ES2243463T3

ES2243463T3 - Procedimiento de purificacion de esteres ciclicos.

Info

Publication number: ES2243463T3
Application number: ES01914850T
Authority: ES
Inventors: Frederic Van Gansberghe; Patricia Di Salvatore; Jean-Christophe Bogaert; Philippe Coszach
Original assignee: Brussels Biotech
Current assignee: Brussels Biotech
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP4959899B2; DE60111371D1; HUP0400853A2; CN1452618A; CA2403426A1; EP1276735A1; NO20024340D0; KR20030069792A; CZ20023060A3; DE60111371T2; EP1136480A1; BR0109453A; PL359284A1; US20040014991A1; IL151676A0; EP1276735B1; ATE297388T1; WO2001070721A1; JP2003528094A; AU4212201A

Abstract

Procedimiento de purificación del éster cíclico dimérico de ácido láctico a partir de un producto bruto de lactida que comprende impurezas, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas: a) cristalización extractiva del producto bruto de lactida en medio acuoso con control de la geometría de los cristales formados, en una fase sólida que comprende uno de los diastereoisómeros de la lactida y en una fase líquida que comprende el ácido láctico, la meso-lactida, el otro diastereoisómero de la lactida, y los oligómeros; b) separación de la suspensión de cristales obtenida en (a), en una fase líquida pobre en lactida y cargada con impurezas, y en una torta húmeda rica en cristales de lactida; c) secado de la torta húmeda obtenida en (b); y d) recristalización en medio fundido de la lactida impura secada, obtenida en (c), y recuperación de la lactida purificada.

Description

Procedimiento de purificación de ésteres cíclicos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de purificación de ésteres cíclicos diméricos (particularmente lactidas o glicolidas) de fórmula general:

1

en la que R_{1}, R_{2}, R_{3} y R_{4} pueden ser un hidrógeno, o bien un grupo aromático, o bien un grupo alifático, sustituido o no, que tiene de 1 a 10 átomos de carbono. Estos ésteres son transformables en polímeros particularmente útiles para la preparación de plásticos biodegradables y reabsorbibles en medicina. Los polímeros de lactida (o R_{1} = R_{3} = H y R_{2} = R_{4} = CH_{3}) son degradables mediante hidrólisis acuosa en la mayoría de las condiciones ambiéntales, en ácido láctico o en oligómeros.

Las dos formas ópticamente activas de ácido láctico (L-LA) y (D-LA) pueden dar una lactida (LD o dímero cíclico) en 3 formas diastereoisómeras: con 2 moléculas de ácido D-láctico (D,D-lactida, o D-LD), con 2 moléculas de ácido L-láctico (L,L-lactida, o L-LD), o con una molécula de cada uno (meso-láctida, o meso-LD). También se encuentra la mezcla racémica ((D,L)-lactida) caracterizada por una temperatura de fusión (Tf = 126ºC) mayor que la de la L-LD o de la D-LD (Tf = 97ºC).

Actualmente, los 2 grandes métodos de producción de lactida se distinguen esencialmente por el grado de polimerización medio (GP) de los oligómeros de la etapa de condensación.

El primero consiste en extraer el agua de una disolución de ácido láctico hasta obtener oligómeros con 8 \leq GP \leq 25. Después, estos oligómeros se despolimerizan (reacción de "back-bitting") con un catalizador ácido de Lewis, a presión reducida a temperatura más o menos elevada, o bien en un caudal de nitrógeno. Este procedimiento se realiza en condiciones drásticas y costosas, e influyen sobre la pureza óptica de la lactida (porcentaje elevado de racemización).

El segundo método utiliza un oligómero con 1,5 \leq GP \leq 2,5 producido en fase de vapor a temperatura elevada, o en fase líquida en presencia de un co-disolvente que forma un azeótropo con el agua. Los principales inconvenientes son la presencia de un disolvente frecuentemente aromático y de alto punto de ebullición, una temperatura de reacción>180ºC, una falta de selectividad y una cantidad no despreciable de impurezas próticas.

De manera general, el producto bruto de lactida obtenido mediante diversas vías de síntesis contiene una serie de impurezas próticas (ácidos carboxílicos, compuestos hidroxilados, agua, etc.) que será necesario extraer a fin de obtener una pureza suficiente para integrar el producto bruto al procedimiento de polimerización mediante apertura de ciclo.

Estado de la técnica

A continuación, en este texto, los porcentajes siempre se expresarán en peso.

El experto en la materia conoce el documento CA 2.115.472 que propone un procedimiento de purificación mediante cristalización dinámica en estado fundido, con la recuperación de la meso-LD en forma enriquecida. Sin embargo, el procedimiento es aplicable sólo a productos brutos de lactida que presenten relaciones L-LD/D-LD de al menos 80/20 o de al menos 20/80. Si la composición del producto bruto corresponde a una composición por encima de la eutéctica, se observa entonces un enriquecimiento en mezcla racémica L-LD + D-LD, con rechazo de la L-LD con las impurezas como el agua, el ácido láctico y los oligómeros. Por otra parte, es necesario partir de un producto bruto de lactida ya enriquecido en lactidas (> 90% L-LD + meso-LD).

El documento US 5.502.215 (EP 0 657 447) se refiere a un procedimiento de purificación de producto bruto de lactida, que comprende una cristalización en medio acuoso de L-LD y/o D-LD, y después una separación centrífuga, un secado en fase gaseosa y una recristalización en disolvente orgánico con separación centrífuga y secado en fase gaseosa, y, eventualmente, un aclarado con este disolvente orgánico. Se hace hincapié sobre la eliminación mediante hidrólisis de la meso-LD y no sobre una extracción de las impurezas próticas mediante agua. Por otra parte, no se busca producir cristales de lactida de un tipo particular.

