專利名稱：12-羥基硬脂酸的制取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及12-羥基硬脂酸的領(lǐng)域，并涉及從天然脂肪或油，特別是從蓖麻油中制取12-羥基硬脂酸的方法。
現(xiàn)有技術(shù)12-羥基硬脂酸涉及一種C-18-脂肪酸，它來自蓖麻油，化學(xué)式為C18H36O3，室溫下呈無色晶體。12-羥基硬脂酸以其鹽的形式存在，可用作塑料生產(chǎn)的中間產(chǎn)物或作為化妝品的原料。
由油制取和生產(chǎn)12-羥基硬脂酸已為人所周知，在文獻(xiàn)/專利文獻(xiàn)中已有不同的描述，至今蓖麻油被描述為制取12-羥基硬脂酸的原料。粗蓖麻油根據(jù)來源含有87～91％甘油脂形式的蓖麻酸，2％硬脂酸和棕櫚酸，4～5％油酸和4～5％的亞油酸，這些酸以其甘油脂形式存在，通過冷壓蓖麻子而獲取蓖麻油。
傳統(tǒng)的脂肪裂解法的反應(yīng)條件不適用于12-羥基硬脂酸的制取，因?yàn)楸吐樗岷?2-羥基硬脂酸在這種條件下被破壞。
至今制取12-羥基硬脂酸的一般方法是先將蓖麻油通過多相金屬催化反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)氫化，隨后將這一固化的油通過堿性脂裂而化學(xué)裂化，再通過酸中和，便得到12-羥基硬脂酸。
在Rev.Soc.Quim.Mex.37，1993，66-69等的報(bào)告中，C.Melanco描述了蓖麻油是通過Ni和Pd催化劑而氫化，以及通過堿性皂化將這固化的蓖麻油裂解為12-羥基硬脂酸。在這種方法中12-羥基硬脂酸的產(chǎn)率非常低。
在R.K.Trivedi(JAOCS，65(9)，1988，1467-1469)的報(bào)告中，描述了蓖麻油在氫氣壓力為2巴，Ni-催化劑為2重量％，溫度為130℃下進(jìn)行氫化。這種蓖麻油的氫化的產(chǎn)率很低，此外也沒有指出，如何從固化的油中獲取游離的12-羥基硬脂酸。
1996年的專利GB 1130092中描述了一種對蓖麻油進(jìn)行氫化的方法，利用Ni-催化劑將蓖麻油在至180℃時(shí)進(jìn)行氫化。但在此法中12-羥基硬脂酸不僅沒有被自由釋放和分離，脂肪酸的羥基在固化的蓖麻油中反而脫水。
在這些方法中，由蓖麻油化學(xué)制備12-羥基硬脂酸是通過先將蓖麻油直接氫化，然后對固化的油進(jìn)行皂化，除了需要高反應(yīng)溫度外，還需要大量的金屬催化劑。固化的油和12-羥基硬脂酸的產(chǎn)率有時(shí)很小。這種傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)是，除了反應(yīng)溫度高以外，催化劑量大，產(chǎn)率小，堿性皂化后廢水中含鹽量高，以及形成副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品中主要是羥基硬脂酸的二聚物和聚合物，它們是在上述條件下于脂肪裂化時(shí)形成的。分離這些副產(chǎn)品需要進(jìn)一步的反應(yīng)步驟，而且由于產(chǎn)品的類似化學(xué)性質(zhì)，將其分離并非易事。
由現(xiàn)有技術(shù)中另一制取12-羥基硬脂酸的方法，描述在日本專利JP61139396中。加入固化的蓖麻油通過酶催化水解來裂化。在方法的概要中，描述了使固化的蓖麻油在添加來自于不同種類的微生物的脂酶，在75℃時(shí)被水解。在此溫度下必須使用在一種溶劑的存在下，再進(jìn)行處理，因?yàn)楣袒吐橛偷娜埸c(diǎn)大于75℃。水解率在所使用酯酶時(shí)為84％。沒有指出蓖麻油如何被固化。這種方法的缺點(diǎn)是水解率只有84％，并反應(yīng)溫度高，高溫排除了使用不同溫度敏感性脂酶。另外所有從固化蓖麻油出發(fā)的方法的另外的共同缺點(diǎn)是，缺乏分離中間產(chǎn)物蓖麻酸的可能性。除12-羥基硬脂酸，蓖麻酸也可有許多用途，但基于傳統(tǒng)方法而限制了它的使用。
