专利名称：12-羟基硬脂酸的制取方法
技术领域：
本发明涉及12-羟基硬脂酸的领域，并涉及从天然脂肪或油，特别是从蓖麻油中制取12-羟基硬脂酸的方法。
现有技术12-羟基硬脂酸涉及一种C-18-脂肪酸，它来自蓖麻油，化学式为C18H36O3，室温下呈无色晶体。12-羟基硬脂酸以其盐的形式存在，可用作塑料生产的中间产物或作为化妆品的原料。
由油制取和生产12-羟基硬脂酸已为人所周知，在文献/专利文献中已有不同的描述，至今蓖麻油被描述为制取12-羟基硬脂酸的原料。粗蓖麻油根据来源含有87～91％甘油脂形式的蓖麻酸，2％硬脂酸和棕榈酸，4～5％油酸和4～5％的亚油酸，这些酸以其甘油脂形式存在，通过冷压蓖麻子而获取蓖麻油。
传统的脂肪裂解法的反应条件不适用于12-羟基硬脂酸的制取，因为蓖麻酸和12-羟基硬脂酸在这种条件下被破坏。
至今制取12-羟基硬脂酸的一般方法是先将蓖麻油通过多相金属催化反应进行化学氢化，随后将这一固化的油通过碱性脂裂而化学裂化，再通过酸中和，便得到12-羟基硬脂酸。
在Rev.Soc.Quim.Mex.37，1993，66-69等的报告中，C.Melanco描述了蓖麻油是通过Ni和Pd催化剂而氢化，以及通过碱性皂化将这固化的蓖麻油裂解为12-羟基硬脂酸。在这种方法中12-羟基硬脂酸的产率非常低。
在R.K.Trivedi(JAOCS，65(9)，1988，1467-1469)的报告中，描述了蓖麻油在氢气压力为2巴，Ni-催化剂为2重量％，温度为130℃下进行氢化。这种蓖麻油的氢化的产率很低，此外也没有指出，如何从固化的油中获取游离的12-羟基硬脂酸。
1996年的专利GB 1130092中描述了一种对蓖麻油进行氢化的方法，利用Ni-催化剂将蓖麻油在至180℃时进行氢化。但在此法中12-羟基硬脂酸不仅没有被自由释放和分离，脂肪酸的羟基在固化的蓖麻油中反而脱水。
在这些方法中，由蓖麻油化学制备12-羟基硬脂酸是通过先将蓖麻油直接氢化，然后对固化的油进行皂化，除了需要高反应温度外，还需要大量的金属催化剂。固化的油和12-羟基硬脂酸的产率有时很小。这种传统方法的缺点是，除了反应温度高以外，催化剂量大，产率小，碱性皂化后废水中含盐量高，以及形成副产品，这些副产品中主要是羟基硬脂酸的二聚物和聚合物，它们是在上述条件下于脂肪裂化时形成的。分离这些副产品需要进一步的反应步骤，而且由于产品的类似化学性质，将其分离并非易事。
由现有技术中另一制取12-羟基硬脂酸的方法，描述在日本专利JP61139396中。加入固化的蓖麻油通过酶催化水解来裂化。在方法的概要中，描述了使固化的蓖麻油在添加来自于不同种类的微生物的脂酶，在75℃时被水解。在此温度下必须使用在一种溶剂的存在下，再进行处理，因为固化蓖麻油的熔点大于75℃。水解率在所使用酯酶时为84％。没有指出蓖麻油如何被固化。这种方法的缺点是水解率只有84％，并反应温度高，高温排除了使用不同温度敏感性脂酶。另外所有从固化蓖麻油出发的方法的另外的共同缺点是，缺乏分离中间产物蓖麻酸的可能性。除12-羟基硬脂酸，蓖麻酸也可有许多用途，但基于传统方法而限制了它的使用。
由现有技术，我们了解了更多的脂肪和油以及专门对蓖麻油的酶催化水解方法。例如JP 01016592描述了获取方法。蓖麻油在温和的条件下被酶催化水解，水解率超过70％。但该方法没有详细描述水解率到底多大。此外其缺点是酶的使用量大，基于所有油总量为0.15～15重量％。若使用10～15重量％的酶作催化剂，则这种方法是无效率的，并费用太大。从这样宽的数据，专业人员无法得知，多大的催化剂量可以产生期望的水解率。
