利用两性碱性聚合物的分离方法

专利名称：利用两性碱性聚合物的分离方法
相关申请的资料本申请要求美国专利申请系列号60/081,837和60/081,956的优先权，两者都于1998年4月15日申请，其全部内容都被引入本文供参考。
背景技术：
本发明一般涉及酸与其它化合物的分离领域，和用于所述分离方法的聚合物。特别地，本发明涉及使用两性碱性聚合物分离酸与其它化合物的方法。
通常需要通过处理含有酸性化合物例如羧酸的混合物的介质，来将其与其它化合物分离。作为例子的是，世界上通过发酵来大规模生产柠檬酸和乳酸。这样的发酵提供了含有糖类和其它化合物的发酵液，从中必须分离出所需的酸用于下游应用。如果进行如此大量的生产，使产品回收费用最小是非常重要的。
近来的回收工作集中在固体聚合材料用于将羧酸与发酵液的其它成分分离的用途上。在该途径中，通过液固相互作用将发酵液用固体聚合物处理，导致酸与其它发酵液成分的分离。迄今已提出了用于此类液固分离方法的各种固体聚合物。
例如Kawabata等在美国专利US4,323,702中描述了利用一种物质回收羧酸的方法，所述物质的主组分是具有吡啶骨架结构和交联结构的聚合物吸附剂。羧酸被吸附在吸附剂上，然后使用极性有机物质例如脂族醇、酮或酯将其解吸。
Kulprathipanja等在美国专利US4,720,579、4,851,573和4,851,574中描述了固体吸附剂的用途，所述吸附剂包括中性、非离子化、大网络、水不溶性的交联苯乙烯-聚(乙烯基)苯，具有连接的叔胺官能团或吡啶官能团的交联的丙烯酸或苯乙烯树脂基质，或具有连接的脂族季胺官能团的交联的丙烯酸或苯乙烯树脂基质。
1985年7月9日申请的南非专利申请855155描述了其它方法，其中酸从它们的水溶液中回收。在吸附步骤中，含酸溶液流经含有吸附剂树脂的柱，所述树脂由下面组分构成乙烯基咪唑/亚甲基双丙烯酰胺聚合物、乙烯基吡啶/三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯/乙烯基三甲基硅烷聚合物、乙烯基咪唑/N-乙烯基-N-甲基乙酰胺/亚甲基双丙烯酰胺聚合物、Amberlite IRA 35(Rohm & Haas，基于丙烯酸酯/二乙烯基苯的含二甲基氨基的聚合物)或Amberlite IRA 93 SP(Rohm & Haas)或DowexMWA-1或WGR-2(Dow Chemical)(后三者是基于苯乙烯/二乙烯基苯的含二甲基氨基的聚合物)。为了将酸解吸，通常在90℃的温度使水流经柱子。
都是由Reilly Industries Inc.在1992年3月12日申请的国际申请PCT/US92/02107(1992年10月1日公开，WO92/16534)和1992年3月12日申请的PCT/US92/01986(1992年10月1日公开，WO92/16490)公开了使用二乙烯基苯交联的乙烯基吡啶或其它类似树脂分别回收乳酸和柠檬酸。
美国专利US5,412,126描述了一种方法，其中柠檬酸被吸附在碱性树脂上，然后使用烷基胺汽提。通过将材料脱水和加热除去胺来回收游离酸。美国专利US5,032,686描述了一种方法，其中使用酸性树脂从糖类中分离出柠檬酸，而美国专利US5,382,681描述了一种方法，其中首先用碱处理含有另一化合物的柠檬酸溶液，将柠檬酸转变成柠檬酸三钠，之后将碱性介质经过碱性树脂以分离其它化合物。
1997年7月16日出版且1988年12月15日授权的捷克斯洛伐克的发明人的证书号255497B1描述了含有羧甲基吡啶官能团的可溶胀树脂用于吸附阴离子和阳离子的用途。
尽管有上述的工作，但是仍然需要改进的有效方法，来处理介质以分离酸与其它化合物。本发明满足了这些需要。
发明概述本发明的一个特征是这样的发现，两性碱性聚合物能够有效地处理介质，以便从其它化合物中色谱分离出酸。因此，本发明的一个优选实施方案提供了一种处理介质的方法，以便从至少一种其它化合物中分离出至少一种酸，该方法包括在使酸与其它化合物有效分离的条件下，使介质与两性碱性聚合物接触。本发明优选的方法实质上是色谱法，包括使用含有两性碱性聚合物的固体固定相完成的分离。本发明中所用的两性碱性聚合物包括带有正电荷和负电荷的单个重复单元(所谓的两性内盐)，或者另外能够包括仅带有负电荷的一些重复单元和仅带有正电荷的一些重复单元(所谓的两性离子对)。本发明需要的两性碱性聚合物包括例如由下式表示的那些聚合物P-X+-(Y)n-Z-其中P表示聚合物骨架，X+是带正电的基团，Y是将X+和Z-共价键联的连接基团，n=0或1,Z-是带负电的基团。两性官能团-X+-(Y)n-Z-优选由含有带正电四价氮(即N+)的侧基官能团提供，其中氮与带负电基团-(Y)n-Z-共价键联。因此，用于本发明的优选的固定相具有含有基团 的侧基官能团。四价氮N+能够出现在环状氨基或无环氨基中。在用于本发明的某些优选聚合物中，所述氮出现在杂环中，例如由聚乙烯基吡啶特别是2-或4-乙烯基吡啶的改性吡啶基所提供。
