FI110685B - Menetelmä ja laite monokarboksyylihappojen valmistamiseksi hiilihydraateista, hiilihydraattijohdannaisista tai primaarisista alkoholeista - Google Patents

Description

1 1068·.

MENETELMÄ JA LAITE MONOKARBOKSYYLIHAPPOJEN VALMISTAMISEKSI HIILIHYDRAATEISTA/ HIILIHYDRAATTIJOHDANNAISISTA TAI PRIMAARISISTA ALKOHOLEISTA

Keksintö koskee menetelmää ja laitetta monokarboksyy-lihappojen valmistamiseksi hiilihydraateista, hiilihydraatti johdannaisista tai primaarisista alkoholeista.

Hiilihydraattien hapettaminen valikoivasti on mahdollista käyttäen erilaisia biokemiallisia menetelmiä. Näillä valmistusmenetelmillä on kuitenkin huomattavia haittapuolia. Ensiksikin mikro-organismien kasvatukseen tai biokatalyyt-tien valmistukseen liittyy huomattavia vaikeuksia. Tuotantomenetelmät koskevat useimmiten fermentointia (esim. glu-konihappojen valmistuksessa) siten, että ravinnesuolojen käyttö fermentointiliuoksessa johtaa huomattaviin suolakuor-miin. Muu haitta on steriili toimintamenetelmä, jota usein edellytetään käytettäessä näitä menetelmiä, siten, että täytyy varautua huomattaviin laitekustannuksiin.

Erityistä merkitystä on saanut heterogeenisesti katalysoitu hapettaminen 8. alaryhmän jalometalleilla sopivien I · >/·· kantajamateriaalien pinnalla. Glukoosin hapettaminen glu- :·.. konihapoksi ilmakehän hapella voidaan toteuttaa kemiallises- ti tällä tavoin esim. käyttäen Pt/C-katalyyttejä. Tämän me-netelmän haittapuoli on kuitenkin reaktion jyrkästi vähenevä • t : ,·. selektiivisyys ja katalyytin nopea deaktivoituminen, vert.

♦ * · julkaisu "Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie", 4. äskettäin uudistettu painos, Voi. 24, sivu 785, Verlag Chemie 1983.

t 9 '· ' '· Samanlaisia ongelmia on havaittu sakkaroosin hapetuk- : sessa. Heyns ja Paulsen ovat jo tutkineet tätä reaktiota käyttäen platinakatalyyttejä (K. Heyns, H. Paulsen, Adv.

I I

. ·*. Carbohydr. Chem., 17, 169 (1962); K. Heyns, W. D. Soldat, P.

; Köli, Chem. Ber. 3619 (1975). He saivat tulokseksi hapetet- '·' ’ tujen yhdisteiden seoksia, joista ei voitu saada niiden ke- miallista rakennetta ja koostumusta koskevia lisätietoja kompleksisuuden vuoksi.

2 11068::;

Julkaisusta EP O 040 709 B1 tunnetussa menetelmässä diasetoniketogulonihapon valmistamiseksi diasetonisorboosi hapetetaan osittain ja erotetaan sähködialyysin avulla. Tässä tapauksessa kysymyksessä on keskeytyvä menetelmä ja johtuen suojaryhmien lisäämisestä ensimmäisellä johdannaisella on vain yksi hapetettava ryhmä.

Julkaisuista DE 38 03 465 AI, DE 39 16 206 AI ja US-PS 4 985 553 tunnetaan erilaisia eräprosesseja, jotka tuottavat kvantitatiivisesti ei-hyväksyttäviä konversiolukuja tai tuoteseoksia, jotka sisältävät epätyydyttäviä epäpuhtauksia lähtöyhdisteiden kanssa. Joissakin tapauksissa viitteissä on jo ehdotettu tuotteen eristämistä kalliiden puhdistusmenetelmien avulla.

Menetelmä, joka on kuvattu julkaisussa EP 0 218 150 B1 sakkaroosin hapettamiseksi katalyytin avulla, osoittaa nimenomaisesti, että keskeytyvällä menetelmällä saadaan moninkertaisesti hapetettuja tuotteita suurtuotannossa.

Yrityksillä sakkaroosin hapettamiseksi selektiivisesti vain yhteen primaariseen OH-ryhmään liittyen ei ole ollut menestystä tähän päivään mennessä käytettäessä tavanomaista tekniikkaa.

:*·.· Kolmen mahdollisen monokarboksyylihapon lisäksi, jot- • a ^ ka ovat saatavissa hapettamalla primaariset OH-ryhmät, di- ·.·. ja trikarboksyylihappoja voi myös esiintyä yhdisteinä tuo- teseoksessa. Lisäksi muodostuu kuvattujen muunnelmien lisäk-* I si joukko pilkkoutumistuotteita, joita ei eritetellä yksi- ;;/ tyiskohtaisesti ja jotka johtavat huomattaviin saannon hävi- *·’ öihin ja vähentävät huomattavasti reaktion selektiivisyyttä, mitä tulee monokarboksyylihappojen muodostumiseen. [Les A.

a * ·,· · Edye, George V. Meehan, Geoffrey N. Richards, Platinun cata- : : : lyst oxidation of sucrose. J. Carbohydrate Chemistry, 10 :·* (1) , 11 - 23 (1991) ] .

Sama on myös havaittu pelkistävien sakkaridien ta-·; pauksessa, kuten esimerkiksi kokeet palatinoosilla osoitta- vat (Dissertation H. Puke, TU Braunschweig) .

Keksinnön kohteena ehdotetaan sitä vastoin hiilihyd- 3 11060: raattien, hiilihydraattijohdannaisten ja primaaristen alkoholien hapettamista, jolloin selektiivisyys on parempi mono-hapetettujen tuotteiden suhteen.