Los dos métodos de purificaciones descritos aquí arriba permiten tratar diversos productos brutos de lactida y obtener purezas del orden de 99%, permitiendo una polimerización de polilactida (PLA) en condiciones razonables. Sin embargo, estos métodos llevan pérdidas de rendimiento importantes debido a la apertura, a la racemización química y/o térmica del ciclo de lactida, o bien conllevan inversiones y costes de explotación importantes debido a las necesidades de almacenamiento y de tratamiento relacionadas con una purificación con disolvente.

La presente invención compensa estos inconvenientes, permitiendo al mismo tiempo producir una lactida suficientemente pura con vistas a la polimerización en buenas condiciones económicas.

Breve descripción de la invención

La presente invención consiste en un procedimiento de purificación de ésteres cíclicos, particularmente del dímero cíclico del ácido láctico (la lactida) a partir de un "producto bruto de lactida", a saber, una mezcla de ácido láctico y/o éster de ácido láctico y de sus oligómeros respectivos (L_{n}A con n<5), de agua y/o alcohol, así como de distintas formas diastereoisómeras de la lactida.

Este producto bruto se puede obtener a partir de ácido láctico, y/o de sus sales y/o de sus ésteres que provienen de cualquier síntesis conocida por el experto en la materia y cuya descripción no exhaustiva se ha desarrollado aquí anteriormente, o bien a partir de restos de procedimientos de purificación como la destilación o la cristalización en medio fundido.

En lo siguiente, se hará siempre referencia a la síntesis de lactida a partir de ácido láctico, pero se aplicará igualmente a los ésteres de ácido láctico. Por lactida se entiende una de las dos formas diastereoisómeras (la L-LD o la D-LD), y no la meso-LD.

El procedimiento de purificación descrito en esta invención es original porque da, a partir de un producto bruto de lactida (incluso poco rico en lactida), una muy alta calidad de lactida con un rendimiento en peso elevado y un consumo energético mínimo. Una lactida de muy alta calidad (química u óptica) puede servir como monómero para la síntesis de la PLA mediante apertura de ciclo.

El procedimiento cuantitativo y selectivo está asegurado por la realización conjunta: (a) de una cristalización extractiva y controlada de la lactida en medio acuoso a fin de favorecer la formación de cristales gruesos, así como la transferencia de las impurezas próticas en fase líquida, (b) de una separación centrífuga u otra (con o sin lavado) de la lactida y de la fase acuosa, (c) de un secado en fase sólida o líquida de la torta húmeda obtenida, y (d) de una o varias recristalizaciones en medio fundido.

Esta secuencia permite un reciclado fácil y cuantitativo de las impurezas en fase acuosa en el seno de la producción de ácido láctico. La optimización de las condiciones de temperatura y de tiempo de permanencia permite, al contrario de los procedimientos convencionales, evitar los deterioros químicos y térmicos de la lactida durante la purificación. Los criterios de calidad y de rendimiento industriales se alcanzan mucho más fácilmente.

El gasto de energía es mínimo gracias a la simplicidad de las tecnologías, a las bajas temperaturas de trabajo, y a la juiciosa yuxtaposición de las etapas. La recristalización en medio fundido es conocida por el experto en la materia, porque permite obtener una lactida de una calidad impecable y de una selectividad requerida para la síntesis de la PLA. Sin embargo, a partir de un producto bruto de lactida pobre en lactida, esta tecnología no puede al mismo tiempo garantizar un rendimiento suficiente en lactida y sostener una comparación económica frente a otras tecnologías (destilación, recristalización en disolvente, etc.). Sin embargo, la sucesión de las etapas (a) a (d) y la metodología, preconizadas por la presente invención, compensan esta desventaja.

Descripción detallada de la invención

De manera preferida, la mezcla de partida tendrá una composición en una de las lactidas comprendida entre 30 y 90%, y preferentemente entre 40 y 85%, un contenido de agua (durante el trabajo con un éster, el agua se sustituirá por un alcohol) entre 0 y 2%, y preferentemente entre 0 y 1%, un contenido de ácido láctico y sus oligómeros (L_{n}A con n<5) entre 0 y 50%, y el resto (la meso-LD y el otro diastereoisómero de la lactida) entre 0 y 30%.

Esta mezcla o producto bruto proviene de la extracción en un momento preciso de la etapa de condensación de los vapores que provienen de la síntesis del dímero cíclico del ácido láctico. También se pueden recuperar las fracciones que provienen de procedimientos de purificación (destilación o cristalización en medio fundido) cuyo contenido de lactida es demasiado bajo para ser purificadas, pero suficiente para un reciclado como lactida y no como fuente de ácido láctico (hidrólisis de la lactida).

Este procedimiento comprende esencialmente las etapas siguientes:

(a) Una cristalización extractiva y controlada

Ésta consiste en una cristalización cuantitativa, selectiva y controlada, en medio acuoso, de la lactida con una concentración de las impurezas próticas en fase líquida, mediante adición de agua.

Acoplada a la de la separación centrífuga (b) y a la del secado (c), ésta constituye una purificación previa que da una mezcla de selectividad (contenido en LD) suficiente para una última purificación, eficaz y rentable, mediante la recristalización en medio fundido (d). La selectividad elevada dará un contenido de LD mayor que 90%, y preferentemente mayor que 95%, sin tener en cuenta el agua añadida.

