Способ разделения соединений, содержащих две, три или более этилен-ненасыщенных связей, экстрагирующее средство

 

Соединения с двумя, тремя или более этиленовыми ненасыщенностями (полиненасыщенные) и используемые в пищевой и фармацевтической промышленности отделяют от соединений с меньшей ненасыщенностью или без нее путем контактирования смеси указанных соединений с жидким экстрагирующим средством, селективным для полиненасыщенных, экстрагирующее средство, содержащее полиненасыщенные, контактируют с несмешивающимся извлекающим агентом, растворяющим полиненасыщенные, и обычно полиненасыщенные отделяет от извлекающего агента. Экстрагирующее средство и извлекающий агент затем рециркулируют. В качестве экстрагирующего средства используют раствор иона металла, способного образовывать π-комплекс с полиненасыщенными соединениями, в сульфоне. Данный способ является непрерывным, эффективным и обеспечивает получение продуктов высокого качества и чистоты. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к разделению ненасыщенных органических соединений от других таких соединений или от насыщенных соединений.

Разделение ненасыщенных соединений друг от друга или более высоконенасыщенных соединений от менее ненасыщенных является важным во многих областях, в частности для природных продуктов, содержащих жирные кислоты. Здесь разделение часто трудно достигается, соединения сильно различаются по питательным или общим биологическим свойствам, имея только маргинально различающиеся физические свойства.

Известен способ отделения ненасыщенных соединений от менее насыщенных соединений путем контактирования с экстрагирующим средством. В качестве последнего используют сульфолан (патент США N 2360860).

Были сделаны попытки найти новые подходы в смысле как систем растворителей, так и процессов разделения в целом.

В одном аспекте изобретение относится к способу фракционирования различного рода ненасыщенных соединений. Примерами являются эйкозаноиды, токоферолы, токотриенолы и т.п.

В частности, дважды, трижды и более высокоэтиленненасыщенные соединения, такие как ненасыщенные жирные кислоты, жирные спирты и тому подобные (полиненасыщенные) соединения, отделяют от менее этиленненасыщенных или полностью насыщенных соединений, используя жидкое селективное экстрагирующее средство (уносящая среда).

Ненасыщенную фракцию экстрагируют из экстрагирующего средства при контактировании ее с несмешивающимся извлекающим агентом (выделяющей средой), хотя в принципе процесс может быть двустадийным, если, например, ненасыщенные не являются основным целевым продуктом. Экстрагирующее средство и обычно также извлекающий агент рециркулируют.

В другом аспекте изобретение относится к самому экстрагирующему средству и к способу ее получения. Оно также относится к разделенным продуктам, полученным в способе, в котором ненасыщенные обычно будут более ценным продуктом и, в действительности, могут быть новыми продуктами в том смысле, что они не были получены до этого в очищенном виде.

Фракция, не отделенная экстрагирующим средством, однако, в равной мере является продуктом способа.

Конкретным применением изобретения является фракционирование смесей полиненасыщенных жирных кислот и родственных соединений. Способ может быть успешно применен к самим жирным кислотам и к их производным, таким как соли, алкиловые сложные эфиры, моноглицериды, диглицериды, триглицериды, фосфолипиды и амиды, а также к другим соединениям, содержащим углеродные цепи жирных кислот с несопряженными двойными связями, такими как жирно-кислотные спирты.

Смешанные глицериды могут быть фракционированы, в частности, например, при извлечении ценного триглицерида дилинолеоил моногамма линоленоил глицерина (ДЛМГ) из смесей триглицеридов.

Рассматриваемое экстрагирующее средство, сульфоны, в частности сульфолан, обладает необычным сочетанием свойств. Сульфолан, другими словами тетраметиленсульфон или тетрагидротиофен-1,1-диоксид, представляет собой и является наиболее обычным, но другими доступными сульфонами являются 3-сульфолены, иначе 2,5-дигидротиофен-1,1-диоксид и ациклические соединения, такие как диметилсульфон дииодометил-п-толилсульфон и ди-(4-гидроксифенил)сульфон, иначе Бисфенол S
Из них сам сульфолан широко известен для использования для обогащения уровня ненасыщенности жирных масел (Kirk Othmer, раздел "Сульфоланы и сульфоны", стр. 964, со ссылками на патент США 2360860 (1944) и Wisnjak Br. Chem. Eng. 15(1) 76 (1970). Он является предпочтительным экстрагирующим средством для использования в способе настоящего изобретения.

