KR19990058544A - 자당 지방산 에스테르의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재결정화 용매의 적절한 선택과 재결정화 조건 등을 활용하여 간단한 공정에 의해 고수율로 1과 20 사이의 HLB를 갖는 자당 지방산 에스테르를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

자당 지방산 에스테르의 제조공정에는 이를 분말화하는 공정이 필요한데, 종래의 방법은 입자크기를 쉽게 조절할 수는 있었으나, 경제적인 측면에서 불리한 점이 많았고, 폭발 위험성도 있었다.

본 발명에 의하면 상기 분말화시킬 때 알코올의 재결정용매를 상기 자당 지방산 에스테르에 대해 0.5 내지 6배의 양을 사용하고, -20℃ 내지 상온 하에서 재결정하면 고수율로 1 내지 20 사이의 HLB를 갖는 자당 지방산 에스테를 제조할 수 있음을 특징으로 한다.

본 발명의 재결정화 방법은 결정화 후 간단한 여과 건조를 거쳐 자당 지방산 에스테르를 생산할 수 있다는 점과 분무 건조처럼 특별한 장치가 필요 없으며, 정전기 등에 의한 폭발의 위험성도 없고, 운전 경비가 절감되고, 용매의 회수율도 기존 방법에 비해 좋기 때문에 경제적인 공정 확립이 가능한 효과가 있다.

Description

자당 지방산 에스테르의 제조방법

본 발명은 자당 지방산 에스테르의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 재결정화 용매의 적절한 선택과 재결정 조건 등을 활용하여 간단한 공정에 의해 고수율로 다양한, 즉 1과 20 사이의 HLB를 갖는 자당 지방산 에스테르를 제조하는 방법에 관한 것이다.

자당 지방산 에스테르(Sucrose Fatty Acid Ester)는 우수한 계면활성, 만족할만한 생분해성, 높은 안정성을 갖고 있고, 세포막을 파괴하지 않는 점, 다양한 HLB(Hydrophile-LipophileBalance)를 가지는 제품생산이 가능한 점 등 환경친화형 계면활성제로서 향후 환경문제의 심각성을 고려할 경우 다양한 분야에서 용도 확대가 기대되며, 이러한 성질을 활용하여 현재는 식품, 화장품, 의약품 등의 첨가제, 식품 세정제, 고분자, 사료첨가제 등으로 사용되고 있다.

특히, 비타민 등의 정제(Tablet) 제품이 시장을 확대하고 있고, 금후에도 비약적인 기대를 해도 좋을 것 같다. 또한, 화학공업산업 중의 중합반응, 산화반응 등의 분야에도 활용되고 있으며, 특히 고흡수성 고분자 유화 중합시 유화제로 사용할 경우 수율이 향상되고, 잔류 모노머가 거의 없는 제품이 얻어진다.

소득향상과 더불어 다양한 제품이 출시되고 있는데, 최근 시장이 성장하고 있는 분야인 구강 치료(Oral Care) 분야에 무독성의 자당 지방산 에스테르를 분산제로 활용하게 되면 이것도 하나의 큰 시장이 될 것으로 보이는 등 꾸준한 용도확대 및 시장이 커지고 있는 분야로 이와 더불어 다양한 HLB를 갖는 유도체의 개발이 요구되고 있다.

예를 들면, 의약품 분야에 있어서, 특수한 화학구조를 갖고 또한 고순도의 자당 지방산 에스테르를 요구하고 있고, 일반화학공업분야에서는 순도보다도 오히려 저가격화 및 유도체의 제공이 요망되고 있다. 이러한 추세에 발맞추어 고부가가치의 제품 개발과 경쟁력 있는 공정 개발이 요구되고 있다.

현재, 자당 지방산 에스테르는 설탕과 C₈내지 C₂₂의 고급 지방산 메틸에스테르를 용매, 예를 들면 디메틸포름아미드(Dimethyl Formamide), 디메틸설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide)와 같은 극성용매 중에서 알칼리성 촉매 존재 하에 제조하는 방법과 용매로서 물을 사용하거나 무용제법을 이용하여 제조하는 방법이 알려져 있다. 그 외에도 효소법에 대해서는 연구가 진행되고 있지만, 상업적인 장점은 없는 것으로 알려져 있다.

