使用流程色谱仪分离得自天然油的醛或羟基甲酯的制作方法

专利名称：使用流程色谱仪分离得自天然油的醛或羟基甲酯的制作方法
使用流程色谱仪分离得自天然油的醛或羟基甲酯本申请是非临时专利申请，要求2008年2月21日提交的序列号为61/030,341 的、题为 “SEPARATION OF NATURAL OIL-DERIVEDALDEHYDES OR HYROXY METHYL ESTERS USING PROCESSCHROMATOGRAPHY”的美国临时专利申请的优先
权，其教导在此引入作为参考，在下文如同全文复制。本发明通常涉及分离产物的方法，所述产物得自以下步骤经流程色谱分离技 术使植物油链烷醇解(alkanolysis)、加氢甲酰化、和任选的氢化形成可用的部分。本发明 更具体地涉及从包括第一化合物和至少一种第二化合物的混合物中分离或移除至少一部 分第一化合物(缺乏羟基部分(例如，硬脂酸甲酯和棕榈酸甲酯)或醛部分)，所述第二 化合物包括羟基部分或醛部分中至少之一。流程色谱分离技术不受限制地包括，间歇分离技术、模拟移动床(SMB)分离技 术和真实移动床(TMB)分离技术。SMB分离技术构成优选的用于本发明目的的分离技 术。脂肪和油，特别是植物油，构成用于化学生产的可再生资源。油和脂肪包括脂 肪酸(限定为脂肪酸甘油酯)的分布。使种子油或植物油经受链烷醇解(例如，甲醇 解)、加氢甲酰化、和任选的氢化的顺序操作，产生缺乏羟基部分或醛部分的化合物和 包括羟基部分或醛部分中至少之一的化合物的复杂混合物。这些化合物具有导致高沸点 (例如，超过150摄氏度(°C))的分子量，并且它们的挥发性具有很小的差别，这样想通 过简单蒸馏分离它们就变得极度困难、不切实际或不经济。存在对于将这种化合物的复杂混合物分离成具有高纯度的馏分(例如，单组分 含量大于或等于重量％ (wt%)，优选地>95wt%，更优选地>98wt%，在各情况下 基于待分的两组分或组分的集合的馏分重量)的方法的期望。该期望起源于信念，即比 起使用分离之前的混合物所获得的那些产物，当使用这种高纯度馏分作为得到如多元醇 等产物的反应的原料时，会得到更一致的、及可能更好的产物性能参数。Lubsen等人的美国专利(USP)4,189,442披露了根据不饱和度通过以下步骤分离 脂肪酸酯混合物将混合物溶解于溶剂中来形成溶液，使溶液与树脂吸附剂接触，从而 使得具有最高不饱和度的脂肪酸酯选择性地吸附在吸附剂上，而将具有低不饱和度的脂 肪酸酯留在溶液中。选择性吸附的脂肪酸酯的溶剂吸附代表从树脂吸附剂回收后一种酯 的第一步。脂肪酸酯混合物得自天然存在的甘油三酯(如存在于大豆油、棉花子油、红 花油和动物脂中)的醇解作用。Cleary等人的USP 4,495,106介绍了关于使用分子筛和替代物质(如有机酸)从 包括脂肪酸和松香酸的混合物中分离脂肪酸的教导。Cleary等人表述了对于逆流移动床 或SMB逆向流体系的优选。Cleary等人引用Broughton等人的USP 2,985,589并将其引入 作为参考，因其涉及这样的体系的流动的操作原理和顺序。同样参见Cleary等人的USP 4,524,029 οLysenko等人的USP 7,097,770及其同族欧洲专利公开(EP) 1,383,854讨论了使用 粒度超过40微米(μιη)的吸附剂对于甘油三酯混合物(特别是得自植物油的甘油三酯混合物)的固体床吸附分离。吸附剂包括硅石、氧化铝、硅铝、粘土、晶体多孔金属硅酸 盐(如分子筛或沸石)、和网状合成聚合物树脂(如二乙烯基苯交联聚苯乙烯)。