WO2020119839A1 - Verfahren zur herstellung von polyglycerolfettsäureester - Google Patents

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polyglycerol
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reaction
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Sebastian REYER
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    • C07C67/48—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C67/60—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by treatment giving rise to chemical modification

Definitions

  • a process for providing polyglycerol fatty acid esters from a reaction mixture, to which a metal catalyst is added, and a process for purifying a synthetic intermediate product which contains excess fatty acid in addition to polyglycerol fatty acid esters are presented.
  • a significantly improved yield and a higher process speed with more economical use of starting materials, auxiliaries, solvents and energy are achieved.
  • the simplest polyglycerols that can form the basic structure for PGE are linear and branched diglycerols with the empirical formula C 6 0 5 H 14 , which are synthetically prepared industrially in a known manner, for example by adding glycerol with 2,3- Epoxy-1-propanol is base-catalyzed with the formation of ether linkages or base-catalyzed is thermally condensed, it being possible to subsequently separate the fraction mainly containing diglycerols.
  • Diglycerols can occur in three different structural isomeric forms, namely in the linear form, in which the ether bridge between the first carbon atoms of the two glycerol molecules used is formed, in the branched form, in the ether bridge between the first carbon atom of the first and the second Carbon atom of the second glycerol molecule used arises, and in a nucleodentrimere form, in which the ether bridge between the second carbon atoms.
  • the alkaline-catalyzed condensation of two glycerol molecules produces about 80% of the linear form and about 20% of the branched form, while the nucleodentrimeric form is only formed to a very small extent.
  • polyglycerols with more than two glyceryl units can also be used.
  • the polyglycerols are abbreviated "PG" and provided with a lower natural number n, which is the number of
  • Confirmation copy Polyglyceryl units indicates, ie "PG n ".
  • triglycerols would be given as PG 3 and would have the empirical formula C9O7H20.
  • the full esterification with a fatty acid, for example with stearic acid, would now take place on all free hydroxyl groups of the PG n molecule, in the case of a linear PG 3 on the first and second carbon atoms the first glyceryl unit, on the second carbon atom of the second glyceryl unit and on the second and third carbon atoms of the third glyceryl unit.
  • the empirical formula for this example could therefore be given with CgOyHisRs, where R would each stand for a fatty acid residue, in the chosen example with the empirical formula C 18 OH 35 .
  • partial esters can be distinguished from full esters.
  • PG (n) -Cm full ester or, where appropriate, PG (n) -Cm partial ester has become established the parenthesized "n", similar to the name of the polyglycerols, the Specifies the number of glyceryl units contained in the molecule and m stands for the number of carbon atoms of the saturated fatty acid used for the esterification reaction.
  • n stands for the number of glyceryl units with the empirical formula C 3 0 2 H 5 R, where R can represent a fatty acid residue or the hydrogen atom of a free hydroxyl group.
  • PG (2) -C18 full esters would therefore refer to full polyglycerol fatty acid esters with the empirical formula C eOgH ⁇ o.
  • the number of fatty acid residues is averaged, with the sum formula also indicating the fraction with the most frequently available esterification variants.
  • the esterification reactions preferably proceed from the outside in, presumably for steric reasons.
  • the hydroxyl groups which allow the highest degrees of freedom for the fatty acid residue are esterified first. Accordingly, the first esterification reaction on a linear polyglycerol preferably takes place on the hydroxyl group of a first carbon atom of a marginal, one-sided polyglyceryl unit, the second esterification reaction then on a hydroxyl group of a first carbon atom of a marginal, opposite-sided polyglyceryl unit.
  • the hydroxyl groups are esterified at positions which are already esterified and immediately adjacent carbon positions, and so on.
  • PG full esters differs from the synthesis of PG partial esters in particular in that in the former it is essential to add as much fatty acid to the polyglycerol to be esterified that all the hydroxyl groups of the polyglycerol presented can be esterified.
  • one mole should be linear Theoretically, diglycerol should be esterified with four moles of fatty acid in order to obtain a PG full ester, since each molecule of diglycerol has four free and thus esterifiable hydroxyl groups.
  • Fatty acids are understood here to mean aliphatic monocarboxylic acids, preferably having 6 to 22 carbon atoms, which are preferably unbranched and saturated and have an even number of carbon atoms, but can also be odd, branched and / or unsaturated.
  • Unbranched, saturated fatty acids having 16, 18, 20 or 22 carbon atoms, that is to say palmitic, stearic, arachic or behenic acid, are particularly preferably used for the preparation of the polyglycerol fatty acid full esters to be purified.
  • soaps formed are then washed out with water, usually in several steps, as described, inter alia, in Michael Bockisch: Handbuch der Strukturtechnologie, Ulmer Verlag, Stuttgart 1993, pp. 484 ff.
  • the problem here is that soaps have an emulsifying effect and the resultant caused strong emulsion formation leads to losses in yield of polyglycerol fatty acid esters, which are usually more than 50%.
  • the alkali refining is carried out up to an acid number of less than 3.0 mg KOH / g, so much soap is produced that the loss of yield caused by the emulsion is no longer acceptable.
  • a process which comprises a synthetic method, for providing polyglycerol fatty acid esters from a reaction mixture which contains fatty acid and polyglycerol.
