纯化有机酸的方法

专利名称：纯化有机酸的方法
背景技术：
本发明大体涉及生产有机酸如乳酸的方法。
乳酸具有多种商业用途，例如在食品生产、医药、塑料、纺织中及在各种化学工艺中作为起始材料。另外，它还用于生产聚乳酸——一种可降解塑料。
虽然可通过化学合成来制备有机酸，但通过发酵生产一般比较便宜。丛所周知，可通过利用诸如Lactobacillus delbrueckii微生物的发酵来生产乳酸。发酵所得到的肉汤中含有未发酵糖、碳水化合物、氨基酸、蛋白质和盐，也含有有机酸如乳酸。通常，有机酸从发酵肉汤中回收，并在使用前进行进一步纯化。回收自发酵肉汤的纯化有机酸会含有少量杂质，如强酸或某些未知的化合物。部分杂质可能引起不希望的色泽，或者可能干扰有机酸的下游处理。例如商业性出售的乳酸一般含有少量杂质，如丙酮酸、乙酸和草酸。即使这些杂质存在的量相对较小，但对于用乳酸生产的聚合物而言，仍然具有负面影响。例如当乳酸被聚合来生产聚乳酸(PLA)时，即使少量丙酮酸的存在也能引起聚合物具有不希望的黄色。然而，进一步纯化第一种情况中只含有小部分丙酮酸的乳酸是困难的。
因此，对于用于生产和回收相对纯净的有机酸——特别是乳酸——来说需要改进的方法。
发明概述本发明的一个方面是一种纯化含水原料物流的方法，所述含水原料物流含有所需的产物有机酸和至少一种强污染物。在某些实施方案中，含水原料物流可包括发酵肉汤或由发酵肉汤得到(此处提到的任何酸，无论是所需的产物或是污染物，均应当理解所述部分或所有酸均可以盐的形式存在)。原料物流中产物有机酸的摩尔浓度可至少比强污染物的浓度大10倍，更优选产物有机酸与强污染物的摩尔浓度之比为至少20。在某些实施方案中，产物有机酸与强污染物的摩尔浓度之比为至少90，在某些实施方案中，其值为至少500，以及在某些其它实施方案中，其值至少为1000。将含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂接触，所述萃取剂在现有工艺条件(包括现存的酸、溶剂等的组合)下对强污染物相对于产物有机酸的选择性大于3。所述选择性——将在下面进一步定义——优选大于15，更优选大于约25，最优选大于约100。优选地，所述选择性大于原料中产物有机酸与强污染物的比。
含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂的接触步骤优选在充分平衡或接近平衡阶段进行，并利用足量的第一不混溶碱性萃取剂(如固体胺离子交换剂或液体胺萃取剂)来除去大部分强污染物。在某些实施方案中，第一不混溶碱性萃取剂先前已用于处理含有产物有机酸和至少一种弱污染物的溶液(例如它是被回收利用的)。
结果是，多数强污染物和小于约33wt％的产物有机酸与第一不混溶碱性萃取剂络合。此处的“多数”指的是超过50％重量的物质，在此情况下，所述物质指的是存在的强污染物。也就是说，原料中超过50％重量的强污染物与萃取剂络合。络合后的第一不混溶碱性萃取剂与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有产物有机酸，且产物有机酸与强污染物的比要比含水原料物流大。络合的第一不混溶碱性萃取剂与置换酸接触。相对于强污染物或产物有机酸，第一不混溶碱性萃取剂对于置换酸具有更大的亲合性，因此，一段时间后，产物有机酸和强污染物被从络合的第一不混溶碱性萃取剂中置换出来。这就产生含有大部分产物有机酸(即溶解或悬浮于物流中的固体约50％重量以上是产物有机酸)的第二排出物流和含有大部分强污染物的第三排出物流。
优选地，第一排出物流和第二排出物流中产物有机酸的总量至少是原料物流中产物有机酸的约90％重量。更优选地，在这些流体中至少约98％重量的产物有机酸得以回收。
在该方法的多种实施方案中，强污染物中包括有机酸，其pKal值要比产物有机酸的pKal值低。如果所需的产物有机酸是乳酸，则强污染物优选具有小于约3.46的pKal值。在本发明某些具体的涉及以固体离子交换树脂作为碱性萃取剂的实施方案中，强污染物选自丙酮酸、草酸、柠康酸、柠檬酸以及它们的混合物。
在其它实施方案中，强污染物可以是比所需有机酸产物更弱的酸(如更高的pKal)，但可能比产物具有更强的疏水和/或氢键结合特性。相对于所感兴趣的有机酸，强污染物可通过含有溶剂或溶剂混合物的不混溶碱性萃取剂选择性除去，比如是含有1M三月桂胺和1M十二烷醇以及以十二烷为稀释剂的胺混合物。
当不混溶碱性萃取剂含有溶剂混合物时，感兴趣的有机酸优选具有一定程度的疏水性或强的氢键结合特性，并且强污染物必须是(1)与所感兴趣的酸具有相似的氢键结合和/或疏水特性，以及比所感兴趣的酸更低的pKal(酸性低pKal物质)，或(2)具有足够强的氢键结合和/或疏水特性，以致于尽管强污染物具有更高的相对pKal，其仍然能被除去。
因此，如果强污染物比有机酸产物具有更低的pKal，固体离子交换树脂可被用作除去强污染物的萃取剂。例如如果需回收的有机酸是乳酸，则能用本发明涉及离子交换树脂的方法除去的强污染物包括HCl、H2SO4，丙酮酸和草酸以及其它。然而，乙酸和丁酸不具有比乳酸明显更低的pKal，因而它们不容易被离子交换树脂所除去。但是，相对于有机酸产物而言，具有低pKal或高疏水性/氢键结合特性的强污染物能通过使用萃取剂而除去，其中所述萃取剂是溶剂或溶剂混合物。例如丙酮酸、H2SO4和丁酸能通过使用本发明的胺溶剂萃取剂而从含有乳酸的含水原料物流中除去。虽然第一不混溶碱性萃取剂可以采用各种形式，但优选的是一种弱碱性离子交换树脂。优选地，弱性离子交换树脂含有叔胺部分。该方法多种实施方案的一个优点是进一步纯化已经含有非常低百分比杂质的物流的能力。例如在一种实施方案中，原料物流中产物有机酸——比如乳酸——的摩尔浓度比原料物流中强污染物的摩尔浓度至少大20倍，同时选择性大于约25。在另一种实施方案中，原料物流中产物有机酸——比如乳酸——的摩尔浓度比原料物流中强污染物的摩尔浓度至少大300倍，同时选择性大于约500。
在该方法的一种实施方案中，原料物流、第一排出物流和第二排出物流进一步含有弱污染物。例如当产物有机酸是乳酸时，弱污染物可以是pKal大于约4.26的有机酸，比如是丙酸、丁酸、丙二酸、乙酸、丙烯酸、琥珀酸或它们的混合物。对于具有多个酸基的酸如琥珀酸而言，只有电离的第一基团与pKal相关。对于只有一个酸基的酸而言，pKal与pKa是等价的。在这种情况下，所述方法进一步包括下述步骤将第一排出物流和第二排出物流混合从而形成混合产物有机酸物流，然后将混合产物有机酸物流与第二不混溶碱性萃取剂接触。大部分产物有机酸与第二不混溶碱性萃取剂络合。优选地，至少90％重量的产物酸被络合，更优选为至少95％。然后络合的第二不混溶碱性萃取剂可与物流分离，从而产生第四排出物流，其含有大部分存在于组合产物有机酸物流中的弱污染物。优选地，第二不混溶碱性萃取剂含有弱或强碱性离子交换树脂。
可选择地，该方法的实施方案可进一步包括将第四排出物流与第三不混溶碱性萃取剂接触，相对于弱污染物，所述第三不混溶碱性萃取剂对产物有机酸具有更大的亲合性，因此，大部分存在于第四排出物流中的产物有机酸与第三不混溶碱性萃取剂络合。然后，络合的第三不混溶碱性萃取剂可与物流分离，从而产生第五排出物流，其含有大部分存在于混合产物有机酸物流中的弱污染物。然后，络合的第二不混溶碱性萃取剂和络合的第三不混溶碱性萃取剂可与一种或多种置换酸接触，从而在一个或多个附加的排出物流中从中置换产物有机酸。
在该方法的另一变体中，第三排出物流与附加的不混溶碱性萃取剂接触，相对于产物有机酸，所述萃取剂对于强污染物具有更大的亲合性。结果是，大部分存在于第三排出物流中的强污染物与附加的不混溶碱性萃取剂络合。络合的附加不混溶碱性萃取剂与残余物流分离，从而产生附加的排出物流，其含有大部分存在于第三排出物流中的产物有机酸。
本发明一个特别优选的实施方案是纯化乳酸的方法。此实施方案涉及提供一种含水原料物流，其含有乳酸(此处定义为包括它的任何盐)和至少一种强污染物酸，所述强污染物酸具有小于约3.46的pKal。原料物流中乳酸的摩尔浓度比强污染物酸的摩尔浓度至少大20倍。将含水原料物流与第一碱性离子交换剂接触，相对于乳酸而言，所述第一碱性离子交换剂对于强污染物酸具有更大的亲合性，因此，大部分强污染物酸和部分乳酸与第一碱性离子交换剂络合。络合的第一离子交换剂与含水物流分离，产生第一排出物流，其含有乳酸，且乳酸与强污染物酸的比比含水原料物流更大。络合的第一碱性离子交换剂与置换酸接触，比如HCl、H2SO4或H3PO4，相对于强污染物酸或乳酸而言，第一碱性离子交换剂对于置换酸具有更大的亲合性。一段时间后乳酸和强污染物酸从络合的第一碱性离子交换剂中置换出来，产生含有大部分乳酸的第二排出物流和含有大部分强污染物酸的第三排出物流。
