CN104080833B - 用于可聚合乳酸的品质测试以及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测定乳酸品质的测试工艺，该测试工艺包括a)用于乳酸缩聚以形成一种预聚合物的装置，b)用于解聚以形成丙交酯的装置，以及c)用于执行测定丙交酯产率和/或消旋的分析方法的装置，其中满足该测试工艺并且适合于聚合的乳酸具有>90％的丙交酯产率以及<5％的消旋。
Description
由含碳水化合物的材料通过发酵生产乳酸正日益显得重要。然而，借助源自石油化学的反应物的化学转化(例如像乳腈的水解)来得到乳酸的其他可能性也是本领域的普通技术人员所熟知的。乳酸是一种对环境无害的用于生产清洗剂、液体皂、除垢剂以及纺织品添加剂的中间产物。因为乳酸的聚合形式聚丙交酯是可堆肥的，对乳酸的关注近来进一步增长。聚丙交酯或聚乳酸在食品工业、化妆品以及医疗技术中用作可生物降解并且耐受性良好的塑料。特别感兴趣的是由可堆肥的聚乳酸膜制成的手提袋，这是因为由常规塑料制成的手提袋在环境中不被降解并且因此是一种主要的环境污染物。相比之下，由聚乳酸制成的塑料手提袋是可生物降解的，并且因而是常规塑料制成的手提袋的一种对环境无害的替代物。
乳酸以两种非对映异构的形式存在，如L(+)-和D(-)-乳酸。用于乳酸的发酵生产的起始材料是一种含碳水化合物的材料，通过用适合于此的微生物来处理该含碳水化合物的材料来将其转化为乳酸。适合于此的菌为例如来自乳杆菌科(Lactobacillaceae)的乳酸菌，而且还有来自酵母(Saccharomyces)或根霉(Rhizopus)的微生物。取决于所用的微生物的属类，得到乳酸的上述非对映异构形式中的一种或两种。
对于通过各种微生物对含碳水化合物的底物进行发酵产生的乳酸的工业利用而言，决定性的是从这些含水发酵溶液中分离和纯化乳酸的经济性和效率，除乳酸或乳酸盐之外，这些含水发酵溶液还包含另外的有机酸、其他发酵副产物、其微生物和组分、以及底物残渣(诸如糖)。
这些杂质干扰随后的乳酸聚合为聚乳酸的反应，并且因而干扰可生物降解塑料的生产。早就知道的是，并且例如由J.Dahlmann等人，英国聚合物杂志，23卷(1990)，第235.240页(J.Dahlmannetal,BritishPolymerJournal,Bd.23(1990),p.235.240)推断，为了获得乳酸的高聚合度，必须使用极纯的单体。为了获得所希望的高聚合度，经过纯化后的乳酸必须具有≥按质量计80％的浓度。
从文献中可知晓很多关于乳酸的纯化的方法。
例如，一些专利的传授内容中利用蒸馏来从水溶液中纯化乳酸。EP0986532B2中使用了这种方法。DE102007045701B3中披露了用线性正三辛胺(TOA)进行提取与蒸馏的组合。文献中已知的另外的可能性是电渗析或与一种醇进行酯化，在这之后，同样进行蒸馏并且然后对所形成的酯进行水解。这些方法成本极高。此外，蒸馏具有以下缺点，总是有部分碳水化合物也被同时提取，这导致整个方法的产率变差并且使产物的离析变复杂。
还已知的是使用氢氧化钙和硫酸的方法，其中形成了大量作为副产物的石膏。而且，在此方面发现，可以例如通过色谱法从用硫酸酸化的发酵液(除游离乳酸外，也包含铵和硫酸根离子)中离析乳酸。例如，除其他外，DE69815369T2描述了通过吸附到一种固体吸附剂上来从含水混合物中分离乳酸，并且优选在此使用相对于乳酸盐吸附乳酸的固体吸附剂。具体地，根据以上文献，弱阴离子交换剂可能用于乳酸的离析。另外，DE102009019248A1描述了利用模拟移动床色谱法对有机酸、尤其是乳酸进行纯化的色谱方法。
