KR870000657B1

KR870000657B1 - 액상 2-하이드록시-메틸티오부티르산의 제조방법

Info

Publication number: KR870000657B1
Application number: KR1019840007114A
Authority: KR
Inventors: 아서 루에스트 데니스; 다카노 마사하루; 러셀 울프 로오렌스
Original assignee: 몬산토 캄파니; 아놀드 하베이 콜
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1987-04-04
Also published as: JPH05211846A; ZA848847B; EP0142488A3; US4524077A; GEP19960463B; SU1428193A3; CA1263668A; GB2149791B; ATE29131T1; GB2149791A; CA1263668C; JPS60156396A; AU3535984A; JPH051787B2; EP0142488A2; KR850004108A; MX163989B; GB8428657D0; EP0142488B1; DE3465592D1

Abstract

내용 없음.

Description

액상 2-하이드록시-메틸티오부티르산의 제조방법

제1도는 본 발명의 공정을 도시한 개요도.

제2도는 제1도를 좀더 구체적으로 도시한 공정도.

제3도는 본 발명에 이용된 가로흐름 추출공정(Crossflow extraction system)을 도시한 것이며,

제4도는 분배계수 측정에 사용된 추출공정을 도시한 것이다.

본 발명은 2-하이드록시-메틸티오부티르산(HMBA)의 제조에 관한 것으로, 좀더 구체적으로 설명하면 HMBA를 포함하는 액체생성물을 제조하기 위한 개선된 제조 공정에 관한 것이다.

일반적으로 메티오닌하이드록시 유사체나 2-하이드록시-(메틸티오) 부탄산으로 알려진 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산은 필수아미노산인 l-메티오닌의 유사체이다.

HMBA와 같은 메티오닌 유사체들은 영양적인 목적으로 메티오닌을 공급하는데 효과적이며, 특히 가금사료의 첨가물로써 효과적이다.

HMBA는 대량 생산을 위해 2-하이드록시-4-메틸티오브티로니트릴(HMBN)을 무기산으로 가수 분해하고, 알칼리토금속 수산화물이나 탄산염을 첨가하여 산잔류물을 침전시킨 다음, 수용상으로부터 HMBA염을 증발결정화하여 회수함으로써 라세믹 D, L-혼합물로 제조하여 왔다.

이에 관한 예로서, 브라크 등의 미국특허 제2745745호에서는 산잔류물을 침전시키기 위하여 가수분해물에 첨가하는 알칼리토금속수산화물이나 탄산염의 몰비에 따라 암모늄염이나 암모늄과 알칼리토금속염들이 혼합된 HMBA를 제조할 수 있음에 대하여 언급한 바 있다.

최근에는 수중에 고농도의 HMBA, 대표적으로 85wt% 내지 90wt%를 함유하는 액상 HMBA의 제조에 관한 공정이 개발되었다(쿠민스의 미국특허 제3773927호).

이와 같은 방법으로 제조된 액상의 HMBA생성물은 강한 냄새와 비교적 어두운 색을 나타내며, 이소푸로파놀용액으로 10 : 1로 희석시켰을 경우에도 액체생성물은 가드너 색도로 14 또는 그 이상의 수치를 나타낸다. 일반적으로 이러한 농도가 높은 액체생성물은 에스테르 소중합체(ester oligomers)를 포함한다. 대부분의 소중합체들이

35wt%의 물을 포함하는 반응계에서 단량체인 HMBA로 가수 분해되어 평형을 유지한다 하더라도, 포함된 물의 수준이 반응계의 10wt% 내지 15wt%일 경우에는 이러한 가수분해의 속도는 매우 느려진다. 이러한 이유는 상대적으로 안정한 소중합체들이 농축된 액체생성물에 대하여 상대적으로 높은 첨성을 전달하기 때문이다.

액체생성물에서의 탈색과 소중합체의 형성은 탈수공정의 마지막 부분을 행하는 동안 고온과 낮은 물의 함량조건 하에서 HMBA가 노출됨으로 인해 나타나는 현저한 결과에 기인되는 것으로 믿어진다. 또한 탈수공정은 생성물의 단위 중량에 대하여 많은 양의 물을 제거할 필요가 있기 때문에 에너지의 소비를 증대시킨다.

또 한편으로는, 모액으로부터 부산물인 고체들(solids)을 침전이나 원심 분리공정에 의해 분리시키는데 어려움을 초래하며, 이 공정에 의하여 HMBA생성물이 고체부산물염의 표면에 부착되어 분리되기 때문에 수율이 저하되는 단점이 있다.

HMBA염의 제조에 있어서 증발결정화(evaporative crystallization)를 대신할 수 있는 방법으로서는 브라크의 미국특허 제2745745호에 기재된 바와 같이 적합한 수불용성 유기액체, 예를 들어 디에틸에스테르와 같은 용매를 사용하여 추출함으로써 반응 혼합물로부터 산생성물의 분리 가능성을 제한시키는 방법이 있다.

하나의 실시예로써 브라크는 HMBN를 진한 염산으로 처리하고 반응 혼합물을 냉각시켜 염화암모늄을 결정화시키고, 염화암모늄을 분리하기 위해 혼합된 슬러리를 여과하고 여과물을 디에틸에테르로 추출하여 오일상의 액체를 얻은 다음, 포화식초산아연 용액으로 처리하여 HMBA의 아연염을 제조하는 방법에 대하여 언급하였다.

영국특허 제915193호는 HMBA의 칼슘염을 제조하기 위한 방법에 대하여 기술하고 있는 것으로 여기에서는 HMBN을 연속역혼합 반응기에서 묽은 황산용액을 사용하여 HMBA로 가수 분해시키고, HMBA를 에틸에테르보다 높은 비등점을 가지는 이소푸로필에테르나 부틸에테르와 같은 에테르로 추출함으로써 반응액으로부터 분리시키는 공정을 포함한다. 추출물에 물을 가하여 에멀션을 형성시킨 다음 여기에 탄산칼슘이나 수산화 칼슘을 가하여 칼슘 HMBA를 침전시킨다.

상술한 영국 특허는 액체 HMBA생성물의 제조에 관한 것이 아니다. 이 영국특허에서는 연속역혼합반응계를 사용하기 때문에 HMBA로 HMBN이나 아미드 중간체의 완전한 전환을 기대할 수 없는 것이다. 미반응 물질이 염침전물내의 알칼리 조건하에서 완전히 비누화가 이루어져 상술한 공정에서의 문제점이 없다고 하더라도, 미반응물의 존재는 액체 HMBA생성물을 제조하기 위한 경우에는 바람직하지 못한 것이다.

추출에 의하여 가수 분해물로부터 직접 HMBA를 회수하는 방법은 겔켄의 미국특허 제3,175,000호에 기술되어 있으나 수율은 저조한 것이었다. 이 특허에서 겔켄은 우선 황산암모늄을 첨가하여 HMBA를 황산가수 분해물로부터 염석시키고, 수용상의 잔류 HMBA를 추출에 의해 회수하는 방법을 사용하였다. 크민즈의 미국특허 제3773927호는 HMBN의 연산 가수 분해로 HMBA를 제조하는 것에 대하여 언급한 것이다.

이 특허에 기술된 조건하에서는 가수 분해반응에 의해 고체염화암모늄을 포함하는 슬러리는 원심분리에 의해 제거된다. 다음에 여과물을 진공증류시켜 물을 분리시킨다. 가수분해가 행하여지는 동안, 쿠민즈는 80℃에서 31% 내지 38%의 염산용액에 HMBN을 가한 후 85℃ 내지 100℃로 가열해야 한다는 것이 바람직함을 강조하였다.

따라서 본 발명은 이러한 선행기술의 단점을 제거하여 완성된 것으로, 본 발명의 목적은 HMBA의 신규한 제조방법, 좀더 구체적으로는 종래 기술로 제조된 동일한 HMBA생성물보다 밝은 색도, 약한 냄새 저점도 및 우수한 열안정성 등을 가지는 농축된 HMBA의 수용성용액을 제조하기 위한 효과적인 방법을 제공하는 것임은 물론, 비교적 값싼 에너지 비용으로 HMBA를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이며, 또 한편으로는 생성물회수 과정에 있어서 변색이나 소중합 반응을 최소로 하여 농축된 HMBA의 액체 생성물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 포함하는 색도·냄새 및 점도면에서 유리한 특성을 가진 신규의 액체 생성물을 제공하는 것이다. 그러므로 본 발명을 간단히 설명하면, 2-하이드록시-4-메틸티오-부티르산(HMBA)의 제조방법에 관한 것으로, 이는 2-하이드록시-4-메틸티오부티로니트릴(HMBN)을 무기산으로 가수 분해하여 미반응 HMBN 및 중간체인 아미드가 실질적으로 유리된 HMBA를 포함하는 수용성 가수 분해물을 제조하기 위한 것이다. 또한 본 발명은 가수 분해물 용액내에 존재할 수 있는 고체물을 분별하여 분리함이 없이 가수 분해물을 액-액 추출공정에서 수불용성유기용매와 접촉시켜 용매와 가수 분해물로부터 전이된 HMBA를 포함하는 추출물을 제조하는 것이다.