在该方法的部分实施方案中，强污染物酸选自丙酮酸、草酸、柠康酸、柠檬酸、以及它们的混合物。在该方法的某些实施方案中，原料物流中乳酸的摩尔浓度比原料物流中强污染物酸的摩尔浓度至少大100倍，且选择性大于约250。在某些实施方案中，所述比值至少是300，选择性大于约500。
优选地，第一碱性离子交换剂对于置换酸的亲合性比其对于丙酮酸的亲合性至少大10倍。
优选地，第一排出物流和第二排出物流中乳酸与强污染物的比都大于300。更优选地，它们中乳酸摩尔数与强污染物摩尔数的比都大于约1000。在该方法的部分实施方案中，原料物流中至少90％重量——更优选98％重量——的乳酸在第一排出物流和第二排出物流中得以回收。
在该方法的一种具体实施方案中，含水原料物流中，相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.15摩尔阳离子，所述阳离子选自Ca、Mg、Na、Fe、Zn、Zr和Li；相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.05摩尔阴离子，所述阴离子选自Cl、SO4、PO4和NO3；相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.03摩尔强酸污染物，所述强酸污染物选自丙酮酸、草酸、柠康酸和柠檬酸；相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.02摩尔弱酸污染物，所述弱酸污染物选自丙酸、丁酸、丙二酸和琥珀酸。
本发明的另一方面是一种纯化乳酸的方法，其涉及提供一种含有乳酸(此处定义为包括它的任何盐)和丙酮酸(此处亦定义为包括它的任何盐)的含水发酵肉汤。在含水发酵肉汤中，乳酸的摩尔浓度比丙酮酸的摩尔浓度至少大20倍。从肉汤中除去细胞从而形成含水原料物流。可使用本领域公知的任何方法来除去细胞(如离心或过滤以及其它)。含水原料物流与用于络合丙酮酸的介质接触，相对于乳酸而言，所述介质对于丙酮酸具有更大的亲合性，因而大部分的丙酮酸和部分乳酸与之形成了络合物。络合物与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有乳酸，且乳酸与丙酮酸的比比含水原料物流更大。络合物与用于从中置换乳酸和丙酮酸的介质接触，从而产生含有大部分乳酸的第二排出物流和含有大部分丙酮酸的第三排出物流。
在某些实施方案中，第一不混溶碱性萃取剂是固体碱性萃取剂，且含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂在填料床中接触。优选地，在涉及填料床的实施方案中，第二排出物流中产物有机酸的摩尔浓度与强污染物的摩尔浓度间的比值在约10％选择性内。
在其它实施方案中，第一不混溶碱性萃取剂是液体碱性萃取剂，并在多步工艺中使含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂接触。优选地，产物有机酸与强污染物的比值在约10％选择性内。
此外，在某些实施方案中含水原料物流含有多种强污染物，且至少一种强污染物是置换酸。
某些实施方案涉及一种涉及含水原料物流的方法，所述含水原料物流含有所需的产物有机酸、至少一种强污染物和弱污染物。第一排出物流还含有弱污染物，且第一排出物流经至少一次萃取或精馏(用本领域公知的方法)进行处理，从而产生至少两个馏分，而纯化的产物有机酸馏分，其含有约90％-99.5％重量的存在于原料物流中的产物有机酸，和弱污染物馏分，其含有产物有机酸和弱污染物。弱污染物馏分中产物有机酸摩尔浓度与弱污染物摩尔浓度的比值小于原料物流中产物有机酸摩尔浓度与弱污染物摩尔浓度的比值。将弱污染物馏分与第三不混溶碱性萃取剂接触，相对于弱污染物，所述第三不混溶碱性萃取剂对于产物有机酸的选择性大于约3，大部分产物有机酸和小于约33％的弱污染物与第三不混溶碱性萃取剂络合。络合的第三不混溶碱性萃取剂与含水物流分离，从而产生含有弱污染物的排出物流。含弱污染物的排出物流中，弱污染物与产物有机酸的比要比含水原料物流更大。络合的第三不混溶碱性萃取剂与置换酸接触，相对于产物有机酸或弱污染物，第三不混溶碱性萃取剂对于置换酸具有更大的亲合性。置换酸以足够的量存在从而使产物有机酸和弱污染物在一段时间后从络合的第三不混溶碱性萃取剂中置换出来，从而产生含有大部分弱污染物的弱污染物排出物流和含有大部分产物有机酸的产物有机酸物流。优选地，纯化的产物有机酸馏分含有约95％重量-99.5％重量的存在于原料物流中的产物有机酸。
某些实施方案涉及一种纯化有机酸的方法，其包括提供一种含有产物有机酸和至少一种强污染物的含水原料物流。产物有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大20倍。含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂接触，相对于产物有机酸，所述第一不混溶碱性萃取剂对于强污染物的选择性大于约3。大部分强污染物和小于约33wt％的产物有机酸与第一不混溶碱性萃取剂络合。络合的第一不混溶碱性萃取剂与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有产物有机酸，且产物有机酸与强污染物的比比含水原料物流更大。络合的第一不混溶碱性萃取剂经至少一种下述处理(1)改变温度，(2)改变溶剂浓度，或(3)改变置换剂浓度。这种处理导致一段时间后产物有机酸和强污染物从络合的第一不混溶碱性萃取剂中被置换出来，从而产生含有大部分产物有机酸的第二排出物流和含有大部分强污染物的第三排出物流。改变溶剂浓度可使用本领域公知的方法而实现，如蒸发存在于含水原料物流中的溶剂。此外，可通过组合应用温度改变、溶剂改变和/或置换酸或碱浓度来获得所需产物或杂质从络合的第一不混溶碱性萃取剂中的选择性释放。如上文所述置换剂可以是置换酸或置换碱。碱如NaOH可用作置换剂，然后通过本领域公知的方法对置换出的材料进行处理，从而回收所需的产物有机酸。
部分乳酸纯化方法可涉及源自含水乳酸原材料的发酵，所述含水乳酸原材料经过预处理使其适合作为主溶剂萃取的原料。这种源于含水乳酸原料的发酵预处理可包括经过滤而仔细分离固体和任选经膜过滤而分离溶解的大分子物质。进一步，可用阳离子交换剂除去阳离子，以及用常规的固体阴离子交换剂或相同的用于乳酸主萃取的胺基萃取剂(如胺、增强剂和稀释剂)除去阴离子。当相对于脱阳离子的原料限量使用时，其可选择性萃取比乳酸更强的无机酸。后面的步骤通常称为预萃取。现已发现，通过实施预萃取，其中使用专门用于此目的且与适用于主萃取的组合物不同的组合物为萃取剂，就如本发明中一样，总体的乳酸回收是有效的。因此，优选的实施方案包括顺序的两次溶剂萃取步骤(如预萃取和主萃取)，每次应用专门针对其功能的胺基萃取剂。预萃取阶段中使用的贫萃取剂比主萃取阶段使用的富萃取剂具有明显更低的胺浓度和更低的增强剂/胺摩尔比。
在预萃取阶段加入初始含水乳酸原料和专门为此阶段选择的萃取剂(贫萃取剂)。优先于乳酸萃取的无机酸以及有机酸被注入含水物流中，同时乳酸保持在第二含水物流中(如第一排出物流)，所述第二含水物流进入主萃取阶段。主萃取阶段使用与贫萃取剂大不相同的专门萃取剂(富萃取剂)。从主萃取阶段经反萃取后在含水物流中获得纯乳酸，同时将杂质注入侧线物流。
两次溶剂萃取步骤，每次有其独特的溶剂组合物，这种方法结构具有附加的优势，其提供了使用非溶剂辅助分离方法来进一步纯化的选择。因而当用于含乳酸物流——其与主流相比是小的且通常还含有更少量的杂质——时，在这种情况下通常可使用的精馏或者模拟移动床层析法成为可行的。次要物流——一般是内部循环物流可全部或部分转向辅助分离方法，并在第二次聚物流中排除杂质并回收乳酸。