특히, 다양한 HLB를 갖는 자당 지방산 에스테르의 제조는 상당히 복잡한 공정, 예를 들면 탈당공정, 중화공정, 용매농축공정, 불순물제거를 위한 세척공정 등을 거치게 되며, 이 경우에 자당 지방산 에스테르를 분말화시키는 공정이 필요하다.

자당 지방산 에스테르를 분말화하는 방법으로 주로 분무건조방법(spray drying method)이 알려져 있다(미국특허 제 5,011,922호, 미국특허 제 5,017,697호, Inform. Vol 8. No 8, P868). 이 방법은 입자크기를 마음대로 조절하는 것이 가능하다는 장점은 있으나 용매의 회수가 어렵고(원 단위 상승), 용매가 빠른 속도로 분산되므로 정전기 등에 의한 폭발 위험이 있고, 사용장비가 고가이며, 질소를 이용한 스프레이 방식을 채택해야 하므로 운전경비가 많이 소요되는 등의 경제적으로 불리한 측면이 있으며, 잠재재해 요소도 있는 등 여러 가지 측면에서 많은 단점을 가지고 있다.

본 발명은 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용매에 대한 용해도차를 잘 이용하고 상온에서 잘 녹지 않는다는 점을 충분히 살려 재결정하는 방법으로 제품을 분말화하여 고수율로 자당 지방산 에스테르를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 경제성이 있으면서 보다 생산성이 높은 간단한 공정에 의해 다양한 HLB를 갖는 자당 지방산 에스테르를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

자당 지방산 에스테르는 일반적으로 사용되는 식품 유화제와는 달리 설탕과 고급 지방산메틸에스테르의 몰비 조절에 의해 광범위한 HLB를 갖도록 하는 것이 가능한데, 특히 높은 HLB를 갖는 자당 지방산 에스테르의 제조가 가능하다는 것이 큰 특징이다.

따라서, 통례적으로 설탕을 2 내지 3배 정도 과량 사용하며, 미반응 설탕은 효과적으로 제거함으로써 경제적인 공정이 가능하고, 다음 반응에 회수당을 사용할 경우 그대로 사용하여도 되는 장점이 있다.

본 발명에서의 자당 지방산 에스테르는 설탕을 고급 지방산메틸에스테르와 디메틸설폭사이드와 같은 극성용매를 반응용매로 하여 알칼리 촉매 존재하에 50 내지 150℃의 온도에서 4 내지 5시간 동안 반응시켜서 제조를 한다.

본 발명에서 사용하는 설탕으로는 순도 99.5％ 이상, 전화당 0.1％ 이하, 수분 0.05％ 이하인 것이 바람직하다. 전화당 함유율이 높은 것은 제품의 착색을 초래하기 때문에 사용하지 않는 것이 좋다. 설탕의 사용량은 지방산 메틸에스테르의 사용 몰량에 대해 0.1 내지 20몰이 바람직하지만, 더욱 바람직하기로는 0.2 내지 8몰 정도이다.

본 발명에서 사용하는 고급 지방산메틸에스테르는 C₈내지 C₂₂의 고급포화지방산메틸에스테르 또는 불포화지방산메틸에스테르가 바람직하다. 구체적인 예로는 카프로익산(C₈), 카프릭산 (C₁₀), 라우릴산(C₁₂), 미리시틴산(C₁₄), 팔미틴산(C₁₆), 스테아린산(C₁₈) 등의 포화지방산메틸에스테르와, 올레인산(C₁₈), 리놀렌산(C₁₈) 등의 불포화지방산메틸에스테르가 있다. 이 지방산메틸에스테르들은 자당 지방산 에스테르의 요구물성에 따라 적절하게 혼합하여 사용할 수도 있다.

본 발명에서 사용하는 용매로는 열안정성, 설탕에 대한 용해성, 환경에 대한 안전성 등의 이유로 디메틸설폭사이드와 같은 극성용매를 사용하는 것이 바람직하며, 설탕과 지방산메틸에스테르의 총고형분에 대해서 20 내지 200중량％를 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서 사용하는 알칼리 촉매는 반응계에서 현탁상태로 존재하며, 그 구체적인 예로는 알칼리금속히드라이드, 알칼리금속히드록사이드, 알칼리금속카보네이트 등이 사용될 수 있으며, 특히 탄산칼륨, 탄산나트륨 등이 가장 바람직하다. 그리고, 그 사용량은 지방산메틸에스테르에 대해 0.001 내지 0.1당량이 바람직하다.