本发明特别优选的方法使用连续接触设备，该设备包括装有两性碱性聚合物的多个接触区(例如柱)。建立分离区，包括同时含有足够量的聚合物以便在介质中实现酸与其它化合物实质分离的多个接触区。在完成如此分离之后也建立洗脱区，由此获得含有酸或其它化合物的产物洗脱液。
例如，在由发酵液回收酸的方法中，产物洗脱液会含有从发酵液的其它不需要成分例如糖类分离出来的发酵产生的酸。另一方面，在由糖产品除去酸杂质的方法中，产物洗脱液会含有由酸杂质分离出的糖。
完成本发明的更优选的方式包括下面的步骤(a)提供含有两性碱性聚合物的多个接触区；(b)使接触区顺序通过色谱分离区进行处理，其中使洗脱液与含有酸和其它化合物的水溶液一起经过接触区，以便将酸与其它化合物色谱分离；和(c)步骤(b)之后，使接触区顺序通过洗脱区进行处理，以便在洗脱溶液中由一个或多个接触区洗脱出所需的产物(酸或其它化合物)。在理想的工艺中，洗脱液是水。
本发明的另一实施方案提供了一种用于酸分离的聚合物，包含珠粒形式的交联聚合物，所述聚合物具有选自于由下面的式Ⅰ、式Ⅱ和式Ⅲ构成的组的重复单元 式Ⅰ 式Ⅱ 式Ⅲ其中m和n各自是0或1； Y和Z-如上所定义，条件是当式Ⅰ中n是0时，Z-不是O-(即从式Ⅰ中排除N-氧化物衍生物)；R1是具有1～约6个碳原子的有机基团，任选地含有一个或多个氮或氧原子；特别是具有1～约6个碳原子的亚烷基；R2是具有1～约12个碳原子，并含有带负电的氧、硼或硫原子和带正电的氮或亚磷原子的有机基团；特别是选自于下面的基团其中p是0或1,R4、R5、R8和R9是烷基、优选是具有1～约6个碳原子的烷基、特别是甲基，R6是亚烷基，优选是具有1～约6个碳原子的亚烷基，R7是有机基团，使得基团-NH2-CH(R7)(CO2-)表示氨基酸，且n、Y和Z-如上所定义；和R3是具有1～约6个碳原子的烷基，特别是甲基。
本发明提供了利用两性碱性聚合物使酸与其它化合物分离的改进方法，也提供了用于此类分离的新型两性碱性聚合物。本发明优选的方法和聚合物使得改进方法能够获得高的产物回收率，且也不需要使用温度转换条件便能获得具有高产品纯度和浓度的理想洗脱液。通过下面的描述，本发明另外的目的以及特征和优点会是显而易见的。
附图简述

图1是能够用于本发明的例举性连续接触设备的部分截面的侧视图。
图2-7是对本发明两性碱性聚合物进行柠檬酸/葡萄糖脉冲试验中获得的色谱图，如下面的实施例2-7中所述。
图8是下面实施例2-7的脉冲试验中使用的柱设备的示意图。
图9和10是用于连续接触设备中的试验的端口结构的示意图，如下面的实施例8-11中所述。
优选实施方案的描述为了帮助理解本发明的原理，下面将参照其某些实施方案，并使用特定语言对其进行描述。然而应该理解的是，本发明的范围并未因此而受到限制，可以预料这里所描述的本发明方法的如此改变、改进和应用，对于本发明所涉及领域的熟练人员来说这些通常会发生。
如上所述，本发明的一个优选实施方案提供了利用两性碱性聚合物将至少一种酸与至少一种其它化合物分离的方法。众所周知，两性聚合物是既具有带正电部分又具有带负电部分的聚合物。这些带正电基团和带负电基团能够出现在同一侧基上，或出现在不同(例如交替的)侧基上。本发明的一个特征是这样的发现，即通常是碱性(即碱性聚合物)、同时也是两性的聚合物，对于提供使酸与其它化合物从它们的混合物中分离的改进方法来说，具有改进的性能。
例如，已经发现两性碱性聚合物具有适中的碱性，改进了酸与其它化合物的色谱分离，提供增加的产品回收率、高浓缩的产物洗脱液，并避免或减少这样的需要，即在分离和洗脱步骤过程中使用温度转换来实现有效的制备级工艺。
一般说来，用于本发明的两性碱性聚合物与酸的亲合力大于与其它化合物的亲合力，并且在分离中所用的工艺条件下是稳定的(即不会经历实质上的降解)。用于本发明的所需两性碱性聚合物将会交联，以提供热稳定性和机械稳定性，和在酸与其它化合物分离过程中不会明显溶胀的理想固体外观。珠粒形式的吸附剂树脂是优选的，特别是具有粒径为约20～约200目、更特别是约40～约120目的那些。
已经记载了各种碱性聚合物用于酸例如羧酸或其它酸的分离，进行改进以提供两性聚合物特征，于是这些碱性聚合物能够被用于本发明的工艺中。这些聚合物一般通过一种或多种单体并包括一种交联单体的聚合反应而形成。进行聚合反应以提供或是凝胶或是大网络形式的树脂珠粒。
用于本发明的一组优选两性碱性聚合物包括由下面通式表示的那些P-X+-(Y)n-Z-其中P表示聚合物骨架；X+是带正电基团；Y是将X+和Z-共价键联的连接基团，优选是具有1～约6个碳原子的烷基，任选用一个或多个式-NH2或-COOH的基团取代；n=0或1；Z-是带负电基团，优选是具有1～约12个碳原子并具有带负电氧或硼原子的有机基团。两性官能团-X+-(Y)n-Z-优选由含有带正电四价氮(即N+)的基团提供，其中氮与带负电基团-(Y)n-Z-共价键联。因此，用于本发明的优选的固定相具有含有基团 的侧基官能团。四价氮N+能够出现在环状氨基或无环氨基中。在用于本发明的某些优选聚合物中，所述氮出现在芳族杂环中，例如由聚乙烯基吡啶特别是改性聚-2-或聚-4-乙烯基吡啶的改性吡啶基所提供。可选择地或另外，四价氮可在改性脂族氨基例如改性二烷基氨基侧基中提供。
