ES2930162T3 - Método para producir metionina - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un método para producir metionina o sales o derivados de la misma a partir de cianuro de hidrógeno (HCN), comprendiendo el método una etapa de producción de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), o una mezcla de productos crudos que comprende MMP-CN, poniendo en contacto una mezcla de gases de proceso de cianuro de hidrógeno (HCN) preparada según el proceso de Andrussow a partir de metano, amoníaco y oxígeno, con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP), donde la mezcla de gases de proceso de HCN se obtiene a partir del proceso de HCN crudo mezcla de gas ajustando la cantidad de amoníaco entre el 20 % (v/v) y el 60 % (v/v) de la cantidad de amoníaco en la mezcla de gas de proceso de HCN crudo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método para producir metionina
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para producir 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) a partir de 3 (metiltio)propanal (= metilmercaptopropionaldehído, MMP) y cianuro de hidrógeno que contiene amoníaco (ácido cianhídrico, HCN); y a un procedimiento para producir metionina a partir del MMP-CN así obtenido.
Antecedentes de la invención
El 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) es un intermedio en la preparación de metionina y derivados de metionina, tales como el análogo hidroxilado de metionina (MHA) y la metionilmetionina (Met-Met).
La metionina es un aminoácido esencial que se usa, entre otros, como suplemento en los piensos.
En muchos métodos comunes, la metionina se produce como un racemato, una mezcla de los enantiómeros D y L, en una ruta química de múltiples etapas, por ejemplo a través de la llamada ruta de la hidantoína a partir de acroleína, metilmercaptano, cianuro de hidrógeno y amoníaco y dióxido de carbono.
La segunda etapa, la síntesis de 5-(2-metilmercaptoetil)hidantoína (hidantoína), se puede realizar directamente a partir de MMP, HCN, amoníaco y CO2 , o alternativamente en dos etapas a través de la formación del precursor de cianohidrina MMP-CN:
El documento EP 0780370 A2 describe un método para preparar metionina, en el que MMP, HCN, amoníaco y dióxido de carbono reaccionan para dar un precursor de metionina, hidantoína (síntesis directa de hidantoína). La relación molar de amoníaco a MMP puede estar entre 1,2 y 6 en este caso, y la relación molar de amoníaco a dióxido de carbono es 1,2 a 4,0. Según este método, el MMP se convierte en hidantoína con un rendimiento prácticamente cuantitativo. La hidantoína así preparada se escinde después para formar una sal de metionina. El amoníaco y el dióxido de carbono formados por la escisión pueden reciclarse en el procedimiento.
Los documentos JP 2003104959 A y JP 2003104960 A describen un método similar para hacer reaccionar MMP con HCN, NH3 y CO2 para dar hidantoína. Aquí, las relaciones molares de amoníaco a MMP y CO2 a MMP pueden tener valores en cada caso de 1,5 a 2,5.
Las solicitudes previas GB 936664 A y GB 1108926 A también describen un método para hacer reaccionar MMP con HCN, NH3 y CO2 dar hidantoína al hacer reaccionar aldehídos o cetonas con una cantidad equimolar o en exceso de CO2 y un exceso de amoníaco en medio acuoso.
Los documentos WO2012/113664 A1 y WO 2012/113665 A1 describen un método para preparar MMP-CN a partir de MMP y HCN, la primera etapa de la ruta de dos etapas a la hidantoína mencionada anteriormente.
Para producir el material de partida de ácido cianhídrico (HCN), los procedimientos más usados en la práctica industrial son el procedimiento de Andrussow (documento DE 102007034715A1 y Chemie-Ing.-Techn., 1953, No. 12, págs. 697 701) y el procedimiento BMA (Blausaure [ácido cianhídrico] a partir de Metano y Amoníaco, documento DE1041476 y Chemie-Ing.-Techn., 1958, No. 5, págs. 305-310 [1]). Mientras que en el procedimiento reductor BMA el metano y el amoníaco se convierten en ácido cianhídrico, el procedimiento oxidante de Andrussow parte de metano, amoníaco y oxígeno. Ambos métodos se describen con más detalle en “Handbook of Heterogeneous Catalysis”, editor: G. Ertl. et al, segunda edición, Vol. 5, Capítulo 12.3 “Hydrocyanic Acid (HCN) Production” 2592-2609 [2 ] y en Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, “Cyano Compounds, Inorganic”, publicado en línea el 15.10.2011, DOI: 10.1002/14356007.a08_159.pub3 [3].
Tanto el procedimiento de Andrussow como el BMA transcurren con una conversión incompleta basada en amoníaco. La corriente de gas bruto de HCN que sale del reactor comprende por tanto proporciones de amoníaco en ambos casos. La Tabla 1 resume los contenidos típicos de HCN y amoníaco (en % por volumen) para esta mezcla de productos gaseosos directamente después de la reacción de HCN.
Tabla 1
La relación molar NH3/HCN (mol/mol) presentada en la Tabla 1 surge debido a la Ley de Avogadro a partir de las concentraciones correspondientes de amoníaco y ácido cianhídrico en % en volumen:
NH3/HCN (mol/mol) = [NH3 (% en volumen) en la mezcla de producto]/[HCN (% en volumen) en la mezcla de producto]
La mezcla de productos gaseosos directamente después de la síntesis de HCN según el procedimiento de Andrussow comprende, además de HCN y amoníaco, especialmente agua, pero también metano, nitrógeno, hidrógeno, CO y CO2 y otros constituyentes. Una composición típica de una corriente de gas bruto de HCN preparada según el procedimiento de Andrussow es: HCN: 7,6% por volumen, NH3 : 2,3% en volumen, y H2O: 23,1% en volumen [3]. Los rendimientos típicos en la formación de ácido cianhídrico, a base de amoníaco, son alrededor de 63%.