用于由蓖麻油的酶催化水解方法，特别是在提到的专利中，没有指出，如何从水解的油中分离出游离的蓖麻酸，特别是如何获得高产率的12-羟基硬脂酸。
人们从科技资料中已经了解到蓖麻油的脂酶-催化裂解，当然那里的工作不能转为技术应用，由此描述了来自病原生物体(铜绿假单胞菌)(pseudomonas aerugil)的脂酶的使用(Sharon等人.Indian.J.Expl.Biol.，1999，37，481ff)，还有的使用来自豕胰(schweinepankreas)的脂酶(Biosci.Biotechnol.Biochem.，1992，56，1490ff)，这会导致设备或副产品甘油的“kosher”损伤。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)。这种脂酶属于“酸性”脂酶，这意味着水相的PH调节及缓冲的消费是必不可少的。
发明描述本专利申请的任务在于，开展一种大规模的技术方法，用该方法可更有效、更经济、并在避免毒性、考虑生态的前提下减少反应步骤，由天然脂肪或油以高生产率和高纯度生产12-羟基硬脂酸。本专利申请的另一个任务在于，提供一种制取12-羟基硬脂酸的方法，其中，将蓖麻酸作为一种中间产品。
发明的主题是从天然脂肪或油，特别是从蓖麻油制取12-羟基硬脂酸及其盐的方法，并以此为特征，a)第一步先将天然脂肪或油，在15～50℃温度间，在一种或多种酶催化作用下进行水解，这时形成蓖麻酸；b)分离已形成的甘油和酶；c)水解产物进行催化氢化；d)将已得到的产物成型。
意外的发现，在一种酶或优选由多种酶的组合物(最好由二种酶组合)的催化作用下，蓖麻油水解后产生一种混合物，在将酶和形成的甘油分离后，得到含有高成份的游离蓖麻酸，在温和条件下它可进行氢化，由此可提供高纯的12-羟基硬脂酸。
发明的重点是反应步骤的顺序。首先是进行天然脂肪或油的酶催化水解。在分离催化剂和所形成的甘油后，将所得的产物进行氢化，这时蓖麻酸被氢化为12-羟基硬脂酸。这一方法的产物具有极少的气味和色度。
天然脂肪或油的概念在本发明中理解为所有的脂肪或油，其蓖麻油含量超过50％。特别是蓖麻油，同样的概念，在本发明中可使用称为蓖麻油(Rhizinusol)Ricinusol，Kastorol，或Castorol的蓖麻油。
作为12-羟基硬脂酸的盐，本发明中理解为金属盐，特别是涉及到碱金属和碱土金属的盐。反应步骤a)依本发明的反应条件，在步骤a)中，酶催化剂是按优化反应范围而选择酶，特别涉及反应温度条件选择在15～50℃之间，优先为20～40℃，特别是35℃。
在本发明的另一实施形式中，在步骤a)中所使用的酶催化剂是选自水解酶，特别是酯-水解酶，也称为脂酶。本发明优先涉及的脂酶来自稻曲霉(Aspergillus oryzea)、黑曲霉(Aspergillus niger)、芽孢杆菌类(Bacillusspecies)、卡孟培里青霉(Penicillius camenbertii)、洋葱假单孢菌(Pseudomonascepacia)、脂解假丝酵母(Candida lipolytica)、亮白地霉(Geotrichumcandidum)、蓝干酪青霉(Penicillium roqueforti)、无根根霉(Rhizopus arrhizus)、稻根霉(Rhizopus oryzae)、白根霉(Rhizopus niveus)、爪哇毛霉(Mucorjavanicus)、米海根霉(Rhizomucor miehei)、毛状高温霉(Thermomyceslanugensosus)，特别是来自稻曲霉或毛状高温霉，特别优先为稻曲霉、芽孢杆菌类、无根根霉或毛状高温霉。