在这些教导条件下，应该理解大量的两性碱性聚合物都可用于本发明。例举性聚合物包括具有由下式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ表示的重复单元的那些 式Ⅰ 式Ⅱ 式Ⅲ 式Ⅳ其中n、Y和Z-如上所定义，条件是在式Ⅰ中当-Z-是-O-时，n是1(即从式Ⅰ中排除吡啶N-氧化物衍生物)；m=0或1；R1是具有1～约6个碳原子的有机基团，任选地含有一个或多个氮或氧原子；R2是具有1～约12个碳原子并含有带负电的氧、硼或硫原子和带正电的氮或亚磷原子的有机基团；R3是具有1～约6个碳原子的烷基；和A是选自于N和P的杂原子。
提供更优选的聚合物，其中m是0且n是1。另外，Y和R1优选是具有1～6个碳原子的亚烷基，任选用一个或多个氨基(-NH2)或羧基(-COOH)取代，特别是-CH2-、-CH2CH2、-CH(NH2)-或-CH(COOH)-。R2合适地是选自于下面的基团 其中p是0或1,R4、R5、R8和R9是烷基、优选是具有1～约6个碳原子的烷基、特别是甲基，R6是亚烷基，优选具有1～约6个碳原子，R7是有机基团，使得基团-NH2-CH(R7)(CO2-)表示氨基酸，且n、Y和Z-如上所定义。
一般地，两性碱性聚合物含有如上所确定的许多重复单元，以便参与提供将一种或多种酸与一种或多种其它化合物有效分离的能力。例如，具有至少约10wt％的此类重复单元的两性碱性聚合物是优选使用的，更优选至少约30wt％，且最优选至少约50wt％。聚合物中的其它单体单元例如可来自于交联单体和/或为整个聚合物(和其在所述分离中的用途一致)带来特征的其它单体。
在本发明的一个方面，例如通过向树脂的重复单元中加入阳离子和阴离子基团，能够将珠粒形式的碱性聚合物化学改性以便为聚合物提供两性特征。例如能够将含氮碱性聚合物(例如带有吡啶侧基或脂族叔氨基)季胺化以便形成带有通常如上所述的重复单元的聚合物，其中N-键联“季胺化”基团特别是在诸如氧原子(例如由基团-CO2-、SO3-等提供)或硼原子(例如由基团-B(OH)3-提供)的原子上带有负电荷。含氮聚合物也可被N-氧化以便带有含有特征N-氧化物官能团N+-O-的侧官能团。
用于本发明的更优选两性碱性聚合物是化学改性的交联的含吡啶聚合物，例如交联的乙烯基吡啶聚合物。特别优选的含吡啶聚合物是聚乙烯基吡啶聚合物，例如具有珠粒形式的聚2-和聚4-乙烯基吡啶凝胶或大网络树脂，且在分离中所涉及的液体介质(例如含水介质)中不会溶胀。这些树脂优选被合适的交联剂例如二乙烯基苯交联至少约15％。最优选的树脂被化学改性成15～50％的交联的珠粒形式的乙烯基吡啶聚合物，例如聚2-和聚4-乙烯基吡啶聚合物。
例如这些优选的树脂包括可由Reilly Industries,Inc.(Indianapolis,Indiana)购得的REILLEXTM聚合物系列的聚2-和聚4-乙烯基吡啶树脂。这些REILLEXTM聚合物一般与二乙烯基苯交联，并表现出良好的热稳定性。其它优选的树脂可由同一来源的REILLEXTMHP聚合物系列得到。关于这些REILLEXTM聚合物的更多信息，可参考文献，包括由Reilly Industries,Inc.以REILLEXTM报道1、2和3的形式得到的文献。
其它树脂例如由Rohm and Haas Philadelphia、Pennsylvania得到的AMBERLYST A-21、AMBERLITE IRA 68或AMBERLITE IRA 93树脂，或由Dow Chemical得到的DOWEX MWA-1树脂也能够被化学改性以用于本发明。这些树脂中，A-21树脂被二乙烯基苯交联并含有脂族叔胺官能团(特别地，相连的二烷基氨基(二甲基氨基))；IRA68树脂含有脂族叔胺基团、二乙烯基苯交联的丙烯酸基质，并具有凝胶形式；IRA93和MWA-1树脂含有脂族叔胺基团，并基于二乙烯基苯交联的苯乙烯基质，具有大网络形式。关于能够被用于本发明的这些和其它类似树脂的其它信息，可参考包括由厂家提供的文献。
在本发明的其它方面中，起始聚合物例如交联的卤烷基化(例如卤甲基化)聚苯乙烯树脂，诸如交联的氯甲基化聚苯乙烯树脂，能够与合适的配位体反应，形成本发明的和用于本发明中的两性碱性聚合物。能够使用所述合成方法制备例如如上所述具有下式的重复单元的两性碱性聚合物 特别是基团-R1-R2出现在苯环的3-位上。
在本发明的特征工艺中，为了使至少一种酸与溶液中的至少一种其它化合物分离，使用含有两性碱性聚合物的接触区，所述聚合物对酸比对其它化合物具有更高的亲合力。将含有酸和其它化合物的第一溶液引入到接触区。将第二溶液与混合的酸或其它化合物溶液一起引入到所述接触区以开始分离步骤。例如，第二溶液(洗脱液)可以是水、含有酸或其它化合物中之一但是基本上不含其它物质的水溶液、有机溶剂或水和与水混溶的有机溶剂例如醇。在有效建立在接触区中与其它化合物的前沿分离的酸的前沿的条件下，将第一和第二溶液在接触区中处理。然后在洗脱步骤中由接触区洗脱出酸和/或其它化合物的前沿。这样，建立优选的色谱工艺，其提供在酸和/或在其它化合物中提纯的回收洗脱液。
