JP2006225578A - グリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 油脂類とアルコールとを触媒の存在下に接触させる工程を含んでなるグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法であって、上記触媒は、ジルコニウムと、4族、5族及び8族からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素とを必須成分とする金属酸化物であるグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法である。
【選択図】 なし
Description
このような製造方法においては、一般に、均一系アルカリ触媒を用いる方法が工業的に用いられているが、煩雑な触媒の分離除去工程が必要となるため、このような工程を簡略化又は省略して効率的に脂肪酸アルキルエステルやグリセリンを製造するための工夫の余地があった。また、油脂に含まれる遊離の脂肪酸がアルカリ触媒によってけん化されるため石鹸が副生することとなり、多量の水で洗浄する工程が必要であるばかりでなく、石鹸の乳化作用により脂肪酸アルキルエステルの収率が低下し、また、その後のグリセリンの精製プロセスも煩雑となる場合があるため、これらの点においても高効率かつ簡便な製造方法とするための工夫の余地があった。
以下に本発明を詳述する。
なお、本発明の製造方法においては、上記金属酸化物触媒に他の触媒を併用して用いてもよい。また、上記触媒は、1種又は2種以上用いてもよく、本発明の作用効果を奏する限り、触媒調製工程で生じる不純分や他の成分を含有していてもよい。
上記担体上に活性成分を坦持等した形態において、担体としては、例えば、シリカ、アルミナ、シリカ・アルミナ、各種ゼオライト、活性炭、珪藻土、酸化ジルコニウム、ルチル型酸化チタン、酸化すず、酸化鉛等が挙げられるが、酸化ジルコニウムを担体とすることが特に好適である。中でも、酸化ジルコニウムを担体とし、活性成分として4族、5族及び8族からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素の単一又は複合酸化物を用い、該担体にこのような活性成分を坦持又は固定化した形態であることが好ましい。このように酸化ジルコニウムを担体とすることにより、酸化チタン等の上記金属元素の酸化物や、シリカ坦持酸化チタン等の上記活性金属元素をシリカ担体に坦持したものよりも高活性となり、また、一般に触媒寿命が短いバナジウム系触媒を長寿命化させることが可能となることから、本発明の製造方法において、上記触媒のリサイクル性がより向上され、ユーティリティーコストや設備費を充分に低減できるとともに、高収率かつ高選択的にグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルを製造することが可能となる。
上記酸化ジルコニウムとしては、単斜晶構造のものが好適であり、これにより、触媒活性が更に向上し、また、活性金属成分である上記金属元素の溶出を更に充分に抑制することが可能となる。すなわち上記触媒が、必須成分として単斜晶構造の酸化ジルコニウムを含有する形態は、本発明の好適な形態の1つである。
なお、複合酸化物を形成する形態としては特に限定されないが、例えば、酸素原子を介して第1原子と第2原子とが共有結合した形態;第1原子と第2原子とが結合したものと、酸素原子とが共有結合した形態;第1原子の酸化物と第2原子の酸化物との複合物及びそれらの固溶体等が挙げられる。
ここで、鉄、バナジウム及びジルコニウムからなる酸化物としては、上述したものの他、三斜晶系でない鉄とバナジウムの複合酸化物が酸化ジルコニウム上に坦持又は固定化されたものや、鉄、バナジウム及びジルコニウムの三元系複合酸化物等が挙げられ、これらもまた、本発明の好適な形態の1つである。このように鉄及びバナジウムに更にジルコニウムを用いることにより、通常の鉄及びバナジウムからなる酸化物に比較して、活性成分の溶出がより抑制され、触媒寿命を更に向上することが可能となる。
上記触媒が単斜晶系の酸化ジルコニウム、三斜晶系の鉄とバナジウムとの複合酸化物、Zr0.5Ti0.5O2(スリランカイト)構造を有することは、粉末X線回折測定(XRD)により確認することができる。
また上記4族、5族及び8族からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素の含有量としては、本発明の触媒総量100質量%に対して、金属換算で下限が1質量%、上限が80質量%であることが好適である。1質量%未満であると、触媒活性が充分とはならず、反応効率を向上させることができないおそれがあり、80質量%を超えると、上記金属元素の酸化物等が担体上で凝集し、高活性をより充分に発揮できないおそれがあり、また、ジルコニウムに起因する作用効果を充分に発揮することができないおそれがある。より好ましくは、下限が2質量%、上限が75質量%である。