La mezcla de gas de HCN bruto normalmente está a temperaturas de más de 1000°C directamente después de la preparación mediante el procedimiento de Andrussow, y se enfría inmediatamente. El amoníaco presente en la corriente de gas de HCN bruto se elimina inmediatamente en todos los procedimientos habituales, por ejemplo mediante lavado con ácido sulfúrico diluido. De este modo, se forma sulfato de amonio.
La eliminación del amoníaco generalmente se considera necesaria para evitar la polimerización exotérmica autocatalítica del ácido cianhídrico, que ocurre particularmente a pH elevado y en transiciones de fase tales como en la licuefacción de HCN.
Según Chemie-Ing.-Techn., 1953, No. 12, págs. 697-701, alrededor del 60% del amoníaco usado se convierte en ácido cianhídrico en el procedimiento de Andrussow, el 10% se pierde a través de los gases de escape, y el 30% se une como sulfato de amonio en el lavado ácido con ácido sulfúrico.
Como se muestra anteriormente, el procedimiento de HCN de Andrussow tradicionalmente da como resultado una carga obligatoria de sulfato de amonio, que tiene que ser procesada, manipulada logísticamente y comercializada. Para la producción de metionina, la cantidad de sulfato de amonio procedente de la producción de HCN asciende típicamente a 50 hasta 200 kg de sulfato de amonio por tonelada de metionina.
El problema de la inevitable formación de sulfato de amonio y la pérdida de NH3 usado se ha abordado, por ejemplo, en la solicitud de patente publicada recientemente WO 2018/114640 A1. Dicha solicitud de patente proporciona un enfoque para una síntesis de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) libre de sulfato de amonio a partir de MMP y ácido cianhídrico gaseoso que no se ha liberado de amoníaco. En este procedimiento, el gas de procedimiento de HCN bruto se hace pasar directamente del reactor de HCN al absorbedor del reactivo MMP-CN, en el que el gas de HCN bruto reacciona con MMP para formar MMP-CN. En este procedimiento, el amoniaco se une químicamente en forma de los amino derivados 2-amino-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-AN) y 2,2’-bis(2-(metilmercaptoetil)iminodiacetonitrilo (iminodinitrilo), los cuales pueden convertirse después en 5-(2-metilmercaptoetil)hidantoína, un intermediario de la síntesis de metionina.
Sin embargo, la omisión de la etapa de lavado con amoníaco propuesta por el documento WO 2018/114640 A1 al mismo tiempo elimina la reducción del contenido de agua previo a la síntesis de MMP-CN, conduciendo a una mezcla bifásica en los tanques de almacenamiento y/o en el absorbedor del reactivo. En este caso, la relación volumétrica de la capa acuosa a la capa orgánica de MMP-CN (que es más densa) está entre 1:2 y 1:6.
Dado que la capa acuosa todavía contiene material orgánico, es decir, producto, no puede eliminarse y desecharse simplemente. Su eliminación, por un lado, conduce a la pérdida de materia prima y mayores costes de producción, y, por otro lado, requiere un alto esfuerzo en el tratamiento biológico de aguas residuales. El reprocesamiento de la capa acuosa requiere procedimientos y aparatos/equipos complejos.
En vista de lo anterior, quedaba la necesidad de proporcionar nuevos procedimientos o métodos para la producción de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) en los que, por un lado, la cantidad de sulfato de amonio obtenido como subproducto se reduce significativamente en comparación con los procedimientos convencionales de MMP-CN que aplican lavado con amoníaco; y en los que, por otro lado, se pueden evitar las mezclas bifásicas como las que se producen en los procedimientos de MMP-CN sin sulfato de amonio.
Además, y particularmente en vista de los requisitos económicos, era particularmente deseable un procedimiento para preparar MMP-CN que proporcionara flexibilidad con respecto a la formación de sulfato de amonio por tonelada de metionina.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere a un método para producir 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), comprendiendo el método poner en contacto una mezcla de gas de procedimiento de cianuro de hidrógeno (HCN), preparada según el procedimiento de Andrussow a partir de metano, amoníaco y oxígeno, con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP), caracterizándose el método por que la mezcla de gas de procedimiento de HCN se obtiene a partir de la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto ajustando la cantidad de amoníaco a entre 20% (v/v) y 60% (v/v) de la cantidad del amoníaco en la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 representa un sistema de planta para la producción de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN).
Números/letras de referencia y explicaciones:
A reactor de HCN de Andrussow
B depurador de amoníaco
C separador de HCN
D absorbedor de reactivo
(1 ) corriente de alimentación de metano
(2 ) corriente de alimentación de amoníaco
(3) corriente de gas de HCN bruto de Andrussow
(4) corriente de derivación
(5) corriente de sulfato de amonio bruto
(6) corriente de reciclaje de HCN extraído
(7) mezcla de productos de sulfato de amonio
(8) corriente de alimentación de ácido sulfúrico
(9) corriente de gas de HCN ajustado de amoníaco
(10) corriente de alimentación de MMP
(11) gases de escape
(12) mezcla de productos de MMP-CN
(aire) corriente de alimentación de aire
La unidad de ajuste de amoníaco está marcada con líneas de puntos.
La Figura 2 muestra el depurador de amoníaco como en la Figura 1 con múltiples opciones para la posición de alimentación de ácido sulfúrico. Los números/letras de referencia y las explicaciones son idénticos a los de la Figura 1.
Figura 3: Resultados experimentales y aproximación lineal del contenido máximo de agua miscible en MMP-cianohidrina en función de la relación molar de NH3 a HCN a 10 y 30°C.
