b), en la extracción tras el paso (a).
Preferentemente, el agente de extracción 1 se esclusa parcial o completamente en el paso (a) antes de la recirculación y nuevo empleo como agente de extracción 1, se elabora, y solo después se recircula. Mediante el esclusado se eliminan impurezas. La purificación del agente de extracción se puede efectuar, por ejemplo, mediante destilación, micro- o nanofiltración o adsorción (por ejemplo en carbón activo).
La fracción de material esclusado depende esencialmente de la pureza del disolvente 1 y de la fracción de producto de valor reextraído, es decir, de ácido ascórbico en el agente de extracción una vez efectuada la reextracción. Si el agente de extracción 1 contiene tras la reextracción con agente de extracción 2 solo fracciones reducidas de producto de valor, y una fracción elevada de impurezas, se puede esclusar una gran fracción de agente de extracción. Si en la reextracción se reextrae solo parcialmente, en el agente de extracción se encuentra aún una fracción elevada de producto de valor, y el especialista considerará según rutina la pérdida de vida a un esclusado frente al grado de impureza.
En una forma de ejecución, el procedimiento comprende el paso.
(d)
concentración del agente de extracción 2 cargado con ácido ascórbico;
y opcionalmente el paso
(e)
recirculación del agente de extracción 2 evaporado en (d) (vapores) en la reextracción según el paso (b) como agente de extracción 2.
Se entiende por "concentración" que la muestra se concentra en su volumen por evaporación, y la concentración de la substancia a concentrar es más elevada que en la disolución de partida tras la concentración, pero sin precipitar. Preferentemente se extrae o evapora hasta el límite de solubilidad de ácido ascórbico a partir del agente de extracción cargado 2. En una forma de ejecución preferente se evapora exactamente tanto disolvente que, en la instalación continua, se pueden ajustar estados estacionarios con recirculaciones. Preferentemente, en el paso (d) se concentra a una concentración de ácido ascórbico de un 30 a un 50% de ácido ascórbico a 30ºC hasta 50ºC.
Una concentración se puede efectuar, a modo de ejemplo, mediante calentamiento, en especial bajo presión reducida, a modo de ejemplo en un evaporador de circulación, evaporador de capa fina, etc. Mediante diálisis se pueden concentrar por evaporación muestras del mismo modo. La concentración por evaporación se efectuará cuidadosamente, preferentemente a -20ºC a 100ºC en dependencia de tiempo de reacción, presión y disolvente. Preferentemente se lleva a cabo la concentración a 30ºC a 50ºC, de modo especialmente preferente bajo presión reducida. Según disolvente o mezcla de disolventes, la concentración se puede llevar a cabo a presión normal (1013 mbar) a 10 mbar. En el caso de disoluciones acuosas se concentra preferentemente a 500 mbar a 50 mbar. En una forma de ejecución especialmente preferente, la concentración por evaporación de una disolución se lleva a cabo a 30ºC a 50ºC, preferentemente a 40ºC, así como 50 mbar a 300 mbar, preferentemente a 70 mbar. La disolución concentrada se enfría preferentemente a temperatura ambiente o a 20 hasta 25ºC tras cada evaporación descrita en este caso, por ejemplo por medio de un intercambiador de calor.
El disolvente evaporado (vapores) se puede condensar entonces, y emplear de nuevo para la reextracción en el paso (b).
En una forma de ejecución, para la obtención de ácido ascórbico se aísla el ácido ascórbico inmediatamente a partir del agente de extracción, o tras evaporación y enfriamiento de la disolución.
Por consiguiente, en una forma de ejecución preferente, el procedimiento según la invención comprende también el siguiente paso:
(f)
aislamiento, preferentemente cristalización, de ácido ascórbico a partir del agente de extracción 2 cargado con el ácido ascórbico, quedando las aguas madre.