由現(xiàn)有技術(shù)，我們了解了更多的脂肪和油以及專門對蓖麻油的酶催化水解方法。例如JP 01016592描述了獲取方法。蓖麻油在溫和的條件下被酶催化水解，水解率超過70％。但該方法沒有詳細(xì)描述水解率到底多大。此外其缺點(diǎn)是酶的使用量大，基于所有油總量為0.15～15重量％。若使用10～15重量％的酶作催化劑，則這種方法是無效率的，并費(fèi)用太大。從這樣寬的數(shù)據(jù)，專業(yè)人員無法得知，多大的催化劑量可以產(chǎn)生期望的水解率。
用于由蓖麻油的酶催化水解方法，特別是在提到的專利中，沒有指出，如何從水解的油中分離出游離的蓖麻酸，特別是如何獲得高產(chǎn)率的12-羥基硬脂酸。
人們從科技資料中已經(jīng)了解到蓖麻油的脂酶-催化裂解，當(dāng)然那里的工作不能轉(zhuǎn)為技術(shù)應(yīng)用，由此描述了來自病原生物體(銅綠假單胞菌)(pseudomonas aerugil)的脂酶的使用(Sharon等人.Indian.J.Expl.Biol.，1999，37，481ff)，還有的使用來自豕胰(schweinepankreas)的脂酶(Biosci.Biotechnol.Biochem.，1992，56，1490ff)，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或副產(chǎn)品甘油的“kosher”損傷。使用植物脂酶的研究表明，只有很小的蓖麻油水解率(Fuchs等人.J.PlantPhysiol.，1996，149，23)。這種脂酶屬于“酸性”脂酶，這意味著水相的PH調(diào)節(jié)及緩沖的消費(fèi)是必不可少的。
發(fā)明描述本專利申請的任務(wù)在于，開展一種大規(guī)模的技術(shù)方法，用該方法可更有效、更經(jīng)濟(jì)、并在避免毒性、考慮生態(tài)的前提下減少反應(yīng)步驟，由天然脂肪或油以高生產(chǎn)率和高純度生產(chǎn)12-羥基硬脂酸。本專利申請的另一個(gè)任務(wù)在于，提供一種制取12-羥基硬脂酸的方法，其中，將蓖麻酸作為一種中間產(chǎn)品。
發(fā)明的主題是從天然脂肪或油，特別是從蓖麻油制取12-羥基硬脂酸及其鹽的方法，并以此為特征，a)第一步先將天然脂肪或油，在15～50℃溫度間，在一種或多種酶催化作用下進(jìn)行水解，這時(shí)形成蓖麻酸；b)分離已形成的甘油和酶；c)水解產(chǎn)物進(jìn)行催化氫化；d)將已得到的產(chǎn)物成型。
意外的發(fā)現(xiàn)，在一種酶或優(yōu)選由多種酶的組合物(最好由二種酶組合)的催化作用下，蓖麻油水解后產(chǎn)生一種混合物，在將酶和形成的甘油分離后，得到含有高成份的游離蓖麻酸，在溫和條件下它可進(jìn)行氫化，由此可提供高純的12-羥基硬脂酸。
發(fā)明的重點(diǎn)是反應(yīng)步驟的順序。首先是進(jìn)行天然脂肪或油的酶催化水解。在分離催化劑和所形成的甘油后，將所得的產(chǎn)物進(jìn)行氫化，這時(shí)蓖麻酸被氫化為12-羥基硬脂酸。這一方法的產(chǎn)物具有極少的氣味和色度。
天然脂肪或油的概念在本發(fā)明中理解為所有的脂肪或油，其蓖麻油含量超過50％。特別是蓖麻油，同樣的概念，在本發(fā)明中可使用稱為蓖麻油(Rhizinusol)Ricinusol，Kastorol，或Castorol的蓖麻油。