Figura 4: Concentración calculada de agua y amoníaco en la corriente de gas de cianuro de hidrógeno después de la etapa de ajuste (9) para la corriente de gas de reacción de cianuro de hidrógeno bruto estándar de una etapa de reacción de Andrussow en función de la relación de ajuste de amoníaco.
Descripción detallada de la invención
Los presentes inventores han encontrado inesperadamente un nuevo método para producir 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) que proporciona flexibilidad para ajustar la producción de sulfato de amonio en el procedimiento de MMP-CN, con lo que se pueden evitar los problemas antes mencionados de los procedimientos del estado de la técnica, tal como la formación de mezclas bifásicas en tanques de almacenamiento y/o absorbedores de reactivo.
En consecuencia, la presente invención proporciona un método para producir 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), comprendiendo el método poner en contacto una mezcla de gas de procedimiento de cianuro de hidrógeno (HCN), preparada según el procedimiento de Andrussow a partir de metano, amoníaco y oxígeno, con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP), caracterizándose el método por que la mezcla de gas de procedimiento de HCN se obtiene a partir de la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto ajustando la cantidad de amoníaco a entre 20% (v/v) y 60% (v/v) de la cantidad de amoníaco en la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto.
Como se usa en el contexto de la presente invención, la expresión “mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto” debe entenderse como una mezcla de gas de HCN obtenida a partir de la síntesis de HCN de Andrussow.
Para obtener una mezcla de gas de procedimiento que tenga un contenido de amoníaco reducido con respecto a la mezcla de gas de HCN bruto, el amoníaco contenido en la mezcla de gas de HCN bruto se elimina parcialmente. Esta eliminación parcial de amoníaco se realiza mediante una etapa de ajuste de amoníaco. En dicha etapa de ajuste de amoníaco, el amoníaco del gas de HCN bruto se elimina parcialmente hasta una porción ajustable.
El ajuste de amoníaco se logra sometiendo solo una parte del gas de HCN bruto a lavado con amoníaco, y recombinando el gas de HCN libre de amoníaco y el gas de HCN bruto restante. Para el lavado con amoníaco, la mezcla de gases se lava con ácido sulfúrico. En una realización específica, la mezcla de gases se lava con ácido sulfúrico diluido.
Las expresiones “eliminación parcial de amoníaco”, “agotamiento de amoníaco” y “ajuste de amoníaco” se usan indistintamente en este texto, y tienen un significado similar. La expresión “mezcla de gas de HCN ajustado de amoníaco” se usará en lo siguiente para la mezcla de gas obtenida a partir del gas de procedimiento de HCN bruto mediante la eliminación parcial de amoníaco. Las realizaciones específicas de la etapa de ajuste de amoníaco se describirán en detalle a continuación.
La mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto, después de la producción según Andrussow, normalmente se encuentra a temperaturas de >1000°C, y por lo tanto se enfría inmediatamente para evitar la descomposición del cianuro de hidrógeno. Este enfriamiento de la mezcla de gas que contiene HCN antes de la etapa de ajuste de amoníaco se puede realizar, por ejemplo, mediante uno o más intercambiadores de calor conectados en serie. En este caso, la energía se puede extraer de forma escalonada o continua de la mezcla de gas de HCN bruto, y opcionalmente
se puede usar adicionalmente en otro punto del procedimiento o externamente. La temperatura de la corriente de gas que contiene HCN directamente antes del ajuste de amoníaco puede ser de 0 a 800°C, de 10 a 500°C, o de 20 a 300°C.
La temperatura mantenida durante el ajuste de amoníaco y/o el lavado con amoníaco puede ser de 15°C a 70°C, de 25°C a 55°C, o de 30°C a 50°C.
La temperatura aplicada para poner en contacto una mezcla de gas que comprende HCN y amoníaco con MMP puede ser de 0 a 300°C, de 0 a 100°C, o de 0 a 80°C.
La puesta en contacto de la mezcla de gas de HCN ajustado de amoníaco con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP) se puede realizar de diferentes maneras. Por ejemplo, la mezcla de gas que comprende (HCN) y amoníaco se puede absorber por MMP líquido. La puesta en contacto de la mezcla de gas de HCN ajustado de amoníaco con MMP líquido se puede llevar a cabo en una torre de absorción u otro aparato adecuado para este fin, en el que sea posible un mezclamiento eficaz de los constituyentes gaseosos y líquidos, y en el que se puede lograr la conversión relativamente rápida de MMP y HCN a MMP-CN. Otras realizaciones posibles incluyen un reactor agitado, un reactor de bucle, o una cascada de dichos reactores conectados en serie.
La mezcla de gas de HCN ajustado de amoníaco y el MMP líquido se ponen en contacto preferentemente entre sí en contracorriente. En el caso de que se use una torre de absorción, la mezcla de gas que comprende HCN y amoníaco se introduce preferiblemente en la sección inferior de dicha torre de absorción, mientras que el MMP líquido se introduce en la parte superior de esta torre.
Después de poner en contacto el amoníaco, ajustado como una mezcla que comprende cianuro de hidrógeno (HCN) y amoníaco, con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP), se obtiene una mezcla de productos que comprende MMP-CN y los amino derivados correspondientes 2-amino-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-AN) y 2,2’-bis(2-(metilmercaptoetil)iminodiacetonitrilo (iminodinitrilo).
Esta mezcla de productos que comprende MMP-CN se puede separar en una mezcla gaseosa y una mezcla líquida. La mezcla gaseosa (gas de escape), que comprende nitrógeno, hidrógeno y/o metano, se purifica después opcionalmente. Puede utilizarse como gas combustible para obtener energía o para obtener constituyentes individuales, por ejemplo hidrógeno.
La mezcla líquida, que comprende MMP-CN, puede purificarse o usarse directamente en etapas posteriores como se describe más abajo.
