CN103080328A - 乳酸和乳酸酯的催化脱水 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及衍生自生物发酵的乳酸及其酯分别催化脱水为丙烯酸和丙烯酸酯。本发明公开了适于以工业规模制备丙烯酸和丙烯酸酯的化学催化剂。本发明还提供了使用可再生资源和生物催化剂由生物发酵制备丙烯酸和丙烯酸酯的工业规模集成工艺技术。

Description

乳酸和乳酸酯的催化脱水
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年9月7日提交的美国临时专利申请61/402,913的优先权。
技术领域
本发明涉及由乳酸和乳酸衍生物制备丙烯酸及其衍生物的领域，所述乳酸和乳酸衍生物由生物原料发酵制备。
背景技术
乳酸，即2-羟基丙酸(也称α-羟基丙酸)是一种由生物质通过发酵以低成本制备的商业化学品。乳酸具有羟基和羧基。两种不同官能团的存在使得乳酸成为用于制备传统上衍生自石油化工原料的大量商业有机化学品如聚L-乳酸、丙烯酸、2,3-戊二酮、丙酮酸、丙酸、1,2-丙二醇、乙醛、二丙交酯和乳酸烷基酯的具有吸引力的原料。油价上涨以及使用可再生资源经由生物发酵制备乳酸的效率的提高使得乳酸转化成各种商业化学品更具吸引力。使用衍生自生物资源的乳酸商业化生产丙烯酸已成为经济上可行的选择。
丙烯酸(α,β-不饱和酸)为一种可通过一步催化脱水衍生自乳酸的商业化学品。在2010年，由石油化工原料通过丙烯的两步气相氧化法生产了约4,400,000公吨丙烯酸和约3,900,000公吨丙烯酸酯。将丙烯酸用于生产高分子絮凝剂、超吸收剂、分散剂、涂料、油漆、胶粘剂、纸产品、建筑用化学品、水处理用化学品以及用于皮革、纸和织物的粘合剂。
丙烯酸还可衍生自3-羟基丙酸的脱水。目前的工作是使用生物催化剂制备3-羟基丙酸(Straathof等，2005；Lunelli等，2008；Jiang等，2009)。然而，与目前的以商业规模发酵制备乳酸相比，发酵制备3-羟基丙酸仍处于其开发阶段。当由生物原料生产3-羟基丙酸的技术在商业上实现时，本专利申请所描述且请求保护的本发明可有效地用于由3-羟基丙酸制备丙烯酸和丙烯酸衍生物。
本发明的目的在于提供一种由使用廉价可再生生物原料的发酵方法获得的乳酸及其衍生物制备丙烯酸和丙烯酸酯的有效催化方法。更具体地，本发明的焦点在于寻找适于使乳酸和乳酸的各种酯以商业规模分别脱水成丙烯酸和丙烯酸酯的具有成本效率且可放大的生产方法。
由乳酸和乳酸酯分别制备丙烯酸和丙烯酸酯包括从α-碳原子上除去羟基以及从相邻的β-碳原子上除去氢原子。因此，显然该化学转化的效率取决于所述脱水方法的速率常数。然而，实际上，乳酸和乳酸酯脱水的总效率取决于对竞争反应的抑制。例如，在适于所述脱水反应的条件下，乳酸分子倾向于由自酯化反应形成丙交酯(乳酸的二聚体)。丙交酯分子易于分解成一氧化碳、乙醛和水。
对通过在超临界水或近临界水下使乳酸脱水而制备丙烯酸进行了很多努力。最初的试验在385°C和34.5MPa下进行，初始乳酸浓度为0.1mol·L-1，停留时间为大约30秒。该试验的结果表明在添加H2SO4的情况下，更多地脱羰基化成乙醛；在添加NaOH的情况下，丙烯酸制备得以提高(Mok andAntal Jr.，1989)。Lira和McCracken(1993)报道了将少量(<0.01mol·L-1)Na2HPO4添加至0.4mol·L-1反应溶液中可提高pH值并将丙烯酸的摩尔产率由35%提高至高于58%(基于乳酸的转化)。显然，添加Na2HPO4适度提高了丙烯酸制备的速率常数，同时抑制了竞争性脱羰、脱羧和副反应的速率常数。最近，Aida等(2009)使用流动装臵在水中于高温(450°C)和高压(40-100MPa)下对乳酸的反应进行了研究。在该反应中，作为主要产物制备了丙烯酸和乙醛。乙酸和丙酸作为少量产物获得。在23%乳酸转化率和0.8秒停留时间下，丙烯酸的最大选择性为44%。数据和动力学分析一致表明脱水和组合的脱羧和脱羰反应在超临界水中随着压力(水密度)的增大而持续提高。然而，高水密度提高了脱氢反应的选择性。
在开发用于由乳酸制备丙烯酸的化学催化剂方面也存在持续的兴趣(Fan等，2009)。Holman(美国专利2,859,240)首次表明乳酸和乳酸酯的气相脱水分别形成了丙烯酸和丙烯酸酯。该气相脱水反应涉及使用由第I和II族金属的硫酸盐和磷酸盐构成的催化剂。该催化脱水反应在200-600oC的温度范围内进行，且取决于所用催化剂的组成，转化率为9-23%。
美国专利4,729,978公开了一种制备适于将乳酸脱水为丙烯酸的酸性脱水催化剂的方法。在所述催化剂的制备中，用磷酸盐浸渍选自二氧化硅、钛和铝的金属氧化物载体。进一步用碱缓冲所述经浸渍的载体以改善所述催化剂对丙烯酸制备的选择性，同时降低不希望产物如乙醛的水平。
美国专利4,786,756公开了一种用于将乳酸或乳酸铵溶液气相转化为丙烯酸的磷酸铝催化剂。使用乳酸和乳酸铵分别作为反应物的丙烯酸产率为43.3%和61.1%。用含水无机碱对所述磷酸铝催化剂进行预处理，然后将其用于乳酸和乳酸铵气相转化为丙烯酸。用含水无机碱对所述催化剂进行预处理提高了获得丙烯酸的反应的选择性。还发现进料中存在呈蒸汽形式的水能提高选择性。
美国专利5,071,754和5,252,473公开了一种在气相中使用结晶水合且部分煅烧的硫酸钙作为催化剂将乳酸甲酯转化为丙烯酸甲酯的方法。在该反应中，添加15重量%的粉状偏磷酸钙作为助催化剂。乳酸甲酯转化率为50%且在所得的液体产物中制备了5-14%丙烯酸甲酯和5-19%丙烯酸。
近年来已做了许多努力以避免形成自反应产物丙交酯。乳酸分子中羟基的存在导致形成丙交酯，这是因为其与另一乳酸分子的羧基的相互作用。美国专利6,545,175公开了在乳酸甲酯中酯化α位的羟基。使乳酸甲酯与琥珀酸酐在硫酸的存在下于70°C下反应，从而以98%的产率形成琥珀酸(乙基-1-甲氧基羰基)酯。类似地，美国专利6,992,209公开了通过使乳酸甲酯与冰乙酸和硫酸在73oC下反应而形成比例为1:1的α-乙酰氧基丙酸甲酯和2-乙酰氧基丙酸。酸和甲酯的组合产物的产率为理论估算值的大约95%。已提出琥珀酸(乙基-1-甲氧基羰基)、α-乙酰氧基丙酸甲酯和2-乙酰氧基丙酸的热分解能获得纯丙烯酸和丙烯酸酯，而不形成污染的丙交酯和由丙交酯分解获得的其他降解产物。然而，仍需提高乳酸甲酯经由该中间化合物转化成丙烯酸酯和丙烯酸的效率。
美国专利7,538,247公开了一种由α-或β-羟基羧酸制备丙烯酸、丙烯酸酯和丙烯酰胺的方法。所述用于将α-或β-羟基羧酸转化为丙烯酸、丙烯酸酯和丙烯酰胺的气相方法在250-300°C的温度下进行。该美国专利公开了初始反应物转化至所需产物的转化率为83-97%。
美国专利7,687,661提供了一种将β-羟基羰基化合物转化为α,β-不饱和羰基化合物和/或α,β-不饱和羰基化合物的盐的方法。
迄今为止，所有就确定乳酸和3-羟基丙酸的脱水条件而言所作的工作均使用衍生自石油化工原料的纯源材料进行，在该领域中，需要确定将存在于发酵液中的乳酸及其盐转化为丙烯酸和丙烯酸酯而无需将乳酸从所述发酵液中提纯至非常高的纯度水平的条件和催化剂。
发明简述
本发明公开了一种通过脱水和酯化反应由乳酸制备丙烯酸和丙烯酸酯的方法，所述乳酸通过生物发酵衍生自可再生资源。所述生物发酵要求本发明的实施包括使用耐用生物催化剂，所述催化剂能在羟基丙酸如α-羟基丙酸或β-羟基丙酸制备中使用可再生资源。
在一个实施方案中，本发明提供了一种由获自发酵液的α-羟基羧酸(即，乳酸)及其衍生物制备丙烯酸的方法。适于本发明的乳酸衍生物的列表包括乳酸的无机盐、乳酸二聚体、乳酸低聚物和其中烷基衍生自C1-C10烷基醇的乳酸烷基酯。术语“C1-C10烷基醇”是指其中烷基具有1-10个碳原子的醇。乳酸盐的列表包括乳酸的钠盐、铵盐、钾盐和钙盐。适于本发明的乳酸可呈D,(-)异构体形式、L,(+)异构体形式、或者呈衍生自乳酸的D,(-)异构体形式和L,(+)异构体形式的二聚体或低聚物形式。D,(-)和L,(+)异构体形式的乳酸的外消旋混合物也适用于发明。