Para el especialista son conocidos diversos pasos de procedimiento para la obtención de ácido ascórbico a partir de disolventes polares. De este modo se describen, por ejemplo, cristalizaciones por evaporación, enfriamiento o desplazamiento, pero también diferentes procesos de secado, por ejemplo secado por pulverizado para ácidos carboxílicos, en especial también para ácido ascórbico. Para el aislamiento de ácido ascórbico se pueden formar también sales insolubles o derivados, que precipitan después en el disolvente. Preferentemente se aísla el ácido ascórbico mediante una cristalización por evaporación, enfriamiento y desplazamiento. En el procedimiento según la invención, el ácido ascórbico se precipita mediante cristalización por enfriamiento, y se aísla como producto sólido de modo especialmente preferente.
En una forma de ejecución, el procedimiento según la invención comprende el siguiente paso adicional:
(g)
extracción de ácido ascórbico a partir de las aguas madre que permanecen en la cristalización de ácido ascórbico según el paso (f).
Para la reextracción de ácido ascórbico a partir de las aguas madre se alimentan preferentemente las aguas madre a la extracción tras el paso (a). Ventajosamente, las aguas madre se conducen a la etapa superior (o bien última) de la primera columna de extracción (o bien de una instalación de extracción de varias etapas).
En otra forma de ejecución, el disolvente 1 cargado con KGS, que permanece tras la extracción según el paso (a), se recircula a un paso de procedimiento para la obtención de ácido ascórbico a partir de KGS (paso h) y se mezcla, por ejemplo, con nueva disolución de alimentación, que se alimenta entonces a una reacción de lactonización como se describe en este caso.
La descarga de producto de la reacción de lactonización se puede someter entonces a los pasos de procedimiento según la invención descritos en este caso para la obtención de ácido ascórbico. Antes de la extracción de ácido ascórbico tras el paso (a), en una forma de ejecución se puede concentrar la descarga de producto de reacción de lactonización, por ejemplo como se describió anteriormente. Tras la concentración se efectúa ventajosamente un enfriamiento de la disolución, y después la extracción de ácido ascórbico tras los pasos descritos anteriormente.
Con el procedimiento según la invención, descrito en este caso, se pudo separar también ácido monoaceton-2-ceto-L-gulónico y/o ácido diacetocetogulónico, u otros derivados de ácido cetogulónico, a partir de una mezcla de ácido ascórbico y KGS.
En una forma de ejecución, la presente invención se refiere también a un procedimiento para la obtención de ácido ascórbico a partir de ácido 2-ceto-L-gulónico, que contiene los siguientes pasos:
(aa)
lactonización parcial de ácido 2-ceto-L-gulónico para dar ácido ascórbico,
(ab)
separación de ácido ascórbico a partir de la mezcla con KGS conforme al procedimiento según la invención.
La mezcla de KGS y ácido ascórbico se puede obtener según procedimientos conocidos por el especialista, por ejemplo según un procedimiento descrito en este caso para la lactonización de KGS o sus derivados, y en caso dado reacción subsiguiente. Preferentemente, la mezcla se obtiene mediante una lactonización directa parcial, en especial mediante una lactonización autocatalizada de KGS para dar ácido ascórbico.
Según la invención se entiende por "lactonización parcial" una reacción incompleta de educto para dar ácido ascórbico. En el procedimiento según la invención se hace reaccionar preferentemente un 10% en peso a un 95% en peso, más preferentemente un 20% en peso a un 50% en peso de educto para dar ácido ascórbico. Es especialmente preferente una forma de ejecución con una conversión parcial de KGS de un 20% en peso a un 40% en peso.
La reacción de lactonización (aa) se puede llevar a cabo según procedimientos como se describen en el estado de la técnica desde 1.933, en tanto se obtenga una mezcla a partir del educto, preferentemente KGS, y ácido ascórbico en un disolvente polar, preferentemente en una disolución acuosa, en especial agua. Debido al procedimiento de separación ausente, la literatura describe generalmente conversiones parciales de KGS para dar ácido ascórbico, o en el caso de reacción solo parcial vincula la separación con la derivatización de KGS para dar un éster, y siguiente cristalización de ácido ascórbico como se describe anteriormente.
