DE4404838A1 - Reinigung von Lactiden durch Schmelz-Kristallisation - Google Patents
Reinigung von Lactiden durch Schmelz-KristallisationInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schmelz-Kristallisations-
Reinigung von Lactiden, einschließlich deren optisch aktiver
Formen, wobei das Lactid im wesentlichen vollständig von Ver
unreinigungen, einschließlich hydroxylischer Verunreinigungen
wie Wasser, Monomeren und oligomeren Hydroxycarbonsäuren, die
normalerweise zusammen mit dem Lactid während seiner Herstel
lung gebildet werden, ebenso wie von anderen Verunreinigungen
wie Lösungsmitteln und Katalysatoren, befreit wird. Zusätzlich
bezieht sich die Erfindung auf die Trennung und Reinigung von
Lactiden, die in mehr als einer isomeren Form vorliegen.
Derartige Reinigungen ergeben auf einfache und schnelle Weise
Lactide von hohen und/oder gesteuerten Reinheitszuständen,
ohne die Verwendung von selektiven Lösungsmitteln, fraktio
nierter Kristallisation aus Lösungsmitteln, Destillation oder
anderen physikalischen Verfahren, die gemäß dem Stand der
Technik beschrieben werden.
Lactid (1,4-Dioxan-3,5-dimethyl-2,5-dion) ist ein Zwischen
produkt zur Herstellung hochmolekularer Polymilchsäuren, die
für biomedizinische und andere Anwendungen als nützlich offen
bart werden, da sie biologisch und hydrolytisch zu physiolo
gisch- und umweltverträglichen Nebenprodukten abgebaut werden
können.
Um die hohen Molekulargewichte zu erreichen, die für derartige
Anwendungen erforderlich sind, ist es notwendig, daß das Lac
tid im wesentlichen frei von hydroxylischen (einschließlich
hydroxycarboxylischen) Verunreinigungen ist, da derartige Ver
unreinigungen das Erreichen der erwünschten Molekulargewichte
verhindern. Es wird bevorzugt, daß der Säuregehalt des Lactids
z. B. weniger als 10 Milliäquivalente pro kg (meq/kg), noch
bevorzugter weniger als 5 meq/kg, beträgt.
Ein anderer bedeutender Faktor ist die stereoisomere Form des
Lactids. Während Milchsäure sowohl in einer D- als auch in
einer L-stereoisomeren Form existiert, hat das Lactid zusätz
lich eine Mesoform. Das Razemat aus D- und L-Lactiden, eben
falls von wirtschaftlicher Bedeutung, wird als DL-Lactid be
zeichnet. Diese isomeren Lactide haben verschiedene Stabili
täten und aus ihnen können auch Polymere mit wesentlich ver
schiedenen Eigenschaften hergestellt werden, so daß für manche
Polymer-Anwendungen das Verhältnis jeder isomeren Form in dem
Endprodukt gesteuert werden muß. Diese Verhältnisse können
entweder durch Verwendung von Verfahren gesteuert werden, die
nur ein einziges Isomer herstellen, oder durch Reinigung einer
Mischung der Isomeren. Die Reinigungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik sind aufgrund der ähnlichen physikalischen Eigen
schaften der Isomeren außerordentlich mühsam und schwierig.
Lactid wird am besten hergestellt durch Polymerisation der
entsprechenden Milchsäure zu einer Polymilchsäure von relativ
niedrigem Molekulargewicht (Oligomer), anschließendem Erwärmen
des Oligomeren, im allgemeinen in Gegenwart eines Katalysators
wie gemäß dem Stand der Technik allgemein bekannt ist, um es
zu dem Lactid zu depolymerisieren, welches dann als eine Kom
ponente eines Dampfproduktstroms zurückgewonnen wird. Siehe
Gruter et al., US 1 095 205 (1914); Lowe, US 2 668 162 (1954);
Bhatia, US 4 835 293 (1989); DeVries, US 4 797 468 (1989) und
Muller US 5 053 522 (1991), wobei auf diese Patente hierin
Bezug genommen wird.
Der Dampfproduktstrom enthält beständig nicht nur das Lactid
sondern auch flüchtige hydroxylische Verunreinigungen, unter
anderem Wasser, die monomere Milchsäure, die flüchtiger als
das Lactid ist, und häufig höher siedende Oligomere der Milch
säure, die alle unerwünscht sind, da sie das Polymerketten-
Wachstum stoppen und somit das Erreichen der gewünschten Mole
kulargewichte verhindern. Er kann auch geringe Mengen an Lö
sungsmitteln und Katalysatoren, die von vorhergehenden Ver
fahrenstufen zurückbleiben, enthalten. Typischerweise enthält
der Dampfproduktstrom mehr als 90% Lactide, einschließlich
irgendwelcher Isomere und weniger als 10% Verunreinigungen.
Das typische Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Tren
nung und Wiedergewinnung des Lactids aus dem Dampfprodukt
strom umfaßt allgemein das Waschen mit einem Lösungsmittel
oder die Kristallisation aus einem Lösungsmittel. Unter derar
tigen Bedingungen können die hydroxylischen Verunreinigungen,
insbesondere Wasser und Milchsäure, Ringöffnungsreaktionen mit
dem Lactid eingehen, wodurch eine Abnahme der Lactid-Ausbeute
und eine Zunahme der Azidität des Produkts erfolgt. Je höher
die angewendete Temperatur des Wiedergewinnungsverfahrens ist,
um so wahrscheinlicher ist es, daß eine derartige Reaktion
erfolgen wird.
Darüberhinaus ist die Zuhilfenahme eines Lösungsmittels zum
Waschen des Dampfproduktstroms zur Wiedergewinnung des cyc
lisches Esters oder zu seiner Reinigung durch Umkristallisa
tion nachteilig, da es Vorrichtungen zur Lagerung des
Lösungsmittels zu seiner Verwendung, zu seiner Reinigung und
zum Verhindern seines Entweichens in die Umgebung und zur
Verunreinigung der Umgebung benötigt, die alle in starkem Maße
die Investitions- und Betriebskosten des Verfahrens erhöhen.
