説明

エステル交換プロセスのための改良された触媒

【課題】脂肪酸のグリセリントリエステルであるトリグリセリドから、エステル交換反応によって、より有用なエステルを安価に製造する方法を提供する。
【解決手段】焼成によって得られる炭酸カルシウムを含んでなる固体不均一系触媒を用いることにより、脂肪酸のグリセリントリエステルであるトリグリセリドから、エステル交換反応によって、より有用なエステルを製造する方法であり、特にバイオディーゼルを得る方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は固体不均一触媒を用いることにより、トリグリセリドからエステルを製造する方法、特にバイオディーゼルを得る方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンにおける燃料として使用されるバイオディーゼルは、脂肪族アルコールを用いたトリグリセリドのエステル交換反応、およびそれに続くグリセリン副生成物からの分離により得られる脂肪酸のエステルの混合物で構成される。
バイオディーゼルを製造するエステル交換反応は、触媒として、例えば、NaOH、KOH、NaOCHおよびKOCHのようなアルカリ金属の塩基を用いて概して行われる。
【0003】
現在バイオディーゼルのコストは石油由来のディーゼル燃料のコストよりも高く、よってより低コストのバイオディーゼル燃料をもたらすプロセスの改良が興味の対象である。
【0004】
バイオディーゼルプロセスを向上させる一方法は、一定のまたは向上した水準の性能を維持しつつ、反応のための相対的により安価な物質を使用することである。より安価な触媒を使用するこのような試みの一つは、国際公開第WO2006/134845号に開示されており、この文献はバイオディーゼル燃料の製造のための固体塩基触媒の使用を開示する。この文献は、相対的に安価なCaO物質のエステル交換触媒としての使用をさらに開示する。この触媒に関する問題は、エステル交換反応工程におけるバイオディーゼル生産の連続的運転において、その物質が膨張し、反応物質の流れについての問題を引き起こし、かつ圧力低下を生じさせることである。さらに、時間の経過による触媒物質の膨張は微細な懸濁物を生じさせ、これがエステル相とグリセリン相とを分離するのを困難にし、そして充填床反応器が使用される場合には最終的に反応装置の閉塞および損傷を生じさせうる。さらに、国際公開第WO2006/134845号における触媒の合成は空気に対して感受性であり、窒素またはヘリウム雰囲気下で製造されなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第WO2006/134845号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、不活性ガス下で製造されることを必要とせず、かつ時間の経過によって潜在的に製造装置を害することなしに連続的に運転されうる、部分的に焼成された石灰石物質に由来する固体不均一触媒を使用することによりトリグリセリドからエステルを安価に製造する方法を提供することにより、当該技術分野の課題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
よって、本発明の第1の態様においては、焼成された炭酸カルシウム混合物を含む固体不均一エステル交換触媒組成物であって、前記焼成された炭酸カルシウム混合物が、
i)350〜500Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて70〜95%の範囲の量で混合物中に存在する炭酸カルシウム;
ii)50〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜30%の範囲の量で混合物中に存在する酸化カルシウム;および
iii)110〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜25%の範囲の量で混合物中に存在する水酸化カルシウム;
を含む、固体不均一エステル交換触媒組成物が提供される。
本発明の第2の態様においては、
i)少なくとも95%の炭酸カルシウムを含む石灰石物質を提供し;
