專利名稱：從妥爾油瀝青中萃取和提純植物甾醇和植物甾烷醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從妥爾油瀝青(pitch)中分離和提純不可皂化物如植物甾醇和植物甾烷醇的方法。
背景技術(shù)：
甾醇是天然存在的化合物，它們行使很多重要的細(xì)胞功能。植物中的植物甾醇如菜油甾醇、豆甾醇、菜油甾烷醇和貝塔豆甾醇，真菌中的麥角甾醇和動物體內(nèi)的膽甾醇，在其各自的細(xì)胞類型中都是細(xì)胞膜和亞細(xì)胞膜的主要成分。人類植物甾醇的食物來源來自植物，即蔬菜和植物油。西方飲食中平均每天包含約60～80mg植物甾醇，相比之下，素食每天提供約500mg植物甾醇。最近，由于可能具有抗癌性，這些飲食中的植物甾醇受到很大重視，并且當(dāng)許多哺乳動物包括人類食用它們時，能降低膽固醇水平。
已普遍認(rèn)可植物甾醇在人類治療中提供了獨(dú)一無二的長期安全性、有效性和多功能性的結(jié)合。有關(guān)甾醇的現(xiàn)實挑戰(zhàn)在于從植物來源中分離、萃取和提純它們，在于確定在大規(guī)模提取時成本合算并且易于處理的新的來源。
傳統(tǒng)地，從諸如玉米油、麥芽油、大豆瀝青和玉米油瀝青之類的來源中分離植物甾醇。類似地，在由木材、尤其是松木造紙過程中獲得的妥爾油瀝青已經(jīng)被用作植物甾醇的來源。通常，在稱為“牛皮紙漿制法”(Kraft Process)的方法中，木屑在170℃下用含氫氧化鈉和硫化鈉的水性液體消化處理2小時。該消化處理除去木屑的木質(zhì)素，并生成纖維素紙漿、松香皂鈉、脂肪皂鈉、木質(zhì)素降解產(chǎn)物和很多其它化學(xué)物質(zhì)。松香皂鈉、脂肪皂鈉和其它疏水性化合物仍保留在煮解液中，通過濃縮液體使它們成浮渣或漂浮在表面(因此稱作“浮渣”)來分離。
浮渣通常包括與松香皂鈉、脂肪皂鈉在一起的疏水性化合物如植物甾醇、植物甾烷醇、酯類、脂肪醇、蠟和萜烯，統(tǒng)稱不可皂化部分。浮渣進(jìn)行酸化后，得到粗制的妥爾油。然后蒸餾除去揮發(fā)性物質(zhì)，留下殘渣“瀝青”。可從浮渣或者瀝青中分離出植物甾醇及其飽和的類似物。芬蘭的Oy Kaukas AB自1981年以來一直在進(jìn)行從浮渣皂中商業(yè)萃取植物甾醇。該領(lǐng)域?qū)＠膶嵗↗ohansson等人的美國專利號4,044031，該專利描述了從粗硫酸皂浮渣中移除甾醇的己烷萃取方法；Oy Kaukas的美國專利號3,965,085，該專利用含己烷、丙酮、甲醇和水的溶劑混合物從皂中分離植物甾醇；Kutney等人的美國專利號5,770,749描述了從紙漿皂中萃取甾醇的方法，其中溶劑混合物包括水、酮、烴，并且不含醇類。
一些研究人員嘗試有效地從瀝青中萃取植物甾醇。在美國專利號2,715,638中，Albrecht等人描述了用一定量的稀堿溶液中和瀝青中的脂肪酸和松香酸，但溶液的量也使甾醇酯皂化。然后分離剩余的有機(jī)相并用醇性堿溶液皂化，將甾醇酯轉(zhuǎn)化為游離甾醇，以便隨后在熱水中稀釋，再通過冷卻沉淀甾醇。
Jullan的美國專利號3,840,570提供了通過在水-醇-烴混合物中萃取、然后皂化并隨后提純，從妥爾油瀝青制備甾醇的方法。該方法中起始材料是妥爾油瀝青，從中萃取植物甾醇和各種雜質(zhì)。應(yīng)認(rèn)識到，在任何妥爾油瀝青提純方法中，長鏈醇和酸性雜質(zhì)特別難從甾醇(它們本身是高分子量醇)中分離。該方法包括幾個用不同的極性或非極性溶劑進(jìn)行溶劑萃取的步驟，因而是繁瑣的。溶劑的回收勢必很復(fù)雜。
Diaz等人的美國專利號6,297,353描述了從粗妥爾油或其真空蒸餾產(chǎn)物-包括妥爾油脂肪酸、妥爾油松香酸、經(jīng)蒸餾的妥爾油或瀝青-獲得不可皂化物的方法，該方法包括1)用氫氧化鈉和/或氫氧化鉀“中和”起始材料；2)脫水/干燥混合物至濕度水平不超過10％；
3)在兩個短程蒸餾塔中蒸餾；和4)收集不含皂的餾出液和不含中性化合物的殘渣。
在Diaz的實施例中，尤其是7和8中，顯示用己烷和乙醇萃取蒸餾殘渣，然后用硫酸滴定(第11欄21～28行和第12欄30～34行)。作者不要求皂化起始材料，而是中和它們，因此保留而不是破壞酯鍵。
其它研究人員也致力于妥爾油瀝青的加工問題Steiner和Fritz的美國專利號2,835,682；Christenson的美國專利號2,573,891，Lehtinen的美國專利號3,926,936，Hughes的美國專利號4,524,024和Harada的美國專利號3,887,537。在Harada的專利中，首先用堿金屬堿和低分子量醇皂化瀝青，然后將混合物注入薄膜式蒸發(fā)器中，除去低沸點(diǎn)物質(zhì)如水、醇和輕的不可皂化物。然后將第一蒸發(fā)器底部餾分加入至第二個薄膜式蒸發(fā)器中，在那里除去作為輕餾分的含植物甾醇的不可皂化物，并回收底部餾分的熔化皂。Lehtinen描述了回收脂肪酸和松香酸的方法在200～300℃下用堿與瀝青反應(yīng)(妥爾油瀝青的量為5～25％)，然后加熱真空蒸餾混合物，以回收餾出液部分中的脂肪酸和松香酸。