Tämä kohde saavutetaan siten, että hiilihydraatit, hiilihydraattijohdannaiset tai primaariset alkoholit hapetetaan keskeytymättömällä tavalla vesiliuoksessa konsentraati-on ollessa 0,1 - 60 % hapella tai happea sisältävillä kaasuilla käyttäen jalometallikatalyyttejä tai sekametallikata-lyyttejä, näin muodostettujen tuotteiden tilavuusvirta syötetään sähködialyysivaiheeseen ja monokarboksyylihappo poistetaan ja otetaan talteen.

Tämä menetelmä on poikkeuksellisen sopiva monohape-tettujen hiilihydraattien tai hiilihydraatti johdannaisten ja primaaristen alkoholien valmistamiseksi. Tasainen jatkuva reaktioprosessi ja hapetustuotteiden samanaikainen erottaminen sähködialyysin avulla johtaa itse asiassa käytännöllisesti katsoen yksinomaan monokarboksiyhdisteiden saamiseen hiilihydraateista ja hiilihydraattijohdannaisista tai primaarisista alkoholeista. Suuri tila-aika-saanto on mahdollinen samanaikaisesti.

Lähtöaineiden joukkoon luettujen sakkaridien ja sak-,·. : karidijohdannaisten spesifisellä funktionalisoinnilla on .·_ suurta teollista kiinnostusta koskien hydrofiilisten raken- \ . neosien synteesiä polymeeri- ja tensidisektoria varten pe- ,,; rustuen hiilihydraattiin. Näiden raaka-aineiden ekologisesti : ·’ suotuisista ominaisuuksista johtuen niillä on huomattavia : etuja verrattuna synteettisiin tuotteisiin.

·. · On osoittautunut erityisen tehokkaaksi, jos elekro- dialyysivaiheen ja monokarboksyylihappojen poistamisen jäl-: keen jäljelle jäävät aineet kuljetetaan hapetusvaiheeseen :* *‘: uudelleen. Lähtöaineiden jatkuva sykli ja erityisen tehokas käsittely saavutetaan tällä tavoin.

’ On hyödyllistä, jos materiaalivirta ennen sen saapu- mistä katalyyttipatjalle on rikastettu kuplattomasti ilmalla siten, että riittävästi happea on saatavilla hapetusreak-tiota varten.

. 11068: 4 Tässä esitetty keksintö kuvaa keskeytymättömän menetelmän, jossa hiilihydraatit tai hiilihydraattijohdannaiset voidaan muuttaa valikoivasti monokarboksijohdannaisiksi käyttämällä kahden menetelmävaiheen yhdistelmää. Ensimmäinen menetelmävaihe koostuu jatkuvasti toimivasta hapetuksesta jalometallikatalyytin tai sekametallikatalyyttien päällä. Viimeksi mainitut ovat myös sopivia, mutta otettaessa huomioon jalometallikatalyyttien kierrätettävyys katalyyttisesti aktiivisen elementin kanssa ne ovat edullisia.

Hapettamisen aikana muodostuneet monokarboksyylihapot poistetaan sitten samoin keskeytymättömästi reaktioseoksesta toisen menetelmävaiheen, sähködialyysivaiheen, avulla. Mainittu yhdistelmä, jota ei ole kuvattu tähän päivään mennessä ja joka käsittää jatkuvasti toimivan hapettamisen ja sitä seuravaan muodostuneiden hapetustuotteiden jatkuvan poistamisen, on sopiva erityisellä tavalla monokarboksyylihappojen valmistamiseksi hiilihydraateista ja niiden johdannaisista. Sen avulla saavutetaan suuremmat konversiomäärät kuin tähän mennessä kuvattujen menetelmien avulla ja selektiivisyys on yllättäen yli 95 % perustuen monokarboksyylihappojen muodostumiseen.

Keskeytymätön hapettaminen saavutetaan menetelmätek- t · _ nisesti seuraavasti: ·.·, a) Reaktorijärjestelmä koostuu kaasutusvaiheesta (se- .. koitusastiasta) yhdessä putkireaktorin kanssa, johon on jär- ! jestetty katalyytin kiintokerros. Kaasutusvaihe voi olla erityisesti sekoitusastia (sekoitusreaktori). Sekoitusreak-'·* ’ torissa tapahtuu hapen rikastaminen joko johtamalla sisään ilmaa tai vaihtoehtoisesti kaasuseoksia, joissa on korkeampi · hapen osapaine, tai puhdasta happea hienojakoisina kuplina : ': tai kuplattomana erityisten kaasun sisäänjohtamisputkien ;·" kautta paineen alaisena tai ilman painetta. Tämä sekoitus- reaktori on yhdistetty rinnakkain järjestettyyn putkireakto- • · ;* riin (ylöspäin ja alaspäin tapahtuva virtaus mahdollinen) , jossa varsinainen hapetus tapahtuu katalyyttikosketuksessa. ;·: b) Hapettaminen voidaan myös toteuttaa käyttäen sus- s 11068: pendoituja katalyyttejä (lietemenetelmä) sekoitusastiassa, jolloin yhteys sähködialyysiyksikköön tapahtuu erotusvaiheen kautta. Yksinkertaisimmassa tapauksessa tässä voidaan käyttää dekantterisentrifuugeja tai poikkivirtausmoduleja. Tämän ongelman tekninen ratkaisu on myös mahdollinen käyttämällä sopivia pidättämisjärjestelmiä, kuten suodattamia, joissa on vastahuuhteluyksikkö, erottimia jne.