该分 离需要使用解吸附物质(例如，能够从吸附剂移除选择性吸附的吸取组分的流体物质)。 Lysenko等人记载可以使用两个或更多个一组的静态床，但优选使用移动床或SMB体系 以实现吸附分离。Lysenko等人在12栏57行 13栏18行描述了脉冲测试设备。USP 5,719,302 (Perrut等人)披露了从包括所述PUFA (S)的进料组合物中回收一 种或多种纯化的聚不饱和脂肪酸(PUFA(s))或PUFA混合物的方法。该方法包括以下步 骤(i)通过(a)固定床色谱法或(b)多级逆流柱分级(其中溶剂是在超临界压力的流体) 来处理组合物，并回收一种或多种PUFA馏分，和(ii)通过模拟连续逆流移动床色谱法， 使在步骤(i)中回收的富含PUFA的馏分经受进一步的分级，并回收一种或多种包括纯化 的PUFA或PUFA混合物的馏分，或(iii)通过模拟连续逆流移动床色谱法(其中在超临 界压力的流体用作洗提液)，使包括所述PUFA(S)的进料组合物经受分级，并回收一种 或多种包括纯化的PUFA或PUFA混合物的馏分。本发明的一方面是将包括至少一种第一化合物(既不包含羟基部分也不包含醛 部分)和至少一种第二化合物(包含羟基部分或醛部分中的至少一种)的第一混合物转化 为第二混合物(其第一化合物含量小于第一混合物的第一化合物含量)的方法，所述第 一混合物通过使脂肪、种子油或植物油经受链烷醇解、加氢甲酰化、和任选的氢化的顺 序操作来制备，所述方法包括色谱分离工艺，其选自间歇色谱分离、真实移动床色谱分 离、模拟移动床色谱分离、和一种或多种这类分离的变化或混合，其中将任选地以第一 (或稀释)量的洗提溶剂稀释的所述第一混合物和第二(洗提)量的洗提溶剂进料到方法 中，所述洗提溶剂是至少一种有机溶剂，选自芳族烃、腈、脂族烃、脂族醇、有机酸酯 (例如，乙酸酯，如乙酸乙酯)、醚、和酮，所述方法使用以至少一种色谱介质填装的至 少一个柱或至少一个柱片段，所述色谱介质选自离子交换树脂、硅胶(更通常简单称作
“硅石”)、氧化铝、聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(其中任选地使如甲基丙烯酸酯等另 外的可共聚单体聚合)、和交联的聚甲基丙烯酸酯，所述洗提溶剂和色谱介质组合来从第 一混合物中有效移除第一化合物的实质部分(substantialportion)。图(Fig.) 1是单柱、多部分SMB设备的示意图。图2是12-部分SMB设备(那些部分归合成四个相等的区域)的概念图表。图3是SMB圆盘式仪器的示意图。图4是用来确定初始SMB运行参数的脉冲测试数据的图解描述，所述初始SMB 运行参数用于从至少一种包括羟基部分的第二化合物(例如，一元醇)中分离至少一种缺 乏羟基部分的第一化合物(例如，棕榈酸酯、硬脂酸酯)。图5是使用457秒的阶跃时间的SMB内部浓度分布曲线的图解描述。图6是使用八分钟(480秒)的阶跃时间的SMB内部浓度分布曲线的图解描述。SMB分离(特别)和流程色谱分离(通常)自然组成了基于(例如)极性差异 或大小差异(例如，分子及其二聚体)的分离。本发明披露的SMB分离依赖于第一组分 子和第二组分子之间的极性差异，即一种或一组分子在SMB中的移动速度比另一种或另 一组分子快。基于信息和信念，SMB分离复制间歇分离性能(如在“脉冲测试”或“间歇流程色谱仪”操作中所示例的)，但是是在减少以下至少一种量的情况下复制分离介质的 量、洗提溶剂的量、时间量以及用来实现所给容量的分离的量。SMB分离技术使用吸附剂或填装介质以及洗提溶剂来实现将化合物的混合物分 离成馏分或级分(cuts)，所述馏分或级分各在不同的化合物中富含。