EP1913145A2 - Mehrstufiges verfahren zur herstellung von fettsäurealkylestern aus fettsäuren und aliphatischen alkoholen unter verwendung von esterasen im ersten schritt und chemischen katalysatoren in einem weiteren schritt - Google Patents

Mehrstufiges verfahren zur herstellung von fettsäurealkylestern aus fettsäuren und aliphatischen alkoholen unter verwendung von esterasen im ersten schritt und chemischen katalysatoren in einem weiteren schritt

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Publication number
EP1913145A2
EP1913145A2 EP06776548A EP06776548A EP1913145A2 EP 1913145 A2 EP1913145 A2 EP 1913145A2 EP 06776548 A EP06776548 A EP 06776548A EP 06776548 A EP06776548 A EP 06776548A EP 1913145 A2 EP1913145 A2 EP 1913145A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acid
esterification
alcohol
reaction
isopropyl alcohol
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06776548A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sabine Both
Ulrich SCHÖRKEN
Carolin Meyer
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Cognis IP Management GmbH
Original Assignee
Cognis IP Management GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1913145A2 publication Critical patent/EP1913145A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/003—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing enzymes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/0215—Sulfur-containing compounds
    • B01J31/0225—Sulfur-containing compounds comprising sulfonic acid groups or the corresponding salts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/06—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides containing polymers
    • B01J31/08—Ion-exchange resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/62—Carboxylic acid esters

Definitions

  • the present invention is in the field of biotechnology and describes a process for the chemo-enzymatically catalyzed production of fatty acid esters whose alcohol components are aliphatic alcohols having a boiling point between 60 and 120 ° C.
  • esterases especially lipases (EC 3.1.1.3) are already used in industrial processes for lipid cleavage, esterification and transesterification.
  • lipases EC 3.1.1.3
  • biocatalytic methods for synthesis are described, for example, in K. Drauz and H. Waldmann, Enzymes Catalysis in Organic Synthesis, WILEY-VCH, Volumes I to III, 2002; U. T. Bornscheuer, RJ. Kazlauskas in Hydrolases in Organic Synthesis.
  • the technical implementation of biocatalytic processes is described by A. Liese, K. Seelbach and C. Wandrey in Industrial Biotransformations, WILEY-VCH, 2002.
  • alcohols having a boiling point below that of water or forming a low boiling azeotrope with water are difficult to work up.
  • complicated processes such as membrane separation, molecular sieve drying or azeotropic distillation using entrainers must be used, which leads to high process costs.
  • the object of the present invention was thus to provide a method available in which fatty acids with aliphatic alcohols whose boiling point is between 60 and 120 0 C, are esterified, without a complicated drying of the alcohol component must be performed.
  • the process should be cost-efficient and recyclable.
  • the enzymes are said to be only slightly impaired in their stability.
  • the invention relates to a process for the preparation of fatty acid esters, in which
  • step (c) subjecting the pre-esterification product to a second esterification, which is chemically catalysed, by re-adding the same aliphatic alcohol as used in step (a), and (d) re-using the separated hydrous alcohol of step (c) for enzymatic pre-esterification in step (a).
  • water is separated by phase separation.
  • the reaction proceeds in the direction of ester synthesis, the loss of low-boiling alcohol is low.
  • the reaction can be carried out by adding inert solvents, e.g. Hexane, isooctane or n-octane are moved towards ester, so that the loss of low-boiling alcohol can be kept even lower.
  • inert solvents e.g. Hexane, isooctane or n-octane are moved towards ester, so that the loss of low-boiling alcohol can be kept even lower.
  • a complex and energy-intensive workup of the aqueous alcohol coupled to the reaction is no longer necessary with this reaction. This saving represents an economic and ecological advantage. Accordingly, in a preferred embodiment of the method according to the invention of the enzymatic reaction, an inert organic solvent is added.
  • Advantage of the method according to the invention is that it is a chemo-enzymatic process.
  • the fatty acid is esterified with an aliphatic alcohol / water mixture to a partial conversion.
  • the water of reaction can be separated by phase separation from the product mixture. This is possible with mild temperatures and defined water / alcohol / ester compositions.
  • Water separation is improved by adding a solvent such as n-octane in the enzymatic stage.
  • the solvent, unreacted alcohol and non-deposited water are distilled off.
  • the remaining teilum pointede material is then fed to a second esterification stage. This stage is carried out, for example, catalysed acid or tin salt.
  • the pressure should be reduced to 1 bar via a pressure ramp of 5 bar at the beginning of the reaction. Vacuum is applied towards the end of the reaction to separate the product mixture from unreacted aliphatic alcohol.
  • Suitable catalysts are all esterification catalysts, tin-2 compounds, zinc compounds, sulfuric acid, para-toluenesulfonic acid or acidic ion exchangers are preferably used.
  • the reaction time for the chemically catalyzed reaction is only 10 to 12 hours, which is at least 50% lower than for a purely chemically catalyzed reaction without enzymatic pre-esterification.
  • fatty acids carboxylic acids of the general formula R-COOH, where R is a straight or branched chain optionally hydroxy-substituted alkyl or alkenyl radical having 6 to 32 carbon atoms, which contains up to 6 conjugated or non-conjugated double bonds.
  • di- and / or polycarboxylic acids are used as fatty acids with straight-chain or branched, optionally hydroxy-substituted alkyl or alkenyl chains having 2 to 32 C atoms.
  • the fatty acids are selected from the group consisting of caproic, enanthic, caprylic, pelargonic, capric, lauric, lauric, myristic, palmitic, palmitoleic, stearic, petroselinic, petroselaidic, oleic, elaidic, ricinoleic , Linoleic, linoleic, linolenic, levostearic, arachidic, gadoleic, arachidonic, behenic, erucic, brassidic, clupanodonic, lignoceric, cerotic, melissic, eicosapentaenoic, docosahexaenoic, conjugated linoleic, isostearic, 2-ethylhexanoic.
  • the molar ratio used in the process according to the invention between the fatty acid and the aliphatic alcohol deviates only minimally from 1 and is in particular in the range from 0.8 to 1.2, since then the highest yields of the desired product occur.
  • the advertising admixed during the pre- and the post-esterification the principle are those in question, which have a boiling point between 60 and 120 0 C, so, for example, alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol (bp 64 ° C) , ethanol (boiling point of 78 0 C), propanol (boiling point 97 ° C), isopropyl alcohol (boiling point 82 ° C) and 1-butanol (boiling point of 118 0 C), isobutyl alcohol (boiling point 108 0 C), sec-butyl alcohol (boiling point 99 0 C) and tert.
  • alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol (bp 64 ° C) , ethanol (boiling point of 78 0 C), propanol (boiling point 97 ° C), isopropyl alcohol (boiling point 82 ° C) and
  • Butyl alcohol (boiling point 83 0 C).
  • Enzymes used according to the invention are preferably enzymes from the group of esterases and especially lipases which can be used either alone or in combination with a plurality of enzymes.
  • Particularly preferred as enzymes in the sense of biocatalysts are lipases from the organisms mentioned. In particular, the lipase from Candida antarctica B.
  • the enzymes to be used according to the invention can be used in various forms. In principle, all dosage forms of enzymes customary to the person skilled in the art can be used.
  • the enzymes are preferably used in pure form or as a technical enzyme preparation either immobilized on a carrier material and / or in solution, in particular in aqueous solution, and reused in so-called repeated batches.
  • Particularly preferred immobilized enzymes are adsorbed on hydrophobic supports such as polystyrenes, polyacrylamide or polypropylene support.
  • the esterase and especially the lipase is particularly preferably used in a stabilized form which is obtained by chemical modification with crosslinking reagents, in particular glutaraldehyde, or by chemical surface modification, for example with octanal.
  • the reaction conditions of the biocatalytic reaction according to the invention depend on the optimum reaction range of the selected enzymes. In particular, there are conditions in which, inter alia, the reaction temperature between 20 and 70 0 C, preferably a temperature between 35 and 55 ° C, in particular a temperature between 43 and 45 0 C is selected.
  • Example 1 Stage 1, enzymatic pre-esterification:
  • Example 2 Stage 1, enzymatic pre-esterification,
  • Example 3 Stage 1, enzymatic pre-esterification, experimental apparatus: double-jacket 4-neck round bottom flask with stirrer, internal thermometer, heating cryostat, bottom outlet valve.
  • Example 4 Stage 1, enzymatic pre-esterification,
  • Example 5 Stage 1, enzymatic pre-esterification,
  • immobilized enzyme (Immobilisat used in Example 6) are added 11.25 g (49.3 mmol) myristic acid, 3.75 g (62.5 mmol) of isopropyl alcohol and 0.2 g of deionized water and 5 g of octane.
  • the mixture is incubated at 45 ° C. in a sealed Erlenmeyer flask on a shaker. After 4 h and 24 h, a sample is taken and the conversion is determined by acid number measurement. After completion of the reaction, the enzyme immobilizate is filtered off and reused in a new batch under identical conditions. In this form, the experiment is carried out over a period of 115 days.
  • Example 9 Stage 1, enzymatic pre-esterification,
  • Example 11 Stage 1, enzymatic pre-esterification, to 3 g of immobilized enzyme on polypropylene powder (Candida antarctica B lipase, novozymes adsorbed on polypropylene support, enzyme charge 500 mg technical liquid preparation per g carrier, crosslinked by standard methods with glutaraldehyde) 30 g (150 , 0 mmol) of lauric acid, 9.9 g (165.0 mmol) of isopropyl alcohol, 0.5 g of demineralized water and 8.5 g of octane. The mixture is incubated at 45 ° C in a sealed Erlenmeyer flask on a shaker.
  • Example 12 Esterification with Palmitic Acid: Stage 1, Enzymatic Pre-esterification,
  • the isopropyl alcohol is started to be metered. 1.5 kg of isopropyl alcohol 99.9% are added per hour. During the reaction, an isopropyl alcohol / water distillate is continuously obtained. This is driven over the dephlegmator and completely condensed after the dephlegmator and collected. With the pressure reduction, a dephlegmatist temperature reduction is made.
  • the turnover trend is determined by SZ. Therefore, every hour samples are taken for SC determination.
  • the reaction is run for about 8 hours, the final acid number should be less than 2 after this time. Then the reaction is finished.
  • the excess isopropyl alcohol is distilled off (at 200 0 C reactor temperature, 100 0 C dephlegmator temperature, vacuum ramp from 1000 mbar to 500 mbar within 30 min).
  • the entire collected distillate is collected and fed to the enzymatic pre-esterification.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Fettsäureestern, bei dem man (a) Fettsäuren in Gegenwart von Esterasen mit wasserhaltigen aliphatischen Alkoholen mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120°C behandelt und dabei ein Vorveresterungsprodukt herstellt, (b) aus dem Vorveresterungsprodukt Wasser und nicht umgesetzten Alkohol abtrennt, (c) das Vorveresterungsprodukt unter erneuter Zugabe des gleichen aliphatischen Alkohols wie unter Schritt (a) einer zweiten Veresterung unterwirft, die chemisch katalysiert wird, und (d) den abgetrennten wasserhaltigen Alkohol aus Schritt (c) zur enzymatischen Vorveresterung in Stufe (a) erneut einsetzt.

Description

Verfahren zur chemo-enzymatischen Herstellung von Fettsäureestern
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Biotechnologie und beschreibt ein Verfahren zur chemo-enzymatisch katalysierten Herstellung von Fettsäureestern deren Alkoholkomponenten aliphatische Alkohole darstellen mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120 0C.
Stand der Technik
In der chemischen und biochemischen Synthese werden vermehrt Enzyme als Katalysatoren eingesetzt. So werden in vielen Fällen aufgrund der oft milderen Reaktionsbedingungen bereits in großtechnischen Verfahren Esterasen, speziell Lipasen (EC 3.1.1.3) zur Fettspaltung, Veresterung und Umesterung eingesetzt. Diese Enzyme werden von unterschiedlichen Mikroorganismen produziert. Zur Isolierung der Enzyme folgt nach der Fermentation der Mikroorganismen ein aufwendiges Reinigungsverfahren.
Der Effektivität dieser Katalysatoren stehen oftmals die hohen Kosten der Produktion und der Isolierung gegenüber, so dass Forschungsgruppen immer wieder bestrebt sind die Ausbeuten an Enzymen zu erhöhen oder die Produktivität der Enzyme zu steigern.
Geeignete biokatalytische Verfahren zur Synthese sind beispielsweise beschrieben in K. Drauz and H. Waldmann, Enzyme Catalysis in Organic Synthesis, WILEY-VCH , Band I bis III, 2002; U. T. Bornscheuer, RJ. Kazlauskas in Hydrolases in Organic Synthesis. Die techni- sehe Umsetzung biokatalytischer Verfahren wird von A. Liese, K. Seelbach und C. Wandrey in Industrial Biotransformations, WILEY-VCH, 2002 beschrieben.
