JP5117646B2

JP5117646B2 - セルロースエーテルの製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP5117646B2
Application number: JP2000585277A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．シュルツ，ゲイリー
Original assignee: ダウグローバルテクノロジーズエルエルシー
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: ES2194520T3; JP2002531594A; US6261218B1; WO2000032637A1; ATE241647T1; AU6511799A; AR021436A1; DE69908416D1; EP1141029A1; EP1141029B1; DE69908416T2; US20010007028A1

Description

【０００１】
本発明は、炭素質タールの存在を排除した低分子量セルロースエーテルの製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
低分子量セルロースエーテルの製造においては色汚染が生ずることがある。この汚染は茶色もしくは黒色の炭素質タールを形成する。このタールは粉末セルロースエーテル製品中に黒い粒子を形成する。この黒い粒子の存在は、セルロースエーテル製品を外観が重要な用途、例えば医薬品の錠剤コーティングに用いる場合には問題である。錠剤コーティングにおける粒子混入は消費者及び製造者に許容されない。
【０００３】
炭素質タールは、低分子量セルロースエーテルへの高分子量セルロースエーテルの解重合の間に過度の分解の結果として形成する。解重合は通常、強酸、すなわち塩化水素を高分子量セルロースエーテルに添加し、エーテル結合の部分を開裂させることにより行われる。
【０００４】
解重合の間の過度の分解は、以下のものから生じる。セルロースエーテル中の不均一水分分布、解重合反応器の内面とセルロースエーテルの間の静的絡み合い、強酸の不均一吸着、及び触媒活性な表面もしくは物質との接触による解重合反応の触媒化。
【０００５】
不均一水分分布による過度の分解は、セルロースエーテル中に吸収されている水が蒸発し、解重合反応器の内面に凝縮する場合に起こる。乾燥セルロースエーテル粉末は凝縮した水を吸収し、内面に付着する。強酸、すなわち塩化水素も水分を吸着し、内面において高酸含有量となる。この高酸含有量は解分解速度をセルロースエーテル粉末の数倍に高める。この高い反応速度は解重合反応器の内面においてタール粒子の形成を引き起こす。
【０００６】
静的絡み合いによる過度の分解は、セルロースエーテル粉末のフィルムが解重合反応器の内面の停滞領域に絡み合った場合に起こる。反応器を空にした場合、粉末フィルムは表面に絡み合い、その後のバッチ反応まで過剰に反応する。この過剰の反応は解重合反応器の内面にタール粒子を形成させる。
【０００７】
過度の分解は、解重合酸を液体のような非ガス形態で反応器に導入した場合に、この解重合酸の不均一吸着により起こる。この不均一吸着はセルロースエーテル粉末の部位において酸含有量を高める。この高い酸含有量は解重合速度をセルロースエーテル粉末の数倍に高める。この高い反応速度はセルロースエーテル粉末中にタール粒子を形成する。
【０００８】
過度の分解は、触媒活性な表面もしくは物質との接触による解重合反応の触媒化によって起こる。反応器の内面が触媒活性である場合、高い反応速度はその表面においてタール粒子を形成する。
【０００９】
タール粒子を実質的に形成することなく低分子量セルロースエーテルを製造する方法及び装置が望ましい。
【００１０】