  • a catalyst is added to the reaction mixture which has at least one metal compound which contains at least one of the metals manganese, zinc, cobalt or titanium, such as the respective tetrahydrates of zinc acetate, cobalt acetate or manganese (II) acetate.
  • non-toxic tetrabutyl titanate which is preferred according to the invention in the synthesis of full polyglycerol fatty esters and is also used to increase efficiency in the synthesis of PG (n) -Cm partial esters from polyglycerol and fatty acid, offers high efficiency with regard to the degree and rate of conversion
  • the strong Lewis acid titanium (IV) acts as an activator of the reactants, which react with fatty acid to form the corresponding esters.
  • excess fatty acid which is obtained in the catalyzed or uncatalyzed synthesis of polyglycerol fatty acid esters, in particular full polyglycerol fatty acid esters, in an intermediate to be purified, by means of a process for purifying polyglycerol fatty acid esters from such an intermediate
  • intermediate product which can be obtained, for example from polyglycerol and fatty acid or derivatives
  • the preferably liquefied intermediate product, which still contains excess fatty acid being refined with a basic solution, preferably with dilute aqueous sodium or potassium hydroxide solution, until Fatty acid salts are formed and an acid number of the fat phase of less than 1.0 mg KOH / g is reached, in order to be subsequently advantageously subjected to a solvent removal, preferably under reduced pressure, which preferably involves a separation step for separating the fatty acid salts from the polyglycerol fatty acid ester by centrifugation, alternatively by means
  • the efficiency of the purification process can be increased by modifying the upstream reaction process of the intermediate product to be purified. It has proven to be advantageous to charge the polyglycerols and fatty acids used at temperatures of around 80 ° C and melt them with the formation of a two-phase mixture, which surprisingly has no negative effect on the subsequent yield or on the product properties of the full polyglycerol fatty acid ester, partly because the two-phase reaction mixture is homogenized in the course of the reaction process. Of course, only one of the components of the reaction mixture can also be introduced in liquid form and the liquefaction of the reaction mixture can be achieved by heat exchange between the components.
  • the upstream reaction process can include the addition of a suitable catalyst with the features mentioned above, with the advantage that the fatty acid excess and thus the fatty acid fraction to be removed from the intermediate product can be lower without the reaction time being prolonged.
  • the excess of fatty acid required for the reaction process can also preferably be reduced by a drying step in which the reaction mixture is initially exposed to a reduced pressure of less than 20 mbar compared to normal pressure. This drying step is preferably carried out before adding a catalyst.
  • the reaction process preferably comprises a heating step in which the reaction mixture is heated up to 235 ° C. at a pressure of 400 mbar.
  • the desired esterification reaction starts at around 200 ° C.
  • the subsequent purification process and a small amount of fatty acid in the intermediate product to subject the reacting reaction mixture to a pressure drop during the reaction process, in which the pressure on the reaction mixture is preferably gradually reduced from 400 mbar to below 50 mbar becomes.
  • the purification process for polyglycerol fatty acid esters is particularly efficient if the intermediate to be purified has a hydroxyl number of less than 20 mg KOH / g, preferably less than 10 mg KOH / g and particularly preferably less than 4 mg KOH / g and at the same time has an acid number of less than 15 mg KOH / g, preferably less than 10 mg KOH / g and particularly preferably less than 4 mg KOH / g.
  • the low hydroxyl number compared to polyglycerol fatty acid partial esters indicates an almost complete esterification of the free hydroxyl groups of the polyglycerol used, while the acid number gives an indication of the amount of excess fatty acid in the intermediate.
  • the amount of fatty acid or fatty acid derivative used in the reaction mixture permits control of the process for the provision of polyglycerol fatty acid esters in such a way that the catalyzed synthesis process leads either to partial polyglycerol fatty acid esters or to full polyglycerol fatty acid esters. If the reaction mixture contains a clear excess of polyglycerol-bound hydroxyl groups compared to the carboxyl or carboxylate groups to be esterified, a partial ester is formed.
  • the reaction mixture contains at least one polyglycerol-bonded hydroxyl group for each carboxyl or carboxylate group to be esterified, preferably an excess of such hydroxyl groups, the catalyzed synthesis process is aimed at full polyglycerol fatty acid esters.
  • the synthesis process can advantageously be supplemented by the process for purifying polyglycerol fatty acid esters from an intermediate product containing excess fatty acid.
  • the addition of the catalyst during the synthesis process is carried out both in the case of synthesis directed towards partial and full ester, preferably between the drying step explained for the reaction process and the subsequent heating step, with the order of the steps described for the reaction process otherwise unchanged.
  • it can advantageously be filtered off using a 1 pm filter, the catalyst or its reaction products, such as titanium dioxide when tetrabutyl titanate being used, being removed almost completely. Nevertheless, traces of the respective metal of the catalyst used remain detectable even in the purified end product.
  • the process comprising a synthesis process for providing polyglycerol fatty acid esters from a reaction mixture is explained in more detail below with the aid of two examples, the first example relating to the provision of partial esters and the second example relating to the provision of full esters including the purification to remove excess fatty acid relates.
  • the intermediate product obtained in this way and containing full polyglycerol fatty acid is then refined at 80 ° C. to 90 ° C. with aqueous 10.5% NaOH solution until an acid number of less than 1.0 mg KOH / g is reached, that is to say fatty acid salts have formed.