本发明的一个方面中，用于制备丙烯酸的发酵液衍生自包括选择用于以商业规模制备乳酸的大肠杆菌(Escherichia coli)和凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)的细菌属的培养液。在本发明的另一方面中，所述发酵液衍生自选择用于制备乳酸的丝状真菌属的培养液。在本发明的又一方面中，所述发酵液衍生自以商业规模制备乳酸中所已知的酵母属。
在本发明的一个实施方案中，对所述发酵液进行一个或多个包括过滤、酸化、结晶、渗透汽化、电渗析、离子交换、液-液萃取和模拟移动床色谱法的工艺步骤以富集乳酸含量并从所述发酵液中除去杂质。一方面，使所述乳酸富集组分与C1-C10烷基醇在酯化催化剂的存在下进行酯化反应。使所得乳酸酯在脱水催化剂的存在下进行气相脱水反应从而形成相应的丙烯酸酯。在本发明的另一方面中，使经由一个或其他提纯工艺由所述发酵液获得的乳酸富集组分在脱水催化剂的存在下进行气相脱水反应从而获得丙烯酸。随后，使获自所述脱水反应的丙烯酸在酯化催化剂的存在下与C1-C10烷基醇进行酯化反应从而制备丙烯酸酯。
在本发明的另一实施方案中，对包含乳酸铵的发酵液进行热处理以从乳酸铵中释放氨从而累积乳酸及其二聚体(所谓的丙交酯)。使由此形成的丙交酯在醇和酯化催化剂的存在下进行酯化反应。随后，使由此形成的乳酸酯在脱水催化剂的存在下进行气相脱水反应，从而制备相应的丙烯酸酯。适于在升高的温度下脱水乳酸酯的催化剂包括固体酸催化剂、碱催化剂和金属氧化物。在本发明的一个方面中，适于乳酸脱水的催化剂为分子筛催化剂，包括各种形式的沸石。
在本发明的又一最优选实施方案中，使含有乳酸铵的发酵液浓缩并与C1-C10烷基醇进行酯化反应。在本发明的优选方面中，所述酯化反应在不存在任何外来酯化催化剂下进行。在热诱导浓缩过程中所释放出的氨通过冷凝反应捕集以用于再循环。在于升高的温度和大气压下进行的酯化反应中进一步发生氨释放。在酯化反应中由此释放出的氨通过惰性气体流从酯化反应容器中排出并捕集以再循环至发酵工艺中。随后，使第一步骤中所得的乳酸酯进行脱水反应以制备相应的丙烯酸酯。
附图简介
图1为由含乳酸铵的发酵液生产丙烯酸和丙烯酸酯的工艺流程图。该图所示的是可由含乳酸铵的发酵液起始制备丙烯酸酯的四种不同途径。在一个途径中，使用本领域所已知的各种技术如微量过滤、超滤、酸化、结晶、色谱法、电渗析和离子交换从所述发酵液中提纯乳酸。使高度提纯的乳酸在升高的温度下在合适催化剂存在下进行气相脱水反应以制备丙烯酸，又使所述丙烯酸在酯化催化剂的存在下进行酯化反应以制备丙烯酸酯。第二途径包括使不进行许多提纯的所述发酵液中的乳酸脱水，随后进行酯化反应以制备丙烯酸酯。在第三途径中，使所述发酵液中的乳酸铵通过使用合适催化剂同时进行脱水和酯化反应以制备丙烯酸酯。在第四途径中，首先使不进行许多提纯的发酵液中的乳酸铵进行酯化反应以制备乳酸酯，所述乳酸酯又在脱水催化剂的存在下进行脱水反应。在制备丙烯酸酯的第四途径中，第一酯化反应优选在不存在任何外来酯化催化剂的情况下进行。
图2为通过酯化反应随后通过脱水反应从而将乳酸转化为丙烯酸酯的工艺流程图。
图3为通过脱水反应随后通过酯化反应从而将乳酸转化为丙烯酸酯的工艺流程图。
图4为通过酯化反应随后通过脱水反应从而将丙交酯转化为丙烯酸酯的工艺流程图。
图5为通过酯化反应随后通过脱水反应从而将乳酸铵转化为丙烯酸酯的工艺流程图。
图6为在使用大肠杆菌TG160菌株(strain)进行葡萄糖的厌气发酵过程中的乳酸(g/L)制备的动力学。乳酸制备在发酵开始后22小时达到约75g/L的最大值。
图7为初始溶液和反应产物的校正标准混合物的典型气相色谱图。
图8为用于测试脱水催化剂效率的固定床反应器系统的构造。
图9为在使用化学纯的乳酸二聚体(丙交酯)和丁醇作为起始物质的酯化反应中形成乳酸丁酯的动力学。酯化反应混合物中还包含amberlyst树脂作为酯化催化剂。所述催化剂以两种不同的浓度(2.8重量%和5.6重量%)使用。
图10为在使用含乳酸铵的发酵液与丁醇的酯化反应中形成乳酸丁酯的动力学。所述酯化反应在升高的温度和大气压下，在不存在任何外来酯化催化剂下进行。
图11为在使用含乳酸铵的发酵液和丁醇下所进行的酯化反应的典型气相色谱图。
优选实施方案详述
本发明提供了一种由获自生物原料发酵的α-羟基羧酸或β-羟基羧酸及其衍生物制备α,β-不饱和有机酸及其衍生物的方法。更具体地，本发明描述了可用于将乳酸(α-羟基丙酸)和乳酸酯分别转化为丙烯酸和丙烯酸酯中的催化剂和条件。本发明还提供了用于使衍生自乳酸脱水的丙烯酸(α,β不饱和丙酸)酯化的催化剂和条件。所述脱水和酯化反应在保持于升高的温度和大气压下的反应容器中进行。尽管本发明的发现仅使用α-羟基丙酸举例说明，然而本发明的教导还可容易地用于将β-羟基羧酸及其衍生物转化为丙烯酸和丙烯酸酯。
本文所用的术语“乳酸”是指2-羟基丙酸(也称为α-羟基丙酸)且包括乳酸单体。本文所用的术语“乳酸衍生物”是指但不限于乳酸二聚体(丙交酯)、乳酸三聚体、乳酸的低分子量聚合物、乳酸的盐和乳酸烷基酯。丙交酯也称为二丙交酯且衍生自脱水反应中两分子乳酸的缩合。乳酸烷基酯衍生自乳酸与醇的缩合反应。适于形成本发明乳酸烷基酯的醇为链烷醇(C1-C10)，具有1-10个碳原子的烷基醇。在发酵制备乳酸的工艺过程中，添加碱性物质以保持发酵介质的pH值，从而使乳酸以盐形式累积在所述发酵介质中。例如，当使用氢氧化铵以保持发酵介质的pH值时，乳酸以乳酸铵(本文称为乳酸衍生物)形式累积在所述发酵介质中。用于制备乳酸的发酵介质的pH值还可通过添加其他碱性物质如Ca(OH)2、NaOH和KOH而控制，从而形成诸如乳酸钙、乳酸钠和乳酸钾的乳酸衍生物。
本文所用的术语“丙烯酸”是指衍生自α-羟基丙酸或β-羟基丙酸的脱水反应的α,β不饱和丙酸。本文所用的术语“丙烯酸衍生物”是指衍生自丙烯酸与选自链烷醇(C1-C10醇)的醇的缩合反应或者衍生自乳酸烷基酯的脱水反应的丙烯酸烷基酯。
本文所用的术语“酯化”或“酯化反应”是指酸与醇分子的缩合。
本文所用的术语“脱水”或“脱水反应”是指从酸或酯分子中脱除水分子。
本文所用的术语“催化剂”是指用于降低化学反应的活化能从而提高化学反应速率的化学物质。本文所用的术语“外来催化剂”是指由外部源添加至任何化学反应中以降低化学反应所需的活化能并提高该化学反应的总体速率的化学物质。该术语“外来催化剂”用于区分其中化学反应中的一些底物本身可用作催化剂的情况。在本发明中，将催化剂用于提高酯化反应或脱水反应的速率。
本文所用的术语“源材料”是指供入反应容器中以引发化学转化反应的物质。该术语涵盖获自发酵液并作为脱水反应的底物引入第一反应容器中的乳酸及其所有衍生物。在某些制备方法中，将主要包含丙烯酸且获自第一反应容器的产物用作在第二容器中用于酯化反应的源材料。在又一制备方法中，在使用乳酸或乳酸衍生物作为源材料的情况下，在第一反应容器中发生酯化反应从而制备乳酸酯。在第一反应容器中由此形成的乳酸酯为在第二反应容器中所发生的脱水反应的源材料。
本文所用的术语“转化率”是指特定反应中所消耗的源材料的量，且以相对于所提供源材料的摩尔量的消耗源材料的摩尔百分比形式提供。
本文所用的术语“转化产物”包括所有在反应容器中衍生自所述源材料的产物。这包括衍生自反应物的脱水反应的所需产物和副产物以及主产物。
本文所用的术语“摩尔选择性”或“选择性”是指相对于所消耗源材料的量的特定转化产物量，且以所形成的产物摩尔量与所消耗的源材料摩尔量之比的形式提供。
本文所用的术语“摩尔产率”是指所形成的产物摩尔量与供入反应容器中的源材料摩尔量之比。
本文所用的术语“煅烧的”是指催化剂的高温处理以显著降低催化剂的含水量。
如图1所示，本发明提供了用于由含乳酸铵的发酵液制备丙烯酸和丙烯酸酯的四种不同路线。本发明所述的方法包括两个主反应，即脱水反应和酯化反应。这两个反应均可在水相或气相中进行。所述反应优选在气相中进行。所述气相反应可以以间歇、分批补料或连续模式进行。
