WO2010037807A1 - Method for producing polycarboxylic acid alkyl esters - Google Patents

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WO2010037807A1
WO2010037807A1 PCT/EP2009/062743 EP2009062743W WO2010037807A1 WO 2010037807 A1 WO2010037807 A1 WO 2010037807A1 EP 2009062743 W EP2009062743 W EP 2009062743W WO 2010037807 A1 WO2010037807 A1 WO 2010037807A1
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acid
polycarboxylic acid
phase
aqueous
reaction
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PCT/EP2009/062743
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Andreas Krebs
Bernd Schäfer
Aline Raddatz
Wolfgang Siegel
Katja Bergmann
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Basf Se
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    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
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    • C07C51/09Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides from carboxylic acid esters or lactones
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/43Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation
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    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/08Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides with the hydroxy or O-metal group of organic compounds

Definitions

  • the present invention relates to a novel process for the preparation of polycarboxylic acid polyalkyl esters by reactive extraction from an aqueous solution of a salt of a polycarboxylic acid and to a process for recovering the polycarboxylic acid from the ester thus produced.
  • Organic carboxylic acids and their esters are important starting materials for chemical synthesis. It is of particular economic importance to produce such organic carboxylic acids and their esters as inexpensively as possible.
  • carboxylic acids such as, in particular, lactic acid or succinic acid
  • a wide variety of value products can be obtained by chemical means with the aid of various synthesis strategies (see, for example, reviews by Varadarajan et al., Biotechnol., Prog., 1999, 15, 845-854).
  • the esterification of succinates from fermentative sources is described in EP-A-1 842 843.
  • the diammonium salt of succinic acid can be esterified with butanol by removing water. In the distillative removal of water can ammonia be recovered as base.
  • the disadvantage of this variant is the limitation to butanol as the smallest alcohol. Furthermore, a complete removal of the water is necessary.
  • WO-A-98/51567 describes the esterification of fermentatively obtained citric acid.
  • ethanol is used as the alcohol.
  • Butanol is used in the other examples.
  • a disadvantage of the local technical teaching is that for a complete reaction also water must be removed by distillation.
  • ester-containing fuels and chemicals from biomass by reacting biologically produced alcohols, in particular methanol and ethanol, and fermentatively produced carboxylic acids is described by Olson et al. in Applied Biochemistry and Biotechnology, 2003, Vol. 105-108, 843-851. Various methods for the preparation of monocarboxylic acid esters are discussed. The successful esterification of polycarboxylic acid salts is not described in this document.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an improved process for the preparation of polycarboxylic acid esters from the corresponding salts, which on the one hand ensures a high ester yield and on the other hand, the distillative Removal of water no longer needed.
  • FIG. 1 shows an example of a continuously operated multi-stage reactive extraction plant.
  • FIG. 2 shows an overview of the work-up concept of a fermentation output for isolating the valuable product succinic acid dimethyl ester and the possibility of subsequently hydrolyzing this ester to give the free acid.
  • the above object has surprisingly been achieved by providing a process for the preparation of a polycarboxylic acid ester, in which a reactive extraction is carried out by contacting a template comprising an aqueous solution of a salt of the polycarboxylic acid with an alkanol and optionally a catalyst of the esterification brings and resulting from the reaction product by extraction into an organic phase removed from the reaction mixture.
  • the content of undesired coloring components in the product can be significantly reduced by subsequent distillation of the dimethyl ester, so that either the dimethyl ester directly or after appropriate hydrolysis, the dicarboxylic acid can be used in color-sensitive applications, creating a pure representation of the free polycarboxylic acid in this way also surprisingly easy to succeed on an industrial scale.
  • a first subject of the invention relates to a process for preparing at least one carboxylic acid alkyl ester, in particular a polyalkyl ester of a polycarboxylic acid, such as a dialkyl dicarboxylate, wherein a reactive extraction is carried out by reacting an aqueous solution comprising a salt of at least one water-soluble polycarboxylic acid with a water-soluble alkanol in particular Alkanmonool, in the presence of an esterification catalyst, in an at least two-phase, aqueous-organic solvent system, eg. B.
  • toluene as organic water-insoluble solvent or extractant, for example, in cocurrent or in countercurrent, brings in contact, performs the esterification reaction, substantially without removal of water, and at least one Polycarbonklarepolyalkylester-containing organic extract phase separated from the reaction mixture , Since the reaction mixture is agitated (eg stirred) in the reactor during the reaction, it is expedient to carry out a phase separation in a manner known per se prior to separation of the extract phase. The separation takes place in particular with increased selectivity, wherein the precursors of the polyester (such as in the case of succinic acid dimethyl ester of monoesters and succinic acid) remain mainly in the aqueous phase.
  • the precursors of the polyester such as in the case of succinic acid dimethyl ester of monoesters and succinic acid
  • Water-soluble in the context of the invention are compounds (alkanols, polycarboxylic acids) if these can be completely or partially dissolved in an aqueous reaction medium and / or water according to the invention. Water solubility is thus also present if the compound is less in a defined volume of the reaction medium than 100%, less than 90%, 80%, 50%, 25%, 10%, but at least for example to about 1% or 5%, each based on a given amount, can be solved.
  • Water Insoluble is a compound such as the organic solvent for extraction when less than 20% soluble in the aqueous reaction medium and / or water.
  • the resulting organic extract phases are further worked up by first removing the organic solvent by distillation and then removing the contained polycarboxylic acid ester overhead by distillation. In contrast to the prior art discussed above, it is thus avoided from the beginning to remove the water to a large extent or even completely from the reaction mixture or its constituents, such as the fermentation effluent containing carboxylic acid salt.
  • the at least biphasic, aqueous-organic system is either formed only after the start of the esterification reaction or is present during the entire course of the esterification reaction.
  • the at least biphasic, e.g. two-phase or three-phase, aqueous-organic system is formed by adding a water-immiscible organic liquid extractant, wherein the desired polyester is enriched in at least one organic phase thereof.
  • the extractant is chosen such that it selectively removes the desired polycarboxylic acid polyalkyl esters from the aqueous phase of the reaction mixture.
  • a “selective" extraction agent in the context of the invention effects a “selective” extraction, in particular of a polycarboxylic acid polyester prepared according to the invention, in particular a completely esterified polycarboxylic acid, which dissolved better after adjusting the distribution equilibrium between aqueous and organic phases in the organic phase (s) is at least one partially esterified and optionally the unesterified precursor thereof.
  • the desired polyester based on the total content of the respective polyester in the reaction mixture in the organic phase (s) to more than about 50 mol .-%, such. B, 51 to 100% or 55 to 99% or 60 to 98% or 65 to 95% mol .-%.
  • At least one, preferably all lower esterification level precursors should be less than about 50 mole percent in the organic phase (s), e.g. 49 to 0% or 40 to 0.01 or 30 to 0, 1 or 20 to 0, 1 or 10 to 0.5 mol .-%, in each case based on the total content of the respective precursor in the reaction mixture, be contained.
  • a water-immiscible organic solvent is selected from cyclic compounds, in particular aromatic or non-aromatic cyclic, optionally mono - or polyunsaturated, C 5 - C 2 - hydrocarbons; and non-cyclic compounds selected from saturated and mono- or polyunsaturated saturated, branched or unbranched C 5 - C 2 - hydrocarbons; aliphatic C 4 - C 8
  • Ethers aromatic ethers, and esters of aliphatic C 1 -C 6 -monocarboxylic acids with C 1 -C 8 -monoalkanols; and the mono- or polyhalogenated analogs of these types of compounds.
  • cyclic solvents are monocyclic aromatic compounds having 5 to 7 carbon atoms, such as toluene and xylene.
  • non-cyclic solvents are those having 5 to 7 carbon atoms, such as pentane, hexane, heptane; and ethyl acetate of Ci - C 4
  • the volume ratio of aqueous phase (comprising water, polycarboxylic acid and alkanol) to organic (organic) extract phase (s) in the range of about 10: 1 to 0.1: 1, such as. about 10: 1 to 1: 1 or 8: 1 to 4: 1 or 2: 1 to 1: 1.
  • the process according to the invention can be carried out by repeating the extraction until substantially no further polycarboxylic acid polyester can be extracted from the reaction mixture. So you can the extraction step, e.g. at least once, e.g. 1 to 10 times, in particular. Repeat 1, 2, 3, 4 or 5 times by adding again the water-immiscible organic extractant to the remaining reaction mixture, the esterification reaction still proceeding, and further polycarboxylic acid polyalkyl ester-containing organic extract phase as described above removed from the reaction mixture, optionally combined with the extract phase (s) previously obtained and optionally further processed.
  • the polycarboxylic acid salt used in the esterification process according to the invention can be prepared either chemically, enzymatically or microbiologically (by fermentation).
  • it is an optionally prepurified and / or concentrated fermentation broth containing one or more polycarboxylic acid salts.
  • the fermentation broth may also contain free acid or partially neutralized salts, and for reaction, these may be partially or completely neutralized by the addition of bases.
  • Suitable fermentation broths are derived, for example, from the cultivation of a pentoses and / or hexoses and / or polyols, in particular glucose-fermenting and / or glycerol-fermenting microorganisms.
  • the polycarboxylic acid salt content of the aqueous solution is usually in the range of about 0.1 to 60, 1 to 30 or 5 to 15 wt .-%, based on the total weight of the original (ie without acid (catalyst) and without alcohol).
  • the Polycarbonklaresalzgehalt z. B. at about 10 to 40 or 15 to 30 wt .-% and the Wasserateil at about 40 to 70 or 50 to 60 wt .-%, with conventional residues from the fermentation in a proportion of about 5 to 20 wt. % may be included in addition.
  • the salt of a carboxylic acid used in the invention is preferably selected from in each case straight-chain or branched, aliphatic, or cycloaliphatic, saturated or unsaturated, C 2 - C 2 o-, such as C 3 - C 0 - polycarboxylic acids, particularly polycarboxylic acids having 4, 5 or 6 carbon atoms.
  • Polycarboxylic acids are in particular selected from carboxylic acids having two or more, such as, for example, 2, 3 or 4 carboxyl groups, in particular dicarboxylic acids, preferably saturated dicarboxylic acids, and mixtures thereof.
  • suitable polycarboxylic acids may be substituted by further, for example 1 to 5 functional groups, for example hydroxy groups or mercapto groups.
  • the polycarboxylic acid is partially or completely neutralized with suitable bases.
  • the base used according to the invention is, in particular, ammonia, an ammonium salt, ammonium hydroxide or an alkali metal or alkaline earth metal diallyl salt, such as sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, barium hydroxide, calcium hydroxide and magnesium hydroxide.
  • Typical salts of polycarboxylic acids are ammonium salts or alkali metal salts, e.g. Sodium or potassium salts, or mixed forms thereof.
  • Nonlimiting examples of suitable polycarboxylic acids include:
  • Dicarboxylic acids such as oxalic acid (ethanedioic acid), malonic acid (propanedioic acid), succinic acid (butanedioic acid), glutaric acid (pentanedioic acid), adipic acid (hexanedioic acid), pimelic acid (heptanedioic acid), suberic acid (octanedioic acid), azelaic acid (nonanedioic acid), sebacic acid (decanedioic acid), dodecanedioic acid, Tetradecanedioic acid and hexadecanedioic acid; Maleic acid, itaconic acid, fumaric acid; Ci-C ⁇ -alkyl-substituted derivatives thereof, such as 2- or 3-methylglutaric acid; and their hydroxy-substituted derivatives, e.g. Malic acid or 2-hydroxyglutaric acid; or mixtures thereof
  • Tricarboxylic acids such as citric acid; Agaric acid, propane-1,2,3-tricarboxylic acid (tricarballylic acid), aconitic acid or mixtures thereof
  • Higher polycarboxylic acids obtainable, for example, by polymerization of monomers selected from acrylic acid and polymerizable derivatives thereof.
  • alkanol and “alcohol” are used interchangeably.
  • the alcohol is selected from straight or branched CRCI 0 -, -C 8 -, C - C 6 -, -C 4 or C 3 -C 6 - monoalkanols, in particular straight-chain or branched Ci - C 3 - mono-alkanols and mixtures thereof.
  • the alcohol methanol, ethanol, n- or i-propanol, 1-, 2- or tert-butanol, or n-pentanol, n-hexanol, n-heptanol, n-octanol, 2-ethylhexanol, n-nonanol , n-decanol, or an isomeric form of these n-alkanols.
  • the alkanol used is methanol and the acid used is succinic acid and the esterification product is succinic acid dimethyl ester.
  • the starting materials used (carboxylic acid salt, alkanol) to be completely dissolved in the reaction medium, in particular in its aqueous phase.
  • a partial solution is conceivable in principle, e.g. only about 1 to 99% e.g. 10 to 90% of the reactant used in each case are dissolved, and undissolved constituents can be converted into solution during the course of the reaction and then reacted.
  • the method according to the invention can be carried out in different modes of operation, such as in batch mode, semi-batch mode or continuously.
  • the reaction is carried out in particular in the presence of a homogeneous or heterogeneous esterification catalyst.
  • the heterogeneous catalyst is in particular an acidic ion exchanger catalyst and may optionally be fixed on or in reactor internals.
  • the homogeneous catalyst used is in particular one which is added to the aqueous salt solution of the carboxylic acid.
  • the homogeneous catalyst used is a Acid.
  • the acid used is a proton source selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, organic carboxylic acids. In a preferred embodiment sulfuric acid is used as the acid.
  • carboxylic acid polyesters can be prepared in quantitative or near quantitative yield (such as greater than 70%, or greater than 80, 85, or 95%), with the resulting reaction mixtures having very good purity upon distillation. Furthermore, it can be observed that after completion of the reaction and the extraction, the polycarboxylic acid content in the aqueous phase is less than about 10 mol%, such as e.g. is less than about 5, 2, 1 or 0.1 mol% of the amount used.
  • the skilled worker can achieve a desired high, preferably quantitative ester yield by optimizing the reaction conditions, such as residence time, reactor temperature, optionally pressure, and / or molar ratio of the starting materials and catalysts.
  • the subsequent distillation of the polyester further increases the purity of the polyester.
  • the alkanol used in the esterification reaction and the organic phase can be distilled off via the top of the column, with an alkanol / water mixture or azeotrope Qe after alkanol used) and Alkanol / organic phase mixture or azeotrope Ge after used organic phase) distilled off, condensed, from the condensate, the alkanol or the organic phase gains and returns to the reaction, or an alkanol / water hetero-azeotrope distilled off, condensed, from the Condensate separates the organic alkanol phase (such as by phase separation or by distillation), or an alkanol / water / organic phase hetero-azeotropically distilled off, condensed, separated from the condensate, the organic phase (such as by phase separation or by distillation) and in the implementation leads back.
  • Azeotropic mixtures can be formed especially when using ethanol, propanol and butanol; Hetreo a
  • the invention thus also provides a process for the preparation of a polycarboxylic acid which comprises first preparing a polycarboxylic acid ester using an esterification process as defined above and hydrolyzing the esters in the presence of water.