Ein alternatives Verfahren, die Reinigung und Wiedergewinnung
des Lactids durch Destillation und Kondensation, hat den Nach
teil, daß häufig ein bedeutender Produktverlust damit verbun
den ist, offensichtlich aufgrund der Reaktion des Wassers und
anderer hydroxylischer Säure-Verunreinigungen mit der Milch
säure bei Destillations-Temperaturen. Auch kann in der sauren
Umgebung bei hoher Temperatur Korrosion der Destillationsan
lage zur Metallionenbildung führen, die wiederum vorzeitige
Lactid-Polymerisation in der Ausrüstung selbst katalysieren
kann.
Die Trennung der Lactide, die in mehr als einer isomeren Form
vorliegen, ist sogar noch schwieriger und beinhaltet häufig
eine Kombination aus mehrfachen Lösungsmittel-Umkristallisa
tionen und fraktionierten Destillationen.
Schmelz-Kristallisations-Techniken wurden zuweilen für die
Reinigung von bestimmten organischen Verbindungen verwendet.
Die Brauchbarkeit dieses Verfahrens kann jedoch nicht leicht
vorausgesagt werden. Es hängt nicht nur von den Gefrierpunkten
des erwünschten Produkts, seinen Verunreinigungen und deren
Mischungen mit dem Produkt ab, d. h., ob die Verunreinigungen
eine eutektische Mischung oder eine feste Lösung mit dem zu
reinigenden Produkt bilden, sondern auch von der Struktur der
gebildeten Kristalle und somit von ihrer Neigung Verunreini
gungen einzuschließen. Darüberhinaus hängt die Größe und
Produktivität der Kristallisations-Ausrüstung von der Ge
schwindigkeit, mit der geeignete Kristalle gebildet werden,
ohne Einschluß der Verunreinigungen in der Kristallstruktur
ab. Kürzlich wurde in einem Review-Artikel über diese Tech
nologie (Wynn, "Separate Organics by Melt Crystallization",
Chemical Engineering Progress, März 1992, Seiten 52-60) be
merkt: " Unglücklichweise sind bei der Schmelz-Kristallisation
die kritischen Stufen geschwindigkeitsabhängig. Sie können
nicht genau von der Theorie vorhergesagt werden. Laboratori
ums- oder Pilotanlagen-Daten müssen vorliegen, sogar bevor
Verfahrenseignung festgelegt werden kann".
Weitere Schwierigkeiten können in Fällen auftreten, in denen
Verunreinigungen mit dem zu reinigenden Material reagieren,
wie es der Fall bei dem typischerweise unreinen Lactid ist,
wodurch die Durchführbarkeit dieses Lösungsweges sogar noch
weniger vorhersehbar gemacht wird.
Somit besteht eine Notwendigkeit für ein neues und verbesser
tes, lösungsmittelfreies Verfahren zur Lactid-Reinigung, ins
besondere solcher Lactide, die mit geringeren Mengen derarti
ger hydroxylischer Verunreinigungen wie Wasser, monomerer
Milchsäure und deren Oligomeren verunreinigt sind, welches die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik minimiert, während es auf einfache und schnelle Weise die Lactide in ho her Reinheit zur Herstellung von hochmolekularen Polymeren bereitstellt. Zusätzlich besteht eine Notwendigkeit für ein lö sungsmittelfreies Verfahren zur Trennung isomerer Formen der artiger Lactide aus ihren Isomeren, wodurch die Herstellung eines Produkts mit einer gesteuerten Verteilung der Isomeren ermöglicht wird.
Milchsäure und deren Oligomeren verunreinigt sind, welches die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik minimiert, während es auf einfache und schnelle Weise die Lactide in ho her Reinheit zur Herstellung von hochmolekularen Polymeren bereitstellt. Zusätzlich besteht eine Notwendigkeit für ein lö sungsmittelfreies Verfahren zur Trennung isomerer Formen der artiger Lactide aus ihren Isomeren, wodurch die Herstellung eines Produkts mit einer gesteuerten Verteilung der Isomeren ermöglicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Reinigung und
Wiedergewinnung von Lactid aus Mischungen, die hydroxylische
und/oder andere Verunreinigungen enthalten, ohne die Verwen
dung eines Lösungsmittels, bereitzustellen. Eine weitere Auf
gabe der Erfindung ist es, Materialien von Polymer-Qualität
bereitzustellen, die niedrigere Konzentrationen an sauren
Verunreinigungen aufweisen und/oder eine gesteuerte Isomer-
Zusammensetzung haben. Noch eine andere Aufgabe ist es, ein
Verfahren bereitzustellen, in welchem diese Reinigung und
Wiedergewinnung der Materialien von Polymer-Qualität durch
Schmelz-Kristallisation durchgeführt wird.