추출조건들은 추출물과 수용성 라피네이트들이 추출에 따른 상분리에 의해 액상을 형성하기 때문에 조절하여야 하며, HMBA는 추출물로부터 회수된다.

본 발명은 HMBA의 제조 방법에 관한 것으로 이는 HMBN을 무기산으로 가수 분해하여 HMBA를 포함하는 수용성 가수 분해물을 제조하는 것이다. 가수 분해물 용액은 액-액 추출공정에서 수불용성유기용매와 접촉시켜 용매와 가수 분해물로부터 전이된 HMBA를 포함하는 추출물을 증기 증류에 의해 용매를 제거시키고 HMBA와 물을 포함하는 액체 혼합물을 제조하는 것이다.

또한 본 발명은 HMBN을 수용성 무기산이 포함된 혼합물로 가수 분해시켜 HMBA를 포함하는 수용성 가수 분해물 용액을 제조하는 것으로, 여기에서 수용성 가수 분해물은 실질적으로 수불용성인 용매와 접촉되어 용매와 수용성 용액으로부터 전이된 HMBA를 포함하는 추출물을 제조하며, HMBA는 용매로부터 분리된다. 용매는 약 60℃ 내지 약 200℃ 사이의 비등점을 가지며, 분배계수는 추출된 HMBA를 포함하는 용매와, 용매와 가수 분해물과의 접촉 후에도 남아 있는 수용성 라미네이트와의 평형상태에서 HMBA에 대하여 적어도 약 2이며, 이 분배계수는 HMBA를 포함하는 추출시험편(extract specimen)과 추출시험편과 세척수와의 접촉후에도 남아 있는 수용성상 사이에서 적어도 약 1이며, 용매내에서의 물의 용해도 실온에서 약 12wt%를 초과하지 않는 것이다.

본 발명은 색도와 냄새가 개선되고 점도가 감소된 HMBA의 제조 방법에 관한 것으로, 여기에서는 HMBN을 유기성분이 없는 상태로 초기농도가 50wt% 내지 70wt% 사이의 황산으로 가수분해시킴으로써 2-하이드록시-4-메틸티오부티르아미드를 포함하는 중간체인 수용성 가수 분해생성물 용액을 제조하고, 2-하이드록시-4-메틸티오부티르아미드를 유기성분이 없는 상태로 농도가 약 30wt% 내지 약 50wt%사이의 황산으로 가수 분해하여 HMBA를 포함하는 수용성 가수분해물 용액을 제조한 후, 가수분해물 용액을 액-액 추출공정에서 실질적으로 수불용성인 유기 용매와 접촉시켜 용매와 가수 분해물로부터 전이된 HMBA를 포함하는 추출물을 얻고 여기에서 HMBA를 회수하는 것이다.

또한, 본 발명은 HMBA단량체, 이량체 및 소중합체를 전체중량비로 약 80wt% 내지 약 95wt%, 물을 약 5wt% 내지 약 20wt% 포함하는 액체상의 동물사료 첨가물을 제공함에 관한 것이다.

본 발명에 의한 생성물의 색도는 가드너스케일로 측정한 결과 약 10을 초과하지 않을 뿐 아니라, HMBA의 이성체와 소중합체 총합의 중량비율에 대한 HMBA 단량체의 중량 비율의 비는 적어도 약 2.8이고, 케논-휀스키점도계로 ASTM D-445에 따라, 측정한 25℃에서의 등점도는 약 90센티스토크 이하이었다. 또 본 발명에 의한 생성물은 시차열분석이나 가속비열계량법을 실시하여도 약 150℃ 이하의 어떤 온도에서도 발열이나 흡열등 열화학적 영향을 전혀 나타내지 않았다.

다음에서 본 발명을 구체적으로 설명한다.

제1도는 본 발명의 공정을 간략하게 도시한 개요도로써 구체적으로 설명한다면, 우선 HMBN을 황산과 접촉시켜 가수 분해하여 HMBA를 포함하는 밝은 색의 가수 분해물을 얻은 다음, 가수 분해물을 액-액 추출공정에서 용매와 접촉시킴으로써 용매를 포함하는 추출물로 HMBA를 전이시킨다.

추출물과 라피네이트를 분리하고 추출물을 증기 증류하여 용매를 제거한다. 증기 증류 컬럼의 조작은 HMBA와 물을 포함하는 생성물을 얻기 위해 조절하여야 한다. 추출물로부터 분리한 후, 수용성 라피네이트 또한 증기로 스티리핑하여 잔류 용매를 제거시킨다. 추출컬럼과 라피네이트스트리핑컬럼위로 나오는 용매는 제2도에서와 같이 추출 공정으로 순환시킨다.

이 공정에서의 가수 분해 공정은 HMBN을 약 50wt% 내지 약 70wt% 사이의 농도, 바람직하게는 약 55wt% 내지 65wt% 사이의 농도를 가지는 황산을 유기성분이 없는 상태로 약 25℃ 내지 약 65℃의 온도 사이에서 바람직하게는 약 40℃ 내지 약 60℃의 온도 사이에서 혼합시키는 것이다.

반응 속도를 효과적으로 조절하기 위하여, HMBN을 산에 가하는 것이 역으로 가하는 것보다 바람직하다. 니트릴에 산이 가해지면 반응은 최소량의 산이 존재할 때까지 일어나지 않으며, 이후의 반응을 최종생성물의 질을 감소시킬지도 모르는 발열 반응으로 인해 증가된 온도에서 매우 빠르게 진행된다. 대표적으로 니트릴은 약 30분 내지 약 60분 동안에 첨가하며, 좀더 바람직한 조건하에서는 아미드로의 실질적인 니트릴의 전환은 약 30분 내지 약 90분 사이에 일어난다.

따라서 반응 혼합물은 완전한 혼합이 완결된 후 상술한 온도 범위에서 약 15분 내지 약 30분간 교반시키는 것이 바람직하다. 이후에 2-하이드록시-4-메틸티오부틸아미드는 약 70℃ 내지 약 120℃의 온도범위, 바람직하게는 85℃ 내지 95℃에서 좀더 가수분해를 시킴으로써 HMBA로 전환된다.

산을 제조하기 위한 아미드의 마지막 가수분해는 유기성분이 없는 상태로 약 30wt% 내지 약 50wt%, 보다 바람직하게는 30wt% 내지 40wt%, 가장 적합하게는 약 40wt%의 초기 농도를 가지는 황산으로 행하는 것이 바람직하다.

반응 혼합물을 마지막 가수 분해 온도까지 급히 가열시키는 것은 생산성면에서 바람직하며, 초기 산의 농도가 유기 성분이 없는 상태로 약 50wt% 이상이면 독립된 유기상의 분리가 일반적으로 발생한다. 보다 바람직한 농도를 제공하기 위하여, 반응 혼합물을 70℃ 내지 120℃로 가열하기 전에 물을 가함으로써 산의 상(Acid phase)을 희석시킬 필요가 있다.

희석된 산의 농도가 증가된 온도의 조건하에서 아미드는 약 1½내지 약 3시간 주기내에서 산으로 전환된다. 바람직하게 황산 가수 분해는 공급되는 HMBN몰당 약 1몰의 황산을 사용하는 것이 좋다. 일반적으로 산을 0~10% 바람직하게 0~5%는 과량 사용하는 것이 만족할만한 결과를 제공한다.

본 발명이 황산과 함께 가수 분해를 행함으로써 생성물의 개선된 특성을 얻을 수 있다고 하더라도, 본 발명은 염산과 같은 여러가지 무기산을 사용해도 가수 분해를 행할 수 있는 특징이 있다. 염산을 사용하는 경우, 니트릴을 아미드로 전환시키는 첫번째 가수분해 공정은 약 25℃ 내지 약 60℃의 온도, 바람직하게는 약 45℃ 내지 약 55℃의 온도에서 약 30분 내지 약 60분 동안 약 30wt% 내지 약 40wt%, 바람직하게는 약 35wt% 내지 약 37wt% 농도를 가지는 산에 HMBN을 첨가함으로써 적합하게 개시시킬 수 있다. 니트릴이 아미드로 전환됨에 따라 소량의 고체가 정상적으로 나타난다. 아미드를 HMBA로 보다 더 가수 분해시키기 위해서는 반응계를 약 70℃ 내지 약 120℃ 사이의 온도, 바람직하게는 약 75℃ 내지 약 80℃의 온도로 급히 가열시킨다.

HMBN을 HMBA로 완전히 가수 분해시키기 위해서는 대략 15% 내지 20%, 과량의 HCl이 요구된다. 아미드는 배치반응기에서 약 90분 내지 약180분 사이에 완전히 HMBA로 가수 분해된다.