WO2006/124633A1描述了一种通过发酵生产乳酸铵的方法。在发酵中，形成了乳酸的铵盐，该铵盐可以例如通过提取从发酵溶液中分离。在后续步骤中可以非常容易地用弱酸或二氧化碳将该铵盐分解。从而得到了游离乳酸，然后可以例如通过蒸馏将该游离乳酸纯化。
许多方法的一个缺点是，向方法中加入了额外的物质，这些额外的物质必须不再包含在产物中否则其在目标产物中的微量存在会导致对产物的品质和可用性的限制。因而现有技术水平的纯化方法常常导致经过纯化的乳酸的品质不足，并且向聚乳酸的聚合不可能达到所希望的程度。这些方法的实际实现方式有时还伴有相当多的技术和能量消耗。当要生产聚乳酸时，通常首先明确纯化的乳酸的品质。
本发明的目的在于提供一种用于测定乳酸品质的测试，使得有可能在生产聚乳酸之前确定所存在的乳酸是否是一种可聚合材料。此外，应提供一种用于从发酵液分离和纯化乳酸的方法，该方法满足了以该用于品质测定的测试来测定的可聚合材料的品质标准，并且避免了其他方法已知的缺点。
根据本发明，通过利用一种用于测定乳酸品质的测试解决了该问题，该测试包括：
a)用于将乳酸缩聚成一种预聚合物的装置，
b)用于解聚成丙交酯的装置，以及
c)用于执行测定丙交酯产率和/或消旋的分析方法的装置，
其中满足该测试并且适合于聚合的乳酸具有>90％的丙交酯产率以及<5％的消旋。
此用于品质测定的测试允许确定乳酸样品对于聚乳酸生产的适合性。所述的丙交酯产率以及<5％的消旋可以例如用实例1和2中描述的设备以及那里所描述的工艺方法条件来达到。根据本发明的测试包括两部分：乳酸的缩聚以及缩聚物解聚成丙交酯。
有利的是，品质检查的测试中所用的乳酸具有>93％的丙交酯产率。此外，如果品质检查的测试中所用的乳酸具有<3％的消旋，则是有利的。这些是优选通过该乳酸品质测定方法达到的标准，由此使得该乳酸适合于聚合。
在缩聚中，在5到7小时的一段时间内将优选应为88％至92％的乳酸从120℃逐步加热到180℃，并且同时压力从350mbar至450mbar降低到100mbar至25mbar。此外，在方法步骤a)中，在1到3小时的一段时间之后，在130℃至160℃的温度和150mbar至250mbar的压力下加入一种催化剂，其中该催化剂优选是丁基氧化锡。从而通过在六小时内逐步提高温度并且同时降低压力，待测试的乳酸被缩聚成一种预聚合物。
进一步地，将缩聚中所得到的预聚合物送往用于测定分子量的分析程序，其中优选测定羧端基。为此，将PLA低聚物溶解于丙酮中。添加甲醇之后，用0.1N苯甲醇的KOH溶液来滴定该溶液。由电位测定法来检测终点。从以mmol/kg测量的羧端基浓度(“COOH”)，可以根据以下方程计算分子量的数均值
分子量随时间的增大已经能够进行对于乳酸品质的初步估计。
缩聚所需的装置包括一个具有搅拌器、温度传感器以及装配的分馏柱的三颈圆底烧瓶。将该烧瓶浸入一个用热板加热的油浴中。在该分馏柱的顶部，装配有一个用温控水保持在50℃至70℃的回流冷凝器。在该回流冷凝器上方放置有一个用冷水冷却的李比希氏冷凝器(Liebigkühler)，该李比希氏冷凝器通向一个容器。缩聚的副产物(诸如水)在那里聚集。伴随的乳酸在该柱中与水分离并且回流入缩聚物中。一个真空泵通过该李比希氏冷凝器出口处的一个侧连接器连接到该设备上。通过一个针阀来调整真空。通过一个例如用干冰冷却的冷阱来在该真空泵之前除去在冷凝器温度下不可冷凝的组分。一般来说，本领域的普通技术人员已知的与其有所不同的用于乳酸缩聚的任何设计都是可能的。
在解聚中，首先将缩聚中所得到的存在于该三颈圆底烧瓶的预聚合物在150℃至215℃的温度和180至220mbar的压力下保持1.5到2.5小时，并且然后压力逐步降到50至3mbar的范围。在此过程中，优选对由该预聚合物形成的丙交酯每小时称重一次，以便使所测定的重量与将要在方法步骤c)中进行的分析方法的结果一致。