Katalyytteinä sopivia ovat jalometallikontaktit tai sekametallikatalyytit, joita voidaan käyttää esimerkiksi pursotteina (C, oksidit), kuituina, tabletteina tai jauheena. Käytettäessä jalometallikatalyyttejä metalliosuuden pitäisi olla 0,1 - 10 %. Erityisen hyviä tuloksia saatiin käyttäen Pt-katalyyttejä, joiden platinapitoisuus oli vain 1 % ja jotka olivat jauhemuodossa, jolloin tosin hieno aines poistettiin lajittelemalla. Putkireaktorista tuleva osavirta syötetään sitten sähködialyysiyksikköön laimennuspuolelle (diluate side) siten, että hapetetut tuotteet vaeltavat kon-sentraattiin käytettäessä jännitettä ja poistetaan sitten reaktiojärjestelmästä. Jatkuvatoimisen reaktiojärjestelmän tasapainotilan ylläpitämiseksi konsentraatista poistettava määrä annostellaan kontrolloidulla tavalla lisäämällä lähtö-: aineliuosta sekoitusreaktoriin.

;·. Sekametallikatalyytit ovat esimerkiksi katalyyttejä, . jollaisia esimerkiksi Degussa AG toimittaa ja jotka on ku- 1 vattu K. Deller'in ja B. Despeyroux'in artikkelissa teokses- ♦ * · • ; sa "Catalysis of organic reactions" (1992).

··· : Erityisen sopiva laite keksinnön mukaisen menetelmän v : toteuttamiseksi on tunnettu siitä, että se sisältää sarjaan kytkettynä kaasutusvaiheen, hapetusvaiheen ja sähködi- i : : alyysivaiheen.

Yksittäisissä tapauksissa prosessoitavien ainemäärien erityisen tarkan kontrollin saavuttamiseksi on erityisen edullista, jos on tuotettu haaralinja, joka on rinnakkain sähködialyysilinjan kanssa.

Tällä ylimääräisellä rinnakkaislinjalla saadaan ·,*··· eräänlainen ohituslinja, joka on rinnakkainen sähködialyysi- 6 1 106ο; vaiheen kanssa. Yhdessä vastaavien virtauskontrolliyksiköi-den tai -pumppujen kanssa on mahdollista, että katalyytistä tai edellä tapahtuvasta kaasutusvaiheesta poistettuja ainemääriä syötetään sähködialyysivaiheeseen vain siinä määrin, että ne voidaan prosessoida siellä ja ei-prosessoitavat määrät palautetaan suoraan kaasutusvaiheeseen uudelleen ohitus-linjan kautta. Kussakin vaiheessa prosessoidaan siten tarkasti optimaalinen määrä ainetta.

Kolmen mahdollisen sakkaroosimonokarboksyylihapon nimeä käytetään vain lyhennetyssä muodossa tässä patenttihakemuksessa. Täydelliset nimet sekä kahden muun jäljempänä mainitun tuotteen nimet ovat seuraavat: C6-sakkaroosimonokarboksyylihappo:1-0-(β-D-fruktofu-ranuronyyli)-α-D-glukopyranosidi; C1 -sakkaroos imonokarboksyy1ihappo: 2-keto-2-0-(a-D- glykopyranosyy1ΐ-β-D-glukofuranonihappo; C6,-sakkaroosimonokarboksyylihappo:1-0-(β-D-fruktofu-ranosyyli)-α-D-glukopyranuronidi; Ο,-hapetettu GMF: 5-(a-D-glukopyranosyylioksimetyy- li)furaani-2-karboksyylihappo; C6,-hapetettu GMF: 5-(a-D-glukopyranuronyylioksimetyy-li) furfuraali.

• * ^ Laite menetelmän toteuttamiseksi selitetään yksityis- ·.·, kohtaisesti jäljempänä piirrosten avulla kuten myös jotkut i·'·' erityisen edulliset parametrit.

I Kuva 1 esittää keksinnön edullista suoritusmuotoa, t : :

Kuva 2 on ensimmäisen esimerkin menetelmää koskeva ’ graafinen esitys.

Kuva 3 on toisen esimerkin menetelmää koskeva graavi i finen esitys.

v · Kuva 4 on vaihtoehtoinen suoritusmuoto kuvan 1 suori- ; ·. tusmuodolie.

*...t Kaavamainen esitys kuvassa 1 esittää sekoitusastiaa T tai säiliötä 10, jossa on sekoitin 11 ja sekoittimen 11 moottori 12. Lähtöaine tuodaan astiaan 10 kohdassa 15, koh-taan 17 on tuotettu pH-arvon kontrollointilaite kaavamaises- 7 11068b ti, kohdasta 18 tiedot lähetetään ulos termostaatista ja kohdassa 19 otetaan vastaan jälkimmäiseen. Lisäksi säiliöön 10 syötetään ilmaa (N2/02) kohdassa 21.

Kun sekoitusastiässä on sekoitettu lähtöaine, jonka pH-arvo on kontrolloitu, esimerkiksi hiilihydraatti, joka on rikastettu hapella ja sekoitettu sen kanssa, se syötetään yhden P-kirjaimella merkityn pumpun kautta hapetusvaiheeseen 30. Mainittu hapetusvaihe 30 sisältää jalometallikatalyytin tai sekametallikatalyytin, tässä tapauksessa Pt/C-tuetun katalyytin. Hapetusvaiheessa 30 tapahtuu lähtöaineen keskeytymätön hapetus; tämän jälkeen jälkimmäinen kuljetetaan seu-raavien P-kirjaimella merkittyjen pumppujen kautta sähködi-alyysivaiheeseen 40. Jälkimmäinen ED-levypaketti tai sähködialyysikenno esitetään vain kaavamaisesti. Siellä mo-nokarboksyylihappoa poistetaan keskeytymättömästi osittain hapetetusta seoksesta pitkin rataa, joka on merkitty numerolla 41 ja jossa sijaitsee myös sähkönjohtokyvyn mit-tauselektrodipari 42, joka on merkitty lisäksi '^"-kirjaimella .