上記金属元素の含有量は、蛍光X線分析(XRF)により測定することができる。
なお、上述したように、担体上に金属元素の単一又は複合酸化物等から構成される活性成分を坦持又は固定化した形態の触媒を製造する場合には、担体となる化合物に含浸法や混練法等によって該活性成分を混合担持させた後、上記焼成条件にて焼成することにより製造することが好適である。これにより、担体表面に活性成分を充分に分散することができ、また、固体触媒として作用させることが可能となる。
上記反応液中の触媒の活性金属成分の溶出量は、反応後の反応液を、溶液状態のまま蛍光X線分析法(XRF)により測定することができる。また、より微小量の溶出量を測定する場合には、高周波誘導プラズマ(ICP)発光分析法により測定することが好ましい。
上記接触工程においては、例えば、下記式に示すように、トリグリセリドとメタノールとのエステル交換反応により、脂肪酸メチルエステルとグリセリンとが生成することになる。
上記製造方法においては、上述した触媒を用いることによりエステル交換反応とエステル化反応とを同時に行うことができることから、原料である油脂類が遊離脂肪酸を含むものであっても、エステル交換反応工程で同時に遊離脂肪酸のエステル化反応が進行するため、エステル交換反応工程とは別にエステル化反応工程を設けなくても脂肪酸アルキルエステルの収率を向上することができる。
上記製造方法においてはまた、上記式に示すように、エステル交換反応により脂肪酸アルキルエステルと共にグリセリンが得られることになる。本発明においては、精製されたグリセリンを工業的に簡便に得ることができるが、このようなグリセリンは、化学原料として各種の用途に好適に用いることが可能である。
上記油脂としては、ナタネ油、ゴマ油、ダイズ油、トウモロコシ油、ヒマワリ油、パーム油、パーム核油、ヤシ油、ベニバナ油、アマニ油、綿実油、キリ油、ヒマシ油等の植物油脂;牛脂、豚油、魚油、鯨脂等の動物油脂;各種の食用油の使用済み油(廃食油)等が好適であり、これらは、1種又は2種以上を用いることができる。
上記アルコールとしてはまた、食用油、化粧品、医薬等の製造を目的とする場合には、ポリオールであることが好ましい。上記ポリオールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等が好適である。中でも、グリセリンが好ましい。これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。このように上記アルコールとしてポリオールを用いる場合、本発明の脂肪酸アルキルエステルの製造方法は、グリセリドを得る方法において好適に用いることができることとなる。
上記グリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法においては、油脂類、アルコール及び触媒以外のその他の成分が存在してもよい。
なお、本発明でいうアルコールの理論必要量は、油脂類のけん化価に対応するアルコールのモル数を意味しており、下記式で算出することができる。
アルコールの理論必要量(kg)=アルコールの分子量×[油脂の使用量(kg)×けん化価(g−KOH/kg−油脂)/56100]
上記ジグリセリド類を得る形態において、例えば、ポリオールとしてグリセリンを用いる場合、下記式に示すような反応が進行することとなる。
上記リパーゼとしては、固定化リパーゼ又は菌体内リパーゼであることが好ましい。より好ましくは、1,3位に選択的に作用する固定化リパーゼ又は菌体内リパーゼである。固定化リパーゼとしては、1,3位選択的リパーゼをイオン交換樹脂に固定化して得られたものが好ましい。1,3位選択的リパーゼとしては、リゾプス(Rhizopus)属、アスペルギウス(Aspergillus)属、ムコール(Mucor)属、リゾムコール(Rhizomucor)属、カンジダ(Candida)属、サーモマイセス(Thermomyces)属、シュードモナス(Pseudomonas)属等の微生物に由来するリパーゼが好適である。
上記リパーゼを作用させる条件としては、良好なリパーゼ活性が得られる条件を適宜選択することができるが、反応温度としては、10〜100℃が好ましく、より好ましくは、20℃以上、80℃以下である。
なお、上記グリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法に用いる触媒としては、上記範囲内の反応温度で用いる場合に、活性金属成分が溶出しないものであることが好ましい。このような触媒を用いることにより、反応温度が高温であっても触媒の活性を充分に維持することができ、反応を良好に行うことができる。
なお、上記ジルコニウムと、4族、5族及び8族からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素とを必須成分とする金属酸化物触媒は、使用するアルコールの超臨界状態で用いることもできる。超臨界状態とは、物質固有の臨界温度及び臨界圧力を超えた領域をいい、アルコールとしてメタノールを使用する場合、温度が239℃以上であり、圧力が8.0MPa以上の条件を指す。該触媒を用いることにより、超臨界条件下においても効率的にグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルを製造することができる。