Enzymatisch katalysierte Veresterungen stellen demnach Stand der Technik dar. Auch der Einsatz von immobilisierten Enzymen mit dem Hintergrund die Kosteneffizienz in einem Verfahren zu steigern, sind Stand der Technik.
Der Nachteil bei biokatalytischen Reaktionen liegt oft in der Verfügbarkeit und Stabilität der am Prozess beteiligten Katalysatoren. Aus dem Stand der Technik sind bereits Enzyme oder Mikroorganismen bekannt, die durch Immobilisierung beispielsweise durch Mikroeinkapse- lung stabilisiert vorliegen und mehrfach Verwendung finden können.
Chemisch katalysierte Veresterungen wie z.B. die saure Katalyse ist ebenfalls Stand der Technik. In diesen Veresterungen wird ein stöchiometrischer Anteil an Wasser freigesetzt, der ent- fernt werden muss, um die Reaktion in Richtung des Esterproduktes zu treiben.
Nachteile der rein chemisch oder rein enzymatisch katalysierten Veresterung von Fettsäuren mit aliphatischen Alkoholen, deren Siedepunkt zwischen 60 und 120 0C liegt, ist die hohe Destillatmenge, die je nach Umsatzgrad unterschiedliche Wasseranteile aufweist. Auch bei den enzymatisch katalysierten Verfahren muss das Wasser bei hohen Umsätzen aus dem Reaktionsgemisch, meist unter Vakuum und höheren Temperaturen entfernt werden, was zu Enzymdesaktivierung führen kann.
Insbesondere Alkohole, die einen Siedepunkt unterhalb dem vom Wasser besitzen oder mit Wasser ein niedrigsiedendes Azeotrop bilden (wie z.B. Ethanol), sind nur schwierig aufzuarbeiten. Hier müssen komplizierte Verfahren wie Membrantrennung, Molekularsiebtrocknung oder Azeotropdestillation unter Verwendung von Schleppmitteln eingesetzt werden, was zu hohen Prozesskosten führt.
Wird nur das rein chemisch katalysierte Verfahren eingesetzt, resultieren zudem lange Reaktorbelegungszeiten. Durch die hohe thermische Belastung, verschlechtert sich die Farbzahl des Produktes erheblich im Vergleich zu enzymatisch katalysierten Veresterungen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat somit darin bestanden, ein Verfahren zur Verfügung zustellen, bei dem Fettsäuren mit aliphatischen Alkoholen, deren Siedepunkt zwischen 60 und 120 0C liegt, verestert werden, ohne das eine aufwendige Trocknung der Alkoholkomponente durchgeführt werden muss. Außerdem soll das Verfahren kosteneffizient und recy- lingfahig sein. Die Enzyme sollen nur geringfügig in ihrer Stabilität beeinträchtigt werden.
Beschreibung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Fettsäureestern, bei dem man
(a) Fettsäuren in Gegenwart von Esterasen mit wasserhaltigen aliphatischen Alkoholen mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120°C behandelt und dabei ein Vorveresterungsprodukt herstellt,
(b) aus dem Vorveresterungsprodukt Wasser und den nicht umgesetzten Alkohol ab- trennt,
(c) das Vorveresterungsprodukt unter erneuter Zugabe des gleichen aliphatischen Alkohols wie unter Schritt (a) einer zweiten Veresterung unterwirft, die chemisch katalysiert wird, und (d) den abgetrennten wasserhaltigen Alkohol aus Schritt (c) zur enzymatischen Vorveresterung in Stufe (a) erneut einsetzt.
In einer weiteren Ausführungsform wird gegebenenfalls während der Vorveresterungsstufe (a) Wasser per Phasenseparation abgetrennt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Aufarbeitung des anfallenden wässrigen Anteils an aliphatischem Alkohol mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120°C, welcher mit Wasser ein niedrigsiedendes Azeotrop bildet, notwendig ist. Der wässrige Alkohol, der in der chemischen Veresterung resultiert, kann problemlos in der enzymatischen Vorveresterung eingesetzt werden, da die Enzyme eine Veresterung bei niedriger Temperatur bis in das Reaktionsgleichgewicht katalysieren, dass weit auf Seite der Ester liegt. Da die Reaktion bei niedrigen Temperaturen durchgeführt wird, fällt kein Destillat an. Nach Beendigung der Vorreaktion wird das Wasser und verbleibender Alkohol abgetrennt und entsorgt. Da die Reaktion weit in Richtung Estersynthese abläuft, ist der Verlust an niedrigsiedendem Alkohol gering. Die Reaktion kann durch Zugabe inerter Lösungsmittel wie z.B. Hexan, Isooktan oder n-Oktan weiter in Richtung Ester verschoben werden, so dass der Verlust an niedrigsiedendem Alkohol so noch geringer gehalten werden kann. Eine an die Reaktion gekoppelte komplizierte und energieintensive Aufarbeitung des wässrigen Alkohols ist mit dieser Reaktion nicht mehr nötig. Diese Einsparung stellt einen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteil dar. Demnach wird in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der enzymatischen Reaktion ein inertes organisches Lösungsmittel beigemischt.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es sich um ein chemo-enzymatisches Verfahren handelt. In einer ersten Stufe wird die Fettsäure mit einem aliphatsichen Alkohol/Wasser Gemisch zu einem Teilumsatz verestert. Nach Beendigung der Reaktion kann das meiste Reaktionswasser per Phasenseparation vom Produktgemisch abgetrennt werden. Das gelingt bei milden Temperaturen und definierten Wasser/ Alkohol/Ester Zusammensetzungen. Verbessert wird die Wasserabscheidung, wenn man in der enzymatischen Stufe ein Lösungsmittel z.B. n-Oktan hinzu gibt. Nach Beendigung der enzymatischen Stufe wird das Lösungsmittel, nicht reagierter Alkohol und nicht abgeschiedenes Wasser abdestilliert. Das verbleibende, teilumgesetze Material wird anschließend einer zweiten Veresterungsstufe zugeführt. Diese Stufe wird z.B. sauer oder Zinnsalz katalysiert durchgeführt. Hierbei wird bis zu 99 - 99,7 % Umsatz verestert. Das anfallende Alkohol/Reaktionswasser Destillat wird gesammelt und vollständig in der ersten, enzymatisch katalysierten Vorveresterungsstufe eingesetzt. Durch die Kombination beider Verfahren und der Wasserabscheidung durch Separation in der enzymatisch katalysierten Stufe handelt es sich um ein äußerst synergistisches Verfahren. Überdies muss betont werden, dass gemäß der erfindungsgemäßen Umsetzung unter nur geringer Variation der Bedingungen eine sehr breite Palette verschiedenster Produkte in besseren Ausbeuten unter schonenderen Bedingungen hergestellt werden kann, als dies gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren möglich ist.