Die Erfindung ist ein im wesentlichen lösungsmittelfreies Ver
fahren für die Reinigung und Wiedergewinnung von Lactiden aus
einer nicht-eutektischen Mischung, umfassend ein geschmolzenes
oder festes Lactid und geringere Anteile einer oder mehrerer
Verunreinigungen wie hydroxylische Verunreinigungen oder an
derer Verunreinigungen durch eine oder mehrere Schmelz-Kri
stallisationsstufen. In einer anderen Ausführungsform ist die
Erfindung ein im wesentlichen lösungsmittelfreies Verfahren
für die Reinigung und Wiedergewinnung eines Lactids aus einer
Mischung von isomeren Formen durch eine oder mehrere Schmelz-
Kristallisationsstufen. Jede dieser obigen Schmelz-Kristalli
sationsstufen umfaßt:
Abkühlen einer geschmolzenen Lactid-Mischung auf den Gefrierpunkt des Lactids oder etwas darunter, teilweises Kristallisieren der Schmelze und Bildung einer festen Phase mit geringerem Verunreinigungsgehalt und einer flüssigen Phase mit höherem Verunreinigungsgehalt und anschließendes Trennen der festen Phase von der flüs sigen Phase. Wahlweise kann eine feste Phase von noch höhere Reinheit durch ein Verfahren erhalten werden, das allgemein als "Ausschwitzen" bezeichnet wird: stufenwei ses Erwärmen der festen Phase aus der Schmelz-Kristalli sationsstufe auf eine Temperatur unterhalb des Schmelz punkts des Lactids, um zumindest einen Teil der verblei benden Verunreinigungen zusammen mit einer Minimalmenge des Lactids selektiv zu schmelzen, Abtrennen der stärker gereinigten festen Phase und weniger reinen flüssigen Phase, üblichweise Zurückführung der weniger reinen flüssigen Phase zu entweder der Schmelz-Kristallisa tions- oder Auschwitzstufe des Verfahrens.
Abkühlen einer geschmolzenen Lactid-Mischung auf den Gefrierpunkt des Lactids oder etwas darunter, teilweises Kristallisieren der Schmelze und Bildung einer festen Phase mit geringerem Verunreinigungsgehalt und einer flüssigen Phase mit höherem Verunreinigungsgehalt und anschließendes Trennen der festen Phase von der flüs sigen Phase. Wahlweise kann eine feste Phase von noch höhere Reinheit durch ein Verfahren erhalten werden, das allgemein als "Ausschwitzen" bezeichnet wird: stufenwei ses Erwärmen der festen Phase aus der Schmelz-Kristalli sationsstufe auf eine Temperatur unterhalb des Schmelz punkts des Lactids, um zumindest einen Teil der verblei benden Verunreinigungen zusammen mit einer Minimalmenge des Lactids selektiv zu schmelzen, Abtrennen der stärker gereinigten festen Phase und weniger reinen flüssigen Phase, üblichweise Zurückführung der weniger reinen flüssigen Phase zu entweder der Schmelz-Kristallisa tions- oder Auschwitzstufe des Verfahrens.
Verschiedene Arten von ansatzweiser oder kontinuierlicher
Ausrüstung sind für die Schmelz-Kristallisation und das Aus
schwitzen als nützlich bekannt und können für diese Stufen
angewendet werden. Wahlweise kann das vorstehend genannte
Schmelz-Reinigungs-Verfahren durch Zonen-Schmelzen durchge
führt werden, bei dem eine geschmolzene Zone durch Erwärmen
einer engen Zone eines festen Lactids gebildet wird, wobei
diese Zone dann entlang des festen Materials unter Mitnahme
der Verunreinigungen bewegt wird.
Das obige allgemeine Verfahren zur Schmelz-Kristallisation
kann durch den Fachmann variiert werden, um ein Maximum an
Ausrüstungsproduktivität, Produktreinheit oder Ausbeute durch
sorgfältiges Anpassen der Kristallisations- oder Ausschwitz-
Temperaturen zu erreichen und durch Anpassen der Geschwindig
keit des Abkühlens während der Kristallisation und der Auf
heizgeschwindigkeit während des Schwitzens. Alternativ kann
die Reihenfolge Schmelzen, teilweises Kristallisieren, um eine
flüssige und feste Phase zu bilden, wahlweises Ausschwitzen
der festen Phase und Trennung der festen und flüssigen Phasen
wiederholt werden, bis der gewünschte Reinheitsgrad erreicht
wird. Die flüssige Phase, die aus der anfänglichen Kristalli
sationsstufe stammt, kann verschiedenen Verfahren zur Wieder
gewinnung von wertvollen Materialien oder um eine teilweise
Rückführung zum Kristallisations-Verfahren zur Erhöhung der
Ausbeute, unterworfen werden.
Unter einem im wesentlichen lösungsmittelfreien Reinigungs-
und Wiedergewinnungsverfahren wird die Behandlung von festen
Lactid-Zusammensetzungen verstanden, die zwischen 0 und 200°C
schmelzen und weniger als 20 Gew.-% eines inerten organischen
Lösungsmittels enthalten, das mit der Lactid-Komponente nicht
reagiert oder ein Verfahren, bei dem eine geringe Menge eines
derartigen Lösungsmittels mit dem obigen kristallinen Kuchen
in-Kontakt-kommt, um die Entfernung von eingeschlossener Flüs
sigkeit zu erleichtern. Vorzugsweise schmilzt die Lactid-Zu
sammensetzung zwischen 40 und 160°C, hat eine Reinheit, die
Lactide und Isomere von mehr als 70 Gew.-% umfaßt, und weniger
als etwa 10 Gew.-% eines nicht-reaktiven organischen Lösungs
mittels enthält und noch bevorzugter eine Lactid-Reinheit von
mehr als 90% hat und im wesentlichen frei von einem derarti
gen Lösungsmittel ist.
Unter einer nicht-eutektischen Lactid-Zuammensetzung wird eine
Zuammensetzung verstanden, die nicht einer niedrig schmelzen
den eutektischen Zuammensetzung der isomeren Formen der gege
benenfalls vorliegenden Lactide oder dieser Lactide zusammen
mit den vorliegenden hydroxylischen und anderen Verunreinigun
gen entspricht.
