DE19628519A1

DE19628519A1 - Verfahren zur Herstellung von 1,4-Dioxan-2,5-dionen, neue Piperazoniumsalze von alpha-Hydroxycarbonsäuren und Fermentationsverfahren zur Herstellung von organischen Aminiumlactaten

Info

Publication number: DE19628519A1
Application number: DE19628519A
Authority: DE
Inventors: Birgit Dr Kamm; Michael Kamm; Bodo Prof Dr Teichmann; Klaus Dr Richter; Konrad Dr Soyez; Winfried Dr Reimann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: DE19628519B4; DE59705979D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 1,4-Dioxan-2,5-dionen der allgemeinen Formel I

in der R¹ und R² unabhängig voneinander Wasserstoff oder einen verzweigten oder unverzweigten Alkylrest mit 1 bis 10 C-Atomen bedeuten,
neue Piperazoniumsalze von α-Hydroxycarbonsäuren, die Verwendung von heterocyclischen sekundären und ter tiären Aminen und Aminozuckern zur Isolierung von α- Hydroxycarbonsäuren, insbesondere von Milchsäure, aus Fermentationsmedien und ein neues Fermentationsverfah ren zur Herstellung von organischen Aminiumlactaten.

Cyclische Diester, wie 1,4-Dioxan-2,5-dione und deren 3, 6-dialkylsubstituierte Derivate, z. B. Dilactide, Glycolide sind bekannt und können zu hochmolekularen aliphatischen Polyestern polymerisiert werden, wie beispielsweise in Brit. Polym. J., 23 (1990) 23; und Acta Polym.; 43 (1992) 91; beschrieben. Die bekannten technischen Lösungen zur Synthese dieser Polyester und Copolyester der α-Hydroxycarbonsäuren gehen zumeist von den 1,4-Dioxan-2,5-dionen aus, die ionisch oder kom lexkoordinativ polymerisiert werden. Polykonden sationsreaktionen der α-Hydroxycarbonsäuren selbst führen nur zu Produkten niedriger bis mittlerer Molmasse. Derartige Polyester sind biologisch abbaubar, kompostierbar und vollständig resorbierbar. Sie werden als Trägermaterialien für Wirkstoffe in Retard- Abgabesystemen sowie als Ausgangspolymere für chirurgisches Nahtmaterial und Implantate in der Human- und Veterinärmedizin eingesetzt, wie es beispielsweise in DE-OS 25 01 448, OP-Journal, 10 (2) (1994) 221 und Biomaterials 13 (1992) 176 beschrieben ist.

So ist die Herstellung von 1,4-Dioxan-2,5-dionen, wie z. B. 3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion, ein alter und vielstudierter Prozeß und läßt sich beispielsweise von Jungfleisch und Godchot 1906 (C.R. Hebd. Seances Acad. Sci., 142 (1906) 639], Gruter et.al. 1914 ( US 1.095.205); Dietzel & Krug 1929 (Ber. Deutsch. Chem. Ces., 58 (1929) 1307) Carothers et.al 1939 (US 2.163.368) über Kleine & Kleine 1959 (Makrom. Chem., 30 (1959) 23) bis in die Gegenwart verfolgen.

Bekannte Herstellungsverfahren basieren auf den Aus gangsstoffen α-Halogencarbonsäuren, (EP-AP 0.339.882), α-Hydroxycarbonsäuren und deren Derivate wie z. B. α- Hydroxycarbonsäurester und Poly-α-hydroxycarbonsäuren, (DE-PS 12 34 703 , US-PS 4.727.163 und EP 0261572) . Im Falle der monomeren Edukte, wie beispielsweise Milch säure, wird zunächst ein Oligomer (relativ kurzkettiges Kondensationsprodukt, wie z. B. Lactoylmilchsäure oder Polymilchsäure) gebildet, das anschließend in situ oder nach Isolierung unter hoher Temperatur in der Regel bei 200-300°C und vorzugsweise unter reduziertem Druck unter Zusatz von Metallen, Metalloxiden oder Salzen wiederum eine Depolymerisation erfährt um in Folge zu den 1,4-Dioxan-2,5-dionen zu cyclisieren. Diese Dimere werden vorzugsweise im Vakuum abdestilliert. Dieser Prozeß mit einer fast 90-jährigen Geschichte in Chemie und Technologie hat den Nachteil von langen Re aktionszeiten und hohen Temperaturen, welche für die Präparation der Intermediate, anschließender Thermolyse und Cyclisierung erforderlich sind. So führen außerdem die langen Verweilzeiten bei hohen Temperaturen zu ei ner Reihe von Nebenreaktionen und Produkten, wie unter anderem zur Bildung unerwünschter Isomere und Crack produkte, die zudem schwer aus dem Reaktionsprozeß zu entfernen sind.

Eine weitere bekannte Synthese der 1,4-Dioxan-2,5-dione ist die Thermolyse der entsprechenden Oligohydroxycarbonsäuren (DE-OS 17 20 211). Es werden neben den cyclischen Dimeren auch offenkettige und cyclische Oligomere höherer Kettengliederzahl gebildet, die als das Polymerwachstum begrenzende Substanzen (Kettenabbruch) bzw. auch als Initiatorblockierungsmit tel wirken.

Die Synthese polymerisationsfähiger 3,6-Dimethyl-1,4- dioxan-2,5-dione durch Oligomerisierung von Milchsäure und anschließender Thermolyse (DE-OS 40 22 257) erfordert entweder relativ reine Ausgangsprodukte und/oder entsprechende, zumeist aufwendige Reinigungsoperationen.

Zudem ist diese Art von Thermolyse als eine Reaktion mit hohen Sicherheitsrisiko einzuordnen (DE-OS 37 26 499).

Neben ausgewiesenen mäßigen chemischen Ausbeuten sind diese bekannten Verfahren auch sehr energie- und ko stenintensiv. Zusammenfassend ist festzustellen, daß zur Erzielung einer hohen Reinheit, vor allem bei op tisch aktiven 1,4-Dioxan-2,5-dionen an die Cyclisierung mehrere Reinigungsverfahren nachgeschaltet werden müssen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von 1,4-Dioxan- 2,5-dionen aus α-Hydroxycarbonsäuren und Poly-α- hydroxycarbonsäuren ist in DE-OS 43 18 456 beschrieben. Der entscheidende Nachteil der Darstellung von 1,4- Dioxan-2,5-dionen aus α-Hydroxycarbonsäuren und Poly-α- hydroxycarbonsäuren liegt in der notwendigen Entwässerung der α-Hydroyxycarbonsäuren und Poly-α- hydroxycarbonsäuren und der Entfernung des Reaktionswassers. Diese Entwässerung geschieht zumeist in einer der Thermolyse vorgeschalteten Destillation des Wassers unter Normal- oder reduziertem Druck. Bei in situ Thermolyse, ohne Wechsel der Reaktionsapparatur bewirkt das Wasser eine entscheidende Verminderung von Qualität und Ausbeute der cyclischen Ester. Das Vorhandensein von ausgangsproduktseitigem Wasser liegt bei dieser Art von Reaktionsführung u. a. in der Natur der α-Hydroxycarbonsäuren begründet. Bekanntermaßen ist die α-Hydroxypropionsäure (Milchsäure) nur in einer wäßrigen Lösung über längere Zeit stabil (Kleine & Kleine in Makrom. Chem., 30 (1959) 23).

Ein weiterer entscheidender Nachteil ist, daß die bei all diesen Reaktionen üblicherweise fermentativ erzeug ten α-Hydroxycarbonsäuren zuvor aus ihren im biotechno logischen Gärungsprozeß entstandenen Salzen, im allge meinen liegt das Calziumsalz vor, freigesetzt werden muß. Dies bedeutet, daß beispielsweise ein Milchsäure molekel bis zu seiner Plazierung im Polyester eine 3-5- fache Konvertierung erfährt (Milchsäure→Calziumlactat→ Milchsäure→Lactoyl/Polymilchsäure→Milchsäure- /Lactat-molekel→Dilactid→Polyester).

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein einfaches Verfahren für die Herstellung von substituierten und unsubstituierten 1,4-Dioxan-2,5-dionen der allgemeinen Formel I, insbesondere von 3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5- dionen (Dilactiden) zu entwickeln, das es gestattet, diese Verbindungen in guter Ausbeute und Reinheit aus α- Hydroxycarbonsäuren, insbesondere Milchsäure, und de ren einfachen Salzen zu gewinnen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem 1,4- Dioxan-2,5-dione direkt aus α-Hydroxycarbonsäure-halti gen Lösungen, insbesondere wäßrigen Lösungen unter schiedlichster Konzentration und verschiedenen Rein heitsgrades, wie sie in Produktionsabläufen aus Indu strie und Landwirtschaft anfallen, oder direkt aus den Fermentationsbrühen der biotechnologischen Erzeugung von α-Hydroxycarbonsäuren gewonnen werden können.