本发明的某些实施方案涉及一种纯化乳酸的方法。含有游离乳酸和至少一种污染物的含水原料物流与贫液体萃取剂接触，大部分污染物在预萃取阶段与贫液体萃取剂络合。举例来说，含水原料物流可以是发酵肉汤。贫液体萃取剂中，相对于每千克贫液体萃取剂，其含有小于约0.75摩尔胺；相对于每摩尔胺，其含有约0-0.5摩尔增强剂；以及稀释剂。络合的贫液体萃取剂在预处理阶段与含水原料物流分离，从而产生第一排出物流，其含有游离乳酸，且游离乳酸与污染物的比要比未络合的含水原料物流大。然后将第一排出物流与主萃取阶段中的富液体萃取剂接触，第一排出物流中的大部分游离乳酸与富液体萃取剂络合。富液体萃取剂含有与贫液体萃取剂中相同的胺、增强剂和稀释剂，然而，富液体萃取剂中，相对于主萃取阶段的每千克富液体萃取剂，其含有胺的摩尔量要比预处理阶段每千克贫液体萃取剂中胺的摩尔量更大，并且富液体萃取剂中增强剂摩尔量与胺摩尔量的比要比贫液体萃取剂中的更高。负荷量应使第一排出物流中游离乳酸的摩尔量与富液体萃取剂中胺的摩尔量之比小于约1.1。该方法可选择地进一步包括对含有乳酸和富液体萃取剂的络合物用水进行反萃取，从而产生含水的产物乳酸物流。
附图的简要描述

图1是本发明一种实施方案的工艺流程图。
图2是本发明另一种实施方案的工艺流程图，其包括除图1所示步骤之外的可实施步骤。
图3是本发明另一种实施方案的工艺流程图，其包括除图1所示步骤之外的可实施步骤。
图4是本发明一种实施方案的工艺流程图。
描述性实施方案的描述本发明的方法可用于回收和纯化各种有机酸。该方法尤其适合于回收和纯化具有2-8个碳原子的单羧酸、二羧酸或三羧酸。优选地，所述有机酸为羟基有机酸(或者两种或多种此种酸的混合物)。羟基有机酸可以是α、β、δ、γ或ε羟基酸。所述有机酸最优选是乳酸。
本发明的方法可从发酵肉汤中回收纯化的有机酸。然而，该方法也适合用于纯化其它来源的有机酸，如商业乳酸。“88％乳酸”和“商业乳酸”指的是一般可商购乳酸，其实际上是单体乳酸、线性二聚乳酸或乳酰乳酸、短链乳酸低聚物、水、少量环状二聚乳酸或丙交酯和少量杂质的混合物。当商业乳酸被大量的水稀释时，二聚物和低聚物慢慢水解或转变成单体形态的乳酸。当用水将浓缩的乳酸稀释到50wt％浓度时，最初存在的二聚物和低聚物将逐渐水解成一种主要是单体乳酸、但仍含有约3-4wt％的二聚乳酸及痕量更高级低聚物的混合物。
图1表示的是用于从发酵肉汤中回收乳酸的方法的实施方案。将种子培养基10进料至含有发酵介质的发酵罐12中。发酵产生含有所需有机酸——此处情况下为乳酸——的含水肉汤。在此专利中任何提到的有机酸，包括在权利要求中的，均应当理解部分或全部所述酸均可以以盐的形式存在。简言之，此处涉及的任何酸均包括任一形式(游离酸或盐)或两者的混合物。所述肉汤还含有一种或多种强污染物，在此情况下是丙酮酸，以及未发酵的糖和其它杂质。在本发明的部分实施方案中，所需产物酸(如乳酸)的摩尔浓度与强杂质(如丙酮酸)的摩尔浓度间的比大于约300。在某些实施方案中，所需产物酸(如乳酸)的摩尔浓度与强杂质(如丙酮酸)的摩尔浓度间的比大于约500，并在某些实施方案中，其大于1000。
此处使用的“强污染物”指的是化学物质，比如有机酸，相对于所感兴趣的产物，所选择使用的不混溶碱性萃取剂对其具有至少3倍以上的选择性或亲合性。
对于其中应用含有阴离子交换树脂的固体不混溶碱性萃取剂的本发明实施方案来说，将从有机酸含水原料物流中除去的强污染物可具有比将从原料物流中回收的有机酸更低的pKal值。
对于其中涉及含有溶剂的液体不混溶碱性萃取剂的本发明实施方案来说，强污染物为(a)比将从原料物流中回收的有机酸具有更低的pKal值，或者(b)与所感兴趣的有机酸相比，强污染物具有相似或更高的pKal值，但所述强污染物是更疏水的或具有更多氢键结合基团或两者兼而有之。
例如在固体离子交换萃取剂的情况下，草酸(pKa＝1.27)和丙酮酸(pKa＝2.48)在乳酸(pKa＝3.86)溶液中是强污染物。其它可存在于乳酸原料物流中的强污染物的实例包括柠康酸、柠檬酸和其它pKal值小于约3.46的有机酸。不能通过固体离子交换萃取剂除去的弱污染物可包括非酸性物质如葡萄糖和弱酸如乙酸、琥珀酸和丁酸。
对于在20-30℃下用来从溶液中回收乳酸的液体胺基萃取剂，强污染物可包括如上述的强酸以及疏水性弱酸。可通过液体不混溶萃取剂除去的疏水性弱酸的实例是正丁酸、异丁酸和环状弱芳香酸如苯甲酸及其它。
在该方法的部分实施方案中，原料可含有一种或多种具有未知化学组成的强污染物。例如某些商售的乳酸含有未知化学组成的污染物，其具有小于约3.46的表观pKal值。使用本发明，可将含有此种乳酸的原料物流纯化至部分未知污染物的浓度更低。肉汤14从发酵罐12中引出。肉汤中的细胞可被分离，例如通过过滤或离心分离，并被作为废物流16而除去。可选择地，可通过除去强阴离子和/或阳离子对肉汤进行进一步纯化。强阴离子诸如氯离子、硫酸根离子、磷酸根离子和硝酸根离子可从含有有机酸的中性或酸性pH物流中以高选择性被选择性除去。可被除去的强阳离子包括Ca、Mg、K、Na、Fe、Zn、Zr和Li阳离子。例如可将发酵肉汤与阳离子交换剂(如强酸性阳离子交换剂)、阴离子交换剂(如弱碱性阴离子交换剂)或两者顺序接触。
然后在步骤18中将肉汤14与第一不混溶碱性萃取剂接触。优选地，使用逆流完成这一操作。在众多选择中，可以使用混合沉降器。此萃取剂是“不混溶的”是因为其不和肉汤混合，但是萃取剂可以是或不是液体。例如萃取剂可含有胺化合物，所述胺化合物具有与一种或多种所存在的有机酸络合的能力。具体地，此第一萃取剂对于强污染物(丙酮酸)的亲合性应大于其对于所需产物(乳酸)的亲合性。此处使用的“亲合性”指的是在现有工艺条件下与其它物质如乳酸或丙酮酸络合的趋势，现有工艺条件包括所存在的酸、溶剂和其它成分的特定组合。相等的亲合性指的是当与50％乳酸和50％丙酮酸的溶液接触时，所述萃取剂将与等量的两种酸络合。由于本发明的原料溶液中乳酸与丙酮酸的比通常较高，因此，萃取剂对于污染物(丙酮酸)的亲合性应远大于其对于乳酸的亲合性。优选地，萃取剂对于丙酮酸的亲合性比其对于乳酸的亲合性至少大20倍。
胺液体萃取剂可包括伯、仲或叔胺。在某些实施方案中，胺是碳原子总数为约4-36的烷基胺。特定实例包括正丁胺、三正丁胺、辛胺、三正辛胺、二癸胺、十二烷基胺和三(十二烷基胺)(也称为三月桂胺)以及其它。所述胺应与含水原料溶液不混溶，从而能形成两个相。本发明的液体萃取剂也可任选包括稀释剂和/和增强剂。稀释剂可作为碱性不混溶萃取剂的组分来降低其粘度，或增加萃取剂对于其它不需要物质的选择性，以及其它原因。合适的稀释剂包括例如纯或混合的芳族或脂族烃，比如是二甲苯、甲苯、癸烷、十二烷、煤油以及它们的混合物。“增强剂”指的是一种能增强碱性不混溶萃取剂性能的化学物质。增强剂能加强碱性不混溶萃取剂强污染物络合或不混溶萃取剂有机酸络合和/或有助于溶解络合物。合适的增强剂的实例包括选自醇、酮、二酮、脂肪酸、氯化物和其它本领域公知物质的极性物质，所述醇包括链烷醇和二醇。
优选地，本发明使用的胺液体萃取剂含有形成单一均匀相的三种成分胺、增强剂和稀释剂。在一种优选的实施方案中，胺可以是至少具有约20个碳原子的脂族仲胺或优选叔胺，从而确保水不溶性；稀释剂可以是中性液体比如烃，用于为萃取剂和实际工艺条件下形成的液体有机相提供粘度；增强剂可以是有机化合物，其具有极性但实质上是中性的，因而其不会影响酸碱反应，这对于用胺萃取剂萃取酸是十分重要的。优选地，增强剂是链烷醇如辛醇；酯如乙酸丁酯；或能与胺反应而增强其碱强度的酮。
作为选择，第一碱性萃取剂可包含碱性离子交换树脂。如前所述，所述离子交换树脂对于强污染物的亲合性应比其对于所需产物的亲合性更大。合适的离子交换树脂包括嘧啶树脂、咪唑树脂和叔胺树脂以及其它。一个特别的实例是Ionac A365(Sybron Chemicals，Birmingham，New Jersey)。也可使用强碱性和弱碱性离子交换剂。优选的是，该方法中第一萃取剂的用量足够产生一个总络合容量，其比理论上与所存在的全部丙酮酸或其它强污染物络合所需的量更大。这样，尽管部分乳酸也被络合，但被络合的丙酮酸馏分可达到最大化。