在本发明的一个实施方案中，乳酸衍生自乳酸盐，例如发酵液中所存在的乳酸铵，其中使用包括微量过滤、超滤、酸化、结晶、色谱法、电渗析和离子交换步骤的工艺。对由此制备的乳酸进行脱水反应以获得丙烯酸，随后可使所述丙烯酸酯化从而获得丙烯酸酯。在本发明的另一实施方案中，对所述发酵液中所存在的乳酸盐如乳酸铵进行脱水反应以获得丙烯酸，随后可使所述丙烯酸进行酯化反应以制备丙烯酸酯。或者，可首先使乳酸铵进行酯化反应，随后对在第一步骤中形成的乳酸酯进行脱水反应。在本发明的又一实施方案中，使所述发酵液中所存在的乳酸盐如乳酸铵同时进行脱水/酯化反应以获得丙烯酸酯。在本发明的又一实施方案中，使获自所述发酵液的乳酸进行酯化反应以获得乳酸酯，随后使所述乳酸酯脱水以获得丙烯酸酯。使经由一种或多种上述方法而由此获得的丙烯酸酯进行酯水解反应以制备高纯度水平的丙烯酸，并回收初始用于制备乳酸酯的醇。因此，可将由丙烯酸酯水解反应回收的醇再循环。
所述酯化和脱水反应在不存在或存在化学催化剂下进行。在下文实施例所述的某些情况下，可在不存在任何外来催化剂下进行酯化反应。所述酯化反应优选在不存在任何外来催化剂下进行。
催化剂的选择没有任何限制，且基于其提高所述化学反应的总转化效率和对特定最终产物的选择性的能力而选择。优选所述脱水和酯化反应在气相中在加热的催化剂上以连续模式进行。
本发明的脱水催化剂包括但不限于固体氧化物、沸石、固体酸、酸性催化剂、弱酸性催化剂、强酸性催化剂、碱性催化剂、离子交换树脂和酸性气体。这些不同催化剂可单独或以任意合适的组合使用。
适于本发明的固体氧化物催化剂列表包括但不限于TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2、ZnO2、SnO2、WO3、MnO2、Fe2O3、V2O5、SiO2/Al2O3、ZrO2/WO3、ZrO2/WO3、ZrO2/Fe2O3、ZrO2/MnO2或其组合。
沸石为微孔固体(所谓的“分子筛”)族的硅铝酸盐成员。就最广泛的意义而言，可将可通过尺寸排除分子的任何材料视为分子筛。沸石催化剂中的孔径可为1-20埃。优选沸石催化剂中的孔径为5-10埃。沸石介导的催化优先在晶内空隙中进行。催化反应受筛孔度以及反应物和产物必须通过其扩散的通道系统类型的影响。
所述沸石催化剂可衍生自天然材料或者可化学合成。沸石骨架由通过共用阳离子连接在一起的SiO4四面体构成。用Al3+取代Si4+导致电荷不平衡，这需要引入阳离子如K+、Na+和Cu++。所述结构体含有被阳离子和水分子占据的通道或互连空隙。沸石具有分子通式Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]·zH2O，其中n为金属阳离子M的电荷。M通常为Na+、K+或Ca2+，z为高度可变的水合水的摩尔数。矿物化学式的实例为Na2Al2Si3O10·2H2O，其为钠沸石的化学式。
具有高表面积的Al2O3和沸石为最优选的脱水催化剂。适于本发明的脱水催化剂的表面积为100-约500m2/g。适于本发明的催化剂的表面积优选为至少约125m2/g，适于本发明的催化剂的表面积最优选为至少150m2/g。
本发明的脱水反应也可在不存在任何上文所例举的催化剂且仅在反应容器中存在惰性固体载体如玻璃、陶瓷、瓷或金属材料下进行。
硅酸铝化合物可起酯化和脱水催化剂的作用。因此，当将含有α-羟基丙酸的发酵液用作源材料时，在所述催化的第一步中，所述硅酸铝催化剂催化水分子从α-羟基丙酸中的脱除，从而形成α,β-不饱和丙酸。在第二步中，相同的硅酸铝催化剂催化α,β-不饱和丙酸的羧基与醇之间的酯键的形成。
可用于本发明中的酸性催化剂可为液体催化剂或固体催化剂。液体酸催化剂包括硫酸、氟化氢、磷酸和对甲苯磺酸。相对于液体酸催化剂，优选固体酸催化剂。当需要在处理前将催化剂从废料中分离时，这是特别重要的。所述固体催化剂通常通过使周期表第IV族金属的氢氧化物或水合氢氧化物与含硫组分的溶液接触并将所述混合物在350-800°C下煅烧而获得。所述固体酸催化剂的酸度高于100%硫酸的酸度。由于其高酸度，所述固体酸催化剂在各种酸催化的反应中显示出高催化能力。此外，所述固体催化剂具有某些其他有利特征。其显示出低腐蚀性；其可容易地与反应物分离；其不需要处理废酸且可再利用。由于这些原因，预期固体酸催化剂将代替常规的酸催化剂。
适于本发明的酸性或弱酸性催化剂包括二氧化钛催化剂、SiO2/H3PO4催化剂、氟化Al2O3(例如Al2O3·HF催化剂、Nb2O3/SO4 -2催化剂、Nb2O5·H2O催化剂、磷钨酸催化剂、磷钼酸催化剂、硅钼酸催化剂、硅钨酸催化剂、酸性聚乙烯基吡啶盐酸催化剂、水合酸性二氧化硅催化剂及其组合。
即使当使用单一固体催化剂时，催化剂组合物中所发生的若干变化也可达到提高转化率和所述催化剂的选择性的目的。例如，当使用负载于二氧化硅上的磷酸钠催化剂时，可对催化剂组合物做出许多改变以提高对特定最终产物的选择性。可加以改变以提高催化剂的选择性的参数包括NaH2PO4负载量和Na2O/P2O5比。优选NaH2PO4的最佳负载量为1.0-2.1mmol g-1。类似地，优选催化剂的Na2O与P2O5之比为0.77-2.0。该Na2O与P2O5的范围可通过将H3PO4或Na2CO3添加至含NaH2PO4的水溶液中获得。
在NaY沸石催化剂的情况下，可通过用钾或包括镧、铈、钐和铕在内的稀土金属对所述催化剂进行改性从而提高转化效率和选择性。类似地，在硫酸钙催化剂的情况下，可通过使用不同的载气，或者通过控制所述催化剂的煅烧温度，或者通过控制进料浓度和进料速率或与所述催化剂的接触时间而改善就转化率和选择性而言的催化剂性能。
优选的二氧化钛催化剂为(Engelhard，Iselin，NJ.，美国)。优选的聚乙烯基吡啶盐酸催化剂为PVPH+
Figure BDA00002891827800112
(Reilly，Indianapolis，Ind.，美国)。优选的水合酸性二氧化硅催化剂为
Figure BDA00002891827800113
(Engelhard，Iselin，N.J.，美国)。
适于本发明的碱性催化剂包括但不限于氨、聚乙烯基吡啶、金属氢氧化物、Zr(OH)4和具有通式NR1R2R3的胺，其中R1、R2和R3独立地选自侧链或官能团，其包括但不限于例如H、具有1-20个碳原子的烃、具有1-20个碳原子的烷基和/或芳基或其组合。当将乳酸铵用作丙烯酸制备的源材料且进行高温处理时，其分解并释放出氨和乳酸。因此，可将由分解所释放出的氨用作乳酸盐脱水的催化剂。
在本发明的第一步骤中，以商业上显著量通过使用微生物由生物原料生产乳酸。在本发明的第二步骤中，对以成本效率方式由生物发酵回收的乳酸及其衍生物进行催化脱氢反应以制备丙烯酸及其衍生物。优选地，催化脱氢反应可使用含乳酸的粗发酵液进行。
用于制备乳酸的发酵方法可以以间歇模式或连续模式进行。可将大量衍生自天然源的碳水化合物材料用作发酵制备乳酸的原料。获自甘蔗和甜菜的蔗糖、葡萄糖、含乳清的乳糖和获自水解淀粉的麦芽糖和右旋糖以及获自生物柴油工业的甘油适于发酵制备乳酸。还可产生具有在乳酸制备中利用衍生自纤维素生物质水解的戊糖的能力的微生物。具有在乳酸制备中同时利用含6个碳的糖类如葡萄糖和含5个碳的糖类如木糖的能力的微生物是乳酸发酵制备中非常优选的生物催化剂。衍生自廉价可得的纤维素材料的水解产物包含C-5碳和C-6碳二者的糖类，且能同时在乳酸制备中利用含C-5碳和C-6碳的糖类的生物催化剂就制备适于转化成丙烯酸和丙烯酸酯的低成本乳酸而言是非常优选的。
耐酸同型乳酸菌适用于本发明。“同型乳酸”意指菌株基本上仅产生乳酸作为发酵产物。耐酸同型乳酸菌通常从商业玉米加工设备的玉米浸泡水中分离。优选还可在升高的温度下生长的耐酸微生物。有利的是每升发酵液可产生至少50g乳酸的微生物。就生产率而言，希望产生4g乳酸/升·小时的发酵周期。
