NO794020L

NO794020L - PROCEDURE FOR MANUFACTURING VANILLIN.

Info

Publication number: NO794020L
Application number: NO794020A
Authority: NO
Inventors: Heikki Ahonen
Original assignee: Yhtyneet Paperitehtaat Oy
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-12-10
Publication date: 1980-06-12
Also published as: FI783799A; CA1121384A; FI58906B; JPS5579337A; FI58906C; JPS5851939B2

Description

Hittil fremstilles vanillin hovedsakelig ved alkalisk oksydering av lignin dannet fra sulfitcellulose-koking av mykved. Up until now, vanillin has been mainly produced by alkaline oxidation of lignin formed from sulphite-cellulose cooking of softwood.

I en typisk vanillin-fremgangsmåte ekstraherer oksydert koke-avfallsvæske, eksempelvis ved hjelp av en vannoppløselig alkohol (finsk patent nr. 20.078) hvori vanillin, såvel son andre lav-molekylaere stoffer som danner natriumsalter oppløses i saltform i den alkoholiske fase. Oppløsningen finner sted hovedsakelig på grunn av de meget høye salt og alkali-konsentrasjoner av den oksyderte vandige fase, bevirker en såkalt utsåltningseffekt. In a typical vanillin process, oxidized cooking waste liquid is extracted, for example with the help of a water-soluble alcohol (Finnish patent no. 20,078) in which vanillin, as well as other low-molecular substances that form sodium salts are dissolved in salt form in the alcoholic phase. The dissolution takes place mainly due to the very high salt and alkali concentrations of the oxidized aqueous phase, causing a so-called salting-out effect.

I en annen kjent metode nøytraliseres den oksyderte væske til fritt vanillin fra saltet og ekstraheres med et organisk oppløs-ningsmiddel under betingelser, hvor pH er lavere enn 7. Det organiske anvendte oppløsningsmiddel kan være benzen, xylen eller et alifatisk oppløsningsmiddel. Denne fremgangsmåte omtales eksema pelvis i finsk patent nr. 17.966. In another known method, the oxidized liquid is neutralized to free vanillin from the salt and extracted with an organic solvent under conditions where the pH is lower than 7. The organic solvent used can be benzene, xylene or an aliphatic solvent. This method is referred to as eczema pelvis in Finnish patent no. 17,966.

I alle kjente fremgangsmåter for fremstilling av vanillin, etter å ha bragt vanillin sammen med dets typiske forurensninger i en oppløsning, er det neste trinn å adskille vanillin fra forurensningene. De fleste av separeringsmetodene er av den type, hvor vanillin som hovedkomponent overføres i en renere form. Disse separeringstrinn omfatter hovedsakelig fysikalske separe-ringer og bisulfit kompleksseparering-aldehyder fra de andre kjemi-kalier. De. fysikalske separeringsoperasjoner er ofte utilfreds-stillende av to grunner: De adskiller vanillin og forurensningene dårlig. De innbefatter resirkulering av store mengder vanillin i prosessen og følgelig som forurensingene fortsetter å akkumulere, krever mer og mer separering. På den annen side, hvis resirkule-ringer av vanillin skal unngås, vil uunngåelig store tap av vanillin fremkomme. In all known processes for the preparation of vanillin, after bringing vanillin together with its typical impurities in a solution, the next step is to separate the vanillin from the impurities. Most of the separation methods are of the type where vanillin as the main component is transferred in a purer form. These separation steps mainly comprise physical separations and bisulphite complex separation aldehydes from the other chemicals. The. physical separation operations are often unsatisfactory for two reasons: They separate vanillin and the impurities poorly. They involve recycling large amounts of vanillin in the process and consequently, as the contaminants continue to accumulate, require more and more separation. On the other hand, if recycling rings of vanillin are to be avoided, large losses of vanillin will inevitably occur.

Fremgangsmåten for fremstilling av vanillin kan for-enkles, hvis mengden av forurensinger kan reduseres ved begynnel-sen. Det er klart at hvis utgangsmaterialet er et råmaterial med et høyere enn normalt innhold av lignosulfonat, vil også den oksyderte væske ha et høyere enn normalt innhold av vanillin. Oksydasjonsmetodene skal ikke omtales her, fordi de er tidligere omtalt i flere patenter og andre publikasjoner. The process for producing vanillin can be simplified if the amount of contamination can be reduced at the start. It is clear that if the starting material is a raw material with a higher than normal content of lignosulfonate, the oxidized liquid will also have a higher than normal content of vanillin. The oxidation methods shall not be discussed here, because they have previously been discussed in several patents and other publications.