본 발명의 공정중 가수 분해 공정은 베치식 또는 연속식으로 행할 수 있으나, 가수 분해 반응을 실질적으로 완결되도록 행하는 것이 중요하다. 연속 반응 공정을 사용한다면, 실질적으로 완전한 전환이 이루어지도록 고안하고 조작을 해야 한다. 그러므로, 예를 든다면, 연속적인 조작은 프러그흐름튜블러 반응기(plug flow tubular reactor) 나 직렬교반식 탱크 시스템을 사용할 수 있다.

단일 역 혼합 반응기는 체류 시간에서만 적합한 전환을 제공하기 때문에 일반적으로 상업적인 생산면에서 적합치 못한 것으로 여겨지고 있다. 다만 대량의 생산량이 요구되지 않는다면 베치 반응기가 바람직하다.

가수 분해에 사용된 산의 종류에 관계없이 가수 분해 반응을 완료시킨 후에는 휘발성 분순물들을 고온 반응 용액에 대하여 약 50mmHg 내지 약 200mmHg 범위의 압력으로 감압시켜 가수 분해물로부터 스트립시키고, 포트의 온도가 약 55℃ 내지 약 65℃로 떨어질 때까지 휘발분과 물을 증류시키는 것이 바람직하다.

황산이 가수 분해에 사용된 경우, 가수 분해물을 스트리핑하여 많은 수분이 제거되면 유기상(oranic phase)이 분리된다. 이러한 결과는 추출 공정에 있어서 상관계(phase relationships)와 분리를 복잡하게 하므로 바람직하지 못하다. 유기상의 분리는 가수 분해에 사용된 황산의 농도에 따라 변화하는 점에서 스트리핑 공정을 종결시킴으로 해서 유기상이 분리되는 것을 피할 수 있다. 따라서, 가수 분해 공정에서 40wt%의 황산용액이 사용된 경우에는 제거되는 가수 분해물 양이 약 12wt%를 초과하기 전에 스트리핑을 종결시켜야 한다.

HCl 가수 분해물의 스트리핑도 과량의 염화 암모늄염이 침전되기 전에 종결시켜야 하며, 이들 가수 분해물은 질량의 5% 내지 10%가 제거된 후에 스트리핑을 종결시키는 것이 바람직하다. 또한, 가수 분해물용액은 추출 공정에 도입되기 전에 중화시키거나 물로써 희석시키는 것이 유리하다. 가수 분해물에 무수 암모니아를 가함으로써 행하는 통상적인 중화 반응은 가수분해물이 접촉함으로써 발생하는 공정 설비내의 부식 방지를 도울 수는 있으나, 고체를 형성하는 원인이 될 수 있다.

물로 가수 분해물을 희석시키는 것은 수용상의 어떤 분리된 유기상 물질내로의 재흡수 원인이 되기도하고, 가수 분해물내의 고체염들의 대부분 또는 전체를 용해시키기도 하며, 추출 공정으로 공급되는 피이드(feed)로부터 고체들을 제거하기도 한다. 가수 분해물내의 물의 함량은 추출 공정에서 고체를 형성하거나 축적시키지 않아야 하며, 추출시에 이 물질의 액체상들(extraneous liquid phases)을 만들지 않아야 하는 충분한 양이어야 한다. 염산으로 가수 분해를 하는 경우에 있어서의 희석은 마지막 가수 분해도중 상당한 양의 NH₄Cl을 침전시키기 때문에 매우 중요한 것이다.

가수 분해에 사용되는 산들의 농도를 적당한 범위로 조절시킨다면, 황산가수 분해물의 희석은 고체나 이 물질의 액체상들의 형성을 제거시키기 위해 일반적으로 필요치 않다는 것을 발견하였다. 이 물질의 액체상이라는 것은 가수 분해물로부터 HMBA를 추출하는 과정 또는 그 이전에 형성된 가수분해물, 용매, 추출물과 수용성 라피네이트 이외의 상을 의미한다.

사실상, 황산가수 분해물의 농도를 유기성분이 없는 상태로 40wt% 이하로 희석시키는 것은 가수 분해의 부산물인 황산수소암모늄·황산암모늄의 농도에 따라 결부되는 황산가수 분해의 특별한 장점을 이용하기 위해 피하는 것이 바람직하다.

따라서, 산잔류물의 암모늄염의 물에 대한 용해도는 추출물과 라피네이트상 사이의 HMBA에 대한 분배계수에 현저한 영향이 있음을 발견하였다. 염류의 함량이 높으면 수용성상으로부터 HMBA를 염석시키는 경향이 있으므로 분배 계수를 증가시킨다. 이에 따라 물의 용해도가 높아짐으로 암모늄비설페이트는 분배 계수에 특히 유익한 효과를 갖는다.

이러한 견지에서, 암모늄비설페이트는 황산 암모늄과 염화 암모늄보다 우수하다. 어떤 경우에 있어서는 가수 분해물을 지나치게 희석하는 경우도 있으나 가장 바람직한 분배 계수를 얻기위해서는 그 희석을 최소로 유지하는 것이 적합하다.

추출을 행함에 있어서, 이용된 용매는 실제적으로 수불용성이어야 한다. 그렇다 하더라도 용매와 물간의 상호 용해도는 고려되어야 하며, 특히 생성물의 회수를 위해 증기 스트리핑을 하거나, 용매회수를 위해 수용성 라피네이트를 스트립할 경우에는 더욱 그러하다.

용매내에서의 물의 용해도는 약 12wt%를 초과하지 않아야 하며, 보다 바람직하게는 실온에서 약 8wt%를 초과하지 않아야 한다는 것이 일반적이다. 또한 용매의 비등점은 약 60℃ 내지 약 200℃ 사이, 보다 바람직하게는 약 70℃내지 약 170℃ 사이가 적합하다.

추출된 HMBA를 포함한 용매와, 용매와 HMBA 가수 분해물이 접촉한 후에 남아 있는 수용성 라피네이트와의 평형 상태에서 HMBA에 대한 분배 계수는 적어도 약 2이어야 한다. 바람직하게는 이 분배 계수는 적어도 약 5이다. 또한 HMBA에 대한 분배 계수는 추출 시험편과 세척수가 접촉한 후 추출 시험편과 수용성상간의 평형 상태에서 적어도 약 1.0이어야 하며, 용매는 독성이 낮아야 한다.

특히, 추출용으로 특히 적합한 용매로는 여러 종류의 케톤 알데히드와 카르복실산의 알킬에스테르이다. 가장 적합한 용매로는 비교적 저분자량의 케톤, 즉 메틸 n-푸로필케튼, 메틸에틸케톤, 메틸아밀케톤 메틸이소아밀케톤과 메틸이소부틸케톤, 에틸부틸케톤 및 디이소부틸케톤이다. 또한 적합한 것으로는 n-부티르알데히드와 같은 알데히드 및 에틸아세테이트, n-부틸아세테이트, n-푸로필아세테이트와 이소푸로필아세테이트와 같은 에스테르이다.

한편 알코올도 사용될 수 있으나, 알코올은 물과의 상호 용해도가 높고, 상분리의 늦음과 탈수성향 또는 HMBA와의 에스테르화 때문에 바람직하지 않다. 추출은 교반 탱크에서 베치식으로 행할 수도 있으나, 용매의 상과 수용성상 사이의 물질전달을 증진시키기 위한 수단을 구성하고 있는 추출구역(extraction zone)을 형성시킨 연속식 향류추출 공정으로 행하는 것이 바람직하다.

좀더 구체적으로 설명하면, 추출은 진동 플레이트 컬럼(reciprocating plate colum)에서 행한다. 추출 조작은 추출 구역에서 연속적인 상으로 용매의 상을 유지하도록 조절하는 것이 바람직하다.

최종 생성물에서의 염류의 함량을 최소로하기 위하여, 추출물을 물로 세척하는 것이 좋다. 연속역류 추출 공정에서 추출물은 수용성 흐름의 방향에 대하여 상부흐름 위치인 가수 분해물이 액-액 추출 공정으로 도입되는 위치에서 물과 혼합시킴으로써 세척시킬 수 있다. 예를 든다면, 비중이 1 이하인 용매를 사용하는 수직 컬럼에 있어서는 용매는 수용성 가수 분해물 용액이 도입되는 공급 위치보다 낮은 위치에서 컬럼으로 도입시키고, 세척수는 가수 분해물용액이 공급되는 위치보다 높은 위치에서 컬럼에 도입시킨다. 상세히 설명하면, 용매를 가수 분해물의 단위 중량당 약 0.5 내지 0.6 중량부의 비율로 공급함으로써 비중이 약 0.92 내지 약 0.97, HMBA의 함량이 35wt% 내지 40wt%의 추출물을 얻을 수 있다는 것이다.

추출 공정에 있어서의 생산성은 추출계 내에서 용매상의 비교적 낮은 점도를 제공하기 위하여 다소 상승된 온도에서 행함으로써 향상시킬 수 있다. 약 50℃와 약 80℃ 사이의 온도 범위에서 행하는 것이 유기상과 수용성상 사이에서 HMBA 분배 계수에 현저히 유리한 효과를 제공한다.