公知的用于以商业规模生产乳酸的微生物列表包括大肠杆菌(Escherichia coli)、凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)、德式乳酸杆菌(Lactobacillus delbruckii)、保加利亚乳酸杆菌(L.bulgaricus)、嗜热乳酸杆菌(L.thermophilus)、莱式乳酸杆菌(L.leichmanni)、干酪乳酸杆菌(L.casei)、发酵乳酸杆菌(L.fermentii)、嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)、乳酸链球菌(S.lactis)、粪链球菌(S.faecalils)、片球菌属(Pediococcus sp)、明串珠菌属(Leuconostoc sp)、双歧杆菌属(Bifidobacterium sp)、米根霉(Rhizopus oryzae)和许多工业应用中的酵母菌种类。
最近授权的美国专利7,629,162(通过引用并入本文)公开了用于制备乳酸的产乙醇大肠杆菌KO11菌株的衍生物。该美国专利所公开的产乳酸菌株通过缺失编码竞争性途径的基因随后对具有改进性能的突变种进行生长基选择而获得。这些重排的大肠杆菌可用于提供工业应用场合中所用的提高的乳酸供应。
乳酸可作为两种立体化学对映体或所谓的“旋光异构体”(即D,(-)-乳酸和L,(+)-乳酸)形式存在。99%“光学”纯度的混合物为(a)99%D和1%L或(b)1%D和99%L。这两种形式的分子混合物称为外消旋混合物或DL-乳酸。光学纯度是指乳酸盐、乳酸、单体、二聚体等所有形式的混合物的光学纯度。正如通过乳酸的化学反应所制备的化合物那样，乳酸盐也保持光学纯度，这取决于所述反应和提纯顺序。
获自生物发酵液的乳酸及其衍生物是实施本发明所优选的。所述发酵液基于重量/重量(w/w)含有约6-15%乳酸，且必要的是以浓缩形式回收乳酸。以浓缩形式从发酵液中回收乳酸可以以本领域所已知的方法之一进行。本领域已知若干种不同方法可用于从发酵液中回收乳酸。可按照那些已知方法中的任一种或若干种方法的组合，通过使用本发明所公开的方法由发酵液中以适用于制备丙烯酸和丙烯酸酯的浓缩形式获得乳酸。
在工业制备乳酸的过程中，将至少一种碱性物质如NaOH、CaCO3、(NH4)2CO3、NH4HCO3和NH4OH添加至发酵液中以保持生长介质的近中性pH值。在发酵液中添加碱导致乳酸以无机盐形式累积。氢氧化铵为用于保持发酵液的中性pH值的优选碱性物质。由于将氢氧化铵添加至发酵介质中，乳酸铵在所述发酵液中累积。乳酸铵在水溶液中具有较高的溶解度，因此可提高发酵液中的乳酸铵浓度。
由含乳酸铵的发酵液获得乳酸的一种方式是对所述发酵液进行微量过滤和超滤，随后进行离子交换色谱法。对获自离子交换色谱法的试样进行常规电渗析以获得呈浓缩游离酸形式的乳酸。
从发酵液中回收乳酸的另一种方法是使用酸化和结晶程序。例如，当在碳酸钙存在下进行发酵时，可通过与硫酸酸化而回收乳酸。这导致硫酸钙沉淀，同时游离乳酸保留在母液中。随后，使用合适的有机萃取剂萃取母液中所存在的游离乳酸以获得萃取液，将所述萃取液用水反萃取以回收呈浓缩形式的游离乳酸。将长链三烷基胺例如三乙胺、三(十二烷基)胺、三异辛胺、三辛酰基胺和三(十二烷基)胺用作游离乳酸回收中的萃取剂。术语“胺盐或乳酸胺”是指当将乳酸萃取成胺萃取剂相时所形成的物质。
包含胺的有机萃取剂的萃取能力通过引入非羧酸型、中性极性有机化合物例如链烷醇如正丁醇，酮如丁酮，酯如乙酸丁酯，醚如二丁醚和双官能化合物如CH3CH2CH2OHCH2CH2OH而得以改善。这类化合物(通常称为增强剂、改性剂或活性稀释剂)能提高胺在萃取剂中的碱强度，由此有助于将羧酸从起始水溶液(如发酵液)转移至有机萃取剂相中。萃取增强剂的存在使水相/有机萃取剂相体系中的羧酸平衡移向有利于有机相的方向。然而，该平衡的特别偏移导致反萃取的问题，这是由于抑制了羧酸从有机相转移至水相。事实上，该抑制作用可如此显著以至于用水反萃取有机相即使在接近100°C的温度下也不可行。已提出若干方法以克服这种羧酸回收方法中所固有的该难题。根据一种方法，完全放弃反萃取，并通过蒸馏从有机萃取液中回收羧酸。另一方法是在高于后者沸腾温度下进行反萃取以提高胺-羧基配合物的水解度，并由此提供可接受的反萃取率。
获自所述发酵液的乳酸还可直接通过吸附于含固相聚合物的叔胺上而回收。在所述聚合物饱和后，优选进行水洗且吸附的乳酸可使用合适的试剂回收。合适的脱附剂包括极性有机溶剂甲醇和热水。从柱中洗脱后，乳酸可通过蒸发、蒸馏或本领域所已知的任何其他合适方式浓缩。
或者，使乳酸钙与铵离子源如碳酸铵或氨与二氧化碳的混合物反应，从而制备乳酸铵。污染阳离子可通过离子交换除去。可将游离乳酸与铵离子分离，优选通过盐裂电渗析。
在本发明的又一实施方案中，使含乳酸的酸化发酵液通过阳离子交换树脂上以获得乳酸盐最高值为25%的乳酸组分，相对于所述溶液的干重量。对从离子交换柱洗脱的组分进行双极分馏-电渗析。将所得乳酸进一步提纯、浓缩并回收。
还希望使用模拟移动床色谱法、沉淀、结晶和蒸发程序以从所述发酵液中回收超过90%的乳酸。
可对获自所述发酵液的乳酸进行酯化方法以回收作为最终产物的乳酸酯。可将各种醇用于所述酯化反应中，包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、仲丁醇、2-乙基己醇、异壬醇、异癸醇和3-丙基庚醇。获自发酵方法的丁醇为优选的醇。正如许多最近授权的美国专利(US7,851,188；US7,910,342和US7,993,889)和美国公开专利申请(US2011/0159,558；US2011/0195,505；US2011/0112,334；US2010/0129,886；US2010/0221,801；US2010/0062,505和US2011/0183,392)所证实的那样，目前已很好地建立了通过发酵方法的商业生产丁醇。
酯化反应可在两个乳酸分子间发生，从而形成丙交酯。此外，乳酸酯的低聚物可来源于乳酸低聚物的酯化。优选使用不含丙交酯和乳酸酯低聚物的乳酸酯。
乳酸与酯化醇的摩尔比以及反应容器的温度和压力对获得所需的酯化反应效率而言是关键的。例如，制备乳酸乙酯的连续法的条件要求乙醇与乳酸之间存在至少2.5的摩尔比。乙醇与乳酸的摩尔比的优选范围为3-4。所述酯化反应在100°C和1.5-3巴，优选1.5-1.8巴的压力下进行。
所述酯化反应在可溶于或不溶于酯化反应介质中的酸催化剂存在下进行。本发明可用的催化剂包括98%H2SO4、H3PO4或甲磺酸。所述催化剂以0.1%-4%，优选0.2%-3%的浓度使用，相对于100%的所用乳酸。所述酯化反应可在搅拌反应器或固定床反应器中进行。当使用固定床反应器时，使用固体催化剂如Amberlyst15型离子交换树脂，且酯化反应通过反应蒸馏进行。术语“反应蒸馏”是指化学反应和通过蒸馏分离物质的组合。适于制备羟基酸酯如乳酸酯的反应蒸馏方法是本领域所公知的。反应蒸馏的特殊优点在于在酯化反应过程中，所形成的反应水立即通过蒸馏除去，因此反应平衡向成酯方向偏移。
在本发明的另一实施方案中，乳酸甲酯可以以高产率获自由甘蔗汁发酵液所制备的粗乳酸水溶液与甲醇以连续逆流滴流相方法或者在连续逆流泡罩塔中的酯化反应。
还可将含乳酸铵的发酵液用作乳酸和乳酸烷基酯的来源。使含乳酸铵的发酵液与醇混合并与包含惰性气体、醇蒸气、二氧化碳或其任意两种或更多种的混合物的高热料流一起供入第一反应容器中。在所述第一反应容器中的主导的升高的温度下，乳酸铵分解为氨和游离乳酸。由所述第一容器排出的液体料流具有醇和有机酸。由此释放出的氨以蒸气流排出所述第一容器。当第一容器提供有用于乳酸酯化的催化剂时，由所述第一容器排出的液体料流除了醇和乳酸之外，还具有乳酸烷基酯。使来自所述第一反应容器的液体料流与第二反应容器相连。通过控制所述第一容器的压力参数以有利于酯化反应并防止催化剂进入第二容器，可在第二容器中以提高的比例回收乳酸烷基酯。适于该方法的醇列表包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、异丁醇、叔丁醇、正丁醇、2-乙基己醇、异壬醇、异癸醇和3-丙基庚醇。