Daneben war es auch Aufgabe der Erfindung, ein mög lichst einfaches und hochproduktives Fermentationsver fahren bereitzustellen, mit dem die entstehende Milch säure im Fermentationsmedium in gut kristallisierbare Salze überführt werden kann, die dann direkt als Aus gangsstoffe für die Dilactidsynthese dienen können.

Überraschend wurde die Aufgabe zur Herstellung von 1,4- Dioxan-2,5-dionen der allgemeinen Formel I

in der R¹ und R² unabhängig voneinander Wasserstoff der einen verzweigten oder unverzweigten Alkylrest mit 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5, C-Atomen
bedeuten,
gelöst durch Umsetzung einer α-Hydroxycarbonsäure der allgemeinen Formel II

in der R¹ und R² die o. g. Bedeutungen haben,
ihren Salzen oder deren Hydraten
in Lösung mit einem Piperazinderivat der allgemeinen Formel III

in der R³-R¹⁰ unabhängig voneinander Wasserstoff, verzweigtes oder unverzweigtes C₁-C₁₀-Alkyl, C₁-C₁₀-Alkoxy, Aralkyl mit 1 bis 10 aliphatischen Alkylgruppen zwischen Aromat und Piperazinkörper, Aryl und durch Alkyl-, Alkoxy-,Aryl-, Halogen-, Nitro-, Cyano-, Sulfonyl- Reste substituiertes Aryl, Allyl, Ha logen, insbesondere Chlor und Brom, Nitril, Isonitril sowie Teile eines ankondensierten aliphatischen, aroma tischen oder heterocyclischen Systems bedeuten;
oder mit einem Piperazinderivat der allgemeinen Formel IV

in der R³-R¹⁰die oben genannten Bedeutungen besitzen, n eine Zahl zwischen 1 und 16 ist und
X ein anionischer Rest ist, vorzugs weise Hydroxid, Halogenid, wie Chlo rid, Iodid, Bromid, Fluorid, Acetat, Hydrogensulfat, Dihydrogenphosphat, Toluensulfonat oder den Rest eines assoziationsfähigen Lösungsmittels wie vorzugsweise Alkoholat, Glycolat, Alkylglycolat bedeutet.

X kann auch einen organischen oder anorganischen Rest darstellen, der aufgrund seiner polaren Hydroxy-, Amino- oder Thiolgruppen befähigt ist, Assoziate durch Wasserstoffbrückenbindung mit den Piperazinderivaten der allgemeinen Formel III einzugehen.

Diese Piperazinderivate der allgemeinen Formeln III und IV bilden mit den α-Hydroxycarbonsäuren, deren Salzen oder deren Hydraten, neue, niedrigschmelzende stabile organische Piperazoniumsalze der allgemeinen Formel V

in der R¹-R¹⁰ die o.g. Bedeutungen besitzen.

Je nach α-Hydroxycarbonsäure II entstehen optisch aktive, racemische oder nicht drehende optisch inaktive cyclische Diester der allgemeinen Formel I.

So liegt z. B. die Milchsäure je nach Herstellung bekanntermaßen als reine DL-Milchsäure oder als optisch aktive D(-)- bzw. L(+)-Milchsäure vor.

Bevorzugt werden die α-Hydroxycarbonsäuren Glykolsäure und Milchsäure, ihre Salze oder deren Hydrate als Ausgangsprodukte II eingesetzt, wobei erfindungsgemäß Glycolide mit R¹ und R² = H sowie optisch aktive D,D-; L,L-; D,L-, sowie meso-Dilactide der Formel I mit R¹ = H und R² = CH₃, hergestellt werden.

Für die Umsetzung können erfindungsgemäß sowohl wäßrige α-Hydroxycarbonsäuren, ihre Salze und deren Hydrate be liebiger Konzentration und unterschiedlichster Re in heitsgrade, z. B. aus Produkt- und Abwässern (Abläufen) der Lebensmittelkonservierungsindustrie und der Ami nosäureproduktion wie auch aus Fermentationsbrühen der Erzeugung biotechnologischer α-Hydroxycarbonsäuren ein gesetzt werden.

Erfindungsgemäß werden α-Hydroxycarbonsäuren der For mel II und Piperazinderivate der Formeln III und IV zu sammengeführt, welches geschehen kann durch Zusetzung einer Verbindung der Formel III bzw. Formel IV oder ei nem Gemisch aus beiden in eine α-Hydroxycarbonsäure haltige Lösung oder umgekehrt, wobei es sich vorzugs weise um eine wäßrige Lösung handelt. Weitere Lösungs medien können generell alle mit Wasser mischbaren Lö sungsmittel sein, wie z. B. Alkohole mit verzweigten und unverzweigten C₁-C₁₀-Alkylresten, Aceton, Acetonitril, Dioxan, Cellosolve Essigsäurealkylester, Dialkylformamide. Ebenso möglich sind nicht unbegrenzt und nicht mit Wasser mischbare Lösungsmedien wie Ben zen, Toluen, chlorierte Kohlenwasserstoffe, beispiels weise Chloroform, wobei hier jedoch verstärkt durch mischt werden muß.

Bevorzugt werden Piperazinderivate der allgemeinen For meln III oder IV, die zu Piperazoniumsalzen der Formel V mit einer Schmelztemperatur < 180°C führen, einge setzt. Insbesondere bevorzugt sind Piperazinderivate, in denen R³-R¹⁰ unabhängig voneinander Wasserstoff oder verzweigtes oder unverzweigtes C₁-C₅-Alkyl be deuten. Ganz besonders bevorzugt kommen Piperazin, Piperazin-Hexahydrat, Methylpiperazin sowie 2,5-Dime thylpiperazin und ihre getrennten/gemischten isomeren Formen zur Anwendung.

In einer exothermen Reaktion werden Protonen der α- Hydroxycarbonsäure, mindestens jedoch ein Proton pro Molekel α-Hydroxycarbonsäure auf das Piperazinderivat übertragen.

Die neuen Piperazoniumsalze der allgemeinen Formel V werden entweder sofort zu den Zielverbindungen I cyclisiert oder zuvor aufgearbeitet und ggf. durch Umkristallisieren gereinigt.

Die Aufarbeitung erfolgt durch Entfernen von Wasser oder flüssigem Medium, beispielsweise destillativ unter Normaldruck und/oder reduziertem Druck und/oder im Gasstrom und/oder nach bekannten Trockenprozessen, wobei Reinigungsstufen wie Filtration und Extraktion von Verunreinigungen vorgeschaltet sein Können.

Werden als Ausgangsstoffe α-Hydroxycarbonsäuren mit Konzentrationen 65% eingesetzt, erfolgt die Umsetzung mit den Piperazinderivaten in einer exothermen Reaktion ohne zusätzliche Wärmezufuhr. Die Entfernung des Wassers oder flüssigen Mediums findet durch Verdampfen des wäßrigen bzw. niedrigsiedenden Mediums unter Nutzung der Reaktionswärme statt. Diese Methode ist bei α-Hydroxycarbonsäure-Konzentrationen von 85% besonders effektiv.

Gegebenenfalls werden die flüssigen und öligen Anteile nach Beendigung der Salzbildung durch Behandeln des Reaktionsrückstandes mit Ethylenglycolmono- bzw. Ethylenglycoldialkylether (C₁-C₅-Glycolether) bei einer Temperatur zwischen 60°C und 80°C entfernt, wobei die Verbindungen V auskristallisieren und Verunreinigungen und Lösungsmittelanteile, vorzugsweise wäßrige, von Glycolether aufgenommen werden.

Anstelle der Glycolether werden zum Umkristallisieren auch Acetonitril, Essigsäurealkylester, Dioxan, DMSO und DMF eingesetzt.

Verwendet man α-Hydroxycarbonsäure-Ausgangskonzen trationen von 65% wird zunächst das wäßrige Medium zum Teil oder ganz in einer azeotropen Reaktionsfüh rung, vorzugsweise durch azeotrope Destillation mit wasserschleppenden Lösungsmitteln, wie beispielsweise Benzen oder Toluen, entfernt und danach mit Glycol ether, Acetonitril, Essigsäurealkylester, Dioxan, DMSO oder DMF umkristallisiert.