本発明によれば、セルロースエーテルの製造方法が提供される。この方法は、a)セルロースパルプをアルカリ性にし、b)アルカリ性にされたセルロースパルプをエーテル化してセルロースエーテルを形成し、c)このセルロースエーテルを洗浄し、d)このセルロースエーテルを乾燥して水分含有量を低下させ、e)セルロースエーテルを粉砕して粒状形態にし、f)粒状セルロースエーテルの温度を50〜130℃に調整し、g)この粒状セルロースエーテルをタンブリングし、同時に酸と接触させて、その２パーセント水溶液が20℃において200センチポアズ(cP)以下の粘度を有するように部分的に解重合させ、そしてh)塩基性化合物と接触させることにより部分的にもしくは実質的に中和することを含む。セルロースパルプは好ましくは、水酸化ナトリウムと接触されることによりアルカリ性にされる。アルカリ性にされたセルロースパルプは好ましくは、塩化メチル又は塩化メチルとプロピレンオキシドの混合物と接触されることによりエーテル化される。セルロースエーテルは好ましくは、水と接触されることにより洗浄される。セルロースエーテルは好ましくは、加熱することにより乾燥される。セルロースエーテルは好ましくは、すりつぶすことにより又は衝撃を加えることにより粉砕される。好ましくは、セルロースエーテルは解重合の間、鉄を含む表面と接触されない。本発明の方法により、目に見えるタールを実質的に形成させることなく低分子量セルロースエーテルを製造することができる。
【００１１】
さらに、本発明によれば、セルロースエーテルの製造装置が提供される。この装置は、a)セルロースパルプをアルカリ性にしかつエーテル化してセルロースエーテルを形成するための第一の反応器、b)セルロースエーテルを洗浄するための洗浄器、c)セルロースエーテルを乾燥して水分含有量を低下させるための乾燥器、d)セルロースエーテルを粉砕して粒状にするためのミル、e)粒状セルロースエーテルを酸と、次いで塩基性化合物と接触させながら連続的にタンブリングする第二の反応器、を含む。好ましくは、アルカリ性にすること及びエーテル化することは１つの反応器内で行われる。好ましくは、粒状セルロースエーテルと実質的に無水の酸との接触が行われる反応器の内面は鉄を実質的に含まない。
【００１２】
本発明は、低分子量セルロースエーテルの製造の間の炭素質タールの形成の問題を解決する。最も広い態様において、本発明は、解重合の間にタンブリング反応器を用いる。このタンブリング反応器は反応器の内容物の位置を変え、反応器の内面における絡み合いを防ぎ、セルロースエーテル体の内部の実質的に均一な反応温度及び解重合酸分布を保つ。本発明の他の態様において、解重合酸は、高度の分散及びセルロースエーテル体との接触を達成し、かつ追加水の導入を避けるために、実質的に無水の気体の形態で反応器に導入される。本発明の他の態様において、解重合反応器の内面を、水に不溶性となる前に比較的低い硬化状態においてタール粒子を除去するため十分に洗浄する。
【００１３】
低分子量セルロースエーテルの製造に用いる原料はセルロースパルプである。セルロースパルプは通常木材又はコットンより得られる。このパルプは好ましくは粉末形態又は粒子として提供される。錠剤コーティング用のセルロースエーテルを製造するため、白色度の高いセルロースパルプを用いることが好ましい。
【００１４】
セルロースパルプは反応器内においてアルカリ性水酸化物、好ましくは水酸化ナトリウムによりアルカリ性にされる。パルプは、乾燥パルプに直接水酸化物水溶液をスプレーするか又は水酸化物水溶液を含む槽もしくは攪拌タンク内に浸すことによるような、当該分野において公知のあらゆる方法を用いてアルカリ性にしてよい。反応時間は水酸化物濃度、温度及び保持時間によって異なる。水酸化物水溶液は好ましくは、水の質量を基準として30〜70wt％のアルカリ性水酸化物含有量で用いられる。保持時間は好ましくは５〜90分である。アルカリ性にする温度は好ましくは30〜60℃である。パルプ中の均一な湿潤及びアルカリ分布は混合及び攪拌により制御される。アルカリ性化反応器の上部空間は、セルロースエーテル製品の解重合を制御するため、排気するか、又は窒素のような不活性ガスで一部もしくはすべてを満たす。未反応アルカリ性水酸化物は塩酸、硝酸、もしくは酢酸のような酸によって中和され、又はわずかに過剰のエーテル化剤により中和してもよい。
【００１５】
アルカリ性にされたセルロースパルプは、次いでエーテル化されて高分子量セルロースエーテルを形成する。高分子量セルロースエーテルは、20℃において２パーセント水溶液で200cP以上、好ましくは4000cP〜100,000cPの粘度を有するような分子量を有するセルロースエーテルである。
【００１６】