作為12-羥基硬脂酸的鹽，本發(fā)明中理解為金屬鹽，特別是涉及到堿金屬和堿土金屬的鹽。反應(yīng)步驟a)依本發(fā)明的反應(yīng)條件，在步驟a)中，酶催化劑是按優(yōu)化反應(yīng)范圍而選擇酶，特別涉及反應(yīng)溫度條件選擇在15～50℃之間，優(yōu)先為20～40℃，特別是35℃。
在本發(fā)明的另一實(shí)施形式中，在步驟a)中所使用的酶催化劑是選自水解酶，特別是酯-水解酶，也稱為脂酶。本發(fā)明優(yōu)先涉及的脂酶來自稻曲霉(Aspergillus oryzea)、黑曲霉(Aspergillus niger)、芽孢桿菌類(Bacillusspecies)、卡孟培里青霉(Penicillius camenbertii)、洋蔥假單孢菌(Pseudomonascepacia)、脂解假絲酵母(Candida lipolytica)、亮白地霉(Geotrichumcandidum)、藍(lán)干酪青霉(Penicillium roqueforti)、無根根霉(Rhizopus arrhizus)、稻根霉(Rhizopus oryzae)、白根霉(Rhizopus niveus)、爪哇毛霉(Mucorjavanicus)、米海根霉(Rhizomucor miehei)、毛狀高溫霉(Thermomyceslanugensosus)，特別是來自稻曲霉或毛狀高溫霉，特別優(yōu)先為稻曲霉、芽孢桿菌類、無根根霉或毛狀高溫霉。
本發(fā)明所用的脂酶可單獨(dú)或多種結(jié)合使用，特別是由二種酶結(jié)合，這種結(jié)合優(yōu)先由這樣的脂酶組合而成，即一方面脂酶催化甘油脂的1，3-特定的裂化，這也被稱為1，3-特定的脂酶，另外的脂酶催化單-(2)-甘油脂裂化。選擇可以具體情況進(jìn)行優(yōu)化，以使在最佳情況下所使用的脂酶不產(chǎn)生不希望的蓖麻酸的副產(chǎn)品(二聚物或內(nèi)酯)。
優(yōu)先來自毛狀高溫霉或稻曲霉或無根根霉的脂酶和單甘油脂-特定的卡孟培里青霉或芽孢桿菌類脂酶結(jié)合。特別優(yōu)先是來自毛狀高溫霉的脂酶和卡孟培里青霉脂酶結(jié)合使用。
本發(fā)明所使用的酶可以不同形式使用，原則上所有常用的酶的存在形式都可以使用，酶優(yōu)先是以純的形式，或以工業(yè)酶制劑形式，或者以固定化的制劑和/或在溶液中特別是在水溶液中的制劑進(jìn)行使用。
本發(fā)明所使用的酶在本發(fā)明的另外的實(shí)施方案中，其使用量為所用天然脂肪或油總量的0.002～0.505重量％，特別優(yōu)先的使用量為0.002～0.140重量％，最好的為0.052～0.1004重量％。
工業(yè)酶制劑的使用量優(yōu)選為所用天然脂肪或油總量的0.004～0.05重量％的水溶液，特別優(yōu)選為0.004～0.02重量％的卡孟培里青霉的水溶液或0.1～0.5重量％的毛狀高溫霉水溶液?；钚悦冈诟鞣N工業(yè)酶制劑中的用量因生產(chǎn)者的不同而不同，但其量平均為10％的活性酶。
作為其他的反應(yīng)要點(diǎn)必要時(shí)使用適當(dāng)?shù)木彌_劑。作為適當(dāng)?shù)木彌_劑按本發(fā)明的理解是可緩沖脂酶催化的脂裂化。因而這里涉及緩沖系統(tǒng)，它不能破壞催化劑脂酶，也不影響它的活性。這里可列舉磷酸鹽或碳酸鹽緩沖劑，特別優(yōu)先為磷酸鹽緩沖劑。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所使用的緩沖劑量為天然脂肪或油總量的0.01～0.2重量％，特別優(yōu)先為0.01～0.05重量％。特別優(yōu)先是在沒有緩沖劑的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行裂化。