  • the drying is then carried out step by step from 800 mbar to less than 20 mbar at 100 ° C.
  • the soap formed is separated by centrifugation, alternatively filtered off.
  • the yield of single-phase PG full ester should now be more than 90%. Before filling, the PG full ester can be filtered through a 1 pm filter. The catalyst is almost completely removed, but traces of the metal can still be detected.

Abstract

Vorgestellt wird ein Prozess zur Bereitstellung von Polyglycerolfettsaureester aus einer Reaktionsmischung, der ein Metallkatalysator zugesetzt wird, sowie ein Verfahren zur Aufreinigung eines Synthesezwischenprodukts, das neben Polyglycerolfettsäureester überschüssige Fettsäure enthält. Gegenüber dem Stand der Technik wird eine deutlich verbesserte Ausbeute und eine höhere Prozessgeschwindigkeit bei wirtschaftlicherer Verwendung von Einsatzstoffen, Hilfsstoffen, Lösemitteln und Energie erreicht.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON
POLYGLYCEROLFETTSÄUREESTER
[0001] Vorgestellt wird ein Prozess zur Bereitstellung von Polyglycerolfettsäureester aus einer Reaktionsmischung, der ein Metallkatalysator zugesetzt wird, sowie ein Verfahren zur Aufreinigung eines Synthesezwischenprodukts, das neben Polyglycerolfettsäureester überschüssige Fettsäure enthält. Gegenüber dem Stand der Technik wird eine deutlich verbesserte Ausbeute und eine höhere Prozessgeschwindigkeit bei wirtschaftlicherer Verwendung von Einsatzstoffen, Hilfsstoffen, Lösemitteln und Energie erreicht.
[0002] Polyglycerolfettsäureester, kurz PGE, wurden und werden bereits industriell genutzt, beispielsweise als Emulgatoren in der Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie, als Bestandteil von Rostschutzmitteln, als Weichmacher in der Textilindustrie oder in Insektiziden. In jüngerer Zeit haben sich auch Anwendungsmöglichkeiten bei der Formulierung von Arzneimitteln ergeben, wobei hier die Bereitstellung durch Synthesen bevorzugt ist, die ohne potentiell toxische Ausgangsstoffe und Lösemittel auskommen und keine toxischen Zwischen- und Nebenprodukte generieren.
[0003] Die einfachsten Polyglycerole, die das Grundgerüst für PGE bilden können, sind lineare und verzweigte Diglycerole mit der Summenformel C605H14, die industriell in bekannter Art und Weise synthetisch bereit gestellt werden, beispielsweise indem Glycerol mit 2,3-Epoxy-1-propanol basenkatalysiert unter Ausbildung von Etherbindungen umgesetzt oder basenkatalysiert thermal kondensiert wird, wobei die hauptsächlich Diglycerole enthaltende Fraktion nachträglich separiert werden kann.
[0004] Diglycerole können in drei verschiedenen strukturisomeren Formen auftreten, nämlich in der linearen Form, bei der die Etherbrücke zwischen den jeweils ersten Kohlenstoffatomen der beiden eingesetzten Glycerolmoleküle entsteht, in der verzweigten Form, bei die Etherbrücke zwischen dem ersten Kohlenstoffatom des ersten und dem zweiten Kohlenstoffatom des zweiten eingesetzten Glycerolmoleküls entsteht, und in einer nukleodentrimeren Form, bei der die Etherbrücke zwischen den jeweils zweiten Kohlenstoffatomen entsteht. Bei der alkalisch katalysierten Kondensation zweier Glycerolmoleküle entsteht etwa zu 80% die lineare Form und zu etwa 20% die verzweigte Form, während die nukleodentrimere Form nur in sehr geringem Maße gebildet wird.
[0005] Für die Veresterung mit Fettsäuren können auch Polyglycerole mit mehr als zwei Glyceryleinheiten eingesetzt werden. Allgemein werden die Polyglycerole mit "PG" abgekürzt und mit einer tiefergestellten natürlichen Zahl n versehen, die die Anzahl der
Bestätigungskopie Polyglyceryleinheiten angibt, also "PGn". Beispielsweise würden Triglycerole als PG3 angegeben und hätten die Summenformel C9O7H20· Die vollständige Veresterung mit einer Fettsäure, zum Beispiel mit Stearinsäure, würde nun an allen freien Hydroxygruppen des PGn-Moleküls stattfinden, im Falle eines linearen PG3 also am ersten und zweiten Kohlenstoffatom der ersten Glyceryleinheit, am zweiten Kohlenstoffatom der zweiten Glyceryleinheit und am zweiten und dritten Kohlenstoffatom der dritten Glyceryleinheit. Die Summenformel für dieses Beispiel ließe sich daher mit CgOyHisRs angeben, wobei R jeweils für einen Fettsäurerest stehen würde, im gewählten Beispiel mit der Summenformel C18OH35.