在本发明的另一实施方案中，在不使用强酸的情况下，由包含乳酸铵的发酵液获得乳酸。相反，将加热的醇蒸气用于提高所述发酵液的温度。随着温度的升高，氨从乳酸铵中脱除。因此，目前可将由加热的醇蒸气处理所释放出的乳酸用于酯化反应。适于所述酯化反应的醇列表包括但不限于适于所述酯化反应的异丁醇、叔丁醇、正丁醇、异丙醇、正丙醇、乙醇和甲醇。由此形成的乳酸酯可通过上述微分蒸馏和冷凝程序回收。在优选实施方案中，所述酯化反应在不添加任何外来催化剂的情况下实现，并通过蒸发将含乳酸铵的发酵液浓缩，然后使其与醇蒸气接触以引发酯化反应。在最优选的实施方案中，使惰性气体流通过酯化反应容器以排出所释放的氨。
在本发明的另一实施方案中，发酵液中所存在的乳酸铵通过将醇和酯化催化剂添加至所述发酵液中并将所得混合物加热至低于100oC的温度而酯化。该处理除了将乳酸铵分解为游离乳酸和氨之外，还引发所述酯化反应。由此释放出的氨与初始发酵液中的过量水一起通过使用渗透汽化膜除去。在第一步骤中，将渗透汽化膜用于脱水和脱氨目的。在第二步骤中，将渗透汽化膜用于将乳酸烷基酯与游离乳酸分离并使醇保留在所述反应混合物中。因此，在不使用从酯化反应中所用醇中回收乳酸烷基酯的蒸馏方法中所需的任何高温处理下，获得高纯度的乳酸烷基酯。
在本发明的又一实施方案中，乳酸烷基酯可通过在水存在下，在130-250°C温度和5-25kg/cm2压力下与醇进行4-11小时的无催化剂酯化方法由包含二聚体和高聚物的乳酸源获得。
如上所述，乳酸和各种乳酸酯可通过生物发酵衍生自可再生资源。目前，可将特定方法用于从发酵液中回收乳酸并将其转化为乳酸酯。可使乳酸和乳酸酯二者进行高温催化脱水反应以制备丙烯酸和丙烯酸酯。下文给出了可用于由含乳酸铵的发酵液生产丙烯酸和丙烯酸酯的系统的细节。本文还提供了可据此回收由含乳酸铵的发酵液所制备的丙烯酸和丙烯酸酯的方法的描述。
在其最简单的结构中，用于实施乳酸及其酯的脱水和酯化反应的系统包括位于加热源中的反应器。或者，所述反应器可与加热源保持紧密的物理接触从而使得从加热源至所述反应器之间存在均匀的热传导。使所述反应器和加热源通过一系列热电偶连接。所述热电偶沿所述反应器的长度分布以确保所述反应器的在其长度方向上被所述加热源均匀加热。
所述反应器填充有一种或其他种类的催化剂。在其中脱水反应在不添加任何外加催化剂下进行的那些条件下，所述反应器填充有惰性材料如玻璃、陶瓷和砖。使所述反应器保持在大气压下并保持温度高于水的沸腾温度。将具有进料源的容器与所述反应器的一端通过不锈钢管连接，并在对反应器中的进料源的最大转化率而言优化的重时空速(WHSV)下将所述进料源供入所述反应器中。
在某些其他设计中，在将进料源供入所述反应器之前，将其与丙烯酸聚合反应的稳定剂和抑制剂在混合槽中混合。合适的稳定剂和抑制剂包括但不限于酚类化合物如二甲氧基苯酚(DMP)或烷基化酚化合物，如二叔丁基苯酚，奎宁类如叔丁基氢醌或氢醌的单甲醚(MEHQ)，和/或金属铜或乙酸铜。在又一设计中，将进料源、催化剂和聚合抑制剂在混合槽中一起混合，并将所述混合物供入保持在适于发生脱水反应的温度下的反应器中。
在所述系统设计的又一实施方案中，使来自混合槽的进料在供入所述反应器之前通过喷雾干燥器/蒸发单元。该通过喷雾干燥器/蒸发器的目的是在进入所述反应器之前降低所述进料源的含水量。由于所述进料物质中的含水量降低，预期所述反应器中的催化转化率增大。
将在所述反应器中发生的脱水反应的最终产物作为由所述反应器的另一端排出的流出料流收集。其还可用于为所述反应器提供气体流以将蒸气相与催化脱水的产物一起驱向流出料流。可对该基本系统设计进行任何所需的改进，从而容许可能需要使用不同进料源或者获得不同最终产物的方法中的任何偏差。当需要时，所述系统设计中的该偏差将在下文加以描述。
原则上，使进料物质在适当的温度下在所述反应器中蒸发，并在蒸气相中发生乳酸的催化脱水。获自所述脱水反应的丙烯酸产物收集在由所述反应器另一端排出的流出料流中。用于制备丙烯酸的进料源可包含5-30%的乳酸，基于重量比。优选将含有7.5-12%乳酸(基于重量比)的进料源供入所述反应器中。理想的是进料源中具有呈单体形式的乳酸。然而，通过使用合适的催化剂、合适的温度和合适的停留时间，可破坏二聚乳酸和聚乳酸分子并使其催化脱水。
还可使用含乳酸的无机盐的发酵液作为进料源。适于本发明的乳酸无机盐列表包括但不限于乳酸铵、乳酸钠和乳酸钙。含乳酸铵的发酵液为脱水反应以形成丙烯酸的优选进料源。乳酸铵在所述反应器中分解，并使由此释放出的乳酸发生脱水反应。在使用乳酸铵作为进料源的情况下，丙烯酸制备的转化率和选择性可高达95%或更高。也可在所述反应器中甚至在不添加任何外加化学催化剂下进行乳酸铵的脱水反应。由乳酸铵分解所释放出的氨可用作乳酸脱水以形成丙烯酸的碱性催化剂。此外，氨气可起载气作用以使丙烯酸运动通过所述反应器至流出料流。
还可使脱水和酯化反应在上述系统中同时进行。如上所述，将具有呈游离酸、二聚体或聚合物形式的乳酸的发酵液引入具有适当化学催化剂的反应器中会形成作为产物的丙烯酸。如果还将合适的醇与进料源中的乳酸一起引入所述反应器中，则可引发丙烯酸的气相酯化。因此，在反应器中使用单一催化剂或多种催化剂时，可同时实现乳酸的催化脱水和所得丙烯酸的催化酯化。取决于所用的醇源，可获得相应的丙烯酸酯。适于该酯化反应的醇列表包括但不限于甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、2-乙基己醇、异壬醇、异癸醇和丙基庚醇。
在本发明的另一实施方案中，所述脱水和酯化反应依次进行。根据上述方法，在第一步骤中，在存在或不存在化学催化剂下，使乳酸或丙交酯或乳酸盐进行蒸气相脱水反应以制备丙烯酸。所得的丙烯酸收集在流出料流中，与合适醇混合并供入具有酯化反应的化学催化剂的反应器中。在本发明的另一方面中，可将所述醇作为独立进料流与提供丙烯酸的进料流一起供入所述反应器中。
在本发明的又一实施方案中，可用各种醇酯化获自所述发酵液的乳酸以制备如上所述的合适酯。可将由此制备的乳酸酯引入具有脱水催化剂且保持在适当温度下的反应器中。所述反应器中发生的气相脱水反应会形成可作为流出物回收的丙烯酸。
所述源材料以及获自脱水和酯化反应的产物的组成可通过使用适当的高效液相色谱(HPLC)或气相色谱(GC)技术分析，且可由获自HPLC或GC分析的数据获得转化率和选择性数值。在工业方法的开发过程中，必须不形成不希望的副产物，从而可获得具有高纯度水平的所需最终产物。
获自脱水反应以及组合的脱水和酯化反应的丙烯酸和丙烯酸酯可使用本领域所公知的各种技术提纯。例如，获自脱水反应的丙烯酸可通过在聚合抑制剂存在下热蒸馏而回收。还可在温和条件、不使用萃取剂和低能量消耗下，使用借助膜的渗透汽化方法以浓缩丙烯酸水溶液。分级结晶是提纯丙烯酸的又一方法。
可按照液-液萃取方法以将丙烯酸从乳酸或其衍生物的催化脱水反应结束时所得的含水混合物中分离。相对于蒸馏反应，优选液-液萃取法，这是因为其避免了丙烯酸的任何可能的热降解。液-液萃取法为扩散分离方法，其中使进料流与所选溶剂接触。所述溶剂从所述进料流中的其余组分中移除丙烯酸。随后使用本领域公知的适当方法从溶剂料流中回收丙烯酸。已知可用于萃取丙烯酸的若干溶剂包括二异丙醚、2-乙基己醇、乙酸异丙酯、甲基异丁基酮、己酸、庚酸、辛酸酯、壬酸甲酯和三烷基氧化膦。可将这些溶剂中的任一种用于从含水混合物中萃取丙烯酸。
在用少量硫酸处理丙烯酸酯后，可使用三氟化硼对通过酯化反应获得的丙烯酸酯进行处理以除去可通过色变法检测的杂质。用0.05-0.5重量%(相对于所述酯的重量)的三氟化硼对获自酯化反应的丙烯酸酯进行处理，如目前到期的美国专利2,905,598所述(通过引用并入本文)。三氟化硼毫无疑问地与有害杂质形成稳定的化合物或者与其反应以形成沸点或分解温度高于所述酯的沸点的产物，从而使得所述酯可在常压或减压下通过简单蒸馏与所述杂质分离。