Por razones logísticas y de tecnología del procedimiento, puede ser ventajoso o necesario no convertir una mezcla que comprenda MMP-CN en etapas posteriores del procedimiento, por ejemplo de la síntesis de metionina, directamente después de su preparación, sino más bien retardada, tras un almacenamiento intermedio. En este caso, es importante que el producto intermedio de MMP-CN sea estable durante un período relativamente largo, es decir, que pueda almacenarse sin una descomposición considerable de la cianohidrina.
Por lo tanto, el método según la invención puede comprender además una etapa de procedimiento adicional, en la que la mezcla de productos que comprende MMP-CN se almacena a temperaturas no mayores que 60°C, preferiblemente no mayores que 40°C, particularmente de forma preferible no mayores que 20°C, y a un pH de 2 a 8, preferiblemente 4 a 7, antes de que esta mezcla de productos siga reaccionando.
El etapa de ajuste de amoníaco antes mencionada para eliminar parcialmente el amoníaco de la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto se puede realizar usando un depurador de amoníaco equipado con una corriente de derivación.
La Fig. 1 representa un sistema de planta para la producción de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN). El sistema de planta comprende un reactor de HCN (A), un depurador de amoníaco (B), un separador de HCN (C), y un absorbedor de reactivo (D).
En el reactor (A), HCN se prepara, por ejemplo, según el procedimiento de Andrussow. El depurador de amoníaco (B) está integrado en una unidad de ajuste de amoníaco (líneas discontinuas), y puede estar equipado con una corriente de derivación (4) que permite la eliminación parcial del amoníaco del procedimiento (ajuste de amoníaco).
En el separador de HCN (C), el HCN disuelto en la disolución de sulfato de amoníaco bruto se libera en forma gaseosa. En el absorbedor de reactivo (D), la mezcla de gas que comprende HCN y amoníaco obtenida a partir de una mezcla de gas de HCN bruto mediante la eliminación parcial de amoníaco, es decir, la mezcla de gas obtenida después de la etapa de ajuste de amoníaco, se hace reaccionar con MMP para dar MMP-CN.
En una realización alternativa de la presente invención, el ajuste de amoníaco o la eliminación parcial de amoníaco se realiza usando un depurador de amoníaco que permite una penetración parcial de amoníaco.
La Fig. 2 muestra dos opciones para la realización de una penetración parcial de amoníaco a través del depurador de amoníaco (B).
Para la primera opción, se reduce la concentración de ácido sulfúrico en la corriente de alimentación de ácido sulfúrico (8). De ese modo, se limita la velocidad de reacción del amoníaco absorbido a sulfato de amonio, y por lo tanto la velocidad de absorción de amoníaco. El amoníaco no se absorberá por completo, sino que permanecerá parcialmente en la fase gaseosa, y abandonará el depurador de amoníaco en la parte superior.
Para la segunda opción, se baja la posición de alimentación de la corriente de alimentación de ácido sulfúrico (8). Cuanto más baja es la posición de alimentación, más se reduce el área de transferencia de masa en el depurador de amoníaco. La reducción en el área de transferencia de masa conduce a una limitación de la velocidad de absorción de amoníaco en la fase líquida, y por lo tanto, el amoníaco abandonará parcialmente el depurador de amoníaco en la parte superior.
La mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto se puede preparar según el procedimiento de Andrussow. En este procedimiento oxidante, una mezcla de gas, que comprende esencialmente HCN, amoníaco y agua, se prepara en una reacción exotérmica a partir de metano, amoníaco y oxígeno. Normalmente se usa aire como fuente de oxígeno. La mezcla de productos después de la síntesis de HCN normalmente comprende además otros gases tales como nitrógeno, argón, hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y metano.
Como ejemplo, en una realización específica en la que el procedimiento de Andrussow sirve como una fuente de la mezcla de gas de HCN bruto, la cantidad de amoníaco en la mezcla de gas que comprende HCN y amoníaco se ajusta a una cantidad máxima del 60% (v/v) del amoníaco en la mezcla de gas de HCN bruto desviando una cantidad máxima del 60% (v/v) de la mezcla de gas de HCN bruto del lavador de amoníaco.
En el contexto de esta realización específica, la expresión “desviar una cantidad definida de la mezcla de gas de HCN bruto del lavador de amoníaco” incluye cualquier método que proporcione un flujo secundario de la mezcla de gas de HCN bruto que no entra en contacto con la disolución de lavado de amoníaco.
Como un ejemplo, el depurador de amoníaco equipado con una corriente de derivación como se muestra en la Fig. 1 se puede usar para desviar la cantidad definida anteriormente de la mezcla de gas de HCN bruto del depurador de amoníaco.
Alternativamente, el ajuste de amoníaco se puede realizar usando un depurador de amoníaco que permita una penetración parcial de amoníaco, como se muestra en la Fig. 2.
Ventajosamente, la cantidad de amoníaco en la mezcla de gas que comprende HCN y amoníaco se ajusta a una cantidad máxima del 40% (v/v) del amoníaco en la mezcla de gas de HCN bruto desviando una cantidad máxima del 40% (v/v) de la mezcla de gas de HCN bruto del depurador de amoníaco cuando se usa la tecnología de Andrussow para la preparación de HCN.
Mediante el ajuste antes mencionado a una cantidad máxima del 60% (v/v), o del 40% (v/v), respectivamente, del amoníaco en la mezcla de gas de HCN bruto obtenida a través de Andrussow, se pueden eludir de manera eficiente la formación de mezclas bifásicas en los tanques de almacenamiento y/o en el absorbedor de reactivo.