[0006] Bei den Polyglycerolfettsäureestern sind Partialester von Vollestern zu unterscheiden. Für die Abkürzung von mit gesättigten unverzweigten Fettsäuren veresterten Polyglycerolen hat sich die Bezeichnung PG(n)-Cm-Vollester oder gegebenenfalls PG(n)-Cm-Partialester etabliert, wobei das eingeklammerte "n", ähnlich wie bei der Bezeichnung der Polyglycerole, die Anzahl der im Molekül enthaltenen Glyceryleinheiten angibt und m für die Anzahl der Kohlenstoffatome der für die Veresterungsreaktion verwendeten gesättigten Fettsäure steht. Das n steht also für die Anzahl an Glyceryleinheiten mit der Summenformel C302H5R, wobei R für einen Fettsäurerest oder das Wasserstoffatom einer freien Hydroxylgruppe stehen kann. PG(2)-C18-Vollester würde somit Polyglycerolfettsäurevollester mit der Summenformel C eOgH^o bezeichnen. Im Falle der PG(n)-Cm-Partialester wird die Anzahl der Fettsäurereste gemittelt, wobei die Summenformel zugleich die Fraktion mit den am häufigsten vorhandenen Veresterungsvarianten angibt. Eine genauere Bezeichnung für die Polyglycerolfettsäurepartialester ergibt sich durch die zusätzliche Angabe der Hydroxylzahl, die ein Maß für den Gehalt an unveresterten Hydroxygruppen ist und damit Auskunft über den Veresterungsgrad des Partialesters gibt. Die Veresterungsreaktionen verlaufen dabei vorzugsweise, vermutlich aus sterischen Gründen, von außen nach innen. Es werden also zunächst die Hydroxygruppen verestert, die dem Fettsäurerest die höchsten Freiheitsgrade erlauben. Die erste Veresterungsreaktion an einem linearen Polyglycerol findet demnach vorzugsweise an der Hydroxygruppe eines ersten Kohlenstoffatoms einer randständigen, einendseitigen Polyglyceryleinheit statt, die zweite Veresterungsreaktion dann an einer Hydroxygruppe eines ersten Kohlenstoffatoms einer randständigen anderendseitigen Polyglyceryleinheit. Im Weiteren werden die Hydroxygruppen an bereits veresterten Positionen unmittelbar benachbarten Kohlenstoffpositionen verestert und so fort.
[0007] Die Synthese von PG-Vollestern unterscheidet sich von der Synthese von PG- Partialestern insbesondere dadurch, dass bei ersterer zwingend so viel Fettsäure zu dem zu veresternden Polyglycerol gegeben werden muss, dass sämtliche Hydroxygruppen des vorgelegten Polyglycerols verestert werden können. Beispielsweise müsste ein Mol lineares Diglycerol theoretisch mit vier Mol Fettsäure verestert werden, um einen PG-Vollester zu erhalten, da jedes Molekül Diglycerol vier freie und somit veresterbare Hydroxyruppen aufweist. In der Praxis ist der Einsatz eines molaren Überschusses gegenüber der theoretisch notwendigen Menge für die Vollveresterung von Vorteil, gegebenenfalls herabgesetzt entsprechend einer reaktionsbedingten Minderung der Anzahl freier Hydroxygruppen, um die Reaktionszeit bis zur vollständigen Veresterung möglichst kurz zu halten. Eine solche reaktionsbedingte Minderung kann aufgrund von Sublimationsprozessen durch Erhitzen des Reaktionsgemisches auftreten.
[0008] Unter Fettsäuren werden hier aliphatische Monocarbonsäuren, vorzugsweise mit 6 bis 22 Kohlenstoffatomen verstanden, die vorzugsweise unverzweigt und gesättigt sind und eine gerade Anzahl Kohlenstoffatome aufweisen, jedoch auch ungeradzahlig, verzweigt und/oder ungesättigt sein können. Besonders bevorzugt werden für die Bereitstellung der aufzureinigenden Polyglycerolfettsäurevollester unverzweigte, gesättigte Fettsäuren mit 16, 18, 20 oder 22 Kohlenstoffatomen eingesetzt, also Palmitin-, Stearin-, Arachin- oder Behensäure.
[0009] Bei der Bereitstellung der zuvor erläuterten PG(n)-Cm-Vollester ist der Überschuss an Fettsäure, der bei der Synthese eingesetzt wird, nach der möglichst vollständigen Veresterungsreaktion zu entfernen. Hierbei ergibt sich das Problem, dass eine Destillation aufgrund des Aufwands und der hohen Siedepunkte der beteiligten Komponenten als Methode ausscheidet, da das Reaktionsprodukt thermisch stark belastet würde und nicht die angestrebte Säurezahl kleiner 1 mg KOH/g erwarten ließe. Stattdessen wird üblicherweise eine Raffination mit verdünnter wässriger Natron- oder Kalilauge durchgeführt, bei der entsprechend die Natrium- oder Kaliumsalze der Fettsäuren entstehen, gemeinhin auch als Seifen bezeichnet. Die gebildeten Seifen werden sodann, zumeist in mehreren Schritten, mit Wasser ausgewaschen, wie unter anderem beschrieben in Michael Bockisch: Handbuch der Lebensmitteltechnologie, Ulmer Verlag, Stuttgart 1993, S. 484 ff.. Problematisch ist dabei, dass Seifen emulgierend wirken und die dadurch verursachte starke Emulsionsbildung zu Ausbeuteverlusten an Polyglycerolfettsäureester führt, die in der Regel mehr als 50% betragen. Sobald die Laugenraffination bis zu einer Säurezahl kleiner 3,0 mg KOH/g durchgeführt wird, entsteht jedoch soviel Seife, dass die emulsionsbedingten Ausbeuteverluste nicht mehr hinnehmbar sind.