Overraskende er det nu funnet at forurensningen som opptrer i høyest innhold i vanillin, dvs. acetovanillin, dannes under oksyderingen hovedsakelig av lav-molekylær vekts lignin. Ved å fjerne fra væsken som skal oksyderes lav-molekylær-vekts ligniner før oksydasjonen, vil mengden av acetovanillin reduseres med to tredjedeler sammenlignet med den vanlige fremgangsmåte. Denne fordel fører til andre forbedringer som skal omtales senere og forenkler fremgangsmåten for fremstilling av vanillin. Surprisingly, it has now been found that the contaminant which appears in the highest content of vanillin, i.e. acetovanillin, is formed during the oxidation mainly of low-molecular-weight lignin. By removing from the liquid to be oxidized low-molecular-weight lignins before the oxidation, the amount of acetovanillin will be reduced by two-thirds compared to the usual method. This advantage leads to other improvements to be discussed later and simplifies the process for the production of vanillin.

I fremgangsmåten for fremstilling av vanillin, hvori vanillin ekstraheres med en alkohol, vil vanillin inneholde i tillegg til de typiske forurensninger acetovanillin, parahydroksy benzaldehyd, quaiacol, vanillinsyre, o-vanillin, en stor mengde av lav-molekylær-vekts delvis desulfonert lignin. In the process for the production of vanillin, in which vanillin is extracted with an alcohol, vanillin will contain, in addition to the typical impurities acetovanillin, parahydroxy benzaldehyde, quaiacol, vanillic acid, o-vanillin, a large amount of low-molecular-weight partially desulfonated lignin.

Vanillin kan selvsagt fjernes fra alkohol på flere forskjellige måter, eksempelvis ved fordampning eller ekstrahering Vanillin can of course be removed from alcohol in several different ways, for example by evaporation or extraction

i form av et natriumsalt, eller ved ekstrahering som fri vanillin. Hvis vanillin ekstraheres fra alkohol som natriumsalt, kan den in the form of a sodium salt, or by extraction as free vanillin. If vanillin is extracted from alcohol as the sodium salt, it can

lett behandles videre for således å danne bisulfitkompleks av vanillin ved å anvende svoveldioksyd. Fra dette bisulfitkompleks kan det lett ekstraheres ikke-aldehydiske ikke-komplekse forurensninger, såvel som de delvis desulfoniserte ligniner, i det følgende kalt "tjære". De relativt rene bisulfatkompleks av vanillin som oppstår således må spaltes, idet spaltningen best utføres ved å benytte'svovelsyre, hvorved svoveldioksyd frigjøres. Imidlertid i en slik spaltning ødelegges en relativt stor del vanillin, da den polymeriseres delvis med seg selv, delvis med forurensningene. easily further processed to thus form bisulphite complex of vanillin by using sulfur dioxide. From this bisulphite complex, non-aldehydic non-complex impurities, as well as the partially desulfonated lignins, hereinafter called "tar", can be easily extracted. The relatively pure bisulphate complex of vanillin that thus occurs must be split, since the split is best carried out by using sulfuric acid, whereby sulfur dioxide is released. However, in such a decomposition, a relatively large part of vanillin is destroyed, as it polymerizes partly with itself, partly with the impurities.

Det er kjent å spalte bisulfitkompleks av aldehyd også ved å benytte alkalier, hvorved bisulfit overføres til sulfit. Videre er det kjent å ekstrahere aldehyder direkte fra en slik kompleks oppløsning med et oppløsningsmiddel ved en forhøyet temperatur. It is known to split the bisulphite complex of aldehyde also by using alkalis, whereby bisulphite is transferred to sulphite. Furthermore, it is known to extract aldehydes directly from such a complex solution with a solvent at an elevated temperature.

