乳酸酯制造方法
【技术领域】
[0001]本发明系关于自醣制造乳酸及乳酸C1-6烷基酯之方法。本发明亦关于制造相关产品，诸如寡聚乳酸、交酯、乳酰乳酸烷基酯及/或聚乳酸之方法。
【背景技术】
[0002]乳酸为重要工业化学品，其在生物聚合物工业中用作原料。现今，几乎所有大规模制造之市售乳酸系藉由酿酵法制造，参见例如Strategic Analysis of the WorldwideMarket for B1renewable Chemicals M2F2-39,Frost及Sullivan,2009。在典型酿酵法中，用微生物酿酵生物质以产生D-或L-乳酸，最通常L-乳酸。诸如Cargill及Purac(现为Corb1n)之公司操作大规模酿酵法以制造光学活性乳酸。许多专利公开案系关于自酿酵混合物回收乳酸，其可为具挑战性的，且大量专利文献依赖于制备乳酸与胺之间的错合物以用于回收(参见例如US 4，444，881、US 5，510，526)。
[0003]已知自碳水化合物制备乳酸之化学法。举例而言，GB400，413 (回溯至1933年)描述一种制备乳酸或乳酸酯的改良方法，其包含使含碳水化合物之物质与强碱在至少200°C之温度下、较佳在至少20个大气压之压力下反应，及藉由将硫酸或硫酸锌添加至反应混合物中来回收由此制造的乳酸。乙醛之氢氰化亦已用作获取乳酸之合成途径。
[0004]W0 2012/052703描述一种制造乳酸及氨或胺之错合物之改良方法，其不涉及藉由酿酵制造乳酸。该方法包含使一或多种醣与氢氧化钡反应以产生包含乳酸钡之第一反应混合物，且使至少一部分第一反应混合物与氨或胺以及与二氧化碳，或与氨或胺之碳酸盐及/或碳酸氢盐接触以产生包含错合物及碳酸钡之第二反应混合物。涉及制备钡盐之此方法相比于先前技术方法具有显着优势。然而，其确实具有一些缺点:具体言之，若需要再循环钡，则需要碳酸钡煅烧步骤。煅烧(calcinat1n，亦称为calcining)为在不存在施用于矿石及其他固体材料之空气之情况下引起挥发性馏份之热分解、相变或移除之热处理方法。煅烧方法自其最常见应用，碳酸钙(石灰石)分解为氧化钙(石灰)及二氧化碳而得出其名称。典型地使用术语煅烧及煅料(煅烧产物)而不管经历热处理之实际矿物质。尽管碳酸钡煅烧为可行的，但该技术当前未以工业规模广泛操作。
[0005]另外，在工业规模上进行W02012/052703中所述之方法需要经调适以处理及运输大量钡盐之设施。存在用于大规模使用钡盐之处理解决方案。然而，仍需要用于产生乳酸及相关物质之改良方法，其仍提供错合物之可接受产率但其避免与使用钡盐相关之缺点。
【发明内容】
[0006]在第一态样中，本发明提供一种制造乳酸之方法，其包含:
[0007](a)使富含醣之液流与氢氧化钠在水存在下反应以产生包含乳酸钠之反应混合物；
[0008](b)使至少一部分乳酸钠与HC1反应以产生乳酸及氯化钠；
[0009](c)将至少一部分氯化钠转化为氯气及氢氧化钠;及
[0010](d)将步骤(c)中产生之至少一部分氢氧化钠再循环至步骤(a)中。
【附图说明】
[0011 ]图1显示本发明之方法之较佳具体实例。
[0012]图2显示图1中显示之具体实例的一部分之变化形式，其中使用复数个并联的酯化反应器而非单一酯化反应器。
[0013]图3显示图1中显示之具体实例的一部分之变化形式，其中使用复数个串联的酯化反应器而非单一酯化反应器。
【具体实施方式】