Los procedimientos para la lactonización se describen en el estado de la técnica mencionado anteriormente y en los documentos citados en la misma, que se incluyen expresamente en el contenido de la manifestación de esta descripción.
El procedimiento descrito en este caso podía servir también para la separación de ácido ascórbico de otros productos de partida. Habitualmente se obtiene ácido ascórbico a partir de ácido 2-ceto-L-gulónico, ácido monoaceton-2-ceto-L-gulónico o ácido diacetoncetogulónico. Se describieron también otros eductos, como por ejemplo L-gulono-\gamma-lactona, y la sal sódica de \alpha-alquil-KGS-piranósido.
En la mayor parte de los casos, las lactonizaciones directas se catalizan por vía ácida, preferentemente con ácido clorhídrico como gas, o con ácido clorhídrico acuoso, y son conocidas en el estado de la técnica desde hace tiem-
po.
La DR 696 810 y la DE 641 639 describen la lactonización a través de la vía alternativa de formación de un éster de KGS, o bien de éster de diacetona- KGS. El éster es soluble en alcoholes, el ACS no, de modo que el ACS precipita como producto sólido. Adicionalmente se pueden alimentar hidrocarburos halogenados como agentes auxiliares de precipitación.
En el caso de procedimientos catalizados por vía alcalina, la velocidad de reacción de lactonización es más elevada, lo que conduce a rendimientos espacio-tiempo más elevados en las instalaciones. Como catalizadores básicos, además de NaOH en diversas mezclas de alcohol o alcohol-agua, se emplean sales alcalinas de ácidos débiles, (por ejemplo NaHCO_{3} o acetato sódico), Na_{2}CO_{3} o metilato sódico en alcoholes. En estos procedimientos se produce en primer lugar la sal sódica de ácido ascórbico, que se debe transformar en el ácido ascórbico libre en un paso de procedimiento adicional. Un procedimiento para la obtención de ácido ascórbico se describe en la US 5,041,563.
En los citados procedimientos ácidos, el catalizador se debe separar. El ácido puede descomponer el producto. Bajo catálisis alcalina se obtiene en primer lugar una sal de ácido ascórbico, que se debe transformar en el ácido ascórbico libre.
Desde aproximadamente 1.940 se describe también la lactonización exenta de disolvente de KGS y ésteres de KGS para dar ácido ascórbico mediante calentamiento simple en agua, alcoholes o mezclas de agua con un disolvente hidrófilo a temperaturas por encima de 130ºC, y tiempos de residencia de 30 minutos a 90 horas. Una adición de ácido cítrico y fosfato como tampón para el ajuste de un valor de pH constante aumentará los rendimientos.
En la DE 861 841 se describe una lactonización directa con conversión parcial mediante calentamiento de un éster de KGS en un disolvente orgánico hidratado, miscible con agua (alcohol/ agua, o bien éter/agua) y separación de producto mediante cristalización selectiva y recirculación de educto. No obstante, tras la cristalización el educto se debe presentar solo en concentración reducida en las aguas madre. La US 2,491,065 describe la lactonización directa autocatalítica de KGS, o bien DAKS, en disolución acuosa a una concentración de KGS <12% en peso, temperaturas de 100-150ºC y tiempos de residencia de 20 minutos a 10 horas. La KGS describe un procedimiento para la lactonización continúa de (derivados de) KGS bajo conversión parcial en disolución acuosa, por ejemplo con un cambiador de iones ácido como catalizador y recirculación de KGS no transformado.