  • This reaction is carried out in the presence of an esterification catalyst which is a homogeneous or heterogeneous catalyst which may be as defined above.
  • the desired product in particular succinic acid, is isolated by crystallization after hydrolysis.
  • Alkyl stands for straight-chain or branched alkyl radicals having 1 to 12 C atoms, in particular for the C 1 -C 5 radicals methyl, ethyl, i- or n-propyl, n-, i-, sec- or tert. butyl, n- or i-pentyl; also C 6 - C 2 radicals n-hexyl, n-heptyl, n-octyl, n-nonyl, n-decyl, n-undecyl, n-dodecyl, as well as one or multiply branched analogues thereof.
  • “Monoalkanols” are derived from the above alkyl groups by introducing a hydroxyl radical, respectively.
  • suitable natural or recombinant, pro- or eukaryotic microorganisms are those which are suitable for the fermentative production of the desired polycarboxylic acid under aerobic or anaerobic conditions.
  • bacteria must be mentioned, such as those of the genus Escherichia, Bacteroides , Anaerobiospirillum, Actinobacillus and Mannheimia and fungi of the genus Rhizopus and Aspergillus.
  • bacteria such as E. coli, anaerobiopirillum succini-producing, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens or other bacteria or fungi containing the desired carboxylic acid, e.g. Succinic acid, produce, name.
  • Suitable fermentation conditions, media, fermenters and the like are determinable by one skilled in the art within the scope of his general knowledge. For this he can see, for example the embodiments in suitable technical literature, such. Rehm et al, Biotechnology, Vol. 3 Bioprocessing, 2nd ed., (Verlag Chemie, Weinheim).
  • a sterile culture medium which contains the substrate and other necessary for the growth of the microorganism and product formation additives such as carbon and / or nitrogen sources, trace elements and the like, and inoculated with a suitable amount of a fresh preculture of the microorganism.
  • the cultivation takes place continuously or discontinuously in a suitable fermenter with the polycarboxylic acid (or salts thereof) accumulating in the medium.
  • the pH of the fermentation medium is adjusted by adding base-containing solutions such as ammonium, sodium, potassium, calcium or magnesium hydroxide or carbonate to prevent inhibition of the culture. In principle, however, the introduction of ammonia is conceivable.
  • the fermentation broth containing the salt of the polycarboxylic acid are fed either directly to the esterification reaction according to the invention.
  • first biomass for example, separated by centrifugation or filtration.
  • concentration if too low, for example, by distillative separation of water, can be further increased to form a concentrated aqueous carboxylic acid salt-containing phase has a percentage of salt of the polycarboxylic acid in the range of about 1 to 70, preferably 10 to 50 weight percent. This aqueous concentrate is then fed to the esterification reaction.
  • the fermentation broth is prepared by anaerobic or aerobic fermentation or a combination of aerobic and anaerobic fermentation, preferably by the fermentation of carbon sources, such as CO 2 , oils or alcohols, in particular glycerol, ethanol, methanol, or sorbitol, or sugars, such as C 6 - or C 5 sugars, in particular glucose, sorbose, arabino nose, xylose, maltose or sucrose, in pure form or as a molasses or mixtures of said substances or their precursors, such as.
  • carbon sources such as CO 2 , oils or alcohols, in particular glycerol, ethanol, methanol, or sorbitol, or sugars, such as C 6 - or C 5 sugars, in particular glucose, sorbose, arabino nose, xylose, maltose or sucrose, in pure form or as a molasses or mixtures of said substances or their precursors, such as.
  • carbon sources such as CO 2
  • a microorganism such as E. coli
  • anaerobic phase the synthesis of succinate takes place. Both cultivation steps can take place in particular in complex medium.
  • Another embodiment comprises recycling the cells several times and carrying out the anaerobic production phase on complex or minimal medium.
  • the fermentation can be carried out in stirred fermenters, bubble columns and loop reactors.
  • stirrer shapes and geometrical designs can be found in "Chmiel: Bioprocessing Technology: Introduction to Bioprocess Engineering, Volume 1.”
  • the process control typically involves the following, known to the person skilled in the art or, for example, in “Chmiel , Hammes and Bailey: Biochemical Engineering ", such as batch, fed-batch, repeated fed-batch or else continuous fermentation with and without recycling of the biomass.
  • fumigation with air, oxygen, carbon dioxide, or hydrogen, nitrogen or corresponding gas mixtures in order to achieve good yields.
  • the fermentation broth can be pretreated, for example, the biomass of the broth can be separated.
  • Methods of separating the biomass are known to those skilled in the art, e.g. Filtration, sedimentation and flotation. Consequently, the biomass can be separated, for example, with centrifuges, separators, decanters, filters or in flotation apparatus.
  • centrifuges, separators, decanters, filters or in flotation apparatus For complete recovery of the desired product is often recommended washing the biomass, z. B. in the form of a diafiltration.
  • the choice of method depends on the biomass fraction in the fermenter broth and the properties of the biomass, as well as the interaction of the biomass with the desired product.
  • the fermentation broth may in one embodiment be sterilized or pasteurized.
  • the fermentation broth is concentrated.
  • This concentration or evaporation can be carried out batchwise or continuously as required.
  • the pressure and temperature range should be chosen so that on the one hand no product damage occurs, on the other hand a minimized use of equipment and energy is necessary.
  • the clever choice of pressure and temperature stages for multi-stage evaporation enables energy to be saved.
  • Apparatus can be used to stirred tank, falling film, thin film, Zwangsentnapssumlauf-, and other evaporator types in natural or forced circulation.
  • fertilization broth is understood to mean an aqueous solution based on a fermentative process which has not been worked up or worked up, for example, as described herein.
  • a “reactive extraction” is understood to be the simultaneous performance of a chemical reaction and an extraction.
  • This simultaneous implementation of reaction and extraction is particularly advantageous in those reactions in which the starting materials are not completely converted into the desired products due to the position of the chemical equilibrium.
  • the simultaneous separation of the reaction products from the reaction space makes it possible to achieve better conversion in a single apparatus.
  • the apparatus implementation of the reactive extraction according to the invention is in various Embodiments possible.
  • suitable for this purpose are all known types of reactors in which a simultaneous extraction is possible.
  • esterifiable polycarboxylic acids and alkanols and extractants which can be used according to the invention have already been described in more detail above.
  • the molar ratio of carboxylic acid or salts to alkanol in the esterification according to the invention is usually in the range from 1: 2 to 1:50, such as e.g. 1: 2 to 1:40 or 1: 2 to 1: 30.
  • the molar ratio of carboxylic acid or salts to organic phase solvent is usually in the range of 1: 1 to 1:40, e.g. 1: 1 to 1:25 or 1: 1 to 1:10.
  • Suitable solid esterification catalysts are ion exchange resins available under the trade designations Amberlyst 15 or Amberlyst 16 (Rohm and Haas) or DPT1 (Davy Process Technology Limited).
  • Suitable liquid or dissolved esterification catalysts are sulfuric acid, p-toluenesulfonic acid or methanesulfonic acid.
  • the pH values of the aqueous reaction mixture are preferably in the range of about 3 to 0. *** "
  • esterification process according to the invention which essentially comprises a reactive extraction, can be carried out in various embodiments using technical devices known per se.
  • Two non-limiting, specific examples of methods according to the invention for the preparation of BSDME and extraction with toluene are explained in more detail below with reference to the accompanying figures.
  • the esterification takes place in the stirred reactors R200 to R203 the are connected to each other via the phase separation devices PT200 to 203.
  • the reactants succinic acid (BS) (as ammonium salt in fermentation broth with initial concentration BS: ca.140 g / l), sulfuric acid and methanol are fed into the reactor R200.
  • the toluene phase of PT203 separated from R203 is fed overhead into R202.
  • the procedure is analogous to the toluene phases obtained from R202 and R201.
  • the toluene phase obtained from PT200 was worked up by distillation in K200.
  • Toluene is distilled off, crude BSDME remains as a dark oil and can be further separated by distillation.
  • Methanol is distilled off from the aqueous phase obtained from the precipitator PT203.
  • the aqueous residue containing salts, residual toluene and bioproducts from the fermentation broth is disposed of.
  • FIG. 2 shows the flow diagram of an overall process according to the invention for the production of succinic acid (BS), starting from a fermentation of the resulting salt of succinic acid with methanol to dimethyl succinate (BSDME), its reactive extraction with toluene, the distillation of this intermediate and the hydrolysis of the Esters to the BS.
  • BS succinic acid
  • BSDME dimethyl succinate
  • Suitable process parameter ranges for the esterification process of the present invention will be appreciated by those skilled in the art, depending on the design of the apparatus used, e.g. Type of column internals used, type and amount of reactants, type and amount of catalyst optionally used readily determinable. Thus, without being limited to and independently of each other, individual parameters can be set within the following parameter ranges:
  • Reactor temperature 0 - 250 0 C, in particular 40 - 150 0 C, or 70 - 100 0 C pressure: 0.1 to 6 bar, such as about 1 to 2 bar.
  • Dwell time a few seconds (such as 1 to 60) to days (such as 1 to 5), especially a few minutes (such as 1 to 60) to a few hours (such as 1 to 15), more preferably a few minutes (such as 5 to 20) to 2 h
  • the alkanol such as methanol
  • the organi- zation used for extraction see solvent is also recovered by distillation from the product phase value.
  • the desired product is purified by distillation overhead.
  • a rectification column usually consists of an evaporator at the bottom, a condenser at the top and various internals in the column Depending on the type of internals used, a distinction is made between bottom, packed and packed columns. In the top, the lower-boiling components accumulate and can be separated there.To achieve separation in the column, a partial stream of the condensate is usually returned to the column. The heavier-boiling components accumulate in the bottom and can be removed there It is also possible, depending on the separation problem, to extract through a side draw components between the lightest and the heaviest boiling components.
  • Packed columns can be filled with differently shaped packings. Due to the associated surface enlargement of about 3-50 mm large packing heat and mass transfer are optimized and thus increases the separation capacity of the column.
  • Typical examples of such substrates are the Raschig ring (a hollow cylinder), Pall ring, Hiflow ring, Intalox saddle, Berl saddle and hedgehog.
  • the packing can be ordered, but also random (as a bed) are introduced into the column. Possible materials are glass, ceramics, metal and plastics.
  • Structured packings are a further development of the ordered packing. They have a regularly shaped structure. There are different versions of packages z. B. tissue or sheet metal packages. The material used can be metal, plastic, glass and ceramics. Packing columns have a very low liquid content compared to tray columns. This is often advantageous for rectification because it reduces the risk of thermal decomposition of the substances.
  • UV detector ⁇ 204 nm
  • BW 4 nm
  • BS BSMME BSDME An aqueous fermentation broth (1200 g) (1300 ml) with a succinic acid content of 13% by weight (neutralized in the present case as sodium and / or ammonium salt) together with methanol (270 ml) (molar ratio BS: methanol ca 1: 5 (600 mL) and sulfuric acid (95% pure), toluene, 480 g) heated to 70 0 C. After one hour, extraction was carried out and the aqueous / methanolic phase was again mixed with fresh toluene (500 ml) and the first organic phase was separated. After four hours, a total of four extractions were carried out. In the aqueous phase, only traces of succinic acid and succinic acid monomethyl ester (BSMME) were found.
  • BSMME succinic acid monomethyl ester
  • aqueous fermentation broth 750 g dissolved with succinic acid as the diammonium salt (15% by weight) was treated with sulfuric acid (95% strength, 350 g) and methanol (190 ml) (molar ratio BS: methanol about 1: 5). Subsequently, this mixture was heated to 70 0 C and stirred for one hour at this temperature. After this time, toluene (450 ml) was added to the batch and phase separation was performed.
  • the organic phase contained 9.9% by weight of succinic acid dimethyl ester. Compared with experiments in which the organic phase is already present during the reaction (see Example 1 above), the yield decreases by 10%.
  • Succinic acid dimethyl ester (142 g, prepared according to Example 1) was added dropwise to 3 N hydrochloric acid (1400 g) and the biphasic mixture was heated at 80 ° C. for two hours. The solvent was then removed and the succinic acid isolated as a solid. In this way, 106 g of product were obtained, corresponding to a yield of 100%.
  • BSDEE Succinic Diethyl Ester

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Abstract

The invention relates to a novel method for producing polycarboxylic acid alkyl esters by reactive extraction of a salt of a polycarboxylic acid from an aqueous solution. The invention also relates to a method for extracting the polycarboxylic acid from the ester produced in this way.

Description

Verfahren zur Herstellung von Polycarbonsäurealkylestern Process for the preparation of polycarboxylic acid alkyl esters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Polycarbon- säurepolyalkylestern durch Reaktivextraktion aus einer wässrigen Lösung eines Salzes einer Polycarbonsäure sowie ein Verfahren zur Gewinnung der Polycarbonsäure aus dem so hergestellten Ester.The present invention relates to a novel process for the preparation of polycarboxylic acid polyalkyl esters by reactive extraction from an aqueous solution of a salt of a polycarboxylic acid and to a process for recovering the polycarboxylic acid from the ester thus produced.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Organische Carbonsäuren und deren Ester stellen wichtige Ausgangsprodukte für die chemische Synthese dar. Von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung ist es dabei, derartige organische Carbonsäuren und deren Ester möglichst kostengünstig herzustellen.Organic carboxylic acids and their esters are important starting materials for chemical synthesis. It is of particular economic importance to produce such organic carboxylic acids and their esters as inexpensively as possible.
Die fermentative Herstellung von Carbonsäuren unter Verwendung geeigneter Mikroorganis- men gewinnt zunehmende Bedeutung. Nachteilig bei diesen Verfahren ist jedoch, dass die Carbonsäuren meistens nicht als Reinsubstanz und zudem nicht in Form der freien Säure, sondern teilweise oder vollständig neutralisiert in Salzform anfallen. Eine Neutralisierung ist meistens notwendig, da anderenfalls bei zunehmender Fermentationsdauer die Fermentationsbrühe übersäuert und als Folge davon der Mikroorganismus geschädigt würde. Die Rein- darstellung fermentativ aber auch chemisch synthetisierter Carbonsäuren bzw. der korrespondierenden Ester ist daher von großer Bedeutung.The fermentative production of carboxylic acids using suitable microorganisms is becoming increasingly important. A disadvantage of these methods, however, is that the carboxylic acids are usually not obtained as a pure substance and also not in the form of the free acid but partially or completely neutralized in salt form. Neutralization is usually necessary because otherwise the fermentation broth would become acidified with increasing fermentation time and as a result the microorganism would be damaged. The pure representation of fermentatively but also chemically synthesized carboxylic acids or the corresponding esters is therefore of great importance.
