FI80704B - Foerfarande foer framstaellning av estrar av en eller flere fettsyror och icke-reducerande socker. - Google Patents

Description

1 80704

Menetelmä yhden tai useamman rasvahapon ja ei-pelkistävän sokerin esterin valmistamiseksi

Keksintö koskee menetelmää yhden tai useamman rasvahapon ja ei-pelkistävän sokerin esterin valmistamiseksi transesteröimällä ei-pelkistävä sokeri yhdellä tai useammalla rasvahapon esterillä transesteröintikatalyytin läsnäollessa.

Ei-pelkistävän sokerin ja rasvahappojen esterit, erityisesti mono- ja diesterit, ovat erittäin arvokkaita pinta-aktiivisia aineita ja omaavat ainutlaatuiset rakenteesta johtuvat ominaisuudet. Tällaiset pinta-aktiiviset aineet ovat mm. myrkyttömiä, hajuttomia, mauttomia, ne eivät ärsytä ihoa ja hydrolysoituvat ihmisen ja eläimen ruuansulatuskanavassa normaaleiksi ravintoaineiksi. Päinvastoin kuin useammat pinta-aktiiviset aineet, tämän tyyppiseen sokeriin ja rasvahappoihin perustuvat esterit ovat biologisesti hajoavia sekä aerobisissa että anaerobisissa olosuhteissa, ja päinvastoin kuin useimmat muut pinta-aktiiviset aineet ne ovat kiinteitä ja niitä voidaan siksi käyttää helposti jauhemaisina tai spray-kuivattuina tuotteina. Ei-pelkistävän sokerin ja rasvahappojen esterit ovat hyviä emulgoivia aineita, joten niitä voidaan käyttää detergentteinä. Lisäksi tämän tyyppisen sokerin ja rasvahappojen estereitä voidaan käyttää lisäaineina ruoka-aineissa, kosmeettisissa aineissa, lääkevalmisteissa ja maataloustuotteissa.

Yllä mainituista eduista huolimatta ei-pelkistävän sokerin ja rasvahappojen estereitä ei ole koskaan käytetty suuressa mittakaavassa niiden valmistukseen liittyvien haittojen vuoksi. Seu-raavana on esitetty lyhyesti menetelmiä, joita on ehdotettu tämän tyyppisten sbkeriestereiden valmistukseen, ja joita ei kuitenkaan teknisten tai taloudellisten puutteidensa vuoksi voida soveltaa suuressa mittakaavassa hinnaltaan tunnettujen pinta-aktiivisten aineiden kanssa kilpailukykyisen tuotteen saamiseksi.

Klassisin menetelmä, joka käsittää transesteröinnin ei-pelkistävän sokerin ja rasvahappojen estereiden valmistamiseksi, on esi- 2 80704 tetty esimerkiksi julkaisussa J. Amer. Oil. Chem. Soc. voi. 34, 1957, ss. 185-188 sukroosille rasvahapon metyyliesterin kanssa sellaisessa liuottimessa kuten dimetyyliformamidi ja dimetyyli-sulfoksidi, johon sekä sokeri että rasvahapon metyyliesteri liukenevat. Tämä transesteröinti suoritetaan kaliumkarbonaatin ollessa läsnä katalyyttinä, 90°C:n lämpötilassa ja huomattavasti alennetussa paineessa. On kuitenkin käynyt ilmi, että käytetyt liuottimet on toksisuutensa takia poistettava niin täydellisesti kuin mahdollista, mikä on käytännössä tuonut mukanaan huomattavia vaikeuksia.

Yllä mainittujen liuottimien käyttöön liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi sekä sokerin että rasvahappojen estereiden suhteen, julkaisussa J. Amer. Oil. Chem. Soc. voi. 44, ss.307-309 (1967) on esitetty menetelmä sukroosin ja rasvahapon esterin mikroemul-sion valmistamiseksi propyleeniglykolissa. Tässä tapauksessa sokeri, emulgointiaineen, tavallisesti rasvahapon suolan läsnäollessa, ja rasvahapon metyyliesteri liuotetaan propyleeniglyko-liin, jonka jälkeen liuotin poistetaan huomattavasti alennetussa paineessa. Tässä menetelmässä on kuitenkin ongelmana saada rea-genssit hyväksi mikroemulsioksi, jolla on haluttu partikkelikoko. Lisäksi propyleeniglykolin poisto etenee vaivalloisesti. Tässä menetelmässä saadaan myös propyleeniglykoliestereitä sivutuotteena.