Die obigen Lactid-Zuammensetzungen sind daher dadurch gekenn
zeichnet, daß das gewünschte gereinigte Lactid einen höheren
Schmelzpunkt als die Mischung des Lactids mit ihren Verunrei
nigungen hat. Z.B. schmelzen die beiden reinen L- und D-Lacti
de bei 97°C, während die physikalische 50 : 50-Mischung von
beiden, das sogenannte DL-Lactid, bei 127°C schmilzt. Demge
genüber gibt es zwei eutektische Zusammensetzungen bei 80 : 20
und 20 : 80-Verhältnissen von D- und L-Lactid, die beide bei
94°C schmelzen. Demgemäß sollte, um reines L-Lactid aus einer
Mischung mit D-Lactid zu erhalten, das L-Lactid mehr als 80%
und das D-Lactid weniger als 20% umfassen, oder ein Verhält
nis von L zu D von mehr als 4 : 1 vorliegen. Gleichermaßen soll
te, um reines D-Lactid aus einer Mischung mit L-Lactid zu er
halten, das L-Lactid weniger als 20% und das D-Lactid mehr
als 80% umfassen, oder ein Verhältnis von L zu D von weniger
als 1 : 4 vorliegen. Um das DL-Lactid aus einer Mischung von D-
und L-Lactid zu erhalten, sollte die Zusammensetzung zwischen
80% und 20% jedes Isomeren umfassen, oder ein L- zu D-Ver
hältnis zwischen 4 zu 1 und 1 zu 4 vorliegen.
Die obige Zusammensetzungsbeschränkungen können etwas vari
ieren, wenn geeignete Mengen des meso-Isomeren vorliegen. In
dem Verfahren der Erfindung wird die meso-Form von den D- und
L-Isomeren entfernt, wodurch die Wiedergewinnung der meso-Form
in angereicherter Form ermöglicht wird. Diese angereicherte
Form ist für eine weitere Reinigung mittels Verfahren geeig
net, die gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, wodurch es
ermöglicht wird, sie zu Lactid-Zusammensetzungen für Polymere
hinzufügen, bei denen eine gesteuerte Menge des meso-Isomeren
erwünscht ist.
Die Erfindung basiert auf dem Befund, daß unreine Lactide
- wie definiert - durch Schmelz-Kristallisation von ihren Ver
unreinigungen, wie isomeren Formen der Lactide und von
Hydroxy-carbonsäuren und anderen Verunreinigungen, wie
Lösungsmitteln und Katalysatoren getrennt werden können,
wodurch sie als Materialien von Polymer-Qualität erhalten
werden. Das Verfahren der Erfindung ist überraschenderweise
wirkungsvoll und ökonomisch, einerseits, weil es die Ausgaben
für Lösungsmittelverwendung vermeidet, andererseits, weil es
die Neigung der Reinigungsverfahren, bei höherer Temperatur
eine Verschlechterung des Wasser-Milchsäure-Lactid-Systems
oder ionische Verunreinigung sowie verfrühte Polymerisation
des Lactid-Produkts zu verursachen, vermeidet.
Die Erfindung ist auf die Trennung und Wiedergewinnung von
Lactiden aus Zusammensetzungen anwendbar, die auch uner
wünschte Mengen an Wasser, Milchsäure und deren Oligomere um
fassen, ebenso wie auf derartige Zusammensetzungen, die Lö
sungsmittel und Katalysatoren aus vorhergehenden Reaktionsstu
fen umfassen. Sie ist besonders auf Zusammensetzungen anwend
bar, die aus der Depolymerisation von Oligomeren der Milchsäu
re und anschließender Reinigung durch Destillation stammen.
Beim Schmelzen einer festen Lactid-Mischung ist es wichtig,
daß dies bei einem Temperatur-Minimum geschieht, um Zersetzung
des Lactids zu vermeiden. Vorzugsweise sollte dies bei nicht
mehr als 1°C bis 5°C oberhalb des Lactid-Schmelzpunkts sein.
Dies kann für jedes der Stereoisomere und das Razemat variie
ren und muß vorher sorgfältig bestimmt werden.
Beim Abkühlen der geschmolzenen Mischung auf den Gefrierpunkt
des Lactids, sollte dies unter Verwendung eines Kühlmediums
nur wenig unterhalb des Gefrierpunkts des Lactids geschehen.
Eine zu große Temperaturdifferenz wird Verunreinigungen erge
ben, die gleichzeitig mit dem erwünschten reinen Produkt auf
der Wärmeübertragungsoberfläche ausgefroren werden, was zu
einer unzureichenden Reinigung führt. Die geringere Abküh
lungsgeschwindigkeit muß gegenüber der Notwendigkeit mehrfa
cher Schmelz-Kristallisationen ausgeglichen werden, um die er
wünschte Reinheit zu erlangen. Die optimalen Bedingungen hän
gen auch in gewissem Maße von der Art der Apparatur ab, die
für die Schmelz-Kristallisation verwendet wird, und sie werden
auf einfache Weise für eine bestimmte Apparatur durch den
Fachmann bestimmt.
Das obige langsame Abkühlungsverfahren sollte fortgesetzt wer
den, bis die Schmelze unter Bildung einer festen Phase mit
geringerem Verunreinigungsgehalt und einer flüssigen Phase mit
einem höheren Verunreinigungsgehalt teilweise kristallisiert
ist. Auskristallisation einer zu großen Fraktion des Ausgangs
materials wird ein Produkt ergeben, das für die Anwendung zu
unrein ist und erfordert mehrfache Umkristallisationen. Aus
kristallisation einer zu kleinen Fraktion des Ausgangsmateri
als wird Ausbeuteverluste ergeben oder die Notwendigkeit der
Rückführung einer zu großen Menge der anfänglichen Beschic
kung. Während derartige Abänderungen nicht daran hindern, das
Verfahren durchführen zu können, sind sie nicht ökonomisch in
Hinblick auf die Zeit oder die Verwendung der Ausrüstung. Das
Optimum hängt natürlich zum Teil von der Reinheit des Aus
gangsmaterials und von der erwünschten Produktreinheit sowie
von den Ausrüstungseinschränkungen ab, wird aber wiederum auf
einfache Weise für eine spezifische Arbeitsweise durch den
Fachmann bestimmt.