本發(fā)明的目的是消除和減輕在先已知方法的缺點(diǎn)和不足。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種從妥爾油瀝青中分離和純化植物甾醇和植物甾烷醇的方法，包括a)將瀝青加入到第一蒸餾塔；b)蒸餾瀝青，除去多余的松香酸和脂肪酸，形成蒸餾的瀝青；c)用一種或多種堿金屬堿的水溶液皂化蒸餾的瀝青，形成皂化瀝青；d)用足以使最終pH值達(dá)到5.8至6.3之間量的酸中和皂化瀝青，形成中和瀝青；e)使中和瀝青相分離至少12小時，或者直至相分離瀝青的水分含量低于15％，形成沉淀的瀝青和水相；
f)從沉淀的瀝青中除去基本上所有剩余的水，形成改性瀝青；g)在第二蒸餾塔中蒸餾改性瀝青，以便從改性瀝青中除去輕餾分并生成含游離植物甾醇和/或植物甾烷醇的底部餾分；h)在第三蒸餾塔中只蒸餾底部餾分，生成含游離植物甾醇和/或植物甾烷醇的輕相餾分；i)僅將輕相餾分溶解在含至少一種醇的溶劑中，生成植物甾醇和/或植物甾烷醇的溶液；j)冷卻該溶液，形成含結(jié)晶植物甾醇和/或植物甾烷醇的漿液；和k)洗滌、過濾和干燥漿液，將結(jié)晶的植物甾醇和/或植物甾烷醇與濾液分離。
本發(fā)明還包括根據(jù)所述方法制備的植物甾醇和/或植物甾烷醇物質(zhì)。
附圖簡述本發(fā)明的各方面將通過下列非限制性附圖加以說明

圖1為本發(fā)明從妥爾油瀝青的萃取和提純方法流程圖；圖2為本發(fā)明方法實施方式的流程圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案下列詳細(xì)描述用于幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員實施本發(fā)明。但是，這些詳細(xì)描述不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明范圍的不恰當(dāng)?shù)南拗?。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可對此處討論的實施方式作出改進(jìn)和變動。
本發(fā)明提供一種加工妥爾油瀝青的獨(dú)特方法，用于從中分離植物甾醇和植物甾烷醇的特定目的。此處用于指稱本發(fā)明從妥爾油瀝青中萃取和提純的混合物的術(shù)語“植物甾醇和/或植物甾烷醇”指主要成分包括植物甾醇和/或植物甾烷醇的混合物。下文中的術(shù)語“妥爾油瀝青”或“瀝青”應(yīng)理解為蒸餾粗妥爾油得到的黑色焦油狀殘渣，粗妥爾油通過酸化浮渣皂制得。而浮渣皂是通過蒸發(fā)一種黑色液體制得，該黑色液體是“牛皮紙漿制法”中用堿溶液消化木屑的一種產(chǎn)物。從木屑中產(chǎn)生瀝青的步驟為本領(lǐng)域所公知并實施，在這里不再贅述。
從技術(shù)角度來說，在木材或林業(yè)衍生產(chǎn)品中，皂和瀝青最適于分離和提純植物甾醇。皂和瀝青作為原材料都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在高溫蒸餾妥爾油的過程中，會出現(xiàn)一些揮發(fā)性組分或植物甾醇的熱分解物，使得瀝青中留有這些分解物。盡管如此，卻不能忽略瀝青的兩個優(yōu)點(diǎn)，即它具有高于皂的甾醇濃度(高到其質(zhì)量的18％)和比皂小六倍的體積，這使得用它更為經(jīng)濟(jì)。在本發(fā)明范圍內(nèi)，提供一種以藥品、營養(yǎng)保健品和食品所要求的高純度從瀝青中有效制備高產(chǎn)率植物甾醇的萃取和提純方法。
作為本發(fā)明原材料(瀝青)來源的木屑可以來自任何硬質(zhì)材樹木和軟質(zhì)材樹木，包括但不限于冷杉、雪松、松樹、云杉、橡樹、鐵杉和楊樹。制備瀝青的木屑最優(yōu)選來自西北太平洋或東南美洲或歐洲任一處森林的各種林木。
已知妥爾油瀝青含有各種游離的和酯化的植物甾醇，包括但不限于谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇及其飽和的等同物。游離的甾醇和甾烷醇只要從瀝青中萃取和提純出來，就能用于藥品、營養(yǎng)保健品、食品、飲料等，或者能夠被化學(xué)改性賦予某些性能如穩(wěn)定性或可溶性。PCT/CA00/00730、PCT/CA/00/00731、PCT/CA00/01272、PCT/CA99/00512、PCT/CA01/00285和美國專利號6,087,353中提供了這些操作的實例，所有這些專利都屬于Forbes Medi-Tech Inc。
首先采用先皂化隨后再進(jìn)行兩步蒸餾從瀝青中萃取甾醇是已知的Harada的美國專利號3,887,537。此外，用包括下列步驟的方法從瀝青中萃取甾醇也是已知的1)向瀝青中加入堿金屬堿并在加熱下混合皂化；2)向皂化后的瀝青中添加強(qiáng)無機(jī)酸進(jìn)行中和；3)然后在真空下加熱中和的瀝青，除去多余水份—最終得到“改性瀝青”；4)將該改性瀝青加入到低壓刮膜蒸發(fā)器中，除去瀝青的“輕餾分”。底部部分含有植物甾醇。
5)將底部部分移入第二個蒸發(fā)器中，這次是“薄膜式”蒸發(fā)器，將植物甾醇蒸餾入“輕相”餾出液中；6)然后在醇中加熱并攪拌輕相餾出液，以溶解植物甾醇；7)冷卻該溶液并高速混合，制得漿液，將漿液冷卻、洗滌并過濾干燥?；厥罩参镧薮季w。
涉及該方法的同族申請包括加拿大專利申請?zhí)?,230,373和PCT/CA99/00150，所有這些專利申請都?xì)w本申請人所有。但是，本發(fā)明范圍內(nèi)所提供的是更為優(yōu)越的方法，它在甾醇產(chǎn)率和效率上超過了所有其它已知的瀝青萃取和提純方法。本發(fā)明區(qū)別于PCT/CA99/00150公開內(nèi)容和權(quán)利要求的改變并不僅僅是常規(guī)的，而表現(xiàn)出了顯著的進(jìn)步，也是迄今為止沒有認(rèn)識到的，這點(diǎn)通過下面的說明將變得清楚明白。