Ein Teil der Bedingungen für die enzymatische Vorveresterung gemäß Schritt (a) lassen sich wie folgt auflisten:
• Einsatz eines Alkohol/Wasser-Gemisches von 0,1 bis 50 % Wasseranteil wobei der reine Alkohol einen Siedepunkt zwischen 60 und 12O0C hat. • Gegebenenfalls der Einsatz eines inerten Lösungsmittels wie beispielsweise n-Oktan zur besseren Wasserabscheidung im Schritt (b) und zur Temperaturerniedrigung der enzymatischen Katalyse
• 1 bis 5-fach molarer Überschuss an aliphatischem Alkohol mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120 °C wobei ein 1,1-facher Überschuss bevorzugt ist. • Temperatur zwischen 20 und 70 °C
• Bevorzugt Normaldruck
Alle weiteren Bedingungen und insbesondere die bevorzugten Bedingungen werden an anderer Stelle in der Beschreibung beschrieben.
Bei der Vorveresterung werden Endumsätze zwischen 50 und 85 % erreicht, je nach Reakti- onsdauer. Diese beträgt je nach Trägermaterial, Anfangswassermenge und verwendete Fettsäure für 80 % Umsatz 8 bis 16 Stunden.
Ein Teil der Bedingungen für die Nachveresterung unter chemisch katalysierten Bedingungen lassen sich wie folgt auflisten: • Einsatz von aliphatischem Alkohol mit mindestens 95% Alkohol-Anteil
• Einsatz des Fettsäure/Fettsäureester/ Alkohol-Gemisches aus der Vorveresterung wobei das gegebenenfalls zugegebene Lösungsmittel und das Azeoptrop aus Wasser und a- liphatischem Alkohol vorher abdestilliert wird
• 1 bis 4-fach molarer Überschuss an aliphatischem Alkohol mit einem Siedepunkt zwi- sehen 60 und 120 0C wobei ein 1-facher Überschuss bevorzugt ist.
• Temperatur zwischen 150 und 250 °C
• Der Druck soll über eine Druckrampe von 5 bar zu Beginn der Reaktion bis auf 1 bar gefahren werden. Gegen Ende der Reaktion wird Vakuum angelegt, um das Produktgemisch vom nicht umgesetzten aliphatischen Alkohol zu trennen. • Als Katalysatoren kommen alle Veresterungskatalysatoren in Betracht, bevorzugt werden Zinn-2-verbindungen, Zinkverbindungen, Schwefelsäure, Para-Toluolsulfonsäure oder Saure Ionenaustauscher eingesetzt. • Die Reaktionsdauer für die chemisch katalysierte Reaktion beträgt nur noch 10 bis 12 Stunden und ist damit im Vergleich zur rein chemisch katalysierten Reaktion ohne en- zymatische Vorveresterung um mindestens 50 % reduziert.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Fettsäuren Carbonsäuren der allgemeinen Formel R-COOH eingesetzt, wobei R ein gerad- oder verzweigtkettiger gegebenenfalls hydroxysubstituierter Alkyl- oder Alkenylrest mit 6 bis 32 C-Atomen darstellt, der bis zu 6 konjugierte oder nicht konjugierte Doppelbindungen enthält.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Fettsäuren Di- und/oder Polycarbonsäuren eingesetzt mit gerad- oder verzweigten, gegebenenfalls hydroxysubstituierten Alkyl- oder Alkenylketten mit 2 bis 32 C-Atomen.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Fettsäuren ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von Capronsäure, Önanthsäure, Caprylsäure, Pelargonsäure, Caprinsäure, Laurinsäure, Lauroleinsäure, Myristinsäure, Myristoleinsäure, Palmitinsäure, Palmitoleinsäure, Stearinsäure, Petroselinsäure, Petroselaidinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, Ricinolsäure, Li- nolsäure, Linolaidinsäure, Linolensäure, Eläostearinsäure, Arachinsäure, Gadoleinsäure, Ara- chidonsäure, Behensäure, Erucasäure, Brassidinsäure, Clupanodonsäure, Lignocerinsäure, Cerotinsäure, Melissinsäure Eicosapentaensäure, Docosahexaensäure, konjugierte Linolsäure, Isostearinsäuren, 2-Ethylhexansäure. Insbesondere bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren sind Myristinsäure, Ölsäure, Laurinsäure und Palmitinsäure.
Vorzugsweise weicht das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Molverhältnis zwi- sehen der Fettsäure und dem aliphatischem Alkohol nur möglichst gering von 1 ab und liegt insbesondere im Bereich von 0,8 bis 1,2, da dann die höchsten Ausbeuten an gewünschtem Produkt auftreten.
Als aliphatische Alkohole, die während der Vor- und der Nachveresterung zugemischt wer- den, kommen grundsätzlich solche in Frage, die einen Siedepunkt zwischen 60 und 120 0C aufweisen, also beispielsweise Alkohole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen wie Methanol (Siedepunkt 64°C), Ethanol (Siedepunkt 78 0C), Propanol (Siedepunkt 97 °C), Isopropylalkohol (Siedepunkt 82 °C) sowie 1-Butanol (Siedepunkt 118 0C), Isobutylalkohol (Siedepunkt 108 0C), sec- Butylalkohol (Siedepunkt 99 0C) und tert. Butylalkohol (Siedepunkt 83 0C). Insbe- sondere bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren sind Alkohole deren Siedepunkt zwischen 60 und 100 0C liegen und besonders bevorzugt ist Isopropylalkohol. Unter den erfindungsgemäß verwendeten Enzymen werden vorzugsweise Enzyme aus der Gruppe der Esterasen und speziell der Lipasen eingesetzt die entweder allein oder in Kombination mit mehreren Enzymen eingesetzt werden können.