例如，当混合物包括 第一化合物和第二化合物的混合物时，一种馏分(称为“第一馏分”)比另一种馏分(称 为“第二馏分”)的第一化合物浓度高，并且第二馏分比第一馏分的第二化合物浓度高。为了本发明的目的，“SMB”、“SMB分离”和“SMB流程分离”全部指色 谱流程分离技术的SMB变化。SMB变化本身包括包括全部已知的其变化、亚类和子集。 部分而非全部这类变化的清单包括时间变化SMB(例如，披露于USP 5,102,553中的)、 ISMB(改进的 SMB) (USP 4,923,616)、原料分流 SMB(例如，披露于 USP 5,122,275 中 的)、顺序SMB (SSMB) (USP 5,795,398)、SMB方法(其使用较少的柱并且可以从环路中 的多个柱中取出产物，但是仅将进料注射进环路的一个柱中)(USP 5,556,546)、Yoritomi 方法(USP4,267,054)、入口和出口位置非同时转换的方法(USP 6,712,973)、和具有周期 内分布注射的恒稳态循环(SSR)或闭环循环(CLRPIPI方法)(USP5,630,943)。适宜的洗提溶剂或溶剂的混合物包括符合以下条件的溶剂a)沸点低于生产化 合物的混合物的脂肪、植物油或种子油，和b)选自芳族烃(例如，甲苯)、腈(例如， 乙腈)、脂族烃(例如，庚烷)、脂族醇(例如，乙醇、甲醇)、有机酸酯(例如，乙酸 乙酯)、醚(例如，甲基叔丁基醚)、酮(例如，甲基异丁基酮、丙酮)、和/或其混合 物。优选的洗提溶剂包括乙酸乙酯、乙腈、甲基异丁基酮、乙醇和庚烷的混合物以及甲 苯和甲醇的混合物。适宜的吸附介质，有时称作“色谱介质”，包括选自下述物质的那些离子交 换树脂、硅石、硅胶、氧化铝、聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(例如，得自Mitsubishi Chemical的DIAION HP20树脂)、和交联的聚甲基丙烯酸酯。优选的吸附介质包括硅 胶、氧化铝、和聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。本发明的SMB方法使用不同分子之间的极性差异来将包括至少一种第一化合物 (缺乏羟基部分或醛部分)和至少一种第二化合物(包含羟基部分和醛部分至少其一)的 第一混合物成功转化为第二混合物(其第一化合物含量小于第一混合物的第一化合物含量)。在正相色谱法(NPC)中，以色谱介质(典型地为多孔的极性基体，如硅胶，以 因其物理和化学稳定性和惰性而选择的粒子形式存在)填装色谱柱，并且以工艺用溶剂 (通常本身极性小于所填装的色谱介质(也称作“色谱填充物”)的极性)平衡或填充介 质粒。在反相色谱法(RPC)中，以色谱介质(典型地为多孔的非极性基体，如苯乙 烯-二乙烯基苯共聚物球，以因其物理和化学稳定性和惰性而选择的粒子形式存在)填装 色谱柱，并且以工艺用溶剂(通常本身极性大于所填装的色谱介质(也称作“色谱填充 物”)的极性)平衡或填充介质粒子。在正相色谱(NPC)中，固定相(例如，硅石)的极性大于移动相(例如，己 烷)，这导致非极性化合物先被洗提下来而极性化合物更易保留。RPC使用非极性固定 相(例如，聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物)和极性较大的溶剂(例如，甲醇)。这导致极性化合物先被洗提下来同时非极性化合物保留。无论在NPC或在RPC中，溶剂填充的粒子组成了固定相。