DE69815369T2

DE69815369T2 - Milchsäure bearbeitung: verfahren, anordnung, und produkten

Info

Publication number: DE69815369T2
Application number: DE69815369T
Authority: DE
Inventors: M. Aharon EYAL; N. John STARR; Rod Fisher; Betty Hazan; Riki Canari; R. David WITZKE; Richard Patrick Gruber; J. Jeffrey KOLSTAD
Original assignee: Cargill Inc
Current assignee: Cargill Inc
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: AU757587B2; ES2201548T3; CA2306087C; EP1023258B1; US20030176736A1; US6320077B1; US6534679B2; US6229046B1; CA2306087A1; KR100598188B1; EP1023258A2; US7144977B2; NO324631B1; US20020004611A1; CN1171844C; WO1999019290A3; CN1275973A; WO1999019290A2; NZ504429A; NO20001765D0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verarbeitung von Milchsäure. Insbesondere betroffen sind Methoden zur Trennung von Milchsäureströmen und Lactatsalzströmen von Mischungen wie etwa Fermentationsbrühen, die Isolierung und Verarbeitung der Milchsäure und die Isolierung des Lactatsalzes in bevorzugten Formen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Potenzial von Milchsäure als Grundchemikalie, beispielsweise zur Verwendung in der Produktion unterschiedlicher Industriepolymere, ist bekannt. Es wurde beispielsweise in US-Patent Nr. 5,142,023; 5,247,058; 5,258,488; 5,357,035; 5,338,822; 5,446,123; 5,539,081; 5,525,706; 5,475,080; 5,359,026; 5484,881; 5,585,191; 5,536,807; 5,274,073 und 5,594,095 beschrieben.
Es besteht ein allgemeines Interesse an der Entwicklung verbesserter Techniken zur Generierung und Isolierung von Milchsäure. Wegen ihres potenziellen kommerziellen Werts besteht auch großes Interesse an der Isolierung der anderen wertvollen verwandten Lactatprodukte, wie Lactid, Lactatester und amide sowie -oligomere; vgl. beispielsweise die genannten 17 Patente.
Allgemein können große Mengen Milchsäure mittels großvolumiger, industrieller, von Bakterien ausgelöster Fermentationsverfahren problemlos erzeugt werden, insbesondere unter Verwendung von Kohlenhydraten – wie Dextrose – als Fermentationsrohstoff zusammen mit geeigneten Nährstoffen auf Mineral- und Aminosäurenbasis. In der Regel ereignen sich solche Produktionen bei Brühentemperaturen von mindestens 45°C, üblicherweise bei etwa 48°C.
Zu den Problemfeldern bei der Milchsäureherstellung gehören unter anderen: die richtige Kontrolle des pH-Werts im Fermentationssystem, um die richtige Umgebung für die bakterielle Tätigkeit zu schaffen; die Trennung und Isolierung von Milchsäure und/oder Lactatsalzen vom Fermentationsprozess; und die Produkttrennung und Produktion unter Einbeziehung der isolierten Milchsäure oder des von der Milchsäure gewonnenen Produkts.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden Techniken zur Verarbeitung von Mischungen von Milchsäure und gelösten Lactatsalzen geschaffen. Die bevorzugten Techniken werden zur Verarbeitung von Fermentationsbrühen geschaffen, vorzugsweise Fermentationsbrühen, die mit einem pH von weniger als 4,8, vorzugsweise weniger als 4,5, mehr bevorzugt weniger als 4,3 und meistbevorzugt im Bereich von 3,0 bis einschließlich 4,2 produziert werden bzw. auf die genannten pH eingestellt werden.
Die Techniken betreffen die Verarbeitung der Mischungen zu: (a) einem Milchsäurestrom, einer -komponente oder -phase; und (b) einem Lactatsalzstrom bzw. einer -komponente oder -phase. Bevorzugte Techniken werden geschaffen, so dass der Milchsäurestrom, die -komponente oder -phase leicht für die Produktion gewünschter Lactatprodukte herangezogen werden kann, wie etwa Lactatoligomere, Lactidlactatester, Lactatamide und/oder Polylactat. Die bevorzugte Verarbeitung schafft das Lactatsalz auch in einer Form, die für weiteren Gebrauch geeignet ist, wie die Rezyklierung zu einer Fermentationsbrühe oder als Düngemittel oder Futter.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Prozess-Fließdiagramm eines Verfahrens nach der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu dem in 1 dargestellten;
3 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1 und 2 dargestellten;
4 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–3 dargestellten;
5 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–4 dargestellten;
6 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–5 dargestellten;
7 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–6 dargestellten;
8 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–7 dargestellten;
9 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–8 dargestellten;
10 ist ein alternatives Prozess-Fließdiagramm zu den in 1–9 dargestellten; und
11 ist ein Diagramm, in dem der Anteil von Milchsäure in freier Säureform in einer Milchsäuremischung als Funktion des pH dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
I. Ausgewählte Problembereiche mit Bezug auf die Verarbeitung, Isolierung und den Gebrauch von Milchsäure.
A. Chiralität
Milchsäure hat ein Chiralitätszentrum und liegt in D- und L-Form vor. Die chirale Reinheit der Milchsäure ist wichtig im Hinblick auf die Erfüllung der Ansprüche industrieller Anwendungen; vgl. dazu beispielsweise US-Patent Nr. 5,142,023; 5,338,822; 5,484,881 und 5,536,807. Es gibt Bakterien, beispielsweise von der Art Lactobacillus, die entweder die D-Milchsäure oder die L-Milchsäure zu erzeugen vermögen. Es ist jedoch typisch, dass ein Bakterienstamm jeweils eine große Mehrheit von nur einem Enantiomer macht. Fermentationsbrühen mit hoher chiraler Reinheit (90% oder größer) der Milchsäure lassen sich in der Tat leicht erreichen. Diese Chiralität wird vom Metabolismus von Dextrose oder anderer Kohlehydrate durch Mikroorganismuszellen während der Fermentation erreicht. Beispielsweise machen Lactobacillus bulgaricas und Lactobacillus coryniformis fast ausschließlich das D-Milchsäure-Enantiomer. Lactobacillus Casei produziert mehrheitlich L-Milchsäure.
Für Polymilchsäure-Anwendungen übt die chirale Reinheit der Milchsäure einen starken Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers aus. Die chirale Reinheit des Polymers steuert die Kristallisationsfähigkeit des Polymers. Vgl. beispielsweise US-Patent Nr. 5,484,881; 5,484,191 und 5,536,807 und die gemeinschaftlich übertragene US-Patentanmeldung 08/850,319 vom 2. Mai 1997. In manchen Fällen sind Polymere mit kontrollierten Kristallinitätsausmaßen gewünscht, um Polymereigenschaften zu erhalten, die in einer industriellen Anwendung vorteilhaft sind, beispielsweise um die Wärmeformbeständigkeitstemperatur des Polymers zu erhöhen. Andere Vorteile kontrollierter Polymerkristallinität beziehen sich auf die Lagerung, den Transfer und die Verarbeitung von Polymilchsäureharzen zu Fasern, Vliesstoffen, Folien und anderen Endprodukten.
Für die zur Zeit in Nahrungsmittelanwendungen verwendete Milchsäure gelten Chiralreinheits-Anforderungen von mehr als 95% chiraler Reinheit bei allgemeiner Bevorzugung der "L"-Form. Die chirale Reinheit der Milchsäure ist auch wichtig für Endprodukte wie Pharmazeutika und andere medizinische Produkte, bei denen Milchsäure als Ausgangsmaterial dient. Für unsere Zwecke bedeutet der Ausdruck "95% chirale Reinheit", dass 95% des Milchsäure/Lactat-Gehalts eines der beiden möglichen Enantiomere ist. (Die Verbindung könnte folglich auch als 10% racemisch oder 90% optisch rein charakterisiert werden).
Die Ausdrücke "Polymilchsäure" oder "Polylactat" beziehen sich auf ein Polymer, das mindestens 50 Gewichtsprozent Polymereinheiten von Milchsäurerest oder Lactidrest enthält. Folglich schließen die Ausdrücke Polylactide ein. Die Ausdrücke "Polymilchsäure" und "Polylactat" sollen nicht spezifisch das polymerisierte Monomer identifizieren, beispielsweise ob das polymerisierte Material Lactid (Milchsäuredimer) oder Milchsäure selbst war.
B. Kontrolle des pH-Werts während der Fermentation
Die meisten Mikroorganismen haben einen pH-Bereich, in dem sie fähig sind, ihren Metabolismus am effizientesten auszuführen. Folglich ist der pH der Fermentation eine Verarbeitungsvariable, die sich stark auf die Gesamtproduktivität der Mikroorganismuszellen in der Fermentation auswirkt.
Die Lactobacillus-Mikroorganismen produzieren Milchsäure. Ohne Neutralisierungsmittel fällt der pH einer typischen, konventionellen Fermentationsbrühe schnell auf einen Wert ab, bei dem die meisten Mikroorganismen absterben oder eine nützliche Produktion einstellen. Deshalb war die Zugabe eines Neutralisierungsmittels normalerweise erforderlich, um die ökonomischen Bedürfnisse für eine Fermentation mit hoher Gesamtproduktivität zu erfüllen. Der pH-Wert vieler Milchsäurefermentationen mit guter Produktivität (d. h. >0,5 g lactisches Material [Milchsäure und Lactatsalz] pro Liter und Stunde produziert) ist im Bereich von 5,0 bis 7,0; vgl. beispielsweise US-Patent Nr.
5,510,526. Viel Arbeit wurde darin investiert, nach Organismen zu suchen, die hohe Milchsäureproduktivitäten bewahren und in Brühen mit pH-Bereichen von 3,0 bis 4,8 funktionieren. Dies wird im folgenden erörtert.
Milchsäure (HLa oder LaH) zerfällt in ein Proton H⁺ und ein Lactatanion La^– (hier manchmal als gelöstes Lactatsalz bezeichnet, wenn eine andere Kationquelle präsent ist, in der Regel vom Puffersalz). Das Ausmaß der Dissoziation ist bezogen auf den pH der Lösung und den pK_a der Milchsäure. Der pK_a der Milchsäure bei 25°C ist 3,86 (bei 50°C ist er etwa 3,89). Die Gleichung 1 unten beschreibt, wie der pH, pK_a und das Maß der Milchsäuredissoziation aufeinander bezogen sind.
Die Gleichung 1 zeigt, dass die Hälfte der Säure dissoziiert wird, wenn der pH gleich dem pK_a der Säure ist. Bei höheren pH-Werten liegt der Großteil der Milchsäure in der Lactat-Anionform vor. 11 ist ein Diagramm, in dem der Anteil der Milchsäure in der undissoziierten (freien Säure) Form gezeigt wird, wenn der pH von 1 bis 7 variiert. Das Diagramm zeigt, dass der Anteil undissoziierter Milchsäure, die in der Lösung bei pH-Werten von 5 bis 7 gegeben ist, relativ niedrig ist.
Wenn die Fermentationsbrühe einen pH-Wert zwischen 3,0 und 4,5 hat, liegt eine signifikante Menge Milchsäure in undissoziierter Form vor, vgl. 11. Bei einem pH von 3,0 beträgt das Molarverhältnis von freier Milchsäure (undissoziiert) zu Lactation bei 25°C etwa 7,0; und bei einem pH von etwa 4,5 ist das Verhältnis bei 25°C etwa 0,23. Ein Trennungsvorgang, der spezifisch die undissoziierte Milchsäure oder ein Lactatderivat und das Lactatsalz trennt, wäre vorteilhaft, weil er einen Strom schaffen würde von: (1) weiter zu reinigenden (und/oder zu Lactid oder Polymer zu konvertierenden) Milchsäureprodukten; und (2) einem Lactatsalz, das sich als Puffermittel für die pH-Kontrolle im Fermenter eignet.
Die Gleichung 1 zeigt, wie das Verhältnis von Lactat-Anion La zu freier Milchsäure HLa sich zum pH der Lösung verhält. Wenn während der Fermentation vom Mikroorganismus freie Milchsäure produziert wird, kann die Zugabe von Lactatsalz den pH der Lösung konstant halten. Wenn es sich bei dem hinzugefügten Lactatsalz zur pH-Kontrolle um rezykliertes Material handelt, folgt daraus, dass die Effizienz von Konversion und Rückgewinnung von Rohmaterial zu Milchsäure im gesamten Fermentationsverfahren verbessert wird. Das bedeutet, dass aufgrund der Erhaltung des von Gleichung 1 ausgedrückten Gleichgewichts bei der Rezyklierung von Lactatsalz ein höherer Anteil von hinzugefügtem Fermentationsrohstoff – im Gegensatz zu Lactatsalz – zu Milchsäure konvertiert und als Milchsäure erhalten und isoliert wird.
Das bevorzugt eingesetzte Trennungsregime ist von der Form des in Lösung befindlichen Lactatmaterials abhängig. Die Isolierung von Lactatmaterial von einer wässrigen Lösung kann beträchtliche Energie erfordern, besonders wenn die wässrige Lösung einen pH größer als 4,5 aufweist und das Lactatmaterial hauptsächlich als Lactatsalz präsent ist, im Gegensatz zu einer wässrigen Lösung mit einem pH unter 4,5, wo eine beträchtliche Menge Lactatmaterial in freier Säureform vorhanden ist. Wenn der pH der Fermentationsbrühe 5 bis 7 ist, war ein typischer Schritt bei konventionellen Trennungsverfahren die starke Ansäuerung der Lösung durch die Zugabe von Schwefelsäure. Dieses Verfahren bildet die freie Milchsäure, aber auch ein Nebenproduktsalz (in der Regel Calciumsulfat). Die Bildung von Nebenproduktsalz steht für die Nutzung chemischer Energie zur Transformation des Lactatsalzes in Milchsäure und kann zu einem Abfallentsorgungsproblem werden, wenn Milchsäure in großem Maßstab produziert wird. In vielen alternativen Trennungsverfahren, bei denen es zu keiner direkten Ansäuerung kommt, würde die Energie dazu verwendet, das Lactatsalz zurück in Milchsäure und eine Base zu spalten. Die elektrodialytische Wasserspaltung ist ein gutes Beispiel für diese Art von Trennungsverfahren, bei dem die elektrische Energie dazu verwendet wird, aus dem Salz und Wasser eine Säure und eine Base zu bilden.
Es wird festgestellt, dass wenn das gewünschte Produkt (HLa) aus der Fermentation an Konzentration zunimmt, die Fermentation oftmals nicht nur wegen dem pH gehemmt wird, sondern auch aufgrund der HLa-Konzentration.
C. Produktabtrennung und -aufarbeitung; Definition der Materialien
Nachdem die Milchsäure vom Lactatsalz getrennt ist, kann die Milchsäure dazu verwendet werden, Polymilchsäure mit hohem Molekulargewicht (typisches durchschnittliches Molekulargewicht von 10.000 bis 300.000) zu bilden. Verarbeitungen wie die in 5,338,822; 5,446,123; 5,525,706; 5,475,080; 5,359,026; 5,484,881; 5,585,191; 5,536,807; 5,247,073 und 5,594,095 beschriebenen werden typischer- und vorzugsweise benützt. Solche Techniken umfassen im allgemeinen: (a) Schaffen einer Lactidmischung (optional mit anderen Reaktionsteilnehmern, wie anderen Monomeren und/oder epoxidierten Ölen) mit einem geeigneten Katalysator und einer ausreichend geringen Wasserpräsenz; (b) Polymerisieren der Lactidmischung, im allgemeinen durch Wärmeanwendung; und (c) Entfernen der flüchtigen Bestandteile aus dem Polylactid, um nicht reagiertes Monomer und Restwasser auszuscheiden. Stabilisatoren wie Fänger von freien Radikalen und Katalysatordeaktivatoren können verwendet werden, um die abschließende Zusammensetzung mit der bevorzugten Schmelzstabilität zu versehen.
Chemische Zwischenprodukte, die aus Milchsäure gebildet werden, wie Lactid, Alkyllactatester, Alkyllactatamide und Oligomere mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von weniger als 5.000 werden typischerweise zur Bildung von Polylactidpolymeren verwendet, manchmal indem sie zuerst zur Bildung von Lactid reagiert werden, wenn ein anderes Zwischenprodukt als Lactid selbst beteiligt ist. Deshalb ist die Generierung und/oder Isolierung dieser identifizierten "Bausteine" für Polymere aus der LaH einer Fermentationsbrühe von großem Interesse. Die Bezeichnung "Milchsäureprodukte" schließt hier Milchsäure, Lactatsalze, Alkyllactatester, Alkyllactatamide, Lactid, Lactoyllactat, Milchsäuretrimere und -tetramere sowie Milchsäureoligomere ein, in der Regel mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von weniger als 5.000. Natürlich ist Milchsäure die kleinste Wiederholungseinheit (vorhanden als Säurerest von der Kondensationspolymerisation) in Polymilchsäure. Sie ist das grundlegendste Ausgangsmaterial für Polymilchsäure, und die anderen chemischen Zwischenprodukte, wie Lactid und Milchsäureoligomere, sind in der Regel aus Milchsäure (oder Lactatsalzen) gemacht.
Lactid ist ein zyklischer Ester, bestehend aus zwei Milchsäuremolekülen. Es ist demnach ein Dimer der Milchsäure. Aufgrund der chiralen Natur der Milchsäure kann Lactid einen von drei Typen optischer Aktivität aufweisen, je nach dem, ob sie zwei D-Milchsäurereste, zwei L-Milchsäurereste oder einen L-Milchsäurerest und einen D-Milchsäurerest umfasst. Diese drei Dimere werden als D-Lactid, L-Lactid bzw. Meso-Lactid bezeichnet. Lactid ist voll dehydrierte Milchsäure und wird allgemein in der Herstellung von Polymilchsäure (oder Polylactid) verwendet, wozu eine ringöffnende Reaktion zum Einsatz kommt, um das Polymer auf hohe Molekulargewichte hinauf zu bringen. Lactid kann auch ein wesentliches Ausgangsmaterial in der Produktion anderer industriell relevanter Chemikalien sein.
Alkyllactatester und Alkyllactatamide sind Verbindungen, die als Rohmaterial für Milchsäureoligomere, Lactid oder Polymilchsäure benützt werden können. Um Milchsäureoligomere mit einem Ester am terminalen Carbonsäureende herzustellen, können Alkyllactatester mit dem entsprechenden Alkohol umgeestert werden, der mit dem Oligomer gewonnen wird. Die gleichzeitige oder anschließende Entfernung des Alkohols treibt die Reaktion zur Oligomerbildung. Lactid kann aus veresterten Milchsäureoligomeren gemacht werden. Die Alkyllactatamide hätten eine ähnliche Chemie wie die Ester, allerdings mit einem Amin, das mit dem Oligomer gewonnen wird. Lactid kann aus einem Milchsäureoligomer mit einer Amidgruppe auf dem terminalen Carbonsäureende gemacht werden.
Die Bildung der Ester oder Amide aus der Milchsäure kann auch für die Abtrennung des Milchsäurederivats von Verunreinigungen hilfreich sein. Nachdem ein gereinigter Alkyllactatester- oder Alkyllactatamidstrom gewonnen wurde, kann der Ester oder das Amid hydrolysiert werden, um die Milchsäure und den entsprechenden Alkohol bzw. das Amin zu erhalten. Die Milchsäure kann von dieser Mischung abgetrennt werden, und der Alkohol oder das Amin zum Ester- oder Amidbildungsschritt zurück rezykliert werden. Natürlich könnten bestimmte Milchsäureester und -amide bei Bedarf weiter gereinigt werden. Die verwendbaren Alkyllactatester umfassen: Methyllactat, Ethyllactat, Butyllactat, Octyllactat, Dodecyllactat, 2-Ethyl-Hexyllactat und das Lactat von Butan-1,4-diol. Alkyllactate mit 1–20 Kohlenstoffatomen im Alkoholrest – gesättigt wie ungesättigt – sind potenziell nützlich. Bezüglich Lactatestern und deren Verwendung vgl. beispielsweise US-Patent Nr. 5,247,059.
Lactamid (das Ammoniakamid der Milchsäure) ist eine industriell bedeutende Milchsäure. Es wird in Haarpflegeprodukten verwendet.
Milchsäureoligomere mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von weniger als 5.000 eignen sich für die Herstellung von Lactid. Die einsetzbaren Techniken sind in US-Patent Nr. 5,142,023 beschrieben. Bestimmte bevorzugte Modifikationen, die hier beschrieben sind, betreffen die direkte Bildung von Lactid auch in Anwesenheit von Restextraktionsmittel, wie restlichem Trialkylamin. Mit Hilfe eines Katalysators kann die Lactidbildungsrate aus Polymilchsäureoligomeren gesteigert werden. Viele geeignete Katalysatoren sind bekannt, wie etwa Metalloxide, Metallstaube und organische Metallverbindungen; vgl. beispielsweise US-Patent Nr. 5,142,023; 5,338,822 und 5,594,095. Zur Anregung der Lactidbildung wird das Lactid typischerweise gleichzeitig oder aufeinanderfolgend vom Milchsäureoligomerstrom entfernt. Eine Methode für diese Entfernung ist die Zufuhr von Wärme, um einen Rohlactidstrom von den Oligomeren zu verdampfen. Für eine zusätzliche Verwendung als Vorläufer von Lactiden eignen sich Milchsäureoligomere als antimikrobielle Mittel und als Ansäuerungsmittel mit kontrollierter Freigabe für den Gebrauch in den Bereichen Nahrungsmittel und Landwirtschaft. Natürlich kann das Oligomer in einigen Fällen als das Amid oder Ester terminiert oder funktionalisiert werden.
II. Fermentation bei niedrigerem pH
Die Generierung von Milchsäurelösungen über bakteriologische Systeme mit pH-Werten in der Größenordnung von 5,0 oder darunter, vorzugsweise 4,8 oder darunter und typischerweise 3,5 bis 4,5 führt zu einem höheren Anteil der Produktion des Lactatmaterials in der Milchsäureform. Dies wird beispielsweise beschrieben in dem (an Cargill, Inc. aus Minnetonka, Minnesota) gemeinschaftlich abgetretenen, gleichzeitig eingereichten Internationalen Patentantrag mit dem Titel LOW pH LACTIC ACID FERMENTATION, in dem Ting Carlson und Eugene Max Peters, Jr. als Erfinder genannt werden (WO 99/19503; nachstehend als Antrag Carlson et al. bezeichnet). Der Antrag Carlson et al. wurde zum selben Datum eingereicht wie der vorliegende Antrag (14. Oktober 1997).
Erneut stellt sich die Generierung relativ großer Produktmengen aus dem Fermentationsverfahren in Form von Milchsäure anstatt Lactatsalz als vorteilhaft heraus, da damit der Bedarf oder der Umfang bestimmter Follow-up-Prozessschritte der Ansäuerung und/oder einer "Salzspaltung" reduziert werden kann. Das heißt, wenn eine größere Materialmenge als freie Milchsäure generiert wird, so werden ein Verfahrensschritt der Generierung der Milchsäure aus dem Lactat und die damit verbundenen Aufwendungen und Konsequenzen verringert oder vermieden. Auch wenn ein bestimmtes Maß an Ansäuerung durchgeführt wird, wäre wesentlich weniger Säurezugabe beteiligt, als dies mit einem System mit hohem pH der Fall wäre.
Im allgemeinen stellt sich heraus, dass mit Verfahren zur Einstellung von Fermentationsbrühen (oder anderen Milchsäure/Lactatsalzmischungen) auf pH-Werte von 4,8 oder niedriger (vorzugsweise 4,5 oder niedriger, meistbevorzugt 4,3 oder niedriger, typischerweise zwischen 3,5 und 4,2) ein insgesamt effizienter Prozess entwickelt werden kann, bei dem die generierte Milchsäure in der Polymerproduktion verwendet und das gewonnene Lactatsalz in das Fermentationssystem als Puffermittel rückgeführt oder auf andere Weise zur pH-Kontrolle eingesetzt wird.
Das Verfahren von Carlson et al. ermöglicht die effiziente Produktion von Lactat und insbesondere die effiziente Produktion hoher Konzentrationen freier Milchsäure über die Inkubation säuretoleranter, homolactischer Bakterien in einem geeigneten Nährstoffmedium. Unter "homolactisch" ist zu verstehen, dass der Bakterienstamm im wesentlichen nur Milchsäure als Fermentationsprodukt herstellt. Die säuretoleranten, homolactischen Bakterien werden in der Regel aus dem Maisquellwasser einer gewöhnlichen Maismühle isoliert. Während unterschiedliche Bakterien dieses Typs racemisches Lactat oder Lactat vorwiegend in D- oder L-isomerer Form produzieren können, beschreibt das Verfahren von Carlson et al. die bevorzugte Fermentation unter Verwendung homolactischer Bakterien, die L-Lactat produzieren, und zwar meistbevorzugt in optisch reiner Form.