第一碱性萃取剂——其相对于乳酸而言对于丙酮酸具有更大的亲合性——与存在于肉汤中的大部分丙酮酸形成络合物。由于肉汤中相对较大的乳酸浓度，萃取剂也与乳酸形成部分络合物，尽管其对于乳酸的亲合性较低。因此，随着大部分丙酮酸被除去，产生第一排出物流20，其中乳酸与丙酮酸的比要比在原始肉汤14中的更高。
然后，通过酸置换步骤24，可将第一碱性萃取剂与络合的大部分丙酮酸和乳酸分离。将含有置换酸水溶液的物流26与第一萃取剂接触，此时第一萃取剂仍与丙酮酸和乳酸络合，所述置换酸如HCl、H3PO4、草酸、H2SO4或三氟乙酸。优选地，置换酸具有约-2至1.8的pKa。置换酸也可存在于与其它有机酸及物质的混合物中，比如HCl、H2SO4、草酸和乙酸的混合物。优选地，置换酸的浓度为约1-40％，对于H2SO4而言更优选为2-5％，对于含不同酸的混合物而言更优选为20-30％。在不同酸混合物的情况下，此混合物中只有pKa为-2至1.8的酸才作为置换酸。
由于萃取剂(即离子交换剂)对于置换酸的亲合性比其对于乳酸或是丙酮酸的亲合性更大，因此，后两种酸从络合位点置换出来。由于萃取剂对于乳酸的亲合性比其对于其它两种酸的亲合性更低，因此，乳酸倾向于首先被置换出，并作为富含乳酸的第二排出物流28而除去。该富含乳酸的物流可任选与第一排出物流20混合，从而形成一混合的乳酸产物流。优选地，该物流含有至少约98％重量存在于原料中的乳酸，并且所含的丙酮酸和草酸都小于约20ppm，更优选小于约10ppm，最优选小于约2ppm。
在大部分乳酸已经被置换出来后，丙酮酸开始被大量置换。因此产生富含丙酮酸的第三排出物流30，其可任选加以纯化以用于需要此特定酸的方法中。
所产生的物流32含有第一萃取剂，所述萃取剂此时与置换酸络合。此物流32经碱性再生步骤34处理，期间含有碱如5％NaOH水溶液的物流36与络合的第一萃取剂接触。碱从萃取剂中置换出置换酸，从而产生再生的第一萃取剂物流38，其可被循环42至步骤18中使用。此操作还产生含有再生酸的物流40，其可任选循环至物流26中使用。
也可使用其它再生第一萃取剂的方法。
图2表示的是可供选择的下游处理步骤，当该方法原始原料含有弱污染物及强污染物时，其十分适用。
此处使用的术语“弱污染物”与涉及固体胺萃取剂的本发明实施方案有关系，指的是比要回收的有机酸具有更大pKal值的化合物。
在针对液体胺混合物的情况使用的术语“弱污染物”指的是一种化合物，其比要回收的有机酸具有更大pKal值，且一般既非高度疏水的、又不倾向于与液体胺混合物中各种成分形成强的氢键。
例如对于固体基胺，pKal值为4.76的乙酸可在含有乳酸的原料物流中作为弱污染物。其它通常存在于乳酸原料物流、尤其是从发酵肉汤获得的物流中的弱污染物的实例包括丙酸、丁酸、乙酸、丙二酸、琥珀酸和其它pKal值大于约4.26的有机酸。
例如对于为含有不混溶胺的混合物的液体萃取剂而言，pKal值为4.76的乙酸可在含有乳酸的原料物流中作为弱污染物。然而，在此情况下，在典型的溶剂中相对于乳酸而言，丁酸由于其疏水性而不是弱污染物。
在图2中，第一排出物流20和第二排出物流28混合从而形成混合的乳酸产物流50。然后该混合产物流在步骤52中与第二不混溶碱性萃取剂接触。第二不混溶碱性萃取剂可以是例如含有叔胺部分的弱碱性离子交换树脂如Amberlite IR 35。优选第二萃取剂对于乳酸的亲合性大于其对于乙酸的亲合性。此外，萃取剂存在的量应足够与物流中存在的基本上所有乳酸络合。因此，第二萃取剂主要与乳酸形成络合物，并在低得多的程度上与乙酸形成络合物。该络合物与残余液体分离，成为物流56的一部分，从而离开第四排出物流54。
第四排出物流54与第三不混溶碱性萃取剂接触，所述萃取剂优选是碱性离子交换树脂。合适的树脂包括Amberlite IR 35。优选此第三萃取剂对于乳酸的亲合性比其对于丙酮酸的亲合性更大。因此，第四排出物流中的大部分乳酸与离子交换剂络合，并将络合物在物流70中除去。富含弱污染物的第五排出物流68得以产生。
物流56和70含有第二和第三萃取剂主要与乳酸的络合物。因而可通过将这些络合物与置换酸物流58和72接触来回收乳酸。由于相对于乳酸来说，第二和第三萃取剂对于置换酸具有更大的亲合性，因此，乳酸被置换入附加的排出物流62和76中，其可以从中被回收。物流62和76优选含有约90％重量以上的存在于混合物流50中的乳酸，更优选至少约95％。
物流64和78含有与置换酸络合的离子交换剂，其随后可通过与碱(未在图2中画出)接触得以再生，然后可在该方法中循环进一步使用。
图3表示的是除图1所示步骤之外另一组可选择的步骤。当原始原料中乳酸与丙酮酸的比(摩尔乳酸∶摩尔丙酮酸)大于约300时，该方法的这种变体是尤其有用的。在该方法的这种变体中，富含丙酮酸的第三排出物流30在步骤80中与附加的不混溶碱性萃取剂接触。相对于乳酸，该萃取剂对于丙酮酸具有更大的亲合性，并优选是离子交换树脂如Amberlite IR-35。因此，萃取剂主要与丙酮酸络合，这些络合物在物流84中除去。附加的富含乳酸的排出物流82得以产生，从中可回收乳酸。
然后，含有离子交换剂主要与丙酮酸的络合物的物流84在步骤86中与含有置换酸的物流85接触，所述物流85如4％HCl水溶液。萃取剂对于置换酸的亲合性比其对于丙酮酸的亲合性更大，因而随着前者与萃取剂络合后者被置换出来。丙酮酸在排出物流88中被除去，同时，含有置换酸络合物的物流90进入再生步骤92，期间用碱物流94对络合物进行处理。结果得到可在该方法中循环使用的再生树脂物流98，和含有置换酸亦可循环应用的排出物流96。
上述该方法实施方案取得了高选择性，因而在从有机酸溶液或悬浮液中除去污染物是非常有效的，即使所述有机酸溶液或悬浮液起初是相对纯的。这种选择性除去以低浓度存在的杂质的能力是本发明多种实施方案的一个主要优点。此时所用的“选择性”指的是在工艺条件下，包括所需产物酸、污染物、溶剂和其它与萃取剂接触的成分的浓度，所述成分可以在多个液相中存在，此时所述萃取剂的表观或有效选择性。由于接触约束和其它原因，选择性(S)常常略小于理论选择性。所述理论选择性可表示为下式 式中提到的量可以是任何定量测量值，比如是气相色谱峰或HPLC峰的面积、摩尔、克以及其它。选择性应大于约1，优选远大于1。优选地，当所需产物是乳酸时，选择性至少为约10。优选地，选择性至少是理论选择性的80％。更优选地，选择性至少为理论选择性的约90％-95％，最优选至少为理论选择性的约99％。
优选地，原料物流中有机酸摩尔浓度与强污染物摩尔浓度的比至少约等于对强污染物的选择性。如果原料物流含有乳酸，优选M乳酸与M丙酮酸(强污染物)的比大于约18。在该方法的部分实施方案中，有机酸与强污染物的比(M有机酸∶M强污染物)大于对于强污染物的选择性(S)，而小于该选择性的平方(S2)。而在该方法的其它实施方案中，原料中的这一比值甚至大于S2。
本发明的某些实施方案涉及纯化乳酸的方法。此方法包括提供一种含有游离乳酸和至少一种污染物的含水原料物流100。在某些实施方案中，至少一种污染物选自马来酸、丙二酸、富马酸、草酸、柠檬酸、柠康酸、丙酮酸、2-酮基丁酸、2-羟基丁酸、乙酸、2-羟基-3-甲基丁酸、4-羟基-苯基丙酮酸、苯基丙酮酸、4-羟基-苯基乳酸、苯基乳酸以及它们的混合物。含水原料物流100可以是本领域所公知的任何物流。含水原料物流100可以是发酵肉汤或用本领域公知方法对内汤部分纯化后得到的流体。含水原料物流100的污染物包括pKal小于约3.46(例如乳酸的pKa)的酸。在某些实施方案中，污染物可选自丙酮酸、草酸、柠康酸、柠檬酸以及它们的混合物。
含水原料物流100可用第二种方法制备，其包括提供一种含有乳酸、至少一种污染物和固体的含水物流原料，并过滤所述含水物流原料来除去大部分(如大于约50％)固体。在某些实施方案中，含水物流原料可含有溶解的分子(比如发酵培养基、蛋白质、碳水化合物、维生素、亲脂性色素前体或有机酸以及其它)，第二种方法包括对过滤后的含水物流原料进行膜过滤，从而除去大部分溶解的分子。含水物流原料可含有阳离子(比如Ca、Na、K、Mg、Fe、Zn、Zr和Li及其它)，制备含水原料物流100的第二种方法可包括将过滤后的含水物流原料与阳离子交换剂接触，从而除去大部分阳离子。在102(预萃取阶段)，含水原料物流100与贫液体萃取剂104接触。贫液体萃取剂104可用本领域公知方法再生，并在后续工艺中循环应用。