Ventajosamente, mediante el procedimiento según la invención, ahora se puede llevar a cabo una lactonización parcial directa catalizada por vía ácida o alcalina, o autocatalizada, por ejemplo mediante un intercambiador de iones ácido (por ejemplo Bayer Levatit) o, preferentemente, por medio de una catálisis de lecho fijo. Preferentemente se lleva a cabo la lactonización a temperaturas reducidas, que conducen a una derivatización reducida o descomposición de ácido ascórbico producido, de modo especialmente preferente por debajo de 60ºC, por ejemplo por medio de biocatálisis o catálisis enzimática, o en una catálisis ácida.
En una forma de ejecución especialmente preferente, en el procedimiento según la invención se efectúa el paso (aa) para la lactonización de ácido 2-ceto-L-gulónico por vía autocatalítica.
En la mayor parte de procedimientos, las lactonizaciones se llevan a cabo bajo conversión completa del respectivo educto. En la reacción autocatalítica es ventajoso que no se requieran ni se deban separar de la descarga de reacción catalizadores ni otras substancias auxiliares. Hasta el momento, un empleo económico de la lactonización autocatalítica fracasó en que una reacción completa se efectúa de manera ineficaz y con rendimientos reducidos. Un procedimiento de separación apropiado para la obtención de ácido ascórbico a partir de una mezcla de KGS y ácido ascórbico, como se obtiene mediante una reacción parcial, no estaba descrito, y se pone a disposición solo en la presente
invención.
Se sabe que se puede lactonizar KGS en disoluciones acuosas mediante acción de una temperatura elevada (T > 25ºC, T < 200ºC). Son preferentes temperaturas de 40 a 180ºC. De este modo se puede alcanzar ventajosamente un tiempo de reacción muy corto en el reactor. Si se calienta una disolución de KGS en agua a 80-150ºC y se mantiene el tiempo de residencia en el reactor entre 1 y 30 minutos, en el caso de conversiones de KGS alrededor de 25 - 30% se pueden obtener selectividades de ácido ascórbico alrededor de un 90% en disolución. Hasta el momento se describió conversión parcial con recirculación de eductos solo en el caso de ésteres de KGS. Preferentemente, la concentración inicial de KGS en agua no sobrepasa un 30%.
En una forma de ejecución especialmente preferente se lleva a cabo una lactonización, y después se separa ácido ascórbico, y el educto, en especial KGS, se recircula a la reacción de lactonización.
Por consiguiente, la presente invención se refiere también a un procedimiento para la preparación y obtención de ácido ascórbico, llevándose a cabo el paso (aa) para la lactonización de ácido 2-ceto-L-gulónico por vía autocatalítica bajo conversión parcial bajo las siguientes condiciones:
(aaa)
a una temperatura de 60ºC a 180ºC, preferentemente entre 100ºC y 160ºC;
(bbb)
con una fracción másica inicial de ácido 2-ceto-L-gulónico de un 5% en peso a un 50% en peso, preferentemente entre un 10% y un 15%;
(ccc)
con una conversión de KGS de un 10 a un 40% en peso, preferentemente de un 20 a un 30% en peso; y/o
(ddd)
un tiempo de residencia en el reactor de lactonización de 1 a 30 minutos, preferentemente 10 minutos o menos.
Son especialmente preferentes una fracción másica inicial de KGS de un 10 a un 15% en peso, una temperatura de reactor de 110ºC a 150ºC en un tiempo de residencia de 3 a 5 minutos, y una reacción de KGS de un 20 a un 25% en peso.
Como reactores para la lactonización son apropiados, por ejemplo, haces de tubos, placas cambiadoras de calor, reactores de tubos helicoidales o reactores de haz propulsor.
La descarga de reacción a partir de la reacción de lactonización se concentra por evaporación según los pasos de concentración descritos anteriormente para la consecución de un estado de operación estacionario. A partir de la descarga de reacción enfriada preferentemente a temperatura ambiente o 20ºC a 25ºC, según el paso (a) se puede separar el ácido ascórbico o el KGS.
Preferentemente, la descarga de reacción posee tras la concentración una fracción de KGS de un 5 a un 30% en peso, son especialmente preferentes un 8 a un 25% en peso, y una fracción de ácido ascórbico de un 3 a un 20% en peso, son especialmente preferentes un 5 a un 10% en peso.