Das Verfahren von Carlson et al. ermöglicht die effiziente Produktion relativ hoher Konzentrationen freier Milchsäure. Diese Effizienz kann auf verschiedene Arten ausgedrückt werden. Die Konzentration freier Milchsäure in der Fermentationsbrühe dient als ein Maß für die Gesamtproduktivität des Verfahrens. Das Verfahren von Carlson et al. produziert in der Regel eine Brühe, die mindestens 25 g/L, vorzugsweise mindestens 30 g/L und insbesondere vorzugsweise mindestens 40 g/L freie Milchsäure enthält.
Am typischsten und vorzugsweise liegt das vom Fermentationsprozess produzierte Lactat vorherrschend in einer chiralen Form vor – entweder D-Lactat oder L-Lactat. Für eine bevorzugte Produktabtrennung und -aufarbeitung wird eine optische Reinheit der Milchsäure aus dem Fermentationsprozess von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 75% und meistbevorzugt mindestens 90% bis zur optischen Reinheit in der Fermentation produziert und verwendet. Beispielsweise umfasst ein Ausführungsbeispiel des in Carlson et al. beschriebenen Verfahrens die Inkubation säuretoleranter homolactischer Bakterien in einem Nährstoffmedium zur Produktion von L-Lactat mit einer optischen Reinheit von mindestens 50% (d. h. es hat eine chirale Reinheit von mindestens 75%). Das Verfahren von Carlson et al. kann sogar auf die Produktion von L-Lactat in optisch reiner Form angewendet werden (wo also im wesentlichen nur die L-Form von Lactat produziert wird).
Wie oben angezeigt, ist die Menge freier Milchsäure in einer Lösung eine Funktion des pH-Werts der Lösung und der Gesamtkonzentration des Lactatmaterials (d. h. Milchsäure plus gelöstem Lactatsalz) in der Mischung. Die Spezifizierung dieser zwei Parameter für eine bestimmte Lösung (z. B. eine Fermentationsbrühe) spezifiziert folglich die Konzentration freier Milchsäure. Das Verfahren von Carlson et al. schafft typischerweise eine Lösung mit mindestens 50 g/L, vorzugsweise mindestens 80 g/L und insbesondere mindestens 100 g/L Lactatsalz/Milchsäure bei einem relativ niedrigen pH. Je niedriger der Lösungs-pH, desto höher der Anteil des Lactatmaterials, das in der freien Säureform vorhanden ist. Wieder gilt, wenn der mittlere (Lösungs- oder Mischungs-) pH gleich dem pK von Milchsäure ist (der etwa 3,8 bei 25°C ist), sind 50% des Lactatmaterials in der freie Säureform vorhanden.
Der pH des Nährstoffmediums während des Schritts der homolactischen Bakterieninkubation kann auf mehrere unterschiedliche Arten ausgedrückt werden, z. B. in Form des durchschnittlichen Inkubations-pH oder des abschließenden Inkubations-pH. Der Fermentationsvorgang von Carlson et al. ist typischerweise geeignet, hohe Anteile an Lactatmaterial bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,3, vorzugsweise nicht mehr als 4,2 und insbesondere nicht mehr als 4,0 zu produzieren.
Ansonsten kann der pH der Brühe während der Inkubation auch als abschließender Inkubations-pH ausgedrückt werden. Das Verfahren von Carlson et al. ermöglicht in der Regel die Produktion hoher Lactatkonzentrationen bei einem abschließenden Inkubations-pH (oder Mischungs-pH) von nicht mehr als 4,2, vorzugsweise nicht mehr als 4,0 und insbesondere nicht mehr als 3,9. Besonders wirksame Ausführungsbeispiele des in Carlson et al. beschriebenen Fermentationsverfahrens können Lösungen generieren, die mindestens 80 g/L Lactatmaterial bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,0 und/oder einem abschließenden Inkubations-pH von nicht mehr als 3,9 enthalten.
Die Ausdrücke "Nährstoffmedium" und "Fermentationsbrühe" sind hier austauschbar. Bei beiden handelt es sich um Mischungen von freier Milchsäure und Lactatanion (Salz). Diese Ausdrücke können Bezug nehmen auf: (i) Medien, in der Form, wie sie ursprünglich beispielsweise für die säuretoleranten Bakterien und die Nährstoffquellen einschließlich Kohlehydraten vorgesehen sind; (ii) Medien, die produziert wurden, nachdem einige oder alle der ursprünglich vorgesehenen Nährstoffe verbraucht wurden und die Fermentationsprodukte einschließlich Lactat durch die Bakterien in das Medium exkretiert worden sind; und (iii) geklärte Medien nach Entfernung von einem Fermenter und Filtrierung.
Das bei Carlson et al. zur Produktion von Milchsäure vorgesehene Verfahren umfasst die Inkubation säuretoleranter Bakterien, wie etwa säuretoleranter homolactischer Bakterien, in Nährstoffmedium bei einem pH, der einen beträchtlichen Anteil des Lactatmaterials in der freien Säureform liefert. Wenn an dieser Stelle der Ausdruck "säuretolerant" mit Bezug auf Bakterien verwendet wird, so soll damit auf Bakterien Bezug genommen werden, die in der Lage sind, Lactatmaterial mit einem pH zu erzeugen, der ausreicht, um einen wesentlichen Anteil des Lactatmaterials in der freien Säureform bereit zu stellen. Die in Carlson et al. beschriebenen säuretoleranten Bakterien sind in der Regel geeignet, mindestens 25 g/L freie Milchsäure bei einer Inkubationstemperatur von mindestens 40°C zu produzieren. Solche Bakterien können im allgemeinen auch mindestens 50 g/L Lactatmaterial in Nährstoffmedium bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,2 und bei einer Temperatur über etwa 40°C produzieren. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die homolactischen Bakterien geeignet, eine Lösung mit mindestens 40 g/L zu generieren, vorzugsweise mindestens 75 g/L Lactat und insbesondere vorzugsweise etwa 90 g/L Lactat bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,3. Besonders wirksame Stämme sind in der Lage, diese Anteile von L-Lactat (oder D-Lactat) bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,0 und/oder bei einem abschließenden Inkubations-pH von nicht mehr als 3,9 zu produzieren. Wenn die Fermentation bis zu einem Punkt ausgeführt wird, wo der pH und/oder die Milchsäurekonzentration eine weitere Lactatproduktion hemmt, wird der "durchschnittliche Inkubations-pH" auf der Grundlage eines Durchschnitts der pH-Werte bestimmt, die in zehn (10) oder mehr gleichen Zeitintervallen über die Zeit gemessen wurden, die zur Produktion von 90% der limitierenden Lactatkonzentration nötig ist. Das Fermentationsverfahren kann auf kontinuierliche Weise durchgeführt werden. Unter solchen Umständen werden in der Regel stationäre Zustände (betreffend pH, Lactatkonzentration und Nährstoffkonzentrationen) erreicht und aufrecht erhalten, nachdem eine anfängliche Startphase abgeschlossen ist. Wenn die Fermentation auf diese Weise durchgeführt wird, ist der durchschnittliche Inkubations-pH der durchschnittliche pH der Brühe nach Abschluss der anfänglichen Startphase.
Wenn die Fermentation nicht bis zu einem Punkt ausgeführt wird, an dem die limitierende Lactatkonzentration erreicht wird, wird der "durchschnittliche Inkubations-pH" auf der Grundlage eines Durchschnitts der pH-Werte bestimmt, die in zehn (10) oder mehr gleichen Zeitintervallen im Laufe der Fermentation gemessen wurden. Der Ausdruck "limitierende Lactatkonzentration" bezeichnet hier die Lactatkonzentration (Konzentration undissoziierter und dissoziierter Milchsäure) bei einer bestimmten Konstellation von Inkubationsbedingungen (Nährstoffmedium, Temperatur, Belüftungsrate), bei der der pH und/oder die von der Fermentation generierte Milchsäurekonzentration eine weitere Lactatproduktion hemmen. Der Ausdruck "limitierender Inkubations-pH" bezeichnet hier den pH der Fermentationsbrühe bei einer bestimmten Konstellation von Inkubationsbedingungen, bei der der pH und/oder die Milchsäurekonzentration die weitere Lactatproduktion hemmt. Die Hemmung der Lactatproduktion wird als eingetreten betrachtet, wenn die Menge des in einer Batch-Fermentation produzierten Lactats nach einer weiteren Inkubation von bis zu zwölf (12) Stunden unter den selben Bedingungen um nicht mehr als 3% zunimmt. Diese Definition geht davon aus, dass in der Fermentationsbrühe nach wie vor ausreichend Nährstoffe für die Lactatproduktion zur Verfügung stehen und gilt für Batch- ebenso wie für kontinuierliche Vorgänge.
Im Verfahren von Carlson et al. ist der pH der Fermentationsbrühe nach der Inkubation der säuretoleranten Bakterien zur Produktion von Lactat in der Regel nicht mehr als 4,2 ("abschließender Inkubations-pH").
Für diese Zwecke ist der "abschließende Inkubations-pH" der pH der Fermentationsbrühe an dem Punkt, an dem das Wachstum und/oder die Lactatmaterialproduktion durch die säuretoleranten Bakterien aufhört. Das Aufhören des Wachstums und/oder der Lactatmaterialproduktion kann das Ergebnis einer Änderung der Reaktionstemperatur, des Verbrauchs eines oder mehrere notwendiger Nährstoffe in der Fermentationsbrühe, einer absichtlichen pH-Änderung oder der Abtrennung der Fermentationsbrühe von den bakteriellen Zellen sein. In jenen Fällen, in denen die Fermentation absichtlich durch die Zugabe von ausreichend Säure oder Base zum Anhalten der Lactatproduktion gestoppt wird, wird der abschließende Inkubations-pH definiert als der pH des Nährstoffmediums unmittelbar vor der Zugabe. Ansonsten können das Wachstum und/oder die Lactatmaterialproduktion infolge der Akkumulation eines oder mehrerer Fermentationsprodukte und/oder einer Änderung des Brühen-pHs aufgrund der Produktion von Fermentationsrdukten angehalten werden, d. h. die Fermentationsreaktion hat einen selbstbegrenzenden Punkt für die gegebene Konstellation von Inkubationsbedingungen erreicht. Wie oben festgestellt, ist es für die bakteriellen Fermentationen, die eine organische Säure wie Milchsäure produzieren, ziemlich üblich, einer Endprodukthemmung ausgesetzt zu sein.
Der Ausdruck "Lactatmaterial" bezieht sich für die Zwecke dieses Patentantrags auf 2-Hydroxypropionat in seiner freien Säureform oder in seiner Salzform. Die Ausdrücke "Milchsäure" und "freie Milchsäure" sind hier austauschbar und eine Bezugnahme auf die Säureform, also 2-Hydroxypropionsäure. Die Salzform oder dissoziierte Form von Lactat wird hierin spezifisch als "Lactatsalz" bezeichnet, beispielsweise wie das Natriumsalz (oder Calciumsalz) der Milchsäure oder Natriumlactat (oder Calciumlactat).
Es hat sich herausgestellt, dass geeignete Nährstoffmedien zur Verwendung im vorliegenden Verfahren vorzugsweise mindestens 50 g/L Kohlenhydrat enthalten. Noch bevorzugter enthält das Nährstoffmedium mindestens 70 g/L und meistbevorzugt mindestens 90 g/L Kohlenhydrat. Das Kohlenhydrat besteht in der Regel aus Glucose, Fructose, Galactose, Melibiose, Sucrose, Raffinose, Stachyose oder einer Mischung hiervon. Glucose, Fructose und Sucrose sind besonders geeignet zur Verwendung als Kohlenstoff- und Energiequelle im Nährstoffmedium. Es ist allgemein nicht nützlich, mehr als 150 g/L Kohlenhydrat in das Medium einzubringen.
Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft sein könnte, eine Base wie Calciumcarbonat (CaCO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Ammoniakhydrat (NH₄OH) und/oder Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) beizufügen. In der Regel werden dem Nährstoffmedium mindestens 30 g/L Calciumcarbonat (oder eine äquivalente Menge einer anderen Base) beigefügt. In einigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens, z. B. Ausführungsbeispielen, die höhere Lactatanteile produzieren, kann es vorteilhaft sein, dem Nährstoffmedium bis zu 40 g/L Calciumcarbonat beizufügen. Zwar können auch höhere Basenmengen verwendet werden, es ist aber aufgrund von Beschränkungen der Löslichkeit von Calciumcarbonatsalzen und dem Wunsch, einen relativ niedrigen Brühen-pH zu bewahren, im allgemeinen nicht zielführend, mehr als 100 g/L Calciumcarbonat in das Medium zu geben. Sehr oft löst sich anfänglich nicht gleich die ganze Menge Calciumcarbonat im Nährstoffmedium auf. Mit fortschreitender Fermentation kann ein Teil des Calciumcarbonats mit der in Bildung befindlichen Milchsäure reagieren, um Calciumlactat zu bilden. Wenn dies vorkommt, können zusätzliche Teile des ungelösten Calciumcarbonats in die Lösung gezogen werden. Daraus folgt, dass ein Teil der sich bildenden Milchsäure neutralisiert und der pH der Brühe am Abfallen unter ein gewünschtes Niveau gehindert wird (z. B. unter 3,8–3,9).
Möglicherweise ist es nicht erforderlich, eine Base, wie Calciumcarbonat, hinzuzufügen, um diese Wirkung zu erzielen. Es kann eine ein Lactatsalz (z. B. Calcium-, Natrium- oder Ammoniaklactat) enthaltende Lösung hinzugefügt werden, um die Pufferung des pH der Fermentationsbrühe zu unterstützen. Ein Beispiel eines Verfahrens, bei dem dies vorkommen könnte, würde die Abtrennung einer Fraktion der Fermentationsbrühe von den inkubierenden Bakterien und die Rezyklierung des Anteils zurück in die Fermentation nach Entfernung eines Teils oder der gesamten freien Milchsäure in der Fraktion mit sich bringen. Ansonsten könnte auch Calciumlactat von der Fermentationsbrühe isoliert (z. B. in fester Form) und mit dem der Fermentation beigemengten Nährstoffmedium zusammengemischt werden. Im allgemeinen kann die Zugabe von Lactatsalz als Puffersalz insofern vorteilhaft sein, als sie die Menge der zu der Fermentationsbrühe hinzugefügten neutralisierenden Base minimiert und damit die Menge des produzierten Lactats, das in die Salzform konvertiert wird, minimiert.
Nährstoffmedien, die mindestens 70 g/L Glucose und/oder Fructose und mindestens 20 g/L Calciumcarbonat enthalten, sind besonders geeignet zur Verwendung in dem vorliegenden Verfahren. Je nach dem im Verfahren eingesetzten Bakterienstamm kann auch die Beimengung von Maisquellwasser (z. B. in einer Menge entsprechend mindestens 25 g/L Maisquellwasser-Trockenfeststoffe) zu diesem Nährstoffmedium bevorzugt werden. Es ist besonders nützlich, Maisquellwasser beizugeben, das nur die selbe chirale Form von Lactat enthält, das durch den Fermentationsprozess generiert werden soll.
Der Stamm homolactischer Bakterien und die Fermentationsbedingungen werden typischerweise so gewählt, dass die freie Milchsäure mit einer Gesamtrate von mindestens 0,5 g/L/h produziert wird, vorzugsweise mit mindestens 1,0 g/L/h, mehr bevorzugt mit mindestens 2,0 g/L/h und meistbevorzugt mit mindestens 4,0 g/L/h. Für die Zwecke dieser Schrift werden die Gesamtproduktionsrate des Lactats oder der freien Milchsäure (oder des Lactats) berechnet, indem die Gesamtmenge der produzierten freien Milchsäure (Lactat) durch die Inkubationszeit dividiert wird. Für Fermentationen, bei denen eine limitierende Lactatgrenzkonzentration produziert wird, wird die Gesamtproduktionsrate freier Milchsäure (Lactat) über die Zeit berechnet, die erforderlich ist, um 90% der Begrenzung der Konzentration freier Milchsäure (Lactats) zu produzieren.
Die Produktivität des vorliegenden Verfahrens kann auch als Gesamtproduktionsrate für Lactat ausgedrückt werden. Der gegenständliche Fermentationsprozess wird im allgemeinen unter Bedingungen ausgeführt, die Lactat bei einer Gesamtrate von mindestens 1,0 g/L/h produzieren, vorzugsweise mindestens 2,0 g/L/h, und insbesondere 3,0 g/L/h. Wie hier angezeigt, wird Lactat vorzugsweise in diesen Raten in einer Brühe bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,1 und insbesondere von nicht mehr als 4,0 produziert.
III. Trennung von der Fermentationsbrühe – Lactat vs. Milchsäure
Eine Reihe unterschiedlicher Themen kommen auf nach der Entwicklung eines Verarbeitungsansatzes für Lactat/Milchsäurelösungen mit Generierung großer Mengen von Milchsäure, beispielsweise in Lösungen mit pHs nicht größer als 4,8 (vorzugsweise nicht größer als 4,2 oder 4,3), aus der Fermentationsbrühe; und mit einer gleichzeitigen Isolation (und auf Wunsch Recycling) von Lactatsalz (typischerweise Calciumlactat, Kaliumlactat, Natriumlactat und/oder Ammoniumlactat). Die wichtigsten Bedenken gelten dem Design des Systems zur Realisierung zweier Ziele:

1. Isolierung von Milchsäureprodukten für Follow-up-Verarbeitung, beispielsweise zur Generierung von Polymer; und
2. Isolierung von Lactatsalz, vorzugsweise in einer Form, die für das Recycling in die Fermentationsbrühe wünschenswert ist.

Drei allgemeine Methoden betreffen:

1. Die Trennung der Milchsäure von der Lösung unter Zurücklassung des Lactats; und, wenn erwünscht, die Leitung der Restlösung mit dem Lactatsalz darin nach der Trennung in einen Fermenter;
2. Die Isolierung des Lactatsalzes von der Lösung; Leitung des Lactatsalzes, wenn erwünscht, in einen Fermenter; und eine Follow-up-Isolation des Milchsäureprodukts von der Restlösung nach der Lactatsalztrennung; und
3. Gleichzeitige Trennung der Milchsäure in einen Strom und des Lactatsalzes in einen anderen unter Zurücklassung der Restmischung.

Mit den hier beschriebenen Techniken ist jede Anwendung möglich. Allerdings sind vorteilhafte Verfahren zum Teil davon abhängig, dass unter den Methodenansätzen derjenige gewählt wird, der am besten ein insgesamt kostengünstiges und effizientes Verarbeitungsregime für die Implementierung im großen Maßstab ermöglicht.
Die hier präsentierten Techniken können an unterschiedlichen Lösungen von Lactatmaterial praktiziert werden (d. h. Lösungen von Milchsäure und gelöstem Lactatsalz). Diese Lösungen können Fermentationsbrühe oder Brühe enthalten, die von einem Fermenter entnommen und auf irgendeine Art modifiziert wurde, beispielsweise durch Filtrierung oder pH-Einstellung. Die Techniken können auch auf die Lösungen angewendet werden, die auf andere Arten gemacht werden. Die hier beschriebenen Techniken und Vorschläge wurden jedoch speziell mit Schwerpunkt auf eine effiziente Verarbeitung von Fermentationsbrühenlösungen entwickelt, insbesondere relativ sauren Lösungen, bei denen eine pH-Modifizierung durch Zugabe von Säure nicht nötig ist und vorzugsweise nicht stattgefunden hat.
Obwohl die hier beschriebenen Techniken besonders gut für die Verarbeitung ausgewählter bakterieller Fermentationsbrühen geeignet sind, können sie auch auf andere Mischungen von Milchsäure angewendet werden, wie etwa solche, die gewonnen wurden aus: fungaler oder Hefewirkung; Reinigungsströmen von Lactidreaktionen; oder Polymilchsäureströmen von der Polymilchsäureverarbeitung.
Wie in Carlson et al. offenbart, wurden auch alternative Ansätze auf Basis von Fermentationen anderer, säuretoleranterer Mikroorganismen berichtet. Hefen, wie beispielsweise Saccharomyces cerevisiae sind zum Wachstum bei viel geringerem pH als Lactobacillus in der Lage. Rekombinante Hefestämme wurden durch Einführen des Lactatdehydrogenasegens von einer bakteriellen (Lactobacillus) oder Säugetierquelle (Rind) in Saccharomyces cerevisiae produziert. Die rekombinanten Hefestämme sind nach den Berichten in der Lage, Lactat am oder unter dem pK_a der Milchsäure (etwa 3,8) zu produzieren. Ethanol ist jedoch das wichtigste Fermentationsprodukt, das von diesen rekombinanten Hefestämmen generiert wird. Dies verringert die Effizienz der Lactatproduktion und führt zusätzliche potenzielle Probleme bezüglich der Trennung und Reinigung freier Milchsäure ein. Auch die Milchsäureproduktion durch eine Pelletform des Pilzes Rhizopus orgyzae wurde berichtet. Diese fungale Fermentation produziert auch typischerweise Glycerol und/oder Ethanol als wichtigste Nebenprodukte. Der Ertrag an freier Milchsäure wurde in diesem Fall durch die kontinuierliche Entfernung von der Fermentationsbrühe unter Verwendung einer Polyvinylpyridinkolonne ("PVP"-Kolonne) optimiert. Gemäß den Berichten wurden von der Rhizopus/PVP-Methode keine Lactatkonzentrationen höher als 25 g/L generiert.
Typische Zusammensetzungen, in denen Techniken gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, wären bezüglich pH mindestens 0,86 und weniger als 6,0. Das heißt, typische Zusammensetzungen, auf die die Techniken angewendet werden, besitzen einen pH in diesem Bereich. Wie in Gleichung I und 11 angezeigt, liegt bei solchen Zusammensetzungen das Molarverhältnis von freier Milchsäure zu dissoziierter Säure oder gelöstem Lactatsalz bei 25°C in einem Bereich von 1.000 : 1 bis 0,007 : 1. Eher bevorzugte Verarbeitungen erfolgen mit Lösungen mit einem pH in der Größenordnung von 1,98–5,00 (HLA : LA-Verhältnis im Bereich von 75 : 1 bis 0,070 : 1); und meistbevorzugte Verarbeitungen erfolgen mit Lösungen mit einem pH im Bereich von 3,0–4,5 (HLA : LA-Verhältnis im Bereich 7,0 : 1 bis 0,23 : 1).
Wie oben gezeigt, lassen sich mit der in Carlson et al. beschriebenen bevorzugten Verarbeitung Lösungen mit dem oben genannten meistbevorzugten pH-Bereich problemlos herstellen, mit erheblichen Konzentrationen des Lactatmaterials darin. Alternativ dazu können auch andere Fermentationsbrühen verwendet werden, beispielsweise mit pH-Einstellung durch Zugabe von Säure, die für den angegebenen meistbevorzugten pH-Bereich typisch ist. Bestimmte bevorzugte Methoden der Ansäuerung werden hier nachstehend beschrieben.
Es wird hier manchmal Bezug genommen auf die "bevorzugte Trennung" von: Milchsäure von einer Zusammensetzung, die Milchsäure und Lactatsalz enthält; oder Lactatsalz von einer Zusammensetzung, die Milchsäure und Lactatsalz enthält. Der Ausdruck "bevorzugte Trennung" und Abwandlungen desselben beziehen sich in diesem Zusammenhang auf eine Trennungstechnik, mit der vorzugsweise eine der beiden Komponenten (Milchsäure oder Lactatsalz) mit Bezug auf die andere entfernt wird. Bei der typischen bevorzugten Verarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung von Milchsäure und Lactatsalz in zwei "Produktströme" geteilt. In einem Produktstrom (dem an freier Milchsäure reichen Strom) ist vorzugsweise das Molarverhältnis von freier Milchsäure zum gewonnenen Lactatsalz mindestens 2/1 und vorzugsweise mindestens 3/1. Mit bestimmten der hier beschriebenen Techniken sind Verhältnisse von mindestens 5/1 und sogar Verhältnisse von 10/1 oder mehr leicht erreichbar.