Ausgehend von fermentativ hergestellten Carbonsäuren, wie insbesondere Milchsäure oder Bernsteinsäure, sind mit Hilfe verschiedener Synthesestrategien unterschiedlichste Wertpro- dukte auf chemischem Weg zugänglich (vgl. z.B. Übersichtsartikel von Varadarajan et al., Biotechnol. Prog. 1999, 15, 845-854).Starting from fermentatively produced carboxylic acids, such as, in particular, lactic acid or succinic acid, a wide variety of value products can be obtained by chemical means with the aid of various synthesis strategies (see, for example, reviews by Varadarajan et al., Biotechnol., Prog., 1999, 15, 845-854).
Die Veresterung von Bernsteinsäure im wässrigen Milieu wird beispielsweise beschrieben in Clark et al. Chem. Eur. J. 2007, 13, 6914-6919. Bei der dort beschriebenen Methode wird allerdings keine organische Phase zugesetzt. Weiterhin wird in einem 2,6-fachen Volumen- überschuss von Ethanol zu Wasser gearbeitet.The esterification of succinic acid in an aqueous medium is described, for example, in Clark et al. Chem. Eur. J. 2007, 13, 6914-6919. In the method described there, however, no organic phase is added. Furthermore, work is carried out in a 2.6-fold volume excess of ethanol to water.
Die Veresterung von Succinaten aus fermentativen Quellen ist in der EP-A-1 842 843 beschrieben. Dabei kann das Diammoniumsalz der Bernsteinsäure mit Butanol durch Entfernen von Wasser verestert werden. Bei dem destillativen Entfernen des Wassers kann Ammoniak als Base zurück gewonnen werden. Nachteilig bei dieser Variante ist die Beschränkung auf Butanol als kleinsten Alkohol. Weiterhin ist ein vollständiges Entfernen des Wassers notwendig.The esterification of succinates from fermentative sources is described in EP-A-1 842 843. The diammonium salt of succinic acid can be esterified with butanol by removing water. In the distillative removal of water can ammonia be recovered as base. The disadvantage of this variant is the limitation to butanol as the smallest alcohol. Furthermore, a complete removal of the water is necessary.
In der WO-A-98/51567 ist die Veresterung von fermentativ gewonnener Zitronensäure beschrieben. Dazu wird nach Aufreinigung durch Entfernen von Salzen in einem Beispiel als Alkohol Ethanol verwendet. In den anderen Beispielen wird Butanol verwendet. Nachteilig an der dortigen technischen Lehre ist, dass für eine vollständige Reaktion ebenfalls Wasser destillativ entfernt werden muss.WO-A-98/51567 describes the esterification of fermentatively obtained citric acid. For this purpose, after purification by removal of salts in one example ethanol is used as the alcohol. Butanol is used in the other examples. A disadvantage of the local technical teaching is that for a complete reaction also water must be removed by distillation.
In der US 2005/0143599 wird die Veresterung von Monosäure mit Diolen beschrieben. Dazu werden die Säure in Wasser und der meist unpolare Alkohol in Toluol gelöst. Die Veresterung von Disäure mit Monoalkoholen wird nicht beschrieben. Weiterhin sind nur geringe Mengen an Wasser bei der Veresterung vorhanden, offensichtlich um as Gleichgewicht der Vereste- rungsreaktion nicht zu sehr auf die Eduktseite zu verschieben.US 2005/0143599 describes the esterification of monoacid with diols. For this purpose, the acid is dissolved in water and the mostly nonpolar alcohol in toluene. The esterification of diacid with monoalcohols is not described. Furthermore, only small amounts of water are present during the esterification, obviously not to shift the equilibrium of the esterification reaction too much to the educt side.
Die ein- oder mehrstufige Veresterung freier Mono-, Di- oder Polycarbonsäuren durch Umsetzung eines Carbonsäure/Alkoholgemisches in einem Reaktor ist in der WO-A-2005/051885 beschrieben. Es findet sich aber kein Hinweis über die Verwendung einer zweiten organi- sehen Phase, um die Veresterung in Gegenwart von Wasser zu favorisieren.The mono- or multistage esterification of free mono-, di- or polycarboxylic acids by reacting a carboxylic acid / alcohol mixture in a reactor is described in WO-A-2005/051885. However, there is no indication of the use of a second organic phase to favor esterification in the presence of water.
Die Bereitstellung esterhaltiger Brennstoffe und Chemikalien aus Biomasse durch Umsetzung biologisch hergestellter Alkohole, insbesondere Methanol und Ethanol, und fermentativ hergestellter Carbonsäuren wird von Olson et al. in Applied Biochemistry and Biotechnology, 2003, Vol. 105-108, 843-851 , vorgeschlagen. Verschiedene Methoden zur Herstellung von Monocarbonsäureestern werden diskutiert. Die erfolgreiche Veresterung von Polycarbonsäu- resalzen wird in diesem Dokument nicht beschrieben.The provision of ester-containing fuels and chemicals from biomass by reacting biologically produced alcohols, in particular methanol and ethanol, and fermentatively produced carboxylic acids is described by Olson et al. in Applied Biochemistry and Biotechnology, 2003, Vol. 105-108, 843-851. Various methods for the preparation of monocarboxylic acid esters are discussed. The successful esterification of polycarboxylic acid salts is not described in this document.
Keines der zitierten Dokumente befasst sich zudem mit der gezielten Veresterung von Säure in der Anwesenheit einer organischen Phase und von größeren Mengen an Wasser. Da die Gegenwart von Wasser bei der Veresterung kontraproduktiv ist, wird dieses meist durch Destillation aus dem Gemisch entfernt. Dies ist aber mit einem großen Energieaufwand verbunden.None of the cited documents is concerned with the selective esterification of acid in the presence of an organic phase and of larger amounts of water. Since the presence of water in the esterification is counterproductive, this is usually removed by distillation from the mixture. But this is associated with a great deal of energy.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Polycarbonsäureestern aus den korrespondierenden Salzen bereitzustellen, welches einerseits eine hohe Esterausbeute gewährleistet und andererseits die destillative Entfernung von Wasser nicht mehr benötigt.The present invention is therefore based on the object to provide an improved process for the preparation of polycarboxylic acid esters from the corresponding salts, which on the one hand ensures a high ester yield and on the other hand, the distillative Removal of water no longer needed.
Figurenbeschreibungfigure description
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer kontinuierlich betriebenen mehrstufigen Reaktivextraktionsan- lage.FIG. 1 shows an example of a continuously operated multi-stage reactive extraction plant.
Figur 2 zeigt im Überblick das Aufarbeitungskonzept eines Fermentationsaustrages zur Isolierung des Wertproduktes Bernsteinsäuredimethylester sowie die Möglichkeit diesen Ester an- schließend zur freien Säure zu hydrolysieren.FIG. 2 shows an overview of the work-up concept of a fermentation output for isolating the valuable product succinic acid dimethyl ester and the possibility of subsequently hydrolyzing this ester to give the free acid.
Kurzfassung der ErfindungSummary of the invention
Obige Aufgabe konnte überraschenderweise durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Her- Stellung eines Polycarbonsäureesters gelöst werden, bei welchem man eine Reaktivextraktion durchführt, indem man eine Vorlage, umfassend eine wässrige Lösung eines Salzes der Po- lycarbonsäure mit einem Alkanol und gegebenenfalls einem Katalysator der Veresterung in Kontakt bringt und bei der Reaktion entstehendes Produkt durch Extraktion in eine organische Phase aus dem Reaktionsgemisch entfernt.The above object has surprisingly been achieved by providing a process for the preparation of a polycarboxylic acid ester, in which a reactive extraction is carried out by contacting a template comprising an aqueous solution of a salt of the polycarboxylic acid with an alkanol and optionally a catalyst of the esterification brings and resulting from the reaction product by extraction into an organic phase removed from the reaction mixture.
Bei Befolgung der erfindungsgemäßen Lehre gelingt es überraschenderweise, den gewünschten Polycarbonsäureester in deutlich verbesserter Ausbeute und überraschend hoher Reinheit bereitzustellen. So können Veresterungsgesamtausbeuten von 70 bis 100%, wie z.B. 80 bis 95 % bezogen auf die eingesetzte Carbonsäuremenge erzielt werden. Zudem ist ein Entfernen von Wasser aus dem Reaktionsgemisch nicht notwendig, um das gewünschte Reaktionsprodukt in den angegebenen, überraschend hohen Ausbeuten herzustellen.By following the teaching of the invention, it is surprisingly possible to provide the desired polycarboxylic acid ester in a significantly improved yield and surprisingly high purity. Thus, total esterification yields of from 70 to 100%, such as e.g. 80 to 95% based on the amount of carboxylic acid used can be achieved. In addition, removal of water from the reaction mixture is not necessary to produce the desired reaction product in the indicated, surprisingly high yields.
Insbesondere kann zusätzlich der Gehalt an unerwünschten farbgebenden Komponenten im Produkt durch anschließende Destillation des Dimethylesters signifikant verringert werden, so dass entweder der Dimethylester direkt oder nach entsprechender Hydrolyse die Dicarbon- säure in farbsensitiven Anwendungen eingesetzt werden kann, wodurch auf diesem Weg eine Reindarstellung der freien Polycarbonsäure auch in technischem Maßstab überraschend einfach gelingt.In particular, in addition, the content of undesired coloring components in the product can be significantly reduced by subsequent distillation of the dimethyl ester, so that either the dimethyl ester directly or after appropriate hydrolysis, the dicarboxylic acid can be used in color-sensitive applications, creating a pure representation of the free polycarboxylic acid in this way also surprisingly easy to succeed on an industrial scale.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung: Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Carbonsäurealkylesters, insbesondere eines Polyalkylesters einer Polycarbonsäure, wie z.B. einem Dicarbonsäuredialkylester, wobei man eine Reaktivextraktion durchführt, indem man eine wässrige Lösung, umfassend ein Salz wenigstens einer wasserlöslichen Polycarbonsäure, mit einem wasserlöslichen Alkanol insbesondere Alkanmonool, in Gegenwart eines Veresterungskatalysators, in einem mindestens zweiphasigen, wässrig-organischen Lösungsmittelsystem, z. B. umfassend Toluol als organisches wasserunlösliches Lösungsmittel bzw. Extraktionsmittel, beispielsweise im Gleichstrom oder im Gegenstrom, in Kontakt bringt, die Veresterungsreaktion durchführt, und zwar im Wesentlichen ohne Entfernung von Wasser, und wenigstens eine Polycarbonsäurepolyalkylester-haltige organische Extrakt-Phase aus dem Reaktionsgemisch abtrennt. Da das Reaktionsgemisch während der Reaktion im Reaktor bewegt (z.B. gerührt) wird, ist es zweckmäßig vor Abtrennung der Extraktphase in an sich bekannter Weise eine Phasentrennung durchzuführen. Die Abtrennung erfolgt insbesondere mit erhöhter Selektivität, wobei die Vorstufen des Polyesters (wie z.B. im Falle von Bernstein- säuredimethylester der Monoester und Bernsteinsäure) hauptsächlich in der wässrigen Phase verbleiben.1. Preferred Embodiments of the Invention: A first subject of the invention relates to a process for preparing at least one carboxylic acid alkyl ester, in particular a polyalkyl ester of a polycarboxylic acid, such as a dialkyl dicarboxylate, wherein a reactive extraction is carried out by reacting an aqueous solution comprising a salt of at least one water-soluble polycarboxylic acid with a water-soluble alkanol in particular Alkanmonool, in the presence of an esterification catalyst, in an at least two-phase, aqueous-organic solvent system, eg. B. comprising toluene as organic water-insoluble solvent or extractant, for example, in cocurrent or in countercurrent, brings in contact, performs the esterification reaction, substantially without removal of water, and at least one Polycarbonsäurepolyalkylester-containing organic extract phase separated from the reaction mixture , Since the reaction mixture is agitated (eg stirred) in the reactor during the reaction, it is expedient to carry out a phase separation in a manner known per se prior to separation of the extract phase. The separation takes place in particular with increased selectivity, wherein the precursors of the polyester (such as in the case of succinic acid dimethyl ester of monoesters and succinic acid) remain mainly in the aqueous phase.
„Wasserlöslich" im Sinne der Erfindung sind Verbindungen (Alkanole, Polycarbonsäuren), wenn diese vollständig oder partiell in einem erfindungsgemäßen wässrigen Reaktionsmedium und/oder Wasser gelöst werden können. Wasserlöslichkeit ist somit auch gegeben, wenn die Verbindung in einem definierten Volumen des Reaktionsmediums zu weniger als 100%, weniger als 90%, 80%, 50%, 25%, 10%, mindestens aber z.B. zu etwa 1 % oder 5%, jeweils bezogen auf eine vorgegebene Menge, gelöst werden kann."Water-soluble" in the context of the invention are compounds (alkanols, polycarboxylic acids) if these can be completely or partially dissolved in an aqueous reaction medium and / or water according to the invention. Water solubility is thus also present if the compound is less in a defined volume of the reaction medium than 100%, less than 90%, 80%, 50%, 25%, 10%, but at least for example to about 1% or 5%, each based on a given amount, can be solved.
„Wasserunlöslich" ist eine Verbindung, wie z.B. das organische Lösungsmittel zur Extraktion, wenn diese zu weniger als 20% in dem wässrigen Reaktionsmedium und/oder Wasser löslich ist."Water Insoluble" is a compound such as the organic solvent for extraction when less than 20% soluble in the aqueous reaction medium and / or water.
„Wasserlöslichkeit" und „Wasserunlöslichkeit" sind Angaben, bezogen auf Standardbedingungen: p= 1 bar, T=25°C, pH = 7."Water solubility" and "water insolubility" are data based on standard conditions: p = 1 bar, T = 25 ° C, pH = 7.
Gegebenenfalls wird die erhaltene organische Extraktphasen weiter aufgearbeitet, indem man zunächst das organische Lösungsmittel destillativ entfernt und anschließend den enthal- tenen Polycarbonsäureester über Kopf destillativ entfernt. Im Gegensatz zum oben diskutierten Stand der Technik wird also von Beginn an vermieden, das Wasser zu einem Grossteil oder gar vollständig aus dem Reaktionsgemisch bzw. dessen Bestandteilen, wie z.B. dem Carbonsäuresalz-haltigen Fermentationsaustrag zu entfernen.If appropriate, the resulting organic extract phases are further worked up by first removing the organic solvent by distillation and then removing the contained polycarboxylic acid ester overhead by distillation. In contrast to the prior art discussed above, it is thus avoided from the beginning to remove the water to a large extent or even completely from the reaction mixture or its constituents, such as the fermentation effluent containing carboxylic acid salt.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird entweder erst nach Start der Veresterungsreaktion das mindestens zweiphasige, wässrig-organische System ausgebildet oder liegt während des gesamten Verlaufs der Veresterungsreaktion vor.In a particular embodiment of the process according to the invention, the at least biphasic, aqueous-organic system is either formed only after the start of the esterification reaction or is present during the entire course of the esterification reaction.