Con relación a los procedimientos de extracción con agua ya conocidos, no se elimina aquí la mayor parte de la meso-LD mediante hidrólisis del ciclo, pero se controla la geometría de los cristales formados, se provoca una segregación de fases entre la lactida (fase sólida) y las impurezas (fase líquida), y se favorece la extracción de las impurezas próticas solubles. No se podrá evitar totalmente una disminución del contenido de meso-LD. La última etapa del procedimiento permitirá una separación efectiva y estereoespecífica de la lactida y de la meso-LD; por lo tanto, hay que evitar hidrolizar esta última mediante apertura de ciclo. Para algunas aplicaciones, la recuperación de la meso-LD y su uso en PLA constituye un beneficio importante.

Este procedimiento permite un reciclado de las impurezas hacia la producción de lactida a partir de ácido láctico, un control de la geometría de los cristales, una extracción acuosa eficaz de las impurezas próticas, y condiciones de reacción muy suaves para evitar las pérdidas de rendimiento por apertura química o térmica de la lactida.

La presente invención preconiza temperaturas iniciales y finales de la mezcla [producto bruto de lactida + agua que sirve para la extracción] que no exceden respectivamente 100ºC y 50ºC, preferentemente menores que 90ºC y 35ºC, y más preferentemente menores que 80ºC y 25ºC, y tiempos de permanencia comprendidos entre 1 y 90 min., preferentemente comprendidos entre 1 y 60 min., para iniciar y completar la extracción, a fin de reducir la racemización así como los gastos energéticos, y aumentar la productividad del procedimiento.

Sin embargo, la adición de una cantidad no apta de agua crea problemas de transferencia, de eficacia de la extracción o de control de la cristalización. En efecto, una cantidad demasiado importante de agua permite una hidrólisis de la meso-LD, pero igualmente una hidrólisis de la lactida mediante apertura de ciclo (lo que influye considerablemente el rendimiento). En los procedimientos de extracción conocidos, esta degradación se frena mediante una disminución muy rápida de la temperatura de la mezcla, que provoca una nucleación muy importante en el seno de la mezcla, y una ganancia de masa. Esto no estorba a los procedimientos de extracción conocidos, que tienen como objetivo una hidrólisis selectiva de la meso-LD presente en forma cristalina, y no una extracción acuosa de las impurezas próticas (siendo la pureza del producto de partida ya relativamente elevada). Por el contrario, refiriéndose a la invención, la nucleación y el crecimiento de los cristales se deben de controlar para evitar la ganancia de masa que reduce la eficacia de la extracción: la caída de la temperatura provoca un aumento de la viscosidad de las impurezas (tales como el ácido láctico o los oligómeros del ácido láctico), que se eliminan mucho más difícilmente de la superficie de los cristales, y también la formación de un bloque difícil de solvatar mediante agua.

Además, la ganancia de masa impide el control de la geometría de los cristales, que no podrán desarrollar una estructura en láminas. Estos cristales según la invención, sin inclusiones ni oclusiones, son más puros, estables y manipulables.

Para no favorecer una hidrólisis de la meso-LD, en esta invención, la concentración de agua añadida a la mezcla de partida será menor, entre 0 y 40%, preferentemente entre 0 y 30%, y más preferentemente entre 0 y 20%. La degradación de la lactida es entonces mucho más lenta, y permite un mejor control de la temperatura y de la cristalización, porque a cada composición de lactida del producto bruto de lactida corresponde una temperatura de cristalización específica. En una primera fase, la mezcla se llevará a 10ºC, preferentemente a 5ºC, y más preferentemente a 2ºC, por debajo de esta temperatura, y se mantendrá así entre 1 y 45 min., preferentemente entre 1 y 30 min., y más preferentemente entre 1 y 15 min. Un enfoque de la invención consiste en fijar la temperatura del agua añadida de manera que, una vez se ha efectuado la mezcla, su temperatura corresponda a la temperatura de mantenimiento deseada. Un segundo enfoque de la invención consiste en iniciar la cristalización de los cristales de lactida pura (germinación progresiva).

Durante la fase que sigue a la primera etapa, la temperatura de la mezcla se disminuye lentamente para iniciar el crecimiento progresivo de los cristales, y aumentar el rendimiento. Este control de la cristalización repele progresivamente las impurezas en fase líquida, y se forman cristales con estructura de lámina sin inclusiones. La geometría de los cristales obtenidos aumenta sensiblemente la eficacia de las dos etapas de separación (b) y de secado (c). Por otra parte, con un contenido de agua próximo a 1%, la estabilidad química de los cristales de lactida aumenta frente a los obtenidos por la ganancia de masa de la mezcla.

En la presente invención, el reactor asegurará una buena agitación para repartir el calor en el conjunto de la mezcla, evitará la ganancia de masa, y permitirá la evacuación fácil de la mezcla fuera del reactor. Su capacidad de termostatización importante favorecerá una cristalización progresiva (rendimiento) y controlada (crecimiento de los cristales) de la lactida. Es conveniente cualquier reactor por lotes o en continuo, conforme a estas exigencias, como un reactor por lotes acoplado con un intercambiador externo de calor. Además, el experto en la materia puede igualmente prever la sonocristalización o la inoculación mediante cristales, para favorecer la cristalización de la lactida.

Al contrario de los procedimientos de extracción con agua conocidos, este nuevo método de trabajo favorece la aparición de una forma particular de lactida.

El análisis mediante GC de los productos que provienen de esta cristalización extractiva y controlada ha permitido observar la aparición de un compuesto suplementario y desconocido.

En función de las temperaturas, de la concentración en agua y del tiempo de contacto, el contenido de este compuesto evolucionaba de manera inversa a la de la lactida.