Der andere Produktstrom ist der lactatsalzreiche Strom. In diesem Strom ist das Molarverhältnis von freier Milchsäure zu Lactatsalz vorzugsweise nicht größer als 0,5. Mit der typischen bevorzugten Verarbeitung wie hier beschrieben lassen sich Verhältnisse von nicht mehr als 0,3, vorzugsweise nicht mehr als 0,2 und meistbevorzugt 0,1 und darunter leicht erzielen.
Hier bedeutet der Ausdruck "Strom", wenn er im Zusammenhang der beiden vorangehenden Absätze verwendet wird, eine isolierte Phase oder ein isoliertes Produktsegment, unabhängig davon, ob diese Phase oder dieses Produktsegment eine Lösung, ein Feststoff oder eine Materialmischung ist. Folglich ist ein "milchsäurereicher Strom" bloß eine Phase oder Mischung, die im Vergleich zu der ursprünglich verarbeiteten Mischung reich an Milchsäure (im Gegensatz zu Lactatsalz) ist; und ein "lactatsalzreicher Strom" ist ein Strom, der im Vergleich zu der ursprünglich verarbeiteten Mischung reich an Lactatsalz (im Gegensatz zu Milchsäure) ist.
Wenn der an freier Milchsäure reiche Produktstrom als Ergebnis der Trennung der freien Milchsäure von der Mischung – beispielsweise von einer Fermentationsbrühe – gewonnen wird, wird die restliche wässrige Mischung nach Entfernung der freien Milchsäure manchmal als "entleert" bezüglich freier Milchsäure bezeichnet. Und wenn der Lactatsalz-angereicherte Strom aus der Trennung des Lactatsalzes von einer Mischung resultiert, welche die freie Milchsäure und das Lactatsalz enthält, wird die restliche Mischung manchmal ebenfalls als "entleert" bezüglich dem Lactatsalz bezeichnet.
Wenn die verarbeitete Lösung eine Fermentationsbrühe ist, wird der mit Lactatsalz angereicherte Produktstrom vorzugsweise so bereitgestellt und gebildet, dass das Gewichtsverhältnis zwischen den Verunreinigungen vom Fermenter und dem darin enthaltenen Lactatsalz niedriger ist als in der Fermentationsbrühe vorgefunden, und zwar vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 5. Dies lässt sich mit Hilfe der hier beschriebenen Techniken mit Bezug auf die Kontrolle des bestimmten Methodenansatzes, der für die Isolierung des Lactatsalzes gewählt wurde, erreichen, wie auch durch die Verwendung unterschiedlicher Reinigungstechniken, wie Rückspülung oder Rekristallisierung. Vorzugsweise wird der Lactatproduktstrom schließlich als wässrige Lösung oder Mischung einer wässrigen Phase und einer festen Phase für ein bequemes Recycling in ein Fermentationssystem isoliert, um den Wasserausgleich zu erhalten. Wenn die Konzentration einer wässrigen Lösung verwendet wird, um den Wasserausgleich in der Brühe zu ermöglichen, kommen vorzugsweise relativ preiswerte Konzentrationstechniken wie Umkehrosmose und Dampf-Neuverdichtung zum Einsatz.
IV. Verschiedene Optionen für die Milchsäure/Lactatsalztrennung; Vorteile und Nachteile
A. Entfernen der Milchsäure von der Fermentationsbrühe (oder einer anderen Milchsäure/Lactatsalz-Mischung)
Zu einer Klasse vorteilhafter Verarbeitungsmethoden gehört das Entfernen der Milchsäure aus der Fermentationsbrühe oder einer anderen Mischung bei gleichzeitigem Zurücklassen des löslichen Lactatsalzes in der Fermentationsbrühe. (Die Trennung kann in einigen Fällen im Fermenter stattfinden, oder sie kann auf Lösungsmaterial ausgeführt werden, das aus dem Fermenter entfernt wurde). Wenn nach einer solchen Trennung die restliche Fermentationsbrühe rezykliert werden kann, kann auch zumindest ein Teil der unterschiedlichen Nährstoffwerte in der Brühe zur Verwendung im Rohstoff bewahrt werden.
Zur vorzugsweisen Trennung von Milchsäure von einer Fermentationsbrühe (oder anderen Mischung), einschließlich Materialien wie Lactatsalz und anderer dissoziierter Salze darin, können mehrere Methoden angewendet werden. Dazu gehören folgende:
1. Extraktion. Es ist möglich, die Milchsäure von einer Milchsäure/Lactatsalz-Mischung, wie einer Fermentationsbrühe, durch Extraktion zu entfernen. Die Extraktion kann beispielsweise mit einem wasserunlöslichen Amin durchgeführt werden, vorzugsweise mit Aminen mit mindestens 18 Kohlenstoffatomen, meistbevorzugt mit tertiären Aminen, vgl. beispielsweise US-Patent Nr. 4,771,001; 5,132,456 und 5,510,526; und Shimizu et al., J. of Fermentation and Bioengineering (1996), Vol. 37.p. 1095–1100; und Chen and Lee, Appl. Biochem. Biotech. (1997), Vol. 63–65, pp. 435–447. Die Extraktion der Milchsäure ist ein bevorzugter Ansatz, wenn sich die Milchsäure zwischen zwei unvermischbaren flüssigen Phasen aufteilt. Die Vergrößerung und Ausführung der Extraktionsverfahren erfolgen geradlinig. Extraktionsprozesse sind günstig wegen des Fehlens von Feststoffbearbeitung, der großen Vielfalt von Ausrüstungen, die für die Kontaktierung zweier unvermischbarer Phasen zur Verfügung stehen, und der Fähigkeit zur Bearbeitung großer Durchflussraten. Extraktionsverfahren können Schaden nehmen, wenn die Phasen die Neigung zur Bildung stabiler Emulsionen zeigen oder eine hohe Viskosität aufweisen. Zusätzlich gilt es zu achten auf: (a) mitgeführte und lösliche Lösungsmittelkomponenten, welche die Produktivität der Mikrobe beeinträchtigen; und (b) die Entfernung wichtiger Nährstoffe aus der rezyklierten Brühe durch den Extraktionsprozess.
Der Extraktionsprozess kann im Fermenter, in einem äußeren Kontaktor oder mit Hilfe einer Membran zur Verhinderung der Verteilung einer Phase in der anderen durchgeführt werden. Die Verwendung einer unterstützten Flüssigkeitsmembran kann sich als nützlich erweisen, je nach dem gesamten Trennungsprozess.
Die Wahl des Extraktionslösungsmittels ist wichtig für die Gesamteffizienz und die Wirtschaftlichkeit des Trennungsverfahrens. Ein Maß für die Extraktionseffizienz ist der Verteilungskoeffizient nach der Konzentration (auf Gewichtsbasis) der Milchsäure in der organischen Phase (Extraktionsmittel), dividiert durch die Konzentration der Milchsäure in der wässrigen Phase (die Phase, von der aus die Extraktion stattfindet). Wünschenswert ist ein Verteilungskoeffizient größer als 0,1, noch wünschenswerter ist ein Verteilungskoeffizient größer als 1,0 und noch besser ist es, wenn der Verteilungskoeffizient größer als 3,0 ist. Letzterer Wert lässt sich durch Auswahl des geeigneten Lösungsmittels oder der Lösungsmittelmischung aus den folgenden bevorzugten Lösungsmitteln erreichen. In der Praxis auf kommerzieller Ebene ist die Extraktionseffizienz natürlich in der Fähigkeit zu sehen, eine Kombination von hohem Ertrag, niedrigem Extraktionsmittelvolumen und konzentriertem Produkt zu erzielen. Dies lässt sich anhand der hier diskutierten Techniken erreichen.
Lösungsmittel, die günstige Verteilungen ergeben, umfassen: sauerstoffgesättigte Lösungsmittel, Phosphatester, Phosphanoxide, Amine und Mischungen dieser Lösungsmittel. Sauerstoffgesättigte Lösungsmittel, die geeignet sind, enthalten Alkohole, Ketone, Ether, Ester, Säuren oder Lösungsmittel, die eine mehrfache Zahl dieser funktionalen Gruppen haben. Lösungsmittel, die mindestens 60 Gewichtsprozent, insbesondere mindestens 80 Gewichtsprozent und meistbevorzugt mindestens 90 Gewichtsprozent (typischerweise 95% oder mehr) an Komponenten enthalten, die im allgemeinen wasserunvermischbar sind (Löslichkeit nicht mehr als 50 Gramm pro Liter in Wasser bei 25°C), sind vorzuziehen. Spezifisch verwendbare Lösungsmittel sind 1-Butanol, 2-Ethyl-Hexanol, 1-Octanol, Methylisobutylketon, Cyclohexanon, Disobutylketon, Isopropylether, Ethylacetat, Isobutylactetat, Ethyllactat, Butyllactat, Octyllactat, N,N-Dibutyllactamid und Hexansäure. Geeignete Phosphatverbindungen umfassen Tributylphosphat, Triphenylphosphat, Diethylhexylphosphorsäure und Trioctylphosphanoxid. Geeignete Amine umfassen Triethylamin, Dioctylamin, Trioctylamin, Tridecylamin, Methyldidodecylamin und industrielle Präparate wie Amberlite LA-1 (eine Dialkylaminmischung mit zwölf Kohlenstoffatomen in jeder Alkylkette), Alamine 304 (Trdodecylamin), Alamine 308 (eine Trialkylmischung verzweigter Ketten mit insgesamt 8 Kohlenstoffatomen auf jeder Kette) und Alamine 336 (eine im Handel erhältliche Mischung von Trioctyl-, Tridecyl-, Dioctyldecyl- und Didecyloctylaminen). Das Extraktionslösungsmittel kann ebenfalls vorzugsweise eine Kohlenwasserstofffraktion enthalten, wie Kerosin, typischerweise (wenn überhaupt verwendet) zu 1 bis 40 Gewichtsprozent. Eine solche Kohlenwasserstofffraktion modifiziert auf günstige Weise die Viskosität, die Phasenkoaleszenz und andere physikalische Eigenschaften des Systems. Ein einsetzbares und vielfach bevorzugtes Lösungsmittelsystem umfasst, nach Gewichtsprozent, 0 bis 15% Ethanol; 65 bis 85% Alamine 336 und 15 bis 35% Kerosin.
Abhängig von dem Milchsäureprodukt von Interesse, sind die Lösungsmittelcharakteristika unterschiedlich. Wenn das Milchsäureprodukt von Interesse Milchsäureoligomere umfasst, ist ein Lösungsmittel mit einem relativ niedrigen Siedepunkt im Vergleich zu Milchsäureoligomeren/Milchsäure (vorzugsweise weniger als 200°C bei 1,01 × 10⁵ Pa oder 760 mm Hg) vorteilhaft, weil das Lösungsmittel leicht verdampft und von den Milchsäureoligomeren getrennt werden kann. Wenn das Milchsäureprodukt ein Alkyllactatester ist, wie Methyllactat, ist ein Lösungsmittel mit einem relativ hohen Siedepunkt im Vergleich zu den Estern (vorzugsweise höher als 175°C bei 760 mm Hg) vorteilhaft, um das Methyllactat leicht vom Lösungsmittel weg zu destillieren.
Bei der Herstellung eines Lactatesters kann es zudem vorteilhaft sein, wenn der Alkohol des Esters eine Komponente im Extraktionslösungsmittel ist. Wenn das Produkt ein Milchsäureamid ist, kann es nützlich sein, das entsprechende Amin präsent zu haben. Wenn umgekehrt das Produkt Milchsäure ist, kann die Anwesenheit eines Alkohols oder nicht-tertiären Amins im Lösungsmittel wegen der Möglichkeit von Ertragsverlusten bei der Bildung von Estern oder Amiden ungünstig sein.
2. Adsorption. Ein weiterer methodischer Ansatz zur Isolierung von Milchsäure aus einer Fermentationsbrühe mit freier Milchsäure und gelöstem Lactatsalz erfolgt über die Adsorption der Milchsäure an ein festes Adsorbens; die nachfolgende physikalische Trennung des festen Adsorbens von der flüssigen Phase; und die schließliche Generierung der Milchsäure aus dem festen Adsorbens. (Für unsere Zwecke umfasst der Begriff "Adsorption" in seinem Geltungsbereich auch den Begriff der Absorption. Das heißt, es wird nicht auf den spezifischen Mechanismus der Interaktion hingewiesen, wenn nichts anderes angegeben ist).
Die Verteilung der freien Milchsäure in eine feste Phase durch Ionenaustausch oder Adsorption ist eine weitere günstige Methode zur Trennung von Milchsäure von einer wässrigen Lösung. Diese Methoden zeigen eine hohe Effizienz, wenn die feste Phase eine hohe Kapazität für Milchsäure, einen effizienten Regenerationszyklus und eine lange Lebenszeit in dem Prozess aufweist. Exzessiver Druckabfall über einem Festbett, Bettschwellung, mögliche Verdünnung des Produkts nach der Regeneration, Harzverschmutzung und niedrige Massenübertragungsraten können Festphasenverfahren erschweren.
Die Kapazität des Harzes ist ein wichtiges Merkmal des Harzes, weil sie – zusammen mit der Massenübertragungsrate – bestimmt, wie viel Harz für eine bestimmte Menge an Milchsäure erforderlich ist. Ein Harz mit einer Kapazität von 0,10 g Milchsäure pro g Trockenharz wäre geeignet, eine Kapazität von 0,20 g Milchsäure pro g Trockenharz ist besser, und eine Kapazität von 0,30 g Milchsäure pro g Trockenharz ist am besten. Letzteres lässt sich beispielsweise mit Dowex MWA-1 Harz im Gleichgewicht mit einer 20 g/Liter Milchsäurelösung mit einem pH von nicht mehr als 4,5 bei Raumtemperatur erreichen.
Die Kontaktierung einer Festphase mit der wässrigen Milchsäurelösung kann im Fermenter oder in einer Anlage außerhalb des Fermenters erfolgen. Für den Kontakt innerhalb des Fermenters werden die Mikroben immobilisiert, und das Festphasenadsorbens wird von den Mikroben auf der Grundlage von Unterschieden in der Fallgeschwindigkeit in einem Wirbelschichtreaktor getrennt; vgl. beispielsweise Davidson and Scott, Biotechnology and Bioengineering, (1992), Vol. 39, Seite 365–368.
Ionenaustauschharze, die für die Milchsäuregewinnung geeignet wären, sind schwache, moderate und starke Basenaniontauscher. Mit zunehmendem pH des wässrigen Milchsäurestromst ein stärkerer Basenanionaustauscher zur Gewinnung der Milchsäure nötig. Deshalb ist der pH des Milchsäurestroms ein Faktor in der Wahl des Ionenaustauschharzes. Im Handel erhältliche tertiäre Aminionenaustauschharze, die geeignet wären, umfassen Reillex 425 und Reillex HP (beide Poly-4-Vinylpyridinharze, Reilly Industries, Inc., Indianapolis, IN), Dowex MWA-1 und Dowex 66 (beide tertiäre Polystyrol-Bivinylbenzen-Aminharze, Dow Chemical Company, Midland, MI) und Duolite A561 (ein tertiäres Acryl-Bivinylbenzen-Amincopolymer) und Amberlite IRA-67 (ein vernetztes tertiäres Phenol-Formaldehyd-Aminharz) (Rohm and Haas Corp., Philadelphia, PA). Sowohl makroretikuläre wie auch Gelharze sind geeignet.
Ein weiterer wichtiger Faktor in der Wahl des Harzes ist die Technik, die zur Entfernung der Milchsäure vom Harz zur Verfügung steht. Mit zunehmender Basizität des Harzes muss die Regenerationsmethode "mächtiger" sein, um die Milchsäure vom Harz zu entfernen. Eine geeignete Regenerationsmethode wäre die Kontaktierung des Harzes mit einer polaren Flüssigkeit, möglicherweise bei einer erhöhten Temperatur. Geeignete polare Flüssigkeiten sind Wasser, wässrige Lösungen, Methanol, Ethanol, Triethylamin, Methylisobutylketon, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidinon, 1,4-Dioxan, Tributylphosphat, Trioctylphosphanoxid und unterschiedliche Kombinationen derselben. Die Verdampfung des Milchsäureprodukts ist potentiell ebenfalls eine Methode. Im Fall der Verdampfung sind thermisch stabile Harze, wie die Reillex-Harze, sehr nützlich. King et al. offenbaren in US-Patent Nr. 5,132,456 die Verwendung wässriger Trimethylaminlösungen, um Adsorbentien zu regenerieren und von Wasser und Trimethylamin zu destillieren, um Milchsäure zu isolieren.
Die Selektivität des Harzes ist ebenfalls wichtig, da das Harz vorzugsweise für die Milchsäure selektiv sein sollte, und nicht für die von den Mikroben benötigten Nährstoffe. Das Harz muss vor dem Gebrauch möglicherweise auch mit Lösungsmitteln, Säuren und/oder Basen gewaschen werden, um jede Laugung von Monomeren, Oligomeren oder anderen Verbindungen zu minimieren, die für die Mikroben toxisch sein können.
3. Trennen durch Verdampfen. Die Destillation der Milchsäure von der wässrigen Lösung oder Mischung ist eine alternative Trennungsmethode. Dieses Verfahren würde den Rezyklierungsstrom nicht mit restlichem Extraktionsmittelmaterial kontaminieren, das für die Mikroben toxisch sein könnte, und es ermöglicht eine gute Kontrolle des Wassergleichgewichts. Ein Nachteil dieses Ansatzes liegt darin, dass das Wasser zuerst destilliert werden muss. Dies ist energie-intensiv, und – da Wasser entfernt wird – sind die Bedingungen für eine Milchsäurekondensation günstig.
Für die Destillation werden Vakuumbedingungen (d. h. weniger als 4,00 × 10⁴ oder 300 mm Hg) zum Absenken der Destillationstemperatur bevorzugt, weil die Milchsäurekondensation zu Dimer oder Oligomer reduziert ist. Die Milchsäuregewinnung kann durch den Einsatz von Ausrüstungen wie einem Dünnschichtverdampfer, der die Verweilzeit des Monomers während der Destillation verringert, erleichtert werden. Eine Möglichkeit besteht in der Zugabe eines Alkohols, wie etwa Ethanols, und der Herstellung von Ethyllactat, das eine größere Volatilität als Milchsäure hat und deshalb leichter zu destillieren ist.
4. Trennung via Membran. Milchsäure kann durch eine Membran in eine getrennte wässrige Phase gehen. Diese Methode ist vorzuziehen, wenn die gewählte Membran eine für Milchsäure (im Gegensatz zu Lactatsalz) hoch selektive ist. Eine brauchbare Membran ist eine dichte hydrophile Membran wie Celgard 3400 von Hoechst Celanese Co., Somerville, New Jersey, und Anionaustauschmembranen, die auch Protonübertragung ermöglichen.
Ein Beispiel für diesen Verfahrenstyp ist eine Ammoniaklösung über der Membran von der Milchsäurelösung. Die Milchsäure wird über die Membran geleitet, um den Ammoniak zu neutralisieren. Die Ammoniumlactatlösung könnte dann Bedingungen ausgesetzt sein, welche den Ammoniak verdampfen und eine Milchsäurelösung ergeben. Andere volatile Basen, wie Trimethylamin oder Triethylamin, könnten alternativ verwendet werden. Die Verwendung einer starken Base, wie Natriumhydroxid, würde in der Regel die Milchsäure auf unerwünschte Weise zu Natriumlactat neutralisieren. Folglich sollte bei einem derartigen Ansatz im allgemeinen auf der anderen Seite der Membran von der Fermentationsbrühe eine schwache Base verwendet werden.
Das heißt, dass eine schwache Base, so wie die oben erwähnten Aminbasen, einen Verbund bilden, der leicht dissoziiert werden kann, um die Milchsäure zu regenerieren.
Der Ausdruck "schwache Base" bezeichnet hier eine Base mit einem Halbneutralisierungs-pH von weniger als 2,5; eine "moderate" Base ist eine Base mit einem Halbneutralisierungs-pH zwischen 2,5 und 7,0; und eine "starke" Base ist eine Base mit einem Halbneutralisierungs-pH von mehr als 7,0. Der Ausdruck "Halbneutralisierungs-pH" ist ein Maß der offensichtlichen Basizität einer wasserunvermischbaren Base laut Definition in Grinstead, R. R. et al., J. Phys. Chem., Vol. 72, #5, p. 1630 (1968).
Unabhängig davon, welche Methode für die Entfernung der Milchsäure aus der Fermentationsbrühe angewendet wird, muss das Follow-up-Schicksal des Lactatsalzes und der restlichen Fermentationsbrühe in Erwägung gezogen werden. Es wäre natürlich vorzuziehen, eine Technik zu verwenden, welche die restliche Fermentationsbrühe und das Lactatsalz in einer wünschenswerten Form für das direkte Recycling belässt, ohne weitere signifikante Behandlung. Anderseits kann es wünschenswert sein, das Lactatsalz von der restlichen Fermentationsbrühe zu isolieren, damit das Lactatsalz rezykliert oder anderweitig genützt werden kann, wobei die Fermentationsbrühe entweder direkt rezykliert oder entsorgt oder auf andere Weise verwendet wird. Unterschiedliche methodische Ansätze zur Entfernung des Lactatsalzes von der restlichen Fermentationsbrühe nach Entfernung der Milchsäure umfassen: Extraktion; Elektrodialyse; Ionenausschluß; Adsorption mit einem festen Adsorbens, mit Follow-up-Trennung vom Adsorbens; Trennung mit Membran; und Kristallisation.
Es wird festgestellt, dass die involvierten Techniken in einigen Fällen zur Hinzufügung eines Materials zum Rezyklierungsstrom mit dem Lactatsalz in Lösung führen kann. Beispielsweise können die Extraktionsverfahren die Zusammensetzung dieses Stroms beeinträchtigen. Wenn solche Methoden gewählt werden, kommt es darauf an, entweder Materialien zu verwenden, die eine geringe Toxizität gegenüber Mikroben aufweisen, oder Follow-up- Behandlungen zu entwickeln, welche die Zusammensetzung des Stroms für das Recycling entsprechend modifizieren, beispielsweise durch Verdampfen der flüchtigen Bestandteile aus der restlichen Brühe oder Kontaktieren der Brühe mit einer unvermischbaren Flüssigkeit niedriger Toxizität, welche toxische Bestandteile extrahiert. Ein bevorzugtes Verfahren wäre die Verwendung einer unvermischbaren Flüssigkeit geringer Toxizität als Extraktionslösungsmittel oder als Komponente im Extraktionslösungsmittel und als die unvermischbare Flüssigkeit, die zum Ausextrahieren der toxischen Komponenten benützt wird.
Die in diesem Abschnitt beschriebenen Techniken können auf kontinuierliche oder Batch-Weise praktiziert werden. Auch der Rohstoffstrom vom Fermenter und der Fermenterbetrieb können kontinuierlich oder Batch-Weise praktiziert werden.
B. Entfernung von Lactatsalz aus der Fermentationsbrühe unter Zurücklassung von Milchsäure
Wie oben erwähnt, ist an einem alternativen Ansatz zur Milchsäureproduktion die Trennung des Lactatsalzes von der Fermentationsbrühe (oder anderen Mischung) beteiligt, unter Zurücklassung der Milchsäure in der Restmischung und bei späterer Verarbeitung der Milchsäure aus der restlichen Mischung. Das isolierte Lactatsalz könnte bei Bedarf nützlich für die Einleitung (oder Rezyklierung) in das Fermentationssystem zur pH-Kontrolle sein.
Unterschiedliche Methoden können für die Isolierung des Lactatsalzes von einer Fermentationsbrühe oder anderen Milchsäure/Lactatsalzmischung unter Zurücklassung der Milchsäure angewendet werden. Diese könnten im allgemeinen rund um die selben Methoden entwickelt werden, wie sie im vorangehenden Abschnitt zur Isolierung von Lactatsalz von der restlichen Fermentationsbrühe nach Milchsäurenentfernung charakterisiert wurden. Wie auch die Methoden der anderen Abschnitte, können sie auf kontinuierliche oder in Batch-Weise praktiziert werden. Die Methoden wären sodann im allgemeinen folgende:
1. Extraktion
Ein Lactatsalz kann von einer wässrigen Lösung, die Milchsäure enthält, mit Hilfe eines quaternären Amins, wie Methyltrioctylammoniumchlorid oder einer Mischung von Methyltrialkylammoniumchloridsalzen, wie etwa ALIQUAT 336 (das entsprechende Methylammoniumchlorid von Alamine 336, erhältlich bei Henkel Corp., Kankakee, IL) extrahiert werden. Typischerweise werden Methyltrialkylammoniumhalid-(vornehmlich Chlorid)-Salze von Trialkylaminen aus 18 Kohlenstoffen oder mehr verwendet. Im allgemeinen kommt es zu einem Anionaustausch, bei dem das Lactatanion gegen das in der Aminphase vorhandene Chloridanion ausgetauscht wird. Folglich kann diese Methode die restliche, die Milchsäure enthaltende Lösung mit Chloridionen "laden".