Monohapettamattomat hiilihydraatit jne palautetaan sitä vastoin prosessoitavaksi uudelleen rataa 43 pitkin jäl-leen säiliöön 10 edelleen lähtöaineeseen 15, jota ne vastaa- « · vat joka tapauksessa kemiallisesti.

Monokarboksyylihapot syötetään sitten niiden kuljet-tua sähkönjohtokyvyn mittauselektrodiparin 42 läpi säiliöön ! ! 50 ja väkevöidään siellä. Säiliössä 50 tapahtuu jatkuvasti i » * » t · pH-arvon mittaus, joka on osoitettu numerolla 51. Tuote I t t '*' * poistetaan sieltä kohdasta 52, samalla kun kohdasta 53 ei- poistettava tuote palautetaan jälleen sähködialyysivaihee-· seen pumpun P kautta.

'J : Kuva 4 esittää kaavakuvaa, jokan on lähes kaikissa ;·, yksityiskohdissa kuvaa 1 vastaava. Siihen on lisäksi tuotet- tu linja 60, ohituslinja hapetusvaiheen 30 ulostulon ja pa- i * lautuslinjan 43 välille elektodialyysivaiheesta säiliöön 10.

:tii: Tämä linja 60 on puhtaasti kaavamainen tässä; se voi sisältää ylimääräisiä säiliöitä, mittausvaiheita ja -lait- 8 1 10681:: teitä, pumppuja ja virtauksen kontrollointielementtejä.

Jo mainitut pumput P, jotka sisältyvät myös kuvan 1 mukaiseen suoritusmuotoon, kykenevät yksin tai edellä mainittujen elementtien kanssa siirtämään hapetusvaiheesta 30 sähködialyysivaiheeseen 40 vain sellaisia ainemääriä, jotka voidaan siellä optimaalisesti prosessoida. Ylimäärät voidaan palauttaa ohituslinjan, linjan 60, kautta jälleen kaasutus-vaiheeseen tai säiliöön 10, yhdessä monohapettamattomien hiilihydraattien kanssa sähködialyysivaiheesta 40 rataa 43 pitkin.

Esimerkkinä selostettakoon tässä ei-pelkistävä disak-karidi, sakkaroosi, joka voidaan muuttaa valikoivasti mono-karboksyylihapoiksi esitetyssä laitteessa käyttämällä kuvattua menetelmää.

Vaikka kolme primaarista hydroksiryhmää kykenevät reagoimaan molekyyliä kohden, hapettaminen tapahtuu kussakin tapauksessa näistä kolmesta ryhmästä vain yhteen ryhmään liittyen siten, että saadaan yksinomaan monohapetettuja sakkaroosi johdannaisia. Selektiivisyys näiden tuotteiden suhteen on vähintään 95 % ja mahdollista di- tai trikarboksyy-lihapon muodostumista ei ole havaittu käytettäessä tätä jat-.1. t kuvaa menetelmää.

I I

Suuren selektiivisyyden lisäksi tätä jatkuvatoimista *··_ menetelmää käytettäessä voidaan havaita huomattava reak- 1 tionopeuden lisääntyminen verrattuna keskeytyvään menetel- t · t j ; mään. Keksinnön mukaisen menetelmän edut koskien reaktiivi- I ; l ·;; · suutta on dokumentoitu glukoosin ja sakkaroosin osalta ver- '·' ‘ rattuna keskeytyvään menetelmään kuvissa 2 ja 3.

Kuvissa 2 ja 3 on piirretty käyrät, jolloin kummassa-I I · kin tapauksessa vaakasuoralla akselilla on esitetty aika : : i minuuteissa; pystysuoralla akselilla on konversiomäärä pro- senteissä. Kummassakin tapauksessa on esitetty graafisesti symbolilla Δ keskeytyvä koe kuvassa 2 glukoosin reaktion i ♦ ;· osalta ja kuvassa 3 sakkaroosin reaktion osalta. Katkovii- : : valla on esitetty jatkuva koe jälleen kuvassa 2 glukoosin reaktiota koskien ja kuvassa 3 sakkaroosin reaktiota koski- 9 11068b en; kuvassa 3 esitetään lisäksi jatkuva koe käyttäen puhdasta happea (02) .

Reaktionopeutta voidaan vielä lisätä koskien monokar-boksyylihappojen muodostumista lisäämällä hapen osapainetta liuoksessa esim. lisäämällä puhdasta happea (ilman tai ha-pen/typen seosten sijasta).

Tämän keksinnön mukaisen menetelmän muu tekninen etu on, että katalyytin deaktivoitumista, kuten se yleensä ilmenee käytettäessä keskeytyvää menetelmää [vertailu: K. Heyns, H. Paulsen (katso edellä); H. Puke, Dissertation TU Braunschweig] , ei havaita. Myöskään puhtaan hapen lisäämisen jälkeen katalyytin deaktivoitumista ei yllättäen tapahdu. Tätä etua ei ole kuvattu tähän päivään mennessä asiaankuuluvassa kirjallisuudessa ja se myös osoittautuu olevan suuri etu teknologiselta kannalta katsottuna hiilihydraattien valikoivan johdannaisten muodostamisen aikana.

Tätä menetelmää voidaan soveltaa ilman vaikeuksia käyttäen pelkistäviä sokereita, kuten esim. palatinoosia ja glukoosia.