Das so erhaltenen Piperazoniumsalz der Formel V wird in fester, gut kristalliner Form und für weitere Umset zungen ausreichender Reinheit erhalten.

Erfindungsgemäß können auch Salze der α- Hydroxycarbonsäuren, vorzugsweise Salze der I. oder II. Hauptgruppe oder der II. Nebengruppe des PSE, besonders bevorzugt das Ca-Salz bzw. dessen Hydrat, als Ausgangsverbindungen eingesetzt werden. Zunächst wird zum α-Hydroxycarbonsäure-Salz eine anorganischen Säure zugegeben und zwar in einem geeigneten Lösungsmittel, in welchem die Verbindungen, die aus den Kationen des Hydroxycarbonsäuresalzes und den Anionen der zugegebenen Säure entstehen, nicht löslich sind, wodurch die dem Hydroxycarbonsäuresalz zugrundeliegende Säure freigesetzt wird. Nach Zugabe des Piperazinderivates entsteht ein Piperazoniumsalz der Verbindung V, welches nach Entfernen von Rückständen und des Lösungsmittels wie oben angegeben gereinigt werden kann.

Erfindungsgemäß werden die neuen Verbindungen der allgemeinen Formel V in Gegenwart eines Katalysators bei erhöhten Temperaturen cyclisiert, wobei das Anion abgespalten wird. Die entstandene Verbindung I wird ggf. durch Umkristallisieren gereinigt.

Die Cyclisierung zum 1,4-Dioxan-2,5-dion der allgemeinen Formel I erfolgt in der Regel aus jeweils zwei an den Verbindungen der Formel V gebundenen anionischen α-Hydroxycarbonsäuremolekeln unter Wasserabspaltung (intra- und/oder intermolekular) unter Normaldruck bzw. reduziertem Druck, unter Sauer stoffatmosphäre bzw. in einem Gasstrom, vorzugsweise Inertgas und Temperaturen zwischen 150°C und 250°C in Gegenwart eines Cyclisierungskatalysators, gegebenenfalls in einem Lösungsmittel.

Als Cyclisierungskatalysatoren werden vorzugsweise Metalle, Metallsalze bzw. Metallverbindungen, beispielsweise Oxide der I., III., IV. und V. Hauptgruppe des PSE und der II. und IV. Nebengruppe des PSE eingesetzt. Sie können als Katalysator oder Katalysatorengemisch im Produktstrom geführt und/oder in der Reaktionsmasse eingebettet und/oder im Brückenteil zwischen Reaktor und Reaktorabscheidesystem stationiert sein.

Vorzugsweise zur Anwendung kommen Metalle oder Metallverbindungen der III. bis V. Hauptgruppe des PSE, insbesondere Metalle der IV. Hauptgruppe, beispielsweise Zinn als Metall in Pulverform, als Oxid, Halogenid oder Carboxylat, speziell Zinn-octanoat oder Zinn-bis-(2-ethylhexanoat), die im Produktstrom löslich sind.

Vor oder während der Cyclisierung können neben den üblichen Cyclisierungskatalysatoren der Vorlage zusätzlich ein oder mehrere Salze zugesetzt werden, welche bewirken, daß sich die Anionen dieser Salze, vorzugsweise Halogenide, mit dem Piperazonium-Rest der Verbindungen der Formel V zu stabilen hochschmelzenden salzartigen Addukten verbinden, wodurch diese auch bei Temperaturen um 200°C im Reaktor unzersetzt zurückgehalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den vorteilhaften Effekt, daß der Piperazonium-Rest der Formel V nach Abspaltung der α-Hydroxycarbonsäuremolekel weitestgehend unzersetzt aus dem Reaktor in einem geeigneten Lösungsmittel durch Fällung mit einer anorganischen Säure als Salz und/oder salzartiges Addukt der Formel III oder IV, beispielsweise als Piperazindihydrochlorid, zurückgewonnen werden kann und in dieser Form und/oder nach einfachen Reinigungen und/oder Konversionen wieder eingesetzt werden kann.

Es hat sich auch gezeigt, daß nicht nur Piperazin und Piperazinderivate, sondern auch andere heterocyclische sekundäre oder tertiäre Amine oder Diamine, wie z. B. Piperidin, Pyrrolidin, Imidazol, 4-Dimethylaminopyridin oder deren Derivate, und auch Aminozucker, wie z. B. D- Glucosamin, mit α-Hydroxycarbonsäuren, insbesondere mit Milchsäure, stabile, gut kristallisierende Salze bilden können, die als direkte Ausgangsstoffe für die Synthese der 1,4-Dioxan-2,5-dione geeignet sind.

Die genannten Amine sind auch zur Isolierung von α- Hydroxycarbonsäuren, insbesondere von Milchsäure, aus Fermentationsmedien einsetzbar, wodurch der gesamte Fermentationsprozeß und auch die sich daran anschließende Syntihese der 1,4-Dioxan-2,5-dione wesentlich effektiviert wird.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Reinigung der 1,4-Dioxan-2,5-dione der allgemeinen Formel I.

Die Verbindungen der allgemeinen Formel I werden in ei nem Ethylenglycolmonoalkylether oder einem -dialkyl ether, wobei Alkyl unabhängig voneinander Methyl, Ethyl, Propyl oder Pentyl sein kann, vorzugsweise im Verhältnis 0,2 bis 1 : 1 (Verbindung I zu Lösungsmittel) unter Erwärmen bei Temperaturen 80°C und in hoher Reinheit isoliert.

Außerdem betrifft die Erfindung neue Piperazoniumsalze der allgemeinen Formel V, insbesondere D,D-; L,L-; D,L- und meso-Piperazin- bzw. Alkylpiperazinlactate und Piperazin- bzw. Alkylpiperazinglycolate sowie ihre Verwendung.

Die erfindungsgemäßen Piperazoniumsalze der Formel V können zur Herstellung von 1,4-Dioxan-2,5-dionen der allgemeinen Formel I verwendet werden. Insbesondere aufgrund ihrer optischen Aktivität sind sie als Synthone für stereospezifische, enatiomere Synthesen, beispielsweise zur Herstellung optisch aktiver D,D-, L,L-Diester und optisch inaktiver meso- und racemischer Diester sehr gut geeignet. Darüber hinaus besitzen die Verbindungen V auch biogische Aktivität.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert aufgrund der de finierten Zwischenprodukte V und auch der definierten Salze der anderen genannten heterocyclischen Amine und Aminozucker die Zielverbindungen I bereits in guter Ausbeute und Reinheit, so daß aufwendige Reinigungsver fahren nach der Cyclisierungsreaktion entfallen können.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die eingesetzten α-Hydroxycarbonsäuren direkt aus Ab läufen aus Industrie und Landwirtschaft bzw. auch di rekt aus ihrem biotechnologischen Fermentationsprozeß heraus, sogar in Form der bei der Gärung entstandenen Salze, wie z. B. dem Calziumsalz, eingesetzt werden können.

Eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Her stellung der 1,4-Dioxan-2,5-dione wird am Beispiel von Milchsäure und Piperazinderivaten in Abb. 1 aufgezeigt.

Tabelle 1 zeigt eine Auswahl der erfindungsgemäßen Piperazoniumsalze und ihre Eigenschaften.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein hochproduktives Fermentationsverfahren gemäß den Ansprüchen 11-17, bei dem die entstandene Milchsäure durch heterocyclische Amine oder Aminozucker, die keine toxische oder stark hemmende Wirkung auf die Aktivität der Milchsäurebakterien ausüben, im Fermentationsmedium in gut kristallisierbare Salze überführt wird, die dann als direkte Ausgangsstoffe für die Dilactidsynthese hervorragend geeignet sind.

Dilactide sind die Ausgangsstoffe für abbaubare Polymere mit sehr vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten als Verpackungsmaterial oder Spezialwerkstoffe.

Zur Erzeugung von Dilactid wurde bisher Milchsäure ver wendet, die man als L(+)-Lactat bzw. D(-)-Lactat durch Vergärung von kohlenhydrathaltigen Medien erhält. Dabei wird die Milchsäure in freier Form oder derivatisiert als Ester katalytisdh in das dimere Lactid umgesetzt. Dieser Prozeß ist sehr energieintensiv und durch große Produktverluste gekennzeichnet.