选择基于其极性度的 溶剂以便影响由方法所要求的洗提时间。固定相与粒子外部的液体(称为“移动相”) 处于平衡。熟练技术人员容易理解对正相色谱参数或反相色谱参数进行调节以便实现相关 分离的变型。例如，在正相色谱法中，在对柱子进行填装和平衡之后，向柱子加入进 料流。进料流中的极性分子与极性固定相结合，并且相对于进料流中极性小的化合物来 说，其在固定相上停留的时间更长。随着具体组分极性的增加，该具体组分在固定相上 的吸附增加。例如，硅胶保留具有一个羟基基团(一元醇)的脂肪酸甲酯的时间将长于 其保留缺乏羟基基团的类似化合物的时间。待分离的各种分子的停留时间可以通过增加 将在分离方法中使用的移动相的极性(以得到更短的停留时间)或降低其极性(以得到更 长的停留时间)来调节。间歇(或脉冲)流程色谱仪是用来经色谱法分离组分的常规方法。在间歇流程 色谱仪中，将进料混合物泵送到填装的柱子上，并使用洗提液(色谱分离中的溶剂)在柱 子中压送进料混合物。进料混合物的不同组分随着其在柱子中的移动而分离开来。最先由Universal Oil Products(UOP)在二十世纪五十年代开发的SMB技术，具 有横跨几十年的石化产品(特别是二甲苯、和果糖/葡萄糖混合物)的分离的工业应用历 史。在SMB体系的一种实施方式中，将体系划分成四个区域，其边界由进入或离开体系 的四种流所勾画。在SMB体系的其它变化中，可以使用更大或更小数目的区域。SMB 方法可以由两个基本仪器来描述。这两个仪器是如

图1所示的分成几个部分的单柱、或 如图2所示的其中一组柱子或部分分成区域的多柱。也可以使用这两种仪器的组合。可以使用任何加工流程应用本发明，在所述加工流程中，使用色谱介质和溶 剂来完成分离。例如，熟知的加工流程包括间歇洗提色谱法和由PhilipC.Wankat在 Separation Process Engineering, 2nd Ed. (Prentice Hall, UpperSaddle River, NJ)，2007, 17 章"Introduction to Adsorption, Chromatography, andlon Exchange” 中所描述的 4-区域 SMB加工流程。典型的2-区域SMB、3-区域SMB、和4-区域SMB加工流程的其它 描述由 Chim Yong Chin 禾口 Nien—HwaLinda Wang 在 Separation and Purification Reviews, 33 卷，2 期，pp.77-155 页，2004， “Simulated Moving Bed Equipment Designs” 中给出。在单柱SMB中，将大的色谱柱分成有限个小部分。在这些有限的部分之间内， 使用流体分配器来经入口加入液相或经出口抽出液相。通过切换入口和出口相对于柱子 内部填装的固定固体的位置来模拟SMB逆向流；通过这种机理，模拟逆向流。在下面的 描述中，组分指单一组分或一组或一类单独的组分。如本申请所使用，下文定义四种液体流“进料”流、“洗提剂”或“解吸 剂”流、“提取物”流、和“残余物”流。“进料”表示进入SMB体系并包含待分离组分的流。“洗提剂”(或“解吸剂”)表示进入SMB体系的溶剂流。该溶剂流包含低量 或不含进料或任何其组分。“提取物”指离开SMB体系并且主要包含进料的移动较慢(在NPC中极性较 大)组分的流。