Bevorzugt im Sinne der Erfindung sind Esterasen aus Organismen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Thermomyces lanugenosus, Candida antarctica A, Candida antarctica B, Rhizomucor miehei, Candida cylindracea, Rhizopus javanicus, Porcine panc- reas, Aspergillus niger, Candida rugosa, Mucor javanicus, Pseudomonas fluorescens, Rhizopus oryzae, Pseudomonas sp., Chromobacterium viscosum, Fusarium oxysporum und Penici- lium camenberti. Besonders bevorzugt als Enzyme im Sinne der Biokatalysatoren sind Lipa- sen aus den genannten Organismen. Insbesondere die Lipase aus Candida antarctica B.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Enzyme können in unterschiedlichen Formen eingesetzt werden. Prinzipiell sind alle dem Fachmann gebräuchlichen Darreichungsformen von Enzymen anwendbar. Vorzugsweise werden die Enzyme in reiner Form oder als technisches En- zympräparat entweder immobilisiert auf Trägermaterial und/oder in Lösung, insbesondere in wässriger Lösung eingesetzt und in sogenannten "repeated batches" wiederverwendet. Insbesondere bevorzugt sind immobilisierte Enzyme auf hydrophoben Trägern adsorbiert wie beispielsweise Polystyrene, Polyacrylamid oder Polypropylenträger.
Besonders bevorzugt wird die Esterase und speziell die Lipase in einer stabilisierten Form eingesetzt, die durch chemische Modifikation mit Quervernetzungsreagentien insbesondere Glutaraldehyd oder durch chemische Oberflächenmodifizierung z.B. mit Oktanal erhalten wird. Die erfindungsgemäßen Reaktionsbedingungen der biokatalytischen Reaktion richten sich nach dem optimalen Reaktionsbereich der ausgewählten Enzyme. Im Besonderen handelt es sich um Bedingungen bei denen unter anderem die Reaktionstemperatur zwischen 20 und 70 0C, bevorzugt eine Temperatur zwischen 35 und 55 °C, insbesondere eine Temperatur zwischen 43 und 45 0C gewählt wird.
Beispiele
Beispiel 1: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,:
Versuchsapparatur: Doppelmantel 4-Hals Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer,
Heizkryostaten, Bodenablaßventil.
Zu 10 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pellets MP-100 (Candida antarctica B Li- pase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 200 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger) werden 125 g (0,548 mol) Myristinsäure, 62,5 g (1,04 mol) Isopro- pylalkohol und 6,25 g VE- Wasser gegeben und bei 43 0C gerührt. Nach 24 h erhält man einen Umsatz von 55 %. Ab ca. 40 % Umsatz beginnt sich eine schwerere Wasserphase mit maximal 30 % Isopropylalkohol abzuscheiden. Diese wird vom Produktgemisch abgetrennt, so daß die Reaktion wieder begonnen werden kann. Nach weiteren 24 h erhält man einen Endumsatz von 70 %. Dabei hat sich nach 57 % Umsatz eine weitere Wasserphase gebildet. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen I- sopropylalkoholgehalt von 10 %, wenn kein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 2: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Versuchsapparatur: Doppelmantel4-Hals Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer, Heizkryostaten, Bodenablaßventil
Zu 10 g immobilisiertem Enzym Polypropylen Pellets auf MP-100 (Candida antarctica B Li- pase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 200 mg techn. Flüssig- präparation pro g Träger) werden 125 g (0,548 mol) Myristinsäure, 62,5 g (1,04 mol) Isopropylalkohol und 11 g VE- Wasser gegeben und bei 43 0C gerührt. Nach 24 h erhält man einen Umsatz von 55 %. Ab ca. 40 % Umsatz beginnt sich eine schwerere Wasserphase mit maximal 30 % Isopropylalkohol abzuscheiden. Diese wird vom Produktgemisch abgetrennt, so daß die Reaktion wieder begonnen werden kann. Nach weiteren 24 h erhält man einen Endumsatz von 70 %. Dabei hat sich nach 57 % Umsatz eine weitere Wasserphase gebildet. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen I- sopropylalkoholgehalt von 10 %, wenn kein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 3: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung, Versuchsapparatur: Doppelmantel4-Hals Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer, Heizkryostaten, Bodenablaßventil.
Zu 10 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pellets MP-100 (Candida antarctica B Li- pase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 200 mg techn. Flüssig- präparation pro g Träger) werden 125 g (0,548 mol) Myristinsäure, 62,5 g (1,04 mol) Isopro- pylalkohol und 11 g VE- Wasser gegeben und bei 53 0C gerührt. Nach 24 h erhält man einen Umsatz von 55 %. Ab ca. 40 % Umsatz beginnt sich eine schwerere Wasserphase mit maximal 30 % Isopropylalkohol abzuscheiden. Diese wird vom Produktgemisch abgetrennt, so daß die Reaktion wieder begonnen werden kann. Nach weiteren 24 h erhält man einen Endumsatz von 70 %. Dabei hat sich nach 57 % Umsatz eine weitere Wasserphase gebildet. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen I- sopropylalkoholgehalt von 10 %, wenn kein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 4: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Versuchsapparatur: Doppelmantel 4-Hals Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer, Heizkryostaten, Bodenablaßventil
Zu 10 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver MP-1000 (Candida antarctica B Lipase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüs- sigpräparation pro g Träger) werden 125 g (0,548 mol) Myristinsäure, 62,5 g (1,04 mol) I- sopropylalkohol und 3,25 g VE- Wasser gegeben und bei 60 0C gerührt. Nach 8 h erhält man einen Umsatz von 70 %. Ab ca. 60 % Umsatz beginnt sich eine schwerere Wasserphase mit maximal 30 % Isopropylalkohol abzuscheiden. Diese wird vom Produktgemisch abgetrennt, so dass die Reaktion wieder gestartet werden kann. Nach weiteren 4 h erhält man einen End- umsatz von 83 %. Es hat sich eine weitere Wasserphase gebildet. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkohol- gehalt von 10 %, wenn kein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 5: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Versuchsapparatur: Doppelmantel 4-Hals Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer, Heizkryostaten, Bodenablaßventil
Zu 10 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver auf MP-1000 (Candida antarctica B Lipase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüs- sigpräparation pro g Träger) werden 125 g (0,548 mol) Myristinsäure, 62,5 g (1,04 mol) I- sopropylalkohol und 11 g VE- Wasser gegeben und bei 43 0C gerührt. Nach 8 h erhält man einen Umsatz von 70 %. Ab ca. 60 % Umsatz beginnt sich eine schwerere Wasserphase mit maximal 30 % Isopropylalkohol abzuscheiden. Diese wird vom Produktgemisch abgetrennt, so dass die Reaktion wieder gestartet werden kann. Nach weiteren 4 h erhält man einen End- umsatz von 83 %. Es hat sich eine weitere Wasserphase gebildet. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkohol- gehalt von 10 %, wenn kein Lösungsvermittler eingesetzt wird. Beispiel 6: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Zu 2 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver-(Candida antarctica B Lipase, Novo- zymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger, nach Standardmethoden mit Glutaraldehyd quervernetzt) werden 7,5 g (32,9 mmol) Myristinsäure, 2,5 g (41,7 mmol) Isopropylalkohol und 0,2 g VE- Wasser und 10 g Oktan gegeben. Die Mischung wird bei 45 0C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Nach 4 h und 24 h wird eine Probe entnommen und der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Enzymim- mobilisat abfiltriert und in einem neuen Ansatz unter identischen Bedingungen wieder eingesetzt. In dieser Form wird der Versuch über einen Zeitraum von 35 Tagen durchgeführt.
