專利名稱：通過結(jié)晶純化乳酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種純化乳酸的方法，以在單一結(jié)晶步驟中產(chǎn)生按質(zhì)量計比表面積小于0. 05m2/g的乳酸晶體。相關(guān)技術(shù)描述眾所周知，乳酸或2-羥基丙酸，是一種α-羥基羧酸，可通過發(fā)酵制得。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道獲得乳酸的進一步制程，通過石化試劑的化學(xué)轉(zhuǎn)化，例如由乙醛獲得的乳腈水解，丙酸的氯化和水解，或者通過丙烯硝化而得。人們也知道，乳酸被發(fā)現(xiàn)有兩種非對映體結(jié)構(gòu)形式，L(+)形式和(D-)形式，乳酸每天都會遇到新應(yīng)用，從傳統(tǒng)用作食物防腐劑到新應(yīng)用開發(fā)，例如合成溶劑、殺蟲劑、除莠劑、可生物降解聚合物等等。然而，由于必備的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格以及實現(xiàn)生產(chǎn)成本與商品市場相適應(yīng)的需求，在維持品質(zhì)水平能迎合最嚴(yán)格要求的同時能夠減少能源消耗是至關(guān)重要的。此外，在下，控制或者減少工業(yè)制程的能源消耗是特別有益于當(dāng)前環(huán)境壓力和對化石能源限制的大
曲旦冃足°人們也知道，除了其他之外，乳酸的純度是通過測量在環(huán)境溫度下的色度(美國公共衛(wèi)生協(xié)會(APHA)標(biāo)準(zhǔn)，單位Hazen)以及通過由測量200°C溫度下加熱回流兩小時后的物質(zhì)的色度(APHA標(biāo)準(zhǔn)，單位Hazen)構(gòu)成的熱穩(wěn)定性測試來計算。當(dāng)冷卻到周圍環(huán)境溫度后乳酸溶液的色度不超過50HaZen，此乳酸溶液通常認(rèn)為是熱穩(wěn)定的。然而，對于某些特定應(yīng)用，例如用于生產(chǎn)聚乳酸，乳酸應(yīng)具有非常高純度和非常低的熱穩(wěn)定指數(shù)，通常小于50HaZen或者在某些情況下小于30HaZen。當(dāng)聚乳酸的分子量大于 1000，000道爾頓(Dalton)時即構(gòu)成“聚合物”級別，正如在EP 1953234A1專利文獻(xiàn)中說明的那樣。此外，先前技術(shù)詳細(xì)描述了由富含乳酸的發(fā)酵汁中進行熱穩(wěn)定級別乳酸的工業(yè)純化能使用多種技術(shù)來實現(xiàn)，這些技術(shù)通常包括共同步驟眷凈化發(fā)酵，需要(離心，絮凝/過濾，微濾，等等) 除去離子(電滲析，離子交換樹脂，液/液萃取，等等) 除去色彩或其他雜質(zhì)(膜過濾，活性炭，等等) 濃縮/蒸餾乳酸這些步驟相結(jié)合，獲得高產(chǎn)率。這些純化方法例如在專利(US6489508，US5681728，US7244596)中有描述。用這些技術(shù)來純化乳酸時，該乳酸濃度大于85 %，特定色度大于500HaZen，并來源于發(fā)酵，從目前來看，需要使用至少一個蒸餾步驟制得熱穩(wěn)定級別的乳酸。這些類型的方法不利在于需要大量能源和復(fù)雜設(shè)備。人們也知道，濃縮溶液中乳酸可結(jié)晶(H. Borsook, H. M. Huffman, Y-P. Liu, J. Biol. Chem. 102,449-460(1933) ；L. B. Lockwood, D. Ε. Yoder, Μ. Zienty, Ann N. Y. Acad. Sci. 119, 854(1965) ；Holten C. H.，“乳酸乳酸及其衍生物的性能和化學(xué)性質(zhì)”，20-22，Verlag Chemie,1971)。
根據(jù)先前技術(shù)描述的在結(jié)晶階段制備乳酸晶體的方法不能制備熱穩(wěn)定級別的乳酸，除非相對高品質(zhì)乳酸(色度< 500HaZen)用作初始乳酸，或者使用有機溶劑。所有這些限制都會對生產(chǎn)成本帶來不容忽略的影響。而且，這些方法沒有提及制得的晶體大小。在WO 0222545專利中，也描述了純化乳酸的方法，但是包括在結(jié)晶步驟之前在有機溶劑中進行萃取的步驟，而不是蒸餾。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，小份量的有機萃取劑存在于來自于萃取的水相中，需要額外的純化步驟以除去此溶劑殘留。然而，在某些情況下，不純的發(fā)酵汁可以不使用有機溶劑來純化。