本发明所用的脂酶可单独或多种结合使用，特别是由二种酶结合，这种结合优先由这样的脂酶组合而成，即一方面脂酶催化甘油脂的1，3-特定的裂化，这也被称为1，3-特定的脂酶，另外的脂酶催化单-(2)-甘油脂裂化。选择可以具体情况进行优化，以使在最佳情况下所使用的脂酶不产生不希望的蓖麻酸的副产品(二聚物或内酯)。
优先来自毛状高温霉或稻曲霉或无根根霉的脂酶和单甘油脂-特定的卡孟培里青霉或芽孢杆菌类脂酶结合。特别优先是来自毛状高温霉的脂酶和卡孟培里青霉脂酶结合使用。
本发明所使用的酶可以不同形式使用，原则上所有常用的酶的存在形式都可以使用，酶优先是以纯的形式，或以工业酶制剂形式，或者以固定化的制剂和/或在溶液中特别是在水溶液中的制剂进行使用。
本发明所使用的酶在本发明的另外的实施方案中，其使用量为所用天然脂肪或油总量的0.002～0.505重量％，特别优先的使用量为0.002～0.140重量％，最好的为0.052～0.1004重量％。
工业酶制剂的使用量优选为所用天然脂肪或油总量的0.004～0.05重量％的水溶液，特别优选为0.004～0.02重量％的卡孟培里青霉的水溶液或0.1～0.5重量％的毛状高温霉水溶液。活性酶在各种工业酶制剂中的用量因生产者的不同而不同，但其量平均为10％的活性酶。
作为其他的反应要点必要时使用适当的缓冲剂。作为适当的缓冲剂按本发明的理解是可缓冲脂酶催化的脂裂化。因而这里涉及缓冲系统，它不能破坏催化剂脂酶，也不影响它的活性。这里可列举磷酸盐或碳酸盐缓冲剂，特别优先为磷酸盐缓冲剂。本发明的一个优选实施方案中，所使用的缓冲剂量为天然脂肪或油总量的0.01～0.2重量％，特别优先为0.01～0.05重量％。特别优先是在没有缓冲剂的系统内进行裂化。
水解率在上述条件下为90～98％。反应步骤b)在第二反应步骤中必须将水解时产生的甘油分离。然后分离所使用的酶催化剂。原则上可使用所有分离的方法，以分离甘油和所使用的酶催化剂，用该方法可分离所谓的化合物及催化剂，优先的是通过加热反应混合物至70～90℃的分离法，特别优先的是通过相分离的分离方法。这种相分离基于水解产物的重力和密度不同。在一可能的实施方案中涉及到离心分离法，离心优选为每分钟800转，压力1.2～1.3巴，连续分离6小时。
本发明反应步骤a)和b)根据所希望的水解率，在水解产物氢化之前可多次重复，优先为一次重复，在上述条件下水解率可达到99.5～100％。反应步骤c)在步骤a)和b)之后得到的水解产物主要由蓖麻酸构成，蓖麻酸含量与所使用的蓖麻油质量和水解程度有关。为了获取12-羟基硬脂酸，使得到的蓖麻油在下面步骤中进行氢化，作为蓖麻酸氢化的催化剂，原则上可使用所有用于氢化的催化剂。
在本发明的氢化中可使用二类催化剂。在多相催化时存在不溶于反应介质的催化剂，催化剂本身在其表面通过对氢化化合物和氢气的吸附-解吸-平衡而进行催化。作为催化剂可使用贵金属如Pt，Pd，Rh或其它过渡金属如Mo，W，Cr，优先是Fe，Co，Ni，或单独或混合使用，或载带在载体如活性炭、氧化铝或硅藻土上以提高活性及稳定性。本发明优先使用Ni或阮内镍，与活性炭相结合的Pd、金属Pt、铂和锌的氧化物。
均相时，即溶于反应介质中的催化剂，涉及到过渡金属-络合物，它们优选的代表是威尔金森(Wilkinson-)催化剂[氯三(三苯基膦)铑]。
在一个优先的实施方案中涉及到多相催化剂，特别优先的是Ni-催化剂或Pd-催化剂，其中，Pd吸附于活性炭上。
在一特别的实施方案中，本发明的氢化温度为70～150℃，优先为90～130℃，特别是120℃。