贫液体萃取剂104中，相对于每千克贫液体萃取剂，其含有小于约0.75摩尔胺；相对于每摩尔胺，其含有约0-0.5摩尔增强剂；并含有稀释剂。胺可以是例如仲或叔脂族胺。优选地，所述胺总共具有20-36个碳原子，但可包括本领域公知的具有更多碳原子的胺萃取剂。在某些实施方案中，贫液体萃取剂包括叔胺，在每千克贫液体萃取剂中含有约0.2-0.5摩尔胺。增强剂可以是本领域公知的那些能与胺萃取剂相互作用以增强其碱性的增强剂。增强剂可选自链烷醇、二醇、酯、二酯、酮和二酮等公知增强剂。优选地，所述增强剂是C3-C12的单羟基伯醇。在某些实施方案中，贫液体萃取剂104中相对于每摩尔胺含有约0.1-0.25摩尔增强剂。稀释剂可选自芳族烃和脂族烃。优选地，稀释剂选自十二烷、癸烷、二甲苯、甲苯、煤油以及它们的混合物。含水原料物流100与贫液体萃取剂104之间的接触102导致大部分污染物与贫液体萃取剂络合。
络合的贫液体萃取剂与含水原料物流分离，并产生第一排出物流106，其含有游离乳酸，且游离乳酸与污染物的比要比未络合含水原料物流100中的更大。用本领域公知的方法再生络合的贫液体萃取剂。在某些实施方案中，部分乳酸可以与贫液体萃取剂络合，并且在再生萃取剂时，例如经过辅助分离操作118后，乳酸可被循环126。
将第一排出物流106与富液体萃取剂110接触108(主萃取阶段)，第一排出物流106中大部分游离乳酸与富液体萃取剂110络合。使用本领域公知的方法可再生富液体萃取剂110。与利用贫萃取剂的萃取102相同，利用富萃取剂的萃取108可具有经过辅助分离124的内部循环物流116，其中被排除的杂质122成为废物流120的一部分。未与富液体萃取剂110络合的组分被排除在废物流114中。富液体萃取剂110含有与贫液体萃取剂104中相同的胺、增强剂和稀释剂，但每千克富液体萃取剂110中含有胺的摩尔数要比每千克贫液体萃取剂104中含有胺的摩尔数更大，并且富液体萃取剂110中增强剂摩尔数与胺摩尔数的比要比在贫液体萃取剂中更高。
针对富液体萃取剂110第一排出物流106的负荷量应使第一排出物流106中游离乳酸的摩尔数与富液体萃取剂110中胺的摩尔数之间的比值小于约1.1，更优选小于约0.95。
该方法可进一步包括用水对含有乳酸和富液体萃取剂的络合物进行反萃取108，从而产生含水产物乳酸物流112。反萃取优选在下述温度下进行比富液体萃取剂和第一排出物流接触步骤的温度高约20℃以下。更优选地，反萃取优选在下述温度下进行比富液体萃取剂和第一排出物流接触步骤中的温度高约15℃以下。现已发现，在近似相同温度或没有明显不同的温度下进行萃取和反萃取，可显著提高用溶剂萃取方法所获得的乳酸的纯度水平。使用落在所定义的组成范围内的的胺基萃取剂并在所定义的乳酸负荷水平内应用，可很好地实现这一纯度有益效果。
图4所描述的具有两个主萃取102和108的方法具有下述优点对于在较小的侧线物流126和116上实施无溶剂操作提供了选择，所述操作在大物流如100、102、106、108和112上应用可能是无效的。因此，118和124可以是精馏或模拟移动床(SMB)操作以及其它。与较大物流100、102、106、108和112相比，这种侧线物流126和116通常含有更窄范围的杂质。这种小物流如126和116可以是内循环流，其部分或全部被转向辅助分离(如精馏、层析以及其它)。来自这种辅助分离的杂质可被排入128和122，并可成为本发明主废物流120的一部分。
图1-4描述了可应用步骤的某些特定组合，但本领域技术人员应认识到实施本发明的方法有多种。例如该方法可以按间歇、连续或半连续的方式进行。
从下述实施例中可进一步理解本发明的一些实施方案。
实施例1.相对于过量乳酸，树脂IRA-35对于丙酮酸的选择性。
表1

制备如表1所述的含有乳酸和丙酮酸的3ml原料水溶液。所述原料为45.3克/升乳酸和440毫克/升丙酮酸，其代表典型的发酵肉汤物流。在单步间歇平衡实验中，将其在20℃下与弱碱性阴离子树脂IRA-35接触。观察到，相对于乳酸而言，其对于丙酮酸的选择性为14.69。在此单步间歇实验中，共有81.8％的丙酮酸从溶液中转移到离子交换树脂上，而只有23.4％的乳酸被转移。
实施例2.使用填料柱(多级)接触器通过连续流对含有痕量丙酮酸和草酸的乳酸原料物流进行纯化。
制备3种原料溶液来模拟含有乳酸的发酵肉汤。第一原料溶液(FS1)按下述制备将272.7g 88％的L-乳酸(Pfansteihl)、2.572g 95％的丙酮酸(Aldrich)、20.868g 10％w/v的草酸(LabChem，Inc.)和去离子水混合至4升体积。类似地，第二原料溶液(FS2)按下述制备将270.4g88％的L-乳酸、2.424g 95％的丙酮酸、20.756g 10％w/v的草酸和足量去离子水混合形成4升体积的溶液。第三原料溶液(FS3)按下述制备将272.7g 88％的L-乳酸、2.4g 95％的丙酮酸、20.7g 10％w/v的草酸和足量去离子水混合形成4升体积的溶液。
用Ionac A-365弱碱性阴离子交换树脂(Sybron Chemicals，Inc.)——一种碱性不混溶萃取剂——填充40ml柱子。Ionac A-365具有多孔聚丙烯酸酯凝胶珠结构，具体含具有多胺官能团的丙烯酸二乙烯基苯。用几倍床层体积的去离子水洗涤填充于柱子中的树脂。将填充柱去盖，并置于环架上用于上流原料物流。
使用Eldex B-100-S-4不锈钢往复泵来调整水、原料溶液和处理流体进入柱子的速度。原料溶液、水和处理流体在约19℃-21℃温度下流过柱子。分别将乳酸原料FS1和FS2各4升、FS3 2.5升在超过52小时的时间内先后泵送通过柱子。将溶液相继进料至柱子底部，并在柱子顶部收集洗脱液。来自原料溶液的洗脱液馏分按下列次序收集6×30ml、2×120ml、29×240ml、1×40ml、8×240ml和9×30ml。先后用酸性溶液和碱性溶液处理柱子，从而还收集到4×40ml酸性洗脱液馏分、2×40ml去离子水洗涤馏分、4×40ml腐蚀性(如碱性)洗脱液馏分和2×40去离子水洗涤馏分。
通过HPLC先后对选择的洗脱液馏分未稀释地进行分析。在每次HPLC运行中将100μl的洗脱液馏分以每分钟1.4ml的流量注入。所有分析都在19℃-21℃的室温下进行。流动相在去离子水中含有10％乙腈和0.085％H3PO4。HPLC柱是长为300mm、直径为7.8mm的Jordi有机酸柱。使用UV检测设备(210nm)来检测从HPLC柱中洗脱出的化合物。测定某些洗脱液馏分的pH值。
在收集上述馏分之后，按照近似用于前述馏分一半的流量收集两个30ml的试样，从而测定是否存在任何动力学限制。基于下面的数据，显然没有动力学效应。
在原料物流流过之后，对柱子进行再生。用2倍床层体积的去离子水、4倍床层体积的1N HCl对柱子进行洗涤，接着再用2倍床层体积的去离子水进行洗涤。然后，用4倍床层体积的1N NaOH进行洗涤，再用2倍床层体积的去离子水进行洗涤。原料溶液的流动和柱子的再生可用下述化学式描述原料处理再生(1)再生(2)在酸和碱洗脱液馏分以及之后的水洗液中出现了多个新的峰。其中部分峰可能是由于树脂相中丙酮酸和草酸之间的反应。
起初树脂以R3N的形式存在。当原料溶液进料至柱子中后，不混溶碱性萃取剂与所有存在于原料物流中的酸络合。随着更多的原料溶液进料至柱子中，与不混溶碱性萃取剂络合的乳酸被丙酮酸置换出来。随着更多的原料溶液进料至柱子中，与不混溶碱性萃取剂络合的丙酮酸被草酸置换出来。对在柱子上原料溶液流末端收集得到的洗脱液试样进行的HPLC痕量分析显示，在运行结束时草酸仍然几乎全部被不混溶碱性萃取剂所吸收。当洗脱液试样中丙酮酸达到原料中克/升浓度的5％时，可能发生丙酮酸的穿透(丙酮酸被从不混溶碱性萃取剂中置换出来)。从HPLC数据看，这在192倍床层体积时发生。
由运行过程收集到的其它数据汇总于下表中。
表2原料溶液的HPLC痕量试样峰面积

表3所涉及的酸的相对pKa值

表4洗脱液试样与其原料的比较

丙酮酸面积对应排出物中丙酮酸含量约2ppm或0.002克/升。
在原料溶液和洗脱液馏分的HPLC痕量分析中出现的几种未知化学组成的杂质，可能是来自树脂生产的残余单体的树脂杂质和存在于用于制备原料溶液的化学品中的杂质。
表5基于3.5meq/ml的理论床层容量的穿透点处的床层负荷量

实施例3.来自乳酸共沸精馏的顶部馏出液的间歇处理.