对于解聚为丙交酯的反应，对所描述的用于缩聚的装置进行修改，使得分馏柱被安排为紧挨着三颈圆底烧瓶并且通过一个桥接管与其连接，这样来自该圆底烧瓶的蒸汽可以从下到上流过该分馏柱并且不可能有来自该分馏柱的回流进入该三颈烧瓶。所形成的丙交酯以蒸汽形式从该烧瓶逸出，在该柱的回流冷凝器中冷凝，并且在一个在底部处封闭该柱的分开的圆底烧瓶中聚集。副产物(诸如水)和乳酸在该分馏柱的顶部处的李比希氏冷凝器中冷凝并且聚集在该容器中。
将解聚中所产生的丙交酯传送到用于执行消旋和/或丙交酯转化率的测定的分析方法的装置，这例如通过由一个HPLC来分离并且随后通过一个UV检测器来测量而进行。以此方式，测定丙交酯产率(基于所用的预聚合物所产生的丙交酯)以及丙交酯的对映异构体纯度。为此，将丙交酯样品溶解于90/10ml/ml的正己烷/乙醇的混合物中。通过HPLC在手性柱上分离所溶解的组分，并且用UV检测器在223nm下对其进行分析。由此，根据以下方程计算消旋度以及丙交酯转化率：
(1)消旋度的计算：
-mi：丙交酯样品i)的质量
-wi，内消旋：丙交酯样品i中内消旋丙交酯的质量分数
-wi,D:丙交酯样品i中D-丙交酯的质量分数
(2)转化率的计算：
-mPP：缩聚后预聚合物的重量
本发明的还一个主题是一种用于从发酵液中分离和纯化可聚合乳酸的方法，该可聚合乳酸具有>90％的丙交酯产率以及<5％的消旋。这些值是通过根据本发明的品质测试来测定的，并且指示一种适合于聚合的聚乳酸。
在用于从发酵液中分离和纯化乳酸的方法的一种优选配置中，包括以下方法步骤：
a)在至少两个彼此相继的步骤中从该发酵液中分离生物质和所存在的任何固体，
b)通过模拟移动床色谱法(SMB)从无生物质的发酵液中分离乳酸溶液，
c)通过离子交换进行纯化，
d)第一单级或多级的蒸发步骤，
e)通过离子交换进行纯化，以及
f)第二单级或多级的蒸发步骤。
通过这种方法，产生了具有按质量计>80％的高产物纯度的乳酸。
在该方法的一种优选配置中，方法步骤c)中通过离子交换进行的纯化与纳滤相结合，其中以任意顺序来安排通过离子交换进行的纯化和纳滤。从而产生有效的精细纯化。
将包含处于乳酸铵形式的乳酸、生物质以及底物组分的发酵液连续地进给到预涂层过滤和/或微滤和/或离心。在此，温度和pH对应于用于发酵的值，这是因为已经确定，通过升高温度并且添加酸以降低pH来使生物质失活，加快了生物质的自溶并且更多溶菌产物被释放到发酵液中。并且发酵结束与生物质分离之间的时间应保持尽可能短，并且应该不多于2小时，优选少于1-2小时。滤液中的生物质浓度应不超过1g/L。最终产物品质有利地受此程序的影响。
在方法步骤a)中，将来自预涂层过滤或微滤的滤液传送到一个由单级或两级的超滤组成的第二阶段。在这里除去剩余的生物质部分、不溶固体以及较高分子量的化合物。具有≤10kDa的分离限的膜被认为是在产物品质与膜的流速之间的最优。由于乳酸铵在水中的溶解度系数，液体介质的温度应为≥30℃。将渗余物再循环至预涂层过滤或微滤，或者可替代地收集并且用作工业品质二羧酸生产的起始产品，并且将渗透液进给到进一步的方法步骤。
在超滤渗透液中，乳酸以其盐如乳酸铵的形式存在。为了将其转化为乳酸，添加并且混合浓硫酸，并且与此相关地使溶液的pH降低到2.2至2.4之间的值。在这里，分两个步骤进行酸化，其中在第1个步骤中，用浓硫酸将来自方法步骤a)的第一阶段的发酵液酸化到4.4至4.6的pH，并且在第2个步骤中，用浓硫酸将来自方法步骤a)的第二阶段的超滤渗透液酸化到2.0至2.4的pH，使得纯化的发酵溶液中包含的乳酸盐被转化为乳酸，并且以化学计量比形成一种盐。此处以化学计量比形成硫酸铵。为了避免不希望的沉淀，此方法步骤在30℃至60℃的温度下并且优选在30℃至40℃之间的范围内进行。此预纯化的溶液可用于乳酸的分离和纯化。