Los análisis mediante GC-MS, RMN (^{13}C, ^{1}H) e IR, mostraron que este compuesto era una molécula de lactida "complejada" mediante una molécula de agua. Este compuesto supone una interacción polar relativamente fuerte pero no un enlace químico covalente, porque el análisis de las dos moléculas (la lactida y el complejo) suministró dos espectros de masas totalmente idénticos, sin pico suplementario en m/z 162, lo que tiende a demostrar la existencia de un complejo y no de un enlace químico. Los espectros de RMN e IR muestran una modificación que corresponde bien a la presencia de agua.

Este complejo no se genera en caso de enfriamiento brusco. Sin embargo, sólo el conocimiento de la existencia y de la naturaleza de este complejo permite una gestión correcta y eficaz de las etapas de secado y de cristalización en medio fundido relacionadas con este procedimiento.

(b) Una separación centrífuga

Esta etapa consiste, al principio, en una suspensión obtenida en (a), y cuyo contenido de agua está comprendido entre 1 y 40% en peso, preferentemente entre 1 y 25%, y más preferentemente entre 1 y 20%, el contenido de lactida (complejo incluido) está comprendido entre 35 y 90%, preferentemente entre 40 y 90%, y más preferentemente entre 45 y 90%, el contenido de ácido láctico y sus oligómeros (L_{n}A con n<5) está comprendido entre 0 y 10%, y preferentemente entre 0 y 5%, siendo el resto la meso-LD y el otro diastereoisómero de la lactida, en una separación centrífuga u otra de la lactida, esencialmente presente en la fase sólida (torta), y filtrados acuosos cargados de impurezas próticas.

Los filtrados se podrán fácilmente reciclar hacia la producción de lactida a partir de ácido láctico, para aumentar el rendimiento global de la síntesis de la PLA.

Es deseable una separación centrífuga: es muy rápida por la geometría favorable de los cristales generados en la etapa (a). Además, la sequedad de la torta permite una manipulación fácil del producto. Por otra parte, la estabilidad química de los cristales evita las pérdidas de rendimiento por apertura de ciclo.

Un enfoque privilegiado recomienda un tiempo de centrifugación suficiente para llegar a contenidos de agua residual libre comprendidos entre 0 y 3%, preferentemente entre 0 y 1%, y más preferentemente entre 0 y 0,5%.

A fin de facilitar o suprimir la etapa siguiente de secado, se procede al lavado de la torta de la centrifugación. El lavado permite reducir los tiempos de contacto al mínimo, y aumentar el rendimiento. Cualquier procedimiento convendrá en el ámbito de esta invención.

La elección del disolvente de lavado permite eliminar simplemente las impurezas depositadas en forma de película en la superficie de los cristales, reducir el contenido de agua residual de la torta, y aumentar la estabilidad química de los cristales. El disolvente debería ser miscible con agua (disminución del agua residual), formar un azeótropo inferior con el agua (destilación más fácil de las trazas de agua), tener un punto de ebullición relativamente bajo (economía), ser inerte químicamente frente a la lactida (evitar la apertura del ciclo), tener una solubilidad baja frente a la lactida (evitar las pérdidas de rendimiento), tener una interacción con el agua mayor que la de la lactida (eliminar el agua unida a la lactida). La elección difícil del disolvente resultará por lo tanto de un compromiso entre la eficacia de la extracción, el rendimiento y la rentabilidad del procedimiento.

Los disolventes utilizables son cetonas, éteres, hidrocarburos aromáticos o alifáticos, disolventes a base de silicona y disolventes halogenados (acetona, 2-butanona, 2-pentanona, 2-hexanona, 2-heptanona, 2-octanona, anisol, éter etílico, éter isopropílico, éter butílico, metilfeniléter, metilisobutilcetona, benceno, cumeno, cimeno, p-xileno, o-xileno, m-xileno, tolueno, ciclohexano, heptano, octano, nonano, 1-penteno, 4-metilanisol, 1,2-dimetoxibenceno, 1,3-dimetoxibenceno, 1,4-dimetoxibenceno, mesitileno, clorobenceno, 1,2-diclorobenceno, 1,3-diclorobenceno, 1,4-diclorobenceno, 2-clorotolueno, 3-clorotolueno, 4-clorotolueno, etanol, isopropanol).

(c) El secado

Esta etapa consiste, al principio, en una torta húmeda obtenida en (b), y cuyo contenido de agua está comprendido entre 0 y 5%, preferentemente entre 0 y 2%, y más preferentemente entre 0 y 1%, el contenido de lactida (complejo incluido) está comprendido entre 75 y 98%, preferentemente entre 85 y 98%, y más preferentemente entre 90 y 98%, el contenido de ácido láctico y sus oligómeros (L_{n}A con n<5) está comprendido entre 0 y 5%, preferentemente entre 0 y 3%, y más preferentemente entre 0 y 1%, siendo el resto la meso-LD y el otro diastereoisómero de la lactida, en una evaporación de los contenidos residuales del agua. Esta etapa puede igualmente permitir extraer total o parcialmente el disolvente introducido durante el lavado.

Además, el complejo generado mediante este procedimiento se deberá manipulado minuciosamente: siendo su formación reversible, el complejo podría por lo tanto eliminar su agua en algunas condiciones.

La torta húmeda que proviene de la etapa (b) deberá por lo tanto ser tratada considerando que contiene agua residual libre, y agua ligada (en forma de complejo).

El bajo contenido de agua (libre + ligada) de la lactida húmeda, indispensable para asegurar la estabilidad química temporal de la lactida, no permite sin embargo una última purificación mediante recristalización en medio fundido: este contenido reduce el rendimiento por apertura de ciclo durante las refusiones. Un enfoque privilegiado permite obtener un contenido de agua residual libre comprendido entre 0 y 800 ppm, preferentemente entre 0 y 600 ppm, más preferentemente entre 0 y 400 ppm. Además, el contenido de complejo deberá de estar comprendido entre 0 y 3%, preferentemente entre 0 y 0,5%, y más preferentemente entre 0 y 0,05%.