水解率在上述條件下為90～98％。反應(yīng)步驟b)在第二反應(yīng)步驟中必須將水解時(shí)產(chǎn)生的甘油分離。然后分離所使用的酶催化劑。原則上可使用所有分離的方法，以分離甘油和所使用的酶催化劑，用該方法可分離所謂的化合物及催化劑，優(yōu)先的是通過加熱反應(yīng)混合物至70～90℃的分離法，特別優(yōu)先的是通過相分離的分離方法。這種相分離基于水解產(chǎn)物的重力和密度不同。在一可能的實(shí)施方案中涉及到離心分離法，離心優(yōu)選為每分鐘800轉(zhuǎn)，壓力1.2～1.3巴，連續(xù)分離6小時(shí)。
本發(fā)明反應(yīng)步驟a)和b)根據(jù)所希望的水解率，在水解產(chǎn)物氫化之前可多次重復(fù)，優(yōu)先為一次重復(fù)，在上述條件下水解率可達(dá)到99.5～100％。反應(yīng)步驟c)在步驟a)和b)之后得到的水解產(chǎn)物主要由蓖麻酸構(gòu)成，蓖麻酸含量與所使用的蓖麻油質(zhì)量和水解程度有關(guān)。為了獲取12-羥基硬脂酸，使得到的蓖麻油在下面步驟中進(jìn)行氫化，作為蓖麻酸氫化的催化劑，原則上可使用所有用于氫化的催化劑。
在本發(fā)明的氫化中可使用二類催化劑。在多相催化時(shí)存在不溶于反應(yīng)介質(zhì)的催化劑，催化劑本身在其表面通過對氫化化合物和氫氣的吸附-解吸-平衡而進(jìn)行催化。作為催化劑可使用貴金屬如Pt，Pd，Rh或其它過渡金屬如Mo，W，Cr，優(yōu)先是Fe，Co，Ni，或單獨(dú)或混合使用，或載帶在載體如活性炭、氧化鋁或硅藻土上以提高活性及穩(wěn)定性。本發(fā)明優(yōu)先使用Ni或阮內(nèi)鎳，與活性炭相結(jié)合的Pd、金屬Pt、鉑和鋅的氧化物。
均相時(shí)，即溶于反應(yīng)介質(zhì)中的催化劑，涉及到過渡金屬-絡(luò)合物，它們優(yōu)選的代表是威爾金森(Wilkinson-)催化劑[氯三(三苯基膦)銠]。
在一個(gè)優(yōu)先的實(shí)施方案中涉及到多相催化劑，特別優(yōu)先的是Ni-催化劑或Pd-催化劑，其中，Pd吸附于活性炭上。
在一特別的實(shí)施方案中，本發(fā)明的氫化溫度為70～150℃，優(yōu)先為90～130℃，特別是120℃。
在另一實(shí)施方案中，氫化是在氫壓為1～300巴，優(yōu)先為5～50巴，特別是20巴的條件下進(jìn)行。
在再一實(shí)施方案中，用于氫化的催化劑的使用量為所使用的天然脂肪或油的總量的0.2～5重量％，特別優(yōu)先為0.4～2重量％。反應(yīng)步驟d)最后的步驟中，所得到的產(chǎn)品可不進(jìn)行其他的處理和成型加工。作為成型方法，優(yōu)選可使用噴霧干燥，原則上所有其它的用于可熔的固體的成型法，都可作為成型方法，如分離磨、剪切磨，粒化器，片式軋輥和鏟碎器。
所得產(chǎn)品12-羥基硬脂酸是完全無味、無色，這按現(xiàn)有技術(shù)是不能達(dá)到的，而且所得產(chǎn)品基本上沒有副產(chǎn)品如單-、二-、三-甘油酯。
由本發(fā)明了解到，通過一系列的步驟，并通過結(jié)合酶催化和化學(xué)催化，實(shí)現(xiàn)了一種方法，用它可從蓖麻油生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的、生態(tài)的蓖麻酸和高純的12-羥基硬脂酸。
依照本發(fā)明方法得到的蓖麻酸和所得的12-羥基硬脂酸可用于化妝品、醫(yī)藥制劑、潤滑劑、紡織助劑和塑料的生產(chǎn)。
下列實(shí)施例說明本發(fā)明的主題。
表1 不同脂酶的水解活性