Milchsäure wird mit den bekannten Verfahren gewöhnlich als eine 80-90%ige wäßrige Lösung produziert. Diese Verfahrensweise ist aufwendig, da man wegen der auf die Milchsäurebakterien wirkenden Inhibierung durch die gebildete Milchsäure bei der Fermentation ein Neutrali sationsmittel (Calciumcarbonat) einsetzen muß. Das dadurch gebildete Lactat muß dann in einer nach folgenden Stufe wieder in die freie Säure umgewandelt werden, wozu man konzentrierte Schwefelsäure benötigt. Als schwer verwertbares Abfallprodukt fällt Sulfat schlamm an. In einigen Fällen wird dieser Nachteil dadurch überwunden, daß Natron- oder Kalilauge bzw. Am moniak zur Neutralisation des Fermentationsmediums verwendet wird und die Freisetzung der Milchsäure in einer nachgeordneten Verfahrensstufe durch Ionenaus tauscher (WO 93/06226 und EP 517 242) oder Elektrodialyse (EP 657 542 und PL 161 321) erfolgt.

Mit anderen Verfahren gewinnt man auch Lactate anorganischer Basen, wie z. B. Magnesiumlactat (CZ 279 449) oder Natriumlactat (CN 1 063 485).

Die Herstellung von Milchsäureestern von C₁-C₄- Alkanolen als Ausgangsprodukte für die Dilactidsynthese wird in EP-A-614 983 und DE 43 41 770 A1 beschrieben. DE 43 41 770 A1 offenbart ein Fermentationsverfahren zur Herstellung von Milchsäureestern, bei dem die Milchsäure zunächst mit Calciumcarbonat neutralisiert und dann durch Zusatz von Ammoniak Ammoniumlactat erhalten wird, das entweder direkt mit Alkohol verestert wird oder mit einem tertiären Alkylamin zur Bildung einer Triaikyl-Ammoniumlactatlösung versetzt wird, die dann ihrerseits mit dem Alkohol verestert wird. Auch dieses Verfahren ist also durch eine mehrfache Konvertierung der Milchsäure gekennzeichnet, bis ein Milchsäureester erhalten wird, der dann in das dimere Lactid umgesetzt werden kann.

Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von organischen Aminiumlactaten oder Diaminiumlactaten durch Fermentation von kohlenhydrat haltigen Substraten dadurch gekennzeichnet, daß die Milchsäure in einem Schritt neutralisiert und gleich zeitig in ein direktes Ausgansprodukt für die Dilactidsynthese, nämlich in ein gut kristallisierbares Aminiumlactat oder Diaminiumdilactat, umgewandelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 11 be steht darin, daß dem Fermentationsmedium zur Neutrali sierung der entstehenden Milchsäure ein Amin oder Diamin zugegeben wird, das für die eingesetzten Mikro organismen nicht toxisch ist und auch deren Aktivität nicht hemmt, so daß am Ende der Fermentation der pH- Wert der Flüssigkeit im Bereich von 4,5 bis 13,5 liegt, vorzugsweise im Bereich von 5,0 bis 8,0. Die Fermen tationsbrühe wird dann in an sich üblicher Weise, be vorzugt mit Hilfe von Ultrafiltration, Elektrodialyse und Umkehrosmose vorgereinigt und das Aluminiumlactat darin aufkonzentriert, wobei die bei der Elektrodialyse anfallende Fraktion von nichtionischen Nährstoffen in die Fermentationsstufe und die in der Umkehrosmose ab gereicherte Phase in die Elektrodialyse zurückgeleitet werden kann. Danach wird das so erhaltene Aminium lactat-Konzentrat eingeengt, vorzugsweise im Vakuum, und mit einem Lösungsmittel versetzt, wobei gleichzei tig die restlichen, noch im Gemisch enthaltenen Nährlö sungsbestandteile (z. B. Pepton) als Niederschlag aus fallen und abfiltriert werden können sowie in den Fer mentationsprozeß zurückgeführt werden können. Das Aminiumlactat verbleibt in der Lösung, aus der man es in kristalliner Form gewinnt.

Es hat sich gezeigt, daß erfindungsgemäß solche Amine und Diamine in Frage kommen, die nicht toxisch für die eingesetzten Mikroorganismen sind und auch deren Akti vität nicht hemmen und mit Milchsäure gut kristalli sierbare Salze bilden. Insbesondere kommen als Amine und Diamine heterocyclische sekundäre Amine oder Diamine, wie z. B. Piperazin, Piperidin oder Pyrrolidin bzw. deren Salze oder Hydrate oder Derivate davon in Frage. Aber auch heterocyclische Stickstoffverbindungen mit Doppelbindungen innerhalb des Ringes oder deren De rivate, wie z. B. Imidazol oder 4-Dimethylaminopyridin, sind für das erfindungsgemäße Fermentationsverfahren geeignet, wobei diese Heterocyclen auch mit anderen Ringsystemen kondensiert oder substituiert sein können. Daneben hat sich gezeigt, daß auch Aminozucker, z. B. D- Glucosamin, erfindungsgemäß im Fermentationsverfahren einsetzbar sind.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens besteht darin, daß ein heterocyclisches sekundäres Amin, z. B. Piperazin, in konzentrierter wäßriger Lösung dem Fermentationsmedium bei der pH-Wert-Regelung als Neutralisationsmittel zugesetzt wird. Die Zudosierung kann als freie Base, jedoch auch in fester Form als Pulver, Granulat etc. oder in nichtwäßriger Lösung erfolgen, aber auch als Salz (Carbonat, Hydrogencarbo nat) oder an geeignete Ionenaustauscher gebunden.

Außerdem besteht die Möglichkeit, die Neutralisierung der Milchsäure außerhalb des Fermentors vorzunehmen, z. B. im Ausgangsstrom einer mit der Fermentation ge koppelten Elektrodialyse- oder Ionenaustauscher-Stufe. Für diesen Fall ist es nicht unbedingt erforderlich, daß ein für die Mikroorganismen nichttoxisches Amin eingesetzt wird, da die Biomasse in der Regel bereits in einer davorliegenden Ultrafiltrationsstufe abge trennt und gegebenenfalls in den Fermentor zurückge führt wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber bekannten Prozessen dadurch aus, daß keine größeren Mengen an festen Nebenprodukten oder Abfällen entstehen und daß alle Stoffausgangsströme vorwiegend in flüssiger Form im Gesamtprozeß wieder eingesetzt werden können. Auch das organische Amin kann bei der sich an die Fermentation anschließenden Cyclisierung des Aminiumlactates oder Diaminiumlactates zum Dilactid unzersetzt zurückgewonnen und wieder im Fermentationsprozeß eingesetzt werden.

Ein Verfahrensschema für eine Vorzugsvariante des erfindungsgemäßen Fermentationsverfahrens zeigt die Abbildung 2.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfin dungsgemäßen Fermentationsverfahrens wird ein Medium, das vergärbare Zucker in Mengen von 50g/l bis 150g/l und weitere Wuchsstoffe (z. B. Hefeextrakt, Pepton) und Salze enthält, mit jeweils einem Bakterienstamm der Gattungen Lactobacillus oder Streptococcus bzw. mit ihren Gemischen oder mit einem Pilzstamm der Gattung Rhizopus in bekannter Weise bei Temperaturen von 25-60°C kultiviert.

Der Hauptteil der im Prozeßverlauf gebildeten Milch säure wird im Fermentationsmedium durch die bedarfsge rechte Zugabe einer konzentrierten wäßrigen Aminlösung neutralisiert, wobei Aminiumlactat entsteht und der pH- Wert im Bereich von 4,0-8,0 vorzugsweise bei 5,0-6,5 konstant gehalten wird. Nach 10 bis 24 h, wenn der ge samte Zucker umgesetzt ist, kann der Fermentationspro zeß abgebrochen werden. Der pH-Wert wird dann durch Zu gabe des organischen Amins auf einen Wert von 4,5 bis 13,5, vorzugsweise von 5,0 bis 8,0 eingestellt.

Die Fermentationsbrühe wird anschließend über eine Ul trafiltrationszelle geleitet, wobei die gesamte Bio masse und alle anderen Feststoffanteile abgetrennt und entweder in den Fermentor zurückgeführt oder über eine Filterpresse aus dem Prozeß entfernt und als Silier hilfs- oder Futtermittel eingesetzt werden können.

Das klare Filtrat gelangt dann in eine Elektrodialyse kammer, wo eine Anreicherung aller ionischen Bestand teile, insbesondere des organischen Aminiumlactates, erfolgt. Die wäßrige Restphase, die alle nichtionischen Nährlösungsbestandteile und einen geringen Teil Amini umlactat enthält, kann ebenfalls in die Fermentations stufe zurückgeleitet werden.