En el presente ámbito, se podrán prever dos técnicas de secado para tratar estos contenidos en agua.

La primera consiste en tratar el producto que proviene de la etapa (b) en su forma inicial (sólida). Un secador que ofrece una capacidad de volatilización importante, a fin de eliminar el agua o el disolvente residual, efectuará el secado en condiciones suaves y controladas para evitar cualquier deterioro térmico del producto. La operación de secado es más delicada porque la torta húmeda contiene, al contrario que los demás procedimientos de extracción con agua, una meso-LD con punto de fusión entre 45 y 50ºC. Conviene efectuar el secado a menos de 50ºC, a vacío o en caudal gaseoso. Además, el complejo susceptible de eliminar el agua incita también a trabajar a baja temperatura a fin de evitar una degradación de la lactida. En esta invención, se considerará cualquier procedimiento de secado y cualquier tecnología conocida por el experto en la materia, que favorezca la vaporización y la extracción del agua o de un disolvente de un sólido húmedo: los mezcladores secadores a vacío o en un caudal de gas seco, el principio de zeodratación, los secadores de platos, etc.

La segunda técnica preconiza licuar la torta húmeda de la etapa (b), y arrastrar el agua (libre + ligada) mediante purgado o rociado de un flujo gaseoso seco. Como en la primera técnica, para asegurar la estabilidad química de la lactida, la temperatura de secado estará próxima a la de la mínima requerida para mantener líquida a la lactida húmeda. En este ámbito, se considerará cualquier procedimiento y tecnología de secado conocido por el experto en la materia, que favorezca la extracción del agua o de un disolvente de un líquido húmedo: una columna de lavado de gas (stripping, en inglés), un secador de capa fina, tamices moleculares, etc.

Por el contrario, si durante el lavado de la torta mediante disolvente, el contenido de agua residual tras la extracción es compatible con la recristalización en medio fundido descrita, y si la cantidad residual de disolvente sigue siendo compatible desde el punto de vista químico (ninguna apertura de la lactida por el disolvente) y técnico en la última etapa (ninguna disminución del contenido de disolvente durante el procedimiento), se puede evitar esta etapa de secado.

Para el lavado de la torta, el disolvente formará idealmente un azeótropo con el agua: será fácil y rentable extraer las últimas trazas de agua y de disolvente a fin de permitir una explotación rentable de la última etapa de purificación.

(d) Recristalización en medio fundido

La lactida impura secada, obtenida en (c), de composición similar o parecida al producto que proviene de la etapa (b), con la excepción del menor contenido de agua libre y ligada, sufrirá una última purificación mediante recristalización en medio fundido (uno o varios niveles), a fin de obtener una lactida con una pureza química y estereoespecífica suficiente para la síntesis de la PLA mediante apertura de ciclo. Una pureza suficiente implica un contenido de lactida comprendido entre 99,0 y 99,9%, y preferentemente entre 99,5 y 99,9%, un contenido de meso-LD comprendido entre 0 y 0,5%, y preferentemente entre 0 y 0,2%, un contenido de agua comprendido entre 0 y 100 ppm, y preferentemente entre 0 y 50 ppm, así como una acidez comprendida entre 0 y 10 meq./kg, y preferentemente entre 0 y 1 meq./kg.

La lactida impura secada, obtenida en (c), se funde y sufre un enfriamiento controlado para iniciar la cristalización. Las impurezas se concentrarán en la fase líquida. Tras la recristalización, la fase líquida se elimina mediante gravedad, dejando cristales revestidos con una película de impurezas. A fin de eliminarla, se realiza una refusión parcial. El líquido así obtenido arrastra la película, y se evacua por gravedad. La operación se repite hasta llegar a la pureza requerida. Esta sucesión de etapas puede ser estática o dinámica.

Una vez alcanzada la pureza deseada, el contenido del cristalizador se funde y se recupera.

Esta última etapa de purificación es cuantitativa, económica y energéticamente explotable sólo mediante tratamiento anterior del producto bruto de lactida según las 3 etapas aquí anteriores. El producto que alcanza la recristalización en medio fundido tendrá una pureza mayor que 90%, y preferentemente mayor que 95%, para una explotación viable del procedimiento. Una pureza insuficiente aumenta considerablemente el número de operaciones y, por lo tanto, las inversiones.

Un contenido bajo de agua libre (<800 ppm, y preferentemente<400 ppm) permite evitar un deterioro químico rápido de la lactida, y una caída de productividad y de rendimiento. El agua se concentra en la fase líquida de la primera etapa y provoca una apertura prematura de la lactida debido a los ciclos de calentamiento inherentes a la tecnología. Estando el procedimiento basado en el reciclado de las distintas fracciones, la perdida originada influye entonces directamente sobre el rendimiento final. El contenido de complejo en el producto que alcanza la cristalización en medio fundido deberá ser drásticamente reducido: las condiciones de esta etapa podrían provocar una eliminación del agua que proviene del complejo.

La elección juiciosa de los parámetros de recristalización en medio fundido permite una recuperación de la meso-LD gracias a las pequeñas pérdidas en la etapa (a). Este producto sirve para la síntesis de PLA con cinética de degradación controlada.