Zur Trennung der festen Phase von der flüssigen Phase kann
jedes gebräuchliche Verfahren zur Trennung eines Feststoffs
von einer Flüssigkeit verwendet werden. In den meisten Fällen
wird eine einfache Trennung durch die Schwerkraft d. h. Ablau
fenlassen angemessen sein. Dann kann das Produkt von der Wär
meübertragungsoberfläche durch einfaches Schmelzen entfernt
werden, wobei wiederum sorgfältig verfahren werden sollte, um
den Schmelzpunkt um höchstens einige wenige Grade zur Vermei
dung von Produktzersetzung zu überschreiten.
Eine feste Phase von noch höherer Reinheit kann durch Aus
schwitzen erhalten werden d. h. stufenweises Erwärmen der
festen Phase von der Schmelzkristallisationsstufe auf eine
Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Lactids, um wenig
stens einen Teil der verbleibenden Verunreinigungen zusammen
mit einer minimalen Menge des Lactids selektiv zu schmelzen.
Wie sorgfältig auch immer das Ausgangsprodukt auf die Wärme
übertragungsoberfläche ausgefroren wird, so wird doch eine
bestimmte Menge der nicht-gefrorenen Schmelze an der Oberflä
che haften. Zusätzlich kann etwas Material in der gefrorenen
Masse eingeschlossen werden, da die Temperatur der Kühlungs
oberfläche unterhalb des anfänglichen Gefrierpunkts des Lac
tids reduziert wurde. Das Ausschwitzverfahren entfernt sowohl
das an der Oberfläche anhaftende Material als auch einen Teil
des tatsächlich in die Kristallstruktur eingebauten Materials.
Die an diesem Punkt entfernten Ausschwitzungen liegen gewöhn
lich nur wenig unterhalb der erwünschten Produktreinheit, und
sie werden üblicherweise zur nächsten Charge frischen Materi
als zurückgeführt. Um große Kreislaufrückführungs-Erfordernis
se zu vermeiden, sollte das Ausschwitzungsverfahren langsam
und sorgfältig durchgeführt werden, vorzugsweise mittels eines
Verfahrens des kontrollierten, langsamen Erwärmens unter Ver
wendung einer Apparatur wie einem zeitprogrammierten Tempera
tur-Steuerungsgerät, das für langsame und stufenweise Tempera
turänderungen ausgerüstet ist. Eine geeignete derartige Vor
richtung ist ein digitales Temperatursteuerungsgerät.
Gemäß einer wahlweisen Abänderung der obigen Ausschwitzungs
stufe, kann eine geringe Menge einer Waschflüssigkeit oder
eines Lösungsmittels zur Entfernung des an der Oberfläche an
haftenden Materials von dem kristallisierten Feststoff verwen
det werden. Während dadurch eine weitere Komponente in das
System eingeführt wird, kann dies nicht unvorteilhaft für
Systeme sein, die bereits eine derartige Waschflüssigkeit oder
Lösungsmittel als eine vorherbestehende Verunreinigung enthal
ten oder für Systeme, die eine Waschflüssigkeit oder Lösungs
mittel in einigen späteren Stufen verwenden.
Nach der Ausschwitzungsstufe und der Entfernung der Ausschwit
zungen durch Abtropfenlassen oder andere Verfahren, kann das
gereinigte Produkt wie vorher durch Schmelzen entfernt werden.
Verschiedene Arten von ansatzweiser und kontinuierlicher Aus
rüstung können für diese Stufen verwendet werden. Ein typisch
statisches Verfahren umfaßt die Verwendung eines großen Tanks
mit mehrfachen Wärmeübertragungselementen, die zum Aufheizen
und Abkühlen bei gesteuerter Geschwindigkeit oder mit einem
gegenüber dem Material im Tank gesteuerten Geschwindigkeits
differential ausgerüstet sind. Das zu reinigende Produkt wird
einfach- geschmolzen, gefroren, abtropfen gelassen, ausge
schwitzt, wieder abtropfen gelassen, und das gereinigte Pro
dukt wird wie vorher geschmolzen. Die Ausrüstung wird einfach
automatisiert, um dadurch wenig Beobachtungszeit oder notwen
dige Laboreinrichtungen zu beanspruchen.
Ein typisches halbkontinuierliches Verfahren umfaßt die Ver
wendung vertikaler Abkühlungsrohre und ein Verfahren zum Pum
pen der geschmolzenen Rohmasse zum oberen Ende der Rohre und
Abtropfenlassen vom Boden her. Die verschiedenen Stufen werden
dann wie vorstehend beschrieben durchgeführt. Das Verfahren
kann durch verschiedene Zeiteinstellungs- und Steuerungsvor
richtungen voll automatisch gemacht werden. Eine typische Ap
paratur ist in US 3 621 664 und RE 32 242 (Sulzer) beschrie
ben, worauf hierin Bezug genommen wird. Verschiedene andere
Ausrüstungsvarianten sind in nachfolgenden Patenten durch eine
Vielzahl von Ausrüstungsherstellern beschrieben worden und
können ebenfalls für dieses Verfahren verwendet werden.