50℃ 내지 60℃의 범위에서 공정을 행하는 것이 약간의 비말동반(entrainment)이 수반되는 25℃에서 얻어지는 것보다 깨끗한 추출물을 제공한다.

HMBA는 추출물로부터 증류에 의해 회수할 수 있으며, 증기 증류를 행하는 것이 바람직하다. 증기 증류를 통하여 용매를 제거함으로써 얻어진 하부 생성물(bottom product)은 HMBA와 물의 액체 혼합물로써 동물 사료의 첨가물로 그대로 사용해도 적합한 것이다.

하부 분류물(bottom fraction)에서 용매를 완전히 제거하기 위해 증기 증류를 함으로써, 하부 분류물은 적어도 5wt%의 물, 바람직하게는 약 10wt% 내지 약 15wt% 사이의 물과 약 80wt%와 약 95wt% 사이의 HMBA, 바람직하게는 약 85wt%와 약 90wt% 사이의 HMBA를 포함하게 된다.

사용되는 컬럼의 특정 조건들은 추출에 사용되는 선택 용매에 따라 달라진다. 비등점이 낮은 용매 이외에는 스트리핑 컬럼을 다단으로 하여 사용한다. 컬럼을 통하여 증기의 속도와 압력은 액체의 상이 약 4wt% 내지 약 15wt%, 바람직하게는 약 5wt% 내지 약 12wt%가 되도록 조절하여야 하며, 물은 적어도 컬럼으로 피이드가 도입되는 지점 아래까지는 포함하고 있어야 한다.

물의 존재는 생성물의 소중합 반응과 변색이 일어남을 둔화시킨다. 컬럼내의 피이드점 아래에서 액체상의 체류시간은 약 1시간 30분, 바람직하게는 약 45분을 초과하지 않는 것이 더욱 좋다.

일반적으로, 컬럼의 하부 단에서의 온도는 120℃ 이하로 조절하는 것이 바람직하며, 이에 대한 압력은 약 1기압 이하이어야 한다. 가수 분해물이 어떠한 것이거나 간에 컬럼 하부에서의 압력은 약 50mmHg와 약 1기압의 범위내로 유지시키는 것이 바람직하다. 그렇다 하더라도, 허용온도 조건 이상에서 공정을 행하는 것은 케톤 용매로부터 생성물 분리를 위한 증기와 액체의 바람직한 평형을 제공함에 따라 증기의 사용이 감소됨을 알았다.

증기 증류가 바람직하다고 하더라도, 표면 열전달 리보일러(Surface heat transfer reboiler)를 사용하여 증류함으로써 추출물을 스트립하는 것도 가능하다. 또 다른 방법으로는 불활성 기체를 사용하여 스트리핑을 행할 수도 있다. 본 발명에서는 액체생성물을 제조하는데 증기에 의한 증류가 직접적인 수단을 제공하므로 매우 바람직한 것이다.

라피네이트는 잔류용매를 제거시키기 위해 증기 증류 또는 불활성 기체로 스트리핑하는 것이 편리하다. 증기 스트리핑이 라피네이트로부터 용매를 회수하는 수단으로 적합하다.

본 발명을 구체적으로 설명하면, 가수 분해를 황산으로 행하고 추출에 의해 생성물을 회수한 다음, 증기 증류로 스트리핑함으로써 동물사료 첨가제로써 사용함에 있어 매우 우수한 특성을 가지는 신규한 액체 생성물을 제조하는 것이다. 본 발명의 생성물은 단량체, 이량체 및 소중합체를 포함해서 HMBA의 전체 함량이 약 80wt% 내지 약 95wt%, 바람직하게는 85wt% 내지 90wt%이고, 물의 함량은 약 5wt% 내지 약 20wt%, 바람직하게는 약 10wt% 내지 약 15wt%이다.

또한 본 발명에 의한 생성물의 색도는 ASTM에 의한 방법 D-2849로 희석하지 않은 상태로 가드너스케일에 의한 측정결과 약 10을 초과하지 않았으며, 약 4 이하로 바람직한 것이었다. HMBA 이량체와 기타 소중합체 전체 무게에 대한 HMBA 단량체의 비율은 적어도 약 2, 8, 바람직하게는 약 5.7 이하이다.

본 발명에 의한 액체 생성물을 25℃에서 케논-펜스키점도계를 사용하여 ASTM법 D-445에 의하여 측정한 결과, 동점도는 약 90센티 스토크를 초과하지 않았으며 , 바람직하게는 60 내지 90 센티 스토크이었다. 또한, 25℃ 내지 90℃에서 액체 생성물로부터 방출되어 냄새를 유발하는 성분의 양도 통상의 방법으로 제조한 동일한 생성물로부터 방출된 양보다 현저히 적었다. 본 생성물을 가속비열계량법으로 측정한 결과, 150℃ 이하의 어떠한 온도에서도 흡열 또는 발열인 열화학적 효과를 나타낸 바 없었다. 그러므로, 본 발명은 HMBA제조의 개선된 방법과 개선된 수용성 액체 HMBA 생성물을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명에 의한 액체 생성물은 가축 사료의 첨가물로써 유용할 뿐 아니라, 메티오닌의 하이드록시유사체로 시중에서 널리 이용되고 있는 형태의 것들과 비교해서 바람직한 특성을 가지고 있는 것이다.

필요에 따라, 본 발명에 의한 액체 생성물은 알칼리토금속 수산화물 또는 탄산염으로 침전시킴으로 해서 HMBA의 알칼리토금속염으로 용이하게 전환시킬 수도 있다. 예를 들어 쿠민즈의 미국특허 제4310690호에 기재된 바와 같이 석회슬러리를 액체 생성물과 혼합하여 칼슘 HMBA를 침전시키고 원심 분리하고 건조시켜 회수할 수 있다.

모액중의 잔류 칼슘 HMBA는 칼슘 HMBA 침전공정을 반복시킴으로써 회수할 수 있다.

본 발명에서는 상당량의 물이 제거된 상태에서 장시간 동안 고온에서 생성물을 노출시키지 않음으로 해서 HMBA의 소중합반응, 변색 및 분해를 최소화할 수 있었으며, 스트리핑 공정을 거침으로 해서 반응계로부터 냄새를 유발하는 화합물을 유효 적절히 제거할 수 있었다. 스트리핑은 밀폐된 반응계 내에서 행하기 때문에 냄새를 유발하는 화합물들을 포함할 수도 있다.

고체를 분리하는 공정은 부산물 고체의 표면위에서 HMBA 생성물의 손실을 피할 수 있기 때문에 최소로 할 수 있거나 완전히 제거시킬 수 있다. 가수 분해 공정에 있어서 산의 농도와 공급 비율을 조절함으로써 추출 공정으로 공급되는 가수 분해들의 고체를 최소화하거나 또는 제거시킬 수 있다.

진동 플레이트 컬럼의 사용에 있어서 추출 공정은 가수 분해물을 공급하는데 있어서 어느 정도 고체를 허용할 수 있도록 조작하여야 한다. 본 발명의 공정에 있어서는 고체의 분리나 고체를 걸러내야하는 문제점이 제거되었고, 액체의 HMBA 생성물을 회수하거나 HMBA염의 제조를 위해 증발결정화 공정에 있어서의 요구되는 에너지의 양을 실질적으로 감소시킬 수 있기 때문에 종래 상업적으로 이용되는 공정에 비하여 전환 비용이 감소한다는 것이다.

또한, 유기용매를 회수하는데 요구되는 HMBA 생성물의 단위무게당 소요되는 에너지는 탈수 또는 증발에 의한 결정화에 소요되는 에너지 보다도 실질적으로 감소된 양이다. 고체 분리 공정과 증발공정을 제거함으로 해서 본 발명의 공정을 위해 소요되는 장치에 대한 자본의 지출을 감소시킬 수 있다. 수용성 가수분해물로부터 추출 공정과 증류 공정을 통하여 HMBA를 회수할 수 있다는 장점보다도 더욱 괄목할만한 것은, 황산 가수 분해물과 액-액 추출과의 결합에 의하여 HMBA를 회수할 수 있다는 점이다.

놀라운 사실은 가수 분해가 황산으로 행해지는 경우 생성물이 탈수 공정보다는 추출 공정에 의해 회수된다는 것이며, 얻어진 액체 생성물 또한 종래의 방법이나 염산 가수 분해와 추출 공정의 결합에 의하여 제조된 것과 비교하였을 경우 색상과 냄새에 있어 매우 우수한 특성을 지닌다는 것이다. 이러한 공정의 결합등이 상술한 바와 같은 본 발명의 유익한 액체 생성물을 제공하는 것이다.

다음의 실시예에서 본 발명을 구체적으로 설명하여 특별한 이유가 없는한퍼센트는 중량%를 의미한다.