[0010] Alternativ zur Raffination mit verdünnten wässrigen Laugen ist auch, wie in DE 41 01 431 A1 offenbart, versucht worden, eine Trockenraffination durchzuführen, bei der nach der vollständiger Veresterungsreaktion das überschüssige Fettsäure enthaltende Reaktionsprodukt mit Natriumcarbonatdekahydrat oder Natriumhydrogencarbonat als Raffinationsmittel versetzt wird, um die dabei gebildeten Seifen anschließend mechanisch von den PG-Vollestern zu trennen. Aufgrund der Tatsache, dass die Umsetzung lediglich an den Grenzflächen zwischen Fettsäure und Raffinationsmittel stattfinden kann, ist der Umsetzungsgrad hier von der Korngröße und Intensität der Vermischung abhängig. Die Seifen und überschüssiges Raffinationsmittel werden bei dieser Methode unter Einsatz von Filtrierhilfsmitteln, wie beispielsweise Bentoniten, einhergehend mit unerwünschten Ausbeuteverlusten von mehr als 12% abfiltriert. Es stellt sich daher die Aufgabe, sowohl die Synthesebedingungen für die Bereitstellung von Polyglycerolfettsäureester zu pharmazeutischen Zwecken unter Einsatz untoxischer Bestandteile der jeweiligen Reaktionsmischung effizienter zu gestalten als auch gegebenenfalls überschüssige Fettsäure irn Zuge einer postsynthetischen Aufreinigung möglichst quantitativ abzutrennen und zugleich die Ausbeute auf mehr als 90% zu erhöhen.
[0011] Die Aufgabe wird bezüglich der Synthesebedingungen durch einen Prozess gemäß Anspruch 1 , bezüglich der Aufreinigung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 3 gelöst, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den jeweiligen Unteransprüchen ergeben.
[0012] Vorgeschlagen wird ein Prozess, der ein Syntheseverfahren umfasst, zur Bereitstellung von Polyglycerolfettsäureester aus einer Reaktionsmischung, die Fettsäure und Polyglycerol enthält. Dabei wird der Reaktionsmischung ein Katalysator zugesetzt, der wenigstens eine Metallverbindung aufweist, die zumindest eines der Metalle Mangan, Zink, Cobalt oder Titan enthält, wie beispielsweise die jeweiligen Tetrahydrate von Zinkacetat, Cobaltacetat oder Mangan(ll)acetat. Eine hohe Effizienz hinsichtlich Umsetzungsgrad und - geschwindigkeit bietet das untoxische Tetrabutyltitanat, das erfindungsgemäß bei der Synthese von Polyglycerolfettsäurevollestern bevorzugt ist und auch effizienzsteigernd bei der Synthese von PG(n)-Cm-Partialestern aus Polyglycerol und Fettsäure eingesetzt werden
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zu vier Reaktanden getauscht werden, die jeweils wenigstens eine reaktive Hydroxygruppe aufweisen. Dabei wirkt die starke Lewis-Säure Titan(IV) als Aktivator der Reaktanden, die mit Fettsäure zu den entsprechenden Estern abreagieren.
[0013] Weiterhin wird vorgeschlagen, überschüssige Fettsäure, die bei der katalysierten oder unkatalysierten Synthese von Polyglycerolfettsäureestern, insbesondere von Polyglycerolfettsäurevollestern, in einem aufzureinigenden Zwischenprodukt anfällt, mittels eines Verfahrens zur Aufreinigung von Polyglycerolfettsäureestern aus einem solchen Zwischenprodukt zu entfernen, das, beispielsweise aus Polyglycerol und Fettsäure oder - derivaten, durch Anwendung eines Reaktionsverfahrens erhältlich ist, wobei das vorzugsweise verflüssigte Zwischenprodukt, das noch überschüssige Fettsäure enthält, mit basischer Lösung, bevorzugt mit verdünnter wässriger Natron- oder Kalilauge, raffiniert wird bis Fettsäuresalze gebildet und eine Säurezahl der Fettphase kleiner 1 ,0 mg KOH/g erreicht ist, um danach vorteilhafterweise einem Lösemittelentzug, bevorzugt unter Druckabsenkung, unterworfen zu werden, dem vorzugsweise ein Separationsschritt zur Trennung der Fettsäuresalze von dem Polyglycerolfettsäureester mittels Zentrifugation, alternativ mittels Filtration, folgt. Überraschenderweise ist es so ohne Beeinträchtigung der Ausbeute möglich, einen Raffinationsschritt bis zu einer Säurezahl der Fettphase kleiner 1 ,0 mg KOH/g vorzunehmen, da durch den Lösemittelentzug, der beim Einsatz wässriger Raffinationsmittel vorzugsweise durch Trocknung bei etwa 100°C und schrittweises Absenken des Drucks auf weniger als 20 mbar erfolgen kann, eine ausreichende Zerstörung der durch die Fettsäuresalze vermittelten Emulsion von Polyglycerolfettsäureestern im Lösemittel schnell erreicht wird. Dadurch kann der anschließende Separationsschritt eine Ausbeute an Polyglycerolfettäurevollestern von mehr als 90% liefern. Von Vorteil ist es, den Separationsschritt nach dem Lösemittelentzug in einem Temperaturbereich durchzuführen, in dem die Seifen bereits zumindest teilweise verfestigt sind. Bei dem Reaktionsverfahren wird eine direkte Veresterungsreaktion bevorzugt, die ausgehend von einem Gemisch aus Polyglycerol und Fettsäure durch Erhitzen initiiert wird.