Tabelle 1 : Aktivitätsbestimmung des Enzymimmobilisats
Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%] Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%] (Tage) (nach 4 h) nach 24 h) (Tage) (nach 4 h) nach 24 h)
1 - 79,2 17 81,2 82,1
2 - 77,1 18 81,3 85,7
3 - 76,6 24 77,6 79,6
8 80,4 81,0 28 80,0 81,2
9 82,7 84,7 29 81,3 82,1
10 82,4 81,2 30 78,6 81,7
11 81,6 82,9 31 79,8 82,7
14 82,7 80,2 32 80,0 84,6
15 81,9 82,4 35 83,6
16 80,6 82,8
Über einen Zeitraum von 35 Tagen ist kein Aktivitätsverlust des Enzymimmobilisats zu beobachten. Ohne Entfernung eines Reaktionsproduktes wird ein Umsatz von etwa 80 % erreicht. In jedem Ansatz scheidet sich eine Wasserphase ab, die scharf von der organischen Phase abgegrenzt ist. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkoholgehalt von 3 - 5 %, wenn ein Lösungsvermittler eingesetzt wird. Beispiel 7: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Zu 2 g immobilisiertem Enzym (Immobilisat aus Beispiel 6 weiterverwendet) werden 11,25 g (49,3 mmol) Myristinsäure, 3,75 g (62,5 mmol) Isopropylalkohol und 0,2 g VE- Wasser und 5 g Oktan gegeben. Die Mischung wird bei 45 0C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Nach 4 h und 24 h wird eine Probe entnommen und der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Enzymim- mobilisat abfiltriert und in einem neuen Ansatz unter identischen Bedingungen wieder eingesetzt. In dieser Form wird der Versuch über einen Zeitraum von 115 Tagen durchgeführt.
Tabelle 2: Aktivitätsbestimmung des Enzymimmobilisats - 2. Test
Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%] Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%]
(Tage) (nach 4 h) (nach 24 h) (Tage) (nach 4 h) (nach 24 h)
1 - 80,8 49 50,6 80,0
2 69,6 79,2 50 52,6 79,2
3 67,9 80,3 51 50,2 79,9
4 67,2 78,1 52 52,4 80,0
6 68,6 78,8 53 50,5 79,8
7 66,4 74,5 56 53,3 79,5
9 68,5 78,9 57 49,0 79,6
10 69,1 78,7 65 48,5 79,1
11 68,5 78,7 66 50,8 80,2
14 66,6 79,9 67 49,6 79,3
15 66,6 79,9 70 47,2 79,4
16 67,3 80,1 71 48,4 79,4
17 66,1 79,1 72 44,7 78,9
21 65,0 79,1 74 45,3 79,0
22 65,2 79,5 78 48,7 79,2
23 63,9 79,4 85 42,0 79,0
24 64,6 79,2 86 41,3 79,3
25 62,9 79,4 87 38,6 79,1
28 63,5 79,9 91 44,1 79,6
29 62,0 79,9 92 41,5 79,4
30 60,2 79,5 93 40,9 78,9 31 61,9 78,6 94 39,2 78,9
32 61,3 76,5 95 41,1 79,7
36 57,4 79,5 98 38,3 79,9
37 60,5 81,2 99 38,2 78,7
43 49,8 79,2 100 38,1 78,8
44 55,5 79,7 101 34,7 79,2
45 54,4 79,2 113 33,1 79,0
46 55,5 79,6 115 36,2 78,2
Über einen Zeitraum von 115 Tagen ist ein Aktivitätsverlust des Enzymimmobilisats von etwa 50 % zu beobachten, die Halbwertszeit des immobilisierten Enzyms unter den obigen Reaktionsbedingungen liegt bei 100 - 120 Tagen. Ohne Entfernung eines Reaktionsproduktes wird ein Umsatz von etwa 80 % erreicht. In jedem Ansatz scheidet sich eine Wasserphase ab, die scharf von der organischen Phase abgegrenzt ist. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkoholgehalt von 3 - 5 %, wenn ein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 8 Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,:
Zu 2 g immobilisiertem Enzym (aus Beispiel 7, neu beladen mit Candida antarctica B Lipase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 1100 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger, nach Standardmethoden mit Glutaraldehyd quervernetzt) werden 11,25 g (49,3 mmol) Myristinsäure, 3,75 g (62,5 mmol) Isopropylalkohol und 0,2 g VE- Wasser und 5 g Oktan gegeben. Die Mischung wird bei 45 0C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Nach 4 h und 24 h wird eine Probe entnommen und der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Enzymim- mobilisat abfiltriert und in einem neuen Ansatz unter identischen Bedingungen wieder eingesetzt. In dieser Form wird der Versuch über einen Zeitraum von 68 Tagen durchgeführt.