本发明的工艺能够在非等温条件下进行，其中分离和洗脱步骤在不同温度下进行(例如相对于分离区温度，洗脱区温度可升高例如至少约10℃，这通常由1997年4月17日的WO97/13569(Reilly Industries,Inc.)教导)。然而优选地，本发明的工艺在实质上等温条件下进行。在这方面已经令人惊奇地发现，在优选的酸回收工艺中，在使用两性碱性聚合物时在浓缩介质中形成酸的高回收率(例如95％+)，通常不必需温度转换。这使得能够进行简化的工艺，其中不需要为了建立温度转换而对设备进行改进。
关于酸，本发明适用的优选的酸具有pKa的范围是约2～约6，优选具有pKa是约3～约5。用于本发明的例举性酸包括例如芳族酸，诸如苯酚、水杨酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、苯甲酸、3-氯苯甲酸；α-羟基酸，诸如柠檬酸、乳酸、双乳酸、苹果酸、苯乙醇酸、二苯乙醇酸、水合乙醛酸、乙醇酸、酒石酸、甲酸、戊二酸、富马酸、乙酰乙酸、乙酸、琥珀酸、衣康酸；吡啶羧酸，诸如烟酸或异烟酸；哌啶羧酸，诸如4-哌啶羧酸；无机酸，诸如磷酸、磺酸、钨酸、钼酸等。对于适合用于本发明的酸的其它背景资料和鉴定，可以参考美国专利US4,552,905、4,323,702和5,412,126中确定的酸。
按照本发明，酸能够与其它的酸性较弱的化合物包括例如糖类、氨基酸、酰胺类(例如在羧酸与相应酰胺的分离中)分离，或与其它类似化合物(自然界或工业处理中形成的酸)分离。
本发明的一个特殊方面是有机酸特别是羧酸例如脂族羧酸从介质中的回收，其中它们由发酵即通过微生物导致的合适碳源的发酵产生。例如，世界上有机羧酸例如柠檬酸和乳酸的大规模生产都是通过发酵来完成。在柠檬酸的情况下，发酵液可来自于碳源例如玉米葡糖或糖蜜与合适的柠檬酸生细菌例如Aspergillus Niger或其它微生物的发酵作用。使用细菌或能够依赖于碳源的新陈代谢形成乳酸的其它微生物可生产乳酸。一般地，可使用乳杆菌族的细菌，虽然也可以使用其它微生物例如真菌。例如，根霉菌属的真菌诸如Rhizopus oryzae NRRL 395(UnitedStates Department of Agriculture,Peoria,Illinois)能够被用于生产基本上纯净的L+乳酸，一般如1993年4月1日的WO93/06226(ReillyIndustries,Inc.)所教导。本领域熟练人员能够选择和使用合适的发酵有机体来生产含有有机酸例如羧酸的发酵液，所述发酵液能够按照本发明进行处理以回收酸。
当涉及含羧酸的发酵介质时，其通常含有水、产物酸、盐类、氨基酸、糖类和其它少量的各种组分。在用两性碱性聚合物处理之前，可过滤此类发酵介质以除去悬浮的固体。另外，按照本发明，含羧酸的发酵介质能够取自产生羧酸的不断进行的发酵作用，于是将酸的去除与其发酵生产结合起来，例如1993年4月1目的WO93/06226(ReillyIndustries,Inc.)关于乳酸所述。在如此的结合工艺中，加入分离工艺的进料可以是发酵介质的一部分，适当地在过滤或适于制备进入本发明分离工艺的物料的其它处理之后。通过所述的分离工艺回收羧酸，来自于分离工艺的废羧酸废液可回到发酵器中，于是将有用物质返回用于发酵。通过酸产物，此类工艺能够有效降低酸生产单元的反馈抑制，例如已知在乳酸发酵中发生的。
各种液体洗脱液能够被用于本发明。这些洗脱液包括例如有机溶剂，诸如芳族溶剂或极性有机溶剂如醇类(例如C1-C5醇类，诸如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇和甲基异丁基甲醇)，酮类和酯类，以及含水介质如水(即没有附加溶质的实质上的纯水)，酸或碱的水溶液，例如盐酸、硫酸或氢氧化钠溶液，或水/有机助溶剂介质，诸如水/醇混合物。本发明一些优选的工艺使用水，以提供不含非必要的溶质或助溶剂的含酸产物洗脱液，这些助溶剂会使所需产物的回收复杂化。本发明其它优选的方法使用有机溶剂例如醇以便将酸产物脱水并在有机溶剂中回收酸产物。当醇类被用于此类工艺中时，产物可在带有少量(例如小于20wt％、优选小于10wt％)水的醇中被回收，例如在羧酸(例如柠檬酸)的情况下，回收的产物介质可在酯化工艺中反应，形成相应的羧酸酯或偏酯。
在提纯酸的优选色谱工艺中，使用含有高含量酸的浓缩物料。在一些工艺中，可使用实质上超过两性碱性聚合物的容量的酸含量，例如超过所述容量20％或更多，或甚至100％或更多。这样，当物料经过柱时，建立分离区，其中分离区中的酸比聚合物多，所述聚合物具有捕获的容量。在这方面，材料对于所感兴趣的产物例如酸的容量是公知的说法，且能够例如通过计算所捕获产物的差值来测定，所述捕获是通过材料与恒定浓度的溶液中的产物接触(如平衡等温图中所示)来进行的。应该理解的是，所用的特定酸物料浓度将根据现有的各种因素来选择，包括例如在同时实现必要纯度的酸产物流的情况下，将树脂的用途最大化的需要。