Seiektiivisyyttä tiettyihin monohapetustuotteisiin nähden voidaan kontrolloida valitsemalla sopivat katalyytit, i joko käyttämällä erityisiä kantajia tai sekametallikontakte- • * I' # ja, tai pH-arvon avulla.

v. Palatinoosin tapauksessa on lisäksi mahdollista pri- maarisen OH-ryhmän hapettaminen 6'-asemassa maksimimäärään * ♦ ! ! saakka käyttämällä erityisiä jalometallikatalyyttejä [esim.

Pt/Al203-katalyyttiä (1 % Pt) , Aldrich], jossa kantajana käy- * f » '* ' tetään Al203:a.

Tässä tapauksessa on havaittu, että huolimatta mah- i k i dollisesta dikarboksyylihapon muodostumisesta saadaan yksin- V ‘ omaan vain monokarboksyylihappoa. Lisäksi voidaan havaita, ··, että tätä menetelmää käytettäessä selektiivisyyteen voidaan vaikuttaa katalyytin valinnan avulla siten, että hapettumi-*!* nen johtaa yllättäen pääasiassa vain yhteen hapetustuottee- seen.

Kokeet käyttäen muita katalyyttejä ovat myös osoitta- 10 11068b neet, että ei vain selektiivisyyttä monohappoihin nähden, vaan myös selektiivisyyttä haluttuun tuotteeseen nähden voidaan kontrolloida käyttäen tätä menetelmää. Menetelmä ei ole vain sopiva sakkaridien hapettamiseen, vaan on myös mahdollista muuttaa sokerialkoholit (esim. isomaltoosi) vastaaviksi monohapoiksi.

Lisäksi on mahdollista hapettaa hiilihydraatti johdannaiset, kuten esimerkiksi glukopyranosyylimetyylifurfuraali, jossa toisaalta 6·-asema ja toisaalta aldehyditoiminta muutetaan vastaavaksi monokarboksyylihapoksi.

Tätä lähtöainetta käytettäessä ei siis saada kaksi-kertaisesti hapetettuja tuotteita. Huolimatta helpommin hapettuvan aldehyditoiminnan läsnäolosta eristetään samoin tuotteita, joilla on karboksyylitoiminta yksinomaan C6,-asemassa. Aldehydi toiminta säilyy näillä yhdisteillä.

Samoin alkyyliglykosidit tai seokset, kuten esim. alkyylipolyglykosidit, voidaan hapettaa käyttäen tätä menetelmää.

Esimerkit osoittavat, että tässä kuvattu menetelmä on sopiva aldehyditoiminnan ja primaarisen hydroksitoiminnan hapettamiseksi monohapetettujen tuotteiden saamiseksi. Käy- : \j tettyjen lähtöaineen, jotka tulevat tässä pääasiassa hiili- hydraattisektorilta, täytyy olla veteen liukenevia tai veden * \\ ja orgaanisten liuosten seoksiin (esim. veden ja isopro- panolin seoksiin) liukoisia eivätkä ne saa haihtua käyte- » · j tyissä koeolosuhteissa. Myös "ei-hiilihydraattisektorilta" f t i peräisin olevien lähtöaineen tapauksissa menetelmä on sopiva t » i ' monohapetettujen tuotteiden valmistamiseksi (esim. pro- panolista propionihapoksi), edellyttäen, että ne ovat (myös »t * '>' ‘ osittain) liukoisia kuvattuihin väliaineisiin.

v ’ Hapettaminen tapahtuu lämpötilassa, joka on 0 - 80 °C, edullisesti kuitenkin 20 - 60 "C. Lähtöaineen kon- * » />«, sentraatio voi vaihdella välillä 0,1 - 60 %, mutta edulli- » » sesti se pidetään alueella 3 - 20 %. pH-arvoja voidaan sää- !...’ dellä välillä 1-13 hapettamisen aikana lisäämällä Na2C03:a, » • NaHC03:a tai NaOH:a tai muita "emäksiseksi tekeviä aineita".

11

Monokarboksyylihappojen eristämiseksi voidaan käyttää ioninvaihtomembraaneja sähködialyysissä. Tässä tapauksessa kuitenkin vapaita happoja voidaan saada vain pH-arvojen ollessa matalia. Huolimatta neutraalista toimintamenetelmästä tässä tapauksessa eristetään kuitenkin enimmäkseen monokarboksyylihappojen Na-suoloja.

Jos sähködialyysi toteutetaan käyttäen bipolaarisia membraaneja, neutraloiva aine voidaan ottaa jälleen talteen ja saadaan lisäksi vastaavien lähtöaineen vapaita monokar-boksyylihappoja. Vaikka on varauduttava suurempiin investointikustannuksiin käytettäessä bipolaarisia membraaneja, siitä huolimatta taloudellinen tekijä täytyy tarkistaa tapaus tapaukselta koskien myöhemmissä toiminnoissa kysymyksessä olevaa prosessointia.

Vertailukokeet keskeytyvän menetelmän (erämenetelmän) kanssa osoittavat selvästi tässä kuvatun menetelmän edut. Eräkokeissa reaktionopeudet ovat merkitsevästi pienempiä. Vertailukokeiden tapauksessa selektiivisyys monokarboksiyh-disteisiin nähden vähenee jyrkästi ja huomattavassa mittakaavassa esiintyy sivutuotteita, joita ei ole identifioitu yksityiskohtaisesti.

Jatkuvan menetelmän tapauksessa ei havaittu katalyy- , * tin deaktivoitumista käytettäessä tässä kuvattua menetelmää V, kahden kuukauden jakson jälkeen. Erämenetelmää käytettäessä ··,·, katalyytin inaktivoituminen tapahtuu jo lyhyen ajan jälkeen, * * ! ! kuten jo kirjallisuudessa on kuvattu.