Tabelle 3: Aktivitätsbestimmung des Enzymimmobilisats - 3. Test
Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%] Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%]
(Tage) (nach 4 h) nach 24 h) (Tage) (nach 4 h) nach 24 h)
1 79,5 80,7 44 80,0 79,8
2 78,0 79,4 45 80,5 79,9
3 79,1 82,9 46 79,6 79,6
4 78,5 79,9 64 79,7 80,1
5 79,2 79,9 65 80,4 80,1
8 78,7 79,6 67 79,5 80,4
9 78,5 79,8 68 79,9 -
43 80,0 80,0
Über einen Zeitraum von 68 Tagen ist kein Aktivitätsverlust des Enzymimmobilisats zu beobachten. Ohne Entfernung eines Reaktionsproduktes wird ein Umsatz von etwa 80 % erreicht. In jedem Ansatz scheidet sich eine Wasserphase ab, die scharf von der organischen Phase abgegrenzt ist. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkoholgehalt von 3 - 5 %, wenn ein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 9: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Zu 5 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver-(Candida antarctica B Lipase, Novo- zymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger) werden 37,5 g (164,5 mmol) Myristinsäure, 10,5 g (175,0 mmol) Isopropylal- kohol und 2,0 g VE- Wasser und 50 g Hexan gegeben. Die Mischung wird bei 35 0C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Nach 5 h und 22 h wird eine Probe entnommen und der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Enzymimmobilisat abfiltriert und in einem neuen Ansatz unter identischen Bedingungen wieder eingesetzt. In dieser Form wird der Versuch über einen Zeitraum von 77 Tagen durchgeführt. Tabelle 4: Aktivitätsbestimmung des Enzymimmobilisats - 4. Test
Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%] Reaktion Umsatz [%] Umsatz [%]
(Tage) (nach 5 h) nach 22 h) (Tage) (nach 5 h) nach 22 h)
1 61,2 72,8 46 33,7 77,4
4 51,2 80,6 47 28,3 76,7
5 42,8 82,1 48 29,5 78,8
6 40,7 78,4 49 31,4 76,4
12 47,3 83,3 50 26,7 85,1
13 39,0 82,3 53 21,4 74,1
14 43,4 82,4 54 23,8 73,5
15 82,2 55 23,2 68,8
18 39,8 80,7 56 22,3 68,1
19 37,6 81,9 57 20,7
26 30,9 81,3 62 25,0 68,8
27 30,9 80,6 63 21,3 66,2
28 36,3 80,9 64 18,7 -
29 23,7 83,1 67 15,9 60,7
32 19,8 78,0 68 10,4 54,5
33 30,6 79,9 69 16,9 57,3
34 30,0 79,6 70 14,8 56,2
35 28,0 79,4 74 15,6 55,4
39 16,1 77,3 75 13,3 52,7
40 18,2 81,9 76 10,7 51,8
41 30,0 79,5 77 11,7 -
Eine Deaktivierung des Enzymimmobilisats ist unter obigen Bedingungen zu beobachten, die einer Halbwertszeit des Enzyms von etwa 30 Tagen entspricht. Ohne Entfernung eines Reak- tionsproduktes wird ein Umsatz von etwa 80 % erreicht. In jedem Ansatz scheidet sich eine Wasserphase ab, die scharf von der organischen Phase abgegrenzt ist. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalko- holgehalt von 3 - 5 %, wenn ein Lösungsvermittler eingesetzt wird. Beispiel 10: Veresterung mit Laurinsäure: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung, Versuchsapparatur: Doppelmantel 4-Hals Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer, Heizkryostaten, Bodenablaßventil
Zu 10 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pellets-auf MP-100 (Candida antarctica B Lipase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 200 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger) werden 125 g (0,625 mol) Laurinsäure, 62,5 g (1,04 mol) Isopro- pylalkohol und 11 g VE- Wasser gegeben und bei 43 0C gerührt. Nach 24 h erhält man einen Umsatz von 55 %. Ab ca. 40 % Umsatz beginnt sich eine schwerere Wasserphase mit maximal 30 % Isopropylalkohol abzuscheiden. Diese wird vom Produktgemisch abgetrennt, so daß die Reaktion wieder begonnen werden kann. Nach weiteren 24 h erhält man einen Endumsatz von 71 %. Dabei hat sich nach 57 % Umsatz eine weitere Wasserphase gebildet.
Beispiel 11: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung, Zu 3 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver-(Candida antarctica B Lipase, Novozymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger, nach Standardmethoden mit Glutaraldehyd quervernetzt) werden 30 g (150,0 mmol) Laurinsäure, 9,9 g (165,0 mmol) Isopropylalkohol, 0,5 g VE- Wasser und 8,5 g Oktan gegeben. Die Mischung wird bei 45 °C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Nach 5 h und 24 h wird eine Probe entnommen und der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Enzymimmobilisat abfiltriert und in einem neuen Ansatz unter identischen Bedingungen wieder eingesetzt. In dieser Form wird der Versuch über einen Zeitraum von 9 Tagen durchgeführt.
Tabelle 5: Aktivitätsbestimmung des Enzymimmobilisats - 5. Test
Über einen Zeitraum von 9 Tagen ist ein Aktivitätsverlust des Enzymimmobilisats von etwa 10 % zu beobachten. Ohne Entfernung eines Reaktionsproduktes wird ein Umsatz von etwa 75 % erreicht. In jedem Ansatz scheidet sich eine Wasserphase ab, die scharf von der organischen Phase abgegrenzt ist. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkoholgehalt von 3 - 5 %, wenn ein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 12: Veresterung mit Palmitinsäure: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Zu 3 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver-(Candida antarctica B Lipase, Novo- zymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger, nach Standardmethoden mit Glutaraldehyd quervernetzt) werden 30 g (117,2 mmol) Palmitinsäure, 7,7 g (128,3 mmol) Isopropylalkohol, 0,5 g VE- Wasser und 8,5 g Oktan gegeben. Die Mischung wird bei 45 0C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Nach 5 h und 24 h wird eine Probe entnommen und der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Enzymimmobilisat abfiltriert und in einem neuen Ansatz unter identischen Bedingungen wieder eingesetzt. In dieser Form wird der Versuch über einen Zeitraum von 9 Tagen durchgeführt.
Tabelle 6: Aktivitätsbestimmung des Enzymimmobilisats - 6. Test
Über einen Zeitraum von 9 Tagen ist kein Aktivitätsverlust des Enzymimmobilisats zu beobachten. Ohne Entfernung eines Reaktionsproduktes wird ein Umsatz von etwa 78 % erreicht. In jedem Ansatz scheidet sich eine Wasserphase ab, die scharf von der organischen Phase abgegrenzt ist. Untersuchungen zur Zusammensetzung der Wasserphase zeigen typischerweise einen maximalen Isopropylalkoholgehalt von 3 - 5 %, wenn ein Lösungsvermittler eingesetzt wird.
Beispiel 13: Veresterung mit Ölsäure: Stufe 1, enzymatische Vorveresterung,
Zu 7 g immobilisiertem Enzym auf Polypropylen Pulver-(Candida antarctica B Lipase, Novo- zymes auf Polypropylenträger adsorbiert, Enzymbeladung 500 mg techn. Flüssigpräparation pro g Träger, nach Standardmethoden mit Glutaraldehyd quervernetzt) werden 110,0 g (390,1 mmol) Ölsäure, 26,0 g (433,3 mmol) Isopropylalkohol und 1,0 g VE- Wasser gegeben. Die Mischung wird bei 60 0C in einem verschlossenen Erlenmeyerkolben auf einem Schüttler inkubiert. Der Umsatz wird über Säurezahlmessung bestimmt.