Eine weitere Aufkonzentrierung des organischen Aminium lactates im Elektrodialysat erfolgt durch Umkehrosmose, gegebenenfalls gekoppelt mit einer fraktionierten Kri stallisation des Produktes. Dabei lassen sich auch an organische Ionen aus der Aminiumlactatlösung abtrennen. Der produktarme Teilstrom aus der Umkehrosmose wird in die Elektrodialyse-Stufe recyclisiert. Dieser Vorgang ist gegebenenfalls zu wiederholen.

Die gesammelten Aminiumlactat-Konzentrate werden vor zugsweise unter Vakuum entwässert, in einem geeigneten Lösungsmittel, wie z. B. Alkohol, Ethylenglycolmono bzw. Ethylenglycoldialkylether (C₁ bis C₅-Glycol ether), Acetonitril, Essigsäurealkylester, Dioxan, DMSO oder DMF gegebenenfalls unter Erwärmen gelöst und von ausfallenden Niederschlägen durch Filtration befreit. Aus den klaren Lösungen wird dann das organische Amini umlactat in kristalliner Form erhalten.

Das erfindungsgemäße Fermentationsverfahren zeichnet sich gegenüber bekannten Prozessen durch den Wegfall von umweltbelastenden festen Abfällen und durch nur schwachbelastete Abwässer aus. Es sind keine mehrfachen Umsalzungen notwendig und Milchsäureverluste durch vo luminöse Niederschläge und unkontrollierte Polymerisa tion bei der Produktaufkonzentrierung entfallen. Die mengenmäßig geringen Filtrationsrückstände lassen sich zusammen als Silierhilfs- oder Futtermittel verwenden. Auch eine Entsorgung durch Verbrennung ist möglich. Beide im Prozeßschema angeführten Feststoffabtrennungen können zeitlich versetzt in der gleichen Vorrichtung durchgeführt werden. Zur Entlastung des Stoffkreislau fes gelangt das Elektrodialysat gegebenenfalls auch direkt in die Verdampfung. Der Fermentationsprozeß kann diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuier lich ablaufen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Fermentationsverfahrens und durch Anwendung geeigneter Stämme gelingt es pro blemlos, optisch reine Aminiumlactate bzw. Diamonium dilactate oder definierte Gemische ihrer D- und L-Formen unter völligem Ausschluß von oligomeren Milchsäurever bindungen zu isolieren, die bei der Aufkonzentrierung von Milchsäure zwangsläufig entstehen und bei der Di lactid-Synthese hinderlich sein können. Damit steht für die nachfolgende Dilactid-Synthese ein genau definier ter Ausgangsstoff zur Verfügung.

Anschließend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie len näher erläutert werden, ohne sie jedoch darauf zu beschränken.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Allgemeine Darstellung von racemischem und optisch rei nem 1,4-Piperazonium-dilactat und 1,4-(Alkyl piperazonium)-dilactat aus wäßriger Milchsäurelösung

Ca. 100 g einer wäßrigen Milchsäurelösung [Anteil an Milchsäure (R¹ = H; R² = CH₃) < 70%; enthält u. a. Kon densationsprodukte, wie Lactoylmilchsäure und Poly milchsäure] werden in einem schlanken 1 l-Reaktions gefäß mit Bodenablaßeinrichtung, Kühlmantel, Rührer und Innenthermometer unter gutem Rühren mit der ca. halben molaren Menge an gepulvertem Piperazin (R³ bis R¹⁰ = H) bzw. Alkylpiperazin (R³ bis R¹⁰ =Alkyl) in Form der freien Amine bzw. ihrer Hydrate versetzt, wobei die Reaktionsrauminnentemperatur 80°C nicht übersteigen soll.

[Die Reaktionswärme kann je nach Ansatzgröße und einge setztem Piperazin 95°C übersteigen. Unter Umständen kann es sinnvoll sein, den Reaktor nicht zu kühlen, da zum einen auf diese Weise das Wasser zu einem großen Teil entfernt, und zum anderen die Reaktionswärme z. B. zum Erwärmen der Kristallisationsmittel positiv genutzt werden kann. Dies führt jedoch, je nach Ansatz und Reinheit der Einsatzprodukte zu einer mehr oder minder starken CO₂-Entwicklung, was wiederum zu Lasten der Ausbeuten geht.]

Nach Beendigung der Zugabe erstarrt die Mischung je nach Wasser- und Polymerengehalt der Ausgangslösungen zu einer festen, wachsartigen oder öligen Masse. Man läßt etwas stehen bis sich die Konsistenz der Mischung nicht mehr sichtbar verändert. Nach Zugabe von ca. 350 ml technischem Ethylenglycolmonobutylether bzw. al ternativ einem C₂-C₄-Ethylenglycolmonoalkyl- oder Ethylenglycoldialkylether) wird langsam auf 70-75°C erwärmt, bis die Lösung klar ist. Bildet sich in der noch heißen Lösung ein Bodensatz, wird dieser entfernt und das noch warme Filtrat dem Reaktor zugeführt und b.B. die gesamte Lösung durch Erwärmen geklärt. Nach Abkühlen tritt sehr schnell Kristallisation ein.

[Ist die Lösung stark dunkel (gelb bis braun) gefärbt, wird die Lösung unter Zugabe von Aktivkohle und/oder Molsieb 4A ca. 20 min bei 80°C gerührt und nach Entfer nen der Absorbentien nach AAV weiterverarbeitet. Bei sehr starken Verunreinigungen, vor allem bei öligen dunklen Reaktionsprodukten wird in trockenem Ethanol gelöst, mit Aktivkohle und Molsieb versetzt, 30 min un ter Rückfluß erhitzt und über Nacht stehengelassen. Nach Filtrieren der Lösung und destillativer Entfernung des Lösungsmittels wird der Rückstand aus Ethylengly colmonobutylether oder einem C₂-C₄-Ethylenglycolmono alkyl- oder Ethylenglycoldialkylether bei ca. 70°C um kristallisiert.]

Es wird abgesaugt oder filtriert, der Rückstand mit Diethylether oder einem niederen Glycolether gewaschen und nach an sich üblichen Methoden an der Luft, im Luft- oder Inertgasstrom oder im Vakuum über einem was serabsorbierenden Mittel getrocknet. Es wird aus C₂-C₄- Ethylenglycolmono- oder Ethylenglycoldialkylether, Di oxan, Essigsäureethylester bzw. Acetonitril umkristal lisiert ( vgl. Tabelle 1).

Beispiel 2 1,4-Piperazonium-(D,L)-dilactat

103.50 g 85%iger D,L-Milchsäure (1.0 mol reine Milch säure) werden in einem schmalen, zylinderförmigen 3 l- Reaktionsgefäß (mit Bodenstutzen, Innenthermometer, Rührer ) vorgelegt und unter Rühren mit 43.07 g (0.5 mol) wasserfreiem Piperazin versetzt, wobei die Temperatur sehr schnell auf 98°C steigt und Wasser zu einem Teil abdampft. Man läßt unter Rühren abkühlen, wobei die Mischung bei ca. 55°C zähflüssig (aber noch gut rührbar) wird und bei 40°C zu erstarren beginnt. Die feste wachsartige Masse wird mit 2,3 Liter techni schem Acetonitril versetzt und unter Rühren zum Sieden erhitzt. Bleibt nach Beendigung des Rührvorganges ein Bodensatz zurück, so wird dieser über den Reaktorabfluß entfernt, heiß filtriert und das Filtrat der Lösung im Reaktor zugeführt. Man läßt den Reaktor abkühlen, wobei das Piperazin-dilactat auskristallisiert. Man entfernt das Lösungsmittel und wäscht unter Rühren den Kristall brei mit 100 ml 30-35°C warmen Ethylenglycolmono ethylether. Es wird abgesaugt oder filtriert, mit kal tem Ethylenglycolmonoethylether gewaschen und an der Luft oder im Vakuum getrocknet. Man erhält 124.5 g (94.5%) luftgetrocknetes 1,4-Piperazonium- (D,L) -dilac tat in schönen weißen Nadeln mit einem Schmelzbereich von 109-111°C. Nach Umkristallisieren aus Ethylen glycolmonobutylether bei einer Temperatur von 70°C und Trocknen i. Vak. über P₄O₁₀ schmilzt das Lactat im Be reich von 110-111°C.