[0014] Die Effizienz des Aufreinigungsverfahrens kann durch Modifikationen des vorgeschalteten Reaktionsverfahrens des aufzureinigenden Zwischenprodukts gesteigert werden. So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eingesetzte Polyglycerole und Fettsäuren bei Temperaturen von etwa 80°C vorzulegen und unter Ausbildung eines zweiphasigen Gemischs aufzuschmelzen, was überraschenderweise keinerlei negativen Effekt auf die spätere Ausbeute oder auf die Produkteigenschaften des Polyglycerolfettsäurevollesters hat, unter anderem deshalb, weil sich das zweiphasige Reaktionsgemisch im Laufe des Reaktionsverfahrens homogenisiert. Selbstverständlich kann auch nur eine der Komponenten des Reaktionsgemisches in flüssiger Form eingebracht werden und die Verflüssigung des Reaktionsgemisches durch Wärmeaustausch zwischen den Komponenten erreicht werden.
[0015] Weiterhin kann das vorgeschaltete Reaktionsverfahren die Zugabe eines geeigneten Katalysators mit den weiter oben benannten Merkmalen umfassen mit dem Vorteil, dass der Fettsäureüberschuss und damit der aus dem Zwischenprodukt zu entfernende Fettsäureanteil geringer ausfallen kann, ohne dass sich die Reaktionszeit verlängert. [0016] Der für das Reaktionsverfahren notwendige Überschuss an Fettsäure kann zudem bevorzugt durch einen Trocknungsschritt verringert werden, bei dem das Reaktionsgemisch anfänglich einem gegenüber dem Normaldruck verminderten Druck von weniger als 20 mbar ausgesetzt wird. Bevorzugt wird dieser Trocknungsschritt vor Zugabe eines Katalysators durchgeführt.
[0017] Um eine möglichst quantitative Umsetzung der Ausgangsprodukte zu erreichen, umfasst das Reaktionsverfahren vorzugsweise einen Erhitzungsschritt, in dem das Reaktionsgemisch bei einem Druck von 400 mbar auf bis zu 235°C erhitzt wird. Dabei startet die angestrebte Veresterungsreaktion bei etwa 200°C.
[0018] Des Weiteren ist es für das anschließende Aufreinigungsverfahren und eine geringe Menge von Fettsäure im Zwischenprodukt von Vorteil, während des Reaktionsverfahrens das reagierende Reaktionsgemisch einer Druckabsenkung zu unterziehen, bei der vorzugsweise der Druck auf das Reaktionsgemisch schrittweise von 400 mbar auf unter 50 mbar abgesenkt wird.
[0019] Zudem hat sich herausgestellt, dass das Aufreinigungsverfahren für Polyglycerol- fettsäureester besonders effizient ist, wenn das aufzureinigende Zwischenprodukt eine Hydroxylzahl kleiner 20 mg KOH/g, vorzugsweise kleiner 10 mg KOH/g und besonders bevorzugt kleiner 4 mg KOH/g und zugleich eine Säurezahl kleiner 15 mg KOH/g, vorzugsweise kleiner 10 mg KOH/g und besonders bevorzugt kleiner 4 mg KOH/g aufweist. Die im Vergleich zu Polyglycerolfettsäurepartialestern geringe Hydroxylzahl deutet auf eine nahezu vollständige Veresterung der freien Hydroxygruppen des eingesetzten Polyglycerols hin, während die Säurezahl einen Hinweis auf die Menge an überschüssiger Fettsäure im Zwischenprodukt gibt.
[0020] Für das Gelingen der Aufreinigung des durch das Reaktionsverfahren hergestellten, polyglycerolfettsäureesterhaltigen Zwischenprodukts ist es von Vorteil, wenn die Verfahrensschritte in folgender Reihenfolge durchgeführt werden: i) Verflüssigungsschritt gemäß Anspruch 7,
ii) Trocknungsschritt gemäß Anspruch 8,
iii) Erhitzungsschritt gemäß Anspruch 9,
iv) Druckabsenkung gemäß Anspruch 10,
v) Raffinationsschritt gemäß Anspruch 3, vi) Lösemitelentzug gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5,
vii) Separationsschrit gemäß Anspruch 6.
Vorteilhaft kann nachfolgend über einen 1 pm-Filter abfiltriert werden.