通过共沸精馏和其它步骤对含有乳酸的发酵肉汤进行预纯化。所述产品含有19ppm的丙酮酸和260.9g/L的乳酸。在简单的间歇平衡吸收中，将4.5ml的这种材料用约1.2ml为羟基形式的弱碱性阴离子交换树脂Sybron Ionac A-365进行处理。约38％的乳酸被除去。很明显，约90％的丙酮酸被除去，剩下的产品中丙酮酸少于2ppm。据估计，相对于乳酸丙酮酸的选择性为14.73。
另外观察到，通过该处理，在该特定HPLC色谱分析方案中在7.27分钟洗脱时间时，一种未知酸“强杂质”被除去99％，选择性为约54。
在下表中，基于折射率数据(未给出)，估计了在210纳米波长下对于未知峰的色谱响应因子，其显示所述物质的响应因子要比丙酮酸的大4倍。
表6

实施例4.来自乳酸共沸精馏的顶部馏出液的连续处理.
通过共沸精馏和其它步骤对含有乳酸的发酵肉汤进行预纯化。
所述产品不含有可检测水平的丙酮酸、743g/L的乳酸和估计在7.27分钟的0.22克/升未知峰。
在连续柱接触模式中，将10.0ml的这种材料用约2.4ml为羟基形式的弱碱性阴离子交换树脂Sybron Ionac A-365处理。
约15％的乳酸被除去。很明显，98％的未知强杂质被除去，从而产生此强杂质小于4ppm的乳酸产物。
该实施例说明了本发明对于除去精确特性不明的强杂质的效果。
实施例5.低pH发酵肉汤的连续处理。
制备两种低pH的乳酸发酵肉汤(每种体积约为5.5升)并混合。用SAC(强酸性阳离子交换)树脂(＞0.1摩尔树脂/摩尔乳酸)和WBA(弱碱性阴离子交换)树脂(～0.03摩尔树脂/摩尔乳酸)对低pH肉汤进行处理。将SAC树脂填充于两个37mm×450mm柱子中，每个为480ml，先后操作并先后将WBA树脂填充于两个15mm×300mm柱子中，每个为53ml。
处理后，发现产物具有非常低的丙酮酸含量，其比由ADM和Pfanstiehl提供的乳酸试样中发现的更低。
表7除乳酸用g/l表示外，其它所有浓度以ppm表示

从表中数据可以看出，无机和有机酸都可以是强杂质，都能被有效除去，尽管有高的乳酸含量。对于SAC使用1.4BV/小时的流量，对于WBA使用6BV/小时的流量。
实施例6. 11升发酵肉汤的连续处理再生实施例5中使用的树脂，并用新的一批发酵材料重复处理。在运行中收集到的典型的排出物流馏分含有62.8克/升乳酸和12.4ppm的丙酮酸。
实施例7. 11升发酵肉汤的连续处理再生实施例6中使用的树脂，并用新的一批发酵材料重复处理。收集到两个馏分。离子交换处理后，各馏分通过蒸发浓缩到约28％w/w乳酸。蒸发前，浓度见表8。
表8

可以看出，丙酮酸含量从145毫克/升降低到0.5毫克/升。在只有少量乳酸损失的情况下，达到了丙酮酸含量近300倍的显著下降。
阴离子树脂得以再生，并且发现乳酸总原料质量的0.64％和丙酮酸被吸附至离子交换树脂。在这种情况下，强酸H2SO4和H3PO4存在于原料中，同时也作为置换酸。
可用附加的置换酸来再生树脂，并优于丙酮酸选择性置换附加的乳酸。
阴离子交换树脂得以再生，并且发现树脂中M乳酸与M丙酮酸的比为19.34。据认为这是由于树脂的选择性极限。不能超过这一负荷。
实施例8.用于系列强杂质的液体不混溶胺和固体胺离子交换剂的比较制备52.78g/L乳酸和0.2-0.3g/L各种表中所列酸杂质的酸混合物溶液。
用1.0ml Sybron Ionac A-365弱碱性阴离子树脂来平衡8ml等份的酸混合物，并相对于乳酸测定其选择性。
用5ml萃取剂Y来分别平衡各5ml等份的酸混合物，所述萃取剂Y由1.0摩尔三月桂胺和1.0摩尔十二烷醇组成，并以十二烷作为稀释剂。
表9

实施例9.用置换酸置换后U38强碱性阴离子树脂选择性除去强杂质在62ml柱子中制备Amberlite IRA-93强碱性阴离子树脂，并使其再生为氢氧化物形式。用树脂处理过量的浓乳酸发酵肉汤，所述发酵肉汤已预先用阳离子和弱碱性阴离子树脂处理过。
用1N H2SO4对树脂进行置换。收集到5个馏分。所获的前两个馏分含有大量的弱杂质、乙酸和甲酸以及乳酸。后面的馏分含有大量丙酮酸和部分乳酸。
实施例10.原料中不同丙酮酸含量对除去和置换效率的影响的估算原料溶液中乳酸摩尔数与丙酮酸摩尔数的比为117∶1。用胺不混溶碱性萃取剂处理后，产物具有相当的比486∶1。因此，通过选择性除去丙酮酸，乳酸已经得到了纯化。萃取剂含有5.6％摩尔存在于原料中的乳酸，这降低了收率。
通常，更多步骤或更长的萃取序列不会明显改善这种情况。这是因为原料中已经具有非常低的丙酮酸杂质含量，而相对于乳酸，胺对于丙酮酸只有有限的18倍的选择性。
假定每种物质进入胺相的分配系数的值是常数。这是合理的，因为在萃取过程中浓度不会明显改变。假定每种物质的分配系数是独立的，这也是合理的，因为在此情况下胺只是少量负荷。在低负荷下，胺萃取剂络合物可受丙酮酸与胺1∶1的络合物形成控制。这些络合物的能量和分配与酸的pKa大致相关。此处用的胺可以不是高度增强的。例如，假定丙酮酸进入胺相的Kd为酸性游离胺相的丙酮酸摩尔/升值与酸性游离水相的丙酮酸摩尔/升值之间的比。丙酮酸的分配系数假定为5.0，乳酸则为0.278，从而选择性为18.0。
表10使用相同乳酸浓度(0.66M)时丙酮酸原料浓度的影响

由于离子交换中有多个步骤，在第二床层体积后排出液中有效丙酮酸含量是非常低的。实践中，观察到2ppm的丙酮酸含量。假定床层相对于乳酸对丙酮酸的选择性为18∶1，则在所有下述情况即其中床上离子负荷馏分Y丙酮酸大于约100/18＝5.56％w/w时，可在再生期间几乎彻底使乳酸与丙酮酸分离。如果负荷量小于此值，则需要对此排出液进行后续的附加离子交换处理。上述例子针对的是在离子交换剂上所有物质全部脱附的情形，而没有将排出液分馏，这是理想的。
实施例11.重复实施例10的估算，但改变乳酸浓度表11具有相同丙酮酸浓度的原料中改变乳酸浓度影响

对于给定的丙酮酸含量而言，当乳酸浓度增大时，乳酸在床上的分馏负荷下降。这使获得单独的乳酸和丙酮酸馏分更困难。
上述对本发明特定实施方案的描述并不是本发明各种可能实施方案的穷举。本领域技术人员应认识到，对于所述特定实施方案可作出的改变也将落入本发明的范围之内。
权利要求
1.一种纯化乳酸的方法，包括提供一种含有游离乳酸和至少一种污染物的含水原料物流；将含水原料物流与贫液体萃取剂接触，所述贫液体萃取剂中，相对于每千克贫液体萃取剂，其含有小于约0.75摩尔胺，相对于每摩尔胺，其含有约0-0.5摩尔增强剂，并含有稀释剂，从而大部分污染物与贫液体萃取剂络合；将络合的贫液体萃取剂与含水原料物流分离，从而产生第一排出物流，其含有游离乳酸，且游离乳酸与污染物的比要比未接触的含水原料物流中的更大；和将第一排出物流与富液体萃取剂接触，从而使第一排出物流中的大部分游离乳酸与富液体萃取剂络合，其中富液体萃取剂含有与贫液体萃取剂中相同的胺、增强剂和稀释剂，并且富液体萃取剂中，相对于每千克富液体萃取剂含有的胺的摩尔量要比每千克贫液体萃取剂中胺的摩尔量更大，并且富液体萃取剂中增强剂摩尔量与胺摩尔量的比要比贫液体萃取剂中的更高，并且负荷量应使第一排出物流中游离乳酸的摩尔量与富液体萃取剂中胺的摩尔量之比小于约1.1。
2.权利要求1的方法，其中污染物是pKa小于约3.46的酸。
3.权利要求2的方法，其中污染物选自丙酮酸、草酸、马来酸、丙二酸、富马酸、2-酮基丁酸、2-羟基丁酸、乙酸、2-羟基-3-甲基丁酸、4-羟基-苯基丙酮酸、苯基丙酮酸、4-羟基-苯基乳酸、苯基乳酸、柠康酸、柠檬酸以及它们的混合物。
4.权利要求1的方法，其中胺为仲或叔脂族胺。
5.权利要求4的方法，其中胺含有20-36个碳原子。
6.权利要求1的方法，其中贫液体萃取剂含有叔胺，并且相对于每千克贫液体萃取剂，其含有约0.2-0.5摩尔所述胺。
7.权利要求1的方法，其中相对于每摩尔胺，贫液体萃取剂含有约0.1-0.25摩尔增强剂。
8.权利要求1的方法，其中负荷量应使相对于第一排出物流中每0.95摩尔游离乳酸，在富液体萃取剂中含有1摩尔胺。