Det er funnet at den beste fremgangsmåte er å kombinere de to ovennevnte metoder for å frigjøre vanillin, dvs. en samtidig spaltning med et alkali og ekstrahering med et organisk oppløsningsmiddel. Når natriumkarbonat benyttes for spaltning, vil slutt pH-verdien i spaltningen være 7,9 som i utstrakte eksperimenter har vist å være den beste pH-verdi også for. ekstraheringen. It has been found that the best method is to combine the above two methods to liberate vanillin, i.e. a simultaneous cleavage with an alkali and extraction with an organic solvent. When sodium carbonate is used for cleavage, the final pH value in the cleavage will be 7.9, which in extensive experiments has also been shown to be the best pH value for. the extraction.

Ved å arbeide ved nevnte pH-nivå, vil alle tjæreforurensninger forbli i den alkaliske vandige fase og bare aldehyder vil overføres til det organiske oppløsningsmiddel. Det beste organiske oppløsningsmiddel som kan benyttes her er aromatiske oppløsningsmidler, fremfor alt toluen. Av den oppnådde vanilin/toluen oppløsning kan aldehydene fremfor alt p-hydroksy-benzaldehyd som har en mer sur karakter meget for-delaktig ekstraheres. Dette gjøres best ved å benytte svakt alkalisk vann. By operating at said pH level, all tar contaminants will remain in the alkaline aqueous phase and only aldehydes will be transferred to the organic solvent. The best organic solvents that can be used here are aromatic solvents, above all toluene. From the vanillin/toluene solution obtained, the aldehydes, above all p-hydroxy-benzaldehyde, which has a more acidic character, can be very advantageously extracted. This is best done by using slightly alkaline water.

Sluttrensingen utføres best ved å fordampe toluen under anvendelse for fordampning en maksimal temperatur på 130°C og et trykk på ca. 5 kPa. En slik fordampning kan utføres på et hvilket som helst apparat, men utføres best i en tynn film-fordamper utstyrt med flere separate oppvarmningssoner. For-.dampningen utføres ved konstant trykk, mens temperaturen øker mot bunnen av apparatet fra ca. 6 0°C til 13 0°C. Fordampningen vil deretter fortsettes i et annet tilsvarende apparat ved om-trent samme temperatur, men nå ved et vesentlig lavere trykk på 0,2 kPa. I dette apparat fordampes vanillin fra høymolekylære forurensninger og fra forurensninger med et høyt kokepunkt. På den omtalte måte fremstilles en meget ren rå-vanillin, renheten er mer enn 99,5%. The final purification is best carried out by evaporating toluene using for evaporation a maximum temperature of 130°C and a pressure of approx. 5 kPa. Such evaporation can be carried out on any device, but is best carried out in a thin film evaporator equipped with several separate heating zones. The evaporation is carried out at constant pressure, while the temperature increases towards the bottom of the apparatus from approx. 6 0°C to 13 0°C. The evaporation will then be continued in another similar apparatus at approximately the same temperature, but now at a significantly lower pressure of 0.2 kPa. In this device, vanillin is evaporated from high-molecular contaminants and from contaminants with a high boiling point. In the manner described, a very pure raw vanillin is produced, the purity is more than 99.5%.

EksempelExample

4525 kg oksydert natrium-bisulfit avfallsvæske, opprinnelig renset ved ultrafiltrering og oppnådd fra finsk gran og inneholdende 1,53 vekt% vanillin med en tetthet på 1,22 ble kontinuerlig ekstrahert med butanol. 4525 kg of oxidized sodium bisulphite waste liquor, originally purified by ultrafiltration and obtained from Finnish spruce and containing 1.53% by weight vanillin with a density of 1.22 was continuously extracted with butanol.

Butanolekstraheringen ble utført ved en temperatur på 53°C, idet det ble benyttet n-butanol mettet med vann og med en tetthet på 0,803. Raffinatet fra ekstraheringen inneholdt 0,002% vanillin. Det dannede ekstrakt inneholdt 1,48 vekt% vanillin. I tillegg inneholdt ekstraktet 1,01 vekt% av andre oppløste, organiske stoffer som vanillin. Butanol-ekstraktet ble re-ekstrahert med vann, inneholdende 0,2 vekt% NaOH. For-målet med dette var å hindre skadélig dannelse av en emulsjon i ekstraheringen. Det vandige raffinat som ble dannet inneholdt nu 2,88 vekt% vanillin og butanolekstraktet 0,03% vanillin. Samme butanol ble benyttet seks ganger for å ekstrahere vanillin fra det oksyderte råmateriale. Ingen forskjell ble notert i butanolen etter første og sjette ekstrahering. The butanol extraction was carried out at a temperature of 53°C, using n-butanol saturated with water and with a density of 0.803. The raffinate from the extraction contained 0.002% vanillin. The resulting extract contained 1.48% by weight of vanillin. In addition, the extract contained 1.01% by weight of other dissolved organic substances such as vanillin. The butanol extract was re-extracted with water containing 0.2 wt% NaOH. The purpose of this was to prevent the harmful formation of an emulsion during the extraction. The aqueous raffinate that was formed now contained 2.88% vanillin by weight and the butanol extract 0.03% vanillin. The same butanol was used six times to extract vanillin from the oxidized raw material. No difference was noted in the butanol after the first and sixth extractions.