LHSV(hr−1)={1時間あたりの油脂の流量(mL・hr−1)+1時間あたりのアルコールの流量(mL・hr−1)}/触媒容量(mL)
図1においては、バッチ式により、油脂類としてパーム油を用い、アルコールとしてメタノールを用いて、これらを触媒の存在下に接触させる工程が示されている。このような形態では、パーム油とメタノールとを触媒とともに混合して、反応を行うことになる。この反応液を静置して脂肪酸メチルエステルとグリセリド類とを主に含むエステル相と、グリセリンとメタノールとを主に含むグリセリン相とに分離する。グリセリン相を分離して得られたエステル相にメタノールと触媒とを添加して更に反応を行い、エステル相とグリセリン相とに分離して、脂肪酸メチルエステルとグリセリンとを得ることになる。このような形態においては、反応液を相分離する前であって、ろ過等の工程により固体触媒を液相から分離除去した後に、アルコールを留去することが、脂肪酸メチルエステル類とグリセリンとの分離が向上できる点で好ましい。このようにして得られた脂肪酸メチルエステル及び/又はグリセリンは、目的に応じて、蒸留塔の操作により、更に精製することが好ましい。
反応プロセスを簡略化する点に関して、
(1)触媒の分離除去工程を簡略化又は不要とすることができる。
(2)遊離脂肪酸の中和除去工程、又は、酸触媒によるエステル化工程を不要とすることができる。
(3)遊離脂肪酸のけん化が起こらない。
(4)油脂類中の遊離脂肪酸のエステル化が同時に進行する。
精製プロセスを簡略化する、すなわち精製グリセリンを容易に得ることができる点に関して、
(1)触媒分離後にアルコールを留去することができ、逆反応が起こらないので、液−液二相の分配平衡が向上(相互溶解度が低下)して生成物の分離を良好に行うことができる。
(2)更に、ジルコニウムと、4族、5族及び8族からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素とを必須成分とする金属酸化物触媒が、高活性である点や、リーチングがない点、触媒表面に強い酸点又は塩基点を持たないのでアルコールの分解(脱水やコーキング等)が少なく、高選択的に脂肪酸アルキルエステルを得ることができる点、また、油脂中に含まれる微量金属成分や、前処理に用いる鉱酸の影響を受けにくい点が挙げられる。
下記の実施例等において、転化率及び収率は下記式により算出した。
転化率(%)=(反応終了時の油脂類の消費モル数)/(油脂類の仕込みモル数)×100(%)
メチルエステル収率(モル%)=(反応終了時のメチルエステル生成モル数)/(仕込み時の有効脂肪酸類のモル数)×100(%)
ジグリセリド収率(モル%)=(反応終了時のジグリセリド生成モル数×2)/(仕込み時の有効脂肪酸類のモル数)×100(%)
モノグリセリド収率(モル%)=(反応終了時のモノグリセリド生成モル数)/(仕込み時の有効脂肪酸類のモル数)×100(%)
グリセリンの収率(モル%)=(反応終了時の遊離グリセリンの生成モル数)/(仕込み時の有効グリセリン成分のモル数)×100(%)
なお、有効脂肪酸類とは、油脂類に含まれる脂肪酸のトリグリセリド類、ジグリセリド類、モノグリセリド類、遊離脂肪酸類のことをいう。すなわち、仕込み時の有効脂肪酸類のモル数は、下記式で算出される。
仕込み時の有効脂肪酸類のモル数(モル)=[油脂類の仕込み量(g)×油脂類のけん化価(mg−KOH/g−油脂)/56100]
また、有効グリセリン成分とは、本発明の方法によってグリセリンを生成することができる成分をいい、具体的には、油脂類中に含まれる脂肪酸のトリグリセリド類、ジグリセリド類、モノグリセリド類をいう。有効グリセリン成分の含有量は、油脂類(反応原料)をけん化することによって遊離するグリセリンの存在量をガスクロマトグラフィーによって定量することによって算出される。
チタンテトライソプロポキシド(17g)とイソプロピルアルコール(2.3g)を混合した溶液中に、酸化ジルコニウム(60g)(第一稀元素化学工業社製、RSC−HP)を混練し、攪拌しながら蒸発乾固した。更に120℃で一晩乾燥させた後、空気気流下で900℃×3時間焼成させることにより、TiO2/ZrO2触媒(触媒A)を得た。触媒A100質量%中のチタン及びジルコニウムの含有量は、各々、金属換算で4.4質量%及び68.6質量%であった。触媒AのXRD(X線粉末回折法)測定の結果、酸化ジルコニウムは単斜晶構造であることがわかった。
炭酸カリウム(20g)と酸化ジルコニウム(80g)(第一稀元素化学工業社製)を粉体混合し、更に少量の水を加え充分に混練した。乾燥後、空気気流下で550℃×4時間焼成させることによりK/ZrO2触媒(触媒B)を得た。