본 발명에서의 반응온도는 일반적으로 50 내지 150℃에서 진행하는 것이 바람직하지만, 70 내지 120℃에서 실시하는 것이 더욱 바람직하다. 특히, 이러한 반응을 시킬 때, 반응이 진행되면서 발생하는 메탄올을 효과적으로 제거하여야만 원하는 반응이 시간 내에 완료될 수 있다. 이를 위해서는 다소간의 진공이 필요하며, 이것은 반응온도에 의해 좌우될 수 있지만, 대략 10 내지 200토르로 진공을 조절하면 된다.

본 발명에 따르면, 설탕은 8개의 히드록시기를 가지고 있기 때문에 지방산메틸에스테르와의 반응에 의해 모노에서 옥타치환체의 혼합물 조성의 조절이 가능하다. 이 조절은 출발물질인 설탕과 지방산메틸에스테르의 몰비 조절에 의해 가능하다.

한편, 반응액에서 촉매의 활성을 없애기 위해서, 촉매와 동량의 유기산을 첨가하여 금속염 등의 형태로 중화시켜 제조되는 자당 지방산 에스테르를 안정화시킬 수 있다. 사용될 수 있는 유기산의 구체적인 예로는 개미산, 아세트산, 프로피온산, 옥살산, 숙신산, 벤조산, 구연산, 말레인산, 타르타르산, 유산, 염산, 황산 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 여기서, 중화는 약 1 내지 2시간 정도 교반하여 완료하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 상기한 바와 같은 중화공정 이후에 반응용매로 사용한 디메틸설폭사이드를 진공하에서 약 50 내지 100％ 까지 제거하고 계속해서 탈당공정을 수행한다. 다음에 농축공정과 불순물 제거를 위한 세척공정을 실시한 후 자당 지방산 에스테르의 분말화를 위해서 재결정 공정을 실시한다.

본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이, 설탕과 지방산메틸에스테르의 반응에 의해 생성되는 1 내지 20의 HLB를 갖는 조(粗, Crude) 자당 지방산 에스테르를 분말화시킬 때, 알코올을 재결정용매로 하여 상기 자당 지방산 에스테르에 대해 0.5 내지 3배의 양을 사용하고, -20℃ 내지 상온에서 재결정을 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용하는 알코올로는 프로판올, 이소프로판올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 아밀알코올, 헥산올 등이 있으며, 고상의 조 자당 지방산 에스테르를 세척공정 후에 약 50 내지 100℃의 융해온도하에서 녹이기 위해서 사용하는 방향족 탄화수소/알코올을 사용량의 약 70 내지 80％ 정도 농축한 후 그대로 온도를 낮추어 재결정하든지 또는 해당 알코올을 추가 투입하여 재결정할 수 있다. 여기서 사용하는 방향족 탄화수소로는 벤젠, 톨루엔, 키실렌, 에틸벤젠 등 치환체의 탄소수가 1 또는 2인 것이 있다. 알코올과 방향족 탄화수소의 비는 무게비로 0.1 내지 10 범위 내에서 조절하여 자당 지방산 에스테르의 HLB에 따라 적당한 것을 사용할 수 있다.

상기 혼합용매의 사용량은 조 자당 지방산 에스테르에 대해 2 내지 6배가 바람직하고, 재결정시 알코올의 양은 조 자당 지방산 에스테르에 대해 0.5 내지 6배, 바람직하기로는 0.5 내지 3배 정도로 조절하여 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 재결정 과정은 -20℃ 내지 상온(20℃)에서 수행할 수 있으며, 재결정은 조건에 따라 한번에 완료할 수 있고, 필요한 경우 2차례에 걸쳐 수행할 수도 있다. 재결정할 때 용매는 서로 혼합하여 사용할 수도 있다.

이하 본 발명을 실시예 및 비교예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

설탕 1,027g을 디메틸설폭사이드 3,100g에 녹이고, 여기에 메틸스테아레이트 298.5g을 넣고, 혼합하였다. 이 혼합물에 탄산칼륨 6.9g을 넣고 온도를 상승시켜 90℃로 한 다음, 반응하면서 생성되는 메탄올을 감압추출하고, 4시간 내에 반응을 완료하였다.