本發(fā)明方法的第一步，也是至關(guān)重要的一步是將瀝青加入第一蒸餾塔中并隨后蒸餾瀝青。該預(yù)蒸餾步驟有兩個目的。第一，除去多余的松香酸和脂肪酸，使得隨后的皂化步驟在轉(zhuǎn)化甾醇酯為游離甾醇方面更有效。第二，該蒸餾減少了皂化所需堿金屬堿的用量及隨后中和所需酸的用量。在優(yōu)選的實施方式中，蒸餾瀝青使得酸值低于40，最優(yōu)選低于30。該步驟在酸值高的瀝青源中尤為重要。蒸餾塔可選自短程蒸餾塔、刮膜式蒸發(fā)塔、薄膜式蒸發(fā)塔和分子蒸餾塔。在一個優(yōu)選的實施方式中，該步驟中使用的蒸餾塔為刮膜式蒸發(fā)塔(wiped filmevaporation column)。任何在先方法中都沒有采用這種瀝青的預(yù)處理。
本發(fā)明方法的第二步是通過加入一種或多種堿金屬堿的水溶液來皂化經(jīng)過蒸餾的瀝青。優(yōu)選的堿包括氫氧化鈉、氫氧化鉀或它們的結(jié)合。盡管堿金屬對瀝青的重量百分比在一定程度上取決于瀝青來源，但應(yīng)在1％至30％范圍內(nèi)。更優(yōu)選，基于無水狀態(tài)該范圍為1～10％或1～15％。對于高酸值的瀝青源來說，必需使用更多的堿金屬堿和更長的反應(yīng)時間，以獲得令人滿意的甾醇酯轉(zhuǎn)化為游離甾醇的轉(zhuǎn)化率。例如，酸值為50的瀝青源需要堿金屬對瀝青的重量百分比為20％至25％。優(yōu)選皂化在100℃至250℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行60至300分鐘，更優(yōu)選120～240分鐘。
第三步是用一種或多種酸中和皂化后的瀝青，使最終pH值在5.8至6.3之間。使pH值在此范圍內(nèi)是至關(guān)重要的。高于該范圍的pH值會造成后續(xù)除水步驟困難。低于該范圍的pH值將在儲存和操作過程中催化游離甾醇恢復(fù)其酯化形式，因此將顯著減少游離甾醇的最終產(chǎn)量。優(yōu)選在90℃至130℃、更優(yōu)選在100℃至120℃、更優(yōu)選在101℃至120℃和最優(yōu)選在105℃至118℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行中和1至10小時。溫度范圍的較高端溫度是優(yōu)選的，因為能減少粘度并使瀝青和酸更有效混合，因此利于更為快速的中和?？梢允褂玫乃岚ㄋ杏袡C(jī)酸和無機(jī)酸，非限制地包括硫酸、鹽酸、磷酸或其任意結(jié)合。在優(yōu)選的實施方式中，中和步驟在劇烈的攪拌和/或混合下進(jìn)行。可使用間歇或連續(xù)的方法。在連續(xù)系統(tǒng)中，優(yōu)選在此階段使用混合器。在PCT/CA99/00150中沒有公開優(yōu)選的較高中和溫度。
第四步是使中和的瀝青沉淀至少12小時或者直至相分離過程中瀝青的水分含量低于15％，形成沉淀的瀝青和水相。在該步驟中，在前面皂化步驟和中和步驟過程中加入的水被除去，優(yōu)選通過相分離和蒸發(fā)(汽提)的方式?？赏ㄟ^將中和瀝青在容器中無攪拌地靜置所需要的時間來實現(xiàn)此沉淀。沉淀可以在先前皂化和中和步驟的同一個容器或不同容器中進(jìn)行。重要的是此步驟完成時水分含量必需低于15％，更優(yōu)選低于10％，否則會因為中和鹽含量過高而使最終除去水分之后的瀝青粘性過大，并難以進(jìn)行進(jìn)一步的后續(xù)步驟。優(yōu)選此沉淀步驟的溫度維持在先前中和步驟的溫度。在任何之前的出版物中都沒有描述這類沉淀步驟或?qū)ζ湟嫣幍谜J(rèn)識。
此外，還可以包括一個第二相分離步驟，其中在第一個沉淀過程中除去的水相可轉(zhuǎn)移至用于二級相分離的另一個容器中。在第一相分離步驟中，在水相和有機(jī)相之間經(jīng)常存在“碎料”層或乳狀液，應(yīng)該將其除去，以在后續(xù)的蒸餾步驟之前提高瀝青的質(zhì)量。在二級容器中，通過進(jìn)一步不攪拌的“沉淀”使碎料層分離。優(yōu)選第二相分離的溫度維持在先前沉淀步驟的溫度。
在沉淀步驟之后，盡管在先前步驟中除去了水分，瀝青仍必需進(jìn)一步脫水，即必需從沉淀的瀝青中除去幾乎所有剩余水分。這可通過任何方便從有機(jī)相中大量脫水的方法實現(xiàn)。比如，在足夠高的溫度下加熱或在真空條件下加熱。最優(yōu)選用壓力汽提(pressure strip)除去水分，為了防止在除水時游離甾醇恢復(fù)為甾醇酯，其中壓力不高于大氣壓并且溫度維持在低于105℃。
如上所述，為了避免游離甾醇恢復(fù)為甾醇酯，優(yōu)選在此脫水步驟后將瀝青溫度冷卻至低于80℃。此外，如果在后續(xù)加工步驟開始前要儲存脫水后的瀝青，應(yīng)冷卻和維持溫度為約60℃或更低。