» I » ’I',,’ Hapettamisen toteuttamiseksi käytetään kuvassa 1 esi- v ’ tettyä kiertolaitetta. Kaasutus tapahtuu sekoitettavassa sylinterinmuotoisessa kaksiseinäisessä sekoitinreaktorissa i * I (500 ml) frittipohjan päällä. Lasi-inserttiä käytetään re- * laksaatiovyöhykkeenä, josta osa virtaa johdetaan sentrifugi- pumpun avulla katalyyttipatjalle, joka sijaitsee lasipyl-’..>t väässä, joka on suljettu tiiviisti 2 fritillä. Kiintopatjan * r T kautta kuljettuaan tämä osavirta saavuttaa sähködialyysiyk- t ‘ » sikön ja hapetustuotteiden erottamisen jälkeen se palaute- » taan jälleen sekoitusreaktoriin. Tuote poistetaan sähködi- 11068: 12 alyysiyksikön konsentraattisyklin kautta ja sama määrä läh-töaineliuosta annostellaan sekoitusreaktoriin kontrolloidulla tavalla letkupumpun avulla. Konsentraattisyklin aikana menetetty liuos korvataan tislatulla vedellä.

Esimerkki l

Palatinoosin jatkuva hapettaminen 35 °C:n lämpötilassa Käyttäen kuvattua laitetta 20 g platina/aktivoitu hiili -katalyyttiä (5 % Pt:a/C; hiukkaskoko 40 - 100 μια, Degussa) ja 1 000 ml 0,1 molaarista palatinoosiliuosta pannaan kiertolaitteeseen ja sähködialyysiyksikön laimennussyk-liin. Tislattua vettä käytetään väkevöimissykliin ja IM Na2S04:a elektrodin huuhteluun.

Lämpötilaa pidetään 35 °C:ssa kiertotermostaatin avulla, kaasun syöttö (N202, 4 : 1) voidaan asettaa painetta alentavien venttiilien ja neulaventtiilien avulla ja kaasun tilavuusvirtausnopeus mitätään rotametrillä siten, että pidetään kaasutusnopeudet, jotka ovat 100 cm3/min 02:ta ja 400 cm3/min N2:ta. pH-arvo pidetään vakiona arvossa 6,5 titraa-malla saatu happo 1 M NaHC03:lla. Sähködialyysiyksikkö (Bel .·, : III, Berghof GmbH Labortechnik) on varustettu 6 AMV/CMX-mem- braanipareilla (tehokas membraaniala = 360 cm2) ja se toimiin *.. jännitteellä 5 - 6 V. Tasapainotilan saavuttamisen jälkeen ; reaktion kulkua seurataan HPLC-mittausten avulla. Saadun • ·’ aineen tuotealueella on seuraava koostumus konsentraatissa: « · • « * · 6-0-(α-D-glukopyranuronyyli)-D-fruktofuranoosi (C6,- V * happo): 50 %; 2-keto-6-0- (a-D-glukopyranosyyli-D-arabinoheksonihap-po (C1-happo) : 42,5 %; :: 5-0-(α-D-glukopyranosyy1i)-D-arabonihappo (GPA-hap- po): 3,5 %; : Selektiivisyys monokarboksyylihappojen suhteen: 96 %.

'···* Aineet voitiin erottaa valmistusmittakaavassa ja ne karakterisoitiin NMR:n ja massaspektrometrian avulla.

Esimerkki 2 • ·

Palatinoosin hapettaminen 42,5 °C:n lämpötilassa 11068b 13

Yhdenmukaisesti esimerkin 1 kanssa palatinoosi hapetetaan 42,5 °C:n reaktiolämpötilassa. Konsentraatissa saadulla tuoteseoksella on seuraava koostumus: C6,-happo 50,0 % C1-happo 42,5 % GPA-happo 4,0 %

Selektiivisyys monohappoihin nähden 96,5 %

Erämenetelmävertailukoe 1 Palatinoosin hapettaminen

Erässä tapahtuva hapettaminen tapahtuu samoin kierto-reaktorijärjestelmässä, mutta ilman sähködialyysiä ja lähtöaineen annostelua.

Liuotetaan 36 g palatinoosia 1 000 ml:aan tislattua vettä ja toteutetaan hapettaminen 35 °C:n lämpötilassa. Katalyyttinä käytetään platina/aktivoitu hiili-tyyppistä katalyyttiä (5 % Pt:a, Degussa, 40 - 100 /xm) .

Palatinoosin reaktiomäärän ollessa 80 % koe lopetetaan 4 päivän kuluttua ja hapettumattomat tuotteet erotetaan kromatografiän avulla.

Saadulla tuotteella on seuraava koostumus: : C6,-happo 50,6 % C1-happo 23,5 % . Dihappo 8,1 % f yhdessä huomattavan osuuden kanssa ei-identifioitavia ·’ ·' tuotteita. Selektiivisyys monokarboksyylihappojen muodostu- : misen suhteen jää tässä tapauksessa vain 74,1 %:iin.

v : Esimerkki 3

Glukoosin hapettaminen • Glukoosin hapettaminen tapahtui esimerkissä 1 kuva- I » i t tussa laitteessa pH-arvon ollessa 6,5 (NaHC03:n lisäys) ja 35 °C:n lämpötilassa. Jatkuvasti saadulla tuoteliuoksella : ” oli tällöin seuraava koostumus:

Glukonihappo, Na-suola 92 %

Glukuronihappo, Na-suola 7 %

Selektiivisyys monohappoihin nähden on 99 %. Erämenetelmävertailukoe 2 11068; 14

Glukoosin konversio 35 °C:n lämpötilassa pH-arvon ollessa 6,5 ja käyttäen platina/aktivoitu hiili -katalyyttiä (5 % Pt:a, Degussa, 40 - 100 μιη) johti kolmen päivän kuluttua konversiomäärään, joka oli likimäärin 80 %.