Vannfasen inneholdende natriumsalt av vanillin som således ble oppnådd og utgjorde 2,370 kg totalt, ble fordampet i en vakuumfordamper ved en temperatur på 35°C til 453 kg. Det fordampede produkt inneholdt ca. 150 '"g/kg vanillin, mens det totale tørrstoffs innhold var mer enn 300 g/kg. The aqueous phase containing the sodium salt of vanillin thus obtained and totaling 2.370 kg was evaporated in a vacuum evaporator at a temperature of 35°C to 453 kg. The evaporated product contained approx. 150 g/kg vanillin, while the total dry matter content was more than 300 g/kg.

Den konsentrerte vandige oppløsning av natrium-vanillat ble behandlet med gassformet svoveldioksyd i en reaktor utstyrt med en blander, idet natrium-bisulfit-kompleksen av vanillin ble dannet på i og for seg kjent måte. Gassformet svoveldioksyd ble matet til reaktoren inntil pH var sunket til 4,5. Den vandige oppløsning av bisulfit-komplekset ble lysere i farve og tjærestoff begynte å adskille seg. Denne oppløsning ble matet i en ekstraheringskolonne, hvori det var motstrømsbe-handling med n-butanol ved en temperatur på 25°C. Ikke-aldehydiske forurensninger ble ekstrahert fra den vandige oppløsning med butanol, såvel som tjærestoffene. The concentrated aqueous solution of sodium vanillate was treated with gaseous sulfur dioxide in a reactor equipped with a mixer, the sodium bisulphite complex of vanillin being formed in a manner known per se. Gaseous sulfur dioxide was fed to the reactor until the pH had dropped to 4.5. The aqueous solution of the bisulphite complex became lighter in color and tar matter began to separate. This solution was fed into an extraction column, in which there was countercurrent treatment with n-butanol at a temperature of 25°C. Non-aldehydic contaminants were extracted from the aqueous solution with butanol, as well as the tars.

Bisulfit-komplekset renset således var klartThe bisulphite complex thus purified was clear

og lyst i farven. n-butanolen som ble anvendt i ekstraheringen inneholdt eksempelvis 30 g/l quaiacol, 35 g/l acetovanillin og 5 g/l vanillin, såvel som ca. 140 g/l andre, for det meste tjære-aktig desulfonert lignin. and bright in color. The n-butanol used in the extraction contained, for example, 30 g/l quaiacol, 35 g/l acetovanillin and 5 g/l vanillin, as well as approx. 140 g/l other, mostly tar-like desulfonated lignin.

Det.rensede bisulfitkompleks av vanillin ble The purified bisulphite complex of vanillin was

spaltet ved å tilsette NaOH inntil pH var 7,9.cleaved by adding NaOH until the pH was 7.9.

Den således oppnådde vandige oppløsning ble oppvarmet til en temperatur på 65°C og ekstrahert kontinuerlig med toluen for å oppnå et klart gult toluen-ekstrakt. Ekstraktet inneholdt 81 g/l vanillin, mens bunnproduktet inneholdt 24 g/l vanillin. The aqueous solution thus obtained was heated to a temperature of 65°C and extracted continuously with toluene to obtain a clear yellow toluene extract. The extract contained 81 g/l vanillin, while the bottom product contained 24 g/l vanillin.

Toluenekstraktet ble vasket to ganger med en liten mengde rent vann for å fjerne reminenser av natriumsalter og en tung fase muligens dannet under ekstraheringen. I toluen-oppløsningen var vanillinets renhet mer enn 98%. Toluenoppløs- ningen ble fordampet, mens en liten mengde quaiacol også ble fordampet sammen med toluen. The toluene extract was washed twice with a small amount of pure water to remove remnants of sodium salts and a heavy phase possibly formed during the extraction. In the toluene solution, the purity of the vanillin was more than 98%. The toluene solution was evaporated, while a small amount of quaiacol was also evaporated together with the toluene.