Wahlweise kann das obige Reinigungsverfahren durch Zonen
schmelzen durchgeführt werden, bei dem eine geschmolzene Zone
durch Erhitzen einer engen Zone einer festen Lactid-Mischung
gebildet wird, worauf diese Zone relativ zum festen Material,
das die Verunreinigungen mitsichführt, bewegt wird. Die kri
tischen Punkte zur Steuerung dieses Verfahrens sind die Ge
schwindigkeit der Zonenbewegung und der Zonentemperatur. Eine
zu langsame Zonenbewegung wird eine geringe Ausrüstungsproduk
tivität ergeben. Eine zu schnelle Zonenbewegung wird eine un
zureichende Reinigung ergeben. Eine zu hohe Zonentemperatur
wird unnötige Produktzersetzung ergeben. Eine Temperatur zu
nahe an dem Schmelzpunkt des zu behandelnden Materials wird zu
einer nicht angemessenen Wärmeübertragungs-Geschwindigkeit
führen und daher zu einer geringen Produktivität der Ausrü
stung. Optimale Bedingungen und die Anzahl der Zonenreini
gungsschritte hängen von der Reinheit des zu behandelnden Ma
terials und der benötigten Reinheit des Produkts ab, sie kön
nen aber auf einfache Weise durch den Fachmann bestimmt wer
den. Zonenschmelzen ist eher für Verfahren im kleinen Maßstab
als im großen Maßstab aufgrund der Notwendigkeit des physika
lischen Trennens des festen gereinigten Materials von uner
wünschtem festen Rückstand nach der Vervollständigung des Ver
fahrens geeignet.
Dieses Beispiel erläutert die Verwendung des Zonenschmelzens
für die Erfindung. Ein Glasrohr von 500 mm Länge mit einem
Innendurchmesser von 10 mm wurde teilweise mit 50 g geschmol
zenem, rohem Lactid in aufrechter Position gefüllt und man
ließ das Rohmaterial sich verfestigen. Eine Gruppe von exter
nen Heizgeräten, die zur Erzeugung von Schmelzzonen von 10 mm
Länge bestimmt sind, wurde auf eine Temperatur von 105°C ge
bracht. Das Rohr wurde durch die Gruppe von Heizgeräten und
einen anschließenden Kühler mit einer Geschwindigkeit von 30
mm pro Stunde hindurchgeführt. Nachdem 25 Hindurchführungen
erfolgt waren, um eine angemessene Gleichgewichtseinstellung
zu gewährleisten, ließ man das Rohr sich abkühlen und brach es
dann in 3 Teile entlang des gefüllten Teils, um die Analyse
des Materials an vier Stellen entlang des Rohrs durchführen zu
können, hier als A, B, C und D bezeichnet, wobei A das Materi
al an dem anfänglich erwärmten Ende des Rohrs und D das Mate
rial am Schwanzende des Rohrs darstellen. Isomerverteilung
wurde durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie unter Verwen
dung einer handelsüblichen Chiralsäule und intern entwickelten
analytischen Verfahren gemessen. Die Azidität wurde durch
Titration mit Natriummethoxid in einem trockenen Lösungsmit
tel-Medium unter Verwendung von Phenolphthalein als Indikator
gemessen. Die Ergebnisse zeigten, daß eine wirksame Trennung
der Bestandteile für jede der Proben des Rohmaterials statt
fand, wie in den nachstehenden Tabellen gezeigt wird.
In Tabelle 1 und den nachfolgenden Tabellen wurde
der Gesamtlactid-Prozentgehalt durch die Annahme abgeschätzt,
daß die einzigen Nicht-Lactid-Verunreinigungen, die oben ge
messenen sauren Bestandteile sind und daß ihr durchschnittli
ches Molekulargewicht 162 ist (entsprechend dem linearen Dime
ren der Milchsäure).
In Zone A erniedrigte sich nicht nur die Azidität von 670 auf
25 meq/kg und die entsprechende Gesamt-Lactidreinheit verbes
serte sich von 89,2% auf 99,6%, sondern auch die D-Lactid-
und meso-Lactid-Isomeren wurden vollständig aus dem L-Lactid
entfernt.
Zusätzlich erhöhte sich die meso-Lactid-Konzentration in der
letzten Zone um das fünffache gegenüber dem Anfangswert. Dies
erleichtert die weitere Reinigung des meso-Isomeren durch ge
mäß dem Stand der Technik bekannte Verfahren beträchtlich. Da
rüberhinaus kann nach dem Entfernen der sauren Verunreinigun
gen dieses Material mit hohem meso-Gehalt zu Lactid-Mischungen
vor der Polymerisation zugemischt werden, um eine gesteuerte
meso-Konzentration zu erreichen, die für bestimmte Anwendungen
wünschenswert ist.
In diesem Fall wurde wegen des Beginnens mit einer etwas
reineren Lactid-Probe in Zone A sogar eine höhere Reinheit
erreicht. Die meso-Lactid-Konzentration in der letzten Zone
nahm nahezu um das vierfache zu.
In diesem Fall wurde die Azidität des Materials in Zone A auf
sehr niedrige 1,8 Meq/kg reduziert und die meso-Konzentration
wurde beinahe um das siebenfache angereichert.
Eine Probe von rohem DL-Lactid, die ungefähr 53% L-Lactid
40% D-Lactid und 7% meso-Lactid enthält, besaß eine Azidität
von 597 meg/kg.
Diese Probe wurde dann wie folgt mit kaltem Wasser gewaschen:
Die Probe wurde mit dem vierfachen ihres Gewichts mit Wasser
von 0°C während 2 bis 3 Sekunden vermischt und dann sofort
filtriert. Der nasse Kuchen wurde dann in einer Vakuumsaug
flasche bei 0% relativer Feuchtigkeit, 25°C und 80 mm Hg-
Säulendruck während 1 bis 4 Stunden oder bis zur Trockne
getrocknet. Die Azidität wurde hierbei auf etwa 150 meq/kg mit
geringer Auswirkung auf das Isomeren-Verhältnis reduziert.
Das Zonenschmelzverfahren des Beispiels 1 wurde dann mit der
mit kaltem Wasser gewaschenen Probe des rohen DL-Lactids
wiederholt. In diesem Fall war das Produkt der Zonenreinigung
in 5 Zonen aufgeteilt.