Myöhempi modifikaatio liuotintransesteröintiprosessista, jossa vettä käytetään liuottimena, on kuvattu GB-patentissa 1 332 190. Tässä menetelmässä sokeri liuotetaan täydellisesti veteen rasva-happosaippuan, rasvahappoesterin ja transesteröintikatalyytin läsnäollessa, jonka jälkeen seos dehydrataan alennetussa paineessa ja korotetussa lämpötilassa niin, että saadaan homogeeninen sulate. Tässä menetelmässä on vaikeutena vettä sisältävän tuotteen lämmittäminen alennetussa paineessa. Painetta on säädeltävä huolellisesti lämpötilan funktiona rasvahappoesterin hydrolyy-sin estämiseksi. Tästä syystä tämä menetelmä on liian monimutkainen käytettäväksi teollisessa mittakaavassa.

Liuottimeton transesteröintimenetelmä on kuvattu julkaisussa J. Amer. Oil. Chem. Soc. 1970, voi. 47, ss. 56-60 . Tässä menetelmässä sukroosi son sulassa tilassa, koska menetelmä suoritetaan 3 80704 170-190°C:n lämpötilassa. Lyhyen ajan kuluttua sokeri kuitenkin alkaa hajota mustaksi tervamaiseksi massaksi. Tästä johtuen reaktion rasvahapon esterin kanssa on välttämättä tapahduttava erittäin nopeasti. Tavallisesti reaktio loppuu 20 minuutissa ja joskus jopa vain 2 minuutin kuluttua. Reaktio tulisi toteuttaa alkalimetallista vapaan vedettömän saippuan läsnäollessa, joka tekee rasvahappoesterin liukoiseksi sulaan sokeriin ja katalysoi transesteröintiä. Alkoksidit, alkalisaippuat ja tavalliset saippuat ovat täysin sopimattomia katalyyteiksi, koska niiden läsnäolo johtaa erittäin nopeaan sokerin hajoamiseen ja värjää seoksen mustaksi. Ottaen huomioon reaktion kontrolloimiseen liittyvät ongelmat - reaktio on suoritettava erittäin nopeasti sokerin hajoamisen estämiseksi - tämä reaktio voidaan toteuttaa vain laboratoriomittakaavassa, ja on vain vähän toivoa menetelmän toteuttamiseksi teollisessa mitassa.

GB-patentista 1 399 053 tunnetaan menetelmä pinta-aktiivisen aineen valmistamiseksi reagoittamalla kiinteät sulkroosigranulaatit ainakin yhden triglyseridin kanssa emäksisen transesteröintikatalyytin läsnäollessa 110-140°C:n lämpötilassa ilmakehän paineessa ilman liuotinta. Lähtöaineissa tulee olla mahdollisimman vähän vettä, koska noin yksi painoprosentti vettä estää huomattavasti reaktion kulkua muodostamalla sokeripaloja, ja se lisäksi kiihdyttää saippuan muodostumista. Edullisen sovellutusmuodon mukaisesti GB-patentissa 1 399 053 kuvatussa menetelmässä sekä initiointi-aika että reaktioaika ovat huomattavasti lyhentyneet lisäämällä emulgointiainetta reaktioseokseen, edullisesti 5-10 paino-%. Lukuunottamatta di- ja monoglyseridejä tämän menetelmän raaka-tuote, joka sisältää pinta-aktiivista ainetta, on sopiva. On kuitenkin osoittautunut, että reaktio etenee erittäin hitaasti ja kestää 8 tuntia tai enemmän.