[실시예 1]

교반기가 설치된 1000ml 자켓 플라스크에 들어 있는 50wt% 수용성 황산용액(196.14g)에 메틸머캡탄으로 제조한 HMBN(132.10g, 가스크로마토그래피에 의한 순도 90%), 아크롤레인과 시안화수소를 50℃에서 30분간 가하였다. 얻어진 혼합물을 50℃에서 추가로 30분간 반응이 되도록 유지하였다. 중간체인 가수 분해물은 20분 이내에 90℃의 온도가 되었으며, 반응은 이 온도에서 100분간 지속되었다. 90℃에서 13분이 경과된 후 HMBA를 포함하는 유기층이 염석되는 상분리가 일어났다.

가수 분해 반응이 완결된 후에 28wt%의 암모니아 수용액(58.97g)을 가수 분해물에 80℃에서 20분간 가하였다. 암모니아 수용액 반 이상이 가해졌을 때 수용상으로부터 깨끗한 결정들이 침전되기 시작하였다. 암모니아 첨가의 종말점 부근, pH 1.76, 에서는 결정화가 모두 일어나 더 이상의 혼합이 곤란하였다. 중화된 가수 분해물내에 포함된 부산물로부터 HMBA를 분리하기 위하여 3가지 방법을 사용하였다.

첫번째 방법으로는, 수용성 상으로부터 유기케톤상으로 HMBA를 추출하기 위하여 중화된 가수 분해물(50ml : 63g)을 메틸푸로필케톤(50ml)과 물(10ml)로 접촉시켰다. 수용성상내에 황산암모늄의 결정들이 남아 있었다. 표 1은 2개의 층들을 분석한 결과이다.

[표 1]

70℃의 진공하에서 60분간 유기층으로부터 용매를 증발시킨 후의 증기압은 16mmHg로 감소하였다. 생성물을 분석한 결과 HMBA 단량체 75.5wt%, HMBA 소중합체 22.8wt% 물 0.65wt%를 포함하고 있음을 알았다. 88wt%의 HMBA를 포함하는 수용액의 색도는 가드너 스케일로 5이었다.

두번째 회수 방법으로는, HMBA를 추출하기 위해 중화된 가수 분해물(50ml)을 메틸푸로필케톤(50ml)과 접촉시켰다.

가수 분해물과 용매가 접촉된 후의 상분리는 고체의 함량이 높으므로 곤란하였다. 하룻밤 정치시켜 상분리가 완료된 후에 유기층과 수용층을 분석한 결과를 표 2에 표시하였다.

[표 2]

70℃의 진공하에서 60분간 유기층으로부터 용매를 증발시킨 후의 증기압은 16mmHg로 감소되었으며, HMBA 하부 생성물을 분석한 결과 74.9wt%의 HMBA 단량체, 23.7wt%의 HMBA 소중합체와 0.60wt%의 물을 함유하고 있음을 알았다. HMBA 생성물을 88% 포함하는 수용액의 가드너 색도는 4 내지 5 사이었다.

세번째 분리 방법으로는, 중화된 가수 분해물로부터 휘발분을 70℃의 진공하에서 60분간 스트리핑하였다. 이때의 증기압은 15mmHg로 감소하였다. 고체 제거를 위해 여과시킨 후, 여과물을 분석한 결과 75.2wt%의 HMBA 단량체, 20.2wt%의 HMBA 소중합체, 3.28wt%의 물을 함유하고 있음을 알았다.

HMBA 생성물 88wt%를 함유한 수용액의 가드너 색도는 4 내지 5 사이었다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 방법으로 제조된 HMBN(200g)을 1000ml 자켓 플라스크에 들어 있는 50wt% 황산 수용액(299g)에 50℃에서 30분간 서서히 가하였다. 혼합물을 30분간 더 반응시켰다. 얻어진 중간체인 가수 분해물은 20분 내에 곧 90℃의 온도가 되었으며, 이 온도에서 추가로 100분간 반응시켰다. 90℃에서 60분이 경과한 후, 가수 분해물은 갈색으로 변색되었다. 최종 가수 분해물은 두개의 상으로 구성된 것이었다.

중화 반응없이 가수 분해물을 동일한 체적의 메틸 푸로필케톤과 접촉시킨 후 상이 분리된 다음, 70℃에서 120분간 진공 증류시켜 추출물로부터 용매를 제거하였다. 얻어진 생성물은 63.6wt%의 HMBA 단량체, 35.2wt%의 HMBA 소중합체, 0.11wt%의 HMBN, 0.61wt%의 중간체인 아미드, 2.11wt%의 물과 0.27wt%의 황산이온을 함유하고 있었다. 생성물을 88wt% 함유한 수용액의 가드너 색도는 5 내지 6 사이었다.

[실시예 3]

실시예 1과 같은 방법으로 제조된 HMBN(656g)을 프로펠라 교반기가 장치된 2ℓ의 반응기에 들어 있는 50%수용성황산용액(981g)에 50℃에서 60분간 저어주면서 서서히 가하였다. 얻어진 용액을 30분간 더 반응시킨 후의 반응온도는 26분 내지 30분 사이에 90℃로 증가하였으며, 이 온도에서 120분간 유지시켰다. 반응이 완결된 후에 가수 분해물의 일부(1604.4g)를 5ℓ의 분리 플라스크 내에서 50℃ 내지 60℃의 온도로 메틸푸르필케톤(1283.5g)과 10분간 접촉시켜 가수 분해물로부터 HMBA 생성물의 추출물을 얻었다. 다음에 수용성층을 플라스크에서 뽑아내고 추출물층(2072.2g)을 50℃에서 물(207.5g)로 세척하였다. 플라스크로부터 제거된 수용성층은 48.8g으로써 6.0%의 HMBA를 함유한 것이었다.

용매는 50℃의 진공하에서 증기압이 30mmHg로 제거될 때까지 증류하여 추출물로부터 제거시켰다. 이 온도에서 증류 포트내의 잔류물의 표면 아래로 물(20ml)을 가하고 잔류 용매의 증기 증류를 위해 온도를 70℃로 증가시켰다. 70℃에서 증기압이 20mmHg로 떨어질 때 증기 증류를 끝마쳤다.

증기 증류에 의해 얻어진 증류 포트내의 순수 생성물을 분석한 결과, 74.0wt%의 HMBA 단량체, 24.2wt%의 HMBA 소중합체, 1.8wt%의 물과 0.45wt%의 황산이온을 함유하고 있음을 알았다. 이 생성물에 물을 첨가하여 88wt%의 HMBA를 함유시킨 수용액의 가드너 색도는 5 내지 6사이였다.

[실시예 4]

실시예 1과 같은 방법으로 제조된 HMBN(263.16g)을 교반기가 장치된 1000ml의 자켓 플라스크에 들어 있는 65wt% 황산수용액(301.45g)에 50℃로 60분간 서서히 가하였다. 얻어진 혼합물을 50℃에서 계속 반응을 하도록 30분간 유지시켰다. 다음에 가수 분해되는 산의 농도를 희석시키기 위해 물(188.91g)을 중간체 가수 분해물에 가하였다. 반응기내의 온도는 25분간에 50℃에서 90℃로 증가하였으며, 이 온도에서 115분 동안 유지시켰다.

가수 분해 첫단계(즉, 50℃의 온도에서 초기농도가 65wt%인 황산 수용액으로 반응시키는 것)에서 반응 혼합물의 점도는 반응계가 서로 상이한 두개의 상 즉, 중간체인 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드를 포함하는 상과 혼합물에 새로이 가해진 HMBN을 포함하는 상을 형성하려는 경향이 있기 때문에 현저히 증가됨이 관측되었다.

가수 분해의 두번째 단계(즉, 전환)는 90℃에서 산생성물로 중간체 아미드가 전환되는 단계로, 이 단계에서는 어떠한 상의 분리없이 단일한 상이 유지되었다. 가수 분해의 마지막에서 가수 분해물을 분석한 결과 35.2wt%의 HMBA 단량체, 0.32wt%의 HMBA 이량체, 0.01wt%의 HMBN과 0.01wt%의 아미드 중간체가 함유되어 있음을 알았다.

본 실시예에서 얻은 HMBA 가수 분해물을 여러가지 용매를 사용하여 추출하였다. 추출은 제4도에 도시된 바와 같이 행하였다. 각 경우에 있어서 100 중량부의 가수 분해물을 분리 플라스크내에서 60 중량부의 용매와 접촉시켰다.

혼합하고 상을 분리시킨 후 100 중량부의 유기층을 12.5 중량부의 물로 세척하고, 수용성 라피네이트(100 중량부)는 60 중량부의 용매로 세척하였다. 모든 추출물은 실온, 즉 25℃에서 제조하였다. 유기상과 수용상간의 평형 상태에서 각 용매의 분배계수를 측정하였다. 분배계수는 수용성 상내의 HMBA 농도에 대한 유기상내의 HMBA의 농도의 비를 의미한다.

본 실시예의 추출실험 결과는 표 3과 같다.