In diesem Fall wurde die Azidität des Materials in Zone A auf
1,9 meq/kg, ähnlich den Resultaten wie bei dem obigen rohen L-
Lactid, reduziert. Bemerkenswerterweise wurde die Isomeren
verteilung im Material in den Zonen A, B und C auf genau die
theoretische 50 : 50 Racematzusammensetzung des DL-Lactids in
nerhalb analytischer Genauigkeit gebracht, wobei das über
schüssige L-Lactid zu den Zonen D und E bewegt wurde. Darüber
hinaus wurde das meso-Isomer vollständig aus dem Material in
den Zonen A und B entfernt. Der meso-Gehalt in Zone E war zu
mehr als der doppelten Menge gegenüber der Originalprobe
angereichert.
Dieses Beispiel erläutert die Verwendung eines Fallfilm-Kri
stallisators für diese Erfindung. Ein senkrechtes Kristalli
sationsrohr, 12 Meter lang und mit 70 mm Innendurchmesser,
wurde mit einem äußeren Mantel zur kontrollierten Kühlung,
einem 35 Liter Sumpftank zur Aufnahme des flüssigen Ablaufs
aus dem Rohr, und einer Kreislaufrückführungspumpe versehen.
Dann wurden 33,5 kg des rohen Lactids in den Sumpftank unter
Verwendung einer Erwärmungstemperatur von 110°C geschmolzen
und dann Proben zur Analyse entnommen. Das geschmolzene Rohma
terial wurde zum oberen Ende des Kristallisationsrohres ge
pumpt und das Material, das den Boden verließ, wurde in dem
Sumpftank gesammelt und zu dem oberen Ende des Rohres zurück
geführt. Um die Kristallisation zu initiieren, wurde die
Wärmeübertragungsflüssigkeit im äußeren Mantel auf dem Rohr
auf 90°C mittlere Temperatur in 5 Minuten abgekühlt. Das Rohr
wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 0,5°C pro Minute
abgekühlt. Beim progressiven Abkühlen des Rohrs begann das
Material an der Wand des Kristallisatorrohrs auszufrieren und
das Flüssigkeitsniveau in dem Sumpftank begann zu fallen. Die
Temperatur der Rohrwandung wurde progressiv während des Aus
frierverfahrens herabgesetzt, um eine angemessene Ausfrierge
schwindigkeit beizubehalten und um die Isolationswirkung der
zunehmenden Dicke des organischen Feststoffs und die progres
sive Gefrierpunktserniedrigung mit zunehmenden Verunreini
gungskonzentrationen in dem gefrorenen Material zu überwinden.
Sobald der Gehalt der Flüssigkeit in dem Sumpftank auf ein
ausgewähltes Niveau gefallen war, wurde der darin befindliche
flüssige "Rückstand" abgelassen und analysiert. Typischerweise
erfolgte dies, sobald die Flüssigkeit in dem Sumpftank 1/4 bis
1/5 der anfänglichen Beschickungsmasse betrug. Nachdem der
Rückstand aus dem System entfernt worden war, wurde die Kri
stallisatorrohrobefläche schnell auf etwa die Schmelztempera
tur des reinen Materials (von 55°C bis 95°C in 10 Minuten)
erwärmt und dann langsam und sorgfältig mit einer Geschwindig
keit von 0,15°C pro Minute erwärmt. Aufeinanderfolgende "Aus
schwitzungs"-Fraktionen wurden während dieses Verfahrens ge
sammelt. Die gesamte Ausschwitzungs-Fraktion betrug üblicher
weise etwa 5% bis 10% der anfänglichen Beschickung. Die Aus
schwitzungs-Fraktion wurde dann aus dem System für die Analyse
und gegebenenfalls spätere Kreislaufrückführung entfernt. Das
Kristallisatorrohr wurde dann mit einer Geschwindigkeit von
2°C pro Minute, ausgehend von 97°C, erhitzt, bis das auf dem
Kristallisatorrohr gefrorene Material geschmolzen und in dem
Sumpftank gesammelt worden war. Dieses Material wurde dann
durch das Kristallisatorrohr für eine zweite Reinigungsstufe
hindurchgeschickt, wobei das gleiche Verfahren wie vorstehend
verwendet wurde. Rückstand der zweiten Stufe und Ausschwit
zungs-Fraktionen wurden wieder gesammelt und getrennt. Das
Produkt der zweiten Stufe wog 17,6 kg und es wurde gefunden,
daß es weniger als 1 meq/kg Azidität verglichen mit dem an
fänglichen Wert von 52 meq/kg aufwies.
In einem typischen Kristallisations-Ansatz benötigte man etwa
70 Minuten für die anfängliche Ausfrierungsstufe, etwa 10
Minuten für die sorgfältige Rückführung des Rohrs auf den
Schmelzpunkt, etwa 15 Minuten für die Ausschwitzungsstufe und
etwa 5 Minuten für das abschließende Produktschmelzen.
Typische Fließgeschwindigkeiten auf Grundlage der obigen
Rohrgröße lagen im Bereich von 10 bis 20 kg pro Minute.
Dieses Beispiel illustriert, daß Ergebnisse ähnlich denen des
Zonenreinigens mit einer Ausrüstung erhältlich sind, die für
Verfahren im großen Maßstab geeignet sind.
Dies illustriert, daß ein Produkt von noch höherer Reinheit
durch eine zweite Schmelzkristallisationsstufe erhalten werden
kann.
Der Rückstand der zweiten Kristallisationsstufe und Ausschwit
zungsrückstände aus Beispiel 3 wurden mit zusätzlichem rohem
Beschickungsmaterial zur Bereitstellung einer neuen Kristalli
sation-Charge kombiniert. Diese wurde wiederum zwei Kristalli
sationsbehandlungen wie in Beispiel 3 unterworfen. Das Produkt
der zweiten Stufe wog 15,3 kg, verglichen mit einem Anfangsge
wicht von 33,3 kg, und es wurde gefunden, daß es weniger als
1 meq/kg Azidität, verglichen mit einem anfänglichen Wert von
42 meq/kg, aufwies, wodurch im wesentlichen die in Beispiel 3
gezeigten Verbesserungen verdoppelt wurden.