GB - patentti 2 065 634 kuvaa menetelmää sokeriestereitä sisältävien pinta-aktiivisten aineiden valmistamiseksi, jossa menetelmässä kiinteät sukroosigranulaatit, ainakin yksi vähintään 8 hiiliatomia sisältävän rasvahapon triglyseridi ja emäksinen trans-esteröintikatalyytti saatetaan reagoimaan 110-140°C:n lämpötilassa ilmakehän paineessa. Lähtöaineseoksen tulisi kuitenkin 4 80704 sisältää 10 paino-% rasvahapposaippuaa, optimisaippuakonsentraa-tion ollessa lähtöaineessa 25-30 paino-%. Lisäksi tämän saippuan tulisi sisältää kaliumsaippuaa vähintään 50 %. Tämän menetelmän haittoja on mm. se, että lopputuote on kontaminoitunut huomattavalla määrällä saippuaa, erityisesti kaliumsaippuaa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että yllä kuvatussa tunnetussa tekniikassa kuvattuja ratkaisuja ei-pelkistävän sokerin ja rasvahapon estereiden valmistamiseksi ei voida toteuttaa tehokkaalla tavalla.

Siksi onkin keksitty menetelmä, jossa ei-pelkistävä sokeri ja rasvahapon esterit voidaan reagoittaa keskenään lyhyessä ajassa, ja saadaan tuote hyvällä saannolla sekä mahdollisimman vähän kontaminantteja.

On havaittu, että yllä kuvattu saadaan aikaan jos reaktiokompo-nentit ensiksi syötetään sinänsä tunnetunlaisen kierreakseli-reaktorin läpi ja toimitaan korotetussa lämpötilassa ja paineessa ja mainitusta reaktorista saatu massa edelleen reagoitetaan alennetussa paineessa ja korotetussa lämpötilassa.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä reagenssien seos syötetään jatkuvatoimisesti kierreakselireaktorin tai ekstruuderilaitteis-ton läpi korotetussa lämpötilassa ja paineessa, jonka jälkeen ekstruuderista tuleva materiaali välittömästi ja nopeasti reagoi reaktioastiassa sulassa tilassa korotetussa lämpötilassa ja alennetussa paineessa.

Keksinnön mukaisen menetelmän etuna verrattuna tunnettuun tekniikkaan on, että se voidaan toteuttaa teknisessä mielessä "yksinkertaisesti"; - puolijatkuva menetelmä; - lyhyt reaktioaika ja - aikaisempaa vähemmän hajoamisreaktioita.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisessa menetelmässä käyttö kelpoisen kierreakselireaktorin tai ekstruuderin pitkittäis- 5 80704 leikkaus. Reaktorin kotelo on liitetty täsmälleen kierreakselin ulkokehälle ja siinä on edullisesti useita erillisiä lämmitys-vaippoja V^V^, jotka voivat toimia itsenäisesti ja jäähdytys-vaippoja K^-K2* Akselissa on lisäksi edullisesti jäähdytyslaite . Koko kotelon pituudelta on porattuja reikiä, jotka on sovitettu termoparien T^-Tg kanssa. Lisäksi akseli voidaan varustaa tuotteen poistopuolelta sekoituspäällä, jolla on simpukan muotoinen profiili. Tämän tyyppinen simpukanmuotoinen profiili ei kuitenkaan ole välttämätön, koska keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää minkä tahansa tyyppistä sekoituspäätä.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävässä reaktorissa, joka toimii paineen alaisena kuljettimena, tapahtuu reagenssien perinpohjainen sekoittuminen, jolloin saavutetaan hyvä lämpötilan säätely ja lämmönsiirto yksinkertaisella tavalla. Yllättäen kierreakselireaktorissa tapahtuu sellainen sekoittuminen, että reaktio massassa, sen jälkeen kun se on siirretty reaktio-astiaan, etenee melko nopeasti korotetussa lämpötilassa ja alennetussa paineessa.

Vaikka keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetyn reaktorin sovellutus voi vaihdella laajoissa rajoissa, edullisesti käytetään kierreakselireaktoria, jonka puristussuhde on 1,5-3 ja kierteen pituus/halkaisijasuhde 10-20. Puristussuhteen laskemiseksi viitataan kuvioon 2 (puristussuhde = h^/h2)-

Kierreakselireaktorin lämpötila on edullisesti sellainen, että siitä poistuva massa on itse asiassa täydellisesti sulaa. Mainittu lämpötila on edullisesti 170-180°C.