Además, la presente invención proporciona una mezcla de productos específica que comprende MMP-CN, que puede obtenerse poniendo en contacto la mezcla de gas ajustado de amoníaco descrita anteriormente, que comprende HCN y amoníaco, con MMP. Dicha mezcla de productos comprende, además del MMP-CN, sus amino derivados correspondientes 2-amino-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-AN) y 2,2’-bis(2-(metilmercaptoetil)iminodiacetonitrilo (iminodinitrilo).
Los principales componentes de la composición del gas de procedimiento de HCN de Andrussow obtenidos mediante las relaciones de ajuste de amoníaco antes mencionadas se enumeran en la Tabla 2 para las composiciones típicas de gas bruto de HCN de estos procedimientos de síntesis de HCN.
Tabla 2: Relaciones de ajuste para el gas de HCN bruto de Andrussow
La presente invención proporciona además un método para producir metionina, o sales o derivados de la misma, a partir de MMP-CN, en el que el 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) se obtiene mediante uno cualquiera de los métodos mencionados anteriormente.
Dicho método para producir metionina comprende opcionalmente una etapa de hacer reaccionar 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), o una mezcla de productos bruta que comprende MMP-CN, con amoníaco y/o sales de amonio y dióxido de carbono y/o sales de ácido carbónico para dar 5-(2-metilmercaptoetil)hidantoína.
Para la síntesis de hidantoína, se puede usar 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN) ya sea en forma purificada o como una mezcla de productos bruta que se obtiene directamente al poner en contacto la mezcla de gas ajustado de amoníaco con MMP. Como se ha indicado anteriormente, dicha mezcla de productos comprende, además del MMP-CN, sus amino derivados correspondientes 2-amino-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-AN) y 2,2’-bis(2-(metilmercaptoetil)iminodiacetonitrilo (iminodinitrilo).
La reacción para dar la hidantoína se puede llevar a cabo, por ejemplo, en un reactor de presión agitado, a temperatura elevada. El amoníaco y el dióxido de carbono requeridos para esta reacción pueden introducirse en esta etapa del procedimiento como los gases correspondientes, solos o como una mezcla, opcionalmente con agua, o al menos parcialmente como las correspondientes sales de carbonato de amonio y/o hidrogenocarbonato de amonio o sus disoluciones acuosas. En disoluciones acuosas, el amoníaco, el dióxido de carbono, los iones de carbonato, los iones de hidrogenocarbonato y los iones de amonio están en equilibrio entre sí.
Se demostró que no solo MMP-CN sino también los principales subproductos MMP-AN mencionados anteriormente, e incluso el iminodinitrilo relativamente estable, pueden reaccionar con éxito para dar la hidantoína.
La 5-(2-metilmercaptoetil)hidantoína así obtenida se puede hacer reaccionar entonces en condiciones básicas con formación de dióxido de carbono y amoníaco para dar al menos una sal de metionina. Dicha sal de metionina se puede hacer reaccionar adicionalmente con un ácido para dar metionina.
Las bases usadas pueden ser, por ejemplo, óxidos, hidróxidos, carbonatos u otras sales de metales alcalinos o alcalino-térreos, metales de tierras raras, o sales de amonio, y también mezclas de estas bases. Se da preferencia particular al uso de carbonatos o hidrogenocarbonatos de los metales alcalinos o de amonio, de manera particularmente preferida carbonato de potasio, sodio o amonio, o mezclas de los mismos.
El método según la invención para preparar metionina o una sal de metionina se puede llevar a cabo por lotes o de forma continua, preferiblemente de forma continua.
Además de la formación de metionina o sales de metionina, la mezcla de productos que comprende MMP-CN obtenida según el método de la presente invención también se puede hacer reaccionar en otras etapas del procedimiento, según el documento US 20110295006 A1 por ejemplo, para dar 3,6-bis(2’-metilmercaptoetil)-2,5-dicetopiperazina (DKP) o, según el documento DE 2261926 A1, para dar el dipéptido de metionina, metionilmetionina (Met-Met).
Finalmente, la presente invención se refiere a un sistema de planta para la producción de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN).
El sistema de planta se representa en la Fig. 1, y comprende una vasija de reactor de HCN (A) y un absorbedor de reactivo (D) para hacer reaccionar cianuro de hidrógeno con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP). El reactor de cianuro de hidrógeno de Andrussow (A) está interconectado con el absorbedor de reactivo a través de una unidad de ajuste de amoníaco que comprende un depurador de amoníaco (B) que tiene una línea de corriente de derivación/gas de derivación (4).
La unidad de ajuste de amoníaco se representa en la Fig. 1 como líneas de puntos.
La unidad de ajuste de amoníaco puede comprender además un separador de HCN (C) con una corriente de reciclado de HCN extraído (6) y una corriente de sulfato de amonio bruto (5). La mezcla de producto de sulfato de amonio sale de la unidad de ajuste de amoníaco a través de la corriente (7). El depurador de amoníaco se alimenta con ácido sulfúrico a través de la corriente de alimentación (8). La corriente de gas ajustado de amoníaco (9) conecta la unidad de ajuste de amoníaco con el absorbedor de reactivo (D).
La corriente de alimentación de MMP se muestra como (10), la corriente de gas de escape se muestra como (11), y la mezcla de productos de MMP-CN se muestra como (12).
A continuación, la invención se ilustra mediante ejemplos no limitativos y realizaciones ilustrativas.