Eine Anzahl von Rückständen und Ausschwitzungsfraktionen aus
verschiedenen Versuchen wurden kombiniert, um ein Einsatzmate
rial von 163 meq/kg Azidität zu ergeben, mehr als dreimal der
Azidität der Beispiele 3 und 4. Dieses Material wurde wie in
Beispiel 3 zweimal kristallisiert. Das Produkt der zweiten
Stufe wog 15,4 kg, verglichen mit einem anfänglichen Gewicht
von 31,7 kg, und es wurde gefunden, daß es etwa 1 meq/kg Azi
dität aufwies. Der Rückstand der ersten Stufe wies eine mehr
als fünffache Anreicherung des meso-Gehalts auf.
Proben der Produkte der Beispiele 3 bis 5 wurden einem stan
dardisierten Polymerisationstest unterzogen, um die Wirkung
der Aziditäts-Reduzierung auf die Polymerisations-Geschwindig
keit zu messen. Eine schnellere Geschwindigkeit ist erwünscht,
da sie zu höherer Produktivität der Polymerisations-Ausrüstung
führt. Die Polymerisation wurde bei einer Temperatur von
188°C durchgeführt. Die Anzahl der benötigten Minuten zum Er
halten einer 85%igen Konversion wurde zum Vergleich von Er
gebnissen verschiedener Proben verwendet. Ergebnisse sind in
der nachstehenden Tabelle aufgeführt:
Die obigen Ergebnisse zeigen klar den Vorteil der mit der Er
findung erreichbaren niedrigen Aziditäts-Gehalte.
Eine L-Lactid-Probe mit einem Gewicht von 25,7 kg wurde dem in
Beispiel 3 beschriebenen Fallfilm-Kristallisator zugegeben und
bei 115°C während 0,5 Stunden zirkulieren gelassen. Es wurde
eine Probe entnommen und gefunden, daß sie eine Azidität von
200 meq/kg aufwies. Dieses Material wurde dann wie in Beispiel
3 kristallisiert, mit der Abänderung, daß nur eine einzige
Kristallisation durchgeführt wurde. Die Ausschwitzungen wurden
jedoch in zwei Anteilen entnommen und getrennt analysiert. Das
Endprodukt wog 17,3 kg und es wurde gefunden, daß es etwa 18
meq/kg Azidität aufwies. Die Proben wurden auch auf Metallge
halte hin untersucht, um den Reinigungseffekt für Metalle bei
dieser Schmelz-Kristallisation zu bestimmen. Der Zinngehalt
war das Ergebnis von restlichem Katalysator aus den vorherge
hende Stufen; das Eisen, Chrom und Nickel sind das Ergebnis
von etwas Korrosion der Ausrüstung in den vorhergehenden Stu
fen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusam
mengefaßt:
Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, daß nicht nur die sauren
Verunreinigungen und isomeren Verunreinigungen weitgehendst
durch eine einzige Schmelzkristallisationsstufe entfernt wer
den, sondern auch die metallischen Verunreinigungen ebenfalls
fast vollständig entfernt werden. In Beispielen eines Lactids,
das Methylisobutylketon-Lösungsmittel enthielt, war das Lö
sungsmittel ebenfalls auf ähnliche Weise entfernt worden, wie
deutlich durch Geruchsvergleiche gezeigt wurde.
Claims (10)
1. Verfahren zur Reinigung von Lactid, wobei das Verfahren
umfaßt:
- (1) Abkühlen einer geschmolzenen Lactid-Mischung und von Verunreinigungen, bis entweder auf den Gefrierpunkt des Lactids oder bis zu geringfügig unterhalb des Gefrier punkts des Lactids;
- (2) Bildung einer festen Phase mit geringerem Verunrei nigungsgehalt als dem der geschmolzenen Mischung und einer flüssigen Phase mit höherem Verunreinigungsgehalt als dem der geschmolzenen Mischung durch teilweise Kri stallisation der geschmolzenen Mischung und
- (3) Bildung einer separaten festen Phase durch Trennung der festen Phase von der flüssigen Phase.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die geschmolzene Mi
schung mehr als 80% entweder L-Lactid oder D-Lactid,
umfaßt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die geschmolzene
Mischung 20-80% L-Lactid und 20-80% D-Lactid umfaßt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin die ge
schmolzene Mischung 1-5°C oberhalb des Gefrierpunkts
des Lactids ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, das zusätzlich
die Stufen umfaßt:
- (4) Bildung einer zusätzlichen geschmolzenen Mischung durch Schmelzen der abgetrennten festen Phase und
- (5) Wiederholen der Stufen (1)-(3) mit der zusätzlich geschmolzenen Mischung.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, das zusätzlich
nach Stufe (3) die Stufen umfaßt:
- (4) Bildung einer zweiten flüssigen Phase durch stufen weises Erwärmen der abgetrennten festen Phase auf eine Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts, wobei die zweite flüssige Phase wenigstens einen Teil der verblei benden Verunreinigungen umfaßt und
- (5) Entfernen der zweiten flüssigen Phase.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 6, das
zusätzlich nach Stufe (5):
- (6) Rückführung der zweiten flüssigen Phase zu der geschmolzenen Mischung umfaßt.
8. Verfahren zur Reinigung von Lactid, wobei das Verfahren
umfaßt:
- (1) Bildung einer geschmolzenen Zone in einer festen Mischung aus Lactid und Verunreinigungen durch Erhitzen einer engen Zone der festen Mischung und
- (2) Entfernen der Verunreinigungen in der geschmolzenen Zone durch Bewegen der geschmolzenen Zone relativ zur festen Zone.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die geschmolzene
Mischung mehr als 80%, entweder L-Lactid oder D-Lactid,
umfaßt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die geschmolzene
Mischung 20-80% L-Lactid und 20-80% D-Lactid umfaßt.
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