Keksinnön mukainen menetelmä toteutetaan edullisesti käyttäen yhtenä lähtöaineena rasvahapon metyyliesteriä. Tällä tavalla sokerin ja rasvahapon esteri saadaan erittäin puhtaana. Toinen etu on se, että reaktiossa syntyvä alkoholi, nimittäin metano-li, on edullisin alkoholi poistettavaksi reaktioseoksesta. Alkoholin poistamisen seurauksena reaktion tasapaino etenee sokeriesterin puolelle. Kuitenkin metyyliesterin lisäksi voidaan käyttää rasvahappojen etyyliestereitä ja vastaavia.

6 80704

Keksinnön mukaisessa menetelmässä edullisesti käytettävien rasvahapon estereiden rasvahappo-osat sisältävät normaalisti 8-22 hiiliatomia. Rasvahapot voivat olla suoraketjuisia tai haaroittuneita ja tyydytettyjä tai tyydyttämättömiä. Rasvahappo-estereiden tai rasvojen seoksia voidaan myöskin käyttää.

Ei-pelkistävänä sokerina voidaan käyttää mitä tahansa kaupallisesti saatavaa kiinteätä sokeria kuten sukroosia ja sorbitolia, joilla voi olla mikä tahansa laatu ja jyväkoko. Kuitenkin karkeat jyväset edullisesti jauhetaan jyväsiksi, joiden koko on 1 mm tai vähemmän.

Keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin alla olevilla esimerkeillä ja vastaavasti vertailuesimerkeillä. Tulokset on esitetty kuvion 4 kuvaajassa; keksintöä ei kuitenkaan tule rajoittaa esimerkkien mukaisten sovellutuksien parametreihin.

Esimerkki

Reaktioseoksen ektruointiin käytettiin yksiruuvista ekstruuderia. Reaktioseoksesta 10 paino-% oli natriumstearaattia, 2,5 paino-% kaliumkarbonaattia, 25 paino-% metyylipalmiaattia ja 62,5 paino-% kiteistä sokeria (sukroosia, jonka keskipartikkelikoko oli 0,75 mm). Käytetty ekstruuderi (ks. kuvio 1) oli varustettu 5 lämmi-tysvaipalla (V^-V^, joiden kapasiteetit olivat vastaavasti 5, 5, 0,2, 1,4 ja 2,1 kW), kahdella jäähdytyskierukkalla K^ ja Kj, jotka olivat lähellä ekstruuderin syöttöaukkoa, ruuvin jäähdytyslaitteella Kj sekä ruuvilla, jonka sekoituspään profiili oli simpukan muotoinen (L/D = 16). Muita ekstruuderin ominaisuuksia olivat: - ruuvin kokonaispituus: 0,86 m - sekoituspään pituus: 0,25 m - ruuvin kierteiden jako: 45 mm - puristussuhde: 2.

Lämpöprofiili, joka on esitetty kuviossa 2, saatiin 13,2 kg/t syötöllä säätämällä lammitysvaipat ja 250°C:een, vaippa maksimiin (0,2 kW) ja vaippa 10 prosenttiin maksimikapasi-teetista (5 kW). Ruuvia jäähdytettiin koko pituudeltaan 65 litralla vettä tunnissa ja ekstruuderin koteloa jäähdytettiin jääh- 7 80704 dytettiin jäähdytyskierukoilla ja I^, joissa kummassakin käy tettiin 190 litraa vettä tunnissa.

Tällä ekstruuderilaitteistolla saatiin ekstruusiotuote, joka itse asiassa ei enää ollut kiteistä ja jonka lämpötila oli 172-177°C. Reaktioastia, joka oli kytketty ekstruuderiin ja joka oli varustettu kaksinkertaisella seinällä ja sekoituslaitteella, ja jonka kapasiteetti oli enimmillään 20 litraa, täytettiin 4,4 kg:11a ekstruusiotuotetta 20 minuutin aikana. Ekstruuderissa reaktio oli tapahtunut ainoastaan tiettyyn rajaan (alle 10 %) asti. Sen jälkeen kun mainittu reaktioastia oli osittain täytetty yllä kuvatulla tavalla, ekstruointi lopetettiin. Reaktiota jatkettiin ekstruuderista erotetussa reaktioastiassa 150°C:n lämpötilassa (reaktioastian kaksinkertaisen seinän väliin johdetulla höyryllä) ja 100 mbar'in paineessa. Sen jälkeen kun painetta alennettiin, reaktionopeus lisääntyi merkittävästi ja oli mahdollista estää voimakkaasta sekoituksesta aiheutuva vaahdon muodostuminen. Jo 90 minuutin kuluttua vaahdon muodostumista ei voitu enää havaita ja 94 % metyylipalmiaatista oli reagoinut (ks. kuvio 4) .