在另一实施方案中，氢化是在氢压为1～300巴，优先为5～50巴，特别是20巴的条件下进行。
在再一实施方案中，用于氢化的催化剂的使用量为所使用的天然脂肪或油的总量的0.2～5重量％，特别优先为0.4～2重量％。反应步骤d)最后的步骤中，所得到的产品可不进行其他的处理和成型加工。作为成型方法，优选可使用喷雾干燥，原则上所有其它的用于可熔的固体的成型法，都可作为成型方法，如分离磨、剪切磨，粒化器，片式轧辊和铲碎器。
所得产品12-羟基硬脂酸是完全无味、无色，这按现有技术是不能达到的，而且所得产品基本上没有副产品如单-、二-、三-甘油酯。
由本发明了解到，通过一系列的步骤，并通过结合酶催化和化学催化，实现了一种方法，用它可从蓖麻油生产经济的、生态的蓖麻酸和高纯的12-羟基硬脂酸。
依照本发明方法得到的蓖麻酸和所得的12-羟基硬脂酸可用于化妆品、医药制剂、润滑剂、纺织助剂和塑料的生产。
下列实施例说明本发明的主题。
表1 不同脂酶的水解活性
2.实施例用于蓖麻油完全水解的酯酶组合物试验7个试样，每个取5克蓖麻油，5克蒸馏水，在25℃搅拌为乳浊液，所有试样中吸移10μl毛状高温霉脂酶(脂质体TL1001)，6个试样中都加入第二种脂酶(各0.5％溶液10μl)，第7个试样作为对照。乳浊液搅拌36小时，离心分离，薄层色谱法检测水解活性。评价反应试样中单-，二-甘油酯的相对量。
表2 不同酯酶组合物的水解活性的比较
毛状高温霉和卡孟培尔青霉脂酶的组合对于蓖麻油的裂化特别优选，因为这种脂酶组合具有协同水解效应。还有白根霉和毛状高温霉的脂酶组合也是优先的。3.实施例优化用于蓖麻裂化的脂酶混合比目的试验2中推荐的特别优选的脂酶组合(毛状高温霉+卡孟培尔青霉)确定酶的最优化的混合比。
操作5个试样，每个取25克蓖麻油，25克蒸馏水，在25℃搅拌为乳浊液，然后将毛状高温霉溶液(脂酶TL，Novo Nordisk)和卡孟培尔青霉脂酶(脂酶，G，Amano)按以下列浓度加入。
乳浊液在不同的反应时间通过离心分离(5分，13000rpm)，气相色谱法检验酸的形成。
表3 蓖麻酸的形成和反应时间的关系
试验表明，毛状高温霉脂酶(脂酶TL)和卡孟培尔青霉脂酶(脂酶，G，Amano)基于商购酶制剂的称重以25∶1组合表明是优良的酶比例。脂酶G的组分提高，游离酸的形成提高并不明显，相反脂酶G组分的减少，引起游离酸形成的下降。4.实施例蓖麻油在二步骤操作中的裂化4800kg蓖麻油，2080kg蒸馏水，在30℃搅拌为乳浊液，搅拌下将700g卡孟培尔青霉的脂酶(脂酶，G，Amano)和14kg毛状高温霉的脂酶(脂酶TL，Novo Nordisk)相混合，加入物在30℃搅拌24小时，然后将加热到80℃的乳浊液用重力法分离，油相在30℃下再和2080kg水搅拌成乳液，700g卡孟培尔青霉的脂酶(脂酶，G，Amano)和14kg由毛状高温霉的脂酶(脂酶TL，Novo，Nordisk)相混合，加入物重新在30℃搅拌下培养24小时，然后加热到80℃并用重力法分离。
第一反应步骤后，88％的蓖麻油转化而没有形成副产物，总共有99％的蓖麻油转化而没有形成副产物。
剩余的酶活性显然低于所使用酶的1％。
按气相色谱法分析最终产品的组成酸99.8％单甘油酯0.1％2甘油酯0.1％3甘油酯0％5.实施例用镍催化剂进行氢化将500ml来自例3的蓖麻酸在真空下干燥，并放入500ml高压釜中，在120℃、氢气压力20巴、在有0.4重量％催化剂(镍催化剂Tvo Nysofact IQ 101)存在下氢化1小时。将100℃左右的热产品用酸性活化漂白土(10重量％)进行过滤，并加入1重量％的Trisyl 300。搅拌20分钟后，在90℃将混合物真空干燥后以过滤器分离，所得12-羟基硬脂酸的熔点范围为72～81℃。参数OH值159碘值2.2酸值1706.实施例用钯进行氢化将500ml来自例3的蓖麻酸真空干燥，并放入500ml高压釜中，在90℃、氢气压力150巴下、在有0.5重量％催化剂(钯-炭催化剂5％钯在活性炭Norrit粉上)下氢化3小时。产品在氢化后通过压力过滤与催化剂分离。参数OH值144碘值4酸值17权利要求