Das mindestens zweiphasige, wie z.B. zweiphasige oder dreiphasige, wässrig-organische Sys- tem, wird durch Zugabe eines mit Wasser nicht mischbaren organischen, flüssigen Extraktionsmittels gebildet, wobei der gewünschte Polyester in wenigstens einer organischen Phase davon angereichert vorliegt.The at least biphasic, e.g. two-phase or three-phase, aqueous-organic system is formed by adding a water-immiscible organic liquid extractant, wherein the desired polyester is enriched in at least one organic phase thereof.
Insbesondere wird erfindungsgemäß das Extraktionsmittel so gewählt, dass es die gewünschten Polycarbonsäurepolyalkylester selektiv aus der wässrigen Phase des Reaktionsgemischs entfernt.In particular, according to the invention, the extractant is chosen such that it selectively removes the desired polycarboxylic acid polyalkyl esters from the aqueous phase of the reaction mixture.
Ein „selektives" Extraktionsmittel im Sinne der Erfindung bewirkt eine „selektive" Extraktion insbesondere eines erfindungsgemäß hergestellten Polycarbonsäurepolyesters, insbesondere einer vollständig veresterten Polycarbonsäure, wobei diese nach Einstellung des Verteilungsgleichgewichts zwischen wässrigen und organischen Phasen in der (den) organische Phase(n) besser gelöst ist als wenigstens eine teilveresterte sowie gegebenenfalls die unveresterte Vorstufe davon. Insbesondere sollte der gewünschte Polyester, bezogen auf den Gesamtgehalt an dem betreffenden Polyester im Reaktionsansatz in der (den) organischen Phase(n) zu mehr als etwa 50 Mol.-%, wie z. B, 51 bis 100% oder 55 bis 99% oder 60 bis 98 % oder 65 bis 95 % Mol.-% enthalten sein. Wenigstens eine, vorzugsweise alle Vorstufen mit niedrigerem Veresterungsgrad (d.h. Teilester oder unveresterte Vorstufen), sollte in der (den) organischen Phase(n) zu weniger als etwa 50 Mol.-%, wie z.B. 49 bis 0% oder 40 bis 0,01 oder 30 bis 0, 1 oder 20 bis 0, 1 oder 10 bis 0,5 Mol.-% , jeweils bezogen auf den Gesamtgehalt der jeweiligen Vorstufe im Reaktionsan- satz, enthalten sein.A "selective" extraction agent in the context of the invention effects a "selective" extraction, in particular of a polycarboxylic acid polyester prepared according to the invention, in particular a completely esterified polycarboxylic acid, which dissolved better after adjusting the distribution equilibrium between aqueous and organic phases in the organic phase (s) is at least one partially esterified and optionally the unesterified precursor thereof. In particular, the desired polyester, based on the total content of the respective polyester in the reaction mixture in the organic phase (s) to more than about 50 mol .-%, such. B, 51 to 100% or 55 to 99% or 60 to 98% or 65 to 95% mol .-%. At least one, preferably all lower esterification level precursors (i.e., partial esters or unesterified precursors) should be less than about 50 mole percent in the organic phase (s), e.g. 49 to 0% or 40 to 0.01 or 30 to 0, 1 or 20 to 0, 1 or 10 to 0.5 mol .-%, in each case based on the total content of the respective precursor in the reaction mixture, be contained.
In Abhängigkeit von den jeweils eingesetzten Reaktanden und eingestellten Reaktionsbedingungen wird der Fachmann das jeweils optimale Lösungsmittel auswählen um die gewünschte Selektivität bei der Polycarbonsäure Extraktion zu erreichen. So kann man als Extraktionsmittel grundsätzlich ein mit Wasser nicht mischbares organisches Lösungsmittel einsetzen, das ausgewählt ist unter cyclischen Verbindungen, insbesondere aromatischen oder nicht-aromatischen cyclischen, gegebenenfalls ein - oder mehrfach ungesättigten, C5 - Ci2 - Kohlenwasserstoffen; und nicht-cyclischen Verbindungen, ausgewählt unter gesättigten und ein- oder mehrfach unge- sättigten, verzweigten oder unverzweigten C5 - Ci2 - Kohlenwasserstoffen; aliphatischen C4 - C8 Depending on the particular reactants used and the reaction conditions set, the person skilled in the art will select the optimum solvent in each case in order to achieve the desired selectivity in the polycarboxylic acid extraction. Thus, one can in principle use as an extraction agent is a water-immiscible organic solvent is selected from cyclic compounds, in particular aromatic or non-aromatic cyclic, optionally mono - or polyunsaturated, C 5 - C 2 - hydrocarbons; and non-cyclic compounds selected from saturated and mono- or polyunsaturated saturated, branched or unbranched C 5 - C 2 - hydrocarbons; aliphatic C 4 - C 8
- Ethern, aromatischen Ethern, und Estern aliphatischer Ci - Cβ-Monocarbonsäuren mit Ci -C8- Monoalkanolen; sowie den ein- oder mehrfach halogenierten Analoga dieser Verbindungstypen.Ethers, aromatic ethers, and esters of aliphatic C 1 -C 6 -monocarboxylic acids with C 1 -C 8 -monoalkanols; and the mono- or polyhalogenated analogs of these types of compounds.
Ohne darauf beschränkt zu sein, sind als besonders geeignete cyclische Lösungsmittel monocyl- cische aromatische Verbindungen mit 5 bis 7 Kohlenstoffatomen, wie Toluol und XyIoI, zu nennen.Without being limited thereto, particularly suitable cyclic solvents are monocyclic aromatic compounds having 5 to 7 carbon atoms, such as toluene and xylene.
Ohne darauf beschränkt zu sein, sind als besonders geeignete nicht-cyclische Lösungsmittel solche mit 5 bis 7 Kohlenstoffatomen, wie Pentan, Hexan, Heptan; sowie Essigester von Ci - C4 Without being limited thereto, particularly suitable non-cyclic solvents are those having 5 to 7 carbon atoms, such as pentane, hexane, heptane; and ethyl acetate of Ci - C 4
- Monoalkanolen, zu nennen.- monoalkanols, to name.
Insbesondere liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren das Volumenverhältnis von wässriger Phase (umfassend Wasser, Polycarbonsäure und Alkanol) zu organischer (organischen) Extrakt- phase(n) im Bereich von etwa 10:1 bis 0,1 :1 wie z.B. etwa 10:1 bis 1 :1 oder 8:1 bis 4:1 oder2:1 bis 1 :1.In particular, in the method according to the invention, the volume ratio of aqueous phase (comprising water, polycarboxylic acid and alkanol) to organic (organic) extract phase (s) in the range of about 10: 1 to 0.1: 1, such as. about 10: 1 to 1: 1 or 8: 1 to 4: 1 or 2: 1 to 1: 1.
Gegebenenfalls kann man das erfindungsgemäße Verfahren so durchführen, dass man die Extraktion so oft wiederholt, bis im wesentlichen kein weiterer Polycarbonsäurepolyester aus dem Reaktionsansatz mehr extrahiert werden kann. So kann man den Extraktionsschritt z.B. wenigstens einmal, wie z.B. 1- bis 10-mal, wie insbesondere. 1-, 2-, 3-, 4- oder 5-mal wiederholen, indem man das mit Wasser nicht mischbare organische Extraktionsmittel dem verbleibenden Reaktionsansatz erneut zusetzt, wobei die Veresterungsreaktion weiterhin abläuft, und man wie oben beschrieben eine weitere Polycarbonsäurepolyalkylester-haltige organische Extraktphase aus dem Reaktionsgemisch entfernt, gegebenenfalls mit der (den) zuvor gewonnenen Extrakt- phase(n) vereinigt und gegebenenfalls weiterverarbeitet.If appropriate, the process according to the invention can be carried out by repeating the extraction until substantially no further polycarboxylic acid polyester can be extracted from the reaction mixture. So you can the extraction step, e.g. at least once, e.g. 1 to 10 times, in particular. Repeat 1, 2, 3, 4 or 5 times by adding again the water-immiscible organic extractant to the remaining reaction mixture, the esterification reaction still proceeding, and further polycarboxylic acid polyalkyl ester-containing organic extract phase as described above removed from the reaction mixture, optionally combined with the extract phase (s) previously obtained and optionally further processed.
Das im erfindungsgemäßen Veresterungsverfahren eingesetzte Polycarbonsäuresalz kann entweder chemisch, enzymatisch oder mikrobiologisch (fermentativ) hergestellt sein , Insbe- sondere ist es eine gegebenenfalls vorgereinigte und/oder aufkonzentrierte Fermentationsbrühe, die ein oder mehrere Polycarbonsäuresalze enthält. Die Fermentationsbrühe kann auch freie Säure oder teilweise neutralisierte Salze enthalten und zur Umsetzung können diese durch Zugabe von Basen, teilweise oder vollständig neutralisiert werden. Geeignete Fermentationsbrühen stammen beispielsweise aus der Kultivierung eines Pentosen und/oder Hexosen und/ oder Polyole, insbesondere Glucose-fermentierenden und/oder Glycerin- fermentierenden Mikroorganismus. Der Polycarbonsäuresalzgehalt der wässrigen Lösung liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 0,1 bis 60, 1 bis 30 oder 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Vorlage (d.h. ohne Säure (Katalysator) und ohne Alkohol). Im Falle der Verwendung einer Fermentationsbrühe als Vorlage kann der Polycarbonsäuresalzgehalt z. B. bei etwa 10 bis 40 oder 15 bis 30 Gew.-% und der Wasserateil bei etwa 40 bis 70 oder 50 bis 60 Gew.-% liegen, wobei übliche Rückstände aus der Fermentation in einem Anteil von etwa 5 bis 20 Gew.-% zusätzlich enthalten sein können.The polycarboxylic acid salt used in the esterification process according to the invention can be prepared either chemically, enzymatically or microbiologically (by fermentation). In particular, it is an optionally prepurified and / or concentrated fermentation broth containing one or more polycarboxylic acid salts. The fermentation broth may also contain free acid or partially neutralized salts, and for reaction, these may be partially or completely neutralized by the addition of bases. Suitable fermentation broths are derived, for example, from the cultivation of a pentoses and / or hexoses and / or polyols, in particular glucose-fermenting and / or glycerol-fermenting microorganisms. The polycarboxylic acid salt content of the aqueous solution is usually in the range of about 0.1 to 60, 1 to 30 or 5 to 15 wt .-%, based on the total weight of the original (ie without acid (catalyst) and without alcohol). In the case of using a fermentation broth as a template, the Polycarbonsäuresalzgehalt z. B. at about 10 to 40 or 15 to 30 wt .-% and the Wasserateil at about 40 to 70 or 50 to 60 wt .-%, with conventional residues from the fermentation in a proportion of about 5 to 20 wt. % may be included in addition.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Salz einer Carbonsäure ist vorzugsweise ausgewählt unter jeweils geradkettigen oder verzweigte, aliphatische, oder cycloaliphatischen, gesättigten oder ungesättigten, C2 - C2o-, wie z.B. C3 - Ci0 - Polycarbonsäuren, insbesondere Polycarbonsäu- ren mit 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen. Polycarbonsäuren sind insbesondere ausgewählt unter Carbonsäuren mit zwei oder mehr, wie z.B. 2, 3 oder 4 Carboxylgruppen, wie insbesondere Dicarbonsäuren, vorzugsweise gesättigten Dicarbonsäuren, und Mischungen davon. Zu- sätzlich können geeignete Polycarbonsäuren mit weiteren, wie z.B. 1 bis 5 funktionale Gruppen, wie z.B. Hydroxygruppen oder Merkaptogruppen substituiert sein.The salt of a carboxylic acid used in the invention is preferably selected from in each case straight-chain or branched, aliphatic, or cycloaliphatic, saturated or unsaturated, C 2 - C 2 o-, such as C 3 - C 0 - polycarboxylic acids, particularly polycarboxylic acids having 4, 5 or 6 carbon atoms. Polycarboxylic acids are in particular selected from carboxylic acids having two or more, such as, for example, 2, 3 or 4 carboxyl groups, in particular dicarboxylic acids, preferably saturated dicarboxylic acids, and mixtures thereof. In addition, suitable polycarboxylic acids may be substituted by further, for example 1 to 5 functional groups, for example hydroxy groups or mercapto groups.
Dabei ist die Polycarbonsäure mit geeigneten Basen teilweise oder vollständig neutralisiert. Als Base wird erfindungsgemäß insbesondere Ammoniak, ein Ammoniumsalz, Ammonium- hydroxid oder ein Alkali- oder Erdalkalimetallydroxysalz verwendet, wie Natriumhydroxid, Lithiumhydroxid, Kaliumhydroxid, Bariumhydroxid, Calciumhydroxid und Magnesiumhydroxid.The polycarboxylic acid is partially or completely neutralized with suitable bases. The base used according to the invention is, in particular, ammonia, an ammonium salt, ammonium hydroxide or an alkali metal or alkaline earth metal diallyl salt, such as sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, barium hydroxide, calcium hydroxide and magnesium hydroxide.
Typische Salze von Polycarbonsäuren sind Ammoniumsalze oder Alkalimetallsalze, wie z.B. Natrium- oder Kaliumsalze, oder Mischformen davon.Typical salts of polycarboxylic acids are ammonium salts or alkali metal salts, e.g. Sodium or potassium salts, or mixed forms thereof.
Als nichtlimitierende Beispiele geeigneter Polycarbonsäuren sind zu nennen:Nonlimiting examples of suitable polycarboxylic acids include:
Dicarbonsäuren, wie Oxalsäure (Ethandisäure), Malonsäure (Propandisäure), Bernsteinsäure (Butandisäure), Glutarsäure (Pentandisäure), Adipinsäure (Hexandisäure), Pimelinsäure (Heptandisäure), Suberinsäure (Octandisäure), Azelainsäure (Nonandisäure), Sebacinsäure (Decandisäure), Dodecandisäure , Tetradecandisäure und Hexadecandisäure; Maleinsäure, Itaconsäure, Fumarsäure; Ci-Cβ-alkylsubstituierte Derivate davon, wie 2- oder 3- Methylglutarsäure; sowie deren hydroxysubstituierten Derivate, wie z.B. Äpfelsäure oder 2- Hydroxy-Glutarsäure; oder Gemische davon.Dicarboxylic acids, such as oxalic acid (ethanedioic acid), malonic acid (propanedioic acid), succinic acid (butanedioic acid), glutaric acid (pentanedioic acid), adipic acid (hexanedioic acid), pimelic acid (heptanedioic acid), suberic acid (octanedioic acid), azelaic acid (nonanedioic acid), sebacic acid (decanedioic acid), dodecanedioic acid, Tetradecanedioic acid and hexadecanedioic acid; Maleic acid, itaconic acid, fumaric acid; Ci-Cβ-alkyl-substituted derivatives thereof, such as 2- or 3-methylglutaric acid; and their hydroxy-substituted derivatives, e.g. Malic acid or 2-hydroxyglutaric acid; or mixtures thereof.