Eine weitere Extraktionsmethode ist die vollständige Extraktion des Lactatsalzes unter Verwendung eines gekoppelten Extraktionsmittels, bestehend aus einem flüssigen Kation- und flüssigen Anionaustauscher in einem Lösungsmittel. Ein Beispiel wäre die Verwendung von quaternärem Amin wie oben aufgeführt mit Diethylhexylphosphorsäure. Das Lactatsalz wird mit der Bildung von Wasser extrahiert. Das quaternäre Amin muss möglicherweise auf die freie Basenform des Amins vorbehandelt werden, damit dies effizient funktioniert.
2. Feststoffadsorbens.
Die Fermentationsbrühe, welche die Milchsäure und das Lactat-Ion enthält, könnte zur Entfernung des Lactations mit einem Feststoffadsorbens kontaktiert werden. Bevorzugte Feststoffadsorbentien dafür wären starke Anionaustauscher, wie etwa fixierte quaternäre Ammoniumverbindungen. Ein Beispiel wäre Amberlite IRA-400 und Amberlite IRE-900 von Rohm und Haas Co., Philadelphia, PA. Solche Materialien umfassen im allgemeinen quaternäre Ammoniumfunktionalität und Styrenbivinylbenzencopolymer.
Ein weiterer Ansatz wäre die Verwendung von Mischbettionenaustauscherharzen zur Trennung des Lactatsalzes von der wässrigen Lösung. Diese sind mit den oben erwähnten Mischflüssigkeitsionenaustauschern vergleichbar.
Ein weiterer Ansatz zur Trennung der Mischung unter Verwendung eines Feststoffadsorbens ist die Technik des Ionenausschlusses. Bei einer Ionenausschlusschromatografie wird ein Anionaustauschharz in die Lactatform konvertiert. Das Lactat-Anion in der Rohstofflösung kommt mit dem Hohlraumvolumen des Harzes heraus, während andere ionische Komponenten von Harz zurückgehalten werden.
3. Trennung mit einer Membran.
Das Lactat-Ion kann auch mittels Elektrodialyse unter Zurücklassung einer Milchsäure von einer wässrigen Lösung, wie etwa einer Fermentationsbrühe, entfernt werden. Insbesondere werden die – vorzugsweise vorgefilterte – Fermentationsbrühe und ein relativ reiner Wasserstrom in eine Elektrodialyseeinheit eingespeist. Die Einheit würde alternierende Kationen- und Anionenaustauschmembranen enthalten, die eine Mehrzahl von Abteilen (oder einen Stapel) mit einer Kathode und einer Anode an gegenüberliegenden Seiten des Stapels (für den Aufbau eines elektrischen Feldes durch den Stapel) bilden. Die Eigenschaften der Membranen wären so geartet, dass im wesentlichen nur Anionen durch die Anionaustauschmembran gehen würden, und nur Kationen durch die Kationaustauschmembranen. Eine Elektrodialyseeinheit für die Wasserentsalzung wäre für die Trennung und Konzentration des Lactatsalzes und die Schaffung eines milchsäurereichen/Lactatsalz-entleerten Stroms geeignet. Unternehmen wie Aqualytics in Warnen, NJ, und Ionics, Inc. in Watertown MA liefern Entsalzungsausrüstungen, die sich für diesen Zweck eignen.
4. Kristallisation
Lactatsalze können von wässrigen Lösung kristallisiert werden. Folglich kann Lactatsalz über einen Kristallisationsprozess aus der Fermentationsbrühe (oder anderen Mischung) entfernt werden. Dies kann durch Konzentration (beispielsweise durch Verdampfen des Wassers), durch Reduktion der Temperatur und/oder durch Zugabe von Mitteln zur Erleichterung der Kristallisation (z. B. wasserlösliche Aklohole, wie C₁ bis C₄ Alkohole [Methanol, Ethanol, Propanol und/oder die diversen Butanole]) erfolgen. Nach der physischen Trennung des kristallisierten Produkts von der Lösung könnte die restliche Milchsäure-haltige Lösung weiter für die Isolierung der Milchsäure behandelt werden.
Bei bestimmten bevorzugten Verarbeitungen ist das hinzugefügte Mittel vorzugsweise ein solches mit einer geringen Löslichkeit in Wasser ungefähr bei Raumtemperatur, doch diese Löslichkeit nimmt mit einem Anstieg der Temperatur rasch zu. Ein gutes Beispiel bietet Butanol. Die Zugabe von Butanol zu einer Milchsäure- und Lactatsalz-haltigen Lösung bei einer angehobenen Temperatur von etwa 100°C und bei einem entsprechenden Druck zur Vermeidung von Verdampfung würde in der effizienten Kristallisation des Lactatsalzes resultieren. Diese Art von Mittel hat zahlreiche Vorteile. Zunächst ist es nach der Kristallisation relativ einfach von der restlichen Lösung zu trennen, beispielsweise durch Abkühlen. Zum zweiten verteilt sich die Milchsäure nach dem Abkühlen der Brühe nach der Lactatsalzkristallisierung zwischen den beiden Phasen (Wasser und Butanol) unter Bildung einer sehr effizienten Kombination von Kristallisation und Extraktion in einem Arbeitsgang. Das heißt, das Lactatsalz wird kristallisiert, und die Milchsäure wird in Butanol extrahiert. Zum dritten, wenn das hinzugefügte Mittel ein geeigneter Alkohol ist, kann ein Lactatester gebildet und in reiner Form getrennt werden, beispielsweise durch Destillierung. Wenn die Kristallisierung die Methode der Wahl ist, ist Calciumlactat (CaLa₂) vielfach das Salz der Wahl, weil: (a) es eine relativ niedrige Löslichkeit in Wasser aufweist; und (b) seine Löslichkeit in Wasser stark von der Temperatur abhängig ist. Das Calciumlactatsalz kann der Mischung durch Verwendung des geeigneten löslichen Calciumsalzes bereitgestellt werden, wie etwa Calciumcarbonat.
Welcher Ansatz auch immer zur Isolierung des Lactats von der Mischung verwendet wird, das gesamte Verarbeitungsschema benötigt natürlich die Gewinnung des Milchsäurewerts in irgendeiner Form von der restlichen Brühe (oder anderen Mischung) nach Entfernung des Lactatsalzes. Methoden in Analogie zu den oben bezüglich der Entfernung der Milchsäure von einem Fermentationsbrühe oder anderen Mischung beschriebenen können zur Anwendung kommen. Genauer: Extraktion, Feststoftadsorption; Verdampfung; oder Membrantrennung wie voranstehend beschrieben sind durchführbar. Für viele dieser Optionen ist ein Schritt der vorgängigen Trennung des Lactatsalzes günstig, weil die Säurentrennung in einigen Fällen effizienter ist, wenn sie ohne den Pufferungseffekt des Lactatsalzes ausgeführt wird. Folglich würden die oben für die Milchsäuregewinnung beschriebenen Techniken auf eine Lactat-entleerte Lösung angewendet, um eine Milchsäurereinigung/-isolierung vielmehr als eine Trennung von Lactat zu erreichen.
V. Eine bevorzugte Methodenklasse – Milchsäureentfernung aus der Mischung durch Extraktion
In einigen Fällen schließt eine bevorzugte Methodenklasse für die gesamte Verarbeitung die Milchsäuretrennung von der Mischung mittels Extraktion ein. Unter den Gründen hierfür sind folgende:

1. Mit einem Extraktionsverfahren, insbesondere wenn es auf einer geklärten Fermentationsbrühe oder ähnlichen Lösung durchgeführt wird, kann die restliche Milchsäure-entleerte Lösung mit dem Lactat darin möglicherweise in einer geeigneten Form zur Rezyklierung in den Fermenter ohne wesentliche weitere Behandlung belassen werden, ausgenommen vielleicht eine Verdünnungsmittelwaschung oder eine ähnliche Behandlung zur Entfernung restlicher Extraktionsmittel, die für die Mikroorganismen des Fermenters toxisch sein könnten.
2. Extraktionsverfahren können in vielen Fällen effizient und schnell in großem Maßstab durchgeführt werden.
3. Extraktionsverfahren können für die Milchsäure ziemlich selektiv sein, im Vergleich mit anderen Materialien (wie Aminosäuren und Kohlehydraten) in der Fermentationsmischung. Eine solche hohe Selektivität kann mit basischen Extraktionsmitteln erzielt werden, wie etwa Trialkylaminen, insbesondere relativ unlöslichen Trialkylaminen mit mindestens 18 Kohlenstoffatomen, wie Alamine 336.

Für die Gewinnung von Milchsäure können unterschiedliche Methoden angewendet werden, d. h. die Entfernung der Milchsäurewerte oder lactischen Produkte aus dem Milchsäure-haltigen Extrakt. Hierher gehören folgende Methoden:
A. Phasentrennung.
Bei Anwendung dieser Technik wird das Extraktionsmittel, welches die Milchsäure enthält, im allgemeinen so modifiziert, dass Lactid und/oder Milchsäureoligomere generiert werden. Dies würde beispielsweise erfolgen, indem die Kondensationsreaktion (Milchsäure zu Dimer oder Oligomer) während der Konzentration durch das Verdampfen von Wasser betrieben würde. Zur Erleichterung eines solchen Follow-up-Prozesses wird ein hydrophobes Extraktionslösungsmittel für die ursprüngliche Extraktion bevorzugt, da der Großteil der Trennung der Milchsäure vom Wasser der ursprünglichen wässrigen Phase (z. B. der Fermentationsbrühe) im Extraktionsschritt und in der Phasentrennung erfolgt sind. Ein Beispiel eines geeigneten hydrophoben Extraktionslösungsmittels ist eines mit einem hohen Anteil an langkettigen Alkylaminen und mindestens 1–35 Gewichtsprozent Kerosin. Diese Extraktionslösungsmittel co-extrahieren in der Regel nur ein Mol Wasser pro Mol extrahierter Milchsäure. Die Kondensationsreaktion (zur Bildung von Lactid oder Oligomer) kann durch eine Katalysatorzugabe erleichtert werden. im allgemeinen bilden das resultierende Lactid oder die Oligomere während der Kondensation/Konzentration eine vom Rest des Extraktionsmittels getrennte Phase beispielsweise dem Amin. Die physische Trennung kann dann dazu benützt werden, die Gewinnung des gewünschten lactischen Produkts zu erreichen. Das abgetrennte Oligomer kann dann bei Bedarf direkt zum Lactid gebracht werden, ohne Entfernung restlicher Extraktionsmittel darin.
Es wird festgestellt, dass diese Methode, insbesondere wenn ein Amin als Extraktionsmittel zur Anwendung kommt, einen bestimmten Grad der Racemisierung des lactischen Produkts bewirken kann. Die Racemisierung kann durch Einsatz niedriger Temperatur- und niedriger Druckbedingungen für die Kondensationsreaktion minimiert werden. Beispielsweise unter 150°C und unter 2,67 × 10³ Pa oder 20 mm Hg.
B. Extraktion.
Mit dieser Methode wird die Milchsäure von der ersten extrahierten Phase zurückextrahiert. Dies kann aufgrund der hohen Löslichkeit der Milchsäure in Wasser oft mit einer wässrigen Extraktion oder Waschung erfolgen. Natürlich können andere polare Flüssigkeiten, wie Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidinon, N,N-Dimethylforamid (DMF), Triethylamin und Lactid, verwendet werden. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, relativ warme Rückextraktionsbedingungen im Vergleich zu der ersten Extraktion zu verwenden, beispielsweise Rückextraktion mit Wasser bei einer Temperatur von mindestens 100°C, typischerweise bei 150°C oder höher, um den Prozess zu erleichtern. (Unter Annahme von Bedingungen der ersten Extraktion von 15°–60°C bei atmosphärischem Druck). Eine solche Rückextraktion würde typischerweise unter einem Druck von mindestens 2,07 × 10⁵ Pa oder 30 psig durchgeführt.
C. Membrantrennung.
Membrantrennungstechniken können verwendet werden, um die Trennung der Milchsäure von der Milchsäure-extrahierenden Lösungsmittelphase zu erleichtern. Beispielsweise könnte man eine hydrophile Barriere mit der Extraktionsmittelphase auf einer Seite und einer bevorzugten Phase für die Milchsäure auf der anderen Seite verwenden. Diese bevorzugte Phase könnte beispielsweise ein tertiäres Amin sein, wie oben für die Membrantrennung für Milchsäure von der Fermentationsbrühe beschrieben. In einigen Fällen können wässrige Systeme benützt werden.
D. Destillierung von Lösungsmittel.
Wenn das Lösungsmittel der extrahierten Phase von relativ geringem Molekulargewicht oder hoher Volatilität ist, z. B. Butanol, kann es unter Zurücklassung von Milchsäure von der Extraktionsmittelphase destilliert oder verdampft werden. Dieser Ansatz erweist sich am wirkungsvollsten, wenn die Extraktionsmittelphase Lösungsmittel wie Butanol, Methylisobutylketon oder Triethylamin umfasst. Es kann wünschenswert sein, relativ niedrigen Druck einzusetzen, um die Destillation zu erleichtern. Beispielsweise sind Verarbeitungen bei Drücken in der Größenordnung von etwa 6,67 × 10⁴ Pa oder 500 mm Hg oder darunter bevorzugt. Der Einsatz eines Trägergases und Verdunstung durch eine Membran sind ebenfalls bevorzugt. In einigen Fällen führt die Milchsäurekonzentration, die während der Destillation stattfindet, zur Bildung von Kondensationsprodukten wie Lactatestern (wenn Alkohole vorhanden sind), Lactid oder Milchsäureoligomeren.
E. Destillierung von Milchsäureprodukt.
Die Destillation von Milchsäureprodukt, beispielsweise Milchsäure, aus der Extraktionsmittelphase wird bevorzugt, wenn die Extraktionsmittelphase ein Material relativ niedriger Volatilität umfasst. Beispielsweise wenn tertiäres Amin, insbesondere tertiäre Amine von 18 Kohlenstoffatomen oder mehr in der Extraktionsmittelphase verwendet werden, kann die Destillierung leicht für die Gewinnung von Milchsäure verwendet werden. Diesbezüglich wird auf US-Patent Nr. 5,510,526 verwiesen.
Natürlich kann die Extraktionsphase in einigen Fällen Materialien hoher Volatilität sowie niedriger Volatilität enthalten. Ist dies der Fall, werden möglicherweise mehrstufige Destillierungen bevorzugt, um eine Isolierung der Milchsäure oder des Milchsäureprodukts zu erreichen. Auch hier könnte ein Trägergas und insbesondere die Verdunstung durch eine Membran vorteilhaft sein.
F. Kristallisierung des Milchsäureprodukts.
Wenn das Milchsäureprodukt Lactid ist, ist die Kristallisierung ein günstiger Ansatz zur Trennung von der extrahierten Phase. Insbesondere kristallisiert Lactid leicht von nicht-polaren Lösungsmitteln wie Toluen. Es ist typischerweise wünschenswert, Lactid von der gewonnen Milchsäure in der Extraktion zu generieren. Dies kann durch Wasserentfernung und Kondensation unter kontrollierten Bedingungen erfolgen. Vgl. beispielsweise 5,142,023 mit Bezug auf die Lactidbildung.
G. Wässrige Extraktion, Lösungsmittel-Re-Extrakt.
Bei diesem Ansatz wird die Milchsäure von der Extraktionsmittelphase in eine wässrige Phase extrahiert. Sie wird dann aus der wässrigen Phase in eine bevorzugte Extraktionsmittelphase für eine Follow-up-Verarbeitung entfernt, etwa eine Kondensierung zu Oligomer und abschließende Verarbeitung zu Lactid. Ein typisches Beispiel wäre eine erste Extraktion in eine tertiäre Aminphase, vorzugsweise Amine mit 18 Kohlenstoffen oder mehr, mit einer Follow-up-Extraktion von der tertiären Aminphase in eine wässrige Phase. Die Milchsäure kann dann in Cyclohexanon oder ein anderes polares Nicht-Amin-Lösungsmittel extrahiert werden, wobei die Kondensation (zu Oligomer) im Cyclohexanon (oder einem anderen polaren, organischen Nicht-Amin-Lösungsmittel) während der Konzentration/Destillation stattfindet. Die Temperatur der Rückextraktion in die wässrige Phase kann höher sein als die Temperatur während der Extraktion in die organischen Phasen. Dies wird gegenüber der Kondensation direkt innerhalb der tertiären Aminphase bevorzugt, wenn die Racemisierung minimiert oder vermieden werden soll.
Natürlich könnte die Milchsäure aus der wässrigen Phase direkt isoliert werden, beispielsweise durch Destillation des Wassers. Jedoch dies kann im allgemeinen mehr Energie verbrauchen als die Kondensation in einer bevorzugten polaren organischen Phase höherer Volatilität.
VI. Diverse Methoden für die Trennung von Milchsäureprodukten von einer extrahierten Phase - nähere Betrachtung.
Im folgenden wird eine typische Herangehensweise an das Problem der Herstellung von Milchsäureprodukten von einer Milchsäurefermentation oder anderen wässrigen Milchsäurelösungen unter Einsatz der oben beschriebenen Techniken beschrieben. Wir gehen von einer Brühe mit etwa 50 bis 110 g/Liter Milchsäurematerial mit einem pH von 3,5 bis 4,3 aus. Die Brühe wird kontinuierlich aus einem Fermenter entnommen. Die Brühe wird geklärt, um grobe Verunreinigungen und anderes unlösliches Material im Strom zu entfernen, beispielsweise durch Hindurchführen durch einen Filter (oder durch Ausflocken, Zentrifugieren oder eine Kombination dieser unterschiedlichen Techniken). Dieser Filter kann ein Dead-end-Filter oder ein Querstromfilter sein, der Mikro- oder Ultrafiltrierungsmembranen benützt. (In einigen Fällen kann eine Vorbehandlung mit Aktivkohle zur Reinigung der Mischung vorgenommen werden). Die nicht dissoziierte Milchsäure wird dann von der Brühe oder restlichen Lactatsalzlösung extrahiert. Das Extraktionslösungsmittel umfasst ein tertiäres Alkylamin, ein sauerstoffgesättigtes Lösungsmittel, das den Verteilungskoeffizienten erhöht, und eine Kerosinfraktion, die die Viskosität der Lösungsmittelmischung modifiziert. Das Extraktionslösungsmittel enthält vorzugsweise 60 bis 80 Gewichtsprozent tertiäres Alkylamin, wie Alamine 336, 5 bis 20 Gewichtsprozent Methylisobutylketon und 10 bis 30 Gewichtsprozent Kerosin (beispielsweise IsoPar K). Die wässrige Milchsäurelösung und das Extraktionslösungsmittel werden in Gegenstromweise kontaktiert entweder in einer Rührkolonne; einer Füllkörperkolonne; einer Siebbodenkolonne; einem Regenkübelkontaktor, einem Zentrifugalkontaktor oder in einer Mischer-Scheider-Anlage. Die Temperatur während dieser Kontaktierung liegt zwischen 0°C und 95°C, insbesondere vorzugsweise zwischen 15°C und 60°C. Die abgehenden Ströme aus dem Extraktionsprozess sind eine wässrige Lactatsalzlösung und ein milchsäurereiches Extrakt. Die wässrige Lactatsalzlösung wird in den Fermenter zurück rezykliert. Das milchsäurereiche Extrakt würde dann verarbeitet, um die oben allgemein bezeichneten Milchsäureprodukte herzustellen.
Um einen nahezu reinen Milchsäurestrom herzustellen, sollte das Milchsäureprodukt im Extrakt vom Lösungsmittel getrennt werden, um das Lösungsmittel zu regenerieren und das Milchsäureprodukt zu isolieren. Wie oben festgestellt, gibt es mehrere Methoden zur Trennung der Milchsäure vom Lösungsmittel. Beispielsweise kann das Milchsäureprodukt: in eine zweite Phase geringer Vermischbarkeit mit dem Extraktionslösungsmittel extrahiert werden; mit dem Lösungsmittel oder dem Milchsäureprodukt als Kopfprodukt destilliert werden; oder durch eine Membran in eine andere Phase hindurchgeführt werden. Bei einer anderen Methode kann das gesamte oder ein Teil des Extraktionslösungsmittels wegdestilliert werden, während ein zweites, weniger volatiles Lösungsmittel hinzugefügt wird, um die Milchsäure in einer unterschiedlichen Lösungsmittelzusammensetzung zu erhalten. Diese Methode wurde von Versen et al. in US-Patent Nr. 5,420,304 offenbart.
Ein bevorzugtes Trennungsregime zur Gewinnung von Milchsäure aus dem Extraktionslösungsmittel ist die Destillation des Milchsäure/Extraktionslösungsmittelstroms, um einen rohen Milchsäurestrom zu erhalten. Es kann Komponenten in der Extraktionsphase geben, die sowohl höher wie auch tiefer sieden als die Milchsäure. Effiziente und wirtschaftliche Destillationsregimes dieser Komponenten können mit konventionellem Destillationsausrüstungen ausgeführt werden. In einer bevorzugten Methode werden Gerätschaften mit hohem Vakuum und hoher Oberfläche dazu benützt, die Milchsäure effizient und bei einem Mindestmaß an Kondensation zu isolieren. Für dieses Vorgehen wären ein Verteilerbürsten-Verdampfer oder ein Fallfilmverdampfer angebracht.
Ein verdampfter Milchsäurestrom könnte so kondensiert werden, dass er einen konzentrierten, flüssigen Milchsäurestrom bildet, der in Prozessen, die von Gruben et al. in 5,142,023 beschrieben wurden, weiter zu Milchsäureoligomeren und Lactid verarbeitet werden kann. Ein verdampfter Milchsäurestrom kann mit einem geeigneten Katalysator kontaktiert werden, um Lactid zu bilden, so wie von Bellis und Bhatia in US-Patent Nr. 5,138,074 beschrieben. Dieser Milchsäurestrom könnte auch als Endprodukt mit einer auf den Bedarf abgestimmten Reinigung verkauft werden. Die Milchsäure könnte auch reagiert werden, um andere Produkte mit Nutzwert zu bilden, wie Lactatester, Lactatamide und Acrylsäure.
Das Abdestillieren relativ kleiner Mengen von Milchsäure aus dem Extraktionslösungsmittel ist ein besonders attraktiver Ansatz für die Milchsäuregewinnung, weil die kleinere Komponente der Lösung als Kopfprodukt genommen wird. Deshalb würde ein Extraktionslösungsmittel mit geringerer Volatilität im Verhältnis zu Milchsäure bevorzugt.
Alamine 336, eine handelsübliche Mischung tertiärer Alkylamine mit Octyl- und Decylalkylgruppen, besitzt eine niedrigere Volatilität als Milchsäure. Es wurde festgestellt, dass für ein Alamine 336 und eine wässrige Milchsäuremischung bei relativ niedrigen Temperaturen (<65°C) und bestimmten Konzentrationen wässriger freier Milchsäure drei Flüssigphasen im Gleichgewicht sind. Eine Konzentration wässriger freier Milchsäure ist etwa 2,2 Gewichtsprozent, während die Milchsäurekonzentrationen etwa 16 bzw. 1,4 Gewichtsprozent für die mittleren bzw. oberen organischen Phasen betragen. Die gesamte organische Phase oder die hochgeladene Milchsäure-Alamine-336-Mittelphase kann von den anderen Phasen physisch getrennt werden. Die Milchsäure könnte dann vom Alamine 336 destilliert werden, oder das Milchsäureextrakt kann unter Anwendung von Methoden, die in diesem Patentantrag beschrieben werden, weiter verarbeitet werden, um Milchsäureprodukte zu erhalten.
Es ist festzuhalten, dass bei Raumtemperatur, wenn die Konzentration wässriger freier Milchsäure im Gleichgewicht signifikant über oder unter den 2,2 Gewichtsprozent liegt, nur eine einzige organische Phase erhalten wird. Beispiel 2 berichtet über ein Beispiel einer Herstellung eines Dreiphasensystems und wie durch Rekontaktierung der zwei organischen Phasen mit einer frischen wässrigen Milchsäurelösung eine einzelne organische Phase mit hoher Milchsäurekonzentration erzielt wurde.