Beispiel 3 1,4-Piperazonium-(D,D)-dilactat

100.0 g 90%iger wäßriger D(-)-Milchsäure-Lösung (Stereochemische Reinheit: 97%) werden in einem schlanken 1l-Reaktionsgefäß mit Ablaßeinrichtung (ev. Kühlmantel), Rührer und Innenthermometer eingewo gen. Unter gutem Rühren versetzt man die Lösung por tionsweise mit 57.0 g (0.5 mol) gepulvertem Piperazin (trans-Isomerengehalt < 92%; Fp.: 111-113°C) und zwar so, daß die Temperatur 80°C nicht übersteigt (evt. Küh len). Nach Beendigung der Zugabe erstarrt die Mischung sehr schnell zu einer wachsartigen weißen Masse (bei T: ca. 45°C). Man läßt etwas stehen und löst die Masse unter Rühren in 350 ml ca. 55°C warmem Ethylenglycol monobutylether (EGBE). Die Mischung wird unter Rühren auf 70°C erwärmt und nach Entfernen des Bodensatzes stehengelassen, wobei Kristallisation eintritt. Durch Kühlung des Reaktormantels kann die Kristallisation be schleunigt werden. Es wird abgesaugt oder filtriert, mit Diethylether gewaschen und nach üblichen Verfahren an der Luft oder im Vakuum über einer wasserabsorbie renden Substanz getrocknet. Man erhält 115.5 g (78.6%) farblose bis weiße Nadeln an Piperazonium-(D,D)-dilac tat mit einem Schmelzpunkt von 108-110°C [( CH₃CN) Fp.: 111-112°C] und einem spezifischen Drehwinkel [α] von +3,8.

Es kann aus Acetonitril, Dioxan, Essigsäureethylester sowie Ethylenglycolmono- und Ethylenglycoldialkylether umkristallisiert werden.

Tabelle 2

Elementaranalyse: C₁₀H₂₂N₂O₆ (266.30)

Beispiel 4 1,4-(2,5-Dimethywiperazonium)-(D,D)-dilactat

100.0 g 90%iger wäßriger D(-)-Milchsäure-Lösung (Stereochemische Reinheit: 97%) werden in einem schlan ken 1 l-Reaktionsgefäß mit Ablaßeinrichtung (ev. Kühl mantel), Rührer, und Innenthermometer eingewogen. Unter gutem Rühren versetzt man die Lösung mit 57.0 g gepul vertem 2,5-Dimethylpiperazin (trans-Isomerengehalt < 92 %; Fp.: 111-113°C) wobei die Temperatur auf ca. 70°C steigt und rasch zu einer wachsartigen weißen Masse (bei T: ca. 45°C) erstarrt. Steigt die Innentemperatur über 80°C sollte das Reaktionsgefäß gekühlt werden. Man läßt etwas stehen und löst die Masse unter Rühren in 350 ml ca. 55°C warmem Ethylenglycolmonobutylether (EGBE). Die Mischung wird unter Rühren auf 70°C er wärmt, der Bodensatz entfernt und stehengelassen, wobei Kristallisation eintritt. Durch Kühlung des Reaktorman tels kann die Kristallisation beschleunigt werden. Es wird abgesaugt oder filtriert, mit Diethylether gewa schen und nach üblichen Verfahren an der Luft oder im Vakuum über einer wasserabsorbierenden Substanz ge trocknet. Man erhält 122 g (83%) transparente bis weiße Kristalle an luftgetrocknetem 1,4-(2,5-Dimethyl piperazonium)-(D,D)-dilactat mit einem Schmelzpunkt von 138-140°C und einem spezifischen Drehwinkel [α] von +7.4 (vgl. Tabelle 1)

Tabelle 3

Elementaranalyse: C₁₂H₂₆N₂O₆ (294.35)

Beispiel 5 1,4-Piperazonium-di-lactat aus dünnen wäßrigen Milchsäurelösungen Beispiel 5/1 1,4-Piperazonium-(L,L)-dilactat aus einer 50%igen wäß rigen L(+)-Milchsäurelösung

510 g einer ca. 50%igen wäßrigen L(+)-Milchsäurelösung (enthält u. a. Kondensationsprodukte, wie Lactoylmilch säure und Polymilchsäure und Wasser) werden in einem 2,5 l Reaktionsgefäß mit Bodenablaßeinrichtung (evt. Kühlmantel), Innenthermometer, Rührer und Wasserab scheidersystem unter Rühren mit 275 g (1.42 mol) pul verisiertem Piperazin-6-hydrat versetzt, wobei die Tem peratur auf ca. 45°C ansteigt. Nach Zugabe von ca. 650 g technischem Benzen werden unter Rühren und Er wärmen ca. 670 ml Wasser sehr schnell azeotrop am Was serabscheider abdestilliert. Man engt die Reaktions lösung durch Destillation von Benzen ein (ca. 400- 450 ml), bis die Masse zu kristallisieren beginnt. Das Salz erstarrt zu plastischen transparenten Klumpen, das restliche Lösungsmittel wird über das Bodenventil abge nommen. Die Masse wird im Reaktionsgefäß mit 1200 ml Etylenglycolmonobutylether (alternativ, -propylether, -ethylether) versetzt und unter Rühren auf 60°C erwärmt; das Produkt löst sich. Man erwärmt auf 70-75°C bis die Lösung klar ist und entfernt den Bodensatz durch Filtration. Nach Zugabe des Filtrates zur restlichen noch warmen Reaktionslösung läßt man auskristallisieren. Zur Verfeinerung der Kristallisation wird die Lösung noch einmal bis zur Klare erwärmt und ohne Kühlung stehengelassen. Das Kristallisationsmedium wird abgelassen und das Salz mit Diethylether (bzw. einem C₃-C₅-Diether) gewaschen, über einem Filter oder Fritte abgesaugt, evt. mit Ether nachgewaschen und nach den üblichen Methoden getrocknet. Man erhält 326 g (86,8% bez. auf theor. Einwaage reiner Milchsäure) luftgetrocknetes 1,4- Piperazonium-(L,L)-dilactat mit einem Schmelzbereich von 104-114°C. Nach Trocknen im Vakuum über P₄O₁₀ wird ein Schmelzbereich von 111-113°C und ein spezifischer Drehwinkel [α] von -3,1 erhalten.

Beispiel 5/2 1,4-Piperazonium-(D,L)-dilactat aus einer 10%igen wäß rigen (D,L)-Milchsäurelösung

1100 g einer ca. 10%igen wäßrigen D,L-Milchsäurelösung (bestehend aus einem nicht optisch aktiven Isomeren gemisch von (DL)-2-Hydroxypropionsäure, ihren Kondensa tionsprodukten, wie Lactoylmilchsäure und Polymilch säure und Wasser) werden in einem 3 l Reaktionsgefäß mit Bodenablaßeinrichtung (evt. Kühlmantel), Innenthermometer, Rührer und Wasserabscheidersystem unter Rühren mit 52.6 g (0.61 mol) pulverisiertem Piperazin (wasserfrei) versetzt, wobei die Temperatur auf ca. 35°C ansteigt. Nach Zugabe von ca. 900 g tech nischem Benzen werden unter Rühren und Erwärmen ca. 990 ml Wasser sehr schnell azeotrop am Wasserabscheider abdestilliert und wie unter Beispiel 5/1 aufgearbeitet. Man erhält 126 g (77,6% bez. auf theor. Einwaage reiner Milchsäure) luftgetrocknetes 1,4-Piperazonium-(D,L)- dilactat mit einem Schmelzbereich von 108-110°C. Nach Trocknen im Vakuum über P₄O₁₀ von 110-111°C.

Beispiel 6 1,4-Piperazonium-diglycolat und 1,4-(2,5-Dimethyl piperazonium)-diglycolat

200.00 g 80%iger wäßriger Glycolsäure (2.1 mol Glycol säure) werden in einem 500 ml Reaktionsgefäß mit In nenthermometer, Rührer (bei nachgeschalteter Kristalli sation im Reaktionskolben 2,5 l Reaktionsgefäß mit Ablaufventil bzw. abnehmbarem Reaktorboden) eingewogen und unter gutem Rühren mit 1.05 mol pulverisiertem Piperazinderivat der Formel 111 oder IV: (90.45 g Piperazin; R³-R¹⁰=H); (119.9 g 2,5 Dimethylpiperazin R³,R¹⁰=CH₃; R⁴ bis R⁹=H); (203.9 g Piperazin-Hexahydrat, R³-R¹⁰=H, X=OH^-) versetzt, wobei die Temperatur unter Gasentwicklung sehr schnell auf über 105°C ansteigt.