Durante la primera etapa de la invención, la viscosidad de las impurezas del producto a purificar influye fuertemente en el coeficiente de transferencia de masa durante la cristalización y, por lo tanto, directamente en la forma de los cristales, en la velocidad de cristalización y en el rendimiento. La adición, al producto de partida de la etapa (d), de un disolvente permite disminuir la viscosidad. Este disolvente se puede mezclar con el producto secado de la etapa (c) durante una purificación sin disolvente, o puede ser el residuo del disolvente introducido durante la etapa (b) del procedimiento. Este contenido puede variar según que se haya realizado o no una etapa de secado (c).

Este disolvente deberá estar presente en concentraciones que permitan mantener la explotación industrial de nuestro procedimiento, a saber, comprendidas entre 0 y 30%, preferentemente entre 0 y 20%, y más preferentemente entre 0 y 10%. La adición de una cantidad demasiado importante volvería a una recristalización en disolución, necesitando cristalizadores de capacidad más importante, anulando el beneficio del uso de un disolvente. Éste deberá de ser inerte frente a la lactida, y se deberá reciclar fácilmente en el procedimiento global de producción de PLA: se pueden citar por ejemplo los ésteres de ácido láctico o un disolvente de la etapa (b).

Otros detalles y particularidades de la invención, dados a continuación de manera no limitativa a título de ejemplo, describen formas posibles de realización.

Ejemplos Ejemplo 1

Se introduce una muestra (alimentación) de producto bruto de lactida (0,696 kg), que contiene 83% de L-LD, 8% de meso-LD, 1,6% de complejo L-LD hidratado (complejo) y una acidez residual de 570 meq./kg, en un cristalizador constituido por un tubo vertical de acero inox de 1 m de longitud y 30 mm de diámetro. La doble envoltura del tubo se alimenta con fluido portador de calor, mediante un grupo de calentamiento termostatizado, para el control de las fases de cristalización, de sudado o de refusión. Este producto bruto se funde a 105ºC.

A continuación, la cristalización se inicia sobre la pared mediante una disminución progresiva de la temperatura del fluido portador de calor presente en la doble envoltura. Para evitar oclusiones e inclusiones en el seno de los cristales puros, esta bajada de la temperatura será de 2 a 5ºC/h. Una parte del producto bruto cristaliza sobre las paredes, mientras que la parte central contiene la fase líquida ("drain", en inglés) que contiene la mayoría de las impurezas.

Una vez el fluido portador de calor es llevado a 60ºC, la fase líquida se extrae por gravedad.

Los cristales siguen recubiertos con una película de impurezas que la etapa de sudado debe eliminar: la superficie del tubo se calentará progresivamente (de 60 a 98ºC) a fin de fundir la superficie de los cristales de menor pureza, porque su punto de fusión es menor que el punto de fusión del producto puro. Según la naturaleza del producto bruto, la fracción de sudado recogida por gravedad representa de 5 a 25% de la carga inicial.

Finalmente, el cristalizador se lleva (a 4ºC/min.) hasta la fusión del producto (97-102ºC), a fin de licuar el conjunto recogido por gravedad (masa fundida).

Un producto final que debe de responder a las especificaciones de una lactida para la síntesis de la PLA, sufrirá un segundo, incluso un tercer, nivel de purificación mediante el mismo procedimiento.

La tabla I muestra el enriquecimiento de las fracciones intermedias en impurezas, así como el crecimiento del rendimiento másico de las fracciones recogidas en función de los niveles.

TABLA I

2

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Los contenidos de L-LD, meso-LD y complejo se determinan mediante GC tras la esterificación de los compuestos carboxilados. La acidez se valora con metóxido de sodio en un disolvente anhidro, con la fenolftaleína como indicador. Los contenidos de agua se determinaron por Karl Fisher.

Ejemplo 2

Una muestra de producto bruto de lactida, que contiene 77,2% de L-LD, 8,6% de meso-LD, 1,2% de complejo, y una acidez residual de 1.840 meq./kg, sufrirá una purificación previa antes de una purificación mediante recristalización en medio fundido, como en el ejemplo 1.

A 2.583 kg de producto bruto, a 90ºC, se añade 25% en peso de agua fría. La mezcla se lleva rápidamente a su temperatura de cristalización, y se mantendrá allí 30 min. a fin de favorecer la nucleación de los cristales. Después, la temperatura se disminuye progresivamente hasta 25ºC.

A continuación, la mezcla se centrifuga a 1.500 revoluciones/min., y se recogen 1.553 kg de cristales gruesos blancos. El análisis de este producto, antes y después del secado, aparece en la tabla II.

TABLA II

	Antes del secado	Después del secado
L-LD (%)	94,3	85,8
Meso-LD (%)	0,7	0,7
Complejo (%)	3,5	11,8
Agua (ppm)	5000	440

El contenido de agua demasiado importante para una recristalización directa en medio fundido impone el rociado de un caudal de nitrógeno seco durante 1,5 h en el seno del producto, a 110ºC. Este tratamiento reduce el contenido de agua a 440 ppm, pero aumenta la concentración de complejo, perjudicando a la de la L-LD.

El producto secado que procede de este tratamiento sufrirá dos o tres niveles de purificación mediante recristalización en medio fundido, según el ejemplo 1.

La tabla III muestra un crecimiento de la eficacia de la purificación en medio fundido. En efecto, con una alimentación de menor pureza, bastan dos niveles para alcanzar la calidad requerida. La presencia del complejo influye muy negativamente en el rendimiento másico de las fracciones recogidas durante la etapa última de purificación.