Wie oben aufgezeigt, besteht eine andere mögliche Methode zur Gewinnung der Milchsäure aus dem Extraktionslösungsmittel in der Rückextraktion der Milchsäure in eine flüssige Phase, die mit dem Extraktionslösungsmittel unvermischbar ist. Die zweite unvermischbare Phase kann Wasser, polare organische Verbindungen oder Mischungen dieser Flüssigkeiten sein. Es hat sich gezeigt, dass einige polare organische Verbindungen unvermischbar mit den oben beschriebenen bevorzugten Extraktionslösungsmitteln sind. Mit zunehmender Gewichtsfraktion des Trialkylamins und Kerosins steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine polare organische Verbindung mit dem Extraktionslösungsmittel unvermischbar ist. Interessante polare organische Verbindungen umfassen: Methanol; Ethanol; Lactid; Milchsäureoligomere; Dimethylsulfoxid; N,N-Dimethylforamid; N-Methylpyrrolidinon und Sulfolan. Im allgemeinen sind die interessanten polaren organischen Verbindungen solche, deren Löslichkeit in Wasser größer als 1 g pro 10 g Wasser ist. Die Rückextraktion wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die höher ist als jene bei der ersten Extraktion von Milchsäure in das Extraktionslösungsmittel (in der Regel 30°C bis 160°C oder höher, für gewöhnlich 90°C bis 160°C). Dazu gibt es Ausnahmen, und wenn wir ein Extraktionslösungsmittel verwenden, das einen großen Anteil Alkohol enthält, wie beispielsweise Hexanol oder Octanol, kann es vorteilhaft sein, die Rückextraktion bei einer niedrigeren Temperatur als die Erstextraktion vorzunehmen. Die Zusammensetzung des Extraktionslösungsmittels kann zwischen der Vorwärtsextraktion der Milchsäure und der Rückextraktion geändert werden. Die für die Vorwärtsextraktion wie oben aufgeführt geeignete Ausrüstung eignet sich auch zur Verwendung in der Rückextraktion.
Das Rückextraktionslösungsmittel kann auch eine basische Verbindung haben, um die Verteilung der Milchsäure zurück in die zweite unvermischbare Phase zu erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass das ternäre System von Triethylamin-Milchsäure-Trioctylamin bei Raumtemperatur zwei Phasen hat. Dies ist etwas überraschend, weil Triethylamin und Trioctylamin unvermischbar sind. Die Trioctylaminphase enthält wenig Milchsäure, wenn die Menge des hinzugefügten Triethylamins etwas mehr als stöchiometrisch ist. Die Triethylaminreiche Phase ist nahezu ein 1 : 1 Molarverhältnis von Milchsäure zu Triethylamin, was einen Gewichtsanteil von Milchsäure in Höhe von 47% ergibt. Folglich ist dieses System fähig, die Milchsäure während der Rückextraktion zu konzentrieren. Das Triethylamin ist wesentlich volatiler als die Milchsäure und kann destilliert werden, um ein Rohmilchsäureprodukt zu erhalten. Es wird erwartet, dass Trimethylamin, Ammoniak und andere Amine mit einem Molekulargewicht von weniger als 200 ein ähnliches Verhalten wie das Triethylamin zeigen würden. Bailey et al. offenbaren die Verwendung von tertiären Trialkylaminen in einem organischen Lösungsmittel mit Rückextraktion in eine wässrige Phase (mit einer relativ starken Base, wie Ammoniak) in US-Patent Nr. 4,771,001.
Die Rückextraktion in eine Mischung von Triethylamin in polarem Lösungsmittel mit relativ niedriger Volatilität ist ein effizienter Prozess, zumal das Verhältnis Lösungsmittel zu Triethylamin sorgfältig kontrolliert werden kann. Die Anwesenheit des Lösungsmittels erlaubt es der Viskosität, während der Destillation des Amins von der Milchsäure niedrig zu bleiben und würde ein Medium für weitere Reaktionen der Milchsäure zu Milchsäureprodukten schaffen.
Diese letzte zitierte Option der Rückextraktion der Milchsäure wurde allgemein beschrieben als mit einem nicht-polaren Lösungsmittel mit einem basischen Extraktionsmittel, wie etwa ein langkettiges (18 Kohlenstoffatome oder mehr) Alkylamin, und unter Nutzung eines polaren organischen Lösungsmittels als Rückextraktionsphase. Natürlich kann auch das Gegenteil zutreffen. Das erste Extraktionslösungsmittel kann relativ polar, aber noch immer unvermischbar mit Wasser sein, und die Rückextraktionsflüssigkeit kann ein nicht-polares Lösungsmittel mit einem basischen Extraktionsmittel sein. Fundamentales Konzept ist die Fähigkeit zur Extraktion von Milchsäure aus einer wässrigen Lösung mit einem Extraktionslösungsmittel und die Rückextraktion der Milchsäure in eine zweite Flüssigkeit. In einigen Fällen ist diese Flüssigkeit Wasser, es kann sich aber auch um eine organische Flüssigkeit handeln, die für eine effiziente Trennung der Milchsäure oder zur Herstellung und Trennung von Milchsäureprodukten geeignet ist.
Bei der Rückextraktion der Milchsäure in eine zweite polare Flüssigphase ist eine Restmenge der Extraktionslösungsmittelkomponenten in der milchsäurereichen Rückextraktionsphase vorhanden. Auf Wunsch kann das restliche Extraktionslösungsmittel verringert werden, indem die Rückextraktionsphase mit einem nicht-polaren Lösungsmittel, wie IsoPar K, kontaktiert wird. Diese zusätzliche Reinigung ist in Beispiel 3 dargestellt.
Eine weitere Option zum Trennen der Milchsäure aus dem Extrakt ist der Einsatz eines Membranprozesses. In diesem Fall wird die Milchsäure durch die Membran hindurchgeführt in eine Phase, die anders zusammengesetzt ist als das Extraktionslösungsmittel. Ein möglicher Fall ist, dass das Extraktionslösungsmittel ein langkettiges Alkylamin in einem nicht-polaren Lösungsmittel enthält. Auf der anderen Seite der Membran ist eine volatile Base, wie Trimethylamin, in dem selben nicht-polaren Lösungsmittel. Die Membran ist eine Anionaustauschmembran, die Kationen, wie Trimethylammonium, nicht durchlässt. Die Milchsäure wird durch die Membran hindurchgeführt, um einen Lactat : Trimethylammonium-Komplex zu bilden. Die volatile Base wird dann per Destillation entfernt, und in der nicht-polaren Mischung können Milchsäureprodukte gemacht und getrennt werden. Im allgemeinen erlaubt die Verwendung der Membran die Ausführung der Phasentrennung zwischen zwei ansonsten vermischbaren Flüssigkeiten.
Wie bereits festgestellt, kann die Bildung des Alkyllactatesters eine Kondensationsreaktion zwischen der Milchsäure und einer Hydroxylgruppe auf einem anderen Molekül sein. Dieses andere Molekül könnte ein weiteres Milchsäuremolekül oder jedes andere Molekül sein, das eine Hydroxylgruppe hat. Zu den Möglichkeiten gehören Methanol, Ethanol, Butanol, Octanol, Dodecanol, 2-Ethylhexanol und 1,4-Butandiol. Die Kondensationsreaktion wird auf die Produktion von Ester durch Entfernung des Esters und/oder Wassers aus der Reaktionsmischung hingeleitet. Die Kondensationsreaktion kann im Extraktionslösungsmittel oder in der polaren Flüssigkeit, die für die Rückextraktion verwendet wird, durchgeführt werden. Die Trennung des Lactatesters kann durch Verdampfen oder Extraktion erfolgen.
Der Alkyllactatester könnte auch durch eine Umesterungsreaktion zwischen der Milchsäure-Carbonsäuregruppe und einem Ester gebildet werden. Das Nebenprodukt einer Umesterungsreaktion ist eine Säure, und die Reaktion wird vorwärts getrieben zu der Produktion des Lactatesters durch die Trennung der Säure und/oder des Lactatesters von der Reaktionsmischung. Die Verwendung von Formatestern, Acetatestern oder anderen Estern, die eine entsprechende Säure besitzen, die volatiler ist als Milchsäure und der gebildete Lactatester, ist insofern eine gute Wahl, als die volatile Säure aus der Reaktionsmischung heraus verdampft werden kann, um die Reaktion zum Abschluss zu bringen. Der Lactatester kann dann verdampft oder in eine Extraktionslösungsmittelunvermischbare Phase rückextrahiert werden.
Ein Ester mit einer entsprechenden Säure, die eine geringere Volatilität als der ausgebildete Lactatester hat, könnte verwendet werden. Die Reaktion wird durch die Trennung des Lactatesters von der Reaktionsmischung angetrieben. Geeignete Ester für diese Art von Prozess wären Methylocanoat, Dimethylsuccinat und Ethyldecanoat. Der Vorteil dieses Systems liegt darin, dass das Lactatesterprodukt sofort von der Reaktionsmischung entfernt wird. Der Nachteil liegt darin, dass die Nebenproduktsäure effizient zu dem gewünschten Ester zurück regeneriert werden muss.
In den oben beschriebenen Umesterungsprozessen wurde der Ausgangsester aufgrund der relativen Volatilität der entsprechenden Säure gewählt. Dies deshalb, weil die Verdampfung als Methode zur Entfernung der Produkte der Umesterungsreaktion gewählt wurde. Wenn Rückextraktion in eine Phase, die unvermischbar mit dem Extraktionslösungsmittel ist, zur Trennung der Produkte der Umesterungsreaktion eingesetzt wird, würde der Ausgangsester auf Basis der Selektivität der unvermischbaren Phase für die entsprechende Säure oder den Lactatester gewählt. Wenn sich beispielsweise eine unvermischbare Phase als selektiv für Bernsteinsäure über Milchsäure, Butyllactat, Butylsuccinat und Dibutylsuccinat erweisen sollte, könnte die Kondensationsreaktion durch Wegextrahieren der Bernsteinsäure zu Butyllactat gelenkt werden.
Der Alkohol oder Ausgangsester kann Teil des Extraktionslösungsmittels sein oder dem Milchsäureextrakt hinzugefügt werden, nachdem es von der wässrigen Phase getrennt wurde. Wie erwähnt, ist die Entfernung der Produkte der Kondensationsreaktion wichtig, um die Reaktion auf die Bildung der Lactatester hin zu lenken. Diese Entfernung kann gleichzeitig oder sequenziell erfolgen. Reaktive Destillation wäre geeignet für die gleichzeitige Entfernung eines der Reaktionsprodukte. Ein sequenzieller Trennungsprozess kann für einen effizienten Betrieb eine Rückleitung (Recycling) von Material in den Kondensationsreaktor verlangen.
Der Lactatester kann bei Bedarf weiter gereinigt werden, insbesondere wenn der Lactatester das interessierende Endprodukt ist. Nachdem ein geeigneter Lactatesterstrom erreicht wurde, lässt sich mit der folgenden Methode Polymilchsäure gewinnen. Jedes freie Wasser im System würde abgetrennt und der Strom würde erhitzt, möglicherweise unter subatmosphärischem Druck. Der entsprechende Alkohol des Lactatesters würde von der Reaktionsmischung verdampft, um die Umesterungsreaktion anzutreiben. Beispielsweise würde ein Methyllactatstrom Methanol und ein Lactoylmethyllactat abgeben. Mit dem Verdampfen des Methanols nimmt das Molekulargewicht des Methyl-gedeckelten Milchsäureoligomers zu. Dieser Strom würde dann in einen Lactidbildungsreaktor eingespeist, wo ein Katalysator hinzugefügt wird. Lactid, der zyklische Ester von Milchsäure, würde sich dann bilden und dazu verwendet, Polymilchsäure zu bilden. Prozesse zur Herstellung von Lactid aus Alkyllactatestern wurden von Gruben et al. in US-Patent Nr. 5,247,059 und 5,274,073 offenbart.
Milchsäureoligomere sind ebenfalls Milchsäureprodukte von Interesse, die zur Herstellung von Polymilchsäure verwendet werden könnten. Weiter oben wurde ein bevorzugtes Verfahren beschrieben, einen milchsäurereichen Extrakt zu nehmen und Milchsäureoligomere zu machen. Die Oligomerbildung wird in Anwesenheit des Extraktionslösungsmittels durchgeführt, wobei die Reaktion durch die Entfernung von Wasser angetrieben wird. Der bevorzugte Prozess ist das Entfernen von Wasser durch Verdampfen, in der Regel unter subatmosphärischen Drücken. Es gibt auch andere Methoden zur Entfernung von Wasser, die geeignet sind, wie etwa die Adsorption auf Molekularsieben oder Siliciumdioxid, die Reaktion mit einem wasserfreien Salz zur Bildung eines hydrierten Salzes und das Durchführen von Wasser vorzugsweise durch eine Membran, wie eine Verdunstung durch eine Membran (Pervaporation). Die Generierung von Milchsäureoligomeren wird allgemein diskutiert in 4,142,023.
Wenn das Extraktionslösungsmittel relativ volatil ist, könnte das Extraktionslösungsmittel auch durch Verdampfen unter Zurücklassen eines konzentrierten Milchsäureoligomerstroms entfernt werden. Bei einem bevorzugten Verfahren würde das volatile Extraktionslösungsmittel ein Azeotrop mit Wasser bilden und damit den Wasserentfernungsschritt unterstützen.
Wenn das Extraktionslösungsmittel sich nicht leicht verdampfen lässt, werden andere Methoden zur Trennung der Milchsäureoligomere vom Extraktionslösungsmittel eingesetzt. Diese Methoden sind geeignet, wenn das Extraktionslösungsmittel ein Trialkylamin mit hohem Molekulargewicht enthält, wie beispielsweise Tridodecylamin, oder eine sauerstoffgesättigte Phosphorverbindung mit hohem Molekulargewicht, wie Tributylphosphan und Trioctylphosphanoxid. Es hat sich gezeigt, dass das Vorpolymer im wesentlichen vom Extraktionslösungsmittel getrennt werden kann, indem die Schaffung zweier unvermischbarer Phasen veranlasst wird.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von Alamine 336 als Extraktionslösungsmittel mit geringem Zusatzaufwand eine signifikante Menge des Trialkylamins von den Milchsäureoligomeren getrennt werden kann. Das Alamine 336 Milchsäureextrakt wird Bedingungen unterworfen, welche die Kondensation von Milchsäure zu Milchsäureoligomeren bewirken. Es hat sich gezeigt, dass nach Abkühlen dieser Mischung zwei unvermischbare Phasen gewonnen werden. Eine dieser Phasen ist Alamine-336-angereichert, die andere ist Milchsäureoligomerangereichert. Es hat sich gezeigt, dass die Milchsäureoligomer-angereicherte Phase eine Alamine-336-Konzentration etwa gleich einem 1 : 1 Molarverhältnis von Amin zu Milchsäureoligomer aufwies. Mit zunehmendem durchschnittlichen Molekulargewicht der Oligomere nimmt deshalb die Durchschnittsmenge des restlichen Alamine 336 in der oligomerreichen Phase ab.
Es gibt weitere Möglichkeiten, die Schaffung einer zweiten Flüssigphase zu betreiben. Säure- oder Basenersetzung sind geeignete Methoden, wenn das Extraktionslösungsmittel ein tertiäres Amin mit hohem Molekulargewicht enthält. Das Oligomer hat noch immer ein Carbonsäureende, das in starke Interaktion mit einer Amingruppe treten kann. Wenn dem System eine andere Säure hinzugefügt wird und das Amin diese andere Säure selektiv bevorzugt, interagiert diese Säure mit dem Amin, und das Oligomer ist frei, sich in eine getrennte Phase zu verteilen. Die erforderliche Menge dieser anderen Säure ist äquivalent zu der des Oligomers. Je höher das Molekulargewicht des Oligomers, eine desto geringere Menge der anderen Säure ist deshalb erforderlich. Ansonsten könnte dem System auch eine andere Base hinzugefügt werden, und das Carbonsäureende des Oligomers könnte diese andere Base selektiv bevorzugen. Das Amin könnte dann eine zweite Flüssigphase bilden. Die ersetzende Säure oder ersetzende Base müssen von der Aminphase bzw. Oligomerphase getrennt werden, möglicherweise mittels Destillation oder Ionenaustausch. Die ersetzende Säure oder Base kann in einer Lösung hinzugefügt werden, und das mit der ersetzenden Spezies assoziierte Lösungsmittel muss allenfalls auch getrennt werden.
Wenn die Lactidbildung durchgeführt wird und dies bei Temperaturen. zwischen 150°C und 250°C und Drücken von 2,67 × 10² Pa bis 1,33 × 10⁴ Pa (2 mm Hg bis 100 mm Hg) stattfindet, verdampft das erzeugte Lactid. Dieser Strom von rohem Lactid muss möglicherweise weiter gereinigt werden, um den Reinheitsanforderungen für Qualitäts-Polymilchsäure zu genügen.
Wenn ein Strom von dem Lactidbildungsreaktor gekühlt wird, kann der Strom eine neue Festphase produzieren. Lactid mit einer chiralen Reinheit von mehr als 95% hat einen Schmelzpunkt von etwa 96°. Deshalb kann Lactid vom Extraktionslösungsmittel kristallisiert werden, vorausgesetzt die Konzentration des Lactids übertrifft die Löslichkeit des Lactids in diesem Lösungsmittel. Wenn die Löslichkeit des Lactids nicht übertroffen wird, kann die Zugabe einer anderen Flüssigkeit, eines Anti-Lösungsmittels, zum Lactidstrom die Löslichkeit des Lactids verringern, so dass das Lactid kristallisiert. Die Filtration des Schlammes schafft einen Rohlactidstrom, der zur Polymerbildung benützt werden kann.
Eine weitere Methode für die Lactidisolierung aus dem Lactidbildungsreaktor besteht darin, das Lactid zu einer Phasenabspaltung vom Extraktionslösungsmittel zu bringen. Diese Phasenabspaltung könnte durch die Änderung der Temperatur eines Stroms oder Zugabe flüssiger Lösungen zu dem aus dem Lactidbildungsreaktor kommenden Strom bewirkt werden. Es hat sich gezeigt, dass Lactid unvermischbar mit Alamine 336 und Mischungen von Alamine 336 und IsoPar K ist, einem aliphatischen Lösungsmittel von Exxon. Deshalb könnte Lactid konzentriert und weiter zu Polymilchsäure verarbeitet werden, wenn Alamine 336 als Extraktionslösungsmittel benützt wird.
In einigen Verfahren kann es wünschenswert sein, das Lactatsalz von der Fermentation in ein anderes Salz konvertieren, um die Trennung zu erleichtern; beispielsweise könnte das Calciumsalz zu Natriumsalz konvertiert werden.
VII. Einige spezifische Verarbeitungsregimes
Die unten im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Techniken werden oft mit Bezug auf das Verarbeitungssystem präsentiert, das die Verarbeitung einer Fermentationsbrühe durch Entfernen der Milchsäure aus der wässrigen Phase einschließt: Produktabtrennungs- und Aufarbeitungsschritte, die mit Bezug auf die Milchsäurekomponente durchgeführt werden, werden manchmal beschrieben. Natürlich ist es nicht erforderlich, dass die Produktabtrennung und Aufarbeitung der Milchsäure-/Lactatmischung direkt von einer Fermentationsbrühe ausgeführt wird, d. h. ohne vorherige Modifikation der Brühe außer einer bloßen Filtrierung. Beispielsweise können pH-Einstellungen der Brühe, etwa auf einen pH von ungefähr 2,0, durchgeführt werden. Außerdem kann die Produktabtrennung und Aufarbeitung der Milchsäurefraktion nach einem vorhergehenden Schritt der Lactatentfernung von der Brühe oder Mischung durchgeführt werden, wenn gewünscht.
Es wird zudem festgehalten, dass die in den Figuren präsentierten Techniken sowohl in kontinuierlichen wie in Batch-Prozessen angewendet werden können, je nach Wunsch. Daraus folgt, dass die in den Figuren aufgezeigten Techniken für die kommerzielle Implementierung gut geeignet sind.
A. 1; Extraktion von Milchsäure, Lactatsalz und Nährstoffe rezykliert, (optional) Extrakt regeneriert, Milchsäure konzentriert durch Destillation.
1 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Milchsäuregewinnungsverfahrens, bei dem die Milchsäurelösung durch Fermentation gebildet wird. Bezug nehmend auf 1, wird der Fermenter allgemein mit 1 bezeichnet. Über die Linie 2 wird die Fermentationsbrühe vom Fermenter 1 entfernt. Die Fermentationsbrühe wird durch eine Filtereinheit 3 hindurchgeführt, wobei die entfernten Feststoffe (beispielsweise Zellmaterial) als von Linie 4 abgenommen dargestellt sind, und die geklärte und gefilterte Flüssigkeit wird in ein Extraktionsverfahren oder eine Extraktionseinheit 6 übertragen. Die Filtereinheit 3 kann einen einfachen physischen Filter umfassen, oder sie kann adsorptive Materialien enthalten, wie Aktivkohle und/oder physikalische Ionenaustauschermedien. Vorzugsweise wird eine Methode so gewählt, dass die Sterilisierung des Materials vor dem Recycling nicht erforderlich ist (natürlich können die Zellen in vielen Fällen auf Wunsch zurück in den Fermenter 1 geleitet werden).
Insbesondere wird die Flüssigkeit in Linie 5, die eine wässrige Lösung von Milchsäure und Lactatsalz enthält, in eine Extraktionseinheit 6 geleitet, wie beispielsweise in eine Rührkolonne, in eine Siebbodenkolonne oder in eine Mischer-Scheider-Anlage. Für ein mehrstufiges Extraktionsverfahren können zwei oder mehr solche Einheiten in Serie verwendet werden. Das Extraktionsmittel wird dargestellt, wie es in das System über die Linie 7 eingespeist wird, wobei die milchsäureträchtige Extraktionsmittelphase über Linie 8 entfernt wird. Die Raffinat- oder restliche wässrige Phase (Milchsäure-entleert), welche das Lactatsalz und allfällige restliche Nährstoffe enthält, wird als entfernt über die Linie 10 und in ein Vorbehandlungssystem 11 geleitet dargestellt, um über die Linie 12 in die Fermentationsbrühe zurück zu kehren. Die Vorbehandlungsanlage 11 kann beispielsweise eine Lösungsmittelrückspülung zur Entfernung jeden Anteils von restlichem Extrakt sein, das toxisch für die Organismen im Fermenter sein kann, oder zur Entfernung anderer unerwünschter Verunreinigungen, um eine Ansammlung von Verunreinigungen im Fermenter infolge des Recyclings zu verhindern.
Die Extraktionsmittelphase, welche die Milchsäure enthält, wird in ein Destillationssystem 13 gelenkt. Die Milchsäureprodukte werden über die Linie 15 destilliert. Das resultierende Milchsäureprodukt umfasst Milchsäure und Kondensationsprodukte (Oligomere) der Milchsäure (abhängig vom Ausmaß der Konzentration im Destillationssystem 13). Es kann zur Bildung von Lactid und Polymer benützt werden. Das Extraktionslösungsmittel wird entfernt und in der Extraktion rezykliert.
Die Schematik der 1 ist somit besonders gut geeignet zur Verwendung in Systemen, in denen die Milchsäure aus der Fermentationsbrühe durch Extraktion entfernt wird, und die Gewinnung der Milchsäure resultiert aus der Destillation der Milchsäure vom Extraktionsmittel weg. Die Schematik von 1 ist beispielsweise für eine Anwendung geeignet, bei der die Extraktionsmittelphase eine Mischung von tertiären Aminen und Alkanen umfasst, wie etwa Alamine 336 und Kerosin.
Spezifische bevorzugte Bedingungen für die Extraktion würden die Kontaktierung der wässrigen Milchsäurelösung und des Extraktionslösungsmittels bei einer Temperatur zwischen 30°C und 50°C einschließen. Das Verhältnis von wässriger zu organischer Phase ist vorzugsweise zwischen 0,1 und 10, insbesondere zwischen 0,2 und 5.
Natürlich könnte ein Verfahren ähnlich der 1 auf einer Reihe anderer Lösungen als einfacher Fermentationsbrühen ausgeführt werden. Das Material in Linie 5 könnte modifizierte Brühe (beispielsweise gesäuerte) sein, oder es könnte einer anderen Quelle als der Fermentation entstammen.