[Die Gasentwicklung (CO₂) kann durch Kühlung (Reaktionsgefäß mit Kühlmantel) verhindert bzw. einge schränkt werden (T:< 80°C); ohne Kühlung sind die Aus beuten etwas geringer, jedoch läßt sich so das Wasser problemlos durch Verdampfen entfernen und die Produkte fallen in für viele Anwendungen genügender Reinheit als Feststoffe an. Gleichfalls kann die Reaktionswärme durch das Kristallisations-Lösungsmittel genutzt wer den.]. Nach Stehenlassen tritt sehr schnell Kristalli sation zu einer festen lösungsmittelfreien Masse ein. Der Feststoff wird nach den üblichen Methoden getrock net und kann aus Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Ethanol/H₂0: 15 : 1 oder Propanol/H₂0: 15 : 1 umkristallisiert werden (vgl. Tabelle 1).

Umkristallisation auf Dimethylformamid (DMF):
50 g eines aus 80%iger Glycolsäure und 2,5-Dimethyl piperazin (cis- / trans-Isomerengemisch mit einem trans-Anteil von 92%) nach Beispiel 6 hergestellten und luftgetrockneten 1,4-(2,5-Dimethylpiperazonium)- diglycolat werden in 350 ml Dimethylformamid einge bracht und die Mischung unter Rühren auf 110°C erwärmt, wobei sich das Glycolat vollständig und klar löst. Ist die Lösung trübe oder bleibt ein Bodensatz zurück, wird heiß filtriert. Nach Auskristallisieren wird das Pro dukt abgesaugt oder filtriert, mit Diethylether bzw. einem C₃-C₅-Diether gewaschen und an der Luft oder im Vakuum über P₄O₁₀ getrocknet. Nach Trocknen über P₄O₁₀ erhält man 48.3 g eines sehr reinen 1,4-(2,5-Dimethyl piperazonium)-diglycolates mit einem Schmelzpunkt von 181-82°C.

Tabelle 4

Charakteristische Daten nach Beispiel 6 dargestellter Piperazonium-diglycolate

Beispiel 7 1,4-Piperazonium-dilactat aus Calziumlactat

14.0 g Calzium-(D,L)-lactat-5-hydrat (= 46.0 mmol Cal ziumlactat) werden in einem schlanken 200 ml Reaktions gefäß mit Ablaßeinrichtung, Kühlmantel, Rührer, Rück flußkühler und Innenthermometer eingewogen und unter gutem Rühren mit 9.0 g ca. 50%iger Schwefelsäure und anschließend mit 50 ml Methanol versetzt. Nach Zugabe von 4.0 g (46.0 mmol) pulverisiertem Piperazin (Wärmeentwicklung) wird 10 min gerührt und die Lösung mit weiteren 50 ml Methanol versetzt. Nach Abtrennen des Rückstandes entfernt man das Lösungsmittel destil lativ, versetzt den Rückstand mit 60 ml Ethylenglycol monobutylether und kristallisiert bei 70°C um. Es wird filtriert oder abgesaugt, der Rückstand mit Diethylether gewaschen und an der Luft oder im Vakuum getrocknet. Man erhält 9.06 g (74%) weiße Nadeln an 1,4-Piperazonium-(D,L)-dilactat mit einem Schmelzpunkt von 107-110°C; nach Trocknen im Vakuum über P₄O₁₀ von 109-111°C.

Beispiel 8 (D,L)-3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion

100 g 1,4-Piperazdnium-(D,L)-dilactat mit einem Schmelzbereich von 108-10°C werden in einem ca. 700 ml beheizbaren Reaktor mit Gaseinleitungsrohr, Rührer, In nenthermometer und beheizbarer ca. 50 cm langer Destil lationsbrücke, welche mit einem Abscheidersystem (Rührbehälter mit Kühlmantel und Ablaßventil, Rührer, sowie einem Intensivkühler mit anschließendem Kühlfal lensystem) verbunden ist, vorgelegt und unter Rühren und leichtem Inertgasstrom auf 110-120°C erwärmt, bis sich das Lactat zu einer klaren gut flüssigen Schmelze löst. Man rührt unter leichtem Inertgasstrom bei dieser Temperatur und versetzt die Schmelze mit einem gut getrockneten, fein pulverisierten Gemisch aus 20 g Zinn-(II)-chlorid (SnCl₂) und 7 g Calziumchlorid (CaCl₂) sowie 1 g Zinnoctanoat. Man rührt die Suspen sion 10 min bei 125°C und steigert dann langsam die Badtemperatur unter Erhöhung der Gaseinleitungsge schwindigkeit, bis sich die ersten Wassertropfen am Brückenkopf bilden. Das Reaktionswasser wird über die inzwischen auf 150°C erwärmte Brücke in das mit Aceton gefüllte und gerührte Auffanggefäß abdestilliert. Nach Beendigung der Vorlaufabnahme (Fraktion: 85°C bis ca. 150°C) wird die Brücke kurz ausgeheizt, das Auffang gefäß gelehrt und neu mit trockenem Aceton gefüllt. Als nächste Fraktion (Hauptfraktion) wird in gleicher Weise alles abgenommen, was die Brückentemperaturmeßstelle bei einer Temperatur zwischen 170 und 220°C passiert; dabei wird der Reaktoroberraum sowie das Brückenvorder teil bei einer Manteltemperatur von 200°C gehalten. Das unter Rühren in Aceton gelöste Produkt wird über einem Filter abgenommen, vom Lösungsmittel befreit und aus Ethylenglycolmonobutylether, wie im folgenden Beispiel 9 beschrieben, umkristallisiert. Man erhält auf diese Weise 29 g (D,L)-3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion mit einem Schmelzbereich von 116-121°C.

Beispiel 9 Reinigung von 3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion

100.0 g D,L-3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion (D,L-Di lactid) mit einem Schmelzbereich von 120-26°C und einem pH-Wert von 5,8 [gemessen in trockenem Methanol] werden in 250 ml Ethylenglycolmonoethylether (Synthesequalität) unter Rühren auf ca. 70°C erwärmt bis die Lösung klar ist. Ein Bodensatz wird durch Heißfiltration entfernt, die Lösung noch einmal bis zur Klare erwärmt und stehengelassen, wobei bei 45°C die Kristallisation beginnt. Es wird abgesaugt, mit Diethylether gewaschen und im Vakuum über P₄O₁₀ getrocknet. Man erhält 81.0 g reines D,L-3,6-Dimethyl- 1,4-dioxan-2,5-dion mit einem Schmelzpunkt von 117°C und einem pH-Wert [gemessen in trockenem Methanol] von 7.0. Nach 4-wöchigem Stehenlassen unter Normalbedingungen, in einer Plastikflasche, hat das Produkt einen Schmelzbereich von 117-19°C bei einem pH-Wert [gemessen in trockenem Methanol] von 6.8.

Beispiel 10

Eine Lösung von 5 g Pepton, 5 g Hefeextrakt, 2,0 g Ammoniumphosphat, 1 g Kaliumhydrogenphosphat in 1 l Leitungswasser und das gleiche Volumen einer 17%igen Glucoselösung werden getrennt sterilisiert und dann zu sammen in einen Rührfermentor gegeben. Der pH-Wert die ses Mediums wird auf einen Wert von 6,0 eingestellt und mit 30 ml einer im Schüttelkolben vorgezüchteten Kultur von Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii (DSM 20074) beimpft. Die Fermentationstemperatur beträgt 33°C. Die im Verlauf des Prozesses durch die Milchsäu rebildung verursachte Acidität im Fermentationsmedium wird mit Hilfe einer automatischen pH-Regulierung durch Zugabe einer 15%igen wäßrigen Piperazinlösung kompen siert. Nach 48 h ist der gesamte vorgelegte Zucker ver braucht, und der Prozeß wird abgebrochen. Die Fermenta tionslösung enthält nun 154 g D (-)-Milchsäure und 147 g Piperazin. Das entspricht einer Ausbeute an Rohmilch säure von 90,6%. Letztere liegt in der Lösung als Mono lactat des Piperazins vor.

Die Fermentationsbrühe wird durch eine Ultra filtrationseinrichtung geleitet und so von der Biomasse befreit. Das in der klaren Lösung befindliche Piperazonium-(D-)-lactat kann dann mit Hilfe einer ge koppelten Elektrodialyse-Umkehrosmose-Stufe vorgerei nigt und aufkonzentriert werden. Die daraus resultie rende 50%ige Piperazonium-(D)-lactat-Lösung gelangt in die Eindampfung, wo unter Vakuum der Hauptteil des Was sers entfernt wird. Der Rückstand wird in 2 l Ethanol (99%) aufgenommen. Aus der filtrierten Lösung erhält man nach dem Einengen 250 g Piperazin-(D)-Lactat als Rohprodukt.