9.权利要求1的方法，其中增强剂选自链烷醇、酯、二酯、二醇、酮和二酮。
10.权利要求1的方法，其中增强剂是C3-C12的单羟基伯链烷醇。
11.权利要求1的方法，其中含水原料物流是发酵肉汤。
12.权利要求1的方法，其中稀释剂选自芳族烃和脂族烃。
13.权利要求1的方法，其中稀释剂选自十二烷、癸烷、二甲苯、甲苯、煤油以及它们的混合物。
14.权利要求1的方法，其进一步包括用水对含有乳酸和富液体萃取剂的络合物进行反萃取，从而产生含水产物乳酸物流。
15.权利要求14的方法，其中反萃取在下述温度下进行比富液体萃取剂和第一排出物流接触步骤中的温度高约20℃以下。
16.权利要求15的方法，其中反萃取在下述温度下进行比富液体萃取剂和第一排出物流接触步骤中的温度高约15℃以下。
17.权利要求1的方法，其中含水原料物流用第二种方法制备，其包括提供一种含有乳酸、至少一种污染物和固体的含水物流原料，并过滤所述含水物流原料以除去大部分固体。
18.权利要求17的方法，其中含水物流原料进一步含有溶解的分子，并且第二种方法进一步包括对过滤后的含水物流原料进行膜过滤，从而除去大部分溶解的分子。
19.权利要求17的方法，其中含水物流原料进一步含有阳离子，并且第二种方法进一步包括将过滤后的含水物流原料与阳离子交换剂接触，从而除去大部分阳离子。
20.权利要求17的方法，其中含水物流原料是发酵肉汤。
21.一种纯化有机酸的方法，其包括提供一种含有产物有机酸和至少一种强污染物的含水原料物流，其中产物有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大20倍；将含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂接触，相对于产物有机酸，所述第一不混溶碱性萃取剂对于强污染物的选择性大于约3，从而大部分强污染物和小于约33wt％的产物有机酸与第一不混溶碱性萃取剂络合；将络合的第一不混溶碱性萃取剂与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有产物有机酸，且产物有机酸与强污染物的比要比含水原料物流中的更大；和将络合的第一不混溶碱性萃取剂与置换酸接触，其中相对于强污染物或产物有机酸，第一不混溶碱性萃取剂对于置换酸具有更大的亲合性，并且置换酸以足够的量存在从而使产物有机酸和强污染物在一段时间后从络合的第一不混溶碱性萃取剂中置换出来，从而产生含有大部分产物有机酸的第二排出物流和含有大部分强污染物的第三排出物流；其中，存在于第一排出物流和第二排出物流中的产物有机酸总量为存在于原料物流中的产物有机酸的至少约90％重量。
22.权利要求21的方法，其中存在于第一排出物流和第二排出物流中的产物有机酸总量为存在于原料物流中的产物有机酸的至少约98％重量。
23.权利要求21的方法，其中产物有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大90倍。
24.权利要求21的方法，其中产物有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大500倍。
25.权利要求21的方法，其中产物有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大1000倍。
26.权利要求21的方法，其中选择性至少为约15。
27.权利要求21的方法，其中选择性至少为约25。
28.权利要求21的方法，其中选择性至少为约100。
29.权利要求21的方法，其中强污染物是比产物有机酸具有更低pKa的有机酸。
30.权利要求21的方法，其中产物有机酸是乳酸。
31.权利要求30的方法，其中强污染物的pKa小于约3.46。
32.权利要求30的方法，其中强污染物选自丙酮酸、草酸、柠康酸、柠檬酸以及它们的混合物。
33.权利要求30的方法，其中选择性大于约25。
34.权利要求30的方法，其中原料物流中乳酸的摩尔浓度比原料物流中强污染物的摩尔浓度至少大300倍，并且选择性大于约500。
35.权利要求21的方法，其中第一不混溶碱性萃取剂含有弱碱性离子交换树脂。
36.权利要求21的方法，其中置换酸选自HCl、H2SO4、H3PO4、草酸和三氟乙酸。
37.权利要求21的方法，其中原料物流、第一排出物流和第二排出物流进一步含有弱污染物，所述方法进一步包括将第一排出物流和第二排出物流混合从而形成混合产物有机酸物流；将混合产物有机酸物流与第二不混溶碱性萃取剂接触，从而大部分产物有机酸与第二不混溶碱性萃取剂络合；和将络合的第二不混溶碱性萃取剂与所述物流分离，从而产生第四排出物流，其含有大部分存在于混合产物有机酸物流中的弱污染物。
38.权利要求37的方法，其进一步包括将第四排出物流与第三不混溶碱性萃取剂接触，相对于弱污染物，所述第三不混溶碱性萃取剂对产物有机酸具有更大的亲合性，从而大部分存在于第四排出物流中的产物有机酸与第三不混溶碱性萃取剂络合；将络合的第三不混溶碱性萃取剂与所述物流分离，从而产生第五排出物流，其含有大部分存在于混合产物有机酸物流中的弱污染物；将络合的第二不混溶碱性萃取剂和络合的第三不混溶碱性萃取剂与一种或多种置换酸接触，从而在一个或多个附加的排出物流中置换产物有机酸。
39.权利要求37的方法，其中第二不混溶碱性萃取剂含有弱碱性离子交换树脂，所述树脂含有叔胺部分。
40.权利要求37的方法，其中产物有机酸是乳酸，弱污染物是pKa大于约4.26的有机酸。
41.权利要求40的方法，其中弱污染物是选自丙酸、丁酸、丙二酸、琥珀酸以及它们的混合物的有机酸。
42.权利要求21的方法，其进一步包括将第三排出物流与附加的不混溶碱性萃取剂接触，相对于产物有机酸，所述附加的不混溶碱性萃取剂对于强污染物具有更大的亲合性，从而大部分存在于第三排出物流中的强污染物与附加的不混溶碱性萃取剂络合；将络合的附加不混溶碱性萃取剂与残余物流分离，从而产生附加的排出物流，其含有大部分存在于第三排出物流中的产物有机酸。
43.权利要求21的方法，其中原料物流含有发酵肉汤。
44.权利要求21的方法，其中第一不混溶碱性萃取剂包括固体碱性萃取剂，含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂在填料床中接触，并且第二排出物流中产物有机酸的摩尔浓度与强污染物的摩尔浓度间的比值在约10％选择性内。
45.权利要求21的方法，其中第一不混溶碱性萃取剂包括液体碱性萃取剂，在多级工艺中使含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂接触，并且产物有机酸与强污染物的比值在约10％选择性内。
46.权利要求21的方法，其中含水原料物流含有一种以上的强污染物，并且至少一种强污染物是置换酸。
47.权利要求21的方法，其中含水原料物流和第一排出物流进一步含有弱污染物，所述方法进一步包括对第一排出物流进行至少一次萃取或精馏处理，从而产生至少两个馏分纯化的产物有机酸馏分，其含有约90％-99.5％重量的原料物流中的产物有机酸，和弱污染物馏分，其含有产物有机酸和弱污染物，其中弱污染物馏分中产物有机酸摩尔浓度与弱污染物摩尔浓度的比值小于原料物流中产物有机酸摩尔浓度与弱污染物摩尔浓度的比值；将弱污染物馏分与第三不混溶碱性萃取剂接触，相对于弱污染物，所述第三不混溶碱性萃取剂对于产物有机酸的选择性大于约3，从而大部分产物有机酸和小于约33wt％的弱污染物与第三不混溶碱性萃取剂络合；将络合的第三不混溶碱性萃取剂与含水物流分离，从而产生含有弱污染物的排出物流，且含弱污染物的排出物流中，弱污染物与产物有机酸的比要比含水原料物流中的更大；和将络合的第三不混溶碱性萃取剂与置换酸接触，其中相对于产物有机酸或弱污染物，第三不混溶碱性萃取剂对于置换酸具有更大的亲合性，并且置换酸以足够的量存在从而使产物有机酸和弱污染物在一段时间后从络合的第三不混溶碱性萃取剂中置换出来，从而产生含有大部分弱污染物的弱污染物排出物流和含有大部分产物有机酸的产物有机酸物流。