因此在使柠檬酸与杂质例如糖类分离的更优选工艺中，柠檬酸的浓缩液(例如具有超过约20％、更优选超过30％的浓度)被用作产物物料。例如通过将含柠檬酸的含水介质(来自于起始具有柠檬酸含量小于20％的发酵液)浓缩可获得柠檬酸的浓缩物料。所述浓缩步骤能够以任何可接受的方式实现，例如包括从介质中蒸发水。由此浓缩的介质(具有增加的柠檬酸浓度)被用作物料进入本发明工艺中。
在本发明的其它工艺中，首要的是处理含有酸和其它化合物的介质，为了获得纯净形式的与酸分离的其它化合物。例如许多工业方法致力于从含糖介质例如糖汁或糖浆(包括诸如甘蔗汁和玉米糖浆)中除去酸。按照本发明，此类含糖溶液或介质能够如上所述用两性碱性聚合物处理，以便使酸例如有机酸(诸如氨基酸)与糖类分离，并回收含有纯化的糖的产物流。所述具体的糖类包括例如葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖和其它类似糖类，两性碱性聚合物对它们的亲合力比对要分离的酸的相对要低。
使用制备级接触设备，该设备包括多个树脂柱和使混合的酸和/或其它化合物物料和洗脱液物料经过柱以便建立分离区和洗脱区的装置，来进行本发明的优选工艺。更优选的此类设备是连续接触设备(“CCA”)。例如，用于本发明的连续接触设备包括例如下面的那些购自AdvancedSeparations Technology,Inc.(AST,Inc.),Lakeland,Florida的ISEP或CSEP，一般也描述于美国专利1988年8月16日出版的US4,764,276、1989年2月28日出版的US4,808,317和1985年6月11日出版的US4,522,726。下面列出了如这些专利中所述的此类CCA装置的简述。关于适用于本发明的CCA的结构和操作的其它描述，可参考来自于AST,Inc.的文献，包括“The ISEPTMPrinciple Of ContinuousAdsorption”，以及参考上述的美国专利。
用于本发明的优选CCA是液-固接触设备，包括许多腔室，所述腔室适合于获得固体吸附材料，它们一起或单独可提供用于本发明工艺的接触区。腔室分别具有入口和出口，其安装使得围绕大约一个中心轴旋转，以便提高腔室越过与入口和出口接合的供料口和出料口。特别地，通过与腔室之上安装的阀门相连的导管，单独向位于这些腔室顶部的入口加入液体，当腔室被提高时，所述阀门提供了许多与腔室的入口接合的进料口。类似地，导管将位于每一腔室底端的出口与腔室下面的阀门连接，所述腔室提供了当其被提高时与出口接合的出料口。阀门包括带有狭槽的可移动板，当板围绕转盘旋转时，所述狭槽覆盖和揭开入口。通过变换板中狭槽的尺寸和狭槽的位置，能够按照预定方式控制由供料导管进入腔室的物料和由腔室进入出料导管的物料。一个板在其它板上面的运动可以是连续的或呈转换角度运动。液体流入和流出腔室的时间是腔室围绕中心轴旋转速度的函数。
更具体地，用于本发明的优选接触设备显示于图1中。所述设备包括支撑垂直驱动轴12的矩形框11。安装转盘13以便在驱动轴上旋转。转盘被固定在轴上，轴由安装在框11上的马达14驱动。许多柱形腔室15(例如20或30个腔室)被垂直安装在转盘13上。腔室装有两性碱性聚合物。如截面图中图1的左侧所示，优选将两性碱性聚合物16加入到腔室15的约一半或更高的高度。在每一腔室15上提供一种配置以便通过容器的顶部插入和除去固体材料。分别在每一腔室15的顶部和底部的入口和出口处设置管接头17和18。在驱动轴12上安装上阀体19和下阀体20。阀体19和20分别设置供料口和出料口(例如每一个设置20个)。单独的导管21和22将阀体19和20与各自的上管接头和下管接头17和18连接，以便使阀体19和20的供料口和出料口与腔室15的入口和出口接合。供料导管23(出料也是可能的)安装在框11的顶部，并从阀体19向上延伸。类似地，出料导管24(供料也是可能的)从下阀体19向下延伸到框11。这样，当转盘旋转提高腔室15时，腔室15的入口和出口与阀体19和20的供料口和出料口接合，形成在腔室15中循环液体的理想手段。
按照本发明的一个方面，优选使图1的设备成形，以便包括分离区和洗脱区。常规操作分离区，以便使酸例如柠檬酸与一种或多种其它化合物由于腔室15内所含的两性碱性聚合物而分离。一般地，含有酸和/或其它化合物的进料溶液逆流流经腔室15和树脂上。应该理解的是，用于分离区和洗脱区的CCA的进出口的数目可以变化，并确定以便将整个工艺经济性最大化。下面论述与图9和10有关的此类构型的具体说明。
为了帮助进一步理解本发明及其优点，提供下面的具体实施例。应该理解的是，这些实施例是例举性的，且没有限制本发明。在这些实施例中，除非另有说明，给出的所有百分比(％)都是指重量百分比。