Det faste brungule rå vanillin med smeltepunkt på 79,5°C ble destillert i vakuum ved en temperatur på 140°C The solid brown-yellow raw vanillin with a melting point of 79.5°C was distilled in vacuum at a temperature of 140°C

og et trykk på 1-2 mm Hg. I destilleringen ble hele destillatet oppfanget, mens mengden av bunnprodukt ble tilbake var ca. 5% av det innmatede. Bunnproduktet blé fullstendig oppløst i lut-oppløsningen og kan resirkuleres i prosessen. Destillatet hadde en lys gul farve og et smeltepunkt på 80°C. Det dannede destil-lat ble oppløst i vann for å danne en 5% oppløsning, filtrert gjennom aktivt kull, hvorpå den gule farve forsvant, og krystal-lisert fra vann på vanlig måte ved avkjøling til 5°C. Krystallene ble adskilt ved filtrering og tørket ved en temperatur på 60°C og ved et trykk på 4-5 mm Hg i fire timer. Krystallenes smeltepunkt var 81,4 til 82,2°C. Gasskromatografisk analyse viste 0,05% av acetovanillon og 0,05% ortovanillon som forurensninger i krystallene. Det ble ikke funnet spor av andre forurensninger. and a pressure of 1-2 mm Hg. In the distillation, the entire distillate was collected, while the amount of bottom product that remained was approx. 5% of what was fed. The bottom product was completely dissolved in the lye solution and can be recycled in the process. The distillate had a light yellow color and a melting point of 80°C. The resulting distillate was dissolved in water to form a 5% solution, filtered through activated carbon, whereupon the yellow color disappeared, and crystallized from water in the usual manner by cooling to 5°C. The crystals were separated by filtration and dried at a temperature of 60°C and at a pressure of 4-5 mm Hg for four hours. The melting point of the crystals was 81.4 to 82.2°C. Gas chromatographic analysis showed 0.05% of acetovanillon and 0.05% orthovanillon as impurities in the crystals. No traces of other contaminants were found.

Claims

1. Process for the production of vanillin using as raw material lignosulfonate produced in connection with the production of sulphite cellulose, characterized in that in the production of vanillin only such part of the lignosulfonate product is used, whose molecular weight exceeds more than 50% the value 5000, production of vanillin from said raw material by oxidation and isolation by alcohol extraction in a manner known per se, transfer of the formed vanillin to a bisulphite complex which is split by the addition of an alkali and extracted in connection with the split or immediately afterwards with an organic solvent free of vanillin, washing in the solvent of the free vanillin which has been brought to the organic solvent with weakly alkaline water and evaporation of the organic solvent from the solution thus treated in low vacuum in order to thus remove from the vanillin next to the solvent also quaiacol .

2. Method according to claim 1, characterized in that the lignosulfonate raw material is produced by ultrafiltration at a pH of 7.0.

3. Method according to claim 1, characterized by evaporation of the aqueous solution of vanillin which has been removed from the alcohol product as a sodium salt to a 5- to 15-fold concentration compared to the initial concentration, preferably to 10-fold the concentration at which concentration the transfer to bisulphite complex is carried out by using SO 2 .

4. Process according to claims 1-3, characterized by extracting the concentrated aqueous solution of vanillin-bisulfite complex, to free it of non-aldehydic impurities with the same alcohol that was used to separate vanillin from the reaction mixture, and recycling the extract as is mixed in the state free of alcohol or together with alcohol to feed the oxidation reactor.

5. Method according to claims 1-4, characterized by cleavage of the purified bisulphite complex in an alkaline manner and using sodium carbonate for the cleavage and carrying out the cleavage at the boiling point of the mixture, in order to distill off the alcohol.

6. Process according to claims 1-5, characterized by extracting vanillin from the cleavage reaction mixture at the cleavage temperature with an organic solvent, the organic solvent being toluene.

7. Method according to claims 1-6, characterized by complete evaporation of the solvent from the resulting mixture of vanillin and an organic solvent, preferably toluene, by using a temperature of up to 130°C and at the same time during the evaporation to use pressure up to 5 kPa.