48.权利要求47的方法，其中纯化的产物有机酸馏分含有约95％重量至99.5％重量的存在于原料物流中的产物有机酸。
49.权利要求21的方法，其中第一不混溶碱性萃取剂已预先用于处理含有产物有机酸和至少一种弱污染物的溶液。
50.一种纯化乳酸的方法，包括提供一种含水原料物流，其含有乳酸和至少一种强污染物酸，所述强污染物酸具有小于约3.46的pKa，其中乳酸的摩尔浓度比强污染物酸的摩尔浓度至少大20倍；将含水原料物流与第一碱性离子交换剂接触，相对于乳酸而言，所述第一碱性离子交换剂对于强污染物酸具有更大的亲合性，从而大部分强污染物酸和部分乳酸与第一碱性离子交换剂络合；将络合的第一碱性离子交换剂与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有乳酸，且乳酸与强污染物酸的比要比含水原料物流更大；和将络合的第一碱性离子交换剂与置换酸接触，其中相对于强污染物酸或乳酸而言，第一碱性离子交换剂对于置换酸具有更大的亲合性，从而一段时间后乳酸和强污染物酸从络合的第一碱性离子交换剂中置换出来，产生含有大部分乳酸的第二排出物流和含有大部分强污染物酸的第三排出物流；其中，存在于第一排出物流和第二排出物流中的乳酸总量为存在于原料物中的乳酸的至少约90％重量。
51.权利要求50的方法，其中含水原料物流中乳酸的摩尔浓度比强污染物酸的摩尔浓度至少大90倍。
52.权利要求50的方法，其中含水原料物流中乳酸的摩尔浓度比强污染物酸的摩尔浓度至少大500倍。
53.权利要求50的方法，其中含水原料物流中乳酸的摩尔浓度比强污染物酸的摩尔浓度至少大1000倍。
54.权利要求50的方法，其中强污染物酸选自丙酮酸、草酸、柠康酸、柠檬酸以及它们的混合物。
55.权利要求50的方法，其中原料物流中乳酸的摩尔浓度比原料物流中强污染物酸的摩尔浓度至少大100倍，且选择性大于约250。
56.权利要求55的方法，其中原料物流中乳酸的摩尔浓度比原料物流中强污染物酸的摩尔浓度至少大300倍，且选择性大于约500。
57.权利要求50的方法，其中第一碱性离子交换剂包括弱碱性离子交换树脂。
58.权利要求50的方法，其中第一碱性离子交换剂对于置换酸的亲合性比其对于丙酮酸的亲合性至少大10倍。
59.权利要求50的方法，其中置换酸选自HCl、H2SO4和H3PO4。
60.权利要求50的方法，其中原料物流、第一排出物流和第二排出物流进一步含有pKa大于约4.26的弱污染物有机酸，所述方法进一步包括将第一排出物流和第二排出物流混合从而形成混合的乳酸物流；将混合的乳酸物流与第二碱性离子交换剂接触，从而大部分乳酸与第二碱性离子交换剂络合；和将络合的第二碱性离子交换剂与所述物流分离，从而产生第四排出物流，其含有大部分存在于混合乳酸物流中的弱污染物。
61.权利要求60的方法，其进一步包括将第四排出物流与第三碱性离子交换剂接触，相对于弱污染物酸而言，所述第三碱性离子交换剂对乳酸具有更大的亲合性，从而大部分存在于第四排出物流中的乳酸与第三碱性离子交换剂络合；将络合的第三碱性离子交换剂与所述物流分离，从而产生第五排出物流，其含有大部分存在于混合乳酸物流中的弱污染物酸；将络合的第二碱性离子交换剂和络合的第三碱性离子交换剂与一种或多种置换酸接触，从而在一个或多个附加的排出物流中置换出乳酸。
62.权利要求60的方法，其中第二不混溶碱性萃取剂包括弱或强碱性离子交换树脂。
63.权利要求60的方法，其中弱污染物是有机酸，其选自丙酸、丁酸、丙二酸、琥珀酸以及它们的混合物。
64.权利要求50的方法，其进一步包括将第三排出物流与附加的碱性离子交换剂接触，相对于乳酸，所述碱性离子交换剂对于强污染物酸具有更大的亲合性，从而大部分存在于第三排出物流中的强污染物酸与附加的碱性离子交换剂络合；将络合的附加碱性离子交换剂与所述物流分离，从而产生附加的排出物流，其含有大部分存在于第三排出物流中的乳酸。
65.权利要求50的方法，其中第一排出物流和第二排出物流中乳酸摩尔浓度与强污染物摩尔浓度的比值都大于300。
66.权利要求65的方法，其中第一排出物流和第二排出物流中乳酸摩尔浓度与强污染物摩尔浓度的比值都大于约1000。
67.权利要求50的方法，其中原料物流中存在的至少98％重量的乳酸在第一排出物流和第二排出物流中回收。
68.权利要求50的方法，其中含水原料物流包括发酵肉汤或者由发酵肉汤得到。
69.权利要求68的方法，其中含水原料物流中，相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.15摩尔阳离子，所述阳离子选自Ca、Mg、Na、Fe、Zn、Zr和Li；相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.05摩尔阴离子，所述阴离子选自Cl、SO4、PO4和NO3；相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.03摩尔强酸污染物，所述强酸污染物选自丙酮酸、草酸、柠康酸和柠檬酸；并且相对于每摩尔乳酸，其含有不超过约0.02摩尔弱酸污染物，所述弱酸污染物选自丙酸、丁酸、丙二酸和琥珀酸。
70.一种纯化乳酸的方法，其包括提供一种含有乳酸和丙酮酸的含水发酵肉汤，其中乳酸的摩尔浓度比丙酮酸的摩尔浓度至少大20倍；从肉汤中除去细胞从而形成含水原料物流；将含水原料物流与用于络合丙酮酸的介质接触，相对于乳酸而言，所述介质对于丙酮酸具有更大的亲合性，从而大部分的丙酮酸和部分乳酸与之络合；将络合物与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有乳酸，且乳酸与丙酮酸的比要比含水原料物流中的更大；和将络合物与用于置换乳酸和丙酮酸的介质接触，从而产生含有大部分乳酸的第二排出物流和含有大部分丙酮酸的第三排出物流；其中，第一排出物流和第二排出物流中的乳酸总量至少为原料物流中存在的乳酸的约98％重量。
71.一种纯化有机酸的方法，其包括提供一种含有产物有机酸和至少一种强污染物的含水原料物流，其中产物有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大20倍；将含水原料物流与第一不混溶碱性萃取剂接触，相对于产物有机酸而言，所述第一不混溶碱性萃取剂对于强污染物的选择性大于约3，从而大部分强污染物和小于约33wt％的产物有机酸与第一不混溶碱性萃取剂络合；将络合的第一不混溶碱性萃取剂与含水物流分离，从而产生第一排出物流，其含有产物有机酸，且产物有机酸与强污染物的比要比含水原料物流中的更大；和对络合的第一不混溶碱性萃取剂进行至少一种下述处理(1)改变温度，(2)改变溶剂浓度，或(3)改变置换剂浓度，其中这种处理导致一段时间后产物有机酸和强污染物从络合的第一不混溶碱性萃取剂中置换出来，从而产生含有大部分产物有机酸的第二排出物流和含有大部分强污染物的第三排出物流；其中，第一排出物流和第二排出物流中的产物有机酸总量至少为原料物流中存在的产物有机酸的约90％重量。
全文摘要
公开了一种用于纯化含水原料物流(10)的方法，所述含水原料物流含有产物有机酸和强污染物如另一种有机酸。原料物流(10)中有机酸的摩尔浓度比强污染物的摩尔浓度至少大20倍。使原料物流(10)与不混溶碱性萃取剂(18)接触，所述萃取剂对于所述污染物具有更大的亲合性，并与污染物及部分有机酸络合。将络合的萃取剂与含水物流(10)分离，从而产生含有产物有机酸的第一排出物流(20)。使络合的萃取剂与置换酸接触，萃取剂对于置换酸比污染物具有更大的亲合性。因此，产生含有有机酸的第二排出物流(28)和第三排出物流(30)。
文档编号C07C51/48GK1612851SQ02826698
公开日2005年5月4日 申请日期2002年12月11日 优先权日2002年1月3日
发明者M·C·M·科克雷姆, I·科瓦克斯, I·莫汉麦德努尔, D·海德尔, A·M·巴尼尔 申请人:A·E·斯特利制造公司