“残余物”涉及离开SMB体系并且主要包含进料的移动较快(在NPC中极性较 小)组分的流。如本申请所使用的较快和较慢是用来区别两组分的相对术语。如本申请所使用，SMB区域I-IV具有如下文所示的意义。“区域I”指区域，其包括置于洗提剂流的入口和提取物流的出口之间的色谱柱 部分或色谱柱组。“区域II”指区域，其包括置于提取物流的出口和进料流的入口之间的色谱柱部 分或色谱柱组。“区域III”指区域，其包括置于进料流的入口和残余物流的出口之间的色谱柱 部分或色谱柱组。“区域IV”指区域，其包括置于残余物流的出口和洗提剂流的入口之间的色谱 柱部分或色谱柱组。SMB操作典型地包括提到的两个时间，“阶跃时间”和“循环时间”。阶跃时 间指切换SMB环路中入口和出口位置之间的时间间隔。也将阶跃时间指代增加的步骤或 循环之间的时间间隔或时间间隔。循环时间指一整套增加步骤所需的时间间隔，或SMB 设备回到其在循环起始时所占的位置所需的时间。循环时间等于SMB设备中的部分或柱 子数乘以阶跃时间。在图2所示的多柱仪器中，在环路中经管路将所有的SMB柱与环路中各柱子之 间进入或离开的进料、洗提剂、残余物、和提取物连在一起。图2显示了 12个柱子均等 地分布在三个柱子一组的四个组中(各较大的框代表柱子)。柱子的等量分布仅为了说 明的目的，因为熟练技术人员知道SMB设备的最佳性能可能需要柱子的不均等分布，例 如，区域II和III中的柱子数目多于区域I和IV中的柱子数目。多柱SMB以几种方式或仪器之一模拟逆向流。在一种称为“圆盘式仪器”的 仪器中，填装的柱子移动，而入口流和出口流的位置是固定的。多端口旋转阀(例如， Knauer设计之一)使得能够在此仪器中模拟逆向流。不考虑仪器选择，得自一种仪器的 操作参数和结果可由熟练技术人员容易地转变为另一种仪器的操作参数和结果，而无需 过度试验。在图2中，进料物质(进料)(包括慢组分和快组分的混合物)进入SMB环路的 右下角。在图2中，用淡阴影代表慢组分，用浓阴影代表快组分，并且显示液体以顺时 针方向移动。进料进入连续环路的第一个色谱柱，那么新加入的进料的分离开始了。在 柱子中，快组分以快于慢组分的速度“向前”移动，这样在快组分和慢组分之间，比起 慢组分有更多的快组分进入下一个柱子(从一个柱子顺时针移动到下一个柱子)。在仅最 小量的慢组分离开第一个柱子之后，旋转SMB环路中的入口和出口位置(SMB环路中的 下游位置)。在图2中，流在旋转之前的位置带有黑色标记，而在旋转之后的位置带有灰 色标记。通过适当平衡进料入口周围的液体流动速度、以及切换入口和出口流的位置， 快组分相对于进料流的位置净“向前”(顺时针)移动，而慢组分相对于进料流的位置净
“向后”移动。对于适当的SMB操作，关键特征或参数包括a)建立如图2所示的四个SMB区 域中适当的内部组分分布。为了建立适当的SMB内部分布，必需确定以下两点入口流 和出口流位置切换的适当时间，和在四个SMB区域(多个柱可以存在于各区域中)的每一个中确切的流动速度。熟练技术人员了解在各区域中必须存在不同的流动速度以防止 SMB单元起稀释剂的作用。如果在所有区域中的液体流动速度不适当，则SMB成为稀 释剂。例如，如果区域I中的流动速度过低并且区域IV中的流动速度过高，那么快移动 组分继续净“向前”(在图2中顺时针)移动，而慢组分继续净“向后”(在图2中逆 时针)移动。最终，快移动组分与慢移动组分重叠，这两种组分以低于进料流浓度的浓 度混合在一起。为防止组分互相重叠，以及为产生内部分布(其中快组分存在于残余物 中，而慢组分存在于提取物中)，在各区域中的流动速度必须不同。通过使用SMB介质和待分离组分进行脉冲测试，可以确定适当的初始SMB分布 前进因子(区域流动速度)。图表脉冲测试结果表示为浓度与床体积的关系，其中床体积 等于用来进行脉冲测试的空色谱柱的体积。