シュウ酸二水和物(6.49g)を水(46.84g)に溶解し、更に五酸化バナジウム(3.12g)を加えて均一に溶解させた(溶液A)。硝酸鉄(III)九水和物(13.86g)と硝酸ジルコニル(IV)二水和物(74.08g)を水(740g)に溶解し、溶液Aを加え室温で2時間攪拌した。蒸発乾固後、空気気流下で350℃×2時間予備焼成し、引き続いて750℃×5時間焼成することによってFeVZr触媒(触媒C)を得た。触媒C100質量%中の鉄、バナジウム及びジルコニウムの含有量は、各々、金属換算で4.8質量%、4.4質量%及び63.1質量%であった。触媒CのXRD測定の結果、主として三斜晶系FeVO4構造の複合酸化物と単斜晶系酸化ジルコニウムの混合物であった。
メタバナジン酸アンモニウム(14.04g)を90℃の水(700g)に溶解させた(溶液B)。硝酸鉄(III)九水和物(48.48g)を水(40g)に溶解させた溶液を、溶液Bに滴下し、蒸発乾固した。空気気流下で350℃×2時間予備焼成し、引き続いて750℃×5時間焼成することによって、FeVO4触媒(触媒D)を得た。触媒DのXRF測定の結果、主として三斜晶系FeVO4構造の複合酸化物であった。
実施例1
トリオレイン(30g)、メタノール(10g)及び触媒調製例1で調製した触媒Aの破砕物(1.25g)を容積100mLのオートクレーブ内に仕込んだ。窒素置換後、内部を攪拌しながら反応温度200℃で24時間反応させたところ、トリオレイン転化率99%、オレイン酸メチル収率79%、モノグリセリド収率17%、ジグリセリド収率3%、グリセリン収率79%であった。グリセリン縮合物やエーテル化物の副生はなく、メタノールの分解も認められなかった。反応後の液のICP分析の結果、溶出した金属成分の濃度は、Zrは検出されず、Tiは1ppm以下であった。
実施例1において、触媒として触媒調製例2で調製した触媒Bを用い、反応温度を150℃とした以外は実施例1と同様にして反応を行った。トリオレイン転化率は99%であり、オレイン酸メチル収率95%、モノグリセリド収率2%、ジグリセリド収率1%、グリセリン収率90%であった。反応後の液中に溶出したカリウム成分をXRF分析した結果、ほぼ全量が溶出しており、使用後の触媒を繰り返し使用することはできなかった。
トリオレイン(60g)、メタノール(20g)及び触媒調製例3で調製した触媒C(2.5g)を容積200mLのオートクレーブ内に仕込んだ。窒素置換後、内部を攪拌しながら反応温度150℃で24時間反応させたところ、オレイン酸メチル収率54%、グリセリン収率11%であった。グリセリン縮合物やエーテル化物の副生はなく、メタノールの分解も認められなかった。ICP分析で金属の溶出を測定したところ、検出限界以下であった。
トリオレイン(61.5g)、メタノール(20g)及び触媒調製例3で調製した触媒C(2.5g)を容積200mLのオートクレーブ内に仕込んだ。窒素置換後、内部を攪拌しながら反応温度150℃で3時間反応させたところ、トリオレイン転化率78%、オレイン酸メチル収率35%、グリセリン収率3%であった。
反応後、触媒を回収し、回収した触媒を用いて同様の条件で反応を行った。トリオレイン転化率は68%であり、オレイン酸メチル収率29%、グリセリン収率2%であった。再度、触媒を回収し、同様の条件で反応を行った。トリオレイン転化率は70%であり、オレイン酸メチル収率30%、グリセリン収率5%であった。以上、触媒の3回の繰返し反応で活性の著しい低下は見られなかった。
実施例3において、触媒として触媒調製例4で調製した触媒Dを用いた以外は実施例3と同様にして反応を行った。トリオレイン転化率は83%であり、オレイン酸メチル収率31%、グリセリン収率5%であった。反応後、触媒を回収し、回収した触媒を用いて同様の条件で反応を行った。トリオレイン転化率は35%であり、オレイン酸メチル収率10%、グリセリン収率0%であった。以上、触媒の2回の繰返し反応で活性の低下が見られた。
Claims (3)
- 油脂類とアルコールとを触媒の存在下に接触させる工程を含んでなるグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法であって、
該触媒は、ジルコニウムと、4族、5族及び8族からなる群より選択される少なくとも1種の金属元素とを必須成分とする金属酸化物である
ことを特徴とするグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法。 - 前記触媒は、必須成分として単斜晶構造の酸化ジルコニウムを含有する
ことを特徴とする請求項1に記載のグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法。 - 前記触媒は、活性成分として三斜晶構造の金属酸化物を含有する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のグリセリン及び/又は脂肪酸アルキルエステルの製造方法。
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