专利名称：通过结晶纯化乳酸的方法
技术领域：
本发明涉及一种纯化乳酸的方法，以在单一结晶步骤中产生按质量计比表面积小于0. 05m2/g的乳酸晶体。相关技术描述众所周知，乳酸或2-羟基丙酸，是一种α-羟基羧酸，可通过发酵制得。本领域技术人员知道获得乳酸的进一步制程，通过石化试剂的化学转化，例如由乙醛获得的乳腈水解，丙酸的氯化和水解，或者通过丙烯硝化而得。人们也知道，乳酸被发现有两种非对映体结构形式，L(+)形式和(D-)形式，乳酸每天都会遇到新应用，从传统用作食物防腐剂到新应用开发，例如合成溶剂、杀虫剂、除莠剂、可生物降解聚合物等等。然而，由于必备的品质标准日益严格以及实现生产成本与商品市场相适应的需求，在维持品质水平能迎合最严格要求的同时能够减少能源消耗是至关重要的。此外，在下，控制或者减少工业制程的能源消耗是特别有益于当前环境压力和对化石能源限制的大
曲旦冃足°人们也知道，除了其他之外，乳酸的纯度是通过测量在环境温度下的色度(美国公共卫生协会(APHA)标准，单位Hazen)以及通过由测量200°C温度下加热回流两小时后的物质的色度(APHA标准，单位Hazen)构成的热稳定性测试来计算。当冷却到周围环境温度后乳酸溶液的色度不超过50HaZen，此乳酸溶液通常认为是热稳定的。然而，对于某些特定应用，例如用于生产聚乳酸，乳酸应具有非常高纯度和非常低的热稳定指数，通常小于50HaZen或者在某些情况下小于30HaZen。当聚乳酸的分子量大于 1000，000道尔顿(Dalton)时即构成“聚合物”级别，正如在EP 1953234A1专利文献中说明的那样。此外，先前技术详细描述了由富含乳酸的发酵汁中进行热稳定级别乳酸的工业纯化能使用多种技术来实现，这些技术通常包括共同步骤眷净化发酵，需要(离心，絮凝/过滤，微滤，等等) 除去离子(电渗析，离子交换树脂，液/液萃取，等等) 除去色彩或其他杂质(膜过滤，活性炭，等等) 浓缩/蒸馏乳酸这些步骤相结合，获得高产率。这些纯化方法例如在专利(US6489508，US5681728，US7244596)中有描述。用这些技术来纯化乳酸时，该乳酸浓度大于85 %，特定色度大于500HaZen，并来源于发酵，从目前来看，需要使用至少一个蒸馏步骤制得热稳定级别的乳酸。这些类型的方法不利在于需要大量能源和复杂设备。人们也知道，浓缩溶液中乳酸可结晶(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学性质”，20-22，Verlag Chemie,1971)。
根据先前技术描述的在结晶阶段制备乳酸晶体的方法不能制备热稳定级别的乳酸，除非相对高品质乳酸(色度< 500HaZen)用作初始乳酸，或者使用有机溶剂。所有这些限制都会对生产成本带来不容忽略的影响。而且，这些方法没有提及制得的晶体大小。在WO 0222545专利中，也描述了纯化乳酸的方法，但是包括在结晶步骤之前在有机溶剂中进行萃取的步骤，而不是蒸馏。本领域技术人员知道，小份量的有机萃取剂存在于来自于萃取的水相中，需要额外的纯化步骤以除去此溶剂残留。然而，在某些情况下，不纯的发酵汁可以不使用有机溶剂来纯化。在WO 0056693专利中也描述了乳酸的结晶，但是需要用纯得多的乳酸水溶液(该乳酸溶液的色度不超过83HaZen)来开始。文献也包含纯化乳酸的方法，尤其是描述在WO 0222544专利中，包括一个或多个结晶步骤以及一个蒸馏步骤，这个显然不是依照本发明的方法所寻求的目标。结晶纯度通常与按照其质量计的比表面积相关。晶体按质量计的比表面积(SSM)是指单位质量晶体展开的面积。