从脉冲测试可以确定称为慢组分和快组分的 贯穿床体积(bed volumes tobreakthrough，BVTB)的值。下面的表1描述了相对于BVTB 的分布前进因子的选择。熟练技术人员理解典型地从脉冲输入实验或浓度阶跃增加实验中的贯穿曲线确 定BVTB。在任一这些实验中，将组分分布的前沿(作为组分的浓度)与实验中组分浓度 达到的最大值相比较。BVTB等于柱体积(穿过流体的初始流入物至阶跃或脉冲的起点 和当达到最大值的特定分数时的终点之间的柱子)数。该指定分数必须在0和1之间， 典型的最大值的分数为 0.05、0.10、0.25、0.50、0.75、0.90、或 0.95。表1.从脉冲测试BVTB数据确定SMB分布前进因子
权利要求
1.一种方法，用于将包括至少一种第一化合物和至少一种第二化合物的第一混合物 转化为第二混合物，所述第一化合物既不包含羟基部分也不包含醛部分，所述第二化合 物包含羟基部分或醛部分中的至少一种，所述第二混合物的第一化合物含量小于第一混 合物的第一化合物含量，所述第一混合物通过使脂肪、种子油或植物油经受链烷醇解、 加氢甲酰化和任选的氢化的顺序操作来制备，所述方法包括色谱分离工艺，其选自间歇 色谱分离、真实移动床色谱分离、模拟移动床色谱分离以及一种或多种这类分离的变化 或组合，其中将任选地以第一量的洗提溶剂稀释的所述第一混合物和第二量的洗提溶剂 进料到所述方法中，所述洗提溶剂是至少一种选自下列溶剂的有机溶剂芳族烃、腈、 脂族烃、脂族醇、有机酸酯、醚、和酮，所述方法使用以至少一种色谱介质填装的至少 一个柱或至少一个柱片段，所述色谱介质选自离子交换树脂、硅胶、氧化铝、聚苯乙 烯-二乙烯基苯共聚物(其中任选地使另外的可共聚单体聚合)，交联的聚甲基丙烯酸 酯，所述洗提溶剂和色谱介质组合以便从所述第一混合物中有效移除所述第一化合物的 实质部分。
2.权利要求1中所述的方法，其中所述洗提溶剂具有以下参数MOSCED极性参 数τ，其范围是4 12焦耳每毫升(j/mL)a5; MOSCED酸度参数α，其范围是0(J/ mL)0'5 6(J/mL)°·5 ；和碱度参数 β，其范围是 1 (J/mL)°·5 12(J/mL)°·5。
3.权利要求1中所述的方法，其中所述洗提溶剂是选自以下溶剂的至少一种溶剂 乙酸乙酯、乙腈、甲基异丁基酮、甲醇、乙醇、庚烷、和甲苯。
4.权利要求3中所述的方法，其中所述洗提溶剂进一步包括硅石表面水合量的水。
5.权利要求4中所述的方法，其中所述量大于0，而小于足以形成包括水的第二液相 的量。
6.权利要求1中所述的方法，其中所述色谱介质包括硅胶、氧化铝、或聚苯乙烯-二 乙烯基苯共聚物。
7.权利要求1中所述的方法，其中所述方法包括氢化，所述第二化合物包含羟基部分。
8.权利要求1中所述的方法，其中所述方法不包括氢化，所述第二化合物包含醛部分。
9.权利要求1 8中任一项所述的方法，其中所述色谱分离方法是模拟移动床色谱分离方法。
全文摘要
使用流程色谱设备和方法(例如，SMB色谱分离)来完成从包括下述这样的组分以及包含羟基部分和醛部分中的一种或多种的组分的进料流中移除至少一部分既不包含羟基部分也不包含醛部分的组分。
文档编号B01D15/32GK102015051SQ200980114002
公开日2011年4月13日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月21日
发明者布鲁斯·派诺南, 戴维·阿伯斯, 肖恩·费斯特, 蒂莫西·弗兰克 申请人:陶氏环球技术公司