在模拟移动床色谱内进行该酸性超滤渗透液的分离。这是对于高效液相色谱特别有效的改变，其中通过借助阀门相互连接在一个连续环路中的一系列多个分离柱带来了大量的理论塔板数，并且大幅度改进了色谱的分离效率。阳离子交换剂和阴离子交换剂用作固定相。基于乳酸与硫酸铵的不同保留时间，进行这两种主要组分的分离。脱矿质水和/或蒸汽冷凝液用作洗脱液。可展示的是，在提取液中可以回收多于95％的包含在超滤渗透液中的乳酸，其中超滤渗透液与洗脱液的比率范围在1:1与1:2.5之间变化，并且使用连接在连续环路中的八个阴离子交换剂柱。该提取液仍然仅包含少量硫酸铵、乙酸以及来自发酵液的有色物质。洗脱后的提余液含有最多1g/L的乳酸和硫酸铵，以及来自发酵的伴盐如磷酸盐、硝酸盐和氯化物。
为了完成高纯的并且可聚合品质的乳酸的生产，由于仍然存在有色物质和伴随物质的残留，在方法步骤c)中在SMB的下游增加了通过离子交换和纳滤进行的两级纯化。可以按任何顺序安排这两级。取决于杂质的化学分析，阳离子和/或阴离子交换剂有可能作为离子交换树脂。此处使用与SMB中相同的阴离子或阳离子交换树脂，或可替代地对于SMB使用不同的离子交换树脂。该纳滤主要用于来自先前方法步骤的提取液的精细纯化，其中膜具有100至400Da的分离尺寸。可展示的是，具有约200Da分离限的纳滤产生优良的品质结果。在此过程中，如此操作该方法使得纳滤的渗余物不多于总通过量的10％。将渗透液传送到进一步的方法步骤。
在该纯化方法的进一步的配置中，将来自方法步骤c)的渗透液传送到第一单级或多级蒸发。在此，进行蒸发至乳酸浓度为按质量计45％到55％。
然后在方法步骤d)中对自其所获得的预浓缩并且预纯化的乳酸溶液再次进行离子交换。与先前的离子交换步骤相比，这里同样使用相同的色谱树脂或与其不同的树脂。
在根据本发明的方法的方法步骤f)中，使来自方法步骤e)的纯化的乳酸溶液达到按质量计≥80％、优选按质量计88％至92％的乳酸浓度。
本发明的还一个主题是根据如本发明所述的方法的处理后乳酸在如本发明所述的用于品质测定的测试中的用途。在此，基于根据本发明的品质标准，可以评估乳酸是否适合于聚合。
此外，根据如本发明所述的方法生产的乳酸可用于生产聚丙交酯。此处用于生产聚丙交酯的方法优选包括以下方法步骤：
-将乳酸浓缩到按质量计≥98％
-将预浓缩的乳酸缩聚到平均分子量为500至2000g/mol
-环化解聚，其中产生了丙交酯，
-将丙交酯纯化
-开环聚合
-脱单体
-造粒并且结晶。
以下将在实例和附图的基础上更详细地说明本发明。
图1.：一种用于乳酸缩聚的装置的示意构造图，该装置适合于进行乳酸的品质测定的测试。
图2.：一种用于来自缩合的缩聚物的解聚的装置的示意构造图，该装置适合于进行乳酸的品质测定的测试。
实例1
缩聚
基于通过举例在图1中示出的装置来进行缩聚。将三颈圆底烧瓶20浸入用热板22加热的盐浴21中。在浸入盐浴21之前对三颈圆底烧瓶20进行称重，并且充以称取量的乳酸。装配到该三颈圆底烧瓶上的双颈烧瓶15用来通过阀门14引入氮气13。通过传热介质出口9和恒温器10用温控水使装配到双颈烧瓶15的顶部上的回流冷凝器11保持在50℃至70℃。在回流冷凝器11上方放置有一个用冷水6冷却的李比希氏冷凝器7，该李比希氏冷凝器向一个容器中排放。缩聚的副产物(诸如水)在那里聚集。伴随的乳酸在分馏柱12中与水分离并且回流入缩聚物中。