En una forma de ejecución preferente, en el procedimiento según la invención los vapores condensados de los pasos de evaporación diferentes permanecen sensiblemente en el proceso, y se emplean como disolvente en el mismo, como se describió anteriormente para los diferentes pasos de procedimiento. De modo especialmente preferente, la evaporación de los respectivos disolventes se realiza a través de la presión de operación respectiva, de modo que se puede efectuar una transmisión de energía del condensador de vapor de una primera evaporación al evaporador de una segunda evaporación, y en especial antes de la concentración por evaporación tras la lactonización para la concentración por evaporación tras la reextracción de ácido ascórbico (paso (d)).
Según la invención, los pasos aislados del procedimiento aquí descrito se pueden realizar continua o discontinuamente. La forma de ejecución preferente es la realización continua de los pasos.
En una forma de ejecución, el procedimiento según la invención contiene todos los pasos aquí decritos (a) a (g) y/o (aa) a (cc) y/o (aaa) a (ccc) para la obtención de ácido ascórbico o para la obtención de ácido ascórbico. De este modo se obtiene ventajosamente ácido ascórbico y/o KGS sin producción de sales.
La presente invención se ilustra mediante el siguiente ejemplo y figuras, sin que los mismos sean limitantes de ningún modo.
En la figura 1 se representa un esquema de procedimiento.
En la figura 2 se representa una instalación de laboratorio. La cifras indican las siguientes formas de ejecución:
Reactor de lactonización 1: reactor de tubos helicoidales.
Evaporación 2: evaporador de capa fina de laboratorio.
Cambiador de calor 3: cambiador de calor de tubo doble.
Columna de extracción 4: columna de extracción en contracorriente.
Columna de extracción 5: columna de extracción en contracorriente.
Válvula de retención de presión 6: válvula.
Ejemplos Ejemplo 1 Procedimiento
En primer lugar se lactoniza una mezcla de disolvente (LM) y KGS (por ejemplo una disolución acuosa de una concentración de un 5 a un 50% de fracción másica, en especial un 10 - 15%), sin otros agentes auxiliares, con un reactor calentado indirecta o directamente con vapor, o indirectamente con otro soporte de calor (por ejemplo reactor de haz de tubos, de cambiador de calor en placa o reactor de haz propulsor) en conversión parcial a temperaturas entre 80ºC y 180ºC, en especial a temperaturas entre 100 y 150ºC, y tiempos de residencia de 1 a 30 minutos, en especial 1 y 10 minutos. En este caso se transforma la fracción de KGS en ACS en aproximadamente un 30% con un 90% de selectividad. La descarga del reactor se concentra en una evaporación 2, por ejemplo en un evaporador de circulación, a bajas temperaturas (por ejemplo 40 - 80ºC, y el correspondiente vacío), y después se enfría en un cambiador de calor 3 a aproximadamente 25ºC. La descarga del reactor enfriada y concentrada contiene entonces típicamente concentraciones de KGS de un 5-25% (fracción másica) y concentraciones de ACS de 1 - 10% (fracción másica). En el siguiente paso de procedimiento, una extracción líquido-liquido de varias etapas 4, se extrae el ACS contenido en la descarga de reacción con un agente de extracción apropiado (EM), por ejemplo N,N-dibutilformamida (DBF). En este caso se alimenta el EM en contracorriente a la descarga del reactor, que se alimenta en una etapa media de la instalación de varias etapas. Una corriente reducida de LM se añade preferentemente en la última etapa (o bien superior), en caso dado en contracorriente, de la instalación de extracción de varias etapas. Las aguas madre (ML) de la etapa de cristalización 8 se utilizan en este caso ventajosamente. Si las aguas madre no son suficientes en su cantidad, se pueden alimentar adicionalmente vapores condensados de las evaporaciones 2 y 6. La descarga de LM de la instalación de extracción de varias e etapas 4, que contiene, además de LM, predominantemente KGS, se devuelve al reactor de lactonización 1. La instalación de extracción de varias etapas puede ser, por ejemplo, la denominada