仍存在于丙烯酸酯制剂中的未反应的醇和丙烯酸可根据目前到期的美国专利3,157,693所述的方法除去。根据该美国专利的方法，用稀碳酸氢钠水溶液对所述丙烯酸酯制剂进行处理，并进行热分馏以除去初始获自酯化反应的丙烯酸酯制剂中所存在的挥发性更高的组分和挥发性更低的组分。
用于由可再生资源生产丙烯酸和丙烯酸的本发明所述的方法是简单的。此外，用于该生产方法中的系统是可高度自由配臵的。各单元操作可以以使得可获得最大转化效率和选择性的方式加以调节。该生产方法成本低且对环境的污染很小。
通过严格遵循上述反应条件，本领域技术人员可在基本不具有反应复杂性下以高产率重复获得所需酯产物。
图2提供了其中将高纯度乳酸用作源材料的本发明实施方案之一的工艺流程图。使含乳酸铵的发酵液(200)通过转化方法(201)以回收高纯度乳酸。将由此回收的高纯度乳酸(202)由顶部供入酯化反应容器(203)中，同时将醇蒸气(205)从底部供入。使固体酯化催化剂(204)保持在所述酯化容器中的载体上。从顶部逸出所述酯化容器的过量醇蒸气在其通过冷凝器(206)时回收。将由此回收的醇(207)再循环至所述酯化容器中。在所述酯化容器的底部收集获自所述酯化容器中的酯化反应的乳酸酯和水(208)，并作为源材料供入脱水容器(209)的顶部。所述脱水容器具有位于固体载体上的固体脱水催化剂(210)。将惰性气体流(211)从所述脱水容器的顶部引入以将丙烯酸酯驱向所述脱水容器的底部，在此处收集丙烯酸酯(212)并进一步提纯。
图3提供了使用乳酸作为源材料生产丙烯酸酯中的脱水容器和酯化容器的不同配臵。在该配臵中，首先将通过转化方法(301)衍生自含乳酸铵的发酵液(300)的高纯度乳酸由顶部供入脱水容器(303)中。所述脱水容器含有位于固体载体上的固体脱水催化剂(305)。还将惰性气体流(304)由顶部引入所述脱水容器中。所述惰性气体流将获自乳酸脱水的丙烯酸(306)与由所述脱水反应所释放出的水一起吹扫至冷凝器(307)中。通过微分蒸馏，从所述脱水容器的总冷凝物中回收丙烯酸(309)，同时水作为水蒸气释放(308)。将所回收的丙烯酸(309)作为源材料从顶部引入酯化容器(310)中。所述酯化容器含有位于固体载体上的固体酯化催化剂(311)。引入所述酯化容器中的醇蒸气(312)引发催化剂表面上的丙烯酸的酯化反应，从而形成丙烯酸酯(315)，其收集在所述酯化容器的底部并适当地加工以回收丙烯酸酯并进一步提纯。过量醇和水蒸气从所述酯化容器的顶部释放且适当地收集并通过冷凝(313)回收以进一步再循环(314)至所述酯化反应中。
图4所示的是从含乳酸铵的发酵液(400)中回收丙交酯，随后转化为丙烯酸酯的步骤。将所述发酵液过滤(401)以除去颗粒物，并泵入加热的容器(402)中以蒸发水。在该浓缩过程中，乳酸铵还分解从而释放出氨气(403)。捕集由此释放出的氨气并以氢氧化铵形式再循环至发酵容器中以保持乳酸发酵制备过程中的中性pH值。通过释放出氨，所形成的游离乳酸发生缩合反应以形成丙交酯(404)。将由此形成的丙交酯(404)作为源材料在顶部引入酯化容器(405)中。酯化容器含有位于固体载体上的固体酯化催化剂(406)，且使所述容器保持在升高的温度和大气压下。将醇蒸气(407)从底部引入所述酯化容器中。将从所述酯化容器逸出的过量醇蒸气通过冷凝器单元(408)捕集并作为醇蒸气再循环(409)至所述酯化容器中。获自所述酯化反应的乳酸酯和水(410)在所述酯化容器的底部收集并在顶部引入脱水容器(411)中以作为源材料。所述脱水容器含有位于固体载体上的固体脱水催化剂(412)。将惰性气体流(413)由顶部吹扫通过所述脱水容器。由所述脱水容器的底部收集获自所述脱水反应的丙烯酸酯和水(414)并通过微分蒸馏回收丙烯酸酯。
图5示意了用于由含乳酸铵的发酵液(500)生产丙烯酸酯的另一优选的设备配臵。将所述含乳酸铵的发酵液经由过滤单元(501)过滤以除去颗粒物并泵入加热容器(502)中以蒸发水并提高乳酸铵的浓度。捕集该蒸发步骤中所释放出的氨(503)并以氢氧化铵形式再循环至发酵容器中以保持乳酸发酵制备过程中的中性pH值。将浓缩的乳酸铵溶液(504)供入酯化容器(505)中作为源材料。所述酯化容器不含任何酯化催化剂且仅含有用于发生酯化反应的载体(506)。将醇蒸气(507)从底部供入所述酯化容器中。还将惰性气体流(508)从底部吹扫至所述酯化容器中。使所述酯化容器保持在升高的温度下，且在所述升高的温度下，氨与水一起和醇蒸气从所述酯化容器(509)顶部释放。将由此释放出的氨气以氢氧化铵(511)溶液形式捕集，将所述溶液再循环回(512)至所述发酵容器中。所述醇蒸气还可再捕集并再循环至所述酯化容器中。从所述酯化容器的底部收集所述酯化反应所释放出的乳酸酯和水(510)并在顶部供入脱水容器(513)中。所述脱水容器含有位于固体载体上的脱水催化剂(514)。将惰性气体流(515)从顶部吹扫至所述脱水容器中。在所述脱水容器的底部收集丙烯酸酯、水、惰性气体和其他反应产物(516)并通过微分蒸馏回收丙烯酸酯。
可由以示意性方式而非限制性方式提供的下文实施例更充分地理解本发明。
实施例1
制备含乳酸的发酵液
使大肠杆菌的TG160菌株在于20L发酵罐中提供有100g葡萄糖每升的最低矿物质介质中生长。使初始接种物在提供有100mM MOPS(pH7.4)、2%葡萄糖、1mM MgSO4、1X TE和0.1mM CaCl2的1X NBS介质中生长。所述生长介质还含有180ml的1M KH2PO4、13ml的1.5M MgSO4、13ml的1M甜菜碱和65ml的1000X痕量矿物质原料。所述1000X痕量矿物质原料以1000ml总体积计含有1.6g的FeCl3·6H2O、0.2g的CoCl2·6H2O、0.1g的CuCl2·2H2O、0.2g的ZnCl2、0.2g的Na2MoO4·2H2O、0.55g的MnCl2·4H2O、0.05g的H3BO3和10ml的HCl(浓)。使所述发酵罐保持在37°C下，并在所述发酵罐中的22小时生长过程中，使用9N NH4OH以使pH保持为7.0。在22小时长的发酵过程中的不同的时间点测量乳酸、琥珀酸、富马酸、苹果酸、乙酸和丙酮酸的水平。乳酸水平稳定提高从而在22小时时达到75.3g/L的最大值(图6)。发现乳酸产率(以所制备的乳酸摩尔数与所消耗的葡萄糖摩尔数的百分比计)为89.50%。丙酮酸和乙酸浓度分别为0.03g/l和0.44g/l。无法检测出其他有机酸如苹果酸、富马酸和琥珀酸。
实施例2
气相色谱分析
使用气相色谱分析以定量分析起始溶液和反应产物中的各种组分。作为建立校准标准的方式，使用具有FID检测器和电子积分的HP5890气相色谱装臵分析含有乙醛、甲醇、乙醇、二丁醚、丁醇、丙烯酸丁酯、乳酸丁酯和丙烯酸的混合物。使用毛细管柱HP FFAP(25m×0.32mm×0.50mkm)。仪器条件如下：分流排空量：20ml/分钟；气体流量：300ml/分钟；氢气流量：30ml/分钟；头压：15psi；信号范围：9；注射容积：0.5mkl。使用如下温度程序。起始温度：80°C，保持2分钟，以15°C/分钟升温至150°C，保持1分钟；程序A：以20°C/分钟升温至190°C，保持6分钟；注射和检测器温度：200°C和220°C。使用处于二烷中的二甘醇二甲醚(0.3079g/g)作为内标。如图7所示，起始溶液和反应产物中的组分在气相色谱图中清晰地分开。实施例3
乳酸甲酯转化为丙烯酸甲酯
使用乳酸甲酯作为起始物质测试各种催化剂的脱水效率。乳酸甲酯(纯度>98%)购自TCI America且在不进一步提纯下使用。用作反应溶剂的甲醇获自Mallincrodt。4-甲氧基苯酚获自TCI America且将其作为抑制剂以100ppm添加至液体进料中。用作GC校准标样的丙烯酸、丙烯酸甲酯、2-甲氧基丙酸甲酯(2-MOPAME)购自TCI America。