2.實(shí)施例用于蓖麻油完全水解的酯酶組合物試驗(yàn)7個(gè)試樣，每個(gè)取5克蓖麻油，5克蒸餾水，在25℃攪拌為乳濁液，所有試樣中吸移10μl毛狀高溫霉脂酶(脂質(zhì)體TL1001)，6個(gè)試樣中都加入第二種脂酶(各0.5％溶液10μl)，第7個(gè)試樣作為對照。乳濁液攪拌36小時(shí)，離心分離，薄層色譜法檢測水解活性。評價(jià)反應(yīng)試樣中單-，二-甘油酯的相對量。
表2 不同酯酶組合物的水解活性的比較
毛狀高溫霉和卡孟培爾青霉脂酶的組合對于蓖麻油的裂化特別優(yōu)選，因?yàn)檫@種脂酶組合具有協(xié)同水解效應(yīng)。還有白根霉和毛狀高溫霉的脂酶組合也是優(yōu)先的。3.實(shí)施例優(yōu)化用于蓖麻裂化的脂酶混合比目的試驗(yàn)2中推薦的特別優(yōu)選的脂酶組合(毛狀高溫霉+卡孟培爾青霉)確定酶的最優(yōu)化的混合比。
操作5個(gè)試樣，每個(gè)取25克蓖麻油，25克蒸餾水，在25℃攪拌為乳濁液，然后將毛狀高溫霉溶液(脂酶TL，Novo Nordisk)和卡孟培爾青霉脂酶(脂酶，G，Amano)按以下列濃度加入。
乳濁液在不同的反應(yīng)時(shí)間通過離心分離(5分，13000rpm)，氣相色譜法檢驗(yàn)酸的形成。
表3 蓖麻酸的形成和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系
試驗(yàn)表明，毛狀高溫霉脂酶(脂酶TL)和卡孟培爾青霉脂酶(脂酶，G，Amano)基于商購酶制劑的稱重以25∶1組合表明是優(yōu)良的酶比例。脂酶G的組分提高，游離酸的形成提高并不明顯，相反脂酶G組分的減少，引起游離酸形成的下降。4.實(shí)施例蓖麻油在二步驟操作中的裂化4800kg蓖麻油，2080kg蒸餾水，在30℃攪拌為乳濁液，攪拌下將700g卡孟培爾青霉的脂酶(脂酶，G，Amano)和14kg毛狀高溫霉的脂酶(脂酶TL，Novo Nordisk)相混合，加入物在30℃攪拌24小時(shí)，然后將加熱到80℃的乳濁液用重力法分離，油相在30℃下再和2080kg水?dāng)嚢璩扇橐海?00g卡孟培爾青霉的脂酶(脂酶，G，Amano)和14kg由毛狀高溫霉的脂酶(脂酶TL，Novo，Nordisk)相混合，加入物重新在30℃攪拌下培養(yǎng)24小時(shí)，然后加熱到80℃并用重力法分離。
第一反應(yīng)步驟后，88％的蓖麻油轉(zhuǎn)化而沒有形成副產(chǎn)物，總共有99％的蓖麻油轉(zhuǎn)化而沒有形成副產(chǎn)物。
剩余的酶活性顯然低于所使用酶的1％。
按氣相色譜法分析最終產(chǎn)品的組成酸99.8％單甘油酯0.1％2甘油酯0.1％3甘油酯0％5.實(shí)施例用鎳催化劑進(jìn)行氫化將500ml來自例3的蓖麻酸在真空下干燥，并放入500ml高壓釜中，在120℃、氫氣壓力20巴、在有0.4重量％催化劑(鎳催化劑Tvo Nysofact IQ 101)存在下氫化1小時(shí)。將100℃左右的熱產(chǎn)品用酸性活化漂白土(10重量％)進(jìn)行過濾，并加入1重量％的Trisyl 300。攪拌20分鐘后，在90℃將混合物真空干燥后以過濾器分離，所得12-羥基硬脂酸的熔點(diǎn)范圍為72～81℃。參數(shù)OH值159碘值2.2酸值1706.實(shí)施例用鈀進(jìn)行氫化將500ml來自例3的蓖麻酸真空干燥，并放入500ml高壓釜中，在90℃、氫氣壓力150巴下、在有0.5重量％催化劑(鈀-炭催化劑5％鈀在活性炭Norrit粉上)下氫化3小時(shí)。產(chǎn)品在氫化后通過壓力過濾與催化劑分離。參數(shù)OH值144碘值4酸值17權(quán)利要求
1.從天然脂肪或油，特別是從蓖麻油中制取12-羥基硬脂酸及其鹽的方法，其特征為a)先將天然脂肪或油，以一種或多種酯進(jìn)行催化水解，溫度在15～50℃間，這時(shí)形成蓖麻酸；b)分離已形成的甘油和酶；c)水解產(chǎn)物進(jìn)行催化氫化；d)將得到的產(chǎn)物成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為，在步驟a)中使用選自水解酶的酶。