Tabelle 7: Umsatzbestimmung bei der Reaktion Ölsäure mit Isopropylalkohol
Beispiel 14: Stufe 2, chemisch katalysierte Umsetzung,
In den Reaktioskessel werden 100 kg vorverestertes Gemisch IPM, IPA, Oktan, Myristinsäure dosiert. Das Gemisch wird unter Rühren und unter einem leichten Stickstoffstrom (4 l/h) auf 225 0C geheizt. Dabei wird das anfallende Destillat über einen Dephlegmator (Tsoll = 1300C) gesammelt und bilanziert. Das Destillat wird nach Beendigung der Reaktion in die enzymatische Vorveresterung eingesetzt. Wenn die Temperatur erreicht ist, wird zunächst ein Druck von 5 bar eingestellt. Anschließend wird der Katalysator 200 g Zinn-2-Verbindung eingezogen. Nach Katalysatoreindosierung wird eine Druckrampe von 5 bar auf 1 bar gefahren, wobei der Druck pro Stunde um ein bar gesenkt wird. Bei 5 bar Druck wird begonnen den Isopropylalkohol zu zudosieren. Pro Stunde werden 1,5 kg Isopropylalkohol 99,9 % zudosiert. Während der Reaktion wird kontinuierlich ein Isopro- pylalkohol/Wasser Destillat erhalten. Dieses wird über den Dephlegmator gefahren und nach dem Dephlegmator totalkondensiert und aufgefangen. Mit der Druckabsenkung wird eine Dephlegmatortemperatur-Senkung vorgenommen.
Tabelle 8: Druck und Temperatur während der Reaktion
Der Umsatzverlauf wird per SZ bestimmt. Daher wird jede Stunde Proben zur SZ- Bestimmung gezogen. Die Reaktion wird ca. 8 h gefahren, die Endsäurezahl sollte nach dieser Zeit kleiner 2 sein. Dann ist die Reaktion beendet. Der überschüssige Isopropylalkohol wird abdestilliert (bei 200 0C Reaktortemperatur, 100 0C Dephlegmator-Temperatur, Vakuumrampe von 1000 mbar auf 500 mbar innerhalb 30 min). Das gesamte gesammelte Destillat wird aufgefangen und der enzymatischen Vor- Veresterung zugeführt.
Tabelle 9: Umsatzkontrolle
Nach Beendigung der Reaktion wird der überschüssige Isopropylalkohol abdestilliert (bei 200
0C Reaktortemperatur, 100 0C Dephlegmator-Temperatur, Vakuumrampe von 1000 mbar auf
500 mbar innnerhalb 30 min). Das gesamte gesammelte Destillat wird aufgefangen und der enzymatischen Vor- Veresterung zugeführt.
Eine Analyse des Destillats ergab, folgende Zusammensetzung:
5 % Wasser
94 % IPA
1 % Fettsäure, IP-Ester Gemisch

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Fettsäureestern, bei dem man (a) Fettsäuren in Gegenwart von Esterasen mit wasserhaltigen aliphatischen Alkoholen mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120°C behandelt und dabei ein Vorveresterungsprodukt herstellt,
(b) aus dem Vorveresterungsprodukt Wasser und nicht umgesetzten Alkohol abtrennt,
(c) das Vorveresterungsprodukt unter erneuter Zugabe des gleichen aliphatischen Alko- hols wie unter Schritt (a) einer zweiten Veresterung unterwirft, die chemisch katalysiert wird, und
(d) den abgetrennten wasserhaltigen Alkohol aus Schritt (c) zur enzymatischen Vorveresterung in Stufe (a) erneut einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass als Fettsäuren Carbonsäuren der allgemeinen Formel R-COOH eingesetzt werden, wobei R ein gerad- oder verzweigtkettiger gegebenenfalls hydroxysubstituierter Alkyl- oder Alkenylrest mit 6 bis 32 C-Atomen darstellt, der bis zu 6 konjugierte oder nicht konjugierte Doppelbindungen enthält.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fett- säuren ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Capronsäure, Önanthsäu- re, Caprylsäure, Pelargonsäure, Caprinsäure, Laurinsäure, Lauroleinsäure, Myristinsäu- re, Myristoleinsäure, Palmitinsäure, Palmitoleinsäure, Stearinsäure, Petroselinsäure, Petroselaidinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, Ricinolsäure, Linolsäure, Linolaidinsäure, Linolensäure, Eläostearinsäure, Arachinsäure, Gadoleinsäure, Arachidonsäure, Behensäu- re, Erucasäure, Brassidinsäure, Clupanodonsäure, Lignocerinsäure, Cerotinsäure, Melis- sinsäure, Eicosapentaensäure, Docosahexaensäure, konjugierte Linolsäure, Isostearinsäuren, 2-Ethylhexansäure.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass als Fettsäuren Di- und/oder Polycarbonsäuren eingesetzt werden mit gerad- oder verzweigten, ge- gebenenfalls hydroxysubstituierten Alkyl- oder Alkenylketten mit 2 bis 32 C-Atomen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein 1 bis 5- fach molarer Überschuss an aliphatischem Alkohol mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120 0C bei der Vorveresterung gemäß Schritt (a) vorliegt und ein 1 bis 4 fach molarer Überschuss an aliphatischem Alkohol mit einem Siedepunkt zwischen 60 und 120 0C bei der Nachveresterung gemäß Schritt (d) vorliegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aliphati- schen Alkohole ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Methanol, Etha- nol, Propanol, Isopropylalkohol, 1-Butanol; Isobutylalkohol, sec- Butylalkohol und tert. Butylalkohol.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aliphati- sche Alkohol Isopropylalkohol darstellt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man im Teilschritt (a) Esterasen in freier oder immobilisierter Form einsetzt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Esterasen aus Organismen stammen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von
Thermomyces lanugenosus, Candida antarctica A, Candida antarctica B, Rhizomucor miehei, Candida cylindracea, Rhizopus javanicus, P ordne pancreas, Aspergillus niger, Candida rugosa, Mucor javanicus, Pseudomonas fluorescens, Rhizopus oryzae, Pseudomonas sp., Chromobacterium viscosum, Fusarium oxysporum und Penicilium camen- berti..
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Esterasen um Lipasen handelt.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lipase Candida antarctica in immobilisierter Form einsetzt.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der enzymatischen Reaktion inerte organische Lösungsmittel beigemischt werden.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemisch katalysierten Nachveresterung gemäß Schritt (c) Katalysatoren verwendet werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Zinn-2- Verbindungen, Zinkverbindungen, Schwefelsäure, Para-Toluolsulfonsäure und saure Ionenaustauscher.
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