至此描述的所有步驟都涉及到“生”瀝青(粗妥爾油蒸餾的殘渣)在進(jìn)行隨后萃取步驟之前的各種預(yù)處理。瀝青改性的特定方式對本發(fā)明方法的成功來說至關(guān)重要。相應(yīng)地，在本發(fā)明范圍內(nèi)，術(shù)語“改性”瀝青指至少進(jìn)行過以下處理的瀝青·皂化前蒸餾，優(yōu)選達(dá)到酸值低于40·皂化，優(yōu)選在100℃至250℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行60至300分鐘·中和，使pH值在5.8至6.3之間，優(yōu)選在超過100℃的溫度下進(jìn)行并劇烈攪拌·至少一次沉淀/相分離，和·脫水，優(yōu)選壓力不超過大氣壓并且溫度低于105℃脫水之后，“改性”瀝青的形態(tài)對兩個隨后的真空蒸餾步驟(本方法的第二和第三蒸餾步驟)來說非常適合和有效。帶或不帶刮刀、平板、旋轉(zhuǎn)部件及其它部件的降落式短程蒸餾塔，短程蒸餾塔離心機(jī)，多級短程蒸餾塔，分子蒸餾塔，刮膜式蒸發(fā)塔和薄膜式蒸發(fā)塔均適用于本發(fā)明。在優(yōu)選方式中，采用刮膜式蒸發(fā)器或短程蒸餾塔。蒸餾條件在下面詳細(xì)描述。在一個實施方式中，在第二階段的蒸發(fā)蒸餾之前可使用脫氣裝置幫助除去殘留水分和輕沸點(diǎn)組分。
第三次蒸餾得到的輕相餾出液含有游離植物甾醇和/或植物甾烷醇。隨后，將它們立即溶入含至少一種醇的溶劑中，制備植物甾醇和/或植物甾烷醇的溶液。然后冷卻溶液，形成結(jié)晶植物甾醇和/或植物甾烷醇結(jié)晶的漿液，最后，洗滌和過濾漿液，將結(jié)晶的植物甾醇和/或植物甾烷醇與濾液分離。優(yōu)選用于溶解輕相餾出液的溶劑包括至少一種低分子量單羥基醇。適合的溶劑非限制性地包括醇如甲醇、乙醇、異丙醇及其醋酸酯，酮如丙酮、甲基乙基酮(MEK)、甲基異丁基酮(MIBK)、C1至C8烴或其混合物。
流程圖在操作中，參考圖1和2，其中相同數(shù)字始終表示相同物，本發(fā)明的優(yōu)選方法如下在框20中，提供了制備本發(fā)明“改性瀝青”19所需的一系列步驟。向刮膜式蒸發(fā)器2中加入妥爾油瀝青1并蒸餾除去多余的脂肪酸和松香酸3，制備蒸餾的瀝青4。優(yōu)選蒸發(fā)器操作壓力為100至10000微米壓力并且溫度在240℃至285℃范圍內(nèi)。根據(jù)流速和瀝青源，一般耗時不到一分鐘就可達(dá)到所需的酸值40或更低。瀝青的酸值可通過取樣和滴定確定。
然后，將經(jīng)過蒸餾的瀝青4和堿金屬堿5一起加入反應(yīng)器6中。堿金屬堿相對蒸餾瀝青的量優(yōu)選應(yīng)足以方便完全或幾乎完全皂化經(jīng)過蒸餾的瀝青。一般來說堿金屬堿如氫氧化鈉、氫氧化鉀或其結(jié)合的水溶液是優(yōu)選的。基于相對合理的花費(fèi)，這些化合物或結(jié)合提供相對高的堿性。如果使用這些化合物或結(jié)合，那么理論上實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化所需的堿金屬堿5對蒸餾瀝青4的化學(xué)計量比一般為約1％重量百分比。影響堿的精確用量的因素包括妥爾油瀝青1和蒸餾瀝青4的特性(不同批次和來源之間這些特性可以不同)，以及最重要的妥爾油瀝青的酸值。對具有高酸值的瀝青源來說，需要更多的堿和更長的反應(yīng)時間，以獲得令人滿意的甾醇酯轉(zhuǎn)化為游離甾醇的轉(zhuǎn)化率。
但是，應(yīng)指出的重要一點(diǎn)是，因為妥爾油瀝青1在皂化前經(jīng)過蒸餾，因此在本發(fā)明范圍內(nèi)，此皂化步驟中所需的堿量低于以前皂化方法所需的量。這也部分地因為在先前已知的方法中，大量堿消耗在與瀝青中其它成分如松香酸和脂肪酸3的反應(yīng)中。絕大部分這些不需要的成分在蒸發(fā)器2中被除去，使堿與甾醇酯反應(yīng)。盡管如此，為了給皂化反應(yīng)提供強(qiáng)驅(qū)動力和確保甾醇酯幾乎完全或完全轉(zhuǎn)化為游離甾醇，堿金屬堿5對蒸餾瀝青4的比例可在1～15％范圍內(nèi)。在優(yōu)選的實施方式中，用濃度稀釋至7～12％、最優(yōu)選9.5％的50％苛性堿(氫氧化鈉)皂化蒸餾瀝青4。
在反應(yīng)器6中充分?jǐn)嚢杈S持混合狀態(tài)，使蒸餾瀝青4和堿金屬堿5保持接觸。通常，在100℃至250℃溫度范圍內(nèi)、更優(yōu)選在120℃至160℃、最優(yōu)選在145℃進(jìn)行120至240分鐘的操作足以方便達(dá)到所需的轉(zhuǎn)化率。
在反應(yīng)器6中皂化后，皂化瀝青7被注入第二反應(yīng)器9中進(jìn)行中和步驟。為實現(xiàn)此目的，向反應(yīng)器9中加入酸8。在另一實施方式中，此中和步驟發(fā)生在反應(yīng)器6(將酸8直接加入反應(yīng)器6)中，即與皂化步驟所用相同的容器中。無論何種方式，該步驟的最終pH值落入5.8至6.3之間是至關(guān)重要的。更高的pH值會造成后續(xù)除水步驟困難。較低的pH值將在儲存和操作過程中催化游離甾醇恢復(fù)其酯化形式，從而將顯著減少游離甾醇的最終產(chǎn)量。優(yōu)選中和在90℃至130℃、更優(yōu)選在100℃至120℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行1至10小時。最優(yōu)選溫度高于100℃。溫度范圍內(nèi)的較高端溫度為優(yōu)選，因為這能降低粘度并使瀝青和酸的混合更有效，從而有利于進(jìn)行更快速的中和。相對于分批中和而言，連續(xù)中和是優(yōu)選的。