在WO 0056693專利中也描述了乳酸的結(jié)晶，但是需要用純得多的乳酸水溶液(該乳酸溶液的色度不超過83HaZen)來開始。文獻(xiàn)也包含純化乳酸的方法，尤其是描述在WO 0222544專利中，包括一個或多個結(jié)晶步驟以及一個蒸餾步驟，這個顯然不是依照本發(fā)明的方法所尋求的目標(biāo)。結(jié)晶純度通常與按照其質(zhì)量計的比表面積相關(guān)。晶體按質(zhì)量計的比表面積(SSM)是指單位質(zhì)量晶體展開的面積。按質(zhì)量計的比表面積(SSM)用于將懸浮液或粉末的晶體尺寸特性與另一懸浮液或粉末的晶體尺寸特性作比較。此比表面積可在體積Vm和數(shù)以百計晶體的平均表面積Sm(通過測量晶體面的長度) 以及晶體的密度Dc的基礎(chǔ)上通過光學(xué)成象方式來測定SSM = Sm/ (Vm*Dc)實際上，在結(jié)晶后的液/固分離之后，單位質(zhì)量晶體的殘留母液的量與其表面積成比例關(guān)系。雜質(zhì)基本上存在于此母液中，單位質(zhì)量晶體展開的表面積越小，單位質(zhì)量晶體上雜質(zhì)含量越低。例如，甜菜和蔗糖的情況就是這樣。人們也知道，液/固分離對于大晶體也便于施行。需要提供一種在低工作溫度下以最少消耗，從不純的水溶液中通過結(jié)晶產(chǎn)生熱穩(wěn)定級別乳酸的方法，該水溶液具有色度大于500HaZen，工作溫度優(yōu)選為不超過30°C，更優(yōu)選為在4-26°C之間。在結(jié)晶過程中，所述步驟可能特別受兩個因素的影響，成核和過飽和。有兩種類型的成核，初級成核和二次成核。在初級成核的情況下，微生物出現(xiàn)于介質(zhì)中但不包含任何來自于析出相的晶體。 如果微生物形成于溶液體積中，此成核稱為初級均質(zhì)的。另一方面，如果微生物形成于結(jié)晶器的壁上、攪拌器上或形成于漂浮于溶液中的固體顆粒上，那么此成核稱為初級異質(zhì)的。在二次成核的情況下，微生物出現(xiàn)于介質(zhì)中，其中已經(jīng)存在來自于析出相的晶體。 如果溶液包含晶體，晶體可能相互碰撞，擊打器壁、攪拌器、其他固體顆粒，由此釋放微觀顆粒。這些微觀顆粒然后可能成長。二次成核也可能隨著過飽和的驟然增加而出現(xiàn)。本專利申請中涉及的成核溫度(Tn)由二次成核的溫度構(gòu)成。在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，在預(yù)定溫度下的過飽和S(g/1)可定義為溶液的濃度C(g/1)和飽和時濃度c*(g/l)之間的差異。S = C-C*在預(yù)定濃度“C”的溶液的過飽和度(Df)為Dsc = (Tsc-T) / (Tsc-Tnc)其中，Tsc是固溶溫度，T是工作溫度，Tnc是二次成核溫度。
乳酸的整個結(jié)構(gòu)兼有羥基官能團和羧酸基團，引起生成乳酰乳酸、二乳酰乳酸、三乳酰乳酸、...(n_乳酰乳酸)單元(也稱為乳酸的寡聚物)的濃縮反應(yīng)。這些濃縮或寡聚反應(yīng)趨于平衡，而且如果起始水溶液濃度和溫度高時更有可能這樣(Holten C.H.，“乳酸 乳酸及其衍生物的性能和化學(xué)性質(zhì)”，Verlag Chemie, 1971)。單體含量與總?cè)樗釢舛?單體和寡聚體)相關(guān)，并可使用下式估算出，假定總酸度小于105% 單體相對含量=(TA%-(TA% -FA% )/TA%其中TA =總酸度，在皂化后用酸堿滴定測定，表示為乳酸單體，F(xiàn)A =游離酸度，通過直接酸堿滴定測定，表示為乳酸單體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種純化乳酸的方法，以從色度大于500HaZen的不純水溶液中產(chǎn)生按質(zhì)量計比表面積小于0. 05m2/g的晶體。本發(fā)明還涉及一種通過結(jié)晶純化乳酸的方法，優(yōu)選為沒有蒸餾，以產(chǎn)生按質(zhì)量計比表面積小于0. 05m2/g的晶體，其中，其他雜質(zhì)的含量為使得由晶體制備的90%水溶液是熱穩(wěn)定級別的，以及優(yōu)選為在加熱至200°C兩小時后具有小于30HaZen的色度。本發(fā)明還涉及一種通過結(jié)晶純化乳酸的方法，結(jié)晶是通過控制溶液中寡聚物含量及通過控制過飽和因素來實現(xiàn)。發(fā)明詳細(xì)說明本申請開發(fā)出一種純化乳酸的方法，包括從色度大于500HaZen及單體相對含量高于80%的乳酸溶液形成按晶體質(zhì)量計比表面積小于0. 05m2/g的晶體，其特征在于1)溶液在低過飽和度下冷卻2)溶液用乳酸晶體作晶種3)晶體在低過飽和度下成長4)晶體通過將其從液相中分離回收。