Ejemplos
Resumen
Ejemplo 1 (comparativo). Producción de MMP-cianohidrina a partir de amoníaco que contiene ácido cianhídrico sin etapa de ajuste
Ejemplo 2. Miscibilidad con agua de una disolución de MMP-cianohidrina que contiene amoníaco
Ejemplo 3. Ajuste de la relación de NH3 a HCN y el contenido de agua para el procedimiento de Andrussow para evitar la separación de dos fases líquidas
Ejemplo 4. Ajuste de la relación de NH3 a HCN y el contenido de agua Ejemplo 5. Composición ejemplar de una corriente de gas de ácido cianhídrico después de la etapa de ajuste
Ejemplo 6. Síntesis ejemplar de metionina a través de MMP-cianohidrina producida con una etapa de ajuste de penetración
Métodos usados
Cálculo de la unidad de ajuste de amoníaco
Las corrientes de productos después de la unidad de ajuste de amoníaco (Fig. 1, corrientes 9 y 7), que comprende un lavador de ácido sulfúrico (B) para eliminar el amoníaco formando sulfato de amonio, un separador (C) para eliminar el exceso de cianuro de hidrógeno de la disolución de sulfato de amonio, y una corriente de derivación (4), se calcularon por transferencia de masa y de calor y velocidades de reacción. El gas de reacción de cianuro de hidrógeno bruto (3) y el ácido sulfúrico nuevo (98% en peso) (8) se alimentan al lavador (B). La disolución de sulfato de amonio (5) se alimenta al separador (C), y el exceso de HCN se elimina mediante vapor evaporado in situ. La corriente de producto de sulfato de amonio (7) se configura para que tenga menos de 0,1 ppm en peso de cianuro de hidrógeno, la corriente de gas de HCN ajustado (9) es la corriente diana que se alimenta a una etapa posterior de formación de MMP-cianohidrina (D).
Los datos de propiedades físicas bien establecidos para el sistema químico aplicado se aplicaron usando un simulador de procedimiento estándar (Aspen Plus de aspentech).
Determinación del contenido de agua mediante titulación de Karl Fischer
El contenido de H2O en MMP-CN se determinó mediante titulación usando indicación biamperométrica del punto final (titulación de Karl Fischer).
Para este fin, se cargaron inicialmente 20-30 ml de medio de titulación (por ejemplo, Hydranal Solvent 5 de Fluka) en el recipiente de titulación, y se tituló hasta sequedad con valorante (por ejemplo, Hydranal Titrant 5 de Fluka). Se añadió una cantidad de muestra de aprox. 500 mg al depósito valorado (jeringa desechable de plástico), y se valoró con el valorante hasta el punto final. El peso exacto de la muestra se determinó mediante pesaje diferencial.
Este es un método estándar conocido por los expertos en el campo (véase, por ejemplo, P. A. Bruttel, R. Schlink: Wasserbestimmung durch Karl-Fischer-Titration [Determinación de agua por titulación de Karl Fischer] Metrohm AG).
Cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC)
La mayoría de las investigaciones cromatográficas (MMP-cianohidrina, MMP, MMP-aminonitrilo, metionina, metionina amida, hidantoína, hidantoína amida, Met-Met, metionina dicetopiperazina) se realizaron por HPLC de JASCO en una columna RP-18 (250 x 4,6 mm; 5 pm) con detección posterior de UV a 210 nm. Una mezcla de ácido fosfóricoacetonitrilo-agua (3,3 g de H3 PO4 , 6,8 g de acetonitrilo, 89,9 g de H2O) sirvió como eluyente. A un caudal de 1 ml/min, se inyectaron 10 pl de la disolución de muestra respectiva (50 mg de muestra en 25 ml de H2O). La calibración se efectuó previamente mediante la inyección de una disolución de calibración adecuada, y se evaluó mediante la comparación del área de los picos por medio del método estándar externo. Este es un método estándar conocido por los expertos en el campo.
El iminodinitrilo se analizó en el sistema de HPLC especificado anteriormente con columna, caudal y detección idénticos. En este caso, una mezcla de metanol y agua (al 50% en peso cada uno) sirvió como eluyente. Se inyectaron 10 pl de la disolución de muestra respectiva (250 mg de muestra en 25 ml de eluyente).
Ejemplo 1
Producción de MMP-cianohidrina a partir de amoníaco que contiene ácido cianhídrico sin unidad de ajuste de amoníaco
188 g de 3-metiltiopropionaldehído (metilmercaptopropionaldehído, MMP) (94,0% en peso, 1,00 equiv.) de producción industrial se dosificaron a una velocidad de 6 g/min en la parte superior de una columna de bandeja de burbujas con temperatura controlada a 55°C (5 bandejas, doble camisa) equipada con un condensador de reflujo. En el fondo de la columna, una mezcla de gas de Andrussow que contiene ácido cianhídrico (47,0 g, 1,02 equiv. basado en MMP, 90 g/h), amoníaco (7,99 g, 0,28 equiv. basado en MMP, 15,3 g/h), vapor (80 g, 156 g/h) y nitrógeno (230 NL, 450 NL/h) (NHs:HCN = 0,27 mol/mol) se añadió por el principio de contracorriente. El producto se recogió en un matraz fijado al fondo de la columna, y se analizó después de completar la adición de MMP (aprox. 30 min). Se obtuvo un producto bifásico transparente e incoloro: una parte de capa acuosa en la parte superior y cinco partes de capa orgánica en la parte inferior. El análisis por HPLC reveló un contenido total de 145 g de MMP-cianohidrina (MMP-CN, 65,1% basado en el MMP usado), 33,8 g de MMP-aminonitrilo (MMP-AN, 15,3% basado en el MMP usado) y 30,6 g de iminodinitrilo (14,8% basado en MMP usado). MMP-CN, MMP-AN e iminodinitrilo se denominan además equivalentes de MMP-CN o equivalentes de MMP-cianohidrina que contienen amoníaco.