ii)前記石灰石物質を少なくとも600℃の温度で、空気下で、2時間以下の期間焼成し、ただし、当該焼成は不活性ガス下で行われない;
ことを含む、固体不均一エステル交換触媒組成物を製造する方法が提供される。
第3の態様においては、
i)焼成された炭酸カルシウム混合物を含む固体不均一エステル交換触媒組成物であって、前記焼成された炭酸カルシウム混合物が、
a)350〜500Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて70〜95%の範囲の量で混合物中に存在する炭酸カルシウム;
b)50〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜30%の範囲の量で混合物中に存在する酸化カルシウム;および
c)110〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜25%の範囲の量で混合物中に存在する水酸化カルシウム;
を含む、固体不均一エステル交換触媒組成物を提供し;
ii)トリグリセリドおよび脂肪族アルコールを含む反応混合物を提供し;並びに
iii)反応混合物を固体不均一エステル交換触媒組成物と接触させ、反応混合物が反応して生成物を形成し、当該生成物が脂肪族アルコール、バイオディーゼルおよびグリセロールを含有する;
ことを含む、脂肪酸とグリセリンとのエステルを製造する方法が提供される。
【発明を実施するための形態】
【0008】
他に示されない限りは、全てのパーセンテージは重量パーセンテージであり、全ての温度は℃単位である。本発明の焼成石灰石触媒の重量パーセンテージは乾燥樹脂を基準にする。
【0009】
「アルキル」基は、1〜20の炭素原子を有する線状、分岐または環式配置の飽和ヒドロカルビル基である。アルキル基上でのハロ、ヒドロキシ、アルコキシまたはニトロ基の1以上の置換が可能であり;可能であれば、アルコキシ置換基にはさらに1以上のハロ置換基が置換されていてよい。好ましくは、アルキル基はハロ置換基を有さず、ある好ましい実施形態においてはアルキル基は非置換かつ非環式である。
【0010】
本発明において使用される「トリグリセリド」は脂肪酸のグリセリントリエステルを含む脂肪または油である。好ましくは、トリグリセリドは植物油の形態であるが、動物脂肪も出発物質として使用されてもよい。トリグリセリドは遊離脂肪酸を含むこともできる。脂肪酸は8〜20の炭素原子を含む非環式脂肪族炭素環式酸であり;典型的には脂肪酸は12〜18の炭素原子を含み;炭素−炭素結合については、脂肪酸は飽和、1不飽和または多不飽和(典型的には、2または3つの炭素−炭素二重結合)でありうる。天然脂肪は少量の他のエステル化されたまたは遊離脂肪酸、並びに少量(1〜4%)のリン脂質、例えば、レシチン、および非常に少量(1%未満)の他の化合物、例えば、トコフェロールも含むことができる。
【0011】
本発明の固体不均一触媒は、本明細書において焼成石灰石とも称される焼成された炭酸カルシウム(CaCO)を含む。焼成前の本発明の石灰石物質は少なくとも95重量%のCaCOを含む。焼成石灰石は少なくとも600℃の温度で焼成されている。あるいは、石灰石は700℃を超える温度で、または800℃を超える温度で焼成される。
【0012】
本発明の固体不均一触媒は、先行文献に記載される窒素またはヘリウムのような不活性ガスを添加する必要なしに、空気下で焼成されている。触媒は焼成中一定の温度で保持されうる。このような保持時間は2時間以下、あるいは1時間以下であり得る。有利なことに、この触媒を製造するのに必要な焼成のための保持時間の低減は、エネルギー消費を低減させ、かつエステル交換プロセス全体の費用効果を高める。
【0013】
有利なことに、本発明の方法で使用される石灰石触媒は、一旦焼成されたら、3つの成分:酸化カルシウム(CaO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、および炭酸カルシウム(CaCO)の組み合わせを含む。
【0014】
それぞれの成分の重量%はXRD(X線回折法)によって測定されうる。本発明の触媒は70〜95%、あるいは70〜85%、あるいは75〜80%の量で変動するCaCOを含む。さらに、触媒は、25%未満、あるいは20%未満、あるいは15%未満の量でCaOを含むが、5%未満の場合はない。Ca(OH)は5%未満の量で存在する。これらの範囲は、充填床反応器におけるバイオディーゼル連続生産中の過剰な体積変化を回避するのを助ける。