반응 종료액에 숙신산의 DMSO 용액(숙신산으로서 20.2g)을 바로 가해서 중화를 완료하고, 감압 하에서 50％ 고형분 농도까지 농축을 실행하였다. 탈당을 위하여 80℃를 유지하면서 이소부탄올/톨루엔(5 : 5, 무게비) 2,300g을 1시간 동안에 적하하여 자당 지방산 에스테르를 완전히 용해시킨 후, 15℃ 까지 냉각하여 탈당을 하고, 여과하여 여액을 다시 여러 단계의 분리 공정을 거쳐 포화 식염수로 세척이 완료된 조 자당 지방산 에스테르를 함유하는 이소부탄올 용액을 고형분 농도가 50중량％가 될 때까지 농축하고, 2시간에 걸쳐 온도를 10℃까지 낮춘 후 1시간 동안 방치를 하고 재결정한 후 여과하여 습윤 상태의 자당 지방산 에스테를 얻었다.

이때, 생긴 여액을 다시 50％ 정도 농축한 후 0℃에서 2차 재결정을 하여 얻어진 제품을 같은 필터에서 최종 여과를 실시하여 건조된 자당 지방산 에스테르 500.4g(수율 90％)을 얻었다.

이 제품을 GPC로 분석한 결과 모노(mono) : 디(di) : 트리(tri)의 비는 69.5 : 25.3 : 5.2이었으며, 이 최종 제품은 반응 종료 후 중화하여 중간에 분석한 결과와 일치하는 결과로 반응도중에 여러 공정은 거치면서 제품의 조성비가 변하지 않았다는 것을 알 수 있었다.

실시예 2

실시예 1에서와 동일한 조건에서 반응하지만 물 세척시 사용하는 용매를 톨루엔/이소부탄올(탈당용매와 동일한 조성)(5 : 5, 무게비)을 2,000g 사용하였으며, 이것을 약 70중량％(1,400g)를 농축한 후 20중량％의 이소부탄올을 추가투입하여 자당 지방산 에스테르 대비 이소부탄올 투입량을 약 2배로 만들어 상기의 조건과 동일한 재결정 공정을 거쳐 건조된 자당 지방산 에스테르 389.3g(88％)을 얻었다.

이 제품을 GPC로 분석한 결과 모노 : 디 : 트리의 비가 70.1 : 25.0 : 4.9이었다.

비교예 1

실시예 1에서와 동일한 조건에서 반응하지만 물 세척시 사용하는 용매를 톨루엔/이소부탄올(탈당 용매와 동일한 조성)(5 : 5, 무게비)을 2,000g 사용하였으며, 이것을 진공 100토르에서 약 70중량％(1,400g)를 농축한 후 농축한 양만큼인 70중량％의 이소부탄올을 추가 투입하여 제품 대비 이소부탄올 투입량을 약 4배로 만들어 상기의 조건과 동일한 재결정 공정을 거쳐 자당 지방산 에스테르 422.6g(76％)를 얻었다.

이 얻어진 제품을 GPC로 분석한 결과 모노 : 디 : 트리의 비가 64.8 : 29.3 : 5.9이었다. 이 결과 용매 양이 너무 많아지면 제품의 조성비가 변할뿐더러 수율이 현저히 떨어지는 경향을 보여주었다.

실시예 3

설탕 376.2g을 디메틸설폭사이드 1.530g에 녹이고, 여기에 메틸스테아레이트 298g을 넣고 혼합하였다. 이 혼합물에 탄산칼륨 6.91g을 넣고 온도를 상승시켜 90℃로 한 다음 반응하면서 생성되는 메탄올을 감압추출하면서 4시간 30분에 반응을 완료하였다. 반응 종료액에 유산의 디메틸설폭사이드 용액(유산으로서 9.05g)을 바로 가해서 중화를 완료하고 감압 하에서 50％ 고형분 농도까지 농축을 실행하였다.

탈당을 위하여 80℃를 유지하면서 부탄올/톨루엔(8 : 2, 무게비) 1,000g을 30분 동안에 적하하여 자당 지방산 에스테르를 완전히 용해시킨 후 15℃까지 냉각하여 탈당하고 여과하여 여액을 다시 여러 단계의 분리 공정을 거쳐 포화 식염수로 세척이 완료된 조 자당 지방산 에스테르를 함유하는 부탄올 용액을 고형분 농도가 33중량％가 될 때까지 농축하고, 2시간에 걸쳐 -10℃까지 온도를 낮춘 후 1시간 동안 방치를 하고 재결정한 후 여과하여 습윤 상태의 자당 지방산 에스테르 466g(수율 91％)를 얻었다.