实施例1乙酸盐季化物的制备将ReillexTMHP聚合物(Reilly Industries,Inc.,Indianapolis,Indiana U.S.A.)的300mL试样、300mL水和42.5g一氯乙酸在装有回流冷凝器、加热罩和搅拌棒的1L圆底烧瓶中混合。将混合物经6小时缓慢加热到85℃，并在此温度下保持另外的17小时，然后冷却和过滤。树脂用几个柱床体积的水、几个柱床体积的稀苛性碱溶液(5％的NaOH)洗涤，直到测试滤液为碱性，然后再用几个柱床体积的水洗涤。米黄色珠粒的干燥试样的红外光谱图显示出完全转化成乙酸盐衍生物。
使用类似的方法，只是用Amberlite IRA 93树脂代替ReillexTMHP树脂，以制备相应的完全转化的IRA93乙酸盐季化物。
将ReillexTMHP聚合物(聚-4-乙烯基吡啶，二乙烯基苯)的500.0mL试样与1000mL无水甲醇、75.0mL甲醇中的37.8g氯乙酸混合，并在回流温度下加热7小时，制备50％的季化的ReillexTMHF乙酸盐季化物。将聚合物转移到柱中，并用甲醇(1000mL)、水(1500mL)、5％氢氧化铵水溶液(1500mL)和水(1500mL)洗涤。红外光谱显示聚合物中大约50％的有效位发生转化。
实施例2-7交联的聚乙烯基吡啶的乙酸盐季化物的脉冲试验使用如图8中所示装备的装有完全季化的ReillexTMHP乙酸盐季化物树脂(实施例2a、2b和5)、50％季化的ReillexTMHP乙酸盐季化物树脂(实施例3和4)或实施例1中制备的IRA93乙酸盐季化物树脂(实施例6-7)的1.0英寸内径套层色谱柱，在水中(最终回洗和澄清树脂柱床体积=230mL)进行一系列脉冲试验。设定体系的所需进料流速和套层温度。将柠檬酸和葡萄糖的溶液加入到树脂床的顶部，立刻用水洗脱。在进料溶液起始时由柱底收集试样，并通过HPLC分析柠檬酸和葡萄糖。几个实施例的参数和结果显示于下面的表1中和相应的编号附图中，所述附图显示了对于各种情况绘制的色谱图。
表1
*还含有2％的苹果酸。
如附图2-7中所证实，两性碱性聚合物有效地分离柠檬酸和葡萄糖。
实施例8连续接触设备中的等温运转按照附图9中所示的示意图，由AST,Inc.of Lakeland,Florida,USA生产的20口/20床C920移动床接触器装备有泵、热交换器和管道。20个柱装有水中完全季化的ReillexTMHP乙酸盐季化物树脂(实施例1)(总的柱床体积=4400mL)。将50％柠檬酸和2％葡萄糖的物料溶液(85℃)以10.3mL/min.的流速加入到体系中。以61.5mL/min.的流速加入水(85℃)作为洗脱液。树脂柱的“步进时间”，即在移动到下一个口之前树脂柱在给定部位停留的时间段，设定为330秒。体系运转约5小时使达到平衡，之后抽出产物流的试样并分析。在按时间平均的结果中，该装置制得含有19.45wt％柠檬酸和0.08％葡萄糖的柠檬酸产物流，和含有0.13wt％柠檬酸和0.43wt％葡萄糖的糖废物流。该体系总的物料衡算是99.3％，柠檬酸回收率是99.3％，葡萄糖废弃率是83.8％。
实施例9连续接触设备中的等温运转重复实施例8的步骤，只是使用含有50％柠檬酸、1％葡萄糖、1％麦芽糖、0.05％硫酸钾和0.05％硫酸钙的柠檬酸物料，柠檬酸进料速率是10.2mL/min.，洗脱液进料速率是61.2mL/min.。在按时间平均的结果中，该装置制得含有18.4wt％柠檬酸、0.07wt％葡萄糖、0.02wt％麦芽糖、2.0ppm的钾和8.4ppm的钙的柠檬酸产物流。废物流含有0.18wt％柠檬酸、0.20wt％麦芽糖、0.22wt％葡萄糖、55ppm的钾和40ppm的钙。该体系的总物料衡算是99％，柠檬酸的回收率是99％，葡萄糖废弃率是77％，麦芽糖废弃率是92％，糖(RCS)废弃率是85％，钾的废弃率是97％，钙的废弃率是83％。
实施例10CCA中的分离/洗脱温度转换重复实施例8的步骤，只是柠檬酸/葡萄糖物料是冷的(约25℃)。柠檬酸产物流含有19.6wt柠檬酸和0.08wt％葡萄糖，废物流含有0.14％柠檬酸和0.44％葡萄糖。所述体系的总的物料衡算是99.7％，柠檬酸回收率是99.2％，葡萄糖废弃率是85.3％。
实施例11CCA中的等温运转重复实施例9的步骤，只是物料含有0.1％硫酸钾而不是0.05％，柠檬酸进料速率是12.6mL/min.，水洗脱速率是61mL/min.,CCA构型变成附图10中所示的那样。柠檬酸产物流含有20.9％柠檬酸、0.1％葡萄糖和0.02％麦芽糖。糖废物流含有0.52％柠檬酸、0.17％葡萄糖和0.29％麦芽糖。该操作中没有分析柠檬酸产物和糖废物流中的钾和钙含量。总的物料衡算是98.8％，柠檬酸回收率是97.5％，葡萄糖废弃率是61.2％，麦芽糖废弃率是94％，糖(RCS)废弃率是65.3％。