エーテル化反応は通常、エーテル化剤の反応性に応じて、0.5〜16時間、高圧条件（689〜2070kPa)で反応器中で行われる。通常のエーテル化剤は、低級アルキルハロゲン化物及びエポキシド、例えば塩化メチル、塩化エチル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、及びこれらの混合物を含む。例えば、塩化メチルはメチルセルロースを製造するために用いることができ、塩化メチルとプロピレンオキシドの混合物はヒドロキシプロピルメチルセルロースを製造するために用いることができる。塩化メチルの使用は、副生成物として塩化ナトリウムを形成する。好ましくは、わずかに過剰のエーテル化剤を加えて、アルカリ性化の後に残っている未反応アルカリ性水酸化物と反応させる。
【００１７】
エーテル化された高分子量セルロースエーテルは洗浄されて塩及び他の反応副生成物が除去される。塩が溶解するあらゆる溶媒を用いることができるが、水は入手容易であり、環境上問題がないため最も好ましい。セルロースエーテルはエーテル化反応器中で洗浄してよいが、好ましくはこの反応器の下流に配置された別の洗浄器内で洗浄する。洗浄前又は洗浄後に、残留有機含有量を低減させるため、セルロースエーテルを流体に晒してもよい。
【００１８】
高分子量セルロースエーテルは、セルロースエーテルの質量を基準として0.5〜5.0wt％、好ましくは0.8〜3.0wt％の水分含有量まで乾燥される。この低い水分含有量はセルロースエーテルを粒状形態に粉砕し、解重合することを可能にする。セルロースエーテルは好ましくは40〜80℃の温度において乾燥される。有効な乾燥器は、トレー乾燥器、流動層乾燥器、フラッシュ乾燥器、攪拌乾燥器、及びチューブ乾燥器を含む。
【００１９】
乾燥された高分子量セルロースエーテルは所望のサイズの粒子に粉砕される。粉砕はボールミル又は衝撃粉砕器のような当該分野において公知のあらゆる手段により行うことができる。ボールミルもしくは衝撃粉砕器中の通常の保持移管は20〜120分である。有効な粒度範囲は25〜1000μmである。好ましい粒度は40〜250μmである。
【００２０】
粉砕の間に粒状セルロースエーテル粉末に混入するあらゆる金属粒子を除去することが望ましい。金属粒子は磁石によって除去することができる。
【００２１】
解重合する前に、セルロースエーテル粒子を50〜130℃、好ましくは70〜110℃の温度に加熱する。この加熱は解重合反応器内で又はこの反応器の上流の別の加熱器において行われる。必要により、解重合反応器又はこの反応器の上流の別の加熱器内でこの粒子を水と混合することにより、解重合する前に粒子の水分含有量を高いレベルにまで戻してもよい。
【００２２】
高分子量セルロースエーテルの粉砕された粒子は解重合され、低分子量セルロースエーテルを形成する。低分子量セルロースエーテルは、その２パーセント水溶液が20℃において200cP以下、好ましくは１〜100cP、最も好ましくは３〜100cPの粘度を有するような分子量を有するセルロースエーテルである。
【００２３】
高分子量セルロースエーテルの粉砕された粒子は、タンブリングされている反応器内で強酸と接触されることにより解重合される。タンブリングは反応器内で流れず停滞した内面が発生することを防ぎ、また比較的簡単な機械的手段のみが必要であるため望ましい。タンブリング速度は好ましくは１〜60rpm、最も好ましくは１〜10rpmである。タンブリング速度は反応器の容量及び反応器中のセルロースエーテルの量によって変わる。反応器は180°回転させることによって又は軸の周りに回転させることによってタンブリングされる。180°回転させることが好ましい。
【００２４】
解重合において有効な酸は、塩化水素、臭化水素、塩酸、及び硫酸を含む。無水酸が、水を含まないため好ましい。塩化水素が最も好ましい無水酸である。
【００２５】
解重合酸は、液体、蒸気、もしくは気体のあらゆる形態で反応器に加えてよい。実質的に無水気体の形態で加えることは、a)高度の分散及び接触が可能であり、タール形成を引き起こす局部的濃縮を避ける、b)通常液体酸に存在する追加水の存在が反応器中において避けることができ、低分子量セルロースエーテル製品への追加水の吸着及び水凝縮の問題を避ける、といった多くの理由のために好ましい。無水気体は反応器の上部空間又はセルロスエーテル粉末に直接加えてよい。上部空間に加えることが好ましい。反応器の上部空間は粉末の燃焼もしくは発火を防ぐために不活性ガスでパージすることが好ましい。
【００２６】