3.根據(jù)權(quán)利1和/或2的方法，其特征為，水解酶選自來自稻曲霉(Aspergillus oryzea)、黑曲霉(Aspergillus niger)、芽孢桿菌類(Bacillusspecies)、卡孟培爾青霉(Penicillius camenbertii)、洋蔥假單孢菌(Pseudomonascepacia)、脂解假絲酵母(Candida lipolytica)、亮白地霉(Geotrichumcandidum)、藍(lán)干酪青霉(Penicillium roqueforti)、無根根霉(Rhizopus arrhizus)、稻根霉(Rhizopus oryzae)、米海根霉(Rhizomucor miehei)、白根霉(Rhizopusniveus)、爪哇毛霉(Mucor javanicus)、毛狀高溫霉(Thermomyces lanugensosus)中的脂酶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的方法，其特征為，所使用的酶量為所使用天然脂肪或油總量的0.012～0.505重量％。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，在方法的步驟a)中所使用的緩沖劑，其量為所使用的天然脂肪或油總量的0.01～0.2重量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征為，涉及磷酸鹽緩沖劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征為，步驟b)中的分離方法是離心分離或通過加熱乳濁液至70～90℃而采用氣相分離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為，步驟c)中的氫化催化劑是選自由Pt，Pd，Rh，Mo，W，Cr，F(xiàn)e，Co，Al，Ni所形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征為，氫化是在70～150℃溫度下進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征為，氫化是在1～300巴的氫氣壓下進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求8～10的方法，其特征為，金屬催化劑量為所用天然脂肪或油的0.2～5重量％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為，步驟c)中的成型是采用噴霧干燥進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及從天然脂肪或油，特別是從蓖麻油中制取12－羥基硬脂酸及其鹽的方法，其特征為a)先將天然脂肪酸或油，在15～50℃之間，在一種或多種酶的催化下進(jìn)行水解，以形成蓖麻酸；b)分離這樣得到的甘油和酶；c)水解產(chǎn)物在催化下氫化；d)將這樣得到的產(chǎn)物進(jìn)行配制。
文檔編號C07B61/00GK1473199SQ01818328
公開日2004年2月4日 申請日期2001年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月3日
發(fā)明者拉爾夫·奧托, 烏爾里克·肖爾肯, 阿爾布雷克特·韋斯, 利文特·尤克塞爾, 喬治·菲格, 薩拜因·博思, 薩拜恩·克蘭茲, 克蘭茲, 博思, 尤克塞爾, 克 肖爾肯, 拉爾夫 奧托, 菲格, 雷克特 韋斯 申請人:考格尼斯德國兩合公司