Изобретение в первую очередь объединяет селективную растворяющую способность сульфонов для ненасыщенных жирных кислот с известной способностью солей серебра и других катионов "типа-в" образовывать обратимые pi-комплексы с двойными связями ненасыщенных соединений.

Это двухкомпонентное экстрагирующее средство является основой для особенно ценной формы настоящего изобретения, которая обеспечивает непрерывный, эффективный, гибкий способ получения продуктов высокого качества и чистоты, пригодных для пищевой и фармацевтической промышленности.

Соли серебра, такие как нитрат, легко растворяются в сульфолане в присутствии определенного количества воды, например в коммерческом сульфолане, содержащем 3 мас.% деионизированной воды. Из металлов, образующих pi-комплексы с ненасыщенными соединениями, только серебро, однако, является самым известным, но не исключается применение солей меди, золота или других металлов с неполными электронными оболочками, способных к целевому pi-комплексообразованию.

Нитрат серебра имеет низкую растворимость в безводном сульфолане, но может быть получен, например, раствор 10 г нитрата серебра в 100 мл водного сульфолана 95:5 по объему, подобным образом может быть получен раствор 20 г нитрата серебра в 100 мл сульфолана - воды 88:12.

Таким образом, особенно пригодным является экстрагирующее средство, приготовленное из сульфолана, воды и нитрата серебра. Сульфолан является вязким, высокипящим, нетоксичным, диполярным, апротонным растворителем, который обладает селективностью по отношению к жирным кислотам и эфирам жирных кислот в зависимости от молекулярной массы и степени ненасыщенности.

Серебро уже было использовано для хроматографического разделения ненасыщенных соединений. Однако до настоящего времени не было найдено свободной системы растворителей, которая растворяет серебряные соли, обладая при этом низкой растворимостью по отношению к насыщенным соединениям, и технические и коммерческие потребности, связанные с извлечением, повторным использованием и рециркуляцией серебра оставались неудовлетворенными.

Успешное применение и степень селективности способа зависят от коэффициентов распределения целевого вещества между исходной смесью и экстрагирующим средством и между экстрагирующим средством и извлекающим агентом. Могут быть получены благоприятные соотношения распределения для различных целевых экстрактов при регулировании экстрагирующего средства, например, в отношении количества воды и использованной соли серебра для получения проедпочтительной, содержащей серебро сульфолановой среды и при выборе селективного извлекающего агента с требуемыми растворяющими свойствами и полярностью.

Экстрагирующее средство серебро/сульфолан является очень хорошим в том смысле, что оно позволяет разделить жирные кислоты, содержащие две, три или более двойных связей, от жирных кислот, которые являются диенами, моноенами или ненасыщенными.

Кроме того, подобный уровень селективности получают, когда жирные кислоты находятся в намного более сложной и гетерогенной триглицеридной форме, которая состоит из природных масел растительных семян, масел морской рыбы и масел биомассы грибов.

Например, смешенные триглицириды масла энотеры, такие как DLMG, содержащие один или более тройных ненасыщенных фрагментов гамма-линоленовой кислоты, селективно концентрируют при расходе триглицеридов, содержащих различные наборы насыщенных, моноеновых и диеновых ацильных групп.

Интегральная часть предпочтительного процесса разделения заключается в использовании извлекающего агента для экстракции целевых полиненасыщенных веществ из жидкого экстрагирующего средства.

Извлекающий агент должен быть в значительной степени несмешивающимися с экстрагирующим средством и, разумеется, должен растворять целевую полиненасыщенную фракцию, также желательно, чтобы он имел низкую точку кипения для легкости последующего отделения от целевой фракции.

Углеводородные растворители, такие как гексан, или нефтяные углеводородные смеси, или олефины, такие как циклогексен, пригодны для многих применений способа и могут быть выбраны, чтобы получить повышенную экстракцию для конкретного экстрактива при осуществлении распределения.