测试6种不同的催化剂的使用乳酸甲酯作为底物的脱水反应效率。沸石13X-Na(Math13X-Na)催化剂获自Matheson Coleman且在电炉中于静态空气和500oC下煅烧12小时。将所述催化剂转移至干燥器中并保持在处于真空下的螺纹瓶中直至使用。乙酸铯浸渍的Math13X-Na(Math13X-Na-Cs+)通过用21ml含1.5g乙酸铯的去离子水处理15g Math13X-Na整夜而制备。水通过在55°C和真空下旋转蒸发而除去，并将固体材料转移至坩埚中并在500°C下煅烧3小时。Grace13XNaCs11催化剂通过将15g Grace13X沸石催化剂添加至30ml乙酸铯溶液(于30ml水中为1.08g)中并留臵整夜而制备。次日，滗析除去水并将所述沸石用30ml水清洗1次，在真空和60°C下旋转蒸发并在500°C下煅烧3小时。Grace13XNaCs22催化剂通过将15gGrace13X沸石催化剂添加至30ml乙酸铯溶液(于30ml水中为2.16g)中并留臵整夜而制备。次日，滗析除去水并将所述沸石用30ml水清洗1次，在真空和60°C下旋转蒸发并在500°C下煅烧3小时。13X-NaCs Ex催化剂通过添加30g呈钠形式的Grace13X沸石和400ml含水乙酸铯(于60cc水中为4.3g)并在旋转蒸发器中缓慢搅拌18小时而制备。在搅拌18小时后，移除上清液并用新鲜乙酸铯溶液臵换，再重复所述程序2次。将所述沸石吸滤并在过滤器中在恒定的水层下清洗。使用约1.2L水清洗。将所述沸石在烘箱中于100°C下干燥18小时，然后在500°C下煅烧3小时。13X-NaCsRu催化剂通过将15g呈Na形式的Grace13X沸石缓慢添加至30mL乙酸铯水溶液(于30cc水中为4.33g)中并浸泡整夜而制备。次日，滗析除去水并将所述沸石用30cc水清洗1次。在真空下旋转蒸发(60°C)并将所述沸石在500°C下煅烧3小时。随后，将所述筛浸泡于RuCl3的乙醇溶液(于30ml乙醇中为0.172g RuCl3)中，在减压下干燥而不清洗所述催化剂，还在500°C下煅烧3小时以沉积0.5%Ru。
乳酸甲酯在作为反应溶剂的甲醇或水中于固体催化剂上的连续气相脱水在图8所示的固定床反应器系统中进行。所述反应器由首先填充有3个10mkm不锈钢入口溶剂过滤器(参见例如Cat#A-302，Upchurch Scientific)以用作催化剂床的载体的1/2”×12”不锈钢管构成。所述反应器的中段使用GC柱填充振动器接着填充有10.5mL颗粒状催化剂。所述反应器的顶段容纳有4个相同的入口过滤器，从而提供用作预蒸发和气-液混合段的8cc多孔不锈钢接触空间。将所述反应器管臵于改装有高功率加热带(Omega，470W，Part#STH051-060)的Flatron CH30柱加热器中。所述柱加热器中的温度通过嵌入的接近所述加热器内壁的TC监控并通过温度控制器(型号M260，J-KEM Scientific)控制。所述反应器的压力还通过所述反应器入口处的压力计监控。液体时空速率(LHSV)在0.50-1.10h-1(基于10.5mL催化剂体积和0.1-0.2cc/分钟液体流速)的较窄范围内变化，同时氮气流速在4.4-5.6cc/分钟内变化。所有测试中所用的进料溶液为于甲醇或水中的50重量%乳酸甲酯。将所述反应器之后的组合气体-液体流送至气液分离器中，从而由液相中除去氮气。在规定的时间点收集所述组合试样并使用GC装臵分析。结果示于表1中。
表2显示了为了测定作为添加剂添加至溶剂组合物中的水的影响的试验结果。将催化剂UOP13X-Na(1/16”挤出物)压碎并经40-60的目粒度过筛。将其在烘箱中通过经2小时缓慢升温至450°C下并在450°C下保持2小时而煅烧。在所述反应器中，不进行催化剂的预活化。将5cc催化剂装入所述固定床反应器中并在5cc/分钟氮气流下经1小时加热至反应温度。乳酸甲酯溶液的LHSV为1.2h-1。反应温度为300°C，气体流速为5cc/分钟。正如表2所示的结果所表明的那样，随着水含量的增大，丙烯酸的选择性也提高。
表3显示了为了测定乳酸甲酯在作为反应溶剂的水中的浓度的影响的试验结果。将催化剂UOP13X-Na(1/16”挤出物)压碎并经40-60的目粒度过筛。将其在烘箱中通过经2小时缓慢升温至450°C下并在450°C下保持2小时而煅烧。将5cc催化剂装入所述固定床反应器中并在5cc/分钟氮气流下经1小时加热至反应温度。乳酸甲酯的进料速率为3.185g/h。
实施例4
依次进行酯化和脱水反应
在该实施例中，将乳酸用作源材料。在第一步骤中，在使用含有4.2mLAmberlyst70(湿)树脂且如实施例3所述设臵的固定床反应器中使乳酸酯化为乳酸甲酯。液体进料通过将272g纯度为85%的乳酸溶于164.3g甲醇和43.63mg4-甲氧基苯酚中而制备。反应条件如下：温度=140°C，进料流量=0.3cc/分钟，接触时间=5.6秒，甲醇与乳酸之比=2。结果示于表4中。
在下一步骤中，使获自第一步骤的液体进料组合物在四种不同脱水催化剂存在下进行脱水反应。从第一步骤的酯化反应中回收的液体进料组合物为：18.3重量%甲醇、41.3重量%乳酸甲酯、16.7重量%水和5.7重量%乳酸。对这些催化剂不进行催化剂的预活化。将所述催化剂在5cc/分钟氩气流下经1小时加热至反应温度。反应条件为：进料流量=0.1cc/分钟，LHSV=1.2h-1，氩气流量=5cc/分钟，温度=300°C。如下所述制备四种不同的催化剂。
Grace13X-Na：将30g呈钠形式的Grace13X沸石缓慢添加至800mL的1.5M NaCl溶液中并将所述悬浮液在30oC下搅拌整夜。然后滗析所得的试样并清洗多次直至不含Cl-，首先在30°C下于2-3mm真空下干燥2小时并在60°C(也在2-3mm Hg下)干燥6小时。将所述沸石转移至120°C的真空烘箱中并在15mm Hg下干燥整夜。经30分钟将温度缓慢上升至450°C并在450°C下煅烧4小时。在使用前，将Grace13X-Na在500°C下煅烧3小时。
UOP13X-Na(原样)：将1/16”挤出物压碎并经40-60目粒度过筛。将其通过在烘箱中经2小时缓慢升温至450°C，并在450°C下保持2小时而煅烧。
Grace13X-K：将30g呈钠形式的Grace13X沸石缓慢添加至200mL的KCl溶液(于200mL水中为5.53g KCl)中并将所述悬浮液在30°C下搅拌整夜。然后滗析所得的试样并清洗多次直至不含Cl-，首先在30°C下于2-3mm真空下干燥2小时并在60°C(也在2-3mm Hg下)干燥6小时。最后，将所述沸石经30分钟缓慢升温至500°C并在500°C下煅烧3小时。
Tosoh Na-L沸石：将15g Tosoh K-L沸石缓慢添加至200mL的0.6MNaCl(于200ml水中为7.01g)溶液中并将所述悬浮液在30°C下搅拌整夜。然后滗析所得的试样并清洗多次直至不含Cl-，首先在30°C下于2-3mm真空下干燥2小时并在60°C(也在2-3mm Hg下)干燥4小时。将所述沸石经30分钟缓慢升温至450°C并在450°C下煅烧3小时。
由依次进行的酯化和脱水反应获得的结果示于表5中。
实施例5
丙交酯酯化为乳酸丁酯
在该实施例中，我们将丙交酯用作酯化反应中的源材料。丙交酯购自Sigma Aldrich，正丁醇购自Fisher Scientific。两个反应容器使用100mL具有螺丝帽的介质瓶设臵，反应热由位于热搅拌板上的甘油浴提供。将10g丙交酯添加至25.7g丁醇中。所述反应使用两种不同浓度的Amberlyst-36作为催化剂(将1g Amberlyst-36添加至一个容器中，将2g Amberlyst-36添加至另一个容器中)进行。搅拌通过380rpm的搅拌棒提供。频繁在各时间点收集试样以监控反应进程并通过HPLC和GC分析所述试样。结果示于表6和图9中。实施例6
D,L-乳酸与1-丁醇的酯化