【0015】
本発明において使用される触媒は0.1〜10.0m/g、あるいは0.5〜5.0m/gの表面積;0.001〜0.005m/g、あるいは0.002〜0.003m/gの細孔容積;70〜500Å、あるいは200〜300Åの細孔サイズ;および100μmを超える、あるいは400μmを超える、あるいは800μmを超える粒子サイズによって特徴づけられる。さらに、触媒の成分はそれぞれ、CaCO(350〜500Å)、CaO(50〜300Å)、Ca(OH)(110〜300Å)の範囲の平均結晶サイズを有する。本明細書において使用される場合、「平均結晶サイズ」はX線回折(XRD)方法により得られるデータに基づいたシェラーの式(Scherrer Equation)によって推定される結晶サイズを意味する。
【0016】
本発明に従った方法は特に、トリグリセリドを脂肪族アルコールと混合する工程、混合物を本発明の固体触媒と接触した状態に配置する工程、次いで反応温度に加熱する工程を含む。
【0017】
具体的には、本発明の方法は、約60/40、あるいは75/25、あるいは90/10の(トリグリセリド)g/(アルコール)gの比率で、トリグリセリドを脂肪族アルコールと混合することを含む。
【0018】
本発明の反応混合物は当業者に知られた反応器系に供給されうる。好適な反応器系の例としては、単一攪拌型反応器、直列の連続攪拌型反応器(CSTR)またはプラグフロー反応器があげられるがこれに限定されない。
【0019】
充填床反応器の場合には、アルコールおよびトリグリセリドが混合され、次いでカラムに供給される。LHSV(h−1)(Linear Hourly Space Velocity=触媒の体積/液体の流速)は、0.01より大きく2まで、あるいは0.50より大きく、あるいは2より大きい範囲である。
【0020】
本発明のある実施形態においては、反応カラムは50℃〜150℃の範囲の温度に加熱される。その温度が少なくとも50℃である、あるいは少なくとも65℃である、あるいは90℃を超える場合、反応混合物は充填床カラムを通って供給される。当業者に知られたあらゆる方法が、充填床カラムを通して混合物を供給するために使用されうる。
【0021】
本発明のある実施形態においては、カラムからの流出物は濾過され、デカントされて、2つの別個の層が得られる。層1は、概して、大部分アルコールからなる。層2は、概して、大部分バイオディーゼル燃料およびグリセロール副生成物からなる。流出物は次いで蒸留されてアルコールを除去することができる。回収されたアルコールは場合によってはこのプロセスで再使用されうる。アルコールが除かれた後、別の2つの別個の層が得られる。上層は主としてバイオディーゼル燃料を含み、下層は主としてグリセロール副生成物を含む。エステル交換反応から得られるグリセロールは別の液相の部分として、または他の好適な分離技術、例えば、遠心分離、蒸留によって除かれることができ、他の方法によってUSPグレードまで精製されうる。
【0022】
この2層は次いで分離される。ある実施形態においては、得られる反応混合物は高度に(97%を超えて)バイオディーゼルに変換されており、このバイオディーゼルは単離され、当業者に知られた方法を用いてさらに精製されうる。一種以上のイオン交換樹脂が場合によって使用されて、残留するグリセロール、並びにおよびNa、K、MgおよびCaのようなカチオンを除去し、高められた純度のバイオディーゼル生成物を生じさせることができる。得られたバイオディーゼルは、最低限のASTM D6584基準グレードを満たす純度を有する。
【0023】
本発明による方法は、エステル相に存在する未反応のグリセリドのエステル交換の追加の工程を含むこともできる。
【0024】
本発明に従った方法において、反応は回分様式または連続様式で、当業者に知られた反応器において行われうる。好適な反応器の種類には、攪拌または固定−床反応器があげられるがこれに限定されない。
【0025】
次の実施例は本発明を例示するのに好適であり、本発明の範囲を制限するものとして考慮されてはならない。