Экстракция полиненасыщенных жирных кислотных соединений, например гексаном, является по существу количественной и гексан легко удаляется и извлекается для повторного использования.

Среда сульфолан/серебро также легко освобождается от избытка гексана и может быть непосредственно рециклизована.

Хотя сульфолан упоминался как компонент раствора экстрагирующего средства, поскольку он является коммерчески доступным и недорогим, также могут быть использованы другие сульфолановые производные. Смеси сульфонов со стандартными органическими реагентами, такими как ацетон, этанол и этилацетат, также могут быть успешно использованы в качестве экстрагирующего средства в процессе.

Солевой компонент экстрагирующего средства необязательно должен быть нитратом. Другие растворимые соли, например тетрафторборат серебра и трифторацетат серебра, могут быть использованы. Экстаргирующее средство также может включать другие катионы, которые образуют pi-комплексы с насыщенными соединениями.

Обычно способ настоящего изобретения в предпочтительном варианте может состоять из следующих стадий:
A. Контактирование разделяемой смеси с экстрагирующим средством в многофазной системе и обеспечение возможности миграции целевого полиненасыщенного соединения из смеси в экстрагирующее средство с образованием обратимых pi-комплексов.

B. Отделение друг от друга рафинатной фазы (содержащей неполиненасыщенные соединения) и экстрагированной фазы, содержащей экстрагирующее средство и целевые полиненасыщенные соединения.

C. Контактирование экстрагированной фазы, содержащей экстрагирующее средство и целевые полиненасыщенные соединения, с извлекающим агентом, несмешивающимся с экстрагированной фазой, но растворяющей целевые полиненасыщенные соединения.

D. Отделение извлекающего агента, содержащего целевое полиненасыщенное соединение, от экстрагирующего средства, которое рециркулируют.

E. Извлечение извлекающего агента, который рециркулируют, оставляя полиненасыщенный продукт.

Операции или стадии настоящего способа являются обычными для многих стандартных процессов экстракции растворителями и могут быть осуществлены любым подходящим образом, но в соответствии с общей диаграммой потоков, приведенной как иллюстративный пример способа (см. чертеж).

Разделяемую смесь вводят по линии подачи 1 и интенсивно перемешивают с экстрагирующим средством, вводимым по отдельной линии 2, в зоне контакта 3. Обычно отношение средства к смеси находится между 1:2 и 20:1, а время контакта составляет от 20 секунд до 100 минут при температурах между -80^oC и 90^oC.

Подходящее оборудование для осуществления этой экстракции жидкость - жидкость может включать ударный струйный смеситель, сосуд для перемешивания, центрифужный экстрактор и т.д., может быть использована система прямотока и противотока.

В зоне контакта смесь и экстрагирующее средство вызывает образование всплывающей (супернатантной) рафинатной фазы и экстрагированной фазы, которые отдельно отводят соответственно по линиям 4 и 5.

Разделение этих двух фаз может быть осуществлено отстаиванием, декантацией (переливанием) или центрифугированием. Рафинатная фаза может быть подана обратно в зону контакта для повторного распределения, чтобы отделить остаточные полиненасыщенные соединения от неполиненасыщенных соединений.

Экстрагированную фазу, содержащую полиненасыщенную фракцию, комплексно связанную с экстрагирующим средством, переносят по линии 6 и распределяют с извлекающим агентом (поданным по трубопроводу 7) в контактной зоне 8. Такое же оборудование, как указано выше, может быть использовано на этой второй стадии экстракции, а также для разделения соединенной фазы, хотя условия операций могут быть различными.

Обычно отношение извлекающего агента к комплексу экстрагирующее вещество/полиненасыщенные соединения находится между 20:1 и 1:5, а время контакта составляет от 20 секунд до 60 минут при комнатной температуре.

Экстрагированную фазу и рафинатную фазу отдельно отводят, соответственно по линиям 9 и 10. Рафинат из этой второй стадии экстракции представляет собой экстрагирующее средство и подается непосредственно обратно в процесс, при этом не требуется дополнительная обработка, поскольку процесс может выдерживать незначительное количество извлекающего агента, требующегося для насыщения экстрагирующего средства.