[0014]在本发明之方法之第一态样中，使富含醣之液流与氢氧化钠反应。存在于该液流中之醣可为单醣、二醣、三醣、寡醣或聚醣，其中双醣且尤其单醣较佳。较佳地，富含醣之液流为富含单醣之液流。在一些较佳具体实例中，存在于该富含醣之液流中之至少50wt%2醣、至少60wt %之醣、至少70wt %之醣、至少80wt %之醣、至少90wt %之醣、至少95wt %之醣为单醣。适合之单醣包括例如己醣单醣，例如葡萄糖、果糖、阿洛酮糖、半乳糖及甘露糖，及戊糖单醣，例如阿拉伯糖、木糖、核糖、木酮糖及核酮糖。在一个具体实例中，富含醣之液流包含葡萄糖。在另一具体实例中，富含醣之液流包含果糖。在另一具体实例中，富含醣之液流包含甘露糖。在另一具体实例中，富含醣之液流包含木糖。醣之混合物可存在于富含醣之液流中。举例而言，可存在两种或两种以上单醣之混合物，例如葡萄糖与果糖之混合物。单醣可自任何已知单醣来源获得，例如高碳醣，诸如蔗糖、淀粉或纤维素。在一些具体实例中，富含醣之液流可含有例如藉由使用蔗糖酶或转化酶之酶促水解，或藉由在诸如硫酸、柠檬酸或抗坏血酸之酸性催化剂存在下加热双醣获自蔗糖之葡萄糖与果糖(称为转化糖)之混合物。在一些具体实例中，富含醣之液流可含有藉由例如玉米、稻谷或马铃薯的生物质原料中包含之淀粉之酶促水解(例如使用淀粉酶)获得之葡萄糖。在一些具体实例中，富含醣之液流可含有藉由生物质原料中包含之纤维素之水解(例如使用一或多种纤维素酶之酶促水解)获得之葡萄糖。富含醣之液流可含有除醣以外的组分，例如其可包括生物质之其他组分，诸如木质素或木质素衍生之产物。亦可例如存在来自加工生物质之废化学品。水将典型地存在。在一些具体实例中，除存在于富含醣之液流中之水以外至少50wt%、至少60wt%、至少70wt%、至少80wt%、至少90wt%、至少95wt%之材料为醣(例如单醣)。
[0015]在水存在下进行醣与氢氧化钠之间的反应。如上所述，一些醣源含有水，且该等原料可容易地用于本发明之方法中。在某些具体实例中，可在额外水(亦即除存在于起始材料中之水以外的水)之存在下进行醣与氢氧化钠之间的反应。醣与氢氧化钠之间的反应在必要时亦可在一或多种有机溶剂(例如含氧物，诸如醇、酯、醚或酮)存在下进行;及/或在一或多种反应性萃取剂(诸如胺)存在下进行。然而，在一较佳具体实例中，醣与氢氧化钠之间的反应在有机溶剂不存在下发生，亦即水为唯一溶剂。在一些具体实例中，用于步骤(a)中之水之总量与醣之重量比在0.5:1至9:1范围内，更佳在1.25:1至4:1范围内，更佳在1.5:1至4:1范围内，最佳在3:1至4:1范围内。
[0016]氢氧化钠与醣反应产生乳酸钠。任何形式之氢氧化钠可用于本发明之方法中。氢氧化钠源(诸如氧化钠)可用于本发明之方法中，氧化钠在水存在下转化成氢氧化钠。产生之氢氧化钠与醣原位反应以产生乳酸钠。氢氧化钠与醣之比应足以实现醣至乳酸钠之良好转化。较佳地，氢氧化钠与醣(以单醣计算)之莫耳比为至少2:1。可使用过量之氢氧化钠，例如氢氧化钠与醣(以单醣计算)之莫耳比可为高达10:1。在一些较佳具体实例中，氢氧化钠与醣(以单醣计算)之莫耳比在2:1至6:1、更佳2:1至4:1、更佳2:1至3:1范围内。本发明亦包涵低于2:1的氢氧化钠与醣(以单醣计算)之莫耳比;然而，使用亚化学计算量之氢氧化钠一般将导致醣至乳酸钠之转化率较低。因此，在一些具体实例中，氢氧化钠与醣(以单醣计算)之莫耳比为至少1.5:1，例如在1.5:1至6:1范围内，更佳在1.6:1至4:1范围内，更佳在1.8:1至2.5:1范围内，更佳在1.9:1至2.1:1范围内。
[0017]可在环境温度下进行醣至乳酸钠之转化，尽管反应亦较佳在高温下，例如在高达160°C、较佳高达110°C之温度下进行。较佳地，使醣与氢氧化钠在10至160°C范围内之温度下，更佳在60至110°C范围内之温度下反应。在一些具体实例中，使醣与氢氧化钠在回流下于水中反应。