酸8可以是簡單的有機(jī)酸如醋酸或甲酸，它們都是可商業(yè)應(yīng)用的?；蛘?，酸8可以是無機(jī)酸如硫酸、鹽酸或磷酸。這些是相對強(qiáng)的無機(jī)酸，并且優(yōu)于弱一些的酸如硼酸。在優(yōu)選的實施方式中，酸8是75％或85％的磷酸或者93～98％的硫酸。
相應(yīng)地，向反應(yīng)器9(或反應(yīng)器6，如果兩個步驟只使用一個容器)中加入足量的酸，使水相pH值在5.8至6.3之間，由此生成中和瀝青10。為了達(dá)到此pH值，需要進(jìn)行監(jiān)控。最優(yōu)選該中和步驟在90℃至105℃溫度范圍內(nèi)劇烈攪拌下進(jìn)行足夠長時間，使pH值落入所需范圍內(nèi)。時間變化很大程度上取決于是間歇反應(yīng)還是連續(xù)反應(yīng)。比如，前者達(dá)到所需pH值只需幾分鐘，而后者需要一個小時或更久。
中和瀝青10被注入沉淀容器11中，并無攪拌地靜置至少12小時或者直至中和瀝青中的水分含量低于15％、優(yōu)選低于10％重量百分比，生成沉淀瀝青13和水相12，后者被清除掉。用Krlki滴定可測量水分含量?；蛘?，該沉淀步驟也可發(fā)生在反應(yīng)器6或9中。關(guān)鍵因素是容器中無攪拌以及瀝青中的水分被充分地減少到至少所述參數(shù)范圍內(nèi)。在最優(yōu)選的實施方式中，沉淀的瀝青13在收集槽14中進(jìn)行二級相分離，除去碎料層15并生成超沉淀的瀝青16。將瀝青再一次無攪拌地靜置2至24小時，時間取決于容器大小和幾何形狀。
盡管在一個或兩個先前的相分離步驟中顯著和關(guān)鍵性地除去了水分，但仍有一些水分殘留在超沉淀瀝青中，在后續(xù)蒸餾步驟之前仍必需除去或基本除去這些水分。因此超沉淀瀝青16被轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器17中，并進(jìn)行真空或常壓汽提，即汽提或蒸發(fā)剩余水分，生成改性瀝青19。在一個實施方式中，反應(yīng)器17中的溫度維持在低于105℃并通過常壓汽提除去水分18。這可以是分批的或連續(xù)的，但后者為優(yōu)選。對該實施方式來說，溫度低于105℃是優(yōu)選的，因為更高的溫度會引起部分甾醇恢復(fù)其酯化形式。在另一個不那么優(yōu)選的實施方式中，通過真空汽提超沉淀瀝青16除去水分18，即加熱瀝青(至約149℃)直至水分含量低于1％。
該水分汽提后，立即冷卻改性瀝青19至溫度低于約80℃，以防止或最小化游離甾醇恢復(fù)為甾醇酯。
將改性瀝青19引入低壓刮膜式蒸發(fā)器21中以除去輕餾分23。這些輕餾分包括在皂化前蒸餾中沒有除去的脂肪酸和松香酸。將含有游離植物甾醇的底部餾分22從蒸發(fā)器21中轉(zhuǎn)移至第二個低壓刮膜式蒸發(fā)器24中。蒸發(fā)器24用于將餾分22中存在的游離植物甾醇蒸餾入輕相餾出液25中。餾出液25還包含脂肪醇、脂肪酸、松香酸和高分子量蠟酯。底部餾分26被儲存起來并可用作燃料或其它工業(yè)原料。
蒸發(fā)器21和24每個中的特定反應(yīng)條件(比如溫度，壓力和停留時間)將根據(jù)瀝青源的特性和類型及所用蒸發(fā)器的類型而變化。這些條件還可能根據(jù)改性瀝青19在引入蒸發(fā)器21前是否“脫氣”而變化。在優(yōu)選的實施方式中，使用脫氣裝置(未在圖中顯示)除去殘留的水和其它輕沸點(diǎn)成分。一般在1000至10,000微米(汞柱)左右和100℃至175℃下操作脫氣裝置。在蒸發(fā)器21中蒸餾條件的優(yōu)選范圍如下溫度為190℃至230℃，壓力為1000至15,000微米。在蒸發(fā)器24中蒸餾條件的優(yōu)選范圍如下溫度為250℃至315℃，壓力為100至5,000微米。
在該兩階段蒸餾過程中，有些因素會顯著增加最終產(chǎn)物的純度。首先，控制向蒸發(fā)器21和24中的進(jìn)料速率很重要，這是為了防止在蒸發(fā)器中可能出現(xiàn)的冷凝管結(jié)垢，保護(hù)真空系統(tǒng)。進(jìn)料速率過高將堵塞冷凝管并導(dǎo)致操作中斷。進(jìn)料速率過低將使本方法沒有商業(yè)可行性。但是，在本領(lǐng)域技術(shù)人員知道如何使這些條件最佳化。
第二，可以通過GC分析來測量對蒸發(fā)器21和24中制備的餾分中甾醇含量的控制，并用這些信息控制溫度和進(jìn)料速率。同樣，在本領(lǐng)域技術(shù)人員知道如何使這些條件最佳化。
將輕相餾出液25引入另一反應(yīng)器27中，在那里進(jìn)行加熱和攪拌，直到在加入的溶劑28中溶解。如上所述，溶劑28可包括醇并可包括水。在超過65℃、更優(yōu)選超過70℃時發(fā)現(xiàn)游離甾醇已經(jīng)有效地溶解，所用溶劑與餾出液的比率為0.5～1.5。也可采用其它溫度，但是當(dāng)溫度降低時，植物甾醇的溶解度會降低。在某種程度上，優(yōu)選的溫度取決于溶劑與餾出液的比率。所用溶劑越多，蒸餾溫度越低，反之亦然。但是，更多的溶劑用量會對產(chǎn)率造成負(fù)面影響，因此必需找到平衡點(diǎn)。在本領(lǐng)域技術(shù)人員知道如何找到該“平衡點(diǎn)”。
當(dāng)出現(xiàn)溶解時，即生成了植物甾醇和植物甾烷醇溶液，其在反應(yīng)器27中冷卻后者，形成結(jié)晶植物甾醇和植物甾烷醇的漿液。通常有效結(jié)晶的溫度可以在0～40℃范圍內(nèi)(雜質(zhì)越多，結(jié)晶所需的溫度越高)。