Экстрагированную фазу, содержащую низкокипящий извлекающий агент и продукт, переносят по линии 1 в систему извлечения растворителя, где удаляют извлекающий агент, конденсируют его и собирают.

Продукт может быть обработан кратковременной перегонкой для удаления всех следов извлекающего агента. Изредка возникает необходимость обработать извлекающий агент рассолом для удаления ионов серебра, легко извлекаемых в виде хлорида серебра с помощью фильтрования с последующим удалением воды центрифугированием.

Приведенные ниже примеры конкретного разделения иллюстрируют изобретение.

В примерах 1 и 2 приведено получение экстрагирующего средства, в остальных - различные варианты процессов разделения.

Пример 1. Растворяют 10 г нитрата серебра в 5 мл воды при нагревании до 70^oC, добавляют 95 мл сульфолана при перемешивании с образованием прозрачного раствора, из которого нитрат серебра не кристаллизуется при комнатной температуре.

Этот раствор хранят, он пригоден для большинства разделений и может быть повторно использован более двадцати раз в следующих примерах без разложения или загрязнений сшивками. Он упоминается далее как 95 SAg.

Пример 2. Растворяют 20 г нитрата серебра в 12 мл воды при 40^oC и добавляют при перемешивании 88 мл сульфолана. Этот раствор упоминается далее как 88 SAg, он является очень стабильным. Его можно рециклизовать много раз с незначительной потерей характеристик селективности и разделения.

Пример 3. Используют очищенное масло вечерней примулы (evening primrose), содержащее 8,2% гамма-линоленовой кислоты в условиях ее состава жирной кислоты и 13,8% ее триглицеридов в виде изомеров DLMG, добавляют 10 г его к 95 SAg (100 мл) и интенсивно встряхивают в течение 1 минуты.

Затем смеси дают разделиться на два различных слоя в течение 5 минут. Всплывающую (супернатантную) рафинатную фазу, состоящую из насыщенных и моноеновых жирных кислот, содержащих триглицириды, декантируют.

Нижнюю фазу, состоящую из триглицеридов, содержащих полиненасыщенные жирные кислоты в экстрагирующем средстве, затем контактируют с 20 мл гексана как извлекающим агентом и встряхивают 2 минуты. Обеим фазам дают отстояться в течение 10 минут. Декантируют всплывающую экстрагированную фазу, содержащую масло. Добавляют вторые 20 мл гексана в 95 SAg фазе и смесь встряхивают 2 минуты, прежде чем дать фазам разделиться. Всплывающий гексановый экстракт объединяют с первым экстрактом и переносят в сосуд для извлечения растворителя, где удаляют гексан.

Оставшееся масло вечерней примулы (2,05 г) обогащено целевой полиненасыщенной жирной кислотой - гамма-линоленовой кислотой с фактором 2,9, т.е. продукт содержит 23,8% гамма-линоленовой кислоты и 50% ее триглицеридов в виде DLMG.

Пример 4. Неочищенное сардиновое масло превращают в этиловые эфиры его жирных кислот путем переэтерификации этоксидом натрия в этаноле при 60^oC.

Сырые этиловые эфиры очищают испарением в тонкой пленке при 130^oC и давлении 0,03 мм, получают бесцветную смесь этиловых эфиров. Контактируют 10 г этого продукта с 80 мл 88 SAg и интенсивно встряхивают 5 минут и дают 20 минут отстояться.

Рафинат декантируют и второй раз контактируют с 40 мл экстрагирующего средства, интенсивно встряхивают 5 минут и дают 20 минут отстояться.

Всплывающий рафинат декантируют и отбрасывают, нижний слой объединяют с нижним слоем от первого распределения и разделения. Это объединенное экстрагирующее средство контактируют с 30 мл циклогексена и встряхивают 8 минут. Через 15 минут две фазы полностью разделяются и декантируют всплывающий слой извлекающего агента. Оставшийся низший слой затем дважды экстрагируют снова 2 х 30 мл циклогексена.

Три циклогексеновых экстракта переносят в сосуд для извлечения растворителя, где растворитель удаляют в вакууме, получая смесь 2,42 г этиловых эфиров, обогащенных целевыми полиненасыщенными жирными кислотами. Эйкозапентаеновая кислота сконцентрирована от 14,8% до 33,4%, а докозагексаеновая кислота от 7,6% до 13,8%. Суммарное количество омега-3-полиненасыщенных жирных кислот увеличилось от 24,8% до 52,9%.