[표 3]

분배계수

[실시예 5]

HMBA는 제2도에 도시한 공정으로 제조하였다. 이 계에서 HMBA 가수 분해물은 1과 1A로 도식적으로 표시한 단일 교반탱크 반응기로 구성된 베치반응 시스템에서 두반응 공정을 거쳐 제조한다. 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드로 구성된 중간체 가수 분해물을 제조하기 위하여 공정 1에서 HMBN을 황산에 서서히 가함으로써 HMBN을 산과 반응시킨다.

중간체 가수 분해물에 물을 가하여 희석시켜 중간체 아미드를 HMBA로 전환시키기 위하여 온도를 증가시켰다(공정 1A). 공정 1A로부터 최종 가수 분해물을 서지드럼 3으로 이송시키고 서지 드럼으로부터 최종 가수 분해물을 용매가 컬럼의 하부로, 세척수가 컬럼의 상부로 공급되는 카르진동플레이트 추출컬럼 5의 중심점 부근으로 연속적으로 공급시킨다.

오버헤드 추출물을 열교환기 7에서 예열시킨 다음, 증기 증류 컬럼 9로 공급한다. 컬럼 9의 하부로 유출되는 하부 생성물은 HMBA와 물을 함유하는 액체 생성물이다. 컬럼 9의 상부로 유출되는 증기를 콘덴서 11에서 응축시키고 분리기 13으로 이송시켜 용매는 추출컬럼 5의 하부로, 물은 세척용으로 추출컬럼 상부로 각각 재순환시킨다.

추출컬럼 5의 하부로 유출되는 라피네이트는 잔류용매의 회수를 위해 상향 증기로 컬럼 15에서 증기 스트리핑을 행하고, 증기 스트리핑에 사용된 상향 증기는 콘덴서 11에서 응축시켜 분리기 13으로 이송시킨다. 컬럼 15로부터 유출되는 하부 생성물은 수용성 폐기물로 제거한다.

본 실시예 공정에서는, 반응기 공정 1에 65.1wt%의 황산(142.3% kg)을 채우고 여기에 HMBN(120.1kg)을 반응기내로 50℃ 내지 54℃의 온도에서 61분간 서서히 가하였다. 1A 공정에서는 중간체 가수 분해물에 물을 첨가하여 40.1%의 산의 농도(유기물이 없는 상태)로 희석하고 89℃가 될때까지 30분간 가열하였다.

다음에 가수 분해물을 90℃에서 추가로 75분 유지시킨 후, 휘발성분물을 약 45분 동안 압력을 약 110mmHg까지 점차로 감소시켜 제거하며, 이때의 온도는 약 65℃로 떨어지게 된다. 약 11kg의 물질을 비등시켜 제거하고 가수 분해물은 서지드럼 3으로 보낸다.

드럼 3으로부터 유출되는 최종 가수 분해물을 컬럼 5로 181g/분의 속도로 연속적으로 공급하고 메틸이소부틸케톤(MIBK) 용매를 100g/분의 속도로 추출컬럼의 하부로 공급한다. 세척수는 컬럼의 상부로부터 공급된다.

연속적인 향류 추출을 컬럼 5에서 약 59℃의 온도와 140 내지 228 스트로크/분의 비로 판을 진동시켜 행함으로써 제조된 추출물은 컬럼의 상부로부터 뽑아내고 수용성 라피네이트는 컬럼의 하부로부터 뽑아낸다.

열교환기 7에서 예열된 추출물을 컬럼 헤드 압력 235mmHg 컬럼 상부 온도 82℃, 컬럼 하부 온도 88℃인 증기 스트리핑 컬럼 9로 이송하여 용매를 제거함으로써 HMBA 수용액을 함유하는 하부 생성물이 분당 78g의 비로 제조된다.

분당 100g의 MIBK과 분당 50g의 물이 공급됨으로써 구성된 오버 헤드 증기는 콘덴서 11에서 응축시켜 분리기 15로 이송시킨다.

컬럼 5로부터 생성된 라피네이트를 컬럼 헤드 압력 760mmHg, 헤드의 온도 97℃와 포트의 온도 107℃인 컬럼 15에서 증기 스트리핑을 함으로써 생성된 분당 0.9g의 MIBK와 분당 5g의 물을 함유하는 증기를 컬럼 9의 오버 헤드 증기와 혼합하여 콘덴서 11에서 응축한 후 분리기 13으로 이송시킨다.

라피네이트스트리핑 컬럼 15에서는 분당 144g의 하부 생성물이 얻어지며 이는 폐기물로 제거한다. 추출 컬럼 5는 직경이 2.54cm 이고 높이가 2.1m인 카르진동플레이트 컬럼(Karr reciprocating plate column)이다. 정상적인 공정이 이루어진 후 가수 분해물과 수용성 생성물을 주기적으로 수집하여 분석한 결과는 표 4와 같다.

[표 4]

[실시예 6]

가수 분해물은 실시예 5의 방법과 같이 제조하였다. 카르진동 플레이트 추출 컬럼으로 공급되는 가수 분해물의 양은 분당 204g으로 하였다. 컬럼을 60℃에서 용매인 MIBK를 분당 112g의 비율로, 세척수를 분당 23g의 비율로, 유입시키고 플레이트 진동비율을 분당 170 스트로크로 조작하여 추출물을 얻고, 이 추출물을 451mmHg의 압력하에서 99.5℃의 온도로 예열하고 추출 스트리퍼로 이송시켰다.

스트리퍼를 헤드 압력 451mmHg, 헤드 온도 99.5℃와 포트 온도 102℃에서 작동시키면 컬럼의 하부에서 분당 94.0g의 농축된 HMBA 수용액 생성물이 얻어진다. 추출 스트리퍼에서 나오는 증기는 MIBK가 분당 112g, 물이 분당 42.5g의 비율로 혼합 제조된 것이다.

이 증기를 라피네이트스트리퍼로부터 나오는 증기와 혼합, 응축시킨 다음 분리기로 이송시킨다. 추출 컬럼의 하부에서 제조된 라피네이트를 라피네이트스트리퍼로 이송시키고 여기에서 헤드 압력이 451mmHg 헤드 온도가 93℃와 하부의 온도가 94℃의 조건에서 스트리핑을 행하여 용매를 제거한다. 증기는 MIBK가 분당 0.7g, 물이 분당 12.5g의 비율인 조건에서 얻어지는 것이다.

이 증기를 추출 스트리퍼 상부로부터 나오는 증기와 혼합, 응축시켜 분리기로 이송시킨다. 라피네이트 스트리퍼의 하부에서 분당 129.0g의 비율로 얻어지는 수용성 폐기물은 제거한다. 본 실시예에서 공정이 정상에 도달하였을 때 가수분해물과 생성물을 주기적으로 채취하여 분석하였다.

분석 결과는 표 5와 같다.

[표 5]

[실시예 7]

63.1wt% 황산 수용액(1555g, 980g 즉 10몰의 황산 포함)을 5L의 교반 반응기에 넣었다. HMBM(1310g : 10몰)을 반응기내의 황산에 1시간 동안 가하면서 빙수욕으로 반응기를 냉각, 50℃가 유지되도록 하였다.

니트릴의 첨가가 완료된 후, 반응 혼합물을 50℃에서 30분간 더 유지시켰다. 혼합물을 50℃에서 30분간 유지시킨 후, 물(900g)을 가하고 희석된 반응 혼합물을 90℃가 되도록 1시간 동안 가열하고 아미드가 생성물인 산으로 전환되도록 1시간 동안 더 유지시켰다.

최종 가수 분해물을 70℃ 내지 90℃의 진공하에서 최종 압력이 100mmHg에 도달할 때까지 증발시켜 37g의 휘발성분을 제거하였다. 가수 분해물로부터 휘발성분들을 스트리핑하는 과정중 침전된 미량의 고체들은 2.2g의 물을 가함으로써 용해시켰다.

HMBA는 제3도에 도시한 바와 같은 4개의 공정을 거치는 가로 흐름 추출공정(Cross-flow extraction system)을 사용하여 가수 분해물의 일부로부터 회수시킨다. 본 실시예의 추출 공정에 있어서, 가수 분해물(200g)과 MIBK(40g)을 첫번째 공정에서 혼합시킴으로서 추출물과 라피네이트가 얻어진다. 라피네이트의 일부(100g)를 첨가되는 MIBK(20g)와 함께 두번째 공정으로 이송시킨다. 두번째 공정의 추출물이 분리된 후, 두번째 공정에서 얻어진 85g의 라피네이트를 세번째 공정으로 이송시키고 여기에 MIBK(17g)을 가하여 혼합한다.

세번째 공정에서 추출물의 분리가 이루어진 후, 세번째 공정에서 얻어진 70g의 라피네이트를 MIBK(14g)과 네번째 공정에서 혼합하였다. 모든 추출은 실온에서 행하였다. 추출의 각 공정에서 상을 분리시킨 후 추출물과 라피네이트를 HMBA에 대하여 분석하고 그 결과를 표 6에 표시하였다.