洗滌冷卻后的漿液29，并將其通過商業(yè)過濾裝置30，其中使用添加的溶劑31是有利的。在優(yōu)選形式中，溶劑31與結(jié)晶步驟中所用的溶劑(溶劑28)相同，在常溫下進(jìn)行溶劑洗滌，并且洗滌比率相對漿液流到裝置30的速率為0.5∶1到1.5∶1。用連續(xù)干燥器干燥，生成純化的植物甾醇和植物甾烷醇32和廢濾液33。
作為本發(fā)明的另一個方面，如圖2所示，回收廢濾液33，在反應(yīng)器34(溶劑回收系統(tǒng))中汽提溶劑35，生成汽提后的濾液36，然后在容器37中進(jìn)行熱處理將任何游離甾醇轉(zhuǎn)化為甾醇酯。然后該回收工藝的產(chǎn)物38與其他原料一起被并行加入到皂化前蒸餾塔2中。
應(yīng)當(dāng)理解，這里描述的整個工藝步驟無論以間歇或連續(xù)的形式都是有效的。
下列實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，當(dāng)然，它們不應(yīng)被視為對本發(fā)明范圍的限制。
實施例1“改性瀝青”的制備將共含有17.1％甾醇(作為脂肪酸酯和松香酸酯)的861g妥爾油瀝青(TOP，B.C.Chemicals，Northwest Canada)、172g NaOH(50％溶液)和640g去離子水加入裝配有機(jī)械攪拌器和電加熱罩的2升實驗室高壓反應(yīng)器(Autoclave Engineers)中。加熱內(nèi)容物至140～160℃并在攪拌下維持1小時。觀察到最終壓力為40～60psig。冷卻該物質(zhì)至95℃并加入124g磷酸(85％)。由于中和，會觀察到輕微的升溫，將該物質(zhì)進(jìn)一步加熱至110℃以利于混合。攪拌該物質(zhì)30分鐘，此后讓它在不攪拌的情況下沉淀2小時，同時維持溫度在100～110℃。降低溫度至95℃并從底部閥門除去水性重相。除去754g澄清的黃色或褐色的主要含有中和鹽的鹽水，直到正好觀察到焦油狀有機(jī)輕相的相界。將1014g含有水解甾醇、脂肪酸和松香酸、殘留水分以及中和鹽的有機(jī)輕相注入帶有冷凝器、攪拌器和電加熱罩的2升3頸玻璃圓底燒瓶中。在攪拌下加熱中和的物質(zhì)至105℃，殘留水分開始沸騰汽化。逐漸升溫至135℃，在此過程中收集到約100ml水。用機(jī)械泵對系統(tǒng)逐漸抽真空。最終真空達(dá)到27in.Hg，在此過程中又收集到另外25ml水。解除真空并收集產(chǎn)物。總共獲得131g汽提水分和879g改性瀝青。改性瀝青的GC分析顯示作為游離醇的甾醇為154mg/g(15.4％)。這樣得到的改性瀝青適合用作高真空蒸餾裝置的給料，以達(dá)到進(jìn)一步富集甾醇組分的目的。
實施例2改性瀝青的蒸餾將實施例1方法制備的改性瀝青加入到實驗室規(guī)模的短程蒸餾裝置(UIC model KD-6，不銹鋼)的進(jìn)料口中。對本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來說，該裝置是熟知的，其由加熱圓柱式蒸發(fā)器和同軸冷凝器組成。機(jī)械真空泵使系統(tǒng)在0.01毫巴至1,000毫巴范圍內(nèi)減壓操作。刮刷裝置(wiper mechanism)將液態(tài)進(jìn)料分散成蒸發(fā)器表面的薄膜，從而使一部分進(jìn)料蒸發(fā)。蒸發(fā)的進(jìn)料通過氣體擴(kuò)散被送到同軸冷凝器表面，在那里被冷凝成此前已知作為餾出液的液相。進(jìn)料未蒸發(fā)的部分，即此前已知的殘渣，通過重力和刮刷的泵作用流到收集點(diǎn)，在那里通過機(jī)械泵方式將它從系統(tǒng)中除去。相似地，收集并移去餾出液。這里描述的裝置提供了基于各種組分不同的沸點(diǎn)和氣液平衡特性將多組分進(jìn)料分離成餾出液和殘渣部分的方法。可采用額外的蒸發(fā)步驟將餾出液和/或殘渣分離成進(jìn)一步的餾分。這些額外步驟可通過使用額外的短程蒸餾裝置或?qū)⑺桊s分分批通過單級短程單元實現(xiàn)。
將約1加侖改性瀝青(約3,500g)連續(xù)地加入在160～180℃、3～5毫巴壓力范圍內(nèi)操作的加熱蒸發(fā)器中。進(jìn)料速率約為3,500g/hr。餾出液與殘渣的比率達(dá)到5∶95。這樣將進(jìn)料初分離成約2～10％的各餾出液部分和相應(yīng)的90～98％的殘渣部分是有利的，因為這除去了在先前干燥步驟中未除去的低水平殘留水分，并且還分離了瀝青中不利于隨后蒸餾和提純步驟的某些低沸點(diǎn)組分。該初分離的餾出液與殘渣的最佳比率(即此前已知的預(yù)分割)根據(jù)進(jìn)料中的這些輕沸點(diǎn)物的水平而變化。預(yù)分割中采取的相對緩和的條件和餾出液的低質(zhì)量份使得甾醇只有最低限度的損失。
預(yù)分割操作中獲得的95％殘渣部分被再次加入到短程蒸餾裝置中。采用的蒸發(fā)器溫度在240～260℃范圍內(nèi)、壓力在0.5～1.5毫巴范圍內(nèi)，使得餾出液與殘渣的比率達(dá)到約40∶60。該標(biāo)稱的40％餾出液部分是可變化的，必需根據(jù)不同的妥爾油瀝青原料用試驗來確定。在本實施例中，用GC分析該標(biāo)稱的40％餾出液部分，結(jié)果含有28.2％游離甾醇。這樣獲得的餾出液適用于隨后的溶劑結(jié)晶提純。應(yīng)理解，餾出液部分中更高的甾醇回收率是可能的，但是餾出液中存在的共沸雜質(zhì)的水平也會提高，這會對最終得到的產(chǎn)物的純度有不利影響。