真空泵1通过李比希氏冷凝器7的出口处的一个侧连接器4连接到该设备上。通过一个针阀来调整真空。通过一个例如用干冰冷却的连接到阀门3上的冷阱2来在该真空泵之前除去在冷凝器温度下不可冷凝的组分。为了监测该过程的温度，提供了多个温度计8，18和19。在将三颈圆底烧瓶20浸入油浴之后，其温度在6小时的一段时间内从120℃逐步升高到180℃，并且压力从400mbar降低到50mbar。在此过程中，通过搅拌装置16和搅拌器轴17来搅拌内容物。两小时后，在150℃的浴温和200mbar的压力下取第一样品并且计量加入催化剂。使用丁基氧化锡(来自Acima公司的TW30，溶解于丁二醇与甲基异丁基酮的混合物中)作为催化剂，浓度为基于预聚合物的质量500ppm的元素锡。在4小时(180℃，200mbar)以及6小时(实验结束，180℃，50mbar)后取预聚合物的另外样品。
实例2
解聚
对于解聚，该预聚合物保留在该玻璃烧瓶中，并且对该设计进行修改，使得该分馏柱被安排为紧挨着三颈圆底烧瓶20并且通过一个桥接管与其连接，这样来自该圆底烧瓶的蒸汽可以从下到上流过该分馏柱并且不可能有来自该分馏柱的回流进入该三颈烧瓶。这在图2中示出。为此，该三颈圆底烧瓶上的结构如下。三颈圆底烧瓶20通过一个第一蒸馏头24以及一个具有螺旋盖头的螺纹管25与温度计26连接。第一蒸馏头24连接到第二蒸馏头27上，中空玻璃连接器29附接在该第二蒸馏头的下端。在第二蒸馏头27的上方有一个填充柱28以及一个回流冷凝器11。在回流冷凝器11的上方安排有一个李比希氏冷凝器7，该李比希氏冷凝器向一个另外的中空玻璃连接器30中排放。在三颈圆底烧瓶20里的反应过程中，对混合物持续进行搅拌。这通过借助搅拌器轴17与搅拌器23连接的搅拌装置16来进行。所形成的丙交酯以蒸汽形式从三颈烧瓶20逸出，在该柱的李比希氏冷凝器11中冷凝，并且聚集于在底部处封闭该柱的单独的中空玻璃连接器29中。副产物(诸如水)和乳酸在该分馏柱的顶部处的李比希氏冷凝器7中冷凝并且聚集在中空玻璃连接器30中。为此，将三颈圆底烧瓶20浸入加热到210℃的盐浴1中，将压力调节到200mbar并且开启搅拌器4。115分钟后浴温升高到220℃并且保持在该温度。压力在30分钟后降低到50mbar，在45分钟后到10mbar，并且在165分钟后到5mbar。75分钟后，对该设备进行排气，并且更换其中聚集有所形成的丙交酯的中空玻璃连接器29。在135分钟后进行另一次更换，以便产生总共3个丙交酯样品。通过不同的温度计3和26来监测该设备中的温度。
实例3
根据本发明用于生产可聚合乳酸的方法中生物质和固体的分离
将具有6.8的pH和以乳酸计按质量12.2％的乳酸铵含量的发酵液传送用于通过一个分离器进行生物质的分离。
该未处理液中干物质(TS)的含量为约6.9g/L。在该分离器之后，测得澄清液中TS含量<0.03g/L。分离出的生物质中的固含量为约按质量计34.7％。该分离器在约360l/hr下运行。
根据本发明，分两个阶段用硫酸进行发酵液的酸化，在超滤之前到pH4.5，在超滤之后到pH2.2。
通过一个螺旋卷绕式组件进行该超滤。膜由具有7m2面积的聚醚砜(PES)组成。
由于该分离器中良好的预澄清，获得了非常高的流量值，在实验期间该流量值保持实际恒定。渗余物具有很深的颜色，并且经过透析过滤以避免乳酸损失。
在酸化到pH2.2后，将渗透液进给到该SMB。
实例4
根据本发明用于生产可聚合乳酸的方法中具有阴离子交换树脂的SMB
使如实例1中根据本发明的方法纯化并且酸化的发酵液通过一个SMB，以分离乳酸和硫酸铵。去离子水用作洗脱液。
用填充有乳酸根的阴离子交换树脂来填充该SMB单元的柱。表1示出了该SMB的结果：