【実施例】
【0026】
連続運転中のカラム内の体積膨張測定
体積膨張測定:我々の実験において使用されたカラムはガラスカラムであった。使用されたガラスカラムの内径は2.5cmであった。床の高さは時間で測定され、床を通過した液体のベッドボリューム(bed volume)に対する体積膨張%のプロットが報告された。
【0027】
ガスクロマトグラフィー(GC)方法
GC方法は、トリグリセリドからバイオディーゼルへの相対的な変換を計算するために使用される。クロマトグラフィー条件は次の通りであった:
カラム:15m×0.53mm内径、0.25μ膜厚、RTX−1(メチルシリコーン)、
温度プログラム:50(1)−15℃/分−350(10)、
インジェクション:1:1スプリットw/フォーカスライナー含有ガラスウール、
インジェクション温度:260℃、
検出器温度:300℃、
キャリアガスフロー:ヘリウム、15ml/分、6psi背圧、1:1スプリット、
パージフロー:24ml/分、
インジェクション体積:1マイクロリットル、
検出器:FID、Hフロー30ml/分、空気300ml/分、
メークアップフロー:15ml/分。
【0028】
サンプル製造:反応器またはカラムからの反応混合物は45μmスクリーンのフィルターを通してふるいにかけられ、秤量され、サンプルと等量のTHFが添加された。100mgのサンプルが空のバイアルに入れられ、室温で10分間蒸発させられ、10ml(80/20 ヘプタン/THF)溶液を添加し、1mlの溶液をオートサンプラーバイアルに入れ、そのバイアルはキャップされた。50μLの誘導体化剤(derivatizing agent)(MSTFA:N−メチル−N−トリフルオロアセトアミド)がバイアルに注入された。混合物はGCインジェクションの前に20分間攪拌され、反応させられた。
変換率計算:トリグリセリド、ジグリセリドおよびモノグリセリドから得られた重量%は脂肪酸メチルエステル(FAME)重量%に対する比率である。変換率は以下のように表される:変換率(%)=(MGL重量%+DGL重量%+TGL重量%)/(FAME%)100。
MGL=モノグリセリド、DGL=ジグリセリド、TGL=トリグリセリド、およびFAME=脂肪酸エステル。
ASTM D6584−バイオディーゼルの品質基準。
【0029】
X線蛍光(XRF)
石灰石サンプルはPANalytical、Almelo、オランダのフィリップス/PANalitical PW2404波長分散型X線蛍光分光計を用いて分析された。サンプルは110℃で一晩乾燥させられた。約1〜1.5gのそれぞれのサンプルはポリプロピレン膜を有するXRFサンプルカップに秤量され、ヘリウム下で分析された。結果は、スタンダードレス定量パッケージである、オメガデータシステム(オランダ、Neptunus 2 NL−5505 NH Veldhoven)のUniquantソフトウェアパッケージを用いて計算された。結果は、元素がCa以外の酸化物形態(CaCOであると仮定される)で存在していたと仮定して計算された。サンプルは全て無機であるとも仮定される。XRFにおいて、x線ビームはサンプル上に焦点を当てられ、これは内殻電子を動かし;外殻電子が内殻電子と置き換わり、このプロセス中に、それらの間のエネルギー差に等しい光(または蛍光)を放射する。放射された光の波長は各元素に対して独自であり、放射された光の強度は元素の濃度に比例する。波長分散型XRF分光計は回折結晶を使用し、放射された光の様々な波長を分離する。
【0030】
実施例
実施例1:
次の手順によって石灰石チップが焼成され、エステル交換触媒を製造した。0.4〜0.7mmの乾燥石灰石チップ150gが800℃で6時間空気下で焼成され、6時間で60℃に冷却されて充填された。表1.0を参照。
実施例2:
次の手順によって石灰石チップが焼成され、エステル交換触媒を製造した。0.4〜0.7mmの乾燥石灰石チップ150gが800℃で2時間空気下で焼成され、6時間で60℃に冷却されて充填された。表1.0を参照。
実施例3:
次の手順によって石灰石チップが焼成され、エステル交換触媒を製造した。0.4〜0.7mmの乾燥石灰石チップ150gが800℃で1時間空気下で焼成され、6時間で60℃に冷却されて充填された。表1.0を参照。
【0031】
【表1】