實施例3 甾醇富集餾出液的結(jié)晶在250ml Erlenmeyer燒瓶中，將40.0g實施例2中得到的標(biāo)稱40％餾出液與含80％甲醇和20％異丙醇的溶劑混合物混合。在電爐上加熱混合物至剛剛低于沸點(diǎn)(約60～65℃)，使餾出液完全溶于溶劑，得到無可見固體的澄清甘汞色液體。在間歇攪拌下，使溶液冷卻至室溫(約20～25℃)。在約55℃時，溶液迅速變?yōu)槌砘臐{狀，其中開始形成針狀晶體。用布氏漏斗真空過濾室溫的漿液，并且用兩份30ml的溶劑混合物洗滌所得濾餅。在真空烘箱中70℃下干燥有光澤的白色晶體1小時，得到8.3克干燥產(chǎn)品。GC分析顯示有96.3％的甾醇。熔點(diǎn)為138.3℃。
實施例4 改性瀝青的工業(yè)規(guī)模制備在類似于實施例1的方法中，將13,304磅妥爾油瀝青(TOP，B.C.Chemicals，Northwest Canada)、2460磅苛性堿液(50％工業(yè)級)和10,350磅水(城市用水)加入4000加侖的不銹鋼反應(yīng)器中。用內(nèi)加熱盤管的蒸汽壓力加熱反應(yīng)器，在一個小時內(nèi)使最終溫度達(dá)到292°F。維持此溫度3小時。維持適度的攪拌，以確保所有相保持良好的分散。用內(nèi)管盤的冷卻水在一個小時內(nèi)降低溫度至約200～210°F。注入2589磅75％的磷酸。加入酸后維持混合一個小時。沉淀30分鐘后，從反應(yīng)器底部出口處取水性試樣。試樣的pH值為5.9。將中和的皂化物料轉(zhuǎn)移到16,000加侖沉淀槽中。制備第二批同樣皂化并中和的物料并且轉(zhuǎn)移到沉淀槽中。將兩批物料一起沉淀12小時。在沉淀過程中，溫度維持在190～200°F。沉淀結(jié)束后，從槽中排出鹽水重相，同時操作員監(jiān)控觀察孔，注意相界面。共除去4985加侖鹽水水層。從剩余的有機(jī)層中取樣，通過Karl Fischer滴定測量水分含量，顯示水分含量為4.2％。用內(nèi)加熱盤管的蒸汽壓力在常壓下加熱有機(jī)層，最終溫度達(dá)到235°F。閃蒸殘留的水分并用頂置式冷凝器進(jìn)行冷凝。汽提時間約為2小時。取改性瀝青的最終試樣，顯示水分含量為0.98％。進(jìn)一步的氣相色譜分析顯示共有16.84％的甾醇(酯和醇一起)和15.16％的游離甾醇(僅醇形式)。
實施例5 改性瀝青的工業(yè)規(guī)模蒸餾將如實施例4制備的改性瀝青連續(xù)給料到兩級短程蒸餾體系(UICKD-1200，蒸發(fā)器表面積12m2)。該體系逐次連接，從第一級出來的殘渣(重)流被進(jìn)料至第二級。用熱油循環(huán)系統(tǒng)控制蒸發(fā)表面的溫度。用溫和的水循環(huán)系統(tǒng)分別控制每一級的冷凝表面。用裝配有2級羅茨式增壓器的機(jī)械真空泵分別對任一階段施加真空。在進(jìn)入第一蒸發(fā)器階段前，用閃蒸罐將殘留水分和溶解的氣體從進(jìn)料中脫除。在閃蒸之前，用蒸汽加熱套和管式熱交換器加熱進(jìn)料至溫度高于其儲存溫度。下列工藝參數(shù)是在24小時連續(xù)期間的平均值進(jìn)料溫度278°F進(jìn)料速率33.5磅/分鐘蒸發(fā)器1的溫度380°F蒸發(fā)器1的壓力4.5mm Hg絕對冷凝器1的溫度75°F餾出液1的流速3.4磅/分鐘殘渣1的流速30.1磅/分鐘蒸發(fā)器2的溫度511°F蒸發(fā)器2的壓力1.6mm Hg絕對冷凝器2的溫度113°F餾出液2的流速13.6磅/分鐘殘渣2的流速16.5磅/分鐘接著用GC分析這樣獲得的第二蒸發(fā)器產(chǎn)生的餾出液，發(fā)現(xiàn)含有22.6％游離甾醇。
實施例6 甾醇富集餾出液的工業(yè)規(guī)模結(jié)晶將20,000磅如實施例5制備的甾醇富集餾出液加入到6,500加侖夾套式不銹鋼攪拌釜反應(yīng)器中。同樣地加入20,000磅由80％甲醇和20％異丙醇組成的溶劑混合物。在適度攪拌下，通過在夾套中通入蒸汽壓加熱混合物至160°F，并維持1小時。將加熱的混合物以100磅/分的速率進(jìn)料到不銹鋼結(jié)構(gòu)的兩級連續(xù)刮面結(jié)晶器(Armstrong)中。通過在夾套中通入平均溫度為78°F的冷卻塔水冷卻第一級結(jié)晶器。第二級夾套連接著維持在45°F的冷卻水系統(tǒng)。結(jié)晶器之間的平均級間溫度為122°F。平均出口溫度為85°F。在配有攪拌器和循環(huán)泵的6,500加侖不銹鋼緩沖槽中收集這樣結(jié)晶的漿液。將漿液以35磅/分的平均速率加入到連續(xù)的汽密真空帶式過濾器(Pannevis)。過濾器的真空作用使甾醇晶體從母液中分離。使用各種裝置如溢流堰和噴桿用新鮮溶劑洗滌濾餅。在由旋轉(zhuǎn)氣閥將濾餅從過濾器卸下前，洗滌和干燥濾餅至平均濕度為30～40％。卸下的濕濾餅被直接進(jìn)料至連續(xù)的旋轉(zhuǎn)盤式干燥器(Wyssmont Turbo-Dryer)中，在那里除去殘留的溶劑至其水平＜1％。由第二個旋轉(zhuǎn)氣閥從干燥器中取出干燥的甾醇晶體，可將它們收集在適當(dāng)?shù)娜萜髦谢蜻M(jìn)一步加工。在這里，得到3088磅干燥的甾醇晶體粉末。GC分析顯示有96.2％的甾醇。甾醇熔點(diǎn)為138.4℃。