[표 6]

HMBA 분석(wt%)

[실시예 8]

자켓 냉각을 할 수 있는 380리터의 유리로 된 반응기내에 들어 있는 34.7wt% 염산용액(16.72kg)에 HMBN(18.16kg)을 가하였다. 얻어지는 혼합물의 온도는 15분간에 30℃에서 50℃로 증가되었으며, 혼합물을 50℃ 내지 60℃ 사이의 온도에서 2시간 동안 유지시킴으로 해서 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드를 함유하는 중간체 가수 분해물이 얻어진다. 다음에 온도를 15분 동안에 82℃까지 증가시키고 약 80℃에서 90분간 유지시키면 HMBA를 함유한 최종 가수 분해물을 얻는다.

이 가수 분해물(34.89kg)에 29.5% 수산화 암모늄용액을 가하여 부분적으로 중화시키고, 중화된 가수 분해물을 휘발성 불순물을 제거하기 위해 70℃의 진공하에서 부분적으로 증류한다. 증류하기 전에 HMBA를 함유한 세척수를 중화된 가수 분해물에 가하였다.

증류에 있어서 초기 헤드 압력은 150mmHg이나, 이 압력은 70℃에서 160분이 경과하면 25mmHg로 감소하게 된다. 증류가 진행됨에 따라 상당량의 물이 제거되므로 염화 암모늄염이 생성되고 증류 포트내에 슬러리가 형성된다. 이 슬러리(100 중량부)를 물(64 중량부)로 희석하여 수용성 상으로 염화암모늄염을 용해시킨다.

스트립된 가수 분해물과 희석된 가수 분해물과 희석된 가수 분해물의 일부(각20.0g)를 실온에서 약 15분 동안 표 7에 기재된 용매를 각각 가하면서 격렬히 혼합하였다.

혼합을 완료한 후 상을 분리하고 HMBA를 분석하였다. 표 7은 이들의 분석 결과이며 분배계수는 본 실시예의 단일 추출 공정으로 계산된 값이다.

[표 7]

HMBA 분석(wt%)

[실시예 9]

실시예 8의 가수 분해물 슬러리의 일부(100 중량부)를 70℃에서 여기에 포함된 고체염화 암모늄염을 용해시키기 위해 물(40 중량부)로 희석하였다. 희석된 가수 분해물의 일부(20.0g)를 15℃에서 15분간 MIBK(20.0g)와 격렬하게 혼합하였다. 상을 분리하고 HMBA를 분석하였다. 이 공정과 추출을 1-부탄올을 사용하여 반복하였다.

본 실시예에서 얻어진 추출물들과 라피네이트들의 분석 결과는 표 8과 같으며 분배계수는 분석치로부터 계산된 값이다.

[표 8]

HMBA 분석(wt%)

[실시예 10]

실시예 8에서 제조된 HCl 가수 분해물 슬러리의 일부(100 중량부)를 물(64 중량부)로 희석하여 염화암모늄고체를 용해시켰다. 다음에 희석된 가수 분해물을 제3도에 도시한 시스템을 사용하는 4개의 공정으로 이루어진 가로 흐름 추출을 행하였다. 이 추출 공정에서, 가수 분해물(200g)과 메틸 n-프로필케톤(100g)을 첫번째 공정에서 혼합하고 추출물과 라피네이트로 분리시킨다.

첫번째 공정에서 얻어진 라피네이트(110g)를 메틸 n-푸로필케톤(55g)을 더 가하면서 두번째 공정으로 이송시킨다.

두번째 공정에서 상이 분리된 후 두번째 공정에서 얻어진 라피네이트(88g)를 세번째 공정으로 보내고 여기에서 메틸 n-푸로필케톤(44g)을 가하고 혼합시킨다.

세번째 공정에서 추출물의 분리가 완료된 후 세번째 공정의 라피네이트(71g)를 네번째 공정에서 메틸 n-푸로필케톤(35.5g)과 혼합시킨다. 모든 공정의 추출은 실온에서 행하였다. 추출 공정의 각 공정별로 상들의 분리가 끝난 후, 추출 공정과 라피네이트 공정을 HMBA에 대하여 분석하여 그 결과를 표 9에 표시하였다.

[표 9]

HMBA 분석(wt%)

본 실시예의 추출 공정에 있어서, 첫번째 공정에서 얻은 추출물은 0.89%의 염화암모늄을 포함하고 있었다. 이 추출물(80.0g)의 일부를 15분간 물(4.0g)과 함께 격렬히 혼합하고 상들을 다시 분리시킨 다음 추출물을 세척하여 염화 암모늄에 대하여 다시 분석을 한 결과 염화 암모늄의 함량이 0.51%로 감소되었음을 알았다.

[실시예 11]

HMBA를 제조하는 공장으로부터 구입한 HCl 가수 분해물에 물을 가하여 가수 분해물 내의 염화 암모늄의 고체들을 용해시켜 38.2wt%의 HMBA와 15.3wt의 염화 암모늄을 함유하는 희석된 가수 분해물을 얻었다.

이 가수 분해물을 166g/분의 속도로 플레이트스텍(plate stack)의 높이가 162.6cm인 직경 2.54cm의 진동 플레이트 추출컬럼의 상부로 공급하고, 메틸 n-푸로필케톤은 컬럼의 하부로 99g/분의 속도로 공급하였다.

용매의 상은 추출 지역에서 연속적인 것이었다. 추출물과 라피네이트 샘플 중 HMBA의 함량은 추출물에서는 35.4wt%, 라피네이트에서는 0.36wt%이었다.

[실시예 12]

HMBA 제조 공장에서 제조된 HCl 가수 분해물의 샘플을 가수 분해물 내에 부유하고 있는 염화 암모늄을 용해시키기 위해 사전에 희석함이 없이 추출하였다. 61.8wt%의 HMBA와 23.6wt%의 염화암모늄(용해된 것과 부유하는 것 모두 포함)으로 구성된 가수 분해물의 슬러리를 교반용기로부터 2.54cm의 직경을 가지는 진동 플레이트 추출 컬럼으로 125g/분의 속도로 플레이트 스텍의 상부로부터 30.5cm 아래에 위치한 지점으로 공급하고 물은 22g/분의 속도로 컬럼의 상부로부터 공급하였다. 전체 높이가 162.6cm인 플레이트스텍의 하부로는 MIBK 용매를 98g/분의 속도로 공급하였다. MIBK는 추출지역 전반에 걸쳐 연속상이다. 추출은 50℃의 온도에서 행하였다. 추출물을 분석한 결과 41.1%의 HMBA와 0.36%의 염화암모늄을 함유하고 있음을 알았다. 라피네이트에는 0.57%의 HMBA와 많은 양의 염화 암모늄 결정체를 포함하고 있었다.

본 실시예는 가수 분해물과 라피네이트가 상당량의 염결정체들을 함유하고 있는 경우에서도 사전에 고체를 분리시킴이 없이 추출 공정을 행할 수 있음을 구체적으로 예시한 것이다 이러한 결과와 유사한 실험의 결과에 의해 고체들이 실제적으로 수용성상내에 포함되면 실질적으로 고체가 유리된 추출물이 얻어짐을 알았다.

[실시예 13]

외부 열교환기, 순환 펌프와 순환을 시키기 위한 배관장치 및 반응기의 내용물을 냉각시키기 위한 장치가 부착된 유리로 된 38리터의 반응기에 들어 있는 64.9wt%의 황산 수용액(123.9kg)에 HMBN(107.6kg)을 가하고 59분간 니트릴을 가하였다.

처음 9분간은 혼합물을 30℃에서 60℃로 워밍(warming)하고 나머지 50분간은 온도를 60℃로 유지하였다. 니트릴의 첨가가 완전히 이루어진 후 혼합물을 60℃에서 15분간 추가로 저어줌으로써 중간체 가수분해물이 제조된다.

다음에는 반응 혼합물에 물(77.2kg)을 가하고 혼합물을 60℃에서 89℃로 30분간 가열하였다 89℃에서 혼합물을 88분간 추가로 유지시킴으로 해서 HMBA를 포함하는 최종 가수 분해물을 얻는다. 가수 분해가 완결되면 반응기내의 내용물을 진공하에서 위치시킴으로 해서 21.1bs(9.5kg)의 물과 휘발성분을 제거하였다.

휘발성분을 스트리핑 한 후에 가수 분해물을 204g/분의 속도로 직경이 2.54cm인 진동 플레이트 추출 컬럼으로 공급하였다. 공급하는 위치는 244cm의 플레이트 스텍 상부로부터 61cm 아래에 위치한 지점이다. 물(23.5g/분)은 컬럼의 상부로 공급하고 MIBK(112g/분)는 하부로 공급하였다. MIBK는 추출지역에서 연속상이다.