Hapetetut päätuotteet olivat:

Glukonihappo, Na-suola 60 %

Glukuronihappo, Na-suola 15 %

Glukariinihappo, Na-suola 10 % yhdessä 15 %:n kanssa tuotteita, joita ei identifioitu yksityiskohtaisesti.

Selektiivyys monohappoihin nähden oli tässä 75 %.

Graafinen esitys kuvassa 2 esittää reaktion kulkua hapetettaessa glukoosi käyttäen jatkuvaa hapettamista ja erässä tapahtuvaa hapettamista. Jatkuvan menetelmän reaktiivisuus on merkitsevästi suurempi eikä katalyytin deaktivoi-tumista voitu havaita.

Esimerkki 4

Glukoosin hapettaminen pH-arvon ollessa 3

Hapettaminen tapahtui kuten esimerkissä 3 on kuvattu, mutta vakaata pH-arvon säätämistä lisäämällä NaHC03:a ei to- : teutettu. Aloittamisvaiheen jälkeen pH-arvo laskee arvoon 3 • · · .! * muodostuneiden happojen tuloksena.

* > * *. . Näissä reaktio-olosuhteissa muodostuu glukonihaposta ; glukonihappo-5-laktonia, joka on kuitenkin muutettavissa ·' ·' glukonihapoksi jälleen nostamalla pH-arvoa.

: Tuotteen koostumus: V : Glukonihappo 60 %

Glukonihappo-5-laktoni 20 % : Glukuronihappo 15 % t · I ·

Esimerkki 4a

Sekametallikatalyytit ovat jalometallikatalyyttejä, ‘ ’’ jotka sisältävät kahta tai useampaa katalyyttisesti aktiivi- » · sta metallia yhdessä promoottoreiden, kuten esimerkiksi vis-mutin, kanssa. Näihin katalyytteihin liittyvä ongelma erä-menetelmäkokeessa on, että huolimatta pitemmistä reaktio-ajoista ne eivät ole selektiivisiä. Tässä tapauksessa myö- 15 1106ο;: hemmin tapahtuvat reaktiot monokarboksyylihappojen kanssa ovat osallisina siten, että saadaan huomattavia määriä sivutuotteita. Tämä haittapuoli voidaan välttää käyttämällä keksinnön mukaista menetelmää. Muodostuneet tuotteet poistetaan sähködialyysin avulla välittömästi niiden muodostumisen jälkeen ja sen vuoksi ne eivät enää joudu kosketukseen katalyytin kanssa.

Tämä osoitettiin käytännöllisessä vertailukokeessa käyttäen Pt/Pd/Bi-sekametallikatalyyttiä (Degussa) glukoosin hapetuksessa glukonihapoksi tai glukuronihapoksi.

Hapettaminen tapahtui kuten esimerkissä 3 on kuvattu, paitsi että käytettiin Pt/Pd/Bi-sekametallikatalyyttiä.

Tuotteen koostumus:

Glukonihappo, Na-suola 94 %

Glukuronihappo, Na-suola 4 %

Selektiivisyys monohappoihin nähden on 98 %.

Esimerkki 5

Sakkaroosin hapettaminen

Sakkaroosi voidaan muuttaa vastaaviksi monokarboksyy- lihapoiksi menetelmän mukaan, joka on kuvattu esimerkissä 1.

.·. : Hapettaminen tapahtuu pH-arvon ollessa 6,5 ja lämpö- » · ;·. tilan ollessa 35 %, jolloin tuotteena saadaan kolmen mono- * * · . karboksyylihapon seos: ! C6,-sakkaroosimonokarboksyylihappo 46,5 % *' · C6-sakkaroosimonokarboksyylihappo 43,7 % : C^-sakkaroosimonokarboksyylihappo 4,9 % ·.* ' Selektiivisyys on yli 95 %.

Erämenetelmävertailukoe 3 : sakkaroosin hapettaminen

Erässä tapahtuva hapettaminen 35 “C:n lämpötilassa ja pH-arvon ollessa 6,5 johti 6 päivän kuluttua 90-%:iseen reaktiomäärään seuraaviksi tuotteiksi: *·;·' C6,-sakkaroosikarboksyylihappo 40,0 % C6-sakkaroosikarboksyylihappo 31,0 %, josta ·;··! noin 10 % dihappoa C^sakkaroosikarboksyylihappo 8,8 % 11068:;; 16

Selektiivisyys monokarboksiyhdisteiden suhteen on likimäärin 70 %.

Graafinen esitys kuvassa 3 esittää jatkuvatoimisen menetelmän etuja suhteessa reaktionopeuteen.

Esimerkki 6

Glukopyranosyylimetyylifurfuraalin (GMF) hapettaminen GMF: n jatkuva hapettaminen tapahtuu esimerkissä 1 kuvatun menetelmän mukaisesti.

Saadaan 35 °C:n lämpötilassa pH-arvon ollessa 7: C6,-hapetettu GMF 33 % C1-hapetettu GMF 66 %

Selektiivisyys monohapetettujen tuotteiden suhteen on 99 %.

Esimerkki 7

Sakkaroosin hapettaminen tapahtuu esimerkissä 1 kuvatussa laitteessa pH-arvon ollessa 6,5 35 °C:n lämpötilassa. Happi-typpi-seoksen sijasta lisätään puhdasta happea, jolloin hapetettujen tuotteiden muodostuminen kiihtyy sen mukaisesti (kuva 3).

Hapetetut päätuotteet ovat: : C6,-sakkaroosikarboksyylihappo 43,0 % ’ C6-sakkaroosikarboksyylihappo 43,0 % ’. . C^-sakkaroosikarboksyylihappo 9,5 % ; Selektiivyys on yli 95 %.