Wenn anderseits das Extraktionslösungsmittel volatiler ist als die Milchsäure, ist das selbe Fließdiagramm wie in 1 angemessen. Allerdings würde das Extraktionslösungsmittel aus den Milchsäureprodukten destilliert.
B. 2; Lactatkristallisation aus Brühe, Rezyklieren von Lactatsalz zur Fermentation; Gewinnung von Säure aus Salz-entleerter Brühe.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf die Schematik in 2 gelenkt. Bei diesem alternativen Ansatz wird ein Lactatsalz relativ geringer Löslichkeit, z. B. Calciumlactat, aus der Mischung ausgefällt, und die Milchsäure wird aus der Mutterflüssigkeit gewonnen. Bezug nehmend auf 2 wird der Fermenter allgemein mit 31 bezeichnet. Die Fermentationsbrühe wird über Linie 32 entfernt dargestellt, um durch den Filter oder Klärapparat 33 geleitet zu werden. Die Feststoffe aus dem Klärapparat werden über die Linie 34 entfernt. Die geklärte Brühe wird dann über die Linie 35 in die Verdampfungseinheit 36 geleitet. (Natürlich könnte das Material in der Linie 35 modifizierte Brühe oder eine Mischung aus anderer Quelle sein). Während der Verdampfung erfolgt eine Konzentration und Kristallisierung des in der Brühe enthaltenen Lactatsalzes. Das Wasser von der Verdampfung wird über die Linie 37 abgezogen. Die physische Trennung der Mutterlauge vom kristallisierten Material wird dargestellt, indem das Ergebnis der Verdampfung durch den Filter 40 geleitet wird. Die aus dem Filter 40 gewonnenen Feststoffe, welche kristallisiertes Lactat umfassen, werden über die Linie 45 in eine Reinigungseinheit geleitet und (wenn gewünscht) schließlich über die Linie 46 zur Fermentation rezykliert (mit optionaler Reinigung an Station 47, wenn gewünscht). Natürlich können sie auch zu anderen Verarbeitungen geleitet werden (Linie 48). Unter bestimmten Umständen könnte eine Kombination der beiden bevorzugt sein.
Die Mutterlauge von der Filtrierung wird über Linie 49 in die Milchsäuregewinnung 50 geleitet. Der Schritt der Milchsäuregewinnung kann jeder von den unterschiedlichen oben bezeichneten Schritten sein.
Im allgemeinen ist die Schematik der 2 besonders nützlich, wenn das Lactatsalz Calciumlactat ist, was an der geringen Löslichkeit von Calciumlactat in wässrigen Lösungen liegt. Es wird festgestellt, dass das gewonnene Calciumlactat einen ausgezeichneten Puffer oder pH-Einsteller für die Fermentationsbrühe ergibt.
C. 3; Extraktion von Milchsäure, Bildung von Oligomer und Lactid in Extraktionslösungsmittel
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf die Schematik der 3 gerichtet. Diese Methode ist besonders nützlich, wenn Lactid und/oder Oligomer von Milchsäure direkt als "Milchsäureprodukt" produziert werden soll, ohne vorherige Isolierung von Milchsäure und vorzugsweise ohne einen Schritt der Rückextraktion.
Bezug nehmend auf 3 wird der Fermenter allgemein mit 60 bezeichnet. Gemäß der Darstellung wird die Fermentationsbrühe vom Fermenter über die Linie 61 entfernt, um in die Klärungs-Filtriereinheit 62 gelenkt zu werden. Die Feststoffe von der Filtriereinheit werden über die Linie 63 entfernt. Die geklärte Fermentationsbrühe oder andere Mischung, wie eine modifizierte Brühe, welche Milchsäure und Lactatsalz enthält, werden über die Linie 64 in eine Extraktionseinheit gelenkt. Die Extraktionseinheit wird allgemein mit 65 bezeichnet und kann mehr als eine Extraktionsstufe umfassen. Diese Stufen können allgemein wie oben in Zusammenhang mit 1 beschrieben sein. Alternativ dazu wird das Salz zuerst wie in 2 getrennt und die Mutterlauge extrahiert. Die Extraktionsmittelphase wird gemäß Darstellung über Linie 66 entfernt und zur Oligomerbildung in die Einheit 67 gelenkt. Die Einheit 67 kann beispielsweise eine mehrstufige Verdampfungseinheit umfassen, von der Wasser und andere flüchtige Stoffe über Linie 68 abgeführt werden, während das Extraktionsmittel konzentriert wird und die Milchsäure zur Bildung von Oligomer kondensiert.
Die resultierende Milchsäureproduktphase (Oligomer) wird als entfernt vom mehrstufigen Verdampfer über die Linie 69 dargestellt und in die Reaktorstufe 70 geleitet. In der Reaktorstufe 70 können zur Erleichterung der Lactidbildung Katalysatoren hinzugefügt werden, beispielsweise über die Linie 75. Der Lactidbildungsschritt, allgemein angezeigt als 76, ergibt die Generierung von Rohlactid, das über Linie 77 abgezogen wird, und Reaktorböden, die über Linie 78 abgezogen werden, für Katalysatorgewinnung oder eine andere Behandlung 79. Der Katalysator kann natürlich auf Wunsch über Linie 75 rezykliert werden.
Das Extraktionslösungsmittel wird gemäß Darstellung von der Lactidbildungsphase über Linie 80 zum Recycling in die Extraktion entfernt.
Nach wie vor Bezug nehmend auf 3 wird die wässrige Phase gemäß Darstellung im Extraktionsschritt über Linie 81 abgezogen für optionales Recycling zurück in die Fermentationsbrühe, wie gewünscht. Die Reinigung – falls nötig – wird in der Ausrüstung 82 angezeigt. Eine solche Reinigung kann beispielsweise erwünscht sein, wenn das Extraktionsmittel toxisch für die Mikroorganismen der Fermentationsbrühe ist. Methoden zur Entfernung solcher Materialien wurden oben diskutiert.
Aus einer Prüfung des voranstehenden und aus 3 sollte offensichtlich hervorgehen, dass mit den beschriebenen Techniken die "direkte" Oligomerbildung ohne einen Rückextraktionsschritt oder andere Trennung der Milchsäure von der Extraktion durchgeführt werden kann; und die direkte Lactidbildung aus dem Oligomer kann auch dann durchgeführt werden, wenn restliches Extraktionsmittel im Oligomer vorhanden ist. So können mit den präsentierten Techniken hocheffiziente Verfahren entwickelt werden.
D. 4; Extraktion von Milchsäure; Destillation von Lösungsmitteln; Oligomer-Lactidbildung durch Kondensation.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf 4 gelenkt. In 4 werden Milchsäure und wässriger Lactatrohstoft aus einem Fermenter, in der Regel nach einer Klärung, in Linie 91 dargestellt. Der Rohstoff (oder eine andere Mischung) wird in ein Extraktionssystem 92 geleitet. Wie bei früheren beschriebenen Anordnungen, kann das Extraktionssystem 92 der 4 mehrere Stufen umfassen, deren jede Extraktionsausrüstungen wie oben charakterisiert umfassen kann. Das wässrige Raffinat (Milchsäure-entleert) wird gemäß der Darstellung über die Linie 93 aus dem System entfernt. Das Raffinat enthält das Lactatsalz und kann für ein Recycling in die Fermentationsbrühe über oben beschriebene Techniken behandelt werden. Die Extraktionsmittelphase wird über die Linie 96 zu einem Verdampfer 95 geleitet. Im Verdampfer wird das Extraktionslösungsmittel unter Destillationsbedingungen entfernt, in der Regel bei niedrigem Druck. Beispielsweise können Hexanol und andere Alkohole mit 4 bis 7 Kohlenstoffen, und Methylisobutylketon oder andere Ketone von 5 bis 9 Kohlenstoffatome verwendet werden, um Milchsäure aus einer wässrigen Lösung zu extrahieren. Die Alkanole (und/oder Ketone) können dann bei Temperaturen unter 120°C aus der Milchsäure destilliert werden. Das Niedrighalten der Temperatur ist wichtig, um die Kondensationsreaktion mit Milchsäure und dem Alkanol zu reduzieren.
Die nichtflüchtigen Stoffe aus dem Verdampfer werden gemäß Darstellung über die Linie 97 in ein System 98 zur Oligomerbildung geleitet. Innerhalb des Systems 98 wird im allgemeinen eine Milchsäurekondensationsreaktion durch Konzentration und Entfernung von Wasser ermöglicht. Das Oligomer wird aus dem Reaktor 98 über die Linie 99 entfernt. Über Linie 100 wird Katalysator hinzugefügt, und die Lactidbildung wird generiert, wie an System 101 angezeigt. Der Rohlactidstrom wird dann vom Reaktor der Linie 105 entfernt, wobei die Katalysatorreinigung gemäß Darstellung über Linie 106 entfernt wird. Der Lactidbildungsschritt kann durchgeführt werden, wie allgemein beschrieben in US-Patent Nr. 5,142,023; 5,247,058; 5,258,488 und 5,357,035.
E. 5; Extraktion von Milchsäure; Raffinat-Recyclierung; Rückextraktion von Milchsäure in Zweite Polare Phase; Bildung von Oligomer und Lactid in Zweiter Polarer Phase.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf 5 gelenkt. In 5 ist der Fermenter allgemein als 120 bezeichnet. Gemäß der Darstellung wird die Fermentationsbrühe aus dem Fermenter 120 über die Linie 121 entfernt, um durch den Klärfilter 122 geleitet zu werden. Feststoffe werden aus dem Filter über die Linie 123 entfernt. Die wässrige Phase, welche Milchsäure und Lactatsalz enthält, wird gemäß Darstellung über die Linie 124 in ein Extraktorsystem 125 geleitet (natürlich könnte diese Phase modifizierte Brühe oder eine andere Mischung sein). Die wässrige Phase (Raffinat) wird über Linie 126 entfernt, um – wenn gewünscht – durch einen Reinigungsapparat 127 geleitet zu werden und eventuell zum Recycling in den Fermenter 120.
Die Extraktionsphase wird gemäß Darstellung aus dem Extraktionssystem 125 über die Linie 130 entfernt. Die Extraktionsphase wird in einen zweiten Extraktionsmittelschritt oder das System 131 geleitet (natürlich kann für beide Extraktionen die selbe physikalische Extraktionsausrüstung verwendet werden). Eine zweite polare Flüssigkeit wird gemäß Darstellung über die Linie 132 in den Extraktor 131 geleitet. Die Milchsäure wird vorzugsweise in die zweite polare Flüssigkeit extrahiert, wobei das ursprüngliche Extraktionslösungsmittel aus dem Extraktor 125 über die Linie 133 zum Recycling entfernt wird. Die zweite polare Flüssigkeit, welche die Milchsäure darin enthält, wird gemäß Darstellung aus dem Extraktionsmittelsystem über die Linie 134 für die Leitung in ein System 135 zur Oligomerbildung abgezogen. Dies würde so wie zuvor beschrieben ausgeführt, wobei die Kondensation als Ergebnis des über die Linie 136 abgeleiteten Wassers stattfindet. Das Oligomer wird dann in ein Reaktorsystem 137 geleitet, um mit einem über Linie 138 eingeleiteten Katalysator gemischt zu werden. Die Lactidbildung wird allgemein mit 139 angezeigt, wobei Rohlactid über die Linie 140 entfernt wird und das Reaktorreinigungsmittel, das einen Katalysator enthält, über Linie 141 zur Katalysatorgewinnung 142 geleitet wird. Diese gewonnene polare Flüssigkeit kann dann zurück in das System zykliert werden, wie mit Linie 132 dargestellt.
F. 6; Extraktion von Milchsäure; Raffinat-Rezyklierung; Rückextraktion in die zweite polare Phase; Milchsäurereinigung durch Destillation; Oligomer- und Lactidbildung als (optionales) Follow-up.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf 6 gelenkt. Ein Fermenter wird allgemein mit 160 bezeichnet. Die Fermentationsbrühe, welche Milchsäure und Lactatsalz enthält, wird gemäß Darstellung über die Linie 161 abgezogen und durch den Filter 162 geleitet. Die Feststoffe werden gemäß Darstellung über die Linie 163 entfernt. Die Mischung von Lactatsalz und Milchsäure wird gemäß Darstellung über Linie 166 in ein Extraktorsystem 165 geleitet (natürlich könnte diese Mischung auch modifizierte Brühe oder eine andere Mischung als Fermentationsbrühe sein). Das Extraktionsmittel wird gemäß Darstellung über die Linie 167 zugeführt, die Extraktionsmittelphase über die Linie 168 abgezogen und die restliche wässrige Phase, welche das Lactatsalz enthält, über die Linie 169 entfernt. Die restliche Lactatphase wird dann zur Brühenreinigung, wenn gewünscht, in den Reinigungsapparat 170 geleitet, und schließlich zum Recycling in den Fermenter 160. Die Extraktionsmittelphase wird gemäß Darstellung über die Linie 168 in die Rückextraktoreinheit 175 geleitet. Die zweite polare Flüssigkeit wird gemäß Darstellung über die Linie 176 in das Rückextraktorsystem 175 geleitet, wobei das ursprüngliche Extraktionslösungsmittel (von der Extraktion an 165) gemäß Darstellung über die Linie 178 zum Recycling in das erste Extraktionssystem 165 abgezogen wird; und wobei die zweite polare Flüssigkeit, welche die Milchsäure enthält, über die Linie 180 entfernt und in das Destillationssystem 181 geleitet wird. Innerhalb des Destillationssystems 181 wird entweder die Milchsäure aus der zweiten polaren Flüssigkeit destilliert oder die zweite polare Flüssigkeit wird von der Milchsäure destilliert, je nach den relativen Volatilitäten. Die abgetrennte Milchsäure wird gemäß Darstellung über die Linie 182 zur stromabwärtigen Oligomerbildung an 183 geleitet, mit Follow-up-Katalysatorzugabe an 184 und Lactidbildung an 185. Rohlactid wird über die Linie 186 entfernt, wobei die Lactidbildungsreinigung an 187 dargestellt ist. An der Linie 190 wird gemäß Darstellung Wasser während der Oligomerbildung ausgetrieben. Die zweite polare Flüssigkeit wird von der Destillationsstufe 181 über die Linie 191 entfernt. Natürlich kann die zweite polare Flüssigkeit in das zweite Extraktionssystem 175 rezykliert werden.
G. 7; Adsorption von Milchsäure; Eluierung durch Flüssigkeit; Optionale Oligomer- und Lactidbildung.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf 7 gelenkt. An Linie 200 wird ein Fermentationsbrühenrohstoff (oder einer anderen Milchsäure/Lactatsalzmischung) gezeigt. Dieser Rohstoff wird gemäß Darstellung in ein System 201 gelenkt, das Feststoffadsorbensmilchsäure enthält. In diesem System wird der wässrige Rohstoff mit dem Feststoffadsorbens kontaktiert, wobei die entleerte wässrige Phase gemäß Darstellung über die Linie 202 entfernt wird. Für dieses System wäre das Feststoffadsorbens ein Adsorbens, das vorzugsweise Milchsäure versus Lactat adsorbiert. Wie oben ausgeführt, würden dafür schwache Anionaustauscher bevorzugt.
Das Feststoffadsorbens wird gemäß Darstellung von der Kontaktierungsstufe oder dem System 201 über die Linie 203 entfernt.
Das Feststoffadsorbens wird mit einer Elutionsflüssigkeit behandelt, die über die Linie 205 eingeführt wird. Die Elutionsflüssigkeit würde die Milchsäure vom Feststoffadsorbens entfernen. Die Elutionsflüssigkeit wird gemäß Darstellung über die Linie 206 entfernt. Natürlich kann die Elutionsflüssigkeit zu stromabwärtigen Oligomerbildungsschritten und/oder Lactidbildungsschritten (wie angezeigt) geleitet werden, oder zu einer anderen Verarbeitung zur Isolierung der gewonnenen Milchsäure, je nach Wunsch. Nach der Stufe der Eluierung kann das Feststoffadsorbens entsprechend für die Verwendung (über Recycling) in weiteren Adsorptionsstufen vorbereitet werden.
H. 8; Extraktion von Milchsäure; Oligomer- und Lactidbildung in Extraktionslösungsmitteln; Lactidreinigung der Phasenspaltung.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf 8 gelenkt. Der Fermentationsbrühenrohstoff (oder andere Mischung), welcher Milchsäure und Lactat enthält, wird gemäß Darstellung über die Linie 220 in ein Extraktionssystem 221 geleitet. Die wässrige Phase (Raffinat), die das Lactatsalz enthält, wird über die Linie 222 entfernt. Die Extraktionsmittelphase, welche die extrahierte Milchsäure enthält, wird über die Linie 223 entfernt. Sie wird dann in die Verarbeitung zur Oligomerbildung an 225 mit Katalysatorzugabe 225a und eventuell Lactidbildung an 226 unter Verwendung von oben beschriebenen Techniken geleitet. Das Lactid wird gemäß Darstellung über die Linie 227 von der Lactidbildungsstufe entfernt und in eine Lactid/Lösungsmittelphasenspaltung geleitet. Dies könnte beispielsweise ein System sein, bei dem die Reaktionsmischung auf eine Temperatur zwischen 70°C und 150°C abgekühlt wird, wodurch das Lactid zur spontanen Phasenspaltung mit dem Extraktionslösungsmittel veranlasst wird. An diesem Punkt wird das Extraktionslösungsmittel vom Lactid entfernt und über die Linie 230 rezykliert.
Während der Oligomerbildung wird aus der Kondensation resultierendes Wasser über die Linie 231 entfernt. Das Oligomer kann dann zur Lactidbildung geleitet werden. Hier wird ein solches Verfahren manchmal als "direkte" Bildung von Lactid aus der nichtwässrigen Extraktionsmittelphase bezeichnet, weil kein intervenierender Rückextraktionsschritt für die Milchsäure von der Extraktionsmittelphase vorgekommen ist. Vielmehr wurde die Milchsäure kondensiert und dann zu Lactid reagiert. Eine solche "direkte" Bildung kann für unterschiedliche hier beschriebene Methoden anwendbar sein.
I. 9; Extraktion von Milchsäure; Oligomerbildung und Extraktionslösungsmittel; Oligomerreinigung durch Phasenspaltung; Lactidbildung auf Oligomer.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf die Schematik der 9 gelenkt. Der Rohstoff von Milchsäure/Lactatlösung aus einem Fermenter oder einer anderen Quelle wird an Linie 250 dargestellt, wie er in eine Extraktoreinheit 251 geleitet wird. Das wässrige Raffinat, welches das Lactatsalz enthält, wird gemäß Darstellung über die Linie 252 von der Exktraktoreinheit 251 entfernt. Das Milchsäure enthaltende Extraktionslösungsmittel wird gemäß Darstellung über die Linie 253 entfernt und in eine Oligomerbildungsstufe geleitet, wie oben an 254 beschrieben. Wasser wird aus der Oligomerbildung über die Linie 255 ausgetrieben, wobei das Oligomer über Linie 256 der folgenden Verarbeitung zugeführt wird. In der Phasenspaltungs-/Exktraktionseinheit 270 wird die Mischung Milchsäureoligomer und Extraktionslösungsmittel auf 0°C bis 60°C abgekühlt. Mit relativ nicht-polaren Extraktionslösungsmitteln führen die Milchsäureoligomere eine spontane Phasenspaltung durch, und über die Linie 282 muss nichts hinzugefügt werden. Einem relativ polaren Extraktionslösungsmittel muss möglicherweise eine Phasenspaltungsverbindung, wie die in Beispiel 18 beschriebene, hinzugefügt werden, um zwei Phasen zu generieren. Die Milchsäureoligomer-reiche Phase wird über 271 entfernt und durch die Zugabe von Katalysator an 275 zur Bildung von Lactid am Reaktor 276 behandelt. Ein Rohlactidstrom wird gemäß Darstellung über die Linie 277 entfernt, wobei das Reaktorreinigungsmittel, das den Katalysator enthält, an Linie 278 entfernt wird. In der Linie 280 wird – wenn vorhanden – die Phasenspaltungsverbindung aus dem Extraktionslösungsmittel über Destillation oder Ionenaustausch an 281 entfernt. Das regenerierte Extraktionslösungsmittel wird in den Extraktor 251 zurück rezykliert.
J. 10; Extraktion von Milchsäure; Bildung von Alkyllactatester; Reinigung von Lactatester durch Destillation.
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf 10 gelenkt. In 10 wird unter 300 ein Fermenter dargestellt. Die Fermentationsbrühe wird gemäß Darstellung vom Fermenter 300 an 301 entfernt und durch die Filtereinheit 302 geleitet. Die Feststoffe werden über die Linie 303 entfernt. Die wässrige Lösung aus der Filtrationseinheit oder einer anderen Quelle (modifiziert oder nicht), welche Milchsäure und Lactat enthält, wird gemäß Darstellung in einen Extraktor 305 geleitet. Das Extraktionsmittel wird über Linie 306 eingespeist, wobei das resultierende wässrige Raffinat, welches Lactatsalz enthält, auf Wunsch über Linie 310 in eine Reinigungseinheit 311 geleitet und dann nach Bedarf in den Fermenter 300 rezykliert wird. Das Extraktionsmittel, welches die Milchsäure enthält, wird gemäß Darstellung über die Linie 316 in einen Kondensationsreaktor 315 geleitet. Vom Kondensationsreaktor 315 wird über die Linie 317 Wasser abgezogen. Das Produkt wird dann gemäß Darstellung in die Destillation 318 zur Destillation geleitet, aus der sich die Trennung des Lösungsmittels vom restlichen Lactatprodukt ergibt. Wenn das gewählte Extraktionslösungsmittel einen geeigneten Alkohol enthalten hat, umfasst das Produkt in der Destillationseinheit 318 einen Alkyllactatester. Beispielsweise könnte das Extraktionslösungsmittel Ethanol enthalten, das mit Milchsäure leicht Ester bildet. Der Alkyllactatester wird in der Destillationseinheit 318 gereinigt und über die Linie 319 entfernt. Das Extraktionslösungsmittel verlässt das Destillationssystem über die Linie 320 für ein mögliches Recycling zurück in die Extraktionseinheit 305. Alkohol, der im Kondensationsreaktor 315 reagierte, kann durch Zugabe über die Linie 321 ersetzt werden.
IX. Einige brauchbare Prozessregimes; Bedingungen
In diesem Abschnitt werden einige hypothetische Prozessbeschreibungen geliefert, um aufzuzeigen, wie die oben beschriebenen Techniken angewendet werden können.
A. Direkte Destillation von Milchsäure aus dem Extraktionsmittel.
Ein Bakterienstamm würde zur Fermentierung von Dextrose zu Milchsäure bei 45°C im Batch-Verfahren verwendet. Das Fermentationsmedium würde Dextrose, Maisquellwasser und andere Salze für eine effiziente Milchsäureproduktivität enthalten. Am Ende des Batches wäre der abschließende pH 3,9 bei einer Lactatmaterialkonzentration (Milchsäure + dissoziiertes Salz) von 80 g pro I Brühe. Dies ergibt etwa 38 g/Liter undissoziierter Milchsäure in Brühe. Vorzugsweise wird ein Bakterium verwendet, das L-Lactat mit einer chiralen Reinheit von mindestens 90% produziert. Die Brühe würde gefiltert, um Zellmasse und andere unlösliche Stoffe zu entfernen, und mit einem Extraktionslösungsmittel in einer Mischer-Scheider-Anlage bei 20°C bis 30°C kontaktiert. Das Extraktionslösungsmittel wäre 50 Gewichtsprozent Alamine 336, 40 Gewichtsprozent Dodecanol und 10 Gewichtsprozent IsoPar K. IsoPar K ist eine Mischung von Alkanen. Das Gewichtsverhältnis wässrige Phase zu Extraktphase wäre 1 : 2. Das Extrakt und das wässrige Raffinat würden abgeschieden und sorgfältig getrennt, um ein Mitführen zu verhindern. Das Raffinat würde in einen Vorratsbehälter gesendet, um für die pH-Kontrolle des nächsten Batches verwendet zu werden.