Vertailuesimerkki 1

Reaktio toteutettiin samoissa olosuhteissa kuin yllä kuvatussa reaktioastiassa, nimittäin 150°C:n lämpötilassa ja 100 mbar'n paineessa, käyttäen 5 kg seosta, joka koostui 10 painoprosentista natriumstearaattia, 2,5 painoprosentista kaliumkarbonaattia, 25 painoprosentista metyylipalmiaattia ja 62,5 painoprosentista hienoa sokeria (sukroosia, jonka keskipartikkelikoko on 0,035 mm); edeltävää ekstruusioprosessia ei tämän vuoksi suoritettu. 80 minuutin lämmityksen jälkeen, jonka aikana käytettiin alennettua painetta 100 mbar 40 minuutin ajan estämään kondensaatio, saavutettiin 150°C:n reaktiolämpötila. Noin 20 minuutin kuluttua 150°C:ssa ilmeni vaahdon muodostusta, mikä on tyypillistä tämän tyyppiselle reaktiolle. Mainittu vaahdon muodostuminen lakkasi 150 minuutin kuluttua. 260 minuutin reaktioajan kuluttua 94 % alkuperäisestä metyylipalmiaatista oli reagoinut (ks. kuvio 4) .

8 80704

Verta Hues imerkki 2

Reaktio suoritettiin samoissa olosuhteissa kuin vertailuesi-merkissä 1 käyttäen samaa seosta kuin vertailuesimerkissä 1, mutta sillä erotuksella, että hienosokerin sijasta käytettiin kiteistä sokeria (sukroosia, jonka keskipartikkelikoko oli 0,75 mm). Tämä seos kuumennettiin 150°C:een 100 minuutiksi, jolloin sovellettiin 100 mbar'in alennettua painetta 45 minuutin jälkeen kondensaation muodostumisen estämiseksi.

60 minuutin kuluttua 150°C:ssa ilmeni vaahdon muodostumista, mikä 270 minuutin reaktioajan jälkeen käytännöllisesti katsoen hävisi täydellisesti. Mainitun 270 minuutin reaktioajan jälkeen 80 % alkuperäisestä metyylipalmiaatista oli reagoinut (ks. kuvio 4).

* * i

Claims (10)

1. Menetelmä yhden tai useamman rasvahapon ja ei-pelkistä-vän sokerin esterien valmistamiseksi transesteröimällä ei-pelkistävä sokeri yhdellä tai useammalla rasvahapon esterillä transesteröintikatalyytin läsnäollessa, tunnettu siitä, että reaktiokomponentit syötetään ensiksi sinänsä tunnetun-laisen kierreakselireaktorin läpi toimien korotetussa lämpötilassa ja paineessa, ja että kierreakselireaktorista saatu massa edelleen reagoitetaan alennetussa paineessa ja korotetussa lämpötilassa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kierreakselireaktorin lämpötila on sellainen, että siitä saatu massa on käytännössä täysin sulaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kierreakselireaktorista saadun massan lämpötila on 170-180°C.

4. Yhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sukroosia tai sorbitolia käytetään ei-pelkistävänä sokerina.

5. Yhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettyjen rasvahappoeste-reiden rasvahapporadikaalit sisältävät 8-22 hiiliatomia.

6. Yhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rasvoja käytetään rasvahap-poestereinä.

7. Yhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rasvahapon metyyliesteriä käytetään rasvahappoesterinä.

8. Vhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään sellaista kier-reakselireaktoria, jossa kierreakselireaktorin ulostulopääs- sä sijaitsevan kierteen kärjen profiili on simpukan muotoi nen. 10 80704

9. Yhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään sellaista kier-reakselireaktoria, jonka puristussuhde on 1,5-3.

9 80704

10. Yhden tai useamman patenttivaatimuksista 1-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään sellaista kier-reakselireaktoria, jonka pituus/halkaisija-suhde on 10-20.