Beispiel 11

Eine Lösung von 5 g Pepton, 5 g Hefeextrakt, 2,0 Ammoniumphosphat, 1 g Kaliumhydrogenphosphat in 1 l Leitungswasser und das gleiche Volumen einer 19%igen Glucoselösung werden getrennt sterilisiert und dann zu sammen in einen Rührfermentor gegeben. Der pH-Wert die ses Mediums wird auf einen Wert von 5,0 eingestellt und mit 30 ml einer im Schüttelkolben vorgezüchteten Kultur von Lactobacillus paracasel beimpft. Die Fermentationstemperatur beträgt 33°C. Die im Verlauf des Prozesses durch die Milchsäurebildung verursachte Acidität im Fermentationsmedium wird mit Hilfe einer automatischen pH-Regulierung durch Zugabe einer 15%igen wäßrigen Piperazinlösung kompensiert. Nach 48 h ist der gesamte vorgelegte Zucker verbraucht, und der Prozeß wird abgebrochen. Die Fermentationsbrühe enthält nun 175 g L(+)-Milchsäure und 85 g Piperazin. Die Ausbeute an Rohmilchsäure beträgt 92%. Milchsäure und Piperazin liegen in diesem Fall in einem Molverhältnis von 2 : 1 vor.

Nach der Aufarbeitung, die analog der in Beispiel 1 be schriebenen Prozedur erfolgt, erhält man 220 g 1,4- Piperazonium- (L, L) -dilactat als Rohprodukt.

Abb. 2: Prozeßschema des erfindungsgemäßen Fermentationsverfahrens

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von 1,4-Dioxan-2,5-dionen der allgemeinen Formel I worin R¹ und R² unabhängig voneinander Wasserstoff oder einen verzweigten oder unverzweigten Alkylrest mit 1 bis 10 C-Atomen bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß man eine α-Hydroxycarbonsäure der allgemeinen Formel II, worin R¹ und R² die o.g. Bedeutung haben, oder deren Salze oder deren Hydrate
in Lösung mit einem Piperazinderivat der allgemeinen Formel III in der R³-R¹⁰ unabhängig voneinander Wasserstoff, verzweigtes oder unverzweigtes C₁-C₁₀-Alkyl, C₁-C₁₀-Alkoxy, Aralkyl mit 1 bis 10 aliphatischen Alkylgruppen zwischen Aromat und Piperazinkörper, Aryl und durch Alkyl-, Alkoxy-,Aryl-, Halogen-, Nitro-, Cyano-, Sulfonyl- Reste substituiertes Aryl, Allyl, Ha logen, Nitril, Isonitril sowie Teile eines ankondensierten aliphatischen, aromatischen oder heterocyclischen Systems bedeuten;
oder mit einem Piperazinderivat der allgemeinen Formel IV in der R³-R¹⁰ die oben genannten Bedeutungen besitzen,
n eine Zahl zwischen 1 und 16 ist und
X ein anionischer Rest ist, vorzugs weise Hydroxid, Halogenid, wie Chlo rid, Iodid, Bromid, Fluorid, Acetat, Hydrogensulfat, Dihydrogenphosphat, Toluensulfonat oder den Rest eines assoziationsfähigen Lösungsmittels wie vorzugsweise Alkoholat, Glycolat, Alkylglycolat bedeutet
umsetzt und anschließend das entstandene Piperazonium salz der allgemeinen Formel V in der R¹-R¹⁰ die o. g. Bedeutungen besitzen,
gegebenenfalls nach Aufarbeitung und gegebenenfalls nach Umkristallisieren bei Temperaturen von 60-80°C, in Gegenwart eines Katalysators bei erhöhten Tem peraturen unter Abspaltung des Piperazoniumrestes cy clisiert, und gegebenenfalls durch Umkristallisieren reinigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Lösung der α-Hydroxycarbon säuren der allgemeinen Formel II oder deren Salze oder Hydrate beliebiger Konzentration und unter schiedlicher Reinheitsgrade mit einem Piperazin derivat gemäß der allgemeinen Formel III oder IV umsetzt, bevorzugt eine wäßrige Lösung von α- Hydroxycarbonsäuren der allgemeinen Formel II, in der R¹ und R² unabhängig voneinander Wasserstoff oder C₁-C₅-Alkyl bedeuten, deren Salze oder Hy drate.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man eine wäßrige Lösung der α- Hydroxycarbonsäure der allgemeinen Formel II oder deren Salze oder Hydrate mit einem Carbonsäure anteil von 65% ohne Wärmezufuhr, gegebenenfalls unter Kühlung, in einer Einstufenreaktion zum Piperazoniumsalz V umsetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man eine wäßrige Lösung der α- Hydroxycarbonsäuren der allgemeinen Formel II oder deren Salze oder Hydrate mit einem Carbonsäure anteil von 65% unter Erwärmen in einer Einstu fenreaktion zum Piperazoniumsalz V umsetzt und den Wasseranteil azeotrop destilliert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Cyclisierung unter Inertgasstrom und bei Temperaturen zwischen 150°C und 250°C durchführt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Piperazonium-Rest durch Salzbildung oder Konvertierung in eine Verbindung der Formel III oder IV zurückgewinnt und gegebenen falls im Verfahren gemäß Anspruch 1 wiedereinsetzt.

7. Piperazoniumsalze der allgemeinen Formel V in der R¹ bis R¹⁰ die in Anspruch 1 genannte Bedeu tung besitzen.

8. Verwendung von heterocyclischen sekundären und tertiären Aminen oder Diaminen oder von Aminozuckern zur Isolierung von α- Hydroxycarbonsäuren aus Produktionsabläufen in Industrie und Landwirtschaft und aus Fermentationsbrühen biotechnologischer α- Hydroxycarbonsäurefermentationen.

9. Verwendung gemäß Anspruch 8 zur Isolierung von Milchsäure.

10. Verwendung von Piperazoniumsalzen der allgemeinen Formel V als Synthone für stereospezifische Syn thesen.

11. Verfahren zur Herstellung von organischen Aminium lactaten oder Diaminiumdilactaten durch Fermenta tion von kohlenhydrathaltigen Substraten, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fermentationsmedium zur Neutralisierung der Milchsäure ein Amin oder Diamin zugesetzt wird, das für die eingesetzten Mi kroorganismen nicht toxisch ist und auch deren Ak tivität nicht hemmt, so daß am Ende der Fermenta tion ein pH-Wert des Fermentationsmediums von 4,5 bis 13,5 vorliegt, anschließend das Fermentations medium in an sich üblicher Weise von suspendierten Stoffen und einem Teil der gelösten Stoffe befreit wird, das Aminiumlactat oder Diaminiumdilactat im Fermentationsmedium aufkonzentriert und zuletzt in an sich üblicher Weise in kristalliner Form aus dem Konzentrat gewonnen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Amin während der Fermentation zum Konstanthalten des pH-Wertes zudosiert wird und gegebenenfalls die Zudosierung nach Beendigung des Fermentationsprozesses so lange fortgeführt wird, bis der pH-Wert des Fermentationsmediums im Bereich von 4,5 bis 13,5, vorzugsweise im Bereich von 5,0 bis 8,0 liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Amin dem Fermentationsmedium zur Neutrali sierung der Milchsäure außerhalb des Fermentors zugesetzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß als Amin oder Diamin eine sol che Verbindung eingesetzt wird, die mit Milchsäure gut kristallisierbare Salze bildet, vorzugsweise ein heterocyclisches sekundäres oder tertiäres Amin oder ein Aminozucker.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Piperazin, Imidazol, Piperidin, Pyrrolidin, 4- Dimethylaminopyridin, D-Glucosamin oder deren für die eingesetzten Mikroorganismen nicht toxischen Derivate, Salze oder Hydrate eingesetzt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die abgetrennte Biomasse oder ein Teil davon und die in der Elektrodialyse anfallende Fraktion von nicht ionischen Medien bestandteilen wieder in die Fermentationsstufe zu rückgeführt werden und der abgereicherte Stoffstrom aus der Umkehrosmose zwischen dieser und der Elektrodialyse solange zirkuliert, bis der überwiegende Anteil des organischen Lactates abgetrennt ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kristalli sation der Aminiumlactate solche Lösungsmittel eingesetzt werden, die die Ausfällung der noch in der Lactatlösung enthaltenen Nährlösungsbestand teile bewirken.