Das Extrakt würde zu einem Fallfilmverdampfer bei 1,33 × 10³ Pa (10 mm Hg) Druck und 175°C gesendet. Milchsäure würde verdampft und dann kondensiert, um eine konzentrierte Milchsäurelösung mit einer kleinen Menge Restlösungsmittel zu erhalten. Der Milchsäurestrom würde zu einer Destillationskolonne mit einem Zwangsumlaufverdampfer mit einem Bodenprodukt bei 150°C und 2,67 × 10⁴ Pa (200 mm Hg) Druck zur Entfernung von Wasser gesendet. Das durchschnittliche Molekulargewicht des aus dieser Destillationskolonne austretenden Oligomers wäre etwa 500 g pro Mol. Zu dem Oligomerstrom würde ein FASCAT 9102 Katalysator hinzugefügt, und die Mischung durch einen Fallfilmverdampfer bei 190°C und einem Druck von 1,33 × 10³ Pa (10 mm Hg) rezirkuliert. Ein Rohlactidstrom würde aus der Dampfphase des Fallfilmverdampfers gewonnen. Etwa 5% des Materials würde als Milchsäureoligomere mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht größer als 1.500 g pro Mol aus dem Lactidreaktor ausgespült.
B. Wässriges Rückextrakt; Entfernung von Wasser zur Herstellung von Vorpolymer, dann Lactid.
Ein Bakterienstamm würde dazu verwendet, Dextrose zu Milchsäure bei 45°C in einem Batch-Modus zu fermentieren. Das Fermentationsmedium würde Dextrose, Maisquellwasser und andere Salze für eine effiziente Produktivität von Milchsäure enthalten. Am Ende des Batchs ist der End-pH 3,9 bei einer Lactatmaterialkonzentration von 80 g pro I Brühe. Dies ergibt etwa 38 g/Liter undissoziierter Milchsäure in Brühe. Vorzugsweise wird ein Bakterium verwendet, das L-Milchsäure mit einer chiralen Reinheit von mindestens 90% produziert. Die Brühe würde gefiltert, um Zellmasse und andere unlösliche Stoffe zu entfernen, und mit einem Extraktionslösungsmittel in einem Drehscheibenextraktor bei 20°C bis 40°C kontaktiert. Das Extraktionslösungsmittel wäre Tributylphosphat, und das Verhältnis wässrig zu Extrakt wäre 1 : 3. Das Extrakt wird in einer Festbettextraktionskolonne bei 80°C bis 100°C in Wasser rückextrahiert. Die Kolonne würde mit Stickstoff unter einen Druck von 1,03 × 10⁵ Pa (15 psig) gesetzt. Das Wässrig-Extrakt-Verhältnis in der Rückextraktion wäre 1 : 2. Die resultierende wässrige Phase wäre etwa 19 Gewichtsprozent Milchsäure. Dieser wässrige Strom würde zu einem Tripeleffektverdampfer gesendet, der Wasser entfernt, so dass die Milchsäurekonzentration auf über 88 Gewichtsprozent zunimmt, vorzugsweise auf über 92 Gewichtsprozent und meistbevorzugt auf über 95 Gewichtsprozent. An dieser Stelle haben sich Milchsäureoligomere gebildet, und aus diesem Strom kann wie oben beschrieben Lactid gebildet werden.
C. Kristallisation von Calciumlactat unter Gewinnung von Milchsäure
Ein Bakterienstamm würde dazu verwendet, Dextrose zu Milchsäure bei 48°C in einer kontinuierlichen Zweistufenfermentation zu fermentieren, was 1000 kg Fermentationsbrühe pro Stunde ergibt. Das Fermentationsmedium würde Dextrose, Maisquellwasser und andere Salze für eine effiziente Produktivität von Milchsäure enthalten. Die Fermentationsbrühe hätte einen pH von 3,86 und eine Lactatanion-Gesamtkonzentration von Lactatmaterial von 90 Gramm pro Kilogramm Brühe. Dies würde etwa 45 g/kg freie Milchsäure in der Brühe und 55 g/kg Calciumlactat ergeben. Vorzugsweise wird ein System verwendet, das L-Milchsäure mit einer chiralen Reinheit von mindestens 90% liefert. Die Brühe würde gefiltert, um Zellmasse und andere unlösliche Stoffe zu entfernen.
Die geklärte Brühe würde zu einem Verdampfer gesendet, der bei atmosphärischem Druck läuft. Annähernd 700 kg/h Wasser werden von der Brühe destilliert. Die Brühe würde in einem Zwangsumlauf-Kühlungskristallisator gekühlt, der das Calciumlactat aus der Lösung bei 25°C kristallisiert. Ethanol würde dem Kristallisator in einer Rate von 85,1 kg/h hinzugefügt, um die Löslichkeit des Calciumlactats auf 3 Gewichtsprozent Calciumlactat zu verringern. Festes Calciumlactat würde über Filtration in einer Rate von 44,8 kg/h gewonnen, wobei 10,2 kg/h Calciumlactat in den Mutterlaugen zurückbleiben. Das feste Salz würde für eine pH-Kontrolle mit Zugabe von Calciumcarbonat nach Bedarf zurück in den Fermenter rezykliert.
Die salzentleerte Brühe würde in einer Reihe von Zentrifugalextraktoren mit einem 350 kg/h Extraktionslösungsmittel, bestehend aus 20 Gewichtsprozent Kerosin und 80% Trioctylamin, kontaktiert. Die Milchsäure und das Ethanol verteilen sich zwischen den zwei Flüssigkeitsphasen, so dass die organische Schicht etwa 10 Gewichtsprozent Milchsäure und etwa 5 Gewichtsprozent Ethanol enthält. Der wässrige Strom würde Ethanol, restliche Milchsäure, Calciumlactat und andere Brühenkomponenten aufweisen. Das Ethanol in diesem Strom könnte über Destillation oder eine andere Technologie für ein Recycling gewonnen werden, während der übrige wässrige Strom ins Tierfutter oder in ein anderes System ginge. Dieser wässrige Strom mit Ethanol könnte ein geeigneter Rohstoff für eine größere Ethanolanlage sein.
Das Extrakt mit Milchsäure und Ethanol könnte auf unterschiedlichste Art verarbeitet werden, um benötigte Milchsäureprodukte herzustellen. Der Strom könnte Bedingungen zur Produktion von Ethyllactat unterworfen werden, das in der Folge vom restlichen Extraktionslösungsmittel wegdestilliert würde. Die Milchsäure könnte bei erhöhter Temperatur in Ethanol zurückextrahiert werden, und in der Rückextraktionsphase könnte Ethyllactat hergestellt werden. Das auf diese Weise erzeugte Ethyllactat könnte verkauft oder zur Herstellung von Lactid verwendet werden. Natürlich könnte das Ethanol von der Milchsäure/Extraktionslösungsmittelphase getrennt werden, und Milchsäure könnte mit einer der in diesem Patentantrag beschriebenen Methoden verarbeitet werden, um Milchsäureprodukte herzustellen, die verkauft oder in der Herstellung von PLA verwendet werden könnten.
X. Experiment
Beispiel 1
600 ml sodagewaschenes Alamine 336, 800 ml wässrige Milchsäurelösung mit 15 Gewichtsprozent und 100 ml wässrige Milchsäurelösung mit 50 Gewichtsprozent wurden in einen Trenntrichter eingebracht und bei Raumtemperatur gemischt. Die Phasen konnten sich über Nacht absetzen. Die Phasen wurden gespalten und die obere organische Phase zentrifugiert, um mitgeführte wässrige Phase zu entfernen. Die Milchsäurekonzentration in der organischen Phase wurde per Titration mit einer Natriumhydroxidlösung mit Phenolphtalein als Indikator mit 19,75 Gewichtsprozent bestimmt. 304,6 Gramm des Alamine 336 und der Milchsäurelösung wurden in einen 4-Halskolben mit rundem Boden mit Rührschaft, Thermoelement, Kondensator, Heizmantel und Stickstoffspülung eingebracht. Die Lösung wurde bei atmosphärischem Druck über 45 Minuten auf 200°C erwärmt. Sie konnte dann auf etwa 64°C abkühlen. Dann wurde sie bei einem Druck von 8,00 × 10³ Pa (60 mm Hg) über 30 Minuten auf 200°C erwärmt. Der Kolben wurde bei einem Druck von 9,33 × 10³ Pa (70 mm Hg) über 45 Minuten auf 200°C gehalten. Der Kolben wurde gekühlt, und die Bodenprodukte nach dem Kühlen in zwei Phasen gespalten. Die obere Phase wurde mittels Gaschromatographie als praktisch das gesamte Alamine 336 bestimmt. Die untere Phase war viskös und bestand aus Milchsäureoligomeren und kleinen Mengen Alamine 336.
185,9 Gramm Alamine 336 und Milchsäureoligomerlösung (etwa 548 Gewichtsprozent Oligomer bei einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 476) wurden in einen 500-ml-4-Halskolben mit rundem Boden mit Rührschaft, Hochvakuumsystem, Stickstoffspülung, Kondensator, Thermoelement und Heizmantel eingebracht. Zu der 125°C warmen Lösung wurden 900 μl FASCAT 9102, ein Butylzinn-tris-2-Ethylhexanoat-Katalysator von Atochem, hinzugefügt. Die Mischung wurde über vier Stunden auf 200°C erwärmt und 60 Minuten auf dieser Temperatur von 200°C gehalten. Der Druck wurde über die gesamte Erwärmungszeit hinweg konstant auf etwa 1,33 × 10² Pa (1 mm Hg) gehalten. Die Temperatur des Kondensatormediums wurde auf 110°C gehalten. Das Kopfmaterial kristallisierte nach dem Abkühlen. Die Kolbenbodenprodukte nach dem Erwärmen wurden durch Gaschromatographie als praktisch gänzlich Alamine 336 bestimmt. 139 g Material wurden Kopfprodukte, wobei praktisch das gesamte Oligomer zu Lactid transformiert und überkopf destilliert wurde. Einiges Alamine 336 wurde auch infolge der hohen Temperatur und des niedrigen Drucks überkopf destilliert. Die Anwesenheit signifikanter Mengen Lactid im destillierten Material wurde durch Gaschromatographie bestätigt. Das gewonnene Lactid hatte eine chirale Reinheit von weniger als 80%. Die chirale Reinheit kann durch die Verwendung niedrigerer Temperaturen und den Einsatz von Ausrüstungen mit großer Oberfläche für den Lactidreaktor, um eine gute Massenübertragung von Lactid aus dem Reaktor zu ermöglichen, verbessert werden.
Dieses Beispiel zeigt, wie das Extraktionslösungsmittel als Lösungsmittel für die Milchsäureoligomer- und Lactidbildung verwendet werden kann.
Beispiel 2
300 ml Alamine 336 und 200 ml einer wässrigen Milchsäurelösung (22 Gewichtsprozent) wurden in einen Trenntrichter gefüllt. Die Mischung wurde geschüttelt und konnte sich absetzen. Drei Flüssigkeitsphasen wurden gewonnen, was für reine Alamine 336 Extraktionen unter diesen Bedingungen typisch ist. Die untere wässrige Phase wurde ausgeschieden. Die beiden oberen organischen Phasen wurden mit 100 ml einer 22 Gewichtsprozent wässrigen Milchsäurelösung kontaktiert. Die Mischung wurde geschüttelt und konnte sich über Nacht absetzen. Nur zwei Phasen wurden gewonnen, und die untere wässrige Phase wurde ausgeschieden. Die obere organische Phase wurde zentrifugiert, um mitgeführtes Wasser zu entfernen. Die Milchsäurekonzentration in der organischen Phase war gemäß Titration 19,4 Gewichtsprozent. Der Wassergehalt in der Lösung war gemäß Titration unter Verwendung eines automatischen Karl Fischer Titriergeräts 4,6 Gewichtsprozent.
143,0 g dieses Alamine 336 und der Milchsäurelösung wurden in einen 500 ml-3-Halskolben mit rundem Boden mit Thermoelement, Vakuum, Stickstoffspülung, Kondensator und Rührschaft eingebracht. Der Druck wurde auf 2,67 × 10³ Pa (20 mm Hg) eingestellt, und die Lösung wurde von Raumtemperatur auf 210°C erwärmt. Fraktion 1 wurde von der Dampfphase bei einer Blasentemperatur zwischen Raumtemperatur und 103°C entnommen. Fraktion 2 wurde bei der Blasentemperatur zwischen 103°C und 150°C entnommen. Fraktion 3 wurde bei einer Blasentemperatur zwischen 150°C und 169°C entnommen. Fraktion 4 wurde bei einer Blasentemperatur zwischen 169°C und 210°C entnommen. Die Säurekonzentration in den Fraktionen 1, 2, 3 und 4 wurde durch Titration bestimmt auf 0,23 Gewichtsprozent, 16,1 Gewichtsprozent, 73,2 Gewichtsprozent bzw. 60,8 Gewichtsprozent. Die Blasenbodenprodukte wogen 109,1 g und waren zwei Flüssigkeitsphasen bei Raumtemperatur, was auf das Vorhandensein einer gewissen Kondensation während der Destillation hinweist. Fraktion 4 erwies sich als etwa 2% Lactid – ein zusätzlicher Hinweis auf eine Kondensation. Die Zugabe von 23,8 g Octanol bewirkte die Vermischbarkeit der beiden unteren Phasen. Die einphasigen Bodenprodukte wurden titriert, wobei nach Berücksichtigung des Octanols nur 2,2 Gewichtsprozent Milchsäure vorgefunden wurden. Etwa 60% der Milchsäure wurde überkopf gewonnen.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Destillation der Milchsäure aus einem weniger volatilen Extraktionslösungsmittel eine machbare Verfahrensoption ist.
Beispiel 3
200 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) und 200 ml eines zuvor hergestellten Alamine 336 und einer Milchsäurelösung mit 18,4 Gewichtsprozent Milchsäure wurden in einen 500 ml-3-Halskolben mit rundem Boden mit Rührschaft, Thermoelement, Kondensator und Heizmantel eingebracht. Die Mischung wurde gerührt und auf 140°C erwärmt und 15 Minuten auf 140°C gehalten. Die zwei Phasen setzten sich rasch ab, wurden getrennt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Proben der Boden-DMSO-Phase zeigten 11,3 Gewichtsprozent Milchsäure mittels Titration und 0,58 Gewichtsprozent Alamine 336 mittels Gaschromatographie. 40 ml IsoPar K von Exxon wurden der DMSO-Phase in einem Trenntrichter zugegeben. Der Trichter wurde bei Raumtemperatur geschüttelt und die Phasen durften sich absetzen und wurden getrennt. Proben der Boden-DMSO-Phase zeigten 11,4 Gewichtsprozent Milchsäure, 2,7 Gewichtsprozent Wasser mittels Karl-Fischer-Titration und 0,05 Gewichtsprozent Alamine 336.
230,0 g dieses DMSO und der Milchsäurelösung wurden dann in einen 500 ml-4-Halskolben mit rundem Boden mit Rührschaft, Vakuum, Kondensator, Thermoelement und Heizmantel eingebracht. Das Material wurde bei atmosphärischem Druck auf 180°C erhitzt, wobei 42,0 g Kopfprodukt gewonnen wurden. Das Material konnte abkühlen. Die Säurekonzentration in der Bodenphase wurde mit 12,4 Gewichtsprozent ermittelt, was einige Kondensation durch Verlust von Azidität unter der Annahme keiner verdampften Milchsäure zeigte. Das Material wurde dann über 60 Minuten von Raumtemperatur auf 117°C bei einem Druck von 8,00 × 10³ Pa (60 mm Hg) erwärmt. Weitere 34,7 g Material wurde überkopf destilliert. Damit wurde der Milchsäureoligomerbildungsschritt abgeschlossen.
146,7 g DMSO und Milchsäureoligomerlösung blieben für den Lactidbildungsteil. 1,53 g FASCAT 9102, ein Butylzinn-Tris-2-Ethylhexanoat-Katalsystor, wurden hinzugefügt. Eine Trockeneis-Reinigungseinrichtung und eine Stickstoffspülung wurden hinzugefügt, und der Kondensator wurde bei 110°C auf ein Ethylenglykolmedium gewechselt. Die Mischung wurde über 80 Minuten bei einem Druck von 10 mm Hg von Raumtemperatur auf 145°C erwärmt. Nur 7,8 g Material blieben am Boden des Kolbens zurück. Die Vorlage enthielt 116,2 g Material. Der Siedepunkt von DMSO ist so nahe an Lactid, dass erwartet wurde, dass eine signifikante Menge DMSO überdestilliert würde. Die Anwesenheit von Lactid in den Kopfprodukten wurde durch Gaschromatographie bestätigt.
Dieses Beispiel zeigt die Machbarkeit der Rückextraktion der Milchsäure in eine polare Flüssigkeit aus dem Extraktionslösungsmittel und der Verwendung der polaren Flüssigkeit als Lösungsmittel zur Herstellung von Milchsäureoligomer und Lactid.
Beispiel 4
Zwei Lösungen von Milchsäure und Alamine 336 wurden hergestellt durch Kontaktierung des Alamine 336 mit verschiedenen Mengen und Konzentrationen wässriger Milchsäurelösungen. Es wurden Alamine-336-Mischungen mit 4,35 Gewichtsprozent und 18,85 Gewichtsprozent Milchsäure gewonnen. 2 ml der Alamine 336 und Milchsäurelösungen wurden getrennt mit den folgenden Lösungsmitteln kontaktiert: Dimethylsulfoxid (DMSO); N,N;-Dimethylforamid (DMF); 1,4-Dioxan; N-Methylpyrrolidinon (NMP) und 1,3-Dioxalan. Die Proben wurden 45 bis 60 Minuten bei regelmäßigem Mischen auf der spezifizierten Temperatur in einem Ölbad gehalten. Die 1,4-Dioxan- und 1,3-Dioxalan-Proben bildeten eine einzige Flüssigkeitsphase bei Temperaturen zwischen 20°C und etwa 80°C. Ein ähnliches Verfahren wurde für die Kontaktierung von Alamine-336-und Milchsäurelösungen mit Lactid und Tetramethylensulfon (TMSF) angewendet. Den Phasen wurde das Absetzen bei bestimmten Temperaturen ermöglicht, dann wurden sie rasch getrennt, indem die untere Phase ausgeleitet wurde. Proben wurden genommen für die Titration mit einer Natriumhydroxidlösung mit Phenolphtalein als Indikator zur Feststellung der Milchsäurekonzentration und für die Gaschromatographie zur Feststellung der Alamine-336-Konzentrationen. In allen Fällen war die Alamine-336-Phase die am wenigsten dichte Phase oder Kopfphase.
In Tabelle 1 sind die Milchsäure- und Alamine-336-Konzentrationen in den Kopf- und Bodenphasen aufgeführt. Der Verteilungskoeffizient wird berechnet durch Dividieren der Milchsäurekonzentration in der Alamine-336-Kopfphase durch die Milchsäurekonzentration in der unteren polaren Flüssigkeitsphase. Das Ergebnis zeigt, dass sich unter diesen Bedingungen signifikante Mengen von Milchsäure in die polare Flüssigkeitsphase verteilen. In einigen der Lösungsmittel wurde eine signifikante Menge Alamine 336 in die polare Flüssigkeitsphase coextrahiert. Dimethylsulfoxid erscheint wegen der guten Selektivität für die Milchsäure über das Alamine 336 als ein günstiges Lösungsmittel für diese Art von Verfahren.
Dieses Beispiel zeigt, dass Milchsäure vom anfänglichen Extraktionslösungsmittel mit hoher Effizienz in eine polare Flüssigkeit rückextrahiert werden kann. Es bestätigt die Machbarkeit eines Verfahrens, das eine Rückextraktion der Milchsäure in eine zweite polare Flüssigkeit benützt.
Tabelle 1. Ergebnisse für die Rückextraktion von Milchsäure in die zweite polare Phase.
Beispiel 5
Alamine 336 und eine wässrige Milchsäurelösung wurden kontaktiert, um in der Alamine-336-Phase eine 26,74 Gewichtsprozent Milchsäure zu erhalten. Zehn Gramm der milchsäuregeladenen Alamine-336-Phase wurden mit 5 Gramm Triethylamin in einem 125-ml-Trenntrichter kontaktiert. Der Kolben wurde eine Minute lang bei 24°C geschüttelt und die Phasen konnten sich absetzen. Die Kopfphase enthielt Triethylamin mit Alamine-336-Überschuss und praktisch keine Milchsäure, während die Bodenphase 43 Gewichtsprozent Milchsäure und Triethylamin enthielt. Die Säurekonzentrationen wurden durch Titration mit Natriumhydroxid bestimmt.
Die Rückextraktion wurde gesteigert, um das Destillationsexperiment zu ermöglichen. Dreißig Gramm einer 43 Gewichtsprozent Milchsäure-in Triethylamin-Mischung-wurden in einen 500-ml-3-Halskolben mit rundem Boden, ausgerüstet mit Trockeneis-Reinigungseinrichtung, Druckmesser, Kondensator, Thermoelement und Heizmantel, gegeben. Das Triethylamin verdampfte anfänglich bei 23°C und 1,33 × 10³ Pa (10 mm Hg). Die Temperatur stieg auf 120°C, und die Mischung wurde über 90 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Etwa 69% des Triethylamins verdampften. Die chirale Reinheit der Milchsäure hatte sich nach dem Erwärmen nicht signifikant geändert.
Die Triethylaminentfernung kann in Anwesenheit eines Lösungsmittels dramatisch gesteigert werden. Eine 21,5 Gewichtsprozent Milchsäurelösung in einer Mischung von Triethylamin und N-Methyl-2-pyrrolidinon wurde zwei Stunden lang bei 55°C und einem Druck von 1,33 × 10³ Pa (10 mm Hg) erwärmt, und 48% des Triethylamins verdampften aus der Lösung. Die restliche Mischung wurde auf 110°C erwärmt, wo sie 80 Minuten lang gehalten wurde. An diesem Punkt waren 96% des Triethylamins verdampft. Die chirale Reinheit des Materials war nicht signifikant verändert.
Dieses Beispiel zeigt die Rückextraktion der Milchsäure aus dem Extraktionslösungsmittel und dann die Fähigkeit zum Verdampfen des Rückextraktionslösungsmittels, um ein konzentriertes Milchsäureprodukt zu erhalten.
Beispiel 6
Ein Überschuss von Calciumlactatpentahydratkristallen wurde 2 Stunden lang bei 30°C mit einer Lösung gemischt, die 9% Milchsäure und kein Ethanol enthielt. Die resultierende wässrige Lösung wurde auf Calciumionen analysiert, um die Konzentration des gelösten Calciumlactats zu bestimmen. Das Ergebnis waren 7,49% Calciumlactat.
Ein Überschuss von Calciumlactatpentahydratkristallen wurde 2 Stunden bei 30°C mit einer Lösung gemischt, die 11,26% Milchsäure und 10% Ethanol enthielt. Die resultierende wässrige Lösung wurde auf Calciumionen analysiert, um die Konzentration des gelösten Calciumlactats zu bestimmen. Das Ergebnis waren 5,13% Calciumlactat.
Ein Überschuss von Calciumlactatpentahydratkristallen wurde 2 Stunden bei 30°C mit einer Lösung gemischt, die 18,94% Milchsäure und 24,8% Ethanol enthielt. Die resultierende wässrige Lösung wurde auf Calciumionen analysiert, um die Konzentration des gelösten Calciumlactats zu bestimmen. Das Ergebnis waren 2,99% Calciumlactat.
Diese Löslichkeitsmessungen zeigen den Rückgang der Calciumlactatkonzentration mit zunehmender Menge Ethanol in Lösung. In einem Verfahren liefert die Zugabe von Ethanol zu der Brühe eine zusätzliche Antriebskraft für die Kristallisierung von Calciumlactat aus der Brühe.
Beispiel 7
Eine wässrige Rohstofflösung mit 25% Natriumlactat und 2,9 mol/kg Milchsäure wurde mit Hexanol bei 80°C gegenstromextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 2,3 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 5. Die Konzentrationen von Milchsäure im Extrakt und im Raffinat waren 1,0 mol/kg bzw. 0,2 mol/kg. Das Extrakt wurde bei 30°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 1,6 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 6. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war weniger als 0,1 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 1,6 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt die effiziente Gewinnung von Milchsäure aus einem Milchsäure- und Lactatsalzstrom unter Verwendung von Extraktion und Rückextraktion in Wasser mit einem Alkohollösungsmittel.