实施例12乙醇洗脱液的使用重复实施例11的步骤，只是使用乙醇作为洗脱液，柠檬酸进料速率是10.0mL/min.，洗脱液流速是61.2mL/min.。所得柠檬酸产物流含有17.9％柠檬酸、0.3％葡萄糖和0.2％麦芽糖。糖废物流含有2.6％柠檬酸、0.14％葡萄糖和0.18％麦芽糖。
实施例13磺酸盐季化物的制备将甲苯处理的ReillexTMHP树脂的500ml试样、122.1g(1mol)的1,3-丙磺酸内酯和1500ml甲苯混合，并在回流温度下加热40小时。然后通过过滤收集树脂，并用甲醇、水和5％的NaCl-1％的NaOH溶液洗涤。产物由FTIR分析。
实施例14吡啶N-氧化物形式的制备将水处理的ReillexTMHP树脂的1000ml试样和1500ml水、1ml的cone、15ml水中的H2SO4混合，并升高到回流温度。经5小时向该混合物中滴加315.4g的35％的H2O2。加热持续16小时。然后加入另外的50g的35％的H2O2，并持续加热另外的24小时。通过过滤收集树脂并用水洗涤，得到浅黄色树脂。通过FTIR证实产物是ReillexTMHP N-氧化物。
实施例15乙酰丙酮季化物的制备将水处理的ReillexTMHP树脂的10ml试样、150ml异丙醇和2.7g的3-氯-2,4-戊二酮混合并在回流温度加热5小时。然后通过过滤收集树脂并用甲醇彻底洗涤。产物由FTIR分析。
实施例16IRA-93的乙酸盐季化物的制备将Amberlite IRA-93树脂的400ml(270.2g)试样、1000ml水和1000ml水中的150g(1.59mol)氯乙酸混合并在45℃加热6小时。通过过滤收集树脂，然后用甲醇和水洗涤。产物由FTIR分析。
实施例17羧基乙酸盐吡啶季化物的制备将水处理的ReillexTMHP树脂的400ml试样、2000ml甲醇和184g(0.77mol)二乙基溴丙二酸酯混合并在回流温度下加热7小时。通过过滤分离所得黄色树脂，用甲醇、水和5％的HCl溶液洗涤。然后将树脂与1.5L的10％的HCl混合并在回流温度下加热18小时。通过过滤分离树脂，并用水洗涤，5％的HCl-1％的NaOH溶液洗涤，5％的NaCl溶液洗涤，再用水洗涤，得到绿色固体的最终产物。产物由FTIR分析。
实施例18表氯醇季化物将ReillexTMHP聚合物(聚-4-乙烯基吡啶，二乙烯基苯)的100mL试样与100.00mL水和10.2g表氯醇逐滴混合，并在25℃搅拌6小时，然后用几个柱床体积的水洗涤，得到深桃红色珠粒的产物。
实施例19表氯醇季化物与硫酸氢钠反应形成羟基硫酸盐季化物将带有表氯醇的ReillexTMHP聚合物的50.0mL试样与10.4g硫酸氢钠和100.0mL水混合，并在搅拌下80℃加热大约5小时。树脂用几个柱床体积的水洗涤，得到浅灰色珠粒的产物。
虽然在附图和上述描述中详细说明和描述了本发明，但是这些只是例举性的而非限制性的，应该理解的是，只是显示和描述了优选的实施方案，在本发明的精神实质内进行的所有变化和改进都应该得到保护。
所述的所有公开文献都表现出本领域的技术水平，并被引入本文供参考，似乎每一个已被引入本文供参考并全部列出。
权利要求
1．一种使介质中至少一种酸与至少一种其它化合物分离的方法，包含使介质和洗脱液一起通过一种两性碱性聚合物，使得所述至少一种酸与所述至少一种其它化合物分离。
2．权利要求1的方法，其中所述至少一种酸是一种pKa为约2～约6的有机羧酸，且所述至少一种其它化合物是糖。
3．权利要求1的方法，其中所述两性碱性聚合物由下式表示P-X+-(Y)n-Z-其中P表示聚合物骨架，X+是带正电基团，Y是将X+和Z-共价键联的连接基团，n=0或1,Z-是带负电基团。
4．权利要求3的方法，其中X+包含四价氮。
5．权利要求4的方法，其中所述聚合物具有带四价环氮的吡啶基侧基官能团。
6．权利要求5的方法，其中吡啶基侧基官能团是N-氧化物形式的吡啶基侧基官能团。
7．权利要求5的方法，其中吡啶基侧基官能团是季胺化的吡啶基官能团。
8．权利要求6的方法，其中所述两性碱性聚合物是N-氧化的交联聚乙烯基吡啶聚合物。
9．权利要求7的方法，其中所述聚合物具有下式的重复单元 其中m=0或1，且n、Y和Z-如上所定义。
10．权利要求9的方法，其中m=1。
11．权利要求9的方法，其中m=0。
12．权利要求11的方法，其中n=0且Z-是CO2-。
13．权利要求11的方法，其中n=1且Y是具有1～约6个碳原子的有机基团，任选包括一个或多个氮或氧原子。
14．权利要求13的方法，其中Z-含有一个带负电氧原子。
15．权利要求14的方法，其中Z含有选自于CO2-、SO3-和PO3-的基团。
16．权利要求15的方法，其中Y是具有1～约6个碳原子的亚烷基，任选被一个或多个式-NH2或-COOH的基团所取代。
17．权利要求16的方法，其中Y是式-(CH2)n-的基团，其中n是1～约6。
18．权利要求16的方法，其中Z-是-CO2-。
19．权利要求16的方法，其中Z-是-PO3-。
20．权利要求16的方法，其中Z-是-SO3-。
21．权利要求18、19或20的方法，其中Y是-CH2-。