Tricarbonsäuren, wie z.B. Zitronensäure; Agaricinsäure, Propan-1 ,2,3-tricarbonsäure (Tricar- ballylsäure), Aconitsäure oder Gemische davon Höhere Polycarbonsäuren, z.B. erhältlich durch Polymerisation von Monomeren, ausgewählt unter Acrylsäure und polymerisierbaren Derivaten davon.Tricarboxylic acids, such as citric acid; Agaric acid, propane-1,2,3-tricarboxylic acid (tricarballylic acid), aconitic acid or mixtures thereof Higher polycarboxylic acids, obtainable, for example, by polymerization of monomers selected from acrylic acid and polymerizable derivatives thereof.
Erfindungsgemäß werden die Begriffe „Alkanol" und „Alkohol" synonym verwendet. Insbeson- dere wird für die Veresterung wenigstens ein Alkanol in konzentrierter oder verdünnter Form, oder als Reinstoff, wie z.B. wasserfrei, eingesetzt. Der Alkohol ist ausgewählt unter geradket- tigen oder verzweigten CrCi0-, CrC8-, Ci - C6-, CrC4 oder C3-C6- Monoalkanolen, wie insbesondere geradkettigen oder verzweigten Ci - C3- Monoalkanolen und Gemischen davon. Beispielsweise ist der Alkohol, Methanol, Ethanol, n- oder i-Propanol, 1-, 2- oder tert- Butanol, oder n-Pentanol, n-Hexanol, n-Heptanol, n-Octanol, 2-Ethylhexanol, n-Nonanol, n-Decanol, oder eine isomere Form dieser n-Alkanole.According to the invention, the terms "alkanol" and "alcohol" are used interchangeably. In particular, at least one alkanol in concentrated or diluted form, or as pure substance, such as anhydrous, is used for the esterification. The alcohol is selected from straight or branched CRCI 0 -, -C 8 -, C - C 6 -, -C 4 or C 3 -C 6 - monoalkanols, in particular straight-chain or branched Ci - C 3 - mono-alkanols and mixtures thereof. For example, the alcohol, methanol, ethanol, n- or i-propanol, 1-, 2- or tert-butanol, or n-pentanol, n-hexanol, n-heptanol, n-octanol, 2-ethylhexanol, n-nonanol , n-decanol, or an isomeric form of these n-alkanols.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das eingesetzte Alkanol Methanol und die eingesetzte Säure Bernsteinsäure und man erhält als Veresterungsprodukt Bernsteinsäuredime- thylester.According to a preferred embodiment, the alkanol used is methanol and the acid used is succinic acid and the esterification product is succinic acid dimethyl ester.
Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, dass die eingesetzten Edukte (Carbonsäuresalz, Alkanol) im Reaktionsmedium, insbesondere in dessen wässriger Phase, vollständig gelöst vorliegen. Eine partielle Lösung ist grundsätzlich denkbar, so können z.B. nur etwa 1 bis 99 % wie z.B. 10 bis 90 % des jeweils eingesetzten Edukts gelöst vorliegen, und nichtgelöste Bestandteile können im Verlauf der Reaktion in Lösung überführt und sodann umgesetzt werden.In principle, it is not necessary for the starting materials used (carboxylic acid salt, alkanol) to be completely dissolved in the reaction medium, in particular in its aqueous phase. A partial solution is conceivable in principle, e.g. only about 1 to 99% e.g. 10 to 90% of the reactant used in each case are dissolved, and undissolved constituents can be converted into solution during the course of the reaction and then reacted.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in unterschiedlicher Fahrweise, wie in Batch- Fahrweise, Semi-Batch-Fahrweise oder kontinuierlich durchgeführt werden.The method according to the invention can be carried out in different modes of operation, such as in batch mode, semi-batch mode or continuously.
Insbesondere bei kontinuierlicher Fahrweise ist es von Vorteil, wiederverwendbare Nebenprodukte der Umsetzung, wie z.B. das Alkanol oder das organische Lösungsmittel, (wie z.B. Toluol) wiederzugewinnen und an geeigneter Stelle in das Verfahren wieder zurückzuführen.In particular, in a continuous mode of operation, it is advantageous to have reusable by-products of the reaction, e.g. recover the alkanol or organic solvent (such as toluene) and recycle it to the process at the appropriate place.
Beim Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird die Reaktion insbesondere in Gegenwart eines homogenen oder heterogenen Veresterungskatalysators durchgeführt. Der heterogene Katalysator ist dabei insbesondere ein saurer Ionenaustauscher-Katalysator und kann gegebenenfalls auf oder in Reaktoreinbauten fixiert sein.In the process according to the invention, the reaction is carried out in particular in the presence of a homogeneous or heterogeneous esterification catalyst. The heterogeneous catalyst is in particular an acidic ion exchanger catalyst and may optionally be fixed on or in reactor internals.
Als homogenen Katalysator verwendet man insbesondere einen, den man der wässrigen Salz- Lösung der Carbonsäure zusetzt. Insbesondere ist der eingesetzte homogene Katalysator eine Säure. Als Säure wird eine Protonenquelle verwendet, ausgewählt unter Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure, organischen Carbonsäuren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Säure Schwefelsäure verwendet.The homogeneous catalyst used is in particular one which is added to the aqueous salt solution of the carboxylic acid. In particular, the homogeneous catalyst used is a Acid. The acid used is a proton source selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, organic carboxylic acids. In a preferred embodiment sulfuric acid is used as the acid.
Neben der überraschend selektiven Extraktion des sich bildenden Diesters hat dies den weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass das ansonsten bei der Verwendung wässriger Lösungen von höheren Alkanolen mit Carbonsäuresalzen auftretende Problem der Gleichgewichtsbildung und damit Limitierung des Umsatzes nicht besteht und eine gleichmäßigere Verfahrensführung erfindungsgemäß ermöglicht wird.In addition to the surprisingly selective extraction of the diester which forms, this has the further advantage over the prior art that the problem of equilibrium and thus limitation of the conversion otherwise occurring when using aqueous solutions of higher alkanols with carboxylic acid salts does not exist and enables a more uniform process procedure according to the invention becomes.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass die Gegenwart des mit Wasser nicht mischbaren, organischen Lösungsmittels (wie Toluol) während der Veresterung im wässrigen Milieu signifikante Vorteile gegenüber einer nachgeschalteten Extraktion (nach Beendigung der Reaktion) hat, die sich insbesondere in einer signifikant höheren Ausbeute an Wertpro- dukt äußern.Surprisingly, it could be shown that the presence of the water-immiscible, organic solvent (such as toluene) during esterification in aqueous medium has significant advantages over a subsequent extraction (after completion of the reaction), which in particular in a significantly higher yield of Wertpro - express the product.
Überraschenderweise konnte weiterhin gezeigt werden, dass durch eine Destillation des po- lyesters, (wie z.B. des Bernsteinsäuredimethylesters) eine signifikante Entfärbung erreicht wird.Surprisingly, it has also been shown that a significant decolorization is achieved by distillation of the polyester (such as succinic acid dimethyl ester).
Damit können erfindungsgemäß Carbonsäurepolyester in quantitativer oder annähernd quantitativer Ausbeute (wie z.B. mehr als 70 %, oder mehr als 80, 85, oder 95%) hergestellt werden, wobei die anfallenden Reaktionsgemische nach Destillation eine sehr gute Reinheit aufweisen. Weiterhin ist zu beobachten, dass nach Beendigung der Reaktion und der Extraktion der Po- lycarbonsäure-Gehalt in der wässrigen Phase weniger als etwa 10 Mol-%, wie z.B. weniger als etwa 5, 2, 1 oder 0,1 Mol-% der eingesetzten Menge beträgt.Thus, in accordance with the present invention, carboxylic acid polyesters can be prepared in quantitative or near quantitative yield (such as greater than 70%, or greater than 80, 85, or 95%), with the resulting reaction mixtures having very good purity upon distillation. Furthermore, it can be observed that after completion of the reaction and the extraction, the polycarboxylic acid content in the aqueous phase is less than about 10 mol%, such as e.g. is less than about 5, 2, 1 or 0.1 mol% of the amount used.
Insgesamt kann der Fachmann unter Befolgung der erfindungsgemäßen allgemeinen Lehre, durch Optimierung der Umsetzungsbedingungen, wie Verweilzeit, Reaktortemperatur, ggf. Druck, und/ oder molares Verhältnis von den Edukten und Katalysatoren, eine gewünscht hohe, möglichst quantitative Esterausbeute, erreichen.Overall, the skilled worker can achieve a desired high, preferably quantitative ester yield by optimizing the reaction conditions, such as residence time, reactor temperature, optionally pressure, and / or molar ratio of the starting materials and catalysts.
Durch die anschließende Destillation des Polyesters wird die Reinheit des Polyester weiter erhöht.The subsequent distillation of the polyester further increases the purity of the polyester.
Das bei der Veresterungsreaktion verwendete Alkanol sowie die organische Phase (ggf. zusammen mit geringen Mengen Alkanol) kann man über den Kolonnenkopf abdestillieren, wobei man ein Alkanol/Wasser-Gemisch oder -Azeotrop Qe nach verwendetem Alkanol) und Alkanol/organische Phase Gemisch oder -Azeotrop Ge nach verwendeter organischer Phase) abdestilliert, kondensiert, aus dem Kondensat das Alkanol bzw. die organische Phase gewinnt und in die Umsetzung zurückführt, oder ein Alkanol/Wasser-Hetero-Azeotrop abdestilliert, kondensiert, aus dem Kondensat die organische Alkanol-Phase abtrennt (wie z.B. durch Phasentrennung oder durch Destillation), oder ein Alkanol/Wasser/organische Phase-Hetero- Azeotrop abdestilliert, kondensiert, aus dem Kondensat die organische Phase abtrennt (wie z.B. durch Phasentrennung oder durch Destillation) und in die Umsetzung zurückführt. Aze- otrope Gemische können insbesondere bei Verwendung von Ethanol, Propanol und Butanol gebildet werden; Hetreo-Azeotrope bei Verwendung von Butanol, Pentanol und höheren Al- koholen.The alkanol used in the esterification reaction and the organic phase (optionally together with small amounts of alkanol) can be distilled off via the top of the column, with an alkanol / water mixture or azeotrope Qe after alkanol used) and Alkanol / organic phase mixture or azeotrope Ge after used organic phase) distilled off, condensed, from the condensate, the alkanol or the organic phase gains and returns to the reaction, or an alkanol / water hetero-azeotrope distilled off, condensed, from the Condensate separates the organic alkanol phase (such as by phase separation or by distillation), or an alkanol / water / organic phase hetero-azeotropically distilled off, condensed, separated from the condensate, the organic phase (such as by phase separation or by distillation) and in the implementation leads back. Azeotropic mixtures can be formed especially when using ethanol, propanol and butanol; Hetreo azeotropes using butanol, pentanol and higher alcohols.
Fallen bei der Destillation leichterflüchtige Komponenten als das abzutrennende Alkoholhaltige Azeotrop oder Alkohol-Wassergemisch an, so können diese leichterflüchtige Komponente über Kopf abgezogen werden.If more volatile components than the alcohol-containing azeotrope or alcohol-water mixture to be separated occur during distillation, these more volatile components can be removed overhead.
Nach Isolierung des Polyesters kann dieser wieder zur Säure hydrolysiert werden, welche dann weiterhin die überraschend hohe Reinheit erreicht.After isolation of the polyester this can be hydrolyzed back to the acid, which then continues to reach the surprisingly high purity.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Verfahren zur Herstellung einer Polycarbonsäure, wobei man zunächst einen Polycarbonsäurester unter Anwendung eines oben definierten Veresterungsverfahrens herstellt und die Ester, in Gegenwart von Wasser, hydrolysiert.The invention thus also provides a process for the preparation of a polycarboxylic acid which comprises first preparing a polycarboxylic acid ester using an esterification process as defined above and hydrolyzing the esters in the presence of water.
Diese Reaktion wird in Gegenwart eines Veresterungskatalysators durchgeführt, welcher ein homogener oder einen heterogener Katalysator ist, der wie oben definiert sein kann.This reaction is carried out in the presence of an esterification catalyst which is a homogeneous or heterogeneous catalyst which may be as defined above.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Hydrolyse das Wertprodukt, wie insbesondere Bernsteinsäure, durch Kristallisation isoliert.In a particular embodiment of the process according to the invention, the desired product, in particular succinic acid, is isolated by crystallization after hydrolysis.
2. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung2. Further embodiments of the invention
Werden hierin keine anderen Angaben gemacht, so gelten folgende allgemeine Definitionen:Unless otherwise specified herein, the following general definitions apply:
„Alkyl" steht für geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 12 C-Atomen, wie insbeson- der für die Ci - C5 Reste Methyl, Ethyl, i- oder n-Propyl, n-, i-, sec- oder tert.-Butyl, n- oder i- Pentyl; außerdem C6 - Ci2 Reste n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n- Dodecyl, sowie die ein- oder mehrfach verzweigten Analoga davon."Alkyl" stands for straight-chain or branched alkyl radicals having 1 to 12 C atoms, in particular for the C 1 -C 5 radicals methyl, ethyl, i- or n-propyl, n-, i-, sec- or tert. butyl, n- or i-pentyl; also C 6 - C 2 radicals n-hexyl, n-heptyl, n-octyl, n-nonyl, n-decyl, n-undecyl, n-dodecyl, as well as one or multiply branched analogues thereof.
Obige Definitionen gelten entsprechen für Ci - C4 Alkylreste, Ci - Ce Alkylreste, Ci - Cs Alkyl- reste Ci - Ci0 Alkylreste oder C3 - C6 Alkylreste.The above definitions apply correspondingly to C 1 -C 4 -alkyl radicals, C 1 -C -alkyl, C 1 -C -alkyl radicals reste Ci - Ci 0 alkyl or C 3 - C 6 alkyl radicals.
„Monoalkanole" sind von obigen Alkylgruppen durch Einführung eines Hydroxylrestes entsprechend abgeleitet."Monoalkanols" are derived from the above alkyl groups by introducing a hydroxyl radical, respectively.
a) Fermentative Herstellung von Carbonsäuresalzena) Fermentative production of carboxylic acid salts
Die fermentative Herstellung wässriger Salzlösungen von Polycarbonsäuren ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise das US-Patent 5,869,301 die fermentative Herstellung von Carbonsäuren, wie insbesondere Succinat, aus Glucose unter Verwendung verschiedener Mikroorganismen, insbesondere Bakterien der Gattung Escherichia.The fermentative preparation of aqueous salt solutions of polycarboxylic acids is known per se from the prior art. For example, US Pat. No. 5,869,301 describes the fermentative production of carboxylic acids, in particular succinate, from glucose using various microorganisms, in particular bacteria of the genus Escherichia.