instalación mezcladora-decantadora, o una columna de extracción. El EM cargado con ACS se descarga sensiblemente de ACS en una segunda instalación de extracción de varias etapas 5. Como agente de extracción, que se conduce de nuevo en contracorriente, en este caso se pueden utilizar los vapores condensados de las evaporaciones 2 y 6. La disolución de ACS crudo saliente se evapora en la evaporación 6 (por ejemplo a aproximadamente 40 - 60ºC y correspondiente vacío) a una concentración de ACS de aproximadamente un 45% (m/m). El EM descargado se devuelve a la primera instalación de extracción 4. La disolución de ACS crudo se enfría a continuación con agua refrigerante en el cambiador de calor 7, y a continuación se alimenta al cristalizador 8. El ACS crudo cristalizado se separa de las aguas madre (por ejemplo se centrífuga o se separa con filtros de banda). Las aguas madre remanentes (ML, aproximadamente 14% de ACS a 2ºC de temperatura de cristalización) se devuelven a la última etapa (superior) de la primera instalación de extracción 4, como ya se ha descrito. La cantidad de LM adicional, o bien vapores condensados, se determina mediante el índice de etapas de separación de la instalación 4 y la fuga de KGS tolerable. Los productos secundarios de la reacción de lactonización se concentran predominantemente en el circuito de EM, ya que los productos secundarios son más solubles en la fase de EM más bien apolar, que en la fase de LM polar. Para el esclusado de productos secundarios de punto de ebullición elevado del proceso se extrae una corriente parcial de EM, se destila, y se devuelve de nuevo al proceso. El producto de cola de la elaboración de EM se alimenta a una combustión de residuos o a una instalación depuradora biológica.
Los vapores condensados de las evaporaciones 2 y 6 permanecen en el proceso excepto una corriente residual reducida, es decir, el procedimiento está casi exento de aguas residuales.
La energía liberada en la condensación de vapores de la primera evaporación 2 se puede utilizar sensiblemente para la segunda evaporación 6, generándose una diferencia de temperatura suficiente entre las evaporaciones mediante la selección de presiones de evaporación apropiadas.
Ejemplo 2 Instalación de laboratorio
Se construyó una instalación de laboratorio según la figura 2. La instalación estaba constituida por las partes indicadas anteriormente.
La instalación se accionó como sigue. En el reactor 1 se dosificó una disolución acuosa de KGS con una concentración de un 9,83% de fracción másica con una corriente másica de 198 g/h y la corriente de recirculación (descarga de cola de la columna de extracción 4). El reactor 1 estaba temperado a 160ºC en este caso. El reactor se mantuvo a una presión constante de 10 bar mediante una válvula de retención de presión 6. La descarga del reactor descomprimida contenía una concentración de ACS de un 3,5%, y una concentración de KGS de un 6,7%. Se trasladó al evaporador de capa fina 2, y en este se evaporó parcialmente a 50ºC y 150 mbar de presión. La descarga del reactor concentrada contenía un 5% de ACS y un 9,43% de KGS. Los vapores ascendentes se condensador. Se extrajo una cantidad tal de condensado (274 g/h), que se estabilizó la interfase entre la fase acuosa y la fase orgánica en la parte superior de la columna, y el resto se devolvió al circuito de evaporador como recirculación. La descarga del reactor concentrada se trasladó a la columna de extracción a través de una regulación de nivel del evaporador de capa fina, a través del cambiador de calor enfriado con agua 3. la descarga de cola acuosa de la columna 4 se extrajo con 618 g/h constantes, y se devolvió al reactor 1, este contenía un 2,5% de ACS y un 8,73% de KGS. En el extremo superior de los elementos de inserción de columna se alimentaron 95 g/h de agua completamente desalinizada, en el extremo inferior de los elementos de inserción se alimentaron 600 g/h de N,N-dibutilformamida saturada con agua a partir de la columna de extracción 5. El agente de extracción regenerado contenía en este caso un 0,58% de ACS. La