22．权利要求16的方法，其中Y是
23．权利要求16的方法，其中Y是
24．权利要求4的方法，其中所述聚合物具有下式的重复单元 其中R1是具有1～约6个碳原子的有机基团，任选地含有一个或多个氮或氧原子；和R2是具有1～约12个碳原子并含有带负电的氧、硼或硫原子和带正电的氮或亚磷原子的有机基团。
25．权利要求24的方法，其中R2是选自于下面的基团 其中p是0或1,R4、R5、R8和R9是烷基、优选是含1～约6个碳原子的烷基、特别是甲基，R6是亚烷基，优选是含1～约6个碳原子的亚烷基，R7是有机基团，使得基团-NH2-CH(R7)(CO2-)表示氨基酸，且n、Y和Z-如上所定义。
26．权利要求25的方法，其中R2是下式所示的基团
27．权利要求25的方法，其中R2是下式所示的基团
28．权利要求25的方法，其中R2是下式所示的基团
29．权利要求25的方法，其中R2是下式所示的基团
30．权利要求25的方法，其中R2是下式所示的基团
31．权利要求2的方法，其中所述聚合物具有下式的重复单元 其中A是选自于N和P的杂原子。
32．权利要求31的方法，其中A是N。
33．权利要求31的方法，其中A是P。
34．权利要求31的方法，其中所述聚合物是N-氧化的聚-2-乙烯基吡啶聚合物或N-氧化的聚-4-乙烯基吡啶聚合物。
35．权利要求34的方法，其中所述聚合物用二乙烯基苯交联。
36．权利要求1的方法，包含(a)提供含有所述两性碱性聚合物的多个接触区；(b)使接触区顺序通过色谱分离区进行处理，其中使洗脱液与含有所述至少一种酸和所述至少一种其它化合物的水溶液一起通过接触区，以便将酸与至少一种其它化合物色谱分离；和(c)步骤(b)之后，使接触区顺序通过洗脱区进行处理，以便由含有所述至少一种酸或所述至少一种其它化合物的一个或多个接触区中洗脱出产物流。
37．权利要求36的方法，其中所述洗脱液是水，所述酸是柠檬酸，且所述至少一种其它化合物是糖。
38．权利要求37的方法，其在等温条件下进行。
39．权利要求38的方法，其中聚合物是N-氧化的聚乙烯基吡啶聚合物。
40．权利要求38的方法，其中聚合物是季化的聚乙烯基吡啶聚合物。
41．一种使介质中至少一种酸与至少一种其它化合物分离的方法，包含使介质与具有下式重复单元的非溶胀、15％-50％交联的聚乙烯基吡啶聚合物接触 其中n=0或1,m=0或1,Y是具有1～约6个碳原子的有机基团，其任选包括一个或多个氮或氧原子，且Z-是或含有带负电氧原子，使得所述至少一种酸与所述至少一种其它化合物分离。
42．一种非溶胀、交联、珠状的两性碱性聚合物，具有选自于下面式Ⅰ、式Ⅱ和式Ⅲ的重复单元 式Ⅰ 式Ⅱ 式Ⅲ其中m和n各自是0或1；Y是将N+和Z-共价键联的连接基团，Z-是带负电基团，条件是在式Ⅰ中当-Z-是-O-时，n是1；R1是含1～约6个碳原子的有机基团，任选地含有一个或多个氮或氧原子；R2是含1～约12个碳原子并含有带负电的氧、硼或硫原子和带正电的氮或亚磷原子的有机基团；和R3是含1～约6个碳原子的烷基。
43．权利要求42的聚合物，其中R2是选自于下面的基团 其中p是0或1,R4、R5、R8和R9是含1～约6个碳原子的烷基，R6是含1～约6个碳原子的亚烷基，R7是有机基团，使得基团-NH2-CH(R7)(CO2-)表示氨基酸，且n、Y和Z-如权利要求42中所定义。
44．权利要求42的聚合物，其具有由下式表示的重复单元 其中m和n如权利要求42中所定义；和Y是含1～约6个碳原子的亚烷基。
45．权利要求44的聚合物，其中n=1，且Z-是CO2-。
46．权利要求45的聚合物，其中m=0。
47．权利要求46的聚合物，其中R1是-CH2-。
48．权利要求44的聚合物，其为改性的聚乙烯基吡啶树脂。
49．权利要求48的聚合物，其为改性的聚-2-乙烯基吡啶或聚-4-乙烯基吡啶树脂。
50．权利要求49的聚合物，其被二乙烯基苯交联了15％～50％。
51．权利要求42的聚合物，其具有式Ⅱ的重复单元，且其中R2是
52．权利要求51的聚合物，其中n是1，且Y是含1～6个碳原子的亚烷基。
53．权利要求52的聚合物，其中Y是-CH2-。
54．权利要求42的聚合物，其具有式Ⅱ的重复单元，且其中R2是
55．权利要求54的聚合物，其中p=1。
56．权利要求55的聚合物，其中R6是-CH2-。
全文摘要
本发明涉及利用两性碱性聚合物按照色谱型分离在溶液中使酸与其它化合物分离的方法。优选的方法在连续接触设备中进行,并包括建立分离区和洗脱区,以提供高纯度和高浓度的酸产物流。优选的方法在基本上等温的条件下实现了柠檬酸从其与一种或多种糖类诸如葡萄糖的混合物中的提纯。
文档编号C08F8/00GK1305500SQ99807370
公开日2001年7月25日 申请日期1999年4月15日 优先权日1998年4月15日
发明者M·格伦德泽, D·W·麦奎格, J·T·怀斯, E·克洛维, K·M·维谢特, E·F·V·斯克里文 申请人:莱利工业公司