在该实施例中，我们显示了乳酸酯化为乳酸丁酯。在该试验中用作催化剂的强酸离子交换树脂A35、A45和A70获自Rohm and Haas。所述树脂以湿形式使用或在真空和50°C下于旋转蒸发器中干燥2小时，并计算干物质的体积和密度。D,L-乳酸购自Aldrich和TCI。报告获自供应商的D,L-乳酸纯度为85%。用0.1N NaOH滴定获自供应商的物质，发现纯度为72%，这表明商业供应的乳酸中的其余部分以低聚物形式存在。在本发明所用的酯化条件下，所述低聚物形式也发生酯化，从而获得乳酸丁酯。所述试验在实施例3所述的固定床管式反应器系统中进行。
在该试验周期中，进料溶液通过将100g的72%乳酸(通过用NaOH滴定测定为0.8M)溶于1-丁醇(140g，1.89M)中而获得。所述进料溶液额外加料有0.025g(100ppm)的4-甲氧基苯酚以用作聚合抑制剂。将转移烧瓶通过用8psi氮气交替加压-释放而吹扫3次以除去溶解的氧。将氮气质量流量控制器(MFC-1)设定为4.4cc/分钟并开始加热所述反应器。当温度达至70°C时，液体流以预定流速开始。记录各次收集的体积和重量并用0.1N NaOH等分滴定以测定残留的乳酸。还进行第二次取样并通过GC分析。结果示于表7中。实施例7
乳酸铵酯化为乳酸丁酯
在该试验中，我们显示了当用正丁醇处理乳酸铵时，形成了乳酸丁酯。将与实施例5所述相同的反应设臵用于实施该反应。将9g浓乳酸铵用作进料，其通过从125g含有61.2g当量乳酸的发酵液中蒸发过量水而制备。将18.2g正丁醇添加至9g浓乳酸铵溶液中并在不存在催化剂下于105°C下进行酯化反应。使用注射器针头收集等分试样并通过GC和HPLC分析。结果示于图10和11以及表8中。
实施例8
乳酸丁酯脱水为丙烯酸丁酯和丙烯酸
在该试验中，我们显示了由乳酸丁酯脱水形成丙烯酸丁酯和丙烯酸。液体进料的组成为：于45%丁醇和5%水中的50%乳酸丁酯(200g乳酸丁酯，180g丁醇，20g水，40mg4-甲氧基苯酚)。反应条件为：进料流速：0.1cc/分钟，接触时间(CT4.8秒)，催化剂的体积—5cc。测试三种不同的催化剂，即Tosoh K-L沸石(原样)，Tosoh钠交换的K-L沸石和Tosoh铯交换的K-L沸石。这些催化剂的制备如下：
Tosoh K-L沸石(原样)：将1/16”挤出物压碎并经30-60目粒度过筛。将其通过在烘箱中经2小时缓慢升温至450°C，并在450°C下保持2小时而煅烧。
Tosoh钠交换的K-L沸石：将15g Tosoh K-L沸石缓慢添加至200mL的0.6M NaCl(于200ml水中为7.01g)溶液中，并将所述悬浮液在30°C下搅拌整夜。然后滗析所得试样并清洗多次直至不含Cl-，首先在30°C下于2-3mm真空下干燥2小时并在60°C(也在2-3mm Hg下)干燥4小时。将所述沸石经30分钟缓慢升温至450°C，并在450°C下煅烧3小时。
Tosoh铯交换的K-L沸石：将15g K-L沸石缓慢添加至200mL的0.6M乙酸铯水溶液(于200cc水中为23.03g)中并将RB烧瓶在RT下缓慢搅拌18小时。移除并臵换上清液并用水清洗3-4次。首先使所述沸石在30°C下于2-3mm真空下干燥2小时并在60°C(也在2-3mm Hg下)干燥4小时。将所述沸石经30分钟缓慢升温至450°C，并在450°C下煅烧3小时。
所述试验在实施例3所述的固定床管式反应器系统中进行。结果示于表9中。
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列出所有引用文献以方便读者。各引用文献通过引用全部并入本文。
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权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种由生物原料制备α,β-不饱和羧酸酯的方法，所述方法包括：
a.用生物催化剂使生物原料发酵并制备包含羟基羧酸或其衍生物的发酵液；
b.使所述发酵液中的羟基羧酸或其衍生物与醇在不添加任何外来酯化催化剂的情况下酯化；
c.在引发与醇的酯化反应之前，提供惰性气体流；
d.回收羟基羧酸酯；和
e.在脱水催化剂的存在下，加热所述羟基羧酸酯以制备α,β-不饱和羧酸酯。
2.根据权利要求1的方法，其中所述羟基羧酸为α-羟基羧酸或β-羟基羧酸。
3.根据权利要求1的方法，其中所述α-羟基羧酸的衍生物选自乳酸铵、乳酸钠、乳酸钙和乳酸钾。
4.根据权利要求1的方法，其中所述羟基羧酸衍生物为乳酸铵。
5.根据权利要求1的方法，其中所述醇为C1-C10烷基醇。
6.根据权利要求1的方法，其中所述羟基羧酸衍生物为乳酸铵且所述醇为丁醇。
7.根据权利要求1的方法，其中所述酯化反应在高于环境温度下进行。
8.根据权利要求1的方法，其中所述脱水催化剂选自固体酸催化剂、碱催化剂、金属催化剂和分子筛催化剂。
9.根据权利要求1的方法，其进一步包括捕集被惰性气体流带走的氨和醇蒸气，将氨再循环至发酵中并将醇再循环至所述酯化反应中的步骤。
10.一种在不添加任何外来酯化催化剂下由生物原料制备羟基丙酸酯的方法，所述方法包括如下步骤：
a.用生物催化剂使生物原料发酵并制备包含羟基丙酸或其衍生物的发酵液；
b.在醇的存在下加热所述发酵液；
c.提供惰性气体流；
d.和
e.回收羟基丙酸酯。
11.根据权利要求10的方法，其中所述羟基丙酸为α-羟基丙酸或β-羟基丙酸。
12.根据权利要求10的方法，其中所述羟基丙酸衍生物选自乳酸二聚体、乳酸低聚物和乳酸的无机盐。
13.根据权利要求10的方法，其中所述乳酸衍生物选自乳酸铵、乳酸钠、乳酸钙和乳酸钾。
14.根据权利要求10的方法，其中所述乳酸衍生物为乳酸铵。
17.根据权利要求10的方法，其中所述醇为C1-C10烷基醇。

Claims (17)

1.一种由生物原料制备α,β-不饱和羧酸酯的方法，所述方法包括：
a.用生物催化剂使生物原料发酵并制备包含羟基羧酸或其衍生物的发酵液；
b.使所述发酵液中的羟基羧酸或其衍生物与醇在不添加任何外来酯化催化剂的情况下酯化；
c.在引发与醇的酯化反应之前，提供惰性气体流；
d.回收羟基羧酸酯；和
e.在脱水催化剂的存在下，加热所述羟基羧酸酯以制备α,β-不饱和羧酸酯。
2.根据权利要求1的方法，其中所述羟基羧酸为α-羟基羧酸或β-羟基羧酸。
3.根据权利要求1的方法，其中所述α-羟基羧酸的衍生物选自乳酸铵、乳酸钠、乳酸钙和乳酸钾。
4.根据权利要求1的方法，其中所述羟基羧酸衍生物为乳酸铵。
5.根据权利要求1的方法，其中所述醇为C1-C10烷基醇。
6.根据权利要求1的方法，其中所述羟基羧酸衍生物为乳酸铵且所述醇为丁醇。
7.根据权利要求1的方法，其中所述酯化反应在高于环境温度下进行。
8.根据权利要求1的方法，其中所述脱水催化剂选自固体酸催化剂、碱催化剂、金属催化剂和分子筛催化剂。
9.根据权利要求1的方法，其进一步包括捕集被惰性气体流带走的氨和醇蒸气，将氨再循环至发酵中并将醇再循环至所述酯化反应中的步骤。
10.一种由生物原料制备羟基丙酸酯的方法，所述方法包括如下步骤：
a.用生物催化剂使生物原料发酵并制备包含羟基丙酸或其衍生物的发酵液；
b.在醇的存在下加热所述发酵液；
c.提供惰性气体流；
d.和
e.回收羟基丙酸酯。
11.根据权利要求10的方法，其中所述羟基丙酸为α-羟基丙酸或β-羟基丙酸。
12.根据权利要求10的方法，其中所述羟基丙酸衍生物选自乳酸二聚体、乳酸低聚物和乳酸的无机盐。
13.根据权利要求10的方法，其中所述乳酸衍生物选自乳酸铵、乳酸钠、乳酸钙和乳酸钾。
14.根据权利要求10的方法，其中所述乳酸衍生物为乳酸铵。
15.根据权利要求10的方法，其中所述方法在至少一种酯化催化剂的存在下进行。
16.根据权利要求10的方法，其中所述方法在不添加任何外来酯化催化剂的情况下进行。
17.根据权利要求10的方法，其中所述醇为C1-C10烷基醇。
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