表1.0はX線回折によって計算された、存在するCaO、CaCOおよびCa(OH)の量を示す。
【0032】
実施例4:1時間、2時間および6時間焼成された石灰石のバッチ試験
1gの焼成された石灰石チップ(実施例1、2および3)が5gのメタノールおよび5gのキャノーラ油と混合された。混合物は管内で製造され、その管は閉じられた。その管は次いで加熱浴シェーカーに挿入された。密封された管は85℃で2時間反応させられた。2時間後、管は浴から取り出され、水で冷却された。次いで、管の内容物が45μmふるいで濾過された。GCサンプル製造および得られた変換率は表2.0に報告される。
【0033】
【表2】

【0034】
実施例5:連続試験
65mlの焼成石灰石触媒(実施例1、2および3)がカラムに入れられた。50/50(g/g)のメタノール−キャノーラ油の溶液が1ml/分の流速で85℃でカラムを通るように供給された。全部で42ベッドボリューム(BV)の油が触媒床を通過した。LHSV油=0.54h−1
3つのカラムの結果は次の表にある。
【0035】
【表3】

【0036】
【表4】

【0037】
【表5】

【0038】
注:実施例1は運転の終わりにおいて、過剰な圧力(53psi)を有していた。これは、カラム内側の触媒の過剰な膨張による流れの閉塞に対応していた。
【0039】
実施例6:バイオディーゼルの精製
実施例5からのカラム流出物4リットルが45μmふるいを通して濾過され、2層が得られた。メタノールは蒸留され、2層が観察された。下層はグリセロールであり、上層はバイオディーゼルであった。下層が分離された。上層はAmberlite(商標)BD10樹脂のカラムを通してさらに精製された。得られるバイオディーゼルは高品質であって、全グリセリン(規格0.24%未満)、遊離グリセリン(規格0.02%未満)、酸価(0.02mgKOH/g未満)、NaおよびK(5ppm未満)、CaおよびMg(5ppm未満)のような実際のASTM D6584パラメータを満足する。
全グリセリン:0.0%(重量/重量)
遊離グリセリド:0.16%(重量/重量)
酸価:0.02mgKOH/g
Na+K(ppm):1ppm
Mg+Ca(ppm):3ppm
【0040】
実施例7:連続試験−カラム−低いメタノール添加
40mlの焼成石灰石触媒(実施例1、2および3)がカラム内に入れられた。30/70(g/g)のメタノール−キャノーラ油の溶液が1ml/分の流速で65℃でカラムに通るように供給された。全部で42ベッドボリューム(BV)の油が触媒床を通った。LHSV油=1.05h−1
全ての流出物が容器に集められた。GCによる全変換率は97.8%であった。
【0041】
【表6】

【0042】
バイオディーゼルの品質:
全グリセリン:0.0%(重量/重量)
遊離グリセリド:0.14%(重量/重量)
酸価:0.03mgKOH/g
Na+K(ppm):2ppm
Mg+Ca(ppm):2ppm

【特許請求の範囲】
【請求項1】
焼成された炭酸カルシウム混合物を含む固体不均一エステル交換触媒組成物であって、
前記焼成された炭酸カルシウム混合物が
i)350〜500Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて70〜95%の範囲の量で混合物中に存在する炭酸カルシウム;
ii)50〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜25%の範囲の量で混合物中に存在する酸化カルシウム;および
iii)110〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜25%の範囲の量で混合物中に存在する水酸化カルシウム;
を含む、固体不均一エステル交換触媒組成物。
【請求項2】
混合物中の炭酸カルシウム含有量が少なくとも75重量%である、請求項1に記載の固体不均一エステル交換触媒組成物。
【請求項3】
i)少なくとも95%の炭酸カルシウムを含む石灰石物質を提供し;
ii)前記石灰石物質を少なくとも600℃の温度で、空気下で、2時間以下の期間焼成し、ただし、当該焼成は不活性ガス下で行われない;
ことを含む、固体不均一エステル交換触媒組成物を製造する方法。
【請求項4】
i)焼成された炭酸カルシウム混合物を含む固体不均一エステル交換触媒組成物であって、前記焼成された炭酸カルシウム混合物が、
a)350〜500Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて70〜95%の範囲の量で混合物中に存在する炭酸カルシウム;
b)50〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜30%の範囲の量で混合物中に存在する酸化カルシウム;および
c)110〜300Åの範囲の平均結晶サイズを有し、混合物の全重量に基づいて5〜25%の範囲の量で混合物中に存在する水酸化カルシウム;
を含む、固体不均一エステル交換触媒組成物を提供し;
ii)トリグリセリドおよび脂肪族アルコールを含む反応混合物を提供し;並びに
iii)反応混合物を固体不均一エステル交換触媒組成物と接触させ、反応混合物が反応して生成物を形成し、当該生成物が脂肪族アルコール、バイオディーゼルおよびグリセロールを含有する;
ことを含む、脂肪酸とグリセリンとのエステルを製造する方法。
【請求項5】
脂肪族アルコールおよびグリセロールをバイオディーゼルから分離し、トリグリセリド、バイオディーゼル生成物および脂肪族アルコールを含む第2の反応混合物を、固体不均一エステル交換触媒組成物の存在下で反応させることをさらに含む、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記反応が50℃〜150℃の温度で行われる、請求項4に記載の方法。
【請求項7】
反応が連続的に起こる、請求項4に記載の方法。
【請求項8】
イオン交換樹脂を用いて、バイオディーゼル生成物を精製することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
【請求項9】
焼成された炭酸カルシウムが空気下で2時間未満の期間焼成されていた、請求項4に記載の方法。

【公開番号】特開2010−120011(P2010−120011A)
【公開日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2009−237220(P2009−237220)
【出願日】平成21年10月14日(2009.10.14)
【出願人】(590002035)ローム アンド ハース カンパニー (524)
【氏名又は名称原語表記】ROHM AND HAAS COMPANY
【Fターム(参考)】