1.从天然脂肪或油，特别是从蓖麻油中制取12-羟基硬脂酸及其盐的方法，其特征为a)先将天然脂肪或油，以一种或多种酯进行催化水解，温度在15～50℃间，这时形成蓖麻酸；b)分离已形成的甘油和酶；c)水解产物进行催化氢化；d)将得到的产物成型。
2.根据权利要求1的方法，其特征为，在步骤a)中使用选自水解酶的酶。
3.根据权利1和/或2的方法，其特征为，水解酶选自来自稻曲霉(Aspergillus oryzea)、黑曲霉(Aspergillus niger)、芽孢杆菌类(Bacillusspecies)、卡孟培尔青霉(Penicillius camenbertii)、洋葱假单孢菌(Pseudomonascepacia)、脂解假丝酵母(Candida lipolytica)、亮白地霉(Geotrichumcandidum)、蓝干酪青霉(Penicillium roqueforti)、无根根霉(Rhizopus arrhizus)、稻根霉(Rhizopus oryzae)、米海根霉(Rhizomucor miehei)、白根霉(Rhizopusniveus)、爪哇毛霉(Mucor javanicus)、毛状高温霉(Thermomyces lanugensosus)中的脂酶。
4.根据权利要求1至3的方法，其特征为，所使用的酶量为所使用天然脂肪或油总量的0.012～0.505重量％。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征为，在方法的步骤a)中所使用的缓冲剂，其量为所使用的天然脂肪或油总量的0.01～0.2重量％。
6.根据权利要求5的方法，其特征为，涉及磷酸盐缓冲剂。
7.根据权利要求l的方法，其特征为，步骤b)中的分离方法是离心分离或通过加热乳浊液至70～90℃而采用气相分离。
8.根据权利要求1的方法，其特征为，步骤c)中的氢化催化剂是选自由Pt，Pd，Rh，Mo，W，Cr，Fe，Co，Al，Ni所形成的。
9.根据权利要求8的方法，其特征为，氢化是在70～150℃温度下进行。
10.根据权利要求8的方法，其特征为，氢化是在1～300巴的氢气压下进行。
11.根据权利要求8～10的方法，其特征为，金属催化剂量为所用天然脂肪或油的0.2～5重量％。
12.根据权利要求1的方法，其特征为，步骤c)中的成型是采用喷雾干燥进行。
全文摘要
本发明涉及从天然脂肪或油，特别是从蓖麻油中制取12－羟基硬脂酸及其盐的方法，其特征为a)先将天然脂肪酸或油，在15～50℃之间，在一种或多种酶的催化下进行水解，以形成蓖麻酸；b)分离这样得到的甘油和酶；c)水解产物在催化下氢化；d)将这样得到的产物进行配制。
文档编号C07B61/00GK1473199SQ01818328
公开日2004年2月4日 申请日期2001年10月25日 优先权日2000年11月3日
发明者拉尔夫·奥托, 乌尔里克·肖尔肯, 阿尔布雷克特·韦斯, 利文特·尤克塞尔, 乔治·菲格, 萨拜因·博思, 萨拜恩·克兰兹, 克兰兹, 博思, 尤克塞尔, 克 肖尔肯, 拉尔夫 奥托, 菲格, 雷克特 韦斯 申请人:考格尼斯德国两合公司