權(quán)利要求
1.一種從妥爾油瀝青中分離和提純植物甾醇和植物甾烷醇的方法，包括a)將瀝青加入第一蒸餾塔；b)蒸餾瀝青，除去多余的松香酸和脂肪酸，形成經(jīng)過蒸餾的瀝青；c)用一種或多種堿金屬堿的水溶液皂化經(jīng)過蒸餾的瀝青，形成皂化瀝青；d)用足以使最終pH值達(dá)到5.8至6.3之間的量的酸中和皂化瀝青，形成中和瀝青；e)使中和瀝青相分離至少12小時、或者直至相分離中瀝青的水分含量低于15％，形成沉淀的瀝青和水相；f)從沉淀的瀝青中除去基本上所有剩余水分，形成改性瀝青；g)在第二蒸餾塔中蒸餾改性瀝青，從改性瀝青中除去輕餾分，生成含游離植物甾醇和/或植物甾烷醇的底部餾分；h)在第三蒸餾塔中只蒸餾底部餾分，生成含游離植物甾醇和/或植物甾烷醇的輕相餾出液；i)僅將輕相餾出液溶解在含至少一種醇的溶劑中，生成植物甾醇和/或植物甾烷醇的溶液；j)冷卻該溶液，形成結(jié)晶植物甾醇和/或植物甾烷醇結(jié)晶的漿液；和k)洗滌、過濾和干燥漿液，將結(jié)晶的植物甾醇和/或植物甾烷醇與濾液分離。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟b)中，蒸餾瀝青使酸值低于40。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟b)中，蒸餾瀝青使酸值低于30。
4.權(quán)利要求1的方法，其中步驟b)、g)和h)中的蒸餾塔選自短程蒸餾塔、刮膜式蒸發(fā)塔、薄膜式蒸發(fā)塔和分子蒸餾塔。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟b)，g)和h)中的蒸餾塔是刮膜式蒸發(fā)塔。
6.權(quán)利要求1的方法，其中向第一蒸餾塔內(nèi)提供額外的并行進(jìn)料，所述進(jìn)料為來自步驟k)的濾液，其特征在于濾液經(jīng)過預(yù)處理汽提溶劑并將其中基本上所有的游離甾醇轉(zhuǎn)化為甾醇酯。
7.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟d)中，在超過100℃的溫度下中和皂化瀝青1至10小時。
8.權(quán)利要求1的方法，其中步驟c)和d)在同一反應(yīng)容器中進(jìn)行。
9.權(quán)利要求1的方法，其中步驟d)在劇烈攪拌下進(jìn)行。
10.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟d)中酸和瀝青被混合。
11.權(quán)利要求1的方法，其中步驟e)在無攪拌下進(jìn)行。
12.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟e)后提供一個額外步驟，其包括對水相進(jìn)行第二次相分離。
13.權(quán)利要求1的方法，其特征在于步驟f)中的從沉淀瀝青中除去基本上所有剩余水分以形成改性瀝青的步驟包括，使用水分汽提，其中壓力不超過大氣壓并且溫度低于105℃。
14.權(quán)利要求13的方法，其中a)在水分汽提后，溫度冷卻至80℃或更低；和b)如果在步驟g)開始前要儲存改性瀝青，則溫度進(jìn)一步降低至60℃或更低。
15.權(quán)利要求1的方法，其中堿金屬堿選自氫氧化鈉、氫氧化鉀或其結(jié)合。
16.權(quán)利要求1的方法，其中無機(jī)酸選自硫酸、鹽酸、磷酸或它們的任意結(jié)合。
17.權(quán)利要求1的方法，其中步驟i)中的溶劑包括低分子量單羥基醇或其醋酸酯。
18.權(quán)利要求17的方法，其中醇選自甲醇，乙醇和異丙醇及其醋酸酯。
19.權(quán)利要求1的方法，其中步驟i)中的溶劑選自酮和C1至C8烴，或其混合物。
20.由權(quán)利要求1的方法制備的物質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從妥爾油樹脂中分離和提純植物甾醇和植物甾烷醇的方法，包括以下步驟a)將樹脂加入第一蒸餾塔；b)蒸餾樹脂，除去多余的松香酸和脂肪酸，形成蒸餾的樹脂；c)用一種或多種堿金屬堿的水溶液皂化蒸餾的樹脂，形成皂化的樹脂；d)用足以使最終pH值達(dá)到5.8至6.3之間的量的酸中和皂化的樹脂，形成中性樹脂；e)使中性樹脂相分離至少12小時、或者直至相分離中樹脂的水分含量低于15％，形成沉淀的樹脂和水相；f)從沉淀的樹脂中除去幾乎所有剩余水分，形成改性樹脂；g)在第二蒸餾塔中蒸餾改性樹脂，以便從改性樹脂中除去輕餾分，生成含游離植物甾醇和/或植物甾烷醇的底部餾分；h)在第三蒸餾塔中只蒸餾底部餾分，生成含游離植物甾醇和/或植物甾烷醇的輕相餾出物餾分；i)僅將輕相餾出物溶解在含至少一種醇的溶劑中餾分，生成植物甾醇和/或植物甾烷醇的溶液；j)冷卻該溶液，形成植物甾醇和/或植物甾烷醇結(jié)晶的灰漿。
文檔編號C11B3/06GK1639184SQ03804912
公開日2005年7月13日 申請日期2003年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月28日
發(fā)明者邁克爾·E·舒爾茨, 威廉·E·索尼爾 申請人:福布斯梅迪泰克公司