按质量计的比表面积(SSM)用于将悬浮液或粉末的晶体尺寸特性与另一悬浮液或粉末的晶体尺寸特性作比较。此比表面积可在体积Vm和数以百计晶体的平均表面积Sm(通过测量晶体面的长度) 以及晶体的密度Dc的基础上通过光学成象方式来测定SSM = Sm/ (Vm*Dc)实际上，在结晶后的液/固分离之后，单位质量晶体的残留母液的量与其表面积成比例关系。杂质基本上存在于此母液中，单位质量晶体展开的表面积越小，单位质量晶体上杂质含量越低。例如，甜菜和蔗糖的情况就是这样。人们也知道，液/固分离对于大晶体也便于施行。需要提供一种在低工作温度下以最少消耗，从不纯的水溶液中通过结晶产生热稳定级别乳酸的方法，该水溶液具有色度大于500HaZen，工作温度优选为不超过30°C，更优选为在4-26°C之间。在结晶过程中，所述步骤可能特别受两个因素的影响，成核和过饱和。有两种类型的成核，初级成核和二次成核。在初级成核的情况下，微生物出现于介质中但不包含任何来自于析出相的晶体。 如果微生物形成于溶液体积中，此成核称为初级均质的。另一方面，如果微生物形成于结晶器的壁上、搅拌器上或形成于漂浮于溶液中的固体颗粒上，那么此成核称为初级异质的。在二次成核的情况下，微生物出现于介质中，其中已经存在来自于析出相的晶体。 如果溶液包含晶体，晶体可能相互碰撞，击打器壁、搅拌器、其他固体颗粒，由此释放微观颗粒。这些微观颗粒然后可能成长。二次成核也可能随着过饱和的骤然增加而出现。本专利申请中涉及的成核温度(Tn)由二次成核的温度构成。在亚稳态区，在预定温度下的过饱和S(g/1)可定义为溶液的浓度C(g/1)和饱和时浓度c*(g/l)之间的差异。S = C-C*在预定浓度“C”的溶液的过饱和度(Df)为Dsc = (Tsc-T) / (Tsc-Tnc)其中，Tsc是固溶温度，T是工作温度，Tnc是二次成核温度。
乳酸的整个结构兼有羟基官能团和羧酸基团，引起生成乳酰乳酸、二乳酰乳酸、三乳酰乳酸、...(n_乳酰乳酸)单元(也称为乳酸的寡聚物)的浓缩反应。这些浓缩或寡聚反应趋于平衡，而且如果起始水溶液浓度和温度高时更有可能这样(Holten C.H.，“乳酸 乳酸及其衍生物的性能和化学性质”，Verlag Chemie, 1971)。单体含量与总乳酸浓度(单体和寡聚体)相关，并可使用下式估算出，假定总酸度小于105% 单体相对含量=(TA%-(TA% -FA% )/TA%其中TA =总酸度，在皂化后用酸碱滴定测定，表示为乳酸单体，FA =游离酸度，通过直接酸碱滴定测定，表示为乳酸单体。
发明内容
本发明涉及一种纯化乳酸的方法，以从色度大于500HaZen的不纯水溶液中产生按质量计比表面积小于0. 05m2/g的晶体。本发明还涉及一种通过结晶纯化乳酸的方法，优选为没有蒸馏，以产生按质量计比表面积小于0. 05m2/g的晶体，其中，其他杂质的含量为使得由晶体制备的90%水溶液是热稳定级别的，以及优选为在加热至200°C两小时后具有小于30HaZen的色度。本发明还涉及一种通过结晶纯化乳酸的方法，结晶是通过控制溶液中寡聚物含量及通过控制过饱和因素来实现。发明详细说明本申请开发出一种纯化乳酸的方法，包括从色度大于500HaZen及单体相对含量高于80%的乳酸溶液形成按晶体质量计比表面积小于0. 05m2/g的晶体，其特征在于1)溶液在低过饱和度下冷却2)溶液用乳酸晶体作晶种3)晶体在低过饱和度下成长4)晶体通过将其从液相中分离回收。另外还发现结晶需要通过控制温度来实现，以保持低于60%的过饱和度并优选为在1-40%之间。出乎意料的是，申请人发现，残留杂质并没有在结晶之后消除，主要存在于表面浸渍液中，以及晶体的比表面积与过饱和值紧密关联。