[0021] Die Menge an in die Reaktionsmischung eingesetzter Fettsäure bzw. Fettsäurederivat erlaubt eine Steuerung des Prozesses für die Bereitstellung von Polyglycerolfetsäureester dahingehend, dass das katalysierte Syntheseverfahren entweder zu Polyglycerolfettsäurepartialester oder zu Polyglycerolfetsäurevollester führt. Enthält das Reaktionsgemisch gegenüber den zu veresternden Carboxyl- oder Carboxylatgruppen einen deutlichen Überschuss an polyglycerolgebundenen Hydroxygruppen, so entsteht ein Partialester. Enthält die Reaktionsmischung hingegen für jede zu veresternde Carboxyl- oder Carboxylatgruppe wenigstens eine polyglycerolgebundene Hydroxygruppe, vorzugswiese einen Überschuss solcher Hydroxygruppen, so ist das katalysierte Syntheseverfahren auf Polyglycerolfettsäurevollester gerichtet.
[0022] Im Zuge des Bereitstellungsprozesses kann das Syntheseverfahren vorteilhaft durch das Verfahren zur Aufreinigung von Polyglycerolfettsäureester aus einem überschüssige Fettsäure enthaltenden Zwischenprodukt ergänzt werden. Die Zugabe des Katalysators während des Syntheseverfahrens erfolgt dabei sowohl bei auf Partial- als auch bei auf Vollester gerichteter Synthese vorzugsweise zwischen dem für das Reaktionsverfahren erläuterten Trocknungsschrit und dem nachfolgenden Erhitzungsschritt bei ansonsten unveränderter Reihenfolge der für das Reaktionsverfahren geschilderten Schrite. Auch hierbei kann nachfolgend vorteilhaft über einen 1 pm-Filter abfiltriert werden, wobei der Katalysator oder dessen Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Titandioxid bei Einsatz von Tetrabutyltitanat, nahezu vollständig entfernt werden. Dennoch bleibt das jeweilige Metall des eingesetzten Katalysators auch im aufgereinigten Endprodukt in Spuren nachweisbar.
[0023] Nachfolgend wird der ein Syntheseverfahren umfassende Prozess zur Bereitstellung von Polyglycerolfettsäureester aus einer Reaktionsmischung anhand zweier Beispiele näher erläutert, wobei das erste Beispiel sich auf die Bereitstellung von Partialester und das zweite Beispiel sich auf die Bereitstellung von Vollester einschließlich der Aufreinigung zur Entfernung überschüssiger Fettsäure bezieht.
[0024] Beispiel 1 (PG(3)-C16/C18-Partialester):
Im Reaktor werden 2700g PG(3), 2390g Palmitinsäure und 5590g Stearinsäure bei 80°C vorgelegt und aufgeschmolzen. Nach Trocknen unter Vakuum (<20 mbar) werden 3,3g Tetrabutyltitanat als Katalysator zugegeben. Die Reaktionsmischung wird bei 400 mbar Vakuum auf bis zu 235°C aufgeheizt. Die Reaktion beginnt ab ~200°C. Nach Erreichen der 400 mbar wird der Reaktionsdruck schrittweise auf < 50 mbar abgesenkt. Es wird solange weiter verestert, bis eine Säurezahl < 1 ,0 mg KOH/g erreicht ist. Die Reaktionszeit beträgt 4 bis 6 Stunden. Die gegenüber der Fahrweise ohne Katalysator verkürzte Reaktionszeit führt zu einer deutlichen Farbverbesserung des Produktes. Der so erhaltene, einphasige PG(3)- C16/C18-Partialester wird anschließend über einen 1 pm-Filter abfiltriert und abgefüllt. Der Katalysator wird dabei nahezu vollständig entfernt, das jeweilige Metall ist jedoch noch in Spuren nachweisbar.
[0025] Beispiel 2 (PG(2)-C18-Vollester):
In einem Reaktor werden 1580 g PG(2) und 10700 g Stearinsäure bei 80°C vorgelegt und aufgeschmolzen. Dem dabei entstehenden zweiphasigen Gemisch wird nach Trocknung bei weniger als 20 mbar Druck 3 g tetra-Butyl-Titanat als Katalysator zugefügt. Sodann wird die Reaktionsmischung bei einem Druck von 400 mbar auf bis zu 235°C erhitzt, wobei die Reaktion bei etwa 200°C einsetzen sollte. Der Reaktionsdruck wird anschließend schrittweise auf weniger als 50 mbar abgesenkt. Es wird solange weiter verestert, bis eine Hydroxylzahl kleiner 4 mg KOH/g erreicht ist. Die Säurezahl beträgt dann in der Regel zugleich 4 bis 6 mg KOH/g, kann aber bis zu 15 mg KOH/g betragen. Das so erhaltene, polyglycerolfettsäurevollesterhaltige Zwischenprodukt wird nunmehr bei 80°C bis 90°C mit wässriger, 10,5%iger NaOH-Lösung raffiniert bis eine Säurezahl kleiner 1 ,0 mg KOH/g erreicht ist, sich also Fettsäuresalze gebildet haben. Anschließend wird zur Trocknung ausgehend von einem Druck von 800 mbar eine schrittweise Druckabsenkung auf weniger als 20 mbar bei 100°C durchgeführt. Die entstandene Seife wird mittels Zentrifugation abgetrennt, alternativ abfiltriert. Die Ausbeute an einphasigem PG-Vollester sollte nun mehr als 90% betragen. Vor dem Abfüllen kann der PG-Vollester über einen 1 pm-Filter abfiltriert werden. Dabei wird der Kataysator nahezu vollständig entfernt, das jeweilige Metall ist jedoch noch in Spuren nachweisbar.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Prozess, der ein Syntheseverfahren umfasst, zur Bereitstellung von Polyglycerol- fettsäureester aus einer Reaktionsmischung,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fettsäure und Polyglycerol enthaltenden Reaktionsmischung ein Katalysator zugesetzt wird, der wenigstens eine zumindest Mangan, Zink, Cobalt oder Titan enthaltende Metallverbindung aufweist.