Als Beispiele für geeignete natürliche oder rekombinante, pro- oder eukaryotische Mikroorga- nismen sind solche zu nennen, die unter aeroben oder anaeroben Bedingungen zur fermenta- tiven Produktion der gewünschten Polycarbonsäure geeignet sind, Insbesondere sind Bakterien zu nennen, wie solche der Gattung Escherichia, Bacteroides, Anaerobiospirillum, Actino- bacillus und Mannheimia und Pilze der Gattung Rhizopus und Aspergillus. Insbesondere sind beispielsweise Bakterien, wie E. coli, Anaerobiopirillum succini-producens, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens oder andere Bakterien oder Pilze, die die gewünschte Carbonsäure, z.B. Bernsteinsäure, produzieren, zu nennen.Examples of suitable natural or recombinant, pro- or eukaryotic microorganisms are those which are suitable for the fermentative production of the desired polycarboxylic acid under aerobic or anaerobic conditions. In particular, bacteria must be mentioned, such as those of the genus Escherichia, Bacteroides , Anaerobiospirillum, Actinobacillus and Mannheimia and fungi of the genus Rhizopus and Aspergillus. In particular, for example, bacteria such as E. coli, anaerobiopirillum succini-producing, Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens or other bacteria or fungi containing the desired carboxylic acid, e.g. Succinic acid, produce, name.
Geeignete Fermentationsbedingungen, Medien, Fermenter und dergleichen sind vom Fachmann im Rahmen seines allgemeinen Fachwissens festlegbar. Dazu kann er sieh z.B. der Ausführungen in geeigneter Fachliteratur, wie z.B. Rehm et al, Biotechnology, Vol. 3 Biopro- cessing, 2nd Ed., (Verlag Chemie, Weinheim), bedienen.Suitable fermentation conditions, media, fermenters and the like are determinable by one skilled in the art within the scope of his general knowledge. For this he can see, for example the embodiments in suitable technical literature, such. Rehm et al, Biotechnology, Vol. 3 Bioprocessing, 2nd ed., (Verlag Chemie, Weinheim).
Dazu wird ein steriles Kulturmedium hergestellt, das das Substrat sowie weitere zum Wachstum des Mikroorganismus und der Produktbildung gegebenenfalls erforderliche Zusätze, wie Kohlenstoff- und/oder Stickstoffquellen, Spurenelemente und dergleichen enthält, und mit einer geeigneten Menge einer frischen Vorkultur des Mikroorganismus angeimpft wird. Die Kultivierung erfolgt in einem geeigneten Fermenter kontinuierlich oder diskontinuierlich wobei sich die Polycarbonsäure (bzw. Salze davon) im Medium anreichert. Während der Fermentation wird der pH-Wert des Fermentationsmediums durch Zugabe von Basehaltigen-Lösungen, wie beispielsweise Ammonium-, Natrium-, Kalium, Calcium- oder Magnesiumhydroxid bzw. - carbonat eingestellt, um eine Inhibierung der Kultur zu vermeiden. Prinzipiell ist aber auch die Einleitung von Ammoniak denkbar. Nach beendeter Fermentation kann die Fermentations- brühe, welche das Salz der Polycarbonsäure, vorzugsweise gelöst, enthält, entweder direkt der erfindungsgemäßen Veresterungsreaktion zugeführt werden. Vorzugsweise wird jedoch zunächst Biomasse, beispielsweise durch Zentrifugation oder Filtration abgetrennt. Gegebenenfalls nach dem Waschen der abgetrennten Biomasse und Vereinigung der Waschflüssig- keit mit der Salzlösung kann die Konzentration, falls zu niedrig, beispielsweise durch destilla- tive Abtrennung von Wasser, weiter erhöht werden, so dass eine konzentrierte wässrige Carbonsäuresalz-haltige Phase gebildet wird, die einen prozentualen Gehalt an Salz der Polycarbonsäure im Bereich von etwa 1 bis 70, vorzugsweise 10 bis 50 Gewichtsprozent aufweist. Dieses wässrige Konzentrat wird dann der Veresterungsreaktion zugeführt.For this purpose, a sterile culture medium is prepared, which contains the substrate and other necessary for the growth of the microorganism and product formation additives such as carbon and / or nitrogen sources, trace elements and the like, and inoculated with a suitable amount of a fresh preculture of the microorganism. The cultivation takes place continuously or discontinuously in a suitable fermenter with the polycarboxylic acid (or salts thereof) accumulating in the medium. During fermentation, the pH of the fermentation medium is adjusted by adding base-containing solutions such as ammonium, sodium, potassium, calcium or magnesium hydroxide or carbonate to prevent inhibition of the culture. In principle, however, the introduction of ammonia is conceivable. After the fermentation has ended, the fermentation broth containing the salt of the polycarboxylic acid, preferably dissolved, are fed either directly to the esterification reaction according to the invention. Preferably, however, first biomass, for example, separated by centrifugation or filtration. Optionally, after washing the separated biomass and combining the wash liquor with the salt solution, the concentration, if too low, for example, by distillative separation of water, can be further increased to form a concentrated aqueous carboxylic acid salt-containing phase has a percentage of salt of the polycarboxylic acid in the range of about 1 to 70, preferably 10 to 50 weight percent. This aqueous concentrate is then fed to the esterification reaction.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fermentationsbrühe hergestellt durch anaerobe oder aerobe Fermentation oder einer Kombination aus aerober und anaerober Fermentation, bevorzugt durch die Fermentation von Kohlenstoffquellen, wie beispielsweise CO2, Ölen oder Alkoholen, insbesondere Glycerin, Ethanol, Methanol, oder Sorbit, oder Zuckern, wie z.B. C6- oder C5-Zuckern, insbesondere Glucose, Sorbose, Arabi- nose, Xylose, Maltose oder Saccharose, in Reinform oder z.B. als Melasse oder Mischungen der genannten Stoffe oder deren Vorprodukten, wie z. B. Stärke, beispielsweise zusammen mit Enzymen, oder anderen möglichen kohlenstoffhaltigen Zusammensetzungen, wie z. B. Cellulose, z.B. in Form von Altpapier, Holzabfällen oder Bestandteilen von stärkehaltigen Pflanzen.In one embodiment of the process according to the invention, the fermentation broth is prepared by anaerobic or aerobic fermentation or a combination of aerobic and anaerobic fermentation, preferably by the fermentation of carbon sources, such as CO 2 , oils or alcohols, in particular glycerol, ethanol, methanol, or sorbitol, or sugars, such as C 6 - or C 5 sugars, in particular glucose, sorbose, arabino nose, xylose, maltose or sucrose, in pure form or as a molasses or mixtures of said substances or their precursors, such as. As starch, for example, together with enzymes, or other possible carbonaceous compositions such. As cellulose, for example in the form of waste paper, wood waste or components of starchy plants.
In einer Ausführungsform wird in der Fermentation ein Mikroorganismus, beispielsweise E. coli, nach einer aeroben Wachstumsphase zur Entwicklung von Biomasse zu anaeroben Bedingungen transferiert. In dieser anaeroben Phase findet die Synthese von Succinat statt. Beide Kultivierungsschritte können insbesondere in Komplexmedium stattfinden. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt in der Fermentation die Kultivierung des Mikroorganismus, insbesondere von E. coli, in der anaeroben Phase mit Minimalmedium. Eine weitere Ausführungsform umfasst das mehrmalige Recycling der Zellen und Durchführung der anaeroben Produktionsphase auf Komplex- oder Minimalmedium.In one embodiment, in fermentation, a microorganism, such as E. coli, is transferred to anaerobic conditions after an aerobic growth phase to develop biomass. In this anaerobic phase, the synthesis of succinate takes place. Both cultivation steps can take place in particular in complex medium. In a further embodiment, in the fermentation, the cultivation of the microorganism, in particular E. coli, in the anaerobic phase with minimal medium. Another embodiment comprises recycling the cells several times and carrying out the anaerobic production phase on complex or minimal medium.
Die Fermentation kann in Rührfermentern, Blasensäulen und Schlaufenreaktoren durchgeführt werden. Ein ausführlicher Überblick über die möglichen Ausführungsarten inkl. Rührerformen und geometrischer Ausführungen ist in „Chmiel: Bioprozesstechnik: Einführung in die Bioverfahrenstechnik, Band 1" zu finden. Bei der Prozessführung stehen typischerweise die folgenden, dem Fachmann bekannten oder z. B. in „Chmiel, Hammes und Bailey: Biochemi- cal Engineering" erläuterten Varianten, wie Batch, Fed-Batch, Repeated Fed-Batch oder aber auch kontinuierliche Fermentation mit und ohne Rückführung der Biomasse zur Verfügung. Je nach Produktionsstamm kann/muss eine Begasung mit Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Was- serstoff, Stickstoff oder entsprechenden Gasmischungen erfolgen, um gute Ausbeuten zu erzielen.The fermentation can be carried out in stirred fermenters, bubble columns and loop reactors. A detailed overview of the possible embodiments, including stirrer shapes and geometrical designs, can be found in "Chmiel: Bioprocessing Technology: Introduction to Bioprocess Engineering, Volume 1." The process control typically involves the following, known to the person skilled in the art or, for example, in "Chmiel , Hammes and Bailey: Biochemical Engineering ", such as batch, fed-batch, repeated fed-batch or else continuous fermentation with and without recycling of the biomass. Depending on the production strain, fumigation with air, oxygen, carbon dioxide, or hydrogen, nitrogen or corresponding gas mixtures in order to achieve good yields.
Vor der Umsetzung in der Fermentationsbrühe in dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Fermentationsbrühe vorbehandelt werden, beispielsweise kann die Biomasse der Brühe abgetrennt werden. Verfahren zur Abtrennung der Biomasse sind dem Fachmann bekannt, wie z.B. Filtration, Sedimentation und Flotation. Folglich kann die Biomasse beispielsweise mit Zentrifugen, Separatoren, Dekantern, Filtern oder in Flotationsapparaturen abgetrennt werden. Zur möglichst vollständigen Gewinnung des Wertproduktes empfiehlt sich oftmals ein Waschen der Biomasse, z. B. in Form einer Diafiltration. Die Wahl der Methode ist abhängig von dem Biomassenanteil in der Fermenterbrühe und den Eigenschaften der Biomasse, sowie der Interaktion der Biomasse mit dem Wertprodukt. Die Fermentationsbrühe kann in einer Ausführungsform sterilisiert oder pasteurisiert werden.Before the reaction in the fermentation broth in the process according to the invention, the fermentation broth can be pretreated, for example, the biomass of the broth can be separated. Methods of separating the biomass are known to those skilled in the art, e.g. Filtration, sedimentation and flotation. Consequently, the biomass can be separated, for example, with centrifuges, separators, decanters, filters or in flotation apparatus. For complete recovery of the desired product is often recommended washing the biomass, z. B. in the form of a diafiltration. The choice of method depends on the biomass fraction in the fermenter broth and the properties of the biomass, as well as the interaction of the biomass with the desired product. The fermentation broth may in one embodiment be sterilized or pasteurized.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Fermentationsbrühe aufkonzentriert. Diese Aufkonzentrierung bzw. Eindampfung kann je nach Anforderung diskontinuierlich, oder kontinuierlich geschehen. Dabei sollten Druck- und Temperaturbereich so gewählt werden, dass zum einen keine Produktschädigung auftritt, zum anderen ein minimierter Einsatz von Apparaten und Energie notwendig ist. Insbesondere die geschickte Wahl der Druck- und Temperaturstu- fen für eine mehrstufige Verdampfung ermöglicht eine Einsparung von Energie.In a further embodiment, the fermentation broth is concentrated. This concentration or evaporation can be carried out batchwise or continuously as required. The pressure and temperature range should be chosen so that on the one hand no product damage occurs, on the other hand a minimized use of equipment and energy is necessary. In particular, the clever choice of pressure and temperature stages for multi-stage evaporation enables energy to be saved.
Apparativ können dazu Rührkessel, Fallfilm-, Dünnschicht, Zwangsentspannungsumlauf-, und sonstige Verdampferbauarten in Natur- oder Zwangsumlauffahrweise genutzt werden.Apparatus can be used to stirred tank, falling film, thin film, Zwangsentspannungsumlauf-, and other evaporator types in natural or forced circulation.
Folglich wird unter dem Begriff „Fermentationsbrühe" eine auf einen fermentativen Prozess beruhende wässrige Lösung verstanden, die nicht oder beispielsweise wie hierin beschrieben aufgearbeitet wurde.Consequently, the term "fermentation broth" is understood to mean an aqueous solution based on a fermentative process which has not been worked up or worked up, for example, as described herein.
b) Reaktivextraktion des Estersb) Reactive extraction of the ester
Unter einer „Reaktivextraktion" versteht man erfindungsgemäß die simultane Durchführung einer chemischen Reaktion und einer Extraktion. Diese simultane Durchführung von Reaktion und Extraktion ist besonders vorteilhaft bei solchen Reaktionen, bei denen aufgrund der Lage des chemischen Gleichgewichtes die Edukte nicht vollständig in die gewünschten Produkte umgesetzt werden. Durch die simultane Abtrennung der Reaktionsprodukte aus dem Reaktionsraum gelingt dabei eine bessere Umsetzung in einer einzigen Vorrichtung.According to the invention, a "reactive extraction" is understood to be the simultaneous performance of a chemical reaction and an extraction. This simultaneous implementation of reaction and extraction is particularly advantageous in those reactions in which the starting materials are not completely converted into the desired products due to the position of the chemical equilibrium The simultaneous separation of the reaction products from the reaction space makes it possible to achieve better conversion in a single apparatus.
Die apparative Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktivextraktion ist in verschiedenen Ausgestaltungen möglich. Im Prinzip eignen sich hierzu alle bekannten Bauformen von Reaktoren, bei denen eine gleichzeitige Extraktion möglich ist.The apparatus implementation of the reactive extraction according to the invention is in various Embodiments possible. In principle, suitable for this purpose are all known types of reactors in which a simultaneous extraction is possible.
c) Geeignete Reaktanden, Veresterungskatalysatoren und Lösungsmittelc) Suitable reactants, esterification catalysts and solvents
Erfindungsgemäß veresterbare Polycarbonsäuren sowie erfindungsgemäß brauchbare Alka- nole und Extraktionsmittel wurden bereits oben genauer beschrieben.According to the invention, esterifiable polycarboxylic acids and alkanols and extractants which can be used according to the invention have already been described in more detail above.
Das molare Verhältnis von Carbonsäure bzw. -salze zu Alkanol liegt bei der erfindungsge- mäßen Veresterung gewöhnlich im Bereich von 1 :2 bis 1 :50, wie z.B. 1 :2 bis 1 :40 oder 1 :2 bis 1 :30.The molar ratio of carboxylic acid or salts to alkanol in the esterification according to the invention is usually in the range from 1: 2 to 1:50, such as e.g. 1: 2 to 1:40 or 1: 2 to 1: 30.