추출 컬럼은 약 60℃의 온도에서 조작하였다. 컬럼의 상부로 나오는 추출물을 대기압하에서 115℃로 가열시킨 예열기에 통과시켰다. 이 조건하에서 MIBK의 상당분이 제거된다. 남아있는 유기액체상은 직경 7.6cm, 높이 229cm인 스트리칭 컬럼의 상부로 공급시키고 증기는 본당 19g의 비율로 컬럼의 하부로 공급시킨다. 컬럼의 상부 압력은 대기압이었으며, 컬럼 하부에서의 온도는 116℃였다.

하부 생성물을 분석한 결과 8.9%의 HMBA, 0.55%의 황산이온 및 나머지는 물로 구성되었음을 알았다. 생성물의 가드너 색도는 4이었다.

[실시예 14]

HMBA 가수 분해물은 실시예 13에 언급한 방법으로 제조하였다. 이 가수 분해물을 직경이 2.4cm인 진동 플레이트 추출 컬럼에 201g/분의 속도로 244cm인 스텍의 상부로부터 61cm 아래인 지점으로 공급하여 추출하였다.

물은 컬럼의 상부로부터 22.5g/분의 속도로, MIBK는 컬럼의 하부로부터 111g/분의 속도로 공급하였으며, 용매상은 추출 지역에서 연속상으로 유지시켰다. 컬럼은 약 60℃의 온도에서 조작하였다. 진동 플레이트 컬럼의 상부로부터 나오는 추출물을 열교환기에 통과시켜 147mmHg의 압력에서 71℃로 가열하였다.

이 조건하에서 상당분의 MIBK는 제거되었으며, 남아 있는 액체상은 실시예 13에 언급한 스트리핑 컬럼의 상부로 공급하였다. 증기는 컬럼의 하부로 28.5g/ 분의 속도로 공급하였으며, 컬럼의 헤드 압력은 147mmHg였다. 얻어진 하부 생성물을 분석한 결과 89.0wt%의 HMBA, 0.54wt%의 황산이온, 나머지는 물이었다.

Claims

2-하이드록시-메틸티오부티로니트릴을 유기-유리염기에 대해 초기 농도가 약 50wt% 내지 약 70wt% 사이인 황산으로 가수 분해하여 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드가 포함된 중간체인 수용성 가수 분해 생성물 용액을 제조하고, 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드를 유기-유리염기에 대해 농도가 약 30wt% 내지 약 50wt% 사이인 황산으로 가수 분해하여 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 포함하는 수용성 가수 분해물 용액을 제조한 다음, 가수 분해물 용액을 액-액 추출 공정에서 실제적으로 수불용성인 유기 용매와 접촉시켜 언급한 용매와 가수 분해물로부터 전이된 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 포함하는 추출물을 얻고, 여기에서 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 회수하는 것을 특징으로 하는 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산의 제조방법.
제1항에 있어서, 가수 분해 반응들은 가수 분해물 내에 2-하이드록시-4-메틸-티오부티로니트릴과 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드의 여분이 실질적으로 존재하지 않는 완전히 전환된 조건하에서 행함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 가수 분해 반응들은 2-하이드록시-4-메틸티오부티로니트릴을 황산이 들어 있는 용기에서 교반하면서 첨가하는 배치식으로 행함을 특징으로 하는 제조방법.
제3항에 있어서, 2-하이드록시-4-메틸티오부티로니트릴을 황산에 가하여 약 25℃ 내지 약 65℃ 사이의 온도에서 가수 분해함으로써 2-하이드록시-4-메틸-티오부티로 아미드를 함유하는 언급된 중간체 수용성 가수 분해 생성물용액을 얻고, 언급된 2-하이드록시-4-메틸-티오부티르 아미드를 약 70℃ 내지 약 120℃ 사이의 온도에서 가수 분해시켜 언급된 가수 분해물 수용액을 얻음을 특징으로 하는 제조방법.
제4항에 있어서, 언급된 2-하이드록시-4-메틸티오부티로니트릴을 초기 농도가 약 55wt% 내지 약 65wt% 사이인 황산에 가하여 약 40℃ 내지 약 60℃ 사이의 온도에서 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드로 가수 분해한 후, 언급된 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드를 유기-유리 성분에 대해 농도가 약 30wt% 내지 약 40wt% 사이인 황산과 약 85℃ 내지 약 95℃의 온도 사이에서 반응시켜 가수 분해함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 언급된 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 언급된 용매를 사용하여 연속적으로 향류 추출을 행함으로써 수용성 가수 분해물로부터 전이시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제6항에 있어서, 추출을 향류추출 공정으로 행하고 여기에서 추출물은 가수 분해물이 추출계내로 도입되는 위치보다 위에 위치한 지점에서 물과 혼합시켜 세척함을 특징으로 하는 제조방법.
제6항에 있어서, 추출은 용매상과 수용성상 사이의 물질 전달을 증진시키기 위한 수단을 포함하는 추출지역을 가지는 연속식 향류추출 시스템에서 행하며, 추출조작은 추출지역 내에서 용매상이 연속상이 되도록 유지하면서 행함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 언급된 용매의 비등점은 약 60℃ 내지 약 200℃ 사이이며, 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 포함하는 언급된 용매와, 가수 분해물과 언급된 용매가 서로 접촉한 후 남아 있는 수용성 라피네이트 사이의 평형 상태에서의 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산에 대한 분배 계수는 적어도 약 2이며, 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 포함하는 추출시험편과, 언급된 추출시험편과 세척수가 서로 접촉한 후의 수용성상 사이의 평형 상태에서의 분배 계수는 적어도 약 1.0이며, 언급된 용매내에서 물의 용해도는 실온에서 약 12wt%를 초과하지 않음을 특징으로 하는 제조방법.
제9항에 있어서, 언급된 비등점은 약 70 내지 약 170℃ 사이이고, 용해도는 약 8wt%를 초과하지 않음을 특징으로 하는 제조방법.
제9항에 있어서, 용매는 케톤, 알데히드, 카르복실산의 알킬에스테르로 구성된 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 용매는 메틸푸로필케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸아밀케톤, 에틸부틸케톤, 디이소부틸케톤, 메틸이소아밀케톤으로 구성된 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 가수 분해물은 가수 분해물 내에 존재하는 고체를 사전에 분리함이 없이 추출함으로써, 라피네이트의 물 함량은 추출 시스템 내에 고체들이 축적될 수 없는 충분한 양을 포함함을 특징으로 하는 제조방법.
제13항에 있어서, 추출 시스템 내로 충분한 양의 물이 도입되기 때문에 추출 시스템 내에는 고체가 실질적인 양으로 도입되지 않음을 특징으로 하는 제조방법.
제14항에 있어서, 추출 시스템 내로 충분한 양의 물이 도입되기 때문에 추출 시스템 내에서 실질적으로 고체가 형성되지 않음을 특징으로 하는 제조방법.
제14항에 있어서, 혼합물에 함유된 물이 가수 분해 결과에 따른 고체의 형성을 방지함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 추출하기 전에 가수 분해물을 감소된 압력하에서 부분적으로 증류시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제17항에 있어서, 증류는 가수 분해물로부터 유기액체상을 분리시키기 전에 종결시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제17항에 있어서, 가수 분해물은 증류시킨 후에 가수 분해물로부터 분리된 유기상 물질을 재흡수하기 위해 물로 희석시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 추출물을 증기 증류하여 용매를 제거시키고 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산과 물을 함유한 액체 생성물인 하부 생성물을 얻는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제20항에 있어서, 증기 증류는 하부 생성물의 물의 양이 적어도 약 5wt%가 되도록 행함을 특징으로 하는 제조방법.
제21항에 있어서, 증류는 다수의 평형단(equilibrium stage)으로 구성된 컬럼에서 행하며, 평형단의 하단은 온도가 약 120℃를 초과하지 않고 압력은 약 1기압을 초과하지 않도록 유지시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제20항에 있어서, 증류 컬럼내에서 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산의 체류시간은 약 1시간 30분을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제22항에 있어서, 증기 증류는 증류 컬럼 내에서 액체상중 물이 적어도 약 4wt%를 유지하도록 조작하여야 함을 특징으로 하는 제조방법.
2-하이드록시-4-메틸티오부티로니트릴을 유기-유리염기에 대해 초기 농도가 약 50wt% 내지 약 70wt% 사이인 황산으로 가수 분해하여 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드가 포함된 중간체인 수용성 가수 분해 생성물 용액을 제조하고, 2-하이드록시-4-메틸티오부티르 아미드를 유기-유리 염기에 대해 농도가 약 30wt% 내지 약 50wt% 사이인 황산으로 가수 분해하여 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산을 포함하는 수용성 가수 분해물 용액을 제조한 다음, 가수 분해물 용액을 액-액 추출공정에서 실제적으로 수불용성인 유기 용매와 접촉시킨 후, 언급한 용매와 가수 분해물로부터 전이시킴을 특징으로 하는 2-하이드록시-4-메틸티오부티르산 단량체, 이량체 및 소중합체를 약 80 내지 95wt%, 물을 약 5 내지 20wt% 포함하는 액체 혼합물을 제조하는 방법.