최종적으로 얻어진 자당 지방산 에스테르를 GPC로 분석한 결과 모노 : 디 : 트리의 비는 50 : 30 : 20(HLB 9)이었다.

실시예 4

실시예 3에서와 동일한 조건에서 반응을 시키되 재결정 용매로서 이소아밀알코올을 사용하여 재결정을 실시하였는데 포화 식염수로 세척이 완료된 조 자당 지방산 에스테르를 함유하는 이소아밀알코올 용액을 고형분 농도가 50중량％가 될 때까지 농축한 후 온도를 2시간에 걸쳐 10℃까지 낮춘 후 1시간 동안 방치를 하고 재결정한 후 여과하여 습윤 상태의 자당 지방산 에스테르를 얻었다.

이때 생긴 여액을 다시 50％ 정도 농축한 후 -10℃에서 2차 재결정하여 생긴 제품을 같은 필터에서 최종 여과를 실시하여 건조한 자당 지방산 에스테르 456.5g(수율 89％)을 얻었다.

이 제품을 GPC로 분석한 결과 모노 : 디 : 트리 의 비는 49.7 : 29.8 : 20.5(HLB 9)이었다.

실시예 5

톨루엔 120g, 이소부탄올 120g에 모노 함량이 30인(HLB 5) 자당 지방산 에스테르 60g을 녹인 후 농축압력 100토르에서 168g을 농축한 후 24g의 이소부탄올을 추가 투입하여 -10℃까지 온도를 낮춘 후 1시간 정도 교반하면서 재결정한 결과 자당 지방산 에스테르의 색깔이 더욱 희게 되는 현상과 함께 거의 95％ 이상의(58g) 재결정 회수율을 보여 주었으며, 얻은 제품을 GPC로 분석한 결과 모노가 29.8로 재결정 전이나 재결정 후나 제품의 변화가 없다는 것을 알 수 있어 상업적 적용이 가능하다는 것을 다시 한번 확인하였다.

본 발명의 재결정화 방법은 결정화 후 간단한 여과 건조를 거쳐 자당 지방산 에스테르를 생산할 수 있다는 점과 분무 건조처럼 특별한 장치가 필요 없는 장점이 있으며, 정전기 등에 의한 폭발의 위험성도 없고, 운전 경비가 절감되고, 용매의 회수율도 기존 방법에 비해 좋기 때문에 경제적인 공정 확립이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 재결정화 방법은 제품의 외관이나 색상 측면에서도 유리하기 때문에 상품 가치를 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 설탕을 고급 지방산메틸에스테르와 디메틸설폭사이드와 같은 극성용매를 반응용매로 하여 알칼리 촉매 존재하에 반응시키고 유기산에 의해 중화시킨 후 탈당, 농축 및 세척 공정을 실시하고, 재결정에 의해 분말화하여서 자당 지방산 에스테르를 제조하는데 있어서, 상기 분말화시킬 때 알코올의 재결정용매를 상기 자당 지방산 에스테르에 대해 0.5 내지 6배의 양을 사용하고, -20℃ 내지 상온 하에서 재결정하여서 됨을 특징으로 하는 자당 지방산 에스테르의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 재결정 용매로는 프로판올, 이소프로판올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 아밀알코올 및 헥산올로 이루어진 그룹으로부터 선택하여서 되는 것을 특징으로 하는 자당 지방산 에스테르의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 재결정은 상기 세척 공정 후의 고상의 조 자당 지방산 에스테르를 녹이기 위해서 사용하는 방향족탄화수소/알코올을 사용량의 약 70 내지 80％까지 농축시킨 후에 그대로 온도를 낮추어 재결정하든지 또는 알코올을 추가 투입하여서 재결정 농도를 조절하여 실시하는 것을 특징으로 하는 자당 지방산 에스테르의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소는 벤젠, 톨루엔, 키실렌 및 에틸벤젠으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 상기 알코올과 방향족탄화수소의 비를 무게비로 0.1 내지 10로 조절하여서 됨을 특징으로 하는 자당 지방산 에스테르의 제조방법.