解重合反応は、50〜130℃、最も好ましくは70〜110℃の温度で行われる。反応の間のセルロースエーテルの温度は好ましくは実質的に一定に又は等温レベルに保たれる。反応器又は反応器の上部空間（空気）の内面の温度は好ましくは反応の間のセルロースエーテルの所望の温度と同じである。反応器の温度は加熱／冷却ジャケット、断熱ブランケット、又はオーブン、温度制御チャンバーもしくは断熱シールドもしくは容器のような温度を制御する環境に入れることによって調節される。
【００２７】
解重合後、粒状セルロースエーテルは、残っている酸を部分的にもしくは実質的に中和するため、塩基性化合物、好ましくは実質的に無水の塩基性化合物と接触される。無水の粉末化合物が好ましい。それは、粒状セルロースエーテルに再び水を導入しないからである。好ましい塩基性化合物は、無水炭酸水素ナトリウムである。この塩基性化合物は解重合反応器の上部空間もしくは内部に、又は解重合された粒状セルロースエーテルが移される他の反応器に導入される。塩基性化合物は、液体注入、エーロゾルもしくは蒸気の噴霧、及び粉末の吹き込みによるような当該分野において公知のあらゆる手段によって反応器に導入することができる。塩基性化合物を反応器に導入する好ましい手段は、圧縮空気もしくは強制空気又は他の機械的圧力による乾燥粉末の吹き込みによる。塩基性化合物は上部空間に存在する酸によって中和され、セルロースエーテルに存在するほとんどの酸は除去される。反応器は好ましくは中和反応の際にタンブリングされる。中和は、解重合酸及び中和する塩基性化合物の化学特性に応じて広範な温度において行われる。通常、中和は解重合と同じ温度条件で行われる。それは、同じ反応器内で両方の反応を行うことが都合がよいからである。塩化水素と炭酸水素ナトリウムの間の中和反応は高い解重合温度又は周囲温度もしくはそれ以下において行われる。
【００２８】
図１は、タンブリング反応器１０の形態の本発明の態様を示す。タンブリング反応器１０は反応容器１４を含み、これはセルロールエーテル粉末（図示せず）と塩化水素のような強酸（図示せず）を受け入れ、反応させる反応チャンバー１８を構成する。容器１４はバルブ２０を有し、これは開かれるとセルロースエーテル粉末を供給し又はチャンバー１８から除去する開口部２０が現れる。容器１４はシャフト２６及び３０を有し、これは容器から突き出ており、ベアリング３４及び３８の内部で回転し、容器１４を180°タンブリングさせる。容器１４は手動による又はシャフト２６に接続した機械的手段（例えば電気モーター（図示せず））によるような当該分野において公知の手段によってタンブリングすることができる。通路４２はシャフト３０の中心を通り、容器１４の内部の開口部４６に通じている。タンブリング反応器１０はチャンバー１８と通じているショットチャンバー５０も有している。ショットチャンバー５０は、強酸を中和することができる炭酸水素ナトリウムのような実質的に無水の塩基性化合物（図示せず）を含むようにされている。塩基性化合物はショットチャンバー５０からチャンバー１８に圧縮空気又は不活性ガス（図示せず）によって放出される。塩基性化合物はショットチャンバーに充填され、圧縮空気がバルブ５２を介してこのチャンバーに供給される。塩基性化合物はショットチャンバー５０からバルブ５４を介してチャンバー１８に放出される。容器１４の温度はその周囲に加熱／冷却ジャケット（図示せず）を設けることにより又は容器１４を、オーブン又は温度制御チャンバー、部屋、容器（図示せず）のような制御された一定温度を与える環境に入れることによって調節される。
【００２９】
好ましくは、セルロースエーテルは製造の間に、鉄を含む表面と接触されない。鉄は高分子量セルロースエーテルから低分子量セルロースエーテルへの解重合反応を触媒することが見出された。この触媒作用は反応器内における解重合速度を不均一にし、高い解重合速度による炭素質タールの形成を高めるであろう。反応器を含むこの方法の装置の接触表面を構成する好適な非鉄金属は、チタン、ニッケル及びクロムを含む。又は、鉄含有接触表面をシリコーン又はフルオロポリマーのようなポリマーでコートするか、又は耐熱性プラスチックでライニングしてもよい。
【００３０】
セルロースエーテル製品中のタール粒子混入を減少させる他の手段は、解重合反応器の内部もしくは接触表面を洗浄することである。この粒子は水のような極性溶媒への溶解性が著しく低く、分解することになる。不溶性粒子は洗浄によって除去することが困難である。接触表面を頻繁に洗浄することは、粒子が水溶性である限り粒子の除去を可能にする。好ましくは、接触表面は20製品バッチ以下で洗浄される。