·' ·* Yhteenvetona keksintö koskee menetelmää ja laitetta i.: ’ monohapetettujen tuotteiden valmistamiseksi hiilihydraateis- I | > : ta, hiilihydraatti johdannaisista ja primaarisista alkoho leista. Lähtöaineet syötetään jatkuvatoimiseen hapetusvai-: :‘: heeseen, joka sisältää jalometallikatalyytin tai sekametal- • ti · ; : likatalyytin. Virta, joka sisältää katalyyteille muodostu neet monokarboksyylihapot, syötetään sähködialyysivaihee-:t>’* seen, jossa monokarboksyylihappoja poistetaan ja saadaan *·;·’ talteen keskeytymättömäsi.

Claims (21)

1. Menetelmä monokarboksyylihappojen valmistamiseksi hiilihydraateista, hiilihydraattijohdannaisista tai primaarisista alkoholeista, tunnettu siitä, että hiilihydraatteja, hiilihydraattijohdannaisia tai primaarisia alkoholeja hapetetaan keskeytymättömästi vesiliuoksessa kon-sentraation ollessa 0,1 - 60 % hapella tai happea sisältävillä kaasuilla jalometallikatalyytin tai sekametallikata-lyytin päällä, näin muodostettujen tuotteiden tilavuusvirta syötetään sähködialyysivaiheeseen ja monokarboksyylihapot poistetaan ja otetaan talteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettumattomat lähtöaineet syötetään monokarboksyylihappojen poistamisen jälkeen jälleen hapetusvaiheeseen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että materiaalivirta rikastetaan kuplattomasti hapella ennen sen saapumista katalyyttipatjalle.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, ' *'· tunnettu siitä, että hapetusvaiheessa ensin : ' johdetaan virtaus reaktorin läpi, jossa hapella rikastaminen • tapahtuu lisäämällä ilmaa, kaasuseoksia, joissa hapen : ' · osapaine on suurempi tai puhdasta happea hienojakoisina : kuplina tai kuplattomana paineen alaisena tai ilman painetta ja että reaktorista osavirta pumpataan rinnakkain järjestetyn putkireaktorin, jossa on katalyytti.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetusvaiheessa tapahtuu . . lietemenetelmä suspendoituja katalyyttejä käyttäen ; · sekoitusastiassa.

’·.· 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetusvaiheen ja sähködi- alyysivaiheen erottaa erotusyksikkö. 1106G:

7. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katalyytteinä käytetään 8. alaryhmän jalometalleja kantajille tuettuna.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään tuettuja Pt- katalyyttejä, joissa platinapitoisuus on 0,1 - 10 %, erityisesti Pt/C-jauhekatalyyttejä, joissa Pt-pitoisuus on 0,1 - 10 % ja joista hieno aines on poistettu.

9. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pelkistäviä sakkarideja, kuten esim. palatinoosia, glukoosia, fruktoosia, sorboosia ja/tai ei-pelkistäviä sakkarideja, kuten esim. sakkaroosia, trehaloosia ja/tai sokerialkoholeja, kuten esim. palatinitolia, sorbitolia ja/tai alkyyliglykosideja ja alkyylipolyglykosideja, kuten esim. metyyliglykosidia, oktyyliglykosidia tai vastaavia seoksia ja/tai erityisesti muunnettuja hiilihydraattijohdannaisia, kuten HMF:ää tai GMF:ää, käytetään lähtöaineina ja ne monohapetetaan.

10. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaati- ’· ”· muksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : ' lähtöaineille käytetään liuottimina vettä tai veden ja se- : kundaaristen alkoholien, edullisesti isopropanolin, seoksia.

• 11. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaati- : : : muksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että :Y; hapettaminen ja sähködialyysi tapahtuvat pH-alueella 1-13.

12. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila hapettamista varten on 0 - 80 °C, edullisesti 20 - • 60 °C.

.·*· 13. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaati- • · • ; muksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähtöaineita käytetään konsentraatioiden ollessa 3 - 20 %.

’ · 14. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaati- M t > 19 1 1068c; muksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pH-arvon säätämiseksi käytetään Na2CC>3:a tai NaHCC>3:a tai NaOH:a tai muita emäksiseksi tekeviä aineita.

15. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käyttämällä Pt/Al203~tuettua katalyyttiä hapetetaan valikoivasti vain 6-asemat ei-pelkistävistä glykopyranosyyliyk-siköistä.

16. Minkä tahansa edellä esitetyistä patenttivaati muksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään haaralinjaa (60), ja että hapetusvaiheesta tuleva materiaalivirta johdetaan sähködialyysivaiheen materiaalivirrasta.

17. Laite minkä tahansa edellä esitetyn menetelmän toteuttamiseksi, tunnettu siitä, että se sisältää kytkettynä sarjaan kaasutusvaiheen (10), hapetusvaiheen (30) ja sähködialyysivaiheen (40).

17 11061.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite käsittää lisäksi linjan (41) säiliöön (50) ja palautuslinja (43) kaasutusvaiheeseen (10).

19. Patenttivaatimuksen 17 tai 18 mukainen laite, '·'· tunnettu siitä, että kaasutusvaihe (10) on sekoi- i tusastia.

• 20. Minkä tahansa atenttivaatimuksista 17 - 19 mu- • kainen laite, tunnettu siitä, että sähködialyysi- • :’· vaiheessa (40) käytetään ioninvaihtomembraaneja tai bipolaarisia membraaneja.

21. Minkä tahansa patenttivaatimuksista 17 - 20 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite käsittää lisäksi haaralinjan (60), joka on rinnakkainen . . sähködialyysivaiheen (40) kanssa. 110:601