Das molare Verhältnis von Carbonsäure bzw. -salze zu Lösungsmittel organischer Phase liegt gewöhnlich im Bereich von 1 :1 bis 1 :40, wie z.B. 1 :1 bis 1 :25 oder 1 :1 bis 1 :10.The molar ratio of carboxylic acid or salts to organic phase solvent is usually in the range of 1: 1 to 1:40, e.g. 1: 1 to 1:25 or 1: 1 to 1:10.
Beispiele für geeignete feste Veresterungskatalysatoren sind lonenaustauscherharze, erhältlich unter den Handelsbezeichnungen Amberlyst 15 oder Amberlyst 16 (Rohm und Haas) o- der DPT1 (Davy Process Technology Limited).Examples of suitable solid esterification catalysts are ion exchange resins available under the trade designations Amberlyst 15 or Amberlyst 16 (Rohm and Haas) or DPT1 (Davy Process Technology Limited).
Geeignete flüssige oder gelöste Veresterungskatalysatoren sind Schwefelsäure, p- Toluolsulfonsäure oder Methansulfonsäure.Suitable liquid or dissolved esterification catalysts are sulfuric acid, p-toluenesulfonic acid or methanesulfonic acid.
Die pH-Werte der wässrigen Reaktionsmischung liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 3 bis O.The pH values of the aqueous reaction mixture are preferably in the range of about 3 to 0. *** "
d) Veresterungsverfahrend) esterification process
Das erfindungsgemäße Veresterungsverfahren, welches im Wesentlichen eine Reaktivextraktion umfasst, ist unter Verwendung an sich bekannter technischer Vorrichtungen in verschie- denen Ausgestaltungen durchführbar. Im Folgenden werden zwei nicht limitierende, spezielle Beispiele erfindungsgemäßer Verfahrensweisen zur Herstellung von BSDME und Extraktion mit Toluol anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.The esterification process according to the invention, which essentially comprises a reactive extraction, can be carried out in various embodiments using technical devices known per se. Two non-limiting, specific examples of methods according to the invention for the preparation of BSDME and extraction with toluene are explained in more detail below with reference to the accompanying figures.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Veresterung durch stufenweise Reaktivextraktion (p=1 bar;T=70 0C) von Bernsteinsäuredimethylester (BSDME), wobei die Zugabe von Toluol im Gegenstrom in den Rührreaktor 203 erfolgt. Die Veresterung erfolgt in den Rührreaktoren R200 bis R203 die über die Phasentrennvorrichtungen PT200 bis 203 miteinander verbunden sind. Die Reaktan- den Bernsteinsäure (BS) (als Ammoniumsalz in Fermentationsbrühe mit Anfangskonzentration BS: ca.140g/l), Schwefelsäure und Methanol werden in den Reaktor R200 eingespeist. Die aus R203 abgetrennte Toluolphase von PT203 wird über Kopf in R202 eingespeist. Analog wird mit den aus R202 und R201 gewonnenen Toluolphasen verfahren. Die aus PT200 gewonnene Toluolphase in K200 destillativ aufgearbeitet. Toluol wird abdestilliert, rohes BSDME bleibt als dunkles Öl zurück und kann destillativ weiter aufgetrennt werden. Aus der aus dem Abscheider PT203 gewonnenen wässrigen Phase wird Methanol abdestilliert. Der wässrige Rückstand, enthaltend Salze, Resttoluol und Bioprodukte aus der Fermentations- brühe, wird entsorgt.Figure 1 shows a schematic representation of an example of an apparatus for carrying out the esterification according to the invention by stepwise reactive extraction (p = 1 bar, T = 70 0 C) of succinic acid dimethyl ester (BSDME), wherein the addition of toluene takes place in countercurrent in the stirred reactor 203. The esterification takes place in the stirred reactors R200 to R203 the are connected to each other via the phase separation devices PT200 to 203. The reactants succinic acid (BS) (as ammonium salt in fermentation broth with initial concentration BS: ca.140 g / l), sulfuric acid and methanol are fed into the reactor R200. The toluene phase of PT203 separated from R203 is fed overhead into R202. The procedure is analogous to the toluene phases obtained from R202 and R201. The toluene phase obtained from PT200 was worked up by distillation in K200. Toluene is distilled off, crude BSDME remains as a dark oil and can be further separated by distillation. Methanol is distilled off from the aqueous phase obtained from the precipitator PT203. The aqueous residue containing salts, residual toluene and bioproducts from the fermentation broth is disposed of.
Figur 2 zeigt das Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen Gesamtprozesses zur Herstellung von Bernsteinsäure (BS), ausgehend von einer Fermentation über die Veresterung des dabei anfallenden Salzes der Bernsteinsäure mit Methanol zum Bernsteinsäuredimethylester (BSDME), dessen Reaktivextraktion mit Toluol, die Destillation dieses Zwischenproduktes und die Hydrolyse des Esters zur BS.Figure 2 shows the flow diagram of an overall process according to the invention for the production of succinic acid (BS), starting from a fermentation of the resulting salt of succinic acid with methanol to dimethyl succinate (BSDME), its reactive extraction with toluene, the distillation of this intermediate and the hydrolysis of the Esters to the BS.
Weitere Abwandlungen der oben beschriebenen konkreten Ausführungsformen erfindungsgemäß brauchbarer Vorrichtungen und Fahrweisen sind im Prinzip denkbar und vom Fach- mann ohne unzumutbaren Aufwand verwirklichbar.Further modifications of the above-described specific embodiments of devices and modes of operation which can be used according to the invention are conceivable in principle and can be realized by the skilled person without undue burden.
Geeignete Verfahrensparameterbereiche für das erfindungsgemäße Veresterungsverfahren sind vom Fachmann in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der verwendeten Vorrichtung, wie z.B. Art der verwendeten Kolonneneinbauten, Art und Menge der Reaktanden, Art und Menge des gegebenenfalls verwendeten Katalysators leicht bestimmbar. So können, ohne darauf beschränkt zu sein und unabhängig voneinander, einzelne Parameter innerhalb folgender Parameterbereiche eingestellt werden:Suitable process parameter ranges for the esterification process of the present invention will be appreciated by those skilled in the art, depending on the design of the apparatus used, e.g. Type of column internals used, type and amount of reactants, type and amount of catalyst optionally used readily determinable. Thus, without being limited to and independently of each other, individual parameters can be set within the following parameter ranges:
Reaktortemperatur: 0 - 250 0C, insbesondere 40 - 150 0C, oder 70 - 100 0C Druck: 0,1 bis 6 bar, wie z.B. etwa 1 bis 2 bar.Reactor temperature: 0 - 250 0 C, in particular 40 - 150 0 C, or 70 - 100 0 C pressure: 0.1 to 6 bar, such as about 1 to 2 bar.
Verweilzeit: wenige Sekunden (wie z.B. 1 bis 60) bis zu Tagen (wie z.B. 1 bis 5), insbesondere einige Minuten( wie z.B. 1 bis 60) bis einige Stunden (wie z.B. 1 bis 15), besonders bevorzugt einige Minuten (wie z.B. 5 bis 20) bis 2 hDwell time: a few seconds (such as 1 to 60) to days (such as 1 to 5), especially a few minutes (such as 1 to 60) to a few hours (such as 1 to 15), more preferably a few minutes (such as 5 to 20) to 2 h
e) Destillationsvariantene) distillation variants
Nach der Reaktivextraktion des Wertproduktes wird das Alkanol (wie Methanol) aus der wässrigen Phase durch Destillation zurück gewonnen. Das zur Extraktion eingesetzte organi- sehe Lösungsmittel wird ebenfalls durch Destillation aus der Wertproduktphase zurück gewonnen.After the reactive extraction of the desired product, the alkanol (such as methanol) is recovered from the aqueous phase by distillation. The organi- zation used for extraction see solvent is also recovered by distillation from the product phase value.
Anschließend wird das Wertprodukt durch Destillation über Kopf aufgereinigt.Subsequently, the desired product is purified by distillation overhead.
Für diese Destillationen ist z.B. eine Rektifikationskolonne verwendbar. Eine „Rektifikationskolonne" besteht gewöhnlich aus einem Verdampfer am Boden, einem Kondensator am Kopf und verschiedenen Einbauten in der Kolonne. Je nach Art der verwendeten Einbauten wird unterschieden zwischen Boden-, Füllkörper- und Packungskolonnen. Durch einen Zulauf wird die zu trennende Substanz eingespeist. Im Kopf reichern sich die leichter siedenden Komponenten an und können dort abgetrennt werden. Um die Trennung in der Kolonne zu erreichen, wird gewöhnlich ein Teilstrom des Kondensats wieder in die Kolonne zurückgeleitet. Im Sumpf reichern sich die schwerer siedenden Komponenten an und können dort abgenommen werden. Es besteht zudem die Möglichkeit, je nach Trennproblem, durch einen Seitenabzug Komponenten zu gewinnen, die zwischen den am leichtesten und den am schwersten siedenden Komponenten liegen.For these distillations, e.g. a rectification column usable. A "rectification column" usually consists of an evaporator at the bottom, a condenser at the top and various internals in the column Depending on the type of internals used, a distinction is made between bottom, packed and packed columns. In the top, the lower-boiling components accumulate and can be separated there.To achieve separation in the column, a partial stream of the condensate is usually returned to the column.The heavier-boiling components accumulate in the bottom and can be removed there It is also possible, depending on the separation problem, to extract through a side draw components between the lightest and the heaviest boiling components.
In typischen Bodenkolonnen sind Sieb-, Glocken- oder Ventilböden eingebaut, über welche die Flüssigkeit strömt. Durch spezielle Schlitze oder Löcher wird der Dampf geleitet, so dass eine Sprudelschicht entsteht. Auf jedem dieser Böden stellt sich ein neues Verdampfungsgleichgewicht ein.In typical tray columns sieve, bell or valve trays are installed, over which the liquid flows. Through special slots or holes of the steam is passed, so that a bubble layer is formed. On each of these soils, a new evaporation equilibrium sets in.
Füllkörperkolonnen können mit unterschiedlich geformten Füllkörpern gefüllt werden. Durch die damit verbundene Oberflächenvergrößerung der etwa 3-50 mm großen Füllkörper werden Wärme- und Stoffaustausch optimiert und die Trennfähigkeit der Kolonne somit erhöht. Typische Beispiele für solche Substrate sind der Raschig-Ring (ein Hohlzylinder), Pall-Ring, Hiflow-Ring, Intalox-Sattel, Berl-Sattel und Igel. Die Füllkörper können geordnet, aber auch regellos (als Schüttung) in die Kolonne eingebracht werden. Als Materialien kommen in Frage Glas, Keramik, Metall und Kunststoffe.Packed columns can be filled with differently shaped packings. Due to the associated surface enlargement of about 3-50 mm large packing heat and mass transfer are optimized and thus increases the separation capacity of the column. Typical examples of such substrates are the Raschig ring (a hollow cylinder), Pall ring, Hiflow ring, Intalox saddle, Berl saddle and hedgehog. The packing can be ordered, but also random (as a bed) are introduced into the column. Possible materials are glass, ceramics, metal and plastics.
Strukturierte Packungen sind eine Weiterentwicklung der geordneten Füllkörper. Sie weisen eine regelmäßig geformte Struktur auf. Es gibt verschiedene Ausführungen von Packungen z. B. Gewebe- oder Blechpackungen. Als Material können Metall, Kunststoff, Glas und Keramik eingesetzt werden. Packungskolonnen haben im Vergleich zu Bodenkolonnen einen sehr geringen Flüssigkeitsinhalt. Dies ist für die Rektifikation oft von Vorteil, da dadurch die Gefahr der thermischen Zersetzung der Substanzen vermindert wird.Structured packings are a further development of the ordered packing. They have a regularly shaped structure. There are different versions of packages z. B. tissue or sheet metal packages. The material used can be metal, plastic, glass and ceramics. Packing columns have a very low liquid content compared to tray columns. This is often advantageous for rectification because it reduces the risk of thermal decomposition of the substances.
f) Hydrolysevarianten des Esters Das durch Reaktivextraktion und falls nötig auch durch Destillation weiter aufgereinigte Wertprodukt (Polycarbonsäurepolyester) kann anschließend wieder unter Anwendung allgemein bekannte Verfahren zur Hydrolyse des Esters zur freien Säure umgesetzt werden.f) hydrolysis variants of the ester The product of value (polycarboxylic acid polyester) which has been further purified by reactive extraction and, if necessary, also by distillation can then be converted again to the free acid using generally known processes for the hydrolysis of the ester.
Experimenteller TeilExperimental part
1. Allgemeine Angaben:1. General information:
Analyse der Säuren/Monoester/Diester durch HPLC: Gerät : Agilent Series 1100Analysis of acids / monoesters / diesters by HPLC: Device: Agilent Series 1100
Säule : Zorbax Eclipse XDB-C18 1 ,8μm 50*4,6mm von Agilent®Column: Zorbax Eclipse XDB-C18 1, 8μm 50 * 4.6mm from Agilent®
Eluent : -A: Wasser mit 0,1Vol% H3PO4 Eluent: -A: water with 0.1% by volume H 3 PO 4
-B: Acetonitril mit 0,1Vol% H3PO4 B: acetonitrile with 0.1% by volume H 3 PO 4
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Detektor : UV-Detektor λ=204 nm, BW=4 nmDetector: UV detector λ = 204 nm, BW = 4 nm
Flussrate : 1 ml/minFlow rate: 1 ml / min
Injektion : 5 μLInjection: 5 μL
Temperatur : 30 0CTemperature: 30 ° C
Laufzeit : 8 minRunning time: 8 min
Druck : ca. 280 barPressure: approx. 280 bar
2. Beispiele2. Examples
Beispiel 1 : Herstellung von Bernsteinsäuredimethylester (BSDME) mittels Reaktivextraktion - Umsetzung im ZweiphasensystemExample 1: Preparation of succinic acid dimethyl ester (BSDME) by means of reactive extraction - reaction in the two-phase system
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BS BSMME BSDME Es wurde eine wässrige Fermentationsbrühe (1200 g) (1300 ml) mit einem Bernsteinsäuregehalt von 13 Gew.-% (neutralisiert vorliegend als Natrium und/oder Ammonium-Salz) zusammen mit Methanol (270 ml_) (Molverhältnis BS:Methanol ca 1 :5), Toluol (600 ml_) und Schwefelsäure (95%ig, 480 g) auf 700C erhitzt. Nach einer Stunde wurde eine Extraktion durchgeführt und die wässrige/methanolische Phase erneut mit frischem Toluol (500 ml_) versetzt und die erste organische Phase separiert. Nach vier Stunden wurden somit insgesamt vier Extraktionen durchgeführt. In der wässrigen Phase fanden sich nur noch Spuren von Bernsteinsäure und Bernsteinsäuremonomethylester (BSMME).BS BSMME BSDME An aqueous fermentation broth (1200 g) (1300 ml) with a succinic acid content of 13% by weight (neutralized in the present case as sodium and / or ammonium salt) together with methanol (270 ml) (molar ratio BS: methanol ca 1: 5 (600 mL) and sulfuric acid (95% pure), toluene, 480 g) heated to 70 0 C. After one hour, extraction was carried out and the aqueous / methanolic phase was again mixed with fresh toluene (500 ml) and the first organic phase was separated. After four hours, a total of four extractions were carried out. In the aqueous phase, only traces of succinic acid and succinic acid monomethyl ester (BSMME) were found.