表1
| 离子 | 初始值 | 提取液 | 提余液 | 效率 |
| 硫酸根 | 75.084mg/L | 650.3mg/L | 34.697mg/L | 98.34％ |
| 乳酸根 | 117.4g/L | 70.2g/L | 1.44g/L | 97.77％ |
| 体积 | - | 1.81 | 2.01 | - |
实例5
根据本发明用于生产可聚合乳酸的方法中具有阳离子交换树脂的SMB
在同样的但填充有负载了铵离子的阳离子交换树脂的SMB单元中，测得以下值：
表2
| 离子 | 初始值 | 提取液 | 提余液 | 效率 |
| 硫酸根 | 71.580mg/L | 190mg/L | 46.920mg/L | 99.54％ |
| 乳酸根 | 113.02g/L | 74.26g/L | 0.55g/L | 99.34％ |
这些值表明，阳离子交换树脂的分离效果更好于实例2。
99.54％的硫酸根被除去，并且99.34％的乳酸进入提取液。
实例6
根据本发明用于生产可聚合乳酸的方法中的纳滤和离子交换
在配备有0.07m2、250道尔顿的扁平膜的实验室设备中，测试了纳滤对根据本发明的方法生产的作为来自该SMB的提取液的乳酸溶液的效果。该溶液在约50℃下。将该膜之前的压力调节到30bar。
渗透液呈现明显更浅的颜色，测量了糖、麦芽糖的含量，该含量大大下降，并且硫酸根含量也降低。氨基酸类也大幅度降低。
表3示出了关于所述效果的测量值：
表3
| 参数 | 初始值 | 渗透液 |
| 黄度指数(YI) | 28.55 | 2.4 |
| 麦芽糖g/L | 1.1 | 0.05 |
| 硫酸根g/L | 0.26 | 0.05 |
| 丙氨酸 | 0.22 | 0.10 |
| 天冬氨酸 | 1.23 | 0.35 |
在这个实例中，在纳滤之后，乳酸溶液具有按重量计6％的浓度，18.2mg/L的硫酸根含量，7.7mg/L的磷酸根含量，<0.01g/L的麦芽糖含量以及2.09的YI。
为了进一步除去杂质，使该乳酸溶液通过脱色剂柱与阳离子和阴离子交换剂柱的组合。
实例7
在根据本发明用于生产可聚合乳酸的方法中进行蒸发，接着进行离子交换和进一步蒸发
在通过纳滤和离子交换进行的两级纯化之后，根据本发明产出的乳酸溶液仍然含有大量离子、少量残余糖类以及着色剂物质。
为了尽可能地除去所以杂质，现在将该乳酸溶液通过脱色剂柱与阳离子和阴离子交换剂柱的组合，蒸发到按质量计约50％乳酸，并且再次通过所述脱色剂柱与离子交换剂柱的组合。
在通过上述的安排之后，得到了具有以下参数的按质量计61％的乳酸：
硫酸根：2.6mg/L
磷酸根：0.23mg/L
麦芽糖：0.04g/L
YI：0.72
在通过该第二蒸发阶段后，乳酸溶液甚至是水样清澈的，其中获得了按质量计90％乳酸的乳酸浓度。如此纯化的乳酸满足根据本发明的品质测试，并且具有91.7％的丙交酯产率以及3.3％的消旋，因此适合作为PLA生产的起始产品。
实例8
一种用于生产聚丙交酯的方法的说明，该方法使用由根据本发明用于乳酸生产的方法所产生的乳酸
在此，优选提及WO2009/030397A1中详细披露的一种方法。
a)对乳酸进行浓缩
使用如通过根据本发明的方法产生的乳酸作为起始材料。在此，在一个分馏柱中进行水和乳酸的分离。而且，通过一个抽吸连接器施加真空，并且通过另一个连接器在顶部将以蒸汽形式产生的水冷凝并且除去。在该方法中连续地进行乳酸的引入。馏出物是纯水，而在底部产生的产品是具有大于按重量计99％的浓度的乳酸。
b)预缩合