Beispiel 8
Eine wässrige Rohstofflösung mit 25% Natriumlactat und 3,0 mol/kg Milchsäure wurde mit TBP bei 30°C gegenstromextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 2,3 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 5. Die Konzentrationen von Milchsäure im Extrakt und im Raffinat waren 1,3 mol/kg bzw. 0,2 mol/kg. Das Extrakt wurde bei 85°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 1,7 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 6. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war etwa 0,03 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 2,1 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt die effiziente Gewinnung von Milchsäure aus einem Milchsäure- und Lactatsalzstrom unter Verwendung von Extraktion und Rückextraktion in Wasser mit einer sauerstoffgesättigtem Verbindung.
Beispiel 9
Eine wässrige Rohstofflösung mit 0,5 mol/kg Milchsäure und 0,5 mol/kg Natriumlactat wurde mit Alamine 336 bei 25°C gegenstromextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 5,6 : 1 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 4. Die Konzentrationen von Milchsäure im Extrakt und im Raffinat waren 2,3 mol/kg bzw. 0,1 mol/kg. Das Extrakt wurde bei 160°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 1,2 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 4. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war etwa 0,1 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 2,7 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt die effiziente Gewinnung von Milchsäure aus einem Milchsäure- und Lactatsalzstrom unter Verwendung von Extraktion und Rückextraktion in Wasser mit einem Trialkylamin. Verglichen mit der Ausgangslösung hat das wässrige Rückextraktionsprodukt eine höhere Milchsäurekonzentration.
Beispiel 10
Eine wässrige Rohstofflösung mit 4 mol/kg Milchsäure wurde mit Hexanol bei 80°C gegenstromextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 2,3 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 6. Die Konzentrationen von Milchsäure im Extrakt und im Raffinat waren 1,8 mol/kg bzw. 0,2 mol/kg. Das Extrakt wurde bei 30°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 1,5 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 7. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war weniger als 0,1 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 2,7 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt die Gewinnung von Milchsäure aus einer wässrigen Lösung mit einem Alkohollösungsmittel.
Beispiel 11
Eine wässrige Rohstofflösung mit 4,5 mol/kg Milchsäure wurde mit Tri-Butyl-phosphat (TBP) bei 25°C gegenstromextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 2,3 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 6. Die Konzentrationen von Milchsäure im Extrakt und im Raffinat waren 2,0 mol/kg bzw. 0,2 mol/kg. Das Extrakt wurde bei 85°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 1,7 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war B. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war etwa 0,03 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 3,5 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt die Gewinnung von Milchsäure aus einer wässrigen Lösung mit einer sauerstoffangereicherten Phosphorverbindung.
Beispiel 12
Eine wässrige Rohstofflösung mit 0,5 mol/kg Milchsäure wurde mit Alamine 336 bei 25°C gegenstromextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase war 5,6 : 1 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 4. Die Konzentrationen von Milchsäure im Extrakt und im Raffinat waren 2,3 mol/kg bzw. 0,1 mol/kg. Das Extrakt wurde bei 160°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase betrug 1 : 1,2 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 4. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war etwa 0,1 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 2,7 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt die effiziente Gewinnung von Milchsäure aus einer wässrigen Lösung unter Verwendung eines Trialkylamins. Verglichen mit der Ausgangslösung, hat das wässrige Rückextraktionsprodukt eine höhere Milchsäurekonzentration.
Beispiel 13
Eine wässrige Rohstofflösung mit 2 mol/kg Milchsäure wurde mit Alamine 336 bei 25°C ein einer einzelnen Stufe extrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase war 1 : 1 nach Gewicht. Drei Phasen wurden ausgebildet; eine untere wässrige Phase und zwei organische Phasen. Die Konzentrationen von Milchsäure im kombinierten organischen Extrakt und im Raffinat waren 2,3 mol/kg bzw. 0,4 mol/kg. Das kombinierte organische Extrakt wurde bei 160°C mit Wasser gegenstromrückextrahiert. Das Verhältnis wässrige zu organische Phase war 1 : 1,2 nach Gewicht, und die Anzahl der Stufen war 4. Die Konzentration der Milchsäure im regenerierten Extraktionsmittel war etwa 0,1 mol/kg, und die in der resultierenden wässrigen Produktlösung war etwa 2,7 mol/kg.
Dieses Beispiel zeigt, dass eine signifikante Menge von Milchsäure unter Verwendung eines Trialkylaminlösungsmittels in einer einzigen Stufe extrahiert werden kann. Dieses System nützt das Dreiphasensystem, das sich bildet, wenn ein Extraktionslösungsmittel eine hohe Menge Alamine 336 und andere nichtpolare Verbindungen besitzt, wie Kerosin, und eine minimale Menge von sauerstoffgesättigten Lösungsmitteln, wie Hexanol oder Methylisobutylketon.
Beispiel 14
Eine organische Phase mit 3,13 mol Milchsäure/kg in Alamine 336 wurde in einen Becher gefüllt. Der Becher wurde bei atmosphärischem Druck auf einer Wärmeplatte auf 150–160°C erwärmt und unter diesen Bedingungen 7 Stunden lang gehalten. Eine Probe des Inhalts wurde mit einem 0,1 N Natriumhydroxid titriert, und es ergab sich ein Gehalt von 0,639 mol Säure/kg. Der Rückgang der Säurekonzentration in der organischen Phase ist ein Ergebnis der Konvertierung von Milchsäuremolekülen zu Milchsäureoligomeren. Die Effizienz der Konvertierung von Milchsäure in die Oligomerform lag bei 79%.
Dieses Beispiel zeigt die Fähigkeit zur Herstellung von Milchsäureoligomeren bei atmosphärischen Druck in einem Trialkylaminlösungsmittel.
Beispiel 15
17,7 g einer Lösung, die 1,92 mol/kg Alamine 336, 1,98 mol/kg Milchsäure und einen Tropfen eines Antioxidationsmittels enthielt, wurden in einem Becher, der in einem Ölbad untergebracht war, auf 135–150°C erwärmt und 42 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Während der Erwärmungsphase wurde Stickstoff durch die Lösung hindurchgeperlt. Der Becher wurde an eine Destillationskolonne angeschlossen, die mit einem wasserbefüllten Abscheiden verbunden war. Am Ende des Experiments, nach wie vor bei erhöhter Temperatur, war nur eine Phase im Becher. Nach dem Abkühlen wurden zwei organische Phasen beobachtet: 1,59 Gramm einer viskösen Bodenphase und 11,4 Gramm einer Kopfphase. Die Amin- und Protonkonzentrationen in der Bodenphase wurden durch Titrierung als 0,1N Chlorwasserstoffsäurelösung bzw. 0,1N Natriumhydroxidlösung ermittelt. Diese enthielt 1 mol/kg Amin und 0,957 mol/kg Protonen. Da die schwere organische Phase nur das Amin und ein Milchsäureoligomer enthält, erlauben diese Zahlen die Berechnung des Molekulargewichts des Oligomers. Es lag bei etwa 635, gleich einem Oligomer, das aus acht Milchsäuremonomeren besteht. IR-Spektren unterstützen die auf dieser Berechnung basierenden Schlüsse. Die Konzentration des Amins und der Protone wurden in der Kopfphase mit 2,54 mol/kg bzw. 0,02 mol/kg ermittelt.
Dieses Beispiel zeigt, dass die extrahierte Milchsäure in Milchsäureoligomere konvertiert werden kann, während sie sich im Extraktionsmittel befindet. Auch zeigt es die Fähigkeit des Alamine 336 und des Milchsäureoligomersystems zur spontanen Phasenspaltung nach dem Abkühlen der Reaktionsmischung. Die Analyse dieser Phasen zeigt, dass die signifikant größere Kopfphase praktisch alles Alamine 336 ist und die kleinere Bodenphase das Oligomerprodukt und Alamine 336.
Beispiel 16
Eine organische Phase, die 1,63 mol Milchsäure in Alamine 336 enthielt, wurde zubereitet. Sie wurde auf einer Heizplatte in einem offenen Glasgefäß auf 140–150°C erwärmt und 6 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Dann wurde ein Tropfen Zinn-2-Ethylhexanoat hinzugefügt, die Lösung wurde auf 180°C erwärmt und 3,5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Ein Teil der während der Erwärmung ausdestillierten Dämpfe wurde auf einem kalten Glas (das über dem erwärmten Gefäß gehalten wurde) kondensiert. Das Kondensat wurde mit Chloroform von dem Glas abgewaschen, und das NMR-Spektrum der Chloroformlösung wurde abgenommen. Das NMR-Spektrum bestätigte, dass das Chloroform Lactid als wichtigstes Milchsäureprodukt im Chloroform enthielt.
Ein Tropfen Zinn-2-Ethylhexanoat-Katalysator wurde zu einer Lösung zugegeben, die 1,02 mol/kg Milchsäureoligomer von DP4-5 in Alamine 336 enthielt. Diese Mischung wurde, in einem mit einem Abscheiden verbundenen Becher befindlich, auf einer Heizplatte auf 170–190°C erwärmt und 5 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Das Kondensat wurde mit Chloroform aus dem Abscheiden ausgewaschen, und das IR-Spektrum der Chloroformlösung wurde abgenommen. Basierend auf diesen Spektren, kann der Schluss gezogen werden, dass das im Abscheiden aufgefangene Kondensat eine signifikante Menge Lactid enthält.
Diese zwei Beispiele zeigen, dass Lactid von Milchsäure in Anwesenheit eines Trialkylamins hergestellt werden kann. In diesem Fall verlief die Lactidproduktion unter atmosphärischem Druck.
Beispiel 17
16,2 g Octanol und 0,222 g Phosphorsäure wurden 15 Minuten lang bei 25°C mit 0,936 g einer Lösung, enthaltend 1,19 mmol Alamine 336 und 0,74 mmol Milchsäureoligomer (DP8-9), gemischt. Nach vierstündigem Absetzen in einem Kühlschrank wurden zwei Phasen beobachtet. Säure-Base-Titrationen zeigen, dass 85% des Gesamtamins in der leichten Phase vorhanden war und dass eine signifikante Menge des Oligomers in der schweren Phase vorhanden war.
16 g Isopropanol und 0,468 g Phosphorsäure wurden 15 Minuten lang bei 25°C mit 1,156 g einer Lösung gemischt, die 1,66 mmol Alamine 336 und 1,5 mmol Milchsäureoligomer (DP8-9) enthielt. Nach vierstündigem Absetzen in einem Kühlschrank wurden zwei Phasen beobachtet. Säure-Base-Titrationen zeigen, dass 73% des Gesamtamins in der leichten Phase vorhanden war und dass eine signifikante Menge des Oligomers in der schweren Phase vorhanden war.
3,06 g Isopropanol und 0,324 g Essigsäure wurden 15 Minuten lang bei 25°C mit 0,733 g einer Lösung gemischt, die 1,04 mmol Alamine 336 und 0,57 mmol Milchsäureoligomer (DP8-9) enthielt. Nach vierstündigem Absetzen in einem Kühlschrank wurden zwei Phasen beobachtet. Säure-Base-Titrationen zeigen, dass 82% des Gesamtamins in der leichten Phase vorhanden war und dass eine signifikante Menge des Oligomers in der schweren Phase vorhanden war.
Diese drei Beispiele zeigen, dass die Zugabe eines Alkohollösungsmittels und entweder einer relativ starken Säure (Phosphorsäure) oder schwachen Säure (Essigsäure) geeignet ist, Trialkylamine von Milchsäureoligomeren via Extraktion oder Phasenspaltung zu trennen.
Beispiel 18
4,66 g einer Lösung, die 1,69 mol/kg Milchsäureoligomere (DP-5) und 1,16 mol/kg Alamine 336 enthielt, wurden mit 2,618 g Hexan gemischt. Dann wurden 0,585 g einer konzentrierten Ammoniaklösung zugefügt (12,4 mmol Ammoniak). Nach dem Mischen und Absetzen wurden zwei Phasen beobachtet. Die leichte Phase wurde mit HCl und NaOH titriert, um die Konzentrationen von Amin + Ammoniak bzw. Protonen (wie Milchsäureoligomer) zu bestimmen. In der leichten Phase wurden 0,19 mmol Vorpolymer und 3,27 mmol Amin + Ammoniak vorgefunden. Basierend auf der Tatsache, dass die Ammoniaklöslichkeit in Hexan vernachlässigbar ist, stellt die Basenkonzentration in der leichten Phase die Trennung von etwa 60% des Oligomers von dem Amin in einer einzigen Stufe dar.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Zugabe einer Base, wie Ammoniak, die Ausbildung einer zweiten Phase forcieren und Milchsäureoligomer von Trialkylamin extrahieren kann.
Beispiel 19
1,79 g einer 8,7 mol/kg Phosphorsäurelösung wurden einer Mischung von 5,48 g Calciumlactatpentahydrat und 20,25 g Wasser zugegeben. Die Lösung wurde 2,5 Stunden bei 85°C gemischt. Eine Feststoffphase und eine wässrige Flüssigkeitsphase wurden gefunden. Die Feststoffphase wurde gefiltert, mit Wasser gewaschen und gesampelt. Der Feststoff erwies sich als praktisch frei von Milchsäurematerial und enthielt 80,2% bzw. 77,0% des Gesamtphosphats bzw. Calciums. Die restliche wässrige Lösung enthält 77% des Lactatmaterials in freier Säureform und 23% des Lactatmaterials als Calciumlactatsalz.
2,84 g einer 8,7 mol/kg Phosphorsäurelösung und 16,46 g Butanol wurden einer Mischung von 7,83 g Calciumlactatpentahydrat und 20,6 g Wasser zugefügt. Die Mischung wurde 30 Minuten lang bei 20°C gemischt. Drei Phasen, eine feste und zwei flüssige, wurden gefunden. Die Phasen wurden getrennt, wobei der Feststoff mit Wasser gewaschen wurde. Der Feststoff erwies sich als praktisch frei von Lactatmaterial und enthielt 68,7% und 72,3% des gesamten Phosphats bzw. Calciums. Die wässrige Bodenphase enthielt 66,9% des Lactatmaterials, 31% des gesamten Phosphats und 26,7% des gesamten Calciums. Die organische Phase enthielt 33% des gesamten Lactatmaterials. Somit wurde eine signifikante Menge Lactatsalz gleichzeitig gesäuert und in die organische Phase extrahiert.
Diese Beispiele zeigen die Fähigkeit, mit Phosphorsäure anzusäuern und Calciumphosphatsalz zu bilden. Die angesäuerte Milchsäure kann dann mit einem geeigneten Lösungsmittel extrahiert oder mit anderen Mitteln von der wässrigen Phase isoliert werden.
Beispiel 20
Fermentationsbrühe mit einem abschließenden pH-Wert von 3,87 und einer Gesamtkonzentration des Lactatmaterials von 79 g/Liter gemäß Bestimmung durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie wurde gewonnen. Eine Reihe unterschiedlicher Lösungsmittel wurden mit der Brühe kontaktiert, um die Milchsäuregewinnung in einer einzigen Stufe zu bestimmen. Die Menge freier Milchsäure in jeder Phase wurde durch Titrierung mit einer wässrigen Natriumhydroxidlösung bestimmt. Für das 100% Alamine 336 Lösungsmittel wurden zwei organische Phasen isoliert und titriert, und beide Werte wurden mitgeteilt. Der Verteilungskoeffizient wird für dieses System nicht mitgeteilt.
Dieses Beispiel zeigt, dass eine Anzahl unterschiedlicher Extraktionslösungsmittel Verteilungskoeffizientwerte ergeben, die für industrielle Zwecke geeignet sind.
Beispiel 21
Fermentationsbrühe mit einem abschließenden pH von 3,87 und einer Gesamtkonzentration des Lactatmaterials von 79 g/Liter gemäß Bestimmung durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie wurde gewonnen. Die Brühe wurde drei Mal mit frischem Extraktionslösungsmittel kontaktiert, bestehend aus 89 Gewichtsprozent Alamine 336, 9 Gewichtsprozent Dodecanol und 2 Gewichtsprozent IsoPar K mit einem Verhältnis wässrige zu organischer Phase von 3,0. Die Konzentration freier Milchsäure wurde in jeder Phase durch Titrierung mit einer wässrigen Natriumhydroxidlösung bestimmt.
Dieses Beispiel zeigt, wie der Verteilungskoeffizient, der ein Maß für die Extraktionseffizienz ist, abnimmt, während mehr Milchsäure aus der Brühe extrahiert wird, d. h. mit zunehmendem pH der restlichen Brühe.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Milchsäureprodukten aus einer Mischung, enthaltend freie Milchsäure und/oder gelöstes Lactatsalz; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Inkubation einer Kultur von säuretoleranten Lactat-erzeugenden Mikroorganismen in einem Nährmedium bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,8, wobei, wenn die Fermentation bis zu einem Punkt durchgeführt wird, an dem der pH und/oder die Milchsäurekonzentration eine weitere Lactatproduktion inhibieren, der "durchschnittliche Inkubations-pH", basierend auf einem Durchschnitt der pH-Werte, gemessen an zehn (10) oder mehr gleichen Zeitintervallen über die Zeitspanne bestimmt wird, die notwendig ist, um 90% der limitierenden Lactatkonzentration zu erzeugen, oder, wenn die Fermentation nicht bis zu einem Punkt durchgeführt wird, an dem die limitierende Lactatkonzentration erreicht wird, der "durchschnittliche Inkubations-pH" bestimmt wird, basierend auf einem Durchschnitt der pH-Werte, gemessen an zehn (10) oder mehr gleichen Zeitspannen über den Verlauf der Fermentation, zur Erzeugung einer wässrigen Mischung, die mindestens 40 g/l Lactatmaterial beinhaltet, umfassend Milchsäure, Lactatsalz oder eine Mischung davon, und (b) Abtrennung der wässrigen Mischung von den säuretoleranten, Lactat-erzeugenden Mikroorganismen und (c) vorzugsweise Abtrennung von Milchsäure aus der Mischung zur Bildung eines milchsäurehaltigen Stroms.
Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei der Schritt der Inkubation bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,3 durchgeführt wird.
Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei der Schritt der Inkubation bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,0 durchgeführt wird.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt der vorzugsweisen Abtrennung von Milchsäure aus der wässrigen Mischung gewählt wird aus (a) Extraktion von Milchsäure aus der Mischung in eine erste nicht-wässrige Phase; (b) Adsorption der Milchsäure an ein festes Adsorbens; (c) Destillation der Milchsäure aus der wässrigen Mischung und (d) Hindurchführen der Milchsäure durch eine Membran.
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der Schritt der Extraktion in eine erste nicht-wässrige Phase die Extraktion von Milchsäure aus der Mischung in eine erste nicht-wässrige Phase, die ein tertiäres Amin umfasst, beinhaltet.
Verfahren gemäss Anspruch 5, weiterhin umfassend einen Schritt der Abtrennung der Milchsäure aus der mit Milchsäure angereicherten, nicht-wässrigen Phase, wobei der Schritt der Abtrennung der Milchsäure aus der mit Milchsäure angereicherten nicht-wässrigen Phase ausgewählt ist aus: (a) Rückextraktion der Milchsäure aus der mit Milchsäure angereicherten, nicht-wässrigen Phase in eine zweite nicht-wässrige Phase, die ein polares organisches Lösungsmittel umfasst, und Abtrennung der Milchsäure aus dem polaren organischen Lösungsmittel; (b) Rückextraktion der Milchsäure aus der mit Milchsäure angereicherten, nicht-wässrigen Phase in eine zweite wässrige Phase; (c) Abtrennung der Milchsäure aus der mit Milchsäure angereicherten, nicht-wässrigen Phase durch Destillation.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend einen Schritt der Kondensation von Milchsäure zur Bildung eines Milchsäureoligomers.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: (a) der Schritt der vorzugsweisen Abtrennung von Milchsäure einen simultanen Schritt einer vorzugsweisen Abtrennung von Lactatsalz in einen lactatsalzhaltigen Strom beinhaltet.
Verfahren zur Erzeugung von Milchsäureprodukten aus einer Mischung, enthaltend freie Milchsäure und/oder gelöstes Lactatsalz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Inkubation einer Kultur von säuretoleranten Lactat-erzeugenden Mikroorganismen in einem Nährmedium bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,8, wobei, wenn die Fermentation bis zu einem Punkt durchgeführt wird, an dem der pH und/oder die Milchsäurekonzentration eine weitere Lactatproduktion inhibieren, der "durchschnittliche Inkubations-pH", basierend auf einem Durchschnitt der pH-Werte, gemessen an zehn (10) oder mehr gleichen Zeitintervallen über die Zeitspanne bestimmt wird, die notwendig ist, um 90% der limitierenden Lactatkonzentration zu erzeugen, oder, wenn die Fermentation nicht bis zu einem Punkt durchgeführt wird, an dem die limitierende Lactatkonzentration erreicht wird, der "durchschnittliche Inkubations-pH" bestimmt wird, basierend auf einem Durchschnitt der pH-Werte, gemessen an zehn (10) oder mehr gleichen Zeitspannen über den Verlauf der Fermentation, zur Erzeugung einer wässrigen Mischung, die mindestens 40 g/l Lactatmaterial beinhaltet, umfassend Milchsäure, Lactatsalz oder eine Mischung davon, und (b) Abtrennung der wässrigen Mischung von den säuretoleranten, Lactat-erzeugenden Mikroorganismen und (c) vorzugsweise Abtrennen von Lactatsalz aus der Mischung zur Bildung eines lactatsalzhaltigen Stroms.
Verfahren gemäss Anspruch 9, wobei der Schritt der Inkubation bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,3 durchgeführt wird.
Verfahren gemäss Anspruch 9, wobei der Schritt der Inkubation bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von nicht mehr als 4,0 durchgeführt wird.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Schritt der vorzugsweisen Abtrennung von Lactatsalz ausgewählt ist aus: (a) Extraktion von Lactatsalz aus der Mischung in eine erste nicht-wässrige Phase; (b) Adsorption von einem Lactatanionensalz an ein festes Adsorbens; (c) Elektrodialyse und (d) Kristallisation des Lactatsalzes aus der Mischung.
Verfahren gemäss Anspruch 12, worin: (a) der Schritt der Kristallisation des Lactatsalzes einen Schritt einer Kristallisation von Calciumlactat umfasst.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei: (a) der Schritt der vorzugsweisen Abtrennung von Lactatsalz einen simultanen Schritt einer vorzugsweisen Abtrennung von Milchsäure in einen milchsäurehaltigen Strom beinhaltet.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Lactatmaterial 40 g/l L-Lactat oder 40 g/l D-Lactat beinhaltet.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Lactatmaterial 75 g/l L-Lactat oder 75 g/l D-Lactat beinhaltet.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Lactatmaterial eine optische Reinheit von mindestens 50% aufweist.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Lactatmaterial eine optische Reinheit von mindestens 75% aufweist.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: (a) Modifikation der wässrigen Mischung durch Zugabe von Säure vor dem Schritt der Abtrennung von Milchsäure oder Lactatsalz aus der Mischung.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 19, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: (a) Zugabe von Phosphorsäure zu der wässrigen Mischung zum Erhalt von mindestens einem Calciumsalz von Phosphorsäure vor dem Schritt der Abtrennung von Milchsäure oder Lactatsalz aus der Mischung.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Schritt der Inkubation die Inkubation einer Kultur von säuretoleranten Lactat-erzeugenden Mikroorganismen beinhaltet, ausgewählt aus Lactat-erzeugenden Bakterien, Lactat-erzeugenden Hefen und Lactaterzeugenden Pilzen.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Schritt der Inkubation die Inkubation einer Kultur von säuretoleranten Lactat-erzeugenden Mikroorganismen beinhaltet, die rekombinante Mikroorganismen beinhalten.
Verfahren gemäss Anspruch 21 oder 22, wobei: (a) der Schritt der Inkubation die Inkubation einer Kultur umfasst, die eine säuretolerante Lactaterzeugende Hefe beinhaltet.
Verfahren gemäss Anspruch 21 oder 22, wobei: (a) der Schritt der Inkubation die Inkubation einer Kultur umfasst, die säuretolerante, Lactatproduzierende Bakterien beinhaltet.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei: (a) der Schritt der Inkubation die Inkubation einer Kultur von säuretoleranten, Lactat-erzeugenden Mikroorganismen bei einem durchschnittlichen Inkubations-pH von 3,0 bis 4,8 umfasst.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 25, weiterhin umfassend einen Schritt der Zugabe von Lactatsalz zu dem Nährmedium während des Schritts der Inkubation.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei der Schritt der Abtrennung der wässrigen Mischung von dem säuretoleranten, Lactat-erzeugenden Mikroorganismus einen Schritt einer Filtration der wässrigen Mischung beinhaltet.