Ejemplo 2
Miscibilidad con agua de equivalentes de MMP-cianohidrina que contienen amoníaco
Una unidad de ajuste de amoníaco alterará tanto el contenido de amoníaco como el de agua en el gas de HCN. Para determinar el límite de agua que puede recibir los equivalentes de MMP-CN que contienen amoníaco resultantes como una sola fase, se realizaron experimentos de miscibilidad de agua y MMP-CN con contenido variable de amoníaco.
En un matraz de tres bocas enfriado en un baño de hielo, equipado con un condensador de serpentín encamisado y un termómetro, se hizo pasar lentamente amoníaco gaseoso a través de una muestra agitada mecánicamente de 93 g de MMP-cianohidrina (96% en peso, 1,0 equiv.) hasta que el pesaje diferencial confirmó la adición de 1,16 g (0,1 equiv.) de amoníaco (NH3:HCN = 0,10 mol/mol). La disolución resultante se dejó calentar a temperatura ambiente, y se agitó durante tres días. El análisis por HPLC confirmó la conversión completa del amoníaco en iminodinitrilo; MMP-AN no estaba presente. Se enfriaron 10 g de la mezcla hasta 10°C en un matraz de doble camisa, y se agitaron vigorosamente. Se añadió agua gota a gota lentamente hasta que se produjo la separación de fases (es decir, turbidez, gotitas, o una segunda capa). Se añadió un total de 2,16 g de agua, correspondiente a una solubilidad máx. del 17,8% en peso de agua en equivalentes de MMP-CN que contienen amoníaco preparados a partir de NH3:HCN = 0,1 mol/mol. El experimento se repitió a 30°C, así como con relaciones variables de NH3:HCN. Los resultados se dan en la tabla 3.
Tabla 3: Máxima miscibilidad con agua de equivalentes de MMP-cianohidrina que contienen amoníaco dependiendo del contenido de amoníaco y la temperatura.
Los resultados experimentales y la aproximación lineal del contenido máximo de agua miscible en MMP-cianohidrina a 10 y 30°C se muestran en la Fig. 3 en función de la relación molar de NH3 a HCN.
Ejemplo 3
Ajuste de la relación de NH3 a HCN y el contenido de agua para el procedimiento de Andrussow para evitar la separación de dos fases líquidas
Una corriente de gas de reacción de cianuro de hidrógeno bruto estándar (3) producida por una etapa de reacción de Andrussow que comprende 6,5% en moles de cianuro de hidrógeno, 1,8% en moles de amoníaco, y 19,6% en moles de agua, se alimenta a la unidad de ajuste de amoníaco (IHS Chemical PEP Review 2015-07 “Hydrogen Cyanide by the Andrussow and BMA Process”). Los contenidos de amoníaco y agua después de la etapa de ajuste, circunvalando (4) el lavador de ácido sulfúrico (B), se calculan para relaciones de derivación de 0 a 100%. La corriente de cianuro de hidrógeno ajustado (9) usada en una etapa de reacción de MMP-cianohidrina (D) con MMP puro (10) como agente reaccionante conduce a un contenido de agua correspondiente en la disolución de equivalentes de MMP-cianohidrina (12) como se muestra en la Fig. 3 (indicado como “Derivación”). Las etiquetas de datos dentro del diagrama representan la relación de derivación (porcentaje de la corriente de gas de reacción que se conduce a través de la derivación) o la relación de penetración de amoníaco (porcentaje de amoníaco en la corriente de gas de reacción que atraviesa la columna hacia la corriente de gas de producto (9)). Para esta composición particular de gas de reacción de cianuro de hidrógeno bruto, es factible una relación de derivación máxima de 35% (45%) sin el riesgo de dos fases líquidas separadas en el etapa de reacción de MMP-cianohidrina o en el almacenamiento posterior para una temperatura de funcionamiento de 10°C (30°C). Cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento, mayor será la relación de derivación máxima sin riesgo de separación de fases.
El ajuste alternativo de la misma corriente de gas de reacción de cianuro de hidrógeno es mediante la penetración de amoníaco a través del lavador de ácido sulfúrico reduciendo el caudal de alimentación (8) de ácido sulfúrico al lavador (B). La Fig. 3 muestra los contenidos de agua y amoníaco en la correspondiente disolución de equivalentes de MMP-cianohidrina a partir de un exceso estequiométrico del 2% de ácido sulfúrico (indicado como “Concentración”). Para esta composición de gas de reacción de cianuro de hidrógeno bruto en particular, al reducir el caudal de alimentación de ácido sulfúrico es factible una penetración máxima de amoníaco del 97% (100%) sin el riesgo de dos fases líquidas separadas en el etapa de reacción de MMP-cianohidrina o en el almacenamiento posterior para una temperatura de funcionamiento de 10°C (30°C).
Ejemplo 4
Ajuste de la relación de NH3 a HCN y el contenido de agua
Las concentraciones calculadas de agua y amoníaco en la corriente de gas de cianuro de hidrógeno después de la etapa de ajuste (9) para la corriente de gas de reacción de cianuro de hidrógeno bruto de Andrussow como se menciona en el Ejemplo 3 se muestran en la Fig. 4 como una función de la relación de ajuste. La relación de ajuste representa el porcentaje de gas de reacción que se conduce a través de la derivación (“derivación”), el porcentaje de reducción de la concentración de ácido sulfúrico (“concentración”), o el porcentaje de descenso de la posición de alimentación para la corriente de ácido sulfúrico (“posición”). En la Fig. 2 se ilustra el descenso de la posición de alimentación del ácido sulfúrico (8) al lavador de amoníaco (B). Cuanto más baja sea la posición de alimentación, menos área estará disponible para la transferencia de masa, y no se absorberá más amoníaco, sino que atravesará el lavador.