另外還發(fā)現(xiàn)結(jié)晶需要通過控制溫度來實現(xiàn)，以保持低于60%的過飽和度并優(yōu)選為在1-40%之間。出乎意料的是，申請人發(fā)現(xiàn)，殘留雜質(zhì)并沒有在結(jié)晶之后消除，主要存在于表面浸漬液中，以及晶體的比表面積與過飽和值緊密關(guān)聯(lián)。實際上，在低過飽和下，晶體具有低表面密度，而在高過飽和下，申請人觀察到乳酸晶體顯著延長(針形)，引起大得多的結(jié)晶體表面積。申請人:還意外發(fā)現(xiàn)，通過控制溶液中單體相對含量，即通過保持其在80%以上，優(yōu)選在90%以上，可以通過增加固溶溫度和成核溫度來顯著影響結(jié)晶過程，由此影響結(jié)晶產(chǎn)率。實際上，還發(fā)現(xiàn)減少單體相對含量對乳酸的固溶溫度和成核溫度具有顯著影響。多數(shù)純化的乳酸，對于同樣的總酸度(如89% )，每個具有不同的游離酸度，這些純化的乳酸通過將其引入51精密恒溫控制配備有螺旋攪拌漿的反應(yīng)器中進行測試。為精確測定固溶點，溫度調(diào)節(jié)到低于理論固溶溫度5°C。在我們的實例中，反應(yīng)器溫度調(diào)節(jié)到25°C (對于選定濃度和無寡聚產(chǎn)品的情況，理論固溶溫度為30°C)。溫度然后逐漸上升到?jīng)]有進一步的晶體出現(xiàn)。在最后晶體消失時的溫度為實驗的固溶溫度。為了更好的再現(xiàn)性，我們測定了二次成核溫度。為此，一些大晶體(三或四個)引入稍微過冷的溶液中(26°C)。這些晶體用于引發(fā)成核。為獲得成核，溶液按照10°C /hr的冷卻梯度冷卻。成核溫度在出現(xiàn)首個晶體(在溶液中的晶體除外)時測定。

圖1給出Tn和Ts依TA為89%的乳酸的單體相對含量而遞增的曲線。很清楚，在表1和圖1中，減少單體相對含量對于乳酸的固溶溫度和成核溫度具有顯著影響。表 權(quán)利要求
1.純化乳酸的方法，以從不純水溶液中獲得按質(zhì)量計比表面積小于0.05m2/g的晶體， 所述不純水溶液具有大于500HaZen的色度，濃度在85-95%之間，優(yōu)選在88-93%之間，其特征在于，結(jié)晶是通過控制寡聚體含量，表示為與總?cè)樗釢舛认嚓P(guān)的單體含量，以維持單體相對含量高于80%，以及通過控制乳酸水溶液的過飽和度以維持過飽和度在1-60%之間， 在單一步驟中在不超過30°C溫度下實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純化方法，其特征在于所述寡聚體控制是通過維持乳酸單體相對含量高于90%進行控制的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的純化方法，其特征在于(i)所述不純?nèi)樗崴芤涸?-40%之間的低過飽和度下冷卻，( )所述不純水溶液用乳酸晶體作晶種，(iii)晶體在1-40%之間的低過飽和度下成長，(iv)按質(zhì)量計比表面積<0. 05m2/g的晶體通過將其從液相中分離而回收。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的純化方法，其特征在于采用過飽和度在10-20%之間。
5.獲得熱穩(wěn)定級別乳酸晶體的方法，所述晶體具有小于0.05m2/g的按質(zhì)量計比表面積，其中所述晶體的90%水溶液于200°C加熱兩小時后具有小于50HaZen的色度，其特征在于，通過根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的方法的結(jié)晶來純化色度大于500HaZen的不純?nèi)樗崴芤骸?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的純化方法，其特征在于所獲得的晶體用乳酸水溶液洗滌。
全文摘要
通過在一個或多個步驟中結(jié)晶來純化乳酸的方法，其特征在于，晶體是通過控制乳酸寡聚體含量，表示為單體相對含量高于80％，以及控制該溶液的過飽和度在1-60％之間而形成于不純?nèi)樗崴芤?，以獲得按質(zhì)量計比表面積小于0.05m2/g的乳酸晶體，該不純?nèi)樗崴芤壕哂写笥?00Hazen的色度，濃度在85-95％之間。
文檔編號C07C51/43GK102227399SQ200980147359
公開日2011年10月26日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者安吉洛·基亞內(nèi)塞, 瑪麗亞-保拉·帕里西, 皮埃爾-安托尼·瑪麗亞吉, 菲利佩·科斯扎克, 讓-克里斯托夫·博蓋爾特 申請人:銀河股份公司