DE4404838A1 - Reinigung von Lactiden durch Schmelz-Kristallisation - Google Patents

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.

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.

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.

Beispiel 1

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.

Tabelle 1

Probe 1 (670 Meq/kg rohes L-Lactid)

Anmerkung 1

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.

Tabelle 2

Probe 2 (450 Meq/kg rohes L-Lactid)

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.

Tabelle 3

Probe 3 (20 Meq/kg rohes L-Lactid)

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.

Beispiel 2

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.

Tabelle 4

Probe 4 (150 Meq/kg rohes DL-Lactid)

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.

Beispiel 3

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.

Tabelle 5 (Erste Kristallisation)

Dieses Beispiel illustriert, daß Ergebnisse ähnlich denen des Zonenreinigens mit einer Ausrüstung erhältlich sind, die für Verfahren im großen Maßstab geeignet sind.

Tabelle 6 (Zweite Kristallisation)

Dies illustriert, daß ein Produkt von noch höherer Reinheit durch eine zweite Schmelzkristallisationsstufe erhalten werden kann.

Beispiel 4

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.

Tabelle 7 (Erste Kristallisation)

Tabelle 8 (Zweite Kristallisation)

Beispiel 5

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.

Tabelle 9 (Erste Kristallisation)

Tabelle 10 (Zweite Kristallisation)

Beispiel 6

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:

Tabelle 11 (Standardpolymerisations-Tests)

Die obigen Ergebnisse zeigen klar den Vorteil der mit der Er­ findung erreichbaren niedrigen Aziditäts-Gehalte.

Beispiel 7

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:

Tabelle 12 (Einfache Kristallisation)

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.