Para el ajuste por derivación, la concentración de agua y amoníaco en la corriente de gas después de la etapa de ajuste es casi lineal a la relación de ajuste. Para el ajuste por penetración por reducción de la concentración de ácido sulfúrico, la concentración de agua permanece casi constante, y la concentración de amoníaco es casi lineal a la relación de ajuste. Para el ajuste por penetración mediante la reducción de la posición de alimentación de la corriente de ácido sulfúrico, la concentración de agua y amoníaco retrasa el incremento de la relación de ajuste. El ajuste del
100% por penetración al bajar la posición de alimentación corresponde a una parada completa del caudal de alimentación de ácido sulfúrico al lavador.
Ambas opciones de ajuste, derivación y penetración, permiten un control total de la concentración de amoníaco en la corriente de gas después de la etapa de ajuste y la velocidad de producción de sulfato de amonio.
Ejemplo 5
Ejemplo de composición de una corriente de gas de ácido cianhídrico después de la unidad de ajuste de amoníaco
La composición completa de la corriente de gas de HCN (9) después de la etapa de ajuste según se calcula en el Ejemplo 3 para una etapa de reacción de Andrussow se muestra en la Tabla 4 para relaciones de ajuste seleccionadas.
Tabla 4: Composiciones ejemplares y tasas de producción de sulfato de amonio para una corriente de cianuro de hidrógeno producida por una etapa de reacción de Andrussow ajustada evitando el lavado con ácido sulfúrico.
Ejemplo 6
Síntesis ejemplar de metionina a través de MMP-cianohidrina producida con una unidad de ajuste de amoníaco de penetración
En un vaso de precipitados de autoclave de 300 ml equipado con una barra agitadora, se añadieron agua destilada (37 g), carbonato de amonio (13,9 g) e hidrogenocarbonato de amonio (20,2 g) a 34,7 g de MMP-cianohidrina preparada a partir de ácido cianhídrico con contenido ajustado de amoniaco (NH3:HCN = 0,087 mol/mol; véase la tabla 4 con 30% de derivación), que consiste en 68,4% en peso de MMP-CN y 16,5% en peso de iminodinitrilo. La vasija de reacción se transfirió a un autoclave de laboratorio de alta presión de ROTH, equipado con manómetro, calentador, sensor de temperatura, tubo de entrada, y liberación de presión. El autoclave se cerró herméticamente, se calentó con agitación a 105°C durante un período de 15 min, y después se mantuvo a esta temperatura durante 30 min más. Al final del período de reacción, el autoclave se enfrió hasta 70°C en un baño de agua, y la presión resultante se ventiló (aprox. 15 bar). Posteriormente, se dosificó disolución acuosa de KOH (31,1 g de KOH en 42,5 g de H2O) a través del tubo de entrada durante un período de 10 min. Una vez completada la adición, el autoclave se calentó con agitación hasta 180°C durante un período de 25 min, y después se mantuvo a esta temperatura durante 30 min más. Durante el transcurso de la reacción, la presión se ventiló hasta 5 bares alrededor de cada 5 minutos, pero al menos en el caso de que se excedieran los 10 bares. Al final del período de reacción, el autoclave se enfrió hasta temperatura ambiente
con agua corriente de refrigeración, y se despresurizó a presión estándar. El análisis de HPLC del producto de reacción confirmó la formación de 75,4% de metionina y 5,1% de Met-Met.
Claims (7)
1. Método para producir 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), comprendiendo el método poner en contacto una mezcla de gas de procedimiento de cianuro de hidrógeno (HCN) preparada según el procedimiento de Andrussow a partir de metano, amoníaco y oxígeno, con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP), caracterizándose el método por que la mezcla de gas de procedimiento de HCN se obtiene a partir de la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto ajustando la cantidad de amoníaco a entre 20% (v/v) y 60% (v/v) de la cantidad de amoníaco en la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que el ajuste de amoníaco se realiza usando un depurador de amoníaco equipado con una corriente de derivación.
3. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que el ajuste de amoníaco se realiza mediante el uso de un depurador de amoníaco que permite una penetración parcial de amoníaco.
4. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la cantidad de amoníaco en la mezcla de gas de procedimiento de HCN se ajusta a una cantidad máxima del 40% (v/v) del amoníaco en la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruto desviando una cantidad máxima del 40% (v/v) de la mezcla de gas de HCN bruto del depurador de amoníaco.
5. Método para producir metionina o sales o derivados de la misma a partir de HCN, comprendiendo el método una etapa de producción de 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), o una mezcla de productos bruta que comprende MMP-CN, poniendo en contacto una mezcla de gas de procedimiento de cianuro de hidrógeno (HCN), preparada según el procedimiento de Andrussow a partir de metano, amoníaco y oxígeno, con 3-metilmercaptopropionaldehído (MMP), caracterizándose el método por que la mezcla de gas de procedimiento de HCN se obtiene a partir de la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruta ajustando la cantidad de amoníaco a entre 20% (v/v) y 60% (v/v) de la cantidad del amoníaco en la mezcla de gas de procedimiento de HCN bruta.
6. Método según la reivindicación 5, comprendiendo además el método una etapa de hacer reaccionar el 2-hidroxi-4-(metiltio)butironitrilo (MMP-CN), o la mezcla de productos bruta que comprende MMP-CN, con amoníaco y/o sales de amonio y dióxido de carbono y/o sales de ácido carbónico para dar 5-(2-metilmercaptoetil)hidantoína.
7. Método según la reivindicación 6, comprendiendo además el método una etapa de hacer reaccionar la 5-(2-metilmercaptoetil)hidantoína en condiciones básicas con formación de dióxido de carbono y amoníaco para dar al menos una sal de metionina, y opcionalmente hacer reaccionar adicionalmente la sal de metionina con un ácido para dar metionina.
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