通过在一系列的两个反应器中进行缩聚来将浓缩的乳酸转化为一种预聚合物。该缩聚在两个不同的压力和温度下进行，以便优化反应转化率。在第一反应器中，选择使得乳酸的蒸发最小化同时有助于除去水的条件。在该缩聚的第二步中，通过更高的温度来增大反应速率，并且同时降低压力以便进一步减少在熔体中的水浓度。此处预聚合物的平均分子量(数均)在500与2,000g/mol之间。
3c)环化解聚
该预聚合物与乳酸的环状二聚物(丙交酯)处于化学平衡。通过调节解聚反应器中的压力和温度，保证丙交酯连续从该预聚合物形成并且蒸发。该解聚反应器具有一个冷凝器，该冷凝器将反应蒸汽部分冷凝；此时，水和大部分的乳酸保持为蒸汽形式，并且进而在一个冷凝装置中被部分冷凝。从该解聚反应器首先得到的冷凝液包含丙交酯、乳酰乳酸(乳酸的线性二聚物)以及更高级线性低聚物。
d)丙交酯纯化
在开环聚合过程中，可获得的聚丙交酯的分子量以及因此重要的机械性能取决于丙交酯的纯度。此处所包含的作为杂质的乳酸和乳酰乳酸的羟基充当聚合的起始点。丙交酯中的羟基浓度越高，则可获得的聚合物的分子量变得越低。环化解聚后粗丙交酯中的羟基浓度太高。在一个分馏柱中将冷凝的丙交酯纯化到所需的羟基浓度。将纯化的丙交酯作为侧流从该柱中取出。可以将馏出物和底部产品在不同位置处再次引入本方法中。
e)开环聚合
开环聚合在一个反应器中进行，该反应器由一个搅拌式容器与一个管式反应器的组合形成。在第一反应器中，低黏度丙交酯被聚合成PLA，转化率为约50％至70％。将催化剂和添加剂均匀混合入熔体中。在该管式反应器中，继续进行聚合反应，直到在聚合物与单体之间达到化学平衡。单体的最大转化率为约95％。在聚合过程中，黏度增大到约10,000Pa·s。
e)脱单体
为了得到稳定的聚丙交酯，熔体中按重量计约5％的单体浓度过高。因此，必须进行脱单体。这是通过例如在一个双螺杆挤出机中对熔体进行脱气来完成的。由于开环聚合是一种平衡反应，因此为了防止在脱气期间以及之后重新形成该单体，在脱单体之前加入一种稳定剂。
f)造粒并且结晶
在脱单体之后，将熔体从脱单体设备中移出并且转化为颗粒。这里可以进行线料造粒(Stranggranulation)以及还有浸没式热切造粒。在这两种情况下，都必须在干燥和包装前使PLA颗粒结晶。在升高的温度并且搅拌下进行结晶。
参考符号清单
1真空泵
2冷阱
3阀门
4侧连接器
5容器
6冷水
7李比希氏冷凝器
8温度计
9传热介质出口
10恒温器
11强冷凝器
12柱
13氮气入口
14阀门
15双颈烧瓶
16搅拌装置
17搅拌器轴
18温度计
19温度计
20三颈圆底烧瓶
21盐浴
22热板
23搅拌器
24第一蒸馏头
25具有螺旋盖头的螺纹管
26温度计
27第二蒸馏头
28填充柱
29中空玻璃连接器
30另外的中空玻璃连接器
Claims (17)
1.一种用于从发酵液中分离和纯化可聚合乳酸的方法，该可聚合乳酸具有>90％的丙交酯产率以及<5％的消旋，该方法包括以下方法步骤
a)在至少两个彼此相继的阶段中从该发酵液中分离生物质和所存在的任何固体，
b)通过模拟移动床色谱法(SMB)从无生物质的发酵液中分离乳酸溶液，
c)通过离子交换进行纯化，
d)第一单级或多级的蒸发阶段，
e)通过离子交换进行纯化，以及