Anschließend wurde das Lösungsmittel der organischen Phase entfernt. Auf diese Weise wurden 170 g eines gefärbten öligen Rückstands enthaltend BSDME erhalten.Subsequently, the solvent of the organic phase was removed. In this way, 170 g of a colored oily residue containing BSDME was obtained.
Dieser Rückstand wurde anschließend einer Destillation unter vermindertem Druck (50 mbar) unterzogen und bei 98-1100C ging der Hauptteil des BSDME über Kopf. Auf diese Weise wurden 154 g BSDME als farbloses Öl erhalten. (Ausbeute 80%; Reinheit größer 99%)This residue was then subjected to distillation under reduced pressure (50 mbar) and at 98-110 0 C, the main part of the BSDME went overboard. In this way, 154 g of BSDME were obtained as a colorless oil. (Yield 80%, purity greater than 99%)
Beispiel 2: Untersuchung zur Bedeutung der Präsenz der organischen Phase während der Veresterung von BernsteinsäuredimethylesterExample 2 Investigation of the Significance of the Presence of the Organic Phase During the Esterification of Succinic Acid Dimethyl Ester
Eine wässrige Fermentationsbrühe (750 g) mit Bernsteinsäure als Diammoniumsalz gelöst vorliegend (15 Gew. %) wurde mit Schwefelsäure (95%ig, 350 g) und Methanol (190 ml) versetzt (Molverhältnis BS:Methanol ca. 1 :5). Anschließend wurde diese Mischung auf 700C erhitzt und für eine Stunde bei dieser Temperatur gerührt. Nach dieser Zeit wurde der Ansatz mit Toluol (450 ml_) versetzt und eine Phasentrennung durchgeführt.An aqueous fermentation broth (750 g) dissolved with succinic acid as the diammonium salt (15% by weight) was treated with sulfuric acid (95% strength, 350 g) and methanol (190 ml) (molar ratio BS: methanol about 1: 5). Subsequently, this mixture was heated to 70 0 C and stirred for one hour at this temperature. After this time, toluene (450 ml) was added to the batch and phase separation was performed.
In der organischen Phase fanden sich 9,9 Gew.-% Bernsteinsäuredimethylester. Verglichen mit Versuchen, bei denen die organischen Phase bereits während der Reaktion zugegen ist, (vgl. obiges Beispiel 1 ) nimmt die Ausbeute um 10 % ab.The organic phase contained 9.9% by weight of succinic acid dimethyl ester. Compared with experiments in which the organic phase is already present during the reaction (see Example 1 above), the yield decreases by 10%.
Beispiel 3: Hydrolyse von Bernsteinsäuredimethylester
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Example 3: Hydrolysis of succinic acid dimethyl ester
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Zu 3 N Salzsäure (1400g) wurde Bernsteinsäuredimethylester (142 g; hergestellt gemäß Beispiel 1 ) zugetropft und die zweiphasige Mischung für zwei Stunden auf 80 °C erhitzt. Anschließend wurde das Lösungsmittel entfernt und die Bernsteinsäure als Feststoff isoliert. Auf diese Weise wurden 106 g Produkt erhalten, entsprechend einer Ausbeute von 100 %. Beispiel 4: Reaktivextraktion von Bernsteinsäurediethylester (BSDEE)Succinic acid dimethyl ester (142 g, prepared according to Example 1) was added dropwise to 3 N hydrochloric acid (1400 g) and the biphasic mixture was heated at 80 ° C. for two hours. The solvent was then removed and the succinic acid isolated as a solid. In this way, 106 g of product were obtained, corresponding to a yield of 100%. Example 4 Reactive Extraction of Succinic Diethyl Ester (BSDEE)
Eine wässrige Fermentationsbrühe 370 g mit Bernsteinsäure als Diammoniumsalz gelöst vorliegend (12 Gew. %) wurde mit Schwefelsäure (3,5 eq., 135 g, 95 %ig), Ethanol (110 ml_) und Toluol (150 ml_) versetzt (Molverhältnis BS:EtOH ca. 1 :5). Anschließend wurde diese Mischung auf 700C erhitzt und nach 15 Minuten die erste Phasentrennung versucht. Dabei zeigte sich allerdings ein drei-phasiges Gemisch. Anschließend wurde die oberste Phase entfernt, zum Rest frisches Toluol (75 ml_) zugegeben und bei 700C für 15 Minuten gerührt. Nach erneuter Phasetrennung wurde die Extraktion noch zwei Mal wiederholt, so dass in Summe vier Extraktionen durchgeführt wurden. Dabei konnte zwar Produkt (BSDEE) nachgewiesen werden, aber die Reaktionsgeschwindigkeit für dieses drei-phasige Gemisch ist signifikant langsamer. Die analytisch nachgewiesene Menge an BSDEE entspricht einer Ausbeute von etwa 60 %.An aqueous fermentation broth 370 g with succinic acid dissolved as diammonium salt present (12 wt.%) Was treated with sulfuric acid (3.5 eq., 135 g, 95%), ethanol (110 ml) and toluene (150 ml) (BS : EtOH about 1: 5). Subsequently, this mixture was heated to 70 0 C and after 15 minutes the first phase separation tried. However, a three-phase mixture was found. Subsequently, the uppermost phase was removed, added to the residue fresh toluene (75 ml_) and stirred at 70 0 C for 15 minutes. After renewed phase separation, the extraction was repeated twice more, so that in total four extractions were carried out. While product (BSDEE) could be detected, the rate of reaction for this three-phase mixture is significantly slower. The analytically proven amount of BSDEE corresponds to a yield of about 60%.
Beispiel 5: Versuche mit verschiedenen organischen Lösungsmittels für die Optimierung der Extraktion von BernsteinsäuremethylesternExample 5: Experiments with various organic solvents for the optimization of the extraction of succinic acid methyl esters
Verschiedene Lösungsmittel wurden unter verschiedenen Bedingungen auf ihr Extraktions- verhalten für BS, BSMME und BSDME untersucht, um herauszufinden welche Bedingungen für eine möglichst selektive Extraktion von BSDME geeignet sind.Different solvents were tested under different conditions for their extraction behavior for BS, BSMME and BSDME to find out which conditions are suitable for the most selective extraction of BSDME.
Die Versuchsbedingungen und Versuchsergebnisse sind in folgender Tabelle zusammenge- fasst.The experimental conditions and test results are summarized in the following table.
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Anmerkung: In der Spalte „HPLC" finden sich die erhaltenen Gew.-%-Werte für die angegebene Kombination von Bernsteinsäure(derivat), Lösungsmittel und pH-Wert. Die angegebene Ausbeute bezeichnet den Anteil an Bernsteinsäure(derivat), der sich in der organischen Phase findet. Dabei ist beachten, dass in MethylTHF bei einem pH-Wert von 2 etwa 70 % an Bernsteinsäuremonome- thylester in der organischen Phase nachgewiesen werden. In Toluol hingegen findet sich in der organischen Phase kleiner 1 % an Bernsteinsäuremonomethyester. Der Bernsteinsäuredimethyl- ester hingeben befindet sich zu 80 % in der organischen Phase. Diese Werte sind in der Tabelle hervorgehoben.Note: The column "HPLC" shows the weight% obtained for the given combination of succinic acid (derivative), solvent and pH. The reported yield indicates the proportion of succinic acid (derivative) present in the It should be noted that about 70% of methyl succinate is detected in the organic phase in methyl THF at a pH of 2. In toluene, on the other hand, less than 1% of succinic monomethyl ester is found in the organic phase. The ester is 80% in the organic phase and these values are highlighted in the table.
Man beobachtet somit, dass durch Wahl des Lösungsmittels und gegebenenfalls zusätzlich durch Einstellung der Extraktionsbedingungen, eine selektive Extraktion von BSDME erreicht werden kann. It is thus observed that by selecting the solvent and optionally additionally by adjusting the extraction conditions, a selective extraction of BSDME can be achieved.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Polyalkylesters einer Polycarbonsäure, wobei man eine Reaktivextraktion durchführt, indem man eine wässrige Lösung, umfassend ein Salzwe- nigstens einer Polycarbonsäure mit einem Alkanol in Gegenwart eines Veresterungskatalysators, in einem mindestens zweiphasigen, wässrig-organischen Lösungsmittelsystem in Kontakt bringt und wenigstens eine Polycarbonsäurepolyalkylester-haltige organische Extrakt-Phase aus dem Reaktionsgemisch entfernt.A process for producing a polyalkyl ester of a polycarboxylic acid, which comprises conducting a reactive extraction by contacting an aqueous solution comprising a salt of at least one polycarboxylic acid with an alkanol in the presence of an esterification catalyst in an at least two-phase aqueous-organic solvent system; at least one Polycarbonsäurepolyalkylester-containing organic extract phase removed from the reaction mixture.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das mindestens zweiphasige, wässrig-organische System während des gesamten Verlaufs der Veresterungsreaktion vorliegt oder erst nach Start der Veresterungsreaktion ausgebildet wird.2. The method of claim 1, wherein the at least two-phase, aqueous-organic system is present during the entire course of the esterification reaction or is formed only after the start of the esterification reaction.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens zweipha- sige, wässrig-organische System durch Zugabe eines mit Wasser nicht mischbaren organischen Extraktionsmittels gebildet wird.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at least zweiphha- sige, aqueous-organic system is formed by addition of a water-immiscible organic extractant.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Extraktionsmittel Polycarbonsäurealkylester selektiv aus der wässrigen Phase des Reaktionsgemischs entfernt.The process of claim 3, wherein the extractant selectively removes polycarboxylic acid alkyl ester from the aqueous phase of the reaction mixture.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei man als Extraktionsmittel ein mit Wasser nicht mischbares organisches Lösungsmittel einsetzt, das ausgewählt ist unter cyclischen Verbindungen, ausgewählt unter aromatischen oder nicht-aromatischen, gegebenenfalls ein - oder mehrfach ungesättigten, C5 - Ci2 - Kohlenwasserstoffen; nicht- cyclischen Verbindungen, ausgewählt unter gesättigten und ein - oder mehrfach ungesättigten, verzweigten oder unverzweigten C5 - Ci2 - Kohlenwasserstoffen.5. The method according to any one of claims 3 and 4, wherein the extractant used is a water-immiscible organic solvent which is selected from cyclic compounds selected from aromatic or non-aromatic, optionally mono- or polyunsaturated, C 5 - Ci 2 - hydrocarbons; non-cyclic compounds selected from saturated and mono - or polyunsaturated, branched or unbranched C 5 - C 2 - hydrocarbons.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumenverhältnis von wässriger Phase zu organischer Extrakt-Phase im Bereich von etwa 10:1 bis 1 :10 liegt.6. A process according to any one of the preceding claims, wherein the volume ratio of aqueous phase to organic extract phase is in the range of about 10: 1 to 1:10.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man die Extraktion wenigstens einmal wiederholt, indem man das mit Wasser nicht mischbare organische Extraktionsmittel dem verbleibenden Reaktionsansatz erneut zusetzt und Polycarbonsäurepolyal- kylester-haltige organische Extrakt-Phase aus dem Reaktionsgemisch entfernt. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the extraction is repeated at least once by adding the water-immiscible organic extractant to the remaining reaction mixture again and Polycarbonsäurepolyal- kylester-containing organic extract phase removed from the reaction mixture.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man eine Carbonsäure einsetzt, die ausgewählt ist unter jeweils gesättigten oder ungesättigten C2 - C20- PoIy- carbonsäuren.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein a carboxylic acid is used which is selected from in each case saturated or unsaturated C 2 - C 2 0 -polycarboxylic acids.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man ein Alkanol einsetzt, das ausgewählt ist unter geradkettigen oder verzweigten Ci - Ce- Monoalkanolen.9. The method according to any one of the preceding claims, wherein one uses an alkanol which is selected from straight-chain or branched Ci - Ce- monoalkanols.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man die Reaktion in Gegenwart eines homogenen oder einen heterogenen Veresterungskatalysators durchführt.10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the reaction is carried out in the presence of a homogeneous or a heterogeneous esterification catalyst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei man einen homogenen Katalysator verwendet.11. The method of claim 10, wherein using a homogeneous catalyst.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei der eingesetzte homogene Katalysator eine Säure ist.12. The method of claim 10 or 11, wherein the employed homogeneous catalyst is an acid.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Beendigung der Reaktion und Extraktion der Polycarbonsäure-Gehalt in der wässrigen Phase weniger als etwa 10 Mol-% der eingesetzten Menge beträgt.13. The method according to any one of the preceding claims, wherein after completion of the reaction and extraction of the polycarboxylic acid content in the aqueous phase is less than about 10 mol% of the amount used.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man nach Abreicherung des Polycarbonsäureesters Reste des eingesetzten Alkanols über den Kolonnenkopf aus dem verbleibenden Reaktionsgemisch abdestilliert.14. The method according to any one of the preceding claims, wherein distilled off after depletion of the polycarboxylic acid residues of the alkanol used over the top of the column from the remaining reaction mixture.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eingesetzte Polycar- bonsäuresalz chemisch, enzymatisch oder mikrobiologisch hergestellt ist .15. The method according to any one of the preceding claims, wherein the polycarboxylic acid salt used is prepared chemically, enzymatically or microbiologically.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eingesetzte Alkanol Methanol ist.16. The method according to any one of the preceding claims, wherein the alkanol used is methanol.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polycarbonsäure Bernsteinsäure ist.17. The method according to any one of the preceding claims, wherein the polycarboxylic acid is succinic acid.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei man Di-methyl-succinat erhält.18. The process according to claim 17, wherein di-methyl-succinate is obtained.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man die erhaltenen organischen Extraktphasen aufarbeitet, indem man zunächst das organische Lösungsmittel destillativ entfernt und anschließend den enthaltenen Polycarbonsäureester destillativ entfernt.19. The method according to any one of the preceding claims, wherein the obtained organic extract phases are worked up by first the organic solvent removed by distillation and then the contained polycarboxylic acid removed by distillation.
20. Verfahren zur Herstellung einer Polycarbonsäure, wobei man zunächst einen Polycarbon- säurester unter Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche herstellt und den Ester unter Bildung des Wertprodukts hydrolysiert.20. A process for the preparation of a polycarboxylic acid, which comprises first preparing a polycarboxylic acid ester using a process according to any one of the preceding claims and hydrolyzing the ester to form the desired product.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei man nach Hydrolyse das Wertprodukt durch Kristallisation isoliert. 21. The method according to claim 20, wherein the product of value is isolated by crystallization after hydrolysis.
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