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GEBIET DER ERFINDUNG
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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.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Prozess-Fließdiagramm
eines Verfahrens nach der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu dem in 1 dargestellten;
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3 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1 und 2 dargestellten;
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4 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–3 dargestellten;
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5 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–4 dargestellten;
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6 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–5 dargestellten;
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7 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–6 dargestellten;
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8 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–7 dargestellten;
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9 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–8 dargestellten;
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10 ist
ein alternatives Prozess-Fließdiagramm
zu den in 1–9 dargestellten; und
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11 ist
ein Diagramm, in dem der Anteil von Milchsäure in freier Säureform
in einer Milchsäuremischung
als Funktion des pH dargestellt ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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I. Ausgewählte Problembereiche
mit Bezug auf die Verarbeitung, Isolierung und den Gebrauch von
Milchsäure.
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A. Chiralität
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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.
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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.
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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).
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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.
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B. Kontrolle des pH-Werts
während
der Fermentation
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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.
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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.
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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.
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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 pKa der Milchsäure. Der pKa der
Milchsäure bei
25°C ist
3,86 (bei 50°C
ist er etwa 3,89). Die Gleichung 1 unten beschreibt, wie der pH,
pKa und das Maß der Milchsäuredissoziation
aufeinander bezogen sind.
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Die Gleichung 1 zeigt, dass die Hälfte der
Säure dissoziiert
wird, wenn der pH gleich dem pKa 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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C. Produktabtrennung und
-aufarbeitung; Definition der Materialien
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Lactamid (das Ammoniakamid der Milchsäure) ist
eine industriell bedeutende Milchsäure. Es wird in Haarpflegeprodukten
verwendet.
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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.
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II. Fermentation bei niedrigerem
pH
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 pKa 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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VII. Einige spezifische
Verarbeitungsregimes
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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.
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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.
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A. 1; Extraktion von Milchsäure, Lactatsalz
und Nährstoffe
rezykliert, (optional) Extrakt regeneriert, Milchsäure konzentriert
durch Destillation.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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B. 2; Lactatkristallisation aus Brühe, Rezyklieren
von Lactatsalz zur Fermentation; Gewinnung von Säure aus Salz-entleerter Brühe.
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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.
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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.
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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.
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C. 3; Extraktion von Milchsäure, Bildung
von Oligomer und Lactid in Extraktionslösungsmittel
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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.
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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.
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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.
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Das Extraktionslösungsmittel wird gemäß Darstellung
von der Lactidbildungsphase über
Linie 80 zum Recycling in die Extraktion entfernt.
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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.
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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.
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D. 4; Extraktion von Milchsäure; Destillation
von Lösungsmitteln;
Oligomer-Lactidbildung durch Kondensation.
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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.
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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.
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G. 7; Adsorption von Milchsäure; Eluierung
durch Flüssigkeit;
Optionale Oligomer- und Lactidbildung.
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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.
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Das Feststoffadsorbens wird gemäß Darstellung
von der Kontaktierungsstufe oder dem System 201 über die
Linie 203 entfernt.
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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.
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H. 8; Extraktion von Milchsäure; Oligomer-
und Lactidbildung in Extraktionslösungsmitteln; Lactidreinigung
der Phasenspaltung.
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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.
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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.
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I. 9; Extraktion von Milchsäure; Oligomerbildung
und Extraktionslösungsmittel;
Oligomerreinigung durch Phasenspaltung; Lactidbildung auf Oligomer.
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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.
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J. 10; Extraktion von Milchsäure; Bildung
von Alkyllactatester; Reinigung von Lactatester durch Destillation.
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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.
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IX. Einige brauchbare
Prozessregimes; Bedingungen
-
In diesem Abschnitt werden einige
hypothetische Prozessbeschreibungen geliefert, um aufzuzeigen, wie
die oben beschriebenen Techniken angewendet werden können.
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A. Direkte Destillation
von Milchsäure
aus dem Extraktionsmittel.
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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.
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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.
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B. Wässriges Rückextrakt; Entfernung von Wasser
zur Herstellung von Vorpolymer, dann Lactid.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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X. Experiment
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Beispiel 1
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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.
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Beispiel 2
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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.
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Beispiel 3
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 4
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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.
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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.
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Tabelle
1. Ergebnisse für
die Rückextraktion
von Milchsäure
in die zweite polare Phase.
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Beispiel 5
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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.
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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.
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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.
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Dieses Beispiel zeigt die Rückextraktion
der Milchsäure
aus dem Extraktionslösungsmittel
und dann die Fähigkeit
zum Verdampfen des Rückextraktionslösungsmittels,
um ein konzentriertes Milchsäureprodukt zu
erhalten.
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Beispiel 6
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 14
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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%.
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Dieses Beispiel zeigt die Fähigkeit
zur Herstellung von Milchsäureoligomeren
bei atmosphärischen Druck
in einem Trialkylaminlösungsmittel.
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Beispiel 15
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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.
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Beispiel 16
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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.
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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.
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Diese zwei Beispiele zeigen, dass
Lactid von Milchsäure
in Anwesenheit eines Trialkylamins hergestellt werden kann. In diesem
Fall verlief die Lactidproduktion unter atmosphärischem Druck.
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Beispiel 17
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 18
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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.
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Dieses Beispiel zeigt, dass die Zugabe
einer Base, wie Ammoniak, die Ausbildung einer zweiten Phase forcieren
und Milchsäureoligomer
von Trialkylamin extrahieren kann.
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Beispiel 19
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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.
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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.
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Beispiel 20
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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.
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Dieses Beispiel zeigt, dass eine
Anzahl unterschiedlicher Extraktionslösungsmittel Verteilungskoeffizientwerte
ergeben, die für
industrielle Zwecke geeignet sind.
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Beispiel 21
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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.
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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.