【００３１】
最終製品である低分子量セルロースエーテルは好ましくは、裸眼で観察した場合にタール粒子を実質的に含まない。
【００３２】
本発明の方法は以下のセルロースエーテルの製造に有効である。メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、及びヒドロキシブチルメチルセルロース。この方法はメチルセルロースおよびヒドロキシプロピルメチルセルロースの製造に特に有効である。
【００３３】
低分子量セルロースエーテル、特にメチルセルロース及びヒドロキシプロピルメチルセルロースは、建築製品、食品、及び医薬品において有用である。特に有用な用途は医薬品の錠剤コーティングである。
以下に本発明の実施例を示す。特に示さない限り、パーセント、部、及び比率は質量基準である。
【００３４】
実施例
本発明の方法を用いて低分子量セルロースエーテルを製造した。
この方法は、28.3リットルのスチールタンブリングバッチ反応器内で行った。この反応器は内部がチタンライニングされており、鉄を含む表面ト接触することがない。
【００３５】
反応器にMETHOCEL E4M高分子量メチルセルロースの10バッチを入れた。このメチルセルロースは２パーセント水溶液において20℃で4000cPの公称の粘度を有し、メトキシ含有量は28〜30パーセントであり、ヒドロキシプロピル含有量は７〜12パーセントである。低分子量メチルセルロースに解重合するため、無水塩化水素ガスを、METHOCEL E4Mの質量を基準として0.2wt％で反応器に加えた。反応器を90℃にセットしたオーブンに入れ、10rpmで40分間タンブリングを行った。用いたHClの量に対して理論量の炭酸水素ナトリウム粉末を、圧縮空気により吹き込むことによって反応器の上部空間に加えた。５分間タンブリングを行い、反応器の内容物を取り出した。
【００３６】
得られた低分子量メチルセルロース粉末のバッチは２質量パーセント水溶液において、20℃で測定し、2.4〜5.0センチポアズの粘度を示した。いずれのバッチ又は反応器内のライナーの内面のいずれにもタール粒子の形成は目視によって確認されなかった。粉末は白く、きれいであった。
【００３７】
本発明の方法及び装置の態様を詳細に示したが、本発明はその範囲から外れない限り変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法及び装置において有用なタンブリング反応器の側面図である。

Claims

セルロースエーテルの製造方法であって、
a)セルロースパルプをアルカリ性にし、
b)アルカリ性にされたセルロースパルプをエーテル化してセルロースエーテルを形成し、
c)このセルロースエーテルを洗浄し、
d)このセルロースエーテルを乾燥して水分含有量を低下させ、
e)セルロースエーテルを粉砕して粒状形態にし、
f)粒状セルロースエーテルの温度を90〜110℃に調整し、
g)この粒状セルロースエーテルをオーブンもしくは温度制御チャンバー内で軸の周りにもしくは180°回転させる反応器中でタンブリングし、同時に90〜110℃の温度において気体の無水塩化水素と接触させて部分的に解重合させ、そして
h)塩基性化合物と接触させることにより部分的にもしくは実質的に中和すること
を含む方法。
前記アルカリ性にされたセルロースパルプが塩化メチル又は塩化メチルとプロピレンオキシドの混合物と接触させることによりエーテル化される、請求項１記載の方法。
前記粒状セルロースエーテルが180°回転する反応器中でタンブリングされる、請求項１記載の方法。
前記セルロースパルプが水酸化ナトリウムと接触されることによりアルカリ性にされ、アルカリ性にされたセルロースパルプが塩化メチル又は塩化メチルとプロピレンオキシドの混合物と接触させることによりエーテル化され、粒状セルロースエーテルが180°回転する反応器中でタンブリングされ、粒状セルロースエーテルが塩化水素と接触させることにより解重合され、酸が無水塩基性化合物と接触させることにより部分的にもしくは実質的に中和される、請求項１記載の方法。
工程f)において、粒状セルロースエーテルの温度が90℃に調整され、工程g)において、粒状セルロースエーテルが90℃の温度において気体の無水塩化水素と接触される、請求項１記載の方法。