2. Prozess nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Katalysator Tetrabutyltitanat aufweist.
3. Verfahren zur Aufreinigung von Polyglycerolfettsäureester aus einem Zwischenprodukt, das neben Polyglycerolfettsäureester überschüssige Fettsäure enthält und durch Anwendung eines Reaktionsverfahrens bevorzugt aus Polyglycerol und Fettsäure erhältlich ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenprodukt einem Raffinationsschritt mit basischer Lösung unterworfen wird bis Fettsäuresalze und eine Fettphase gebildet sind und in der Fettphase eine Säurezahl kleiner 1 ,0 mg KOH/g erreicht ist.
4. Verfahren zur Aufreinigung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Raffinationsschritt ein Lösemittelentzug erfolgt.
5. Verfahren zur Aufreinigung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Lösemittelentzug bei 90°C bis 1 10°C und einem Druck von weniger als 30 mbar, vorzugsweise bei einem Druck kleiner 20 mbar und 100°C erfolgt.
6. Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem Separationsschritt eine Trennung der Fettsäuresalze von den Polyglycerolfettsäureestern erfolgt, bevorzugt mittels Zentrifugation.
7. Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das vorgeschaltete Reaktionsverfahren einen Verflüssigungsschritt umfasst, in dem das Aufschmelzen von Polyglycerol und Fettsäure zu einem zweiphasigen Reaktionsgemisch erfolgt.
8. Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das vorgeschaltete Reaktionsverfahren einen Trocknungschritt umfasst, in dem die Trocknung des Reaktionsgemischs unter Vakuum erfolgt.
9. Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das vorgeschaltete Reaktionsverfahren einen Erhitzungsschritt umfasst, in dem das Reaktionsgemisch bei einem Druck von 400 mbar auf 200°C bis 240°C, vorzugsweise auf 220°C bis 240°C und besonders bevorzugt auf 230°C bis 235°C erhitzt wird.
10. Verfahren zur Aufreinigung nach Anspruch einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das vorgeschaltete Reaktionsverfahren eine Druckabsenkung umfasst, bei der der Druck auf das Reaktionsgemisch von 400 mbar schrittweise auf unter 50 mbar abgesenkt wird.
11. Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenprodukt vor dem Raffinationsschritt eine Hydroxylzahl kleiner 20 mg KOH/g, vorzugsweise kleiner 10 mg KOH/g und besonders bevorzugt kleiner 4 mg KOH/g und eine Säurezahl kleiner 15 mg KOH/g, vorzugsweise kleiner 10 mg KOH/g und besonders bevorzugt kleiner 6 mg KOH/g aufweist.
12. Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 1 1 ,
gekennzeichnet durch
die nachfolgend aufgeführten Schritte in der angegebenen Reihenfolge einschließlich des Reaktionsverfahrens für das Zwischenprodukt:
i) Verflüssigungsschritt gemäß Anspruch 7,
ii) Trocknungsschritt gemäß Anspruch 8,
iii) Erhitzungsschritt gemäß Anspruch 9,
iv) Druckabsenkung gemäß Anspruch 10,
v) Raffinationsschritt gemäß Anspruch 3,
vi) Lösungsmittelentzug gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5,
vii) Separationsschritt gemäß Anspruch 6.
13. Prozess nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennezichnet,
dass das Syntheseverfahren mittels der in die Reaktionsmischung eingesetzten Menge an Fettsäure oder -derivaten auf die Bereitstellung von Polyglycerolfettsäurevollester gerichtet ist und das Reaktionsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12 oder nach Anspruch 3 umfasst.
14. Prozess nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 auf das Syntheseverfahren folgt.
15. Prozess nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
gekennzeichnet durch
die Schritte nach Anspruch 12, wobei nach Schritt ii) und vor Schritt iii) in einem Schritt ii-a) die Zugabe des Katalysators erfolgt und die Reihenfolge der Schritte ansonsten unverändert bleibt.
16. Prozess nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Syntheseverfahren mittels der in die Reaktionsmischung eingesetzten Menge an Fettsäure oder -derivaten auf die Bereitstellung von Polyglycerolfettsäure- partialester gerichtet ist und einen Verflüssigungsschritt nach Anspruch 7, einen Trocknungsschritt nach Anspruch 8, einen Erhitzungsschritt nach Anspruch 9 und eine Druckabsenkung nach Anspruch 10 umfasst.
17. Prozess nach Anspruch 16,
gekennzeichnet durch
die nachfolgend aufgeführten Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
i) den Verflüssigungsschritt,
ii) den Trocknungsschritt,
iii) die Zugabe des Katalysators,
iv) den Erhitzungsschritt,
v) die Druckabsenkung.
18. Prozess nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf das Syntheseverfahren für das Zwischenprodukt das Verfahren zur Aufreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 folgt.
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