descarga de cabeza de la columna 4 contenía aproximadamente un 3% de ACS. Se introdujo en el extremo inferior de los elementos de inserción de la columna 5. En este caso se ajustó una corriente másica de 619 g/h. En el extremo superior de la columna 5 se alimentaron 400 g/h de agua completamente desalinizada. La descarga de cola acuosa de la columna 5 se reguló de modo que se estabilizó la interfase entre la fase acuosa y la fase orgánica en la parte superior de la columna. Se ajustó una corriente de descarga de 416 g/h de disolución de producto crudo con una fracción de ACS de un 2,9%, y una fracción de KGS de un 0,47%. La descarga de cabeza de la columna 5 se devolvió de nuevo a la columna 4 en el extremo inferior de los elementos de inserción de columna, como ya se ha descrito. Del agente de extracción circulante se extrajo aproximadamente un 10% de corriente de circulación como corriente de purga para el esclusado de producto secundarios en la cabeza de la columna 5. Para el mantenimiento de la corriente másica de agente de extracción circulante se dosificó adicionalmente N,N-dibutilformamida fresca mediante regulación de nivel. Con las citadas concentraciones y corriente cuantitativas resulta un rendimiento de ACS de un 68%, que se pudo aumentar a un 75% mediante mejora de la extracción, o bien recirculación de las aguas madre de cristalización en la columna 4.

Claims (11)

1. Procedimiento para la separación de ácido ascórbico a partir de un disolvente 1 polar, que contiene ácido ascórbico y ácido 2-ceto-L-gulónico, caracterizado porque el procedimiento comprende el siguiente paso:
(a)
extracción de ácido ascórbico a partir del disolvente 1 con dialquilformamida (agente de extracción 1), que presenta un hueco de mezcla con el disolvente 1, en una extracción líquido-líquido.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, siendo N,N-dibutilformamida el agente de extracción para la separación de ácido ascórbico a partir de la mezcla de ácido ascórbico y KGS.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, que comprende el siguiente paso adicional:
(b)
reextracción de ácido ascórbico a partir del agente de extracción 1 cargado con un agente de extracción polar 2, obteniéndose un agente de extracción 2 cargado con ácido ascórbico.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, siendo el disolvente y/o el agente de extracción 2 agua o una disolución acuosa.
5. Procedimiento según la reivindicación 3 o 4, siendo la temperatura de extracción del paso (a) T_{1} 5ºC a 100ºC más reducida que la temperatura de extracción del paso (b) T_{2}.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 5, que comprende el siguiente paso adicional:
(c)
recirculación del agente de extracción 1, a partir del cual se reextrajo el ácido ascórbico según el paso (b), en la extracción tras el paso (a).
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 6, que comprende los siguientes pasos adicionales:
(d)
concentración del agente de extracción 2 cargado con ácido ascórbico;
(e)
opcionalmente recirculación del agente de extracción 2 evaporado en (d) (vapores) en la reextracción según el paso (b) como agente de extracción 2.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 7, que comprende el siguiente paso adicional:
(f)
aislamiento de ácido ascórbico a partir del agente de extracción 2 cargado con el ácido ascórbico, quedando las aguas madre.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, que comprende el siguiente paso adicional:
(g)
extracción de ácido ascórbico a partir de las aguas madre que permanecen en la cristalización de ácido ascórbico según el paso (f).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, alimentándose las aguas madre a la extracción tras el paso (a) para la extracción de ácido ascórbico a partir de las aguas madre.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, recirculándose el disolvente 1 cargado con KGS a partir de la extracción según el paso (a) en un procedimiento para la obtención de ácido ascórbico a partir de KGS.
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