TABLA III

	Nivel 1	Nivel 2
	Alimentación	Fase	Masa	Alimentación	Fase	Masa
		Líquida	Fundida		Líquida	Fundida
L-LD (%)	85,8	75,8	99,1	99,1	93,3	99,5
meso-LD (%)	0,7	1,6	0,1	0,1	1,9	0,2
complejo (%)	11,8	17,2	0,6	0,6	3,3	0,1
acidez	-	-	68	68	260	9,7
(meq./kg)
Agua (ppm)	440	670	220	220	-	58
Rendimiento (%)	100	44	37	100	9	72

Ejemplo 3

Una muestra de producto bruto de lactida, que contiene 84,9% de L-LD, 5,5% de meso-LD, 3,3% de complejo y una acidez residual de 830 meq./kg, sufrirá un tratamiento según el ejemplo 2, excepto por las fases de centrifugación y de secado adaptadas a fin de minimizar la formación del complejo.

A 2.587 kg de producto bruto, a 90ºC, se añade 25% en peso de agua fría. La mezcla se lleva rápidamente a su temperatura de cristalización, y se mantendrá allí durante 30 min. A continuación, la temperatura se reduce hasta
25ºC.

A continuación, la mezcla se centrifuga a 2.000 revoluciones/min., y se recogen 1.786 kg de cristales gruesos blancos. Estos cristales se secan a vacío, a 45ºC, para extraer el agua libre, pero también el agua ligada en forma de complejo. En efecto, la desaparición del complejo corresponde a un aumento del contenido de L-LD. El análisis del producto secado aparece en la tabla IV.

TABLA IV

	Antes del secado	Después del secado
L-LD (%)	90,8	97,6
meso-LD (%)	0,9	0,7
complejo (%)	5	1,1
agua (ppm)	3450	370

El producto secado que procede de este tratamiento sufrirá recristalizaciones en medio fundido según el ejemplo 1.

La tabla V muestra, mediante comparación con el ejemplo 2, un crecimiento del rendimiento másico de las fracciones recogidas en este procedimiento de purificación cuando el contenido de complejo en el producto de partida es más bajo.

TABLA V

	Nivel 1	Nivel 2
	Alimentación	Fase	Masa	Alimentación	Fase	Masa
		Líquida	Fundida		Líquida	Fundida
L-LD (%)	97,6	94,1	99,2	99,2	98,7	99,6
meso-LD (%)	0,7	1,7	0,3	0,3	0,9	0,1
complejo (%)	1,1	3,3	0,3	0,3	0,4	0,1
Acidez	230	491	35	35	190	5,6
(meq./kg)
Agua (ppm)	370	-	125	125	-	37
Rendimiento (%)	100	10	73	100	5	86

Ejemplo 4

Este ejemplo muestra la eficacia de la purificación para mezclas pobres en lactida, subproductos del procedimiento de purificación. Una muestra de producto bruto de lactida, que contiene 41,9% de L-LD, 14,3% de meso-LD, y 2,2% de complejo, sufrirá un tratamiento según el ejemplo 3.

A 1,082 kg de producto bruto, a 80ºC, se añade 25% en peso de agua fría. La mezcla se lleva rápidamente a su temperatura de cristalización, y se mantendrá allí 30 min. Seguidamente, la temperatura se disminuye hasta 25ºC.

A continuación, la mezcla se centrífuga, y se recogen y se secan 0,400 kg de cristales gruesos blancos. El análisis del producto secado aparece en la tabla VI.

TABLA VI

	Antes del secado	Después del secado
L-LD (%)	91,1	93,2
meso-LD (%)	2,6	2,2
complejo (%)	2,4	0,8
agua (ppm)	4200	800

El producto secado que procede de este tratamiento se puede tratar mediante recristalización en medio fundido, según el ejemplo 1. Con relación a los procedimientos convencionales de producción de PLA con diversos reciclados, esta técnica ofrece la ventaja de reciclar la lactida tal cual, y no en forma lactato.

Claims

1. Procedimiento de purificación del éster cíclico dimérico de ácido láctico a partir de un producto bruto de lactida que comprende impurezas, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:

a): cristalización extractiva del producto bruto de lactida en medio acuoso con control de la geometría de los cristales formados, en una fase sólida que comprende uno de los diastereoisómeros de la lactida y en una fase líquida que comprende el ácido láctico, la meso-lactida, el otro diastereoisómero de la lactida, y los oligómeros;

b): separación de la suspensión de cristales obtenida en (a), en una fase líquida pobre en lactida y cargada con impurezas, y en una torta húmeda rica en cristales de lactida;

c): secado de la torta húmeda obtenida en (b); y

d): recristalización en medio fundido de la lactida impura secada, obtenida en (c), y recuperación de la lactida purificada.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el producto bruto de lactida comprende una mezcla de ácido láctico y/o de éster de ácido láctico y sus oligómeros respectivos, de agua y/o de alcohol, así como las distintas formas diastereoisómeras de la lactida o sus mezclas.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el producto bruto de lactida se obtiene mezclando fracciones que proceden de procedimientos de síntesis o de purificación de lactida.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el producto bruto de lactida presenta un contenido de un diastereoisómero de la lactida comprendido entre 30 y 90%, y preferentemente comprendido entre 40 y 85%, un contenido de agua comprendido entre 0 y 2%, y preferentemente comprendido entre 0 y 1%, un contenido de ácido láctico y oligómeros de ácido láctico comprendido entre 0 y 50%, y un contenido de meso-lactida y del otro diastereoisómero de la lactida comprendido entre 0 y 30%.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cristalización extractiva y controlada (a) comprende una primera fase de germinación progresiva de la lactida, y una segunda fase de crecimiento de los cristales con expulsión de las impurezas en fase acuosa.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque la fase de germinación progresiva se inicia manteniendo la mezcla a una temperatura ligeramente menor que la de cristalización de la lactida en la mezcla.

7. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque la fase de crecimiento con extracción de las impurezas se asegura mediante una disminución controlada de la temperatura de la mezcla, favoreciendo el crecimiento de cristales de lactida.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cristalización extractiva y controlada (a) se realiza a una temperatura comprendida entre 100 y 0ºC y, preferentemente comprendida entre 80 y 10ºC.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa de cristalización extractiva y controlada (a) se efectúa sobre una mezcla cuyo contenido de agua añadida, con relación al producto bruto de lactida, está comprendido entre 0 y 40%, preferentemente comprendido entre 0 y 30%.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa de cristalización extractiva y controlada (a) comprende el uso de un reactor con agitación, que dispone de una capacidad de termostatización, y de un sistema de extracción igualmente adaptado para productos pastosos, con un tiempo de permanencia comprendido entre 1 y 90 min., preferentemente comprendido entre 1 y 60 min.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la composición de la suspensión de cristales obtenida tras la etapa (a) comprende especialmente un contenido de agua comprendido entre 1 y 40%, y preferentemente comprendido entre 1 y 25%, un contenido de un diastereoisómero de la lactida comprendido entre 35 y 90%, preferentemente comprendido entre 40 y 90%, un contenido de ácido láctico y oligómeros de ácido láctico comprendido entre 0 y 10%, y preferentemente comprendido entre 0 y 5%, y un contenido de meso-lactida y del otro diastereoisómero de la lactida.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque la composición de la suspensión de cristales obtenida tras la etapa (a) comprende el diastereoisómero de la lactida que incluye la lactida propiamente dicha, y un complejo de lactida que consiste en una molécula de lactida unida de manera reversible, mediante puente de hidrógeno, a una molécula de agua.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque la etapa (b) de separación es una separación mediante centrifugación u otra separación, que permite alcanzar un contenido residual de agua libre en la torta húmeda comprendido entre 0 y 3%, preferentemente comprendido entre 0 y 1%.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque la etapa de secado (c) se sustituye por un lavado centrífugo mediante disolvente de la torta húmeda rica en cristales de lactida obtenida en la etapa (b), para extraer el agua de ésta.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque la composición de la torta húmeda obtenida tras la etapa (b) comprende especialmente un contenido de agua libre comprendido entre 0 y 5%, y preferentemente comprendido entre 0 y 2%, un contenido total de lactida comprendido entre 75 y 98%, preferentemente comprendido entre 85 y 98%, un contenido de ácido láctico y oligómeros de ácido láctico comprendido entre 0 y 5%, preferentemente comprendido entre 0 y 3%, y un contenido de meso-lactida y del otro diastereoisómero de la lactida.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque la lactida total en la torta húmeda obtenida tras la etapa (b) comprende el diastereoisómero de la lactida deseado y la lactida complejada.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque la etapa (c) comprende un secado que alcanza un contenido residual de agua libre en la lactida impura secada comprendido entre 0 y 800 ppm, preferentemente comprendido entre 0 y 400 ppm, y un contenido residual de agua ligada en forma de lactida compleja comprendido entre 0 y 3%, preferentemente comprendido entre 0 y 0,5%.

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque el secado (c) en fase sólida de la torta húmeda que procede de (b) se realiza a vacío o en un caudal gaseoso seco, a una temperatura menor que 50ºC.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque la etapa de secado (c) en fase líquida comprende la licuación previa de la torta húmeda que procede de (b), y un arrastre del agua (libre y ligada) mediante un rociado y/o un purgado de un caudal gaseoso seco en la disolución.

20. Procedimiento según la reivindicación 19, caracterizado porque la temperatura de secado (c) que es ligeramente mayor que la temperatura de licuación de la lactida húmeda, está comprendida entre 90 y 130ºC, y preferentemente comprendida entre 95 y 115ºC.

21. Procedimiento según la reivindicación 18 ó 19, caracterizado porque el caudal gaseoso seco es un gas inerte o aire, y porque este caudal gaseoso se precalienta eventualmente.

22. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque la etapa (d) comprende una o varias recristalizaciones en medio fundido de la lactida impura secada obtenida en (c).

23. Procedimiento según la reivindicación 22, caracterizado porque un reductor de viscosidad se mezcla con la lactida impura secada que procede de la etapa (c), a fin de aumentar la velocidad de cristalización, el coeficiente de transferencia de masa y la eficacia de la recristalización en medio fundido.

24. Procedimiento según la reivindicación 23, caracterizado porque el reductor de viscosidad es un disolvente introducido al final de la etapa de secado (c), y se selecciona de entre las cetonas, los éteres, los disolventes aromáticos o alifáticos, los disolventes a base de silicona, los disolventes halogenados, los alcoholes y los ésteres de ácido láctico.

25. Procedimiento según la reivindicación 23, caracterizado porque el reductor de viscosidad es el disolvente residual introducido durante la etapa de separación centrífuga (b) del procedimiento, y se selecciona de entre las cetonas, los éteres, los disolventes aromáticos o alifáticos, los disolventes a base de silicona, los disolventes halogenados, los alcoholes y los ésteres de ácido láctico.

26. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, caracterizado porque el contenido de reductor de viscosidad está comprendido entre 0 y 30%, preferentemente comprendido entre 0 y 20%.

27. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, caracterizado porque el contenido de lactida al final de la etapa (d) está comprendido entre 99,0 y 99,9%, preferentemente comprendido entre 99,5 y 99,9%, el contenido de meso-lactida está comprendido entre 0 y 0,5%, preferentemente comprendido entre 0 y 0,2%, el contenido de agua está comprendido entre 0 y 100 ppm, preferentemente comprendido entre 0 y 50 ppm, y el contenido de ácido láctico y oligómeros está comprendido entre 0 y 10 meq./kg, preferentemente comprendido entre 0 y 1 meq./kg.