[0018]在一较佳具体实例中，水中之醣(例如单醣)与水中之氢氧化钠在高温下经一段时间掺合。举例而言，可经一段时间向在高温下，例如在60至110°C之温度下的氢氧化钠与水之混合物中添加醣(例如单醣)与水之混合物。缓慢添加醣(例如单醣)一般导致在本发明之方法期间形成的副产物减少，且导致醣(例如单醣)至乳酸钠之转化率提高。较佳地，经至少10分钟、更佳至少30分钟、更佳至少1小时之时段添加水中之醣(例如单醣)。较佳地，醣于水中之浓度为至少0.2M。在一些较佳具体实例中，醣于水中之浓度在0.2至4.0M范围内，更佳在0.5至4.0M范围内。醣与氢氧化钠之反应产生包含乳酸钠之反应混合物。该方法典型地导致产生外消旋乳酸钠。
[0019]必要时，可在步骤(a)之后藉由例如藉由蒸馏、蒸发或膜分离移除水(例如在步骤
(b)之前)来浓缩反应混合物，且将反应混合物之所得部分用于步骤(b)中。
[0020]在步骤(b)中，使至少一部分乳酸钠与HC1反应以产生乳酸及氯化钠。通常，使大部分或所有来自步骤(a)之乳酸钠与HC1反应(例如除例如用于分析/品质控制程序而经移除之样品以外的所有乳酸钠)。
[0021]可以任何适合之形式提供HC1，例如呈HC1气体形式或呈适合之溶剂中之溶液形式。较佳地，HC1为盐酸水溶液，更佳为浓盐酸水溶液(亦即约37 %盐酸水溶液)ο在步骤(b)中，通常将存在一些水，例如乳酸钠典型地呈水中之溶液/悬浮液形式提供，甚至在如上所述的在步骤(a)之后移除一些水的状况下亦如此。所用HC1可为盐酸水溶液(例如浓盐酸水溶液)，且因此亦可为水之来源。在适于将乳酸钠转化为乳酸及氯化钠的温度下，例如在5至125°C范围内之温度下进行步骤(b)。在一个具体实例中，在环境温度下进行步骤(b)。在一个具体实例中，在回流下进行步骤(b)。
[0022]较佳地，所用HC1之量应足以与乳酸钠反应，以及中和存在于由步骤(a)产生的反应混合物中之其他钠物质，诸如未反应之氢氧化钠或其他有机钠盐。在一较佳具体实例中，用于步骤(a)中之氢氧化钠与用于步骤(b)中之HC1之莫耳比在1:1至1:5范围内，更佳在1.0:1.0至1.0:1.5范围内，更佳在1.0:1.0至1.0:1.2范围内。在另一具体实例中，乳酸钠与HC1之莫耳比在1:1至1:5范围内。本发明亦包涵低于1:1的乳酸钠与HC1之莫耳比；然而，使用亚化学计算量之HC1—般将导致乳酸钠至乳酸之转化率较低。举例而言，乳酸钠与HC1之莫耳比可在1:0.9至1:5范围内。当乳酸之下游加工需要酸性环境时，例如当乳酸与&-6烧基醇在酸性条件下反应以产生对应乳酸烷基酯时，可较佳在步骤(b)中使用相比于步骤(a)中所用之NaOH之量莫耳过量之HC1。因此，在一些较佳具体实例中，用于步骤(b)中之HC1之量与用于步骤(a)中之氢氧化钠之量之莫耳比在1.01:1.00至1.50:1.00、较佳1.01:1.00至1.20:1.00、更佳 1.01:1.00至 1.10:1.00 范围内。
[0023]在一较佳具体实例中，步骤(b)包含将至少一部分来自步骤(a)之反应混合物与HC1以及与C3-6烷基醇掺合。彼等烷基醇为较佳溶剂，因为在氯化钠、乳酸及水存在下产生两相混合物。乳酸优先分配至烷基醇相中且氯化钠优先分配至水相中。可藉由使用适合之相转移催化剂促进该分配。因此，使用C3-6烷基醇使得能够藉由液-液相分离来分离氯化钠与乳酸。正丁醇及异丙醇为较佳溶剂，其中正丁醇最佳，因为其促进氯化钠与乳酸之分离，其中两种产物获得特别良好的产率。仅需要处理液体而非液体及固体之该等方法尤其适合于工业规模操作。另外，当产物之下游加工涉及移除水时，例如当乳酸与烷基醇反应以产