实际上，在低过饱和下，晶体具有低表面密度，而在高过饱和下，申请人观察到乳酸晶体显著延长(针形)，引起大得多的结晶体表面积。申请人:还意外发现，通过控制溶液中单体相对含量，即通过保持其在80%以上，优选在90%以上，可以通过增加固溶温度和成核温度来显著影响结晶过程，由此影响结晶产率。实际上，还发现减少单体相对含量对乳酸的固溶温度和成核温度具有显著影响。多数纯化的乳酸，对于同样的总酸度(如89% )，每个具有不同的游离酸度，这些纯化的乳酸通过将其引入51精密恒温控制配备有螺旋搅拌浆的反应器中进行测试。为精确测定固溶点，温度调节到低于理论固溶温度5°C。在我们的实例中，反应器温度调节到25°C (对于选定浓度和无寡聚产品的情况，理论固溶温度为30°C)。温度然后逐渐上升到没有进一步的晶体出现。在最后晶体消失时的温度为实验的固溶温度。为了更好的再现性，我们测定了二次成核温度。为此，一些大晶体(三或四个)引入稍微过冷的溶液中(26°C)。这些晶体用于引发成核。为获得成核，溶液按照10°C /hr的冷却梯度冷却。成核温度在出现首个晶体(在溶液中的晶体除外)时测定。
图1给出Tn和Ts依TA为89%的乳酸的单体相对含量而递增的曲线。很清楚，在表1和图1中，减少单体相对含量对于乳酸的固溶温度和成核温度具有显著影响。表 权利要求
1.纯化乳酸的方法，以从不纯水溶液中获得按质量计比表面积小于0.05m2/g的晶体， 所述不纯水溶液具有大于500HaZen的色度，浓度在85-95%之间，优选在88-93%之间，其特征在于，结晶是通过控制寡聚体含量，表示为与总乳酸浓度相关的单体含量，以维持单体相对含量高于80%，以及通过控制乳酸水溶液的过饱和度以维持过饱和度在1-60%之间， 在单一步骤中在不超过30°C温度下实现。
2.根据权利要求1所述的纯化方法，其特征在于所述寡聚体控制是通过维持乳酸单体相对含量高于90%进行控制的。
3.根据权利要求1和2所述的纯化方法，其特征在于(i)所述不纯乳酸水溶液在1-40%之间的低过饱和度下冷却，( )所述不纯水溶液用乳酸晶体作晶种，(iii)晶体在1-40%之间的低过饱和度下成长，(iv)按质量计比表面积<0. 05m2/g的晶体通过将其从液相中分离而回收。
4.根据权利要求3所述的纯化方法，其特征在于采用过饱和度在10-20%之间。
5.获得热稳定级别乳酸晶体的方法，所述晶体具有小于0.05m2/g的按质量计比表面积，其中所述晶体的90%水溶液于200°C加热两小时后具有小于50HaZen的色度，其特征在于，通过根据权利要求1至4任一项所述的方法的结晶来纯化色度大于500HaZen的不纯乳酸水溶液。
6.根据权利要求1至5任一项所述的纯化方法，其特征在于所获得的晶体用乳酸水溶液洗涤。
全文摘要
通过在一个或多个步骤中结晶来纯化乳酸的方法，其特征在于，晶体是通过控制乳酸寡聚体含量，表示为单体相对含量高于80％，以及控制该溶液的过饱和度在1-60％之间而形成于不纯乳酸水溶液，以获得按质量计比表面积小于0.05m2/g的乳酸晶体，该不纯乳酸水溶液具有大于500Hazen的色度，浓度在85-95％之间。
文档编号C07C51/43GK102227399SQ200980147359
公开日2011年10月26日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年12月24日
发明者安吉洛·基亚内塞, 玛丽亚-保拉·帕里西, 皮埃尔-安托尼·玛丽亚吉, 菲利佩·科斯扎克, 让-克里斯托夫·博盖尔特 申请人:银河股份公司