f)第二单级或多级的蒸发阶段。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过方法步骤c)中离子交换进行的纯化与纳滤相结合，其中以任意顺序来安排通过离子交换进行的纯化以及纳滤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，方法步骤a)中从该发酵液中分离该生物质是在一个第一阶段中通过预涂层过滤和/或微滤和/或离心作用来进行的。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，方法步骤a)中从该发酵液中分离该生物质是在不降低pH并且不进行热灭活的情况下进行的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)中，发酵结束与生物质分离之间的时间不多于2小时。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发酵结束与生物质分离之间的时间为1-2小时。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)中，滤液中的生物质浓度不高于1g/L。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)中，生物质和固体分离的第二阶段是通过单级或两级的超滤进行的，其中使用具有≤10kDa分离限的膜。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将该超滤中产生的渗余物再循环至方法步骤a)的第一阶段，并且将所产生的渗透液进给到后续的方法步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分两个步骤进行酸化，其中在第1个步骤中，用浓硫酸将来自方法步骤a)的第一阶段的发酵液酸化到4.4至4.6的pH，并且在第2个步骤中，用浓硫酸将来自方法步骤a)的第二阶段的超滤渗透液酸化到2.0至2.4的pH，使得纯化的发酵溶液中包含的乳酸盐被转化为乳酸，并且以化学计量比形成盐，其中使酸化的超滤渗透液的温度保持在30℃至60℃之间的范围内。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使酸化的超滤渗透液的温度保持在30℃至40℃之间的范围内。
12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤b)中，在模拟移动床色谱(SMB)中，将该超滤渗透液分离为一种含有大部分乳酸的提取液和一种含有大部分硫酸铵以及少量伴盐如磷酸盐、硝酸盐及氯化物的提余液，其中
-以1:1.5至1:2.5的渗透液:洗脱液比率，连续地添加该超滤渗透液和洗脱液，
-彼此分开地收集具有≥1g/L的乳酸含量的该含乳酸的提取液以及该提余液，并且
-从该超滤渗透液回收乳酸的效率≥95％。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法步骤c)和e)中，通过阳离子交换剂和/或阴离子交换剂来进行对阴离子型和/或阳离子型杂质的纯化。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法步骤d)中，进行单级或多级的蒸发，达到按重量计45％至55％的乳酸浓度。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法步骤f)中，进行单级或多级的蒸发，达到按质量计≥80％的乳酸浓度。
16.如权利要求1至15中任一项所产生的乳酸用于生产聚丙交酯的用途。
17.如权利要求16所述的用途，其中聚丙交酯的生产包括以下方法步骤：
-将乳酸浓缩到按质量计≥98％
-将浓缩的乳酸预缩聚到平均分子量为500至2000g/mol
-环化解聚，其中产生了丙交酯，
-将丙交酯纯化
-开环聚合
-脱单体
-造粒并且结晶。
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