Пример 5. Из культуральной биомассы гриба Mortierella alpina экстрагируют 125 г масла, содержащего 15% арахидоновой кислоты в виде как фосфолипида, так и триглицерида, его смешивают при интенсивном перемешивании в 1 л 95 SAg, содержащем 5% этилацетата. После 10 минут встряхивания дают разделиться двум фазам в течение 30 минут и всплывающее рафинатное масло декантируют и отбрасывают.

Нижнюю фазу контактируют с 50 мл уайт-спирита в качестве извлекающего агента, тщательно перемешивают в течение 20 минут и дают отстояться в течение 60 минут. Декантируют всплывающую экстрагированную фазу, содержащую обогащенное полиненасыщенными масло, и удаляют испарением в вакууме уайт-спирит. Грибное масло обогащено целевой четырежды ненасыщенной арахидоновой кислотой с фактором 2,5, т.е. масло содержит 37,5% с выходом 28% мас./мас.

Пример 6. Остаток пальмового масла, т.е. материал, удаленный во время стадии деодоризации операции рафинирования, обрабатывают ацетоном при низкой температуре для удаления основной части жирных кислот и триглицеридов в виде кристаллической фракции фильтрованием.

Фильтрат, содержащий больше стеролов, токоферолов и токотриенолов, контактируют 10 г этого фильтрата со 120 г 95 SAg и интенсивно встряхивают 5 минут. После 15 минут отстаивания образуются две фазы, декантируют верхний рафинантный слой.

Нижнюю фазу контактируют с 250 мл гексана, встряхивают 10 минут и дают отстояться 20 минут перед декантацией верхнего экстрагированного слоя. Затем его переносят в роторный вакуумный испаритель, откуда удаляют извлекающий агент гексан.

Получают 2,2 г продукта, содержащего 60% токотриенолов, соединений, содержащих три двойные связи в фитильной боковой цепи, из которых гамма-вещества являются преобладающими.

Кроме того, продукт, извлеченный из рафината, содержит 50% токоферолов, подобных соединений, но не содержащих двойные связи в фитильной боковой цепи.

Формула изобретения

1. Способ разделения соединений, содержащих две, три или более этилен-ненасыщенных связей (полиненасыщенных), от соединений с меньшим количеством ненасыщенных связей или без них, путем контактирования смеси указанных соединений с жидким экстрагирующим средством на основе сульфона, селективно извлекающим полиненасыщенные соединения, отличающийся тем, что в качестве экстрагирующего средства используют раствор иона металла, способного образовывать π-комплекс с полиненасыщенными соединениями, в сульфоне, полученную при этом экстракционную фазу, содержащую полиненасыщенные соединения, подвергают контактированию с несмешивающимся с ней извлекающим агентом, извлекающим полиненасыщенные соединения с последующим отделением полиненасыщенных соединений от используемого извлекающего агента, причем экстрагирующее средство и несмешивающийся с ним извлекающий агент затем рециркулируют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полиненасыщенные соединения представляют собой триглицериды природного происхождения, такие как масла растительных семян, масла морских рыб или масла из грибной биомассы или их переработанные формы, такие как жирные кислоты или жирные спирты.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве сульфона в экстрагирующем средстве используют сульфолан.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что указанным ионом металла является ион серебра.

5. Способ по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что используют сульфон, содержащий некоторое количество воды, увеличивающей растворимость иона металла.

6. Экстрагирующее средство, используемое по пп.1 - 5, содержащее соединение сульфонового ряда и ион металла, способный образовывать π-комплекс с полиненасыщенными соединениями, для разделения полиненасыщенных соединений от соединений с меньшим количеством ненасыщенных связей или без них.

7. Средство по п.6, отличающееся тем, что в качестве сульфона используют сульфолан.

8. Средство по п.6 или 7, отличающееся тем, что ион металла представляет собой ион серебра.

9. Средство по пп.6 - 8, отличающееся тем, что используют сульфон, содержащий некоторое количество воды, увеличивающее растворимость иона металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1