PL222655B1 - Sposób oczyszczania L,L-laktydu - Google Patents

Abstract

Sposób oczyszczania L,L-laktydu, polega na tym, że w pierwszym etapie L,L-laktyd poddaje się krystalizacji w temperaturze 15-30°C, z 25-33% roztworu w obojętnym, nie mieszającym się z wodą, rozpuszczalniku organicznym o charakterze węglowodoru aromatycznego, uzyskując pierwszy rzut laktydu oczyszczonego. W drugim etapie ługi i przemywki pokrystalizacyjne poddaje się szybkiej ekstrakcji wodą, w procesie periodycznym lub ciągłym, przy czym czas kontaktu faz wodnej i organicznej zawiera się w przedziale od 5 s do 30 min, a zużycie wody stanowi 8-50% objętości łącznej rozpuszczalnika nie mieszającego się z wodą, zastosowanego do rozpuszczenia laktydu przed krystalizacją i do przemycia kryształów pierwszego rzutu. Ekstrakcję wodą prowadzi się w temperaturze 15-30°C, po czym z oddzielonej fazy organicznej, po dokładnym usunięciu ewentualnie zaokludowanej fazy wodnej i ewentualnym zatężeniu, krystalizuje się laktyd ze schłodzonego roztworu, uzyskując drugi rzut laktydu oczyszczonego.

Description

(21) Num^{er z}gł^oszeni^a: ⁴⁰²⁸⁴³ C07D 319/12 (2006.01)

C07B 63/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 20.02.2013 (54)

Sposób oczyszczania L,L-laktydu (73) Uprawniony z patentu:

POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

01.09.2014 BUP 18/14 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.08.2016 WUP 08/16 (72) Twórca(y) wynalazku:

KRZYSZTOF BUJNOWSKI, Warszawa, PL LUDWIK SYNORADZKI, Warszawa, PL KRZYSZTOF DZIENIS, Warszawa, PL JERZY WISIALSKI, Warszawa, PL ROMAN ZADROŻNY, Warszawa, PL ANNA JERZAK, Warszawa, PL MICHAŁ STRZELEC, Karczew, PL JOANNA SIRAK, Warszawa, PL PAWEŁ RUŚKOWSKI, Wołomin, PL RENATA PRZEDPEŁSKA, Płońsk, PL MARCIN KOSIOROWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Grażyna Padee

PL 222 655 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania L,L-laktydu.

Cykliczny dimer kwasu L,L-mlekowego - L,L-laktyd-(3S,6S)-3,6-dimetylo-1,4-dioksan-2,5-dion, (dalej w opisie: laktyd), (wzór 1) jest stosowany jako surowiec wyjściowy do wytwarzania polilaktydu. W tym zastosowaniu wymaga wysokiej czystości, szczególnie w zakresie zawartości zanieczyszczeń o charakterze kwaśnym i wody. Najpowszechniej uznawane normy zawartości tych zanieczyszczeń wynoszą: zawartość wolnych kwasów < 3 mmol/kg, zawartość wody < 200 ppm. (Istotnymi parametrami są także: zawartość mezo-laktydu < 0,2% (GC), skręcalność właściwa od -280° do -300° oraz zawartość rozpuszczalnika (toluenu) < 0,5%). Wspomniane zanieczyszczenia kwaśne - najczęściej naturalny kwas L-mlekowy (kwas (2S)-2-hydroksypropanowy) i liniowy dimer kwasu L-mlekowego (kwas (2S)-2-{[(2S)-2-hydroksypropanoilo]oksy}propanowy), mogą być obecne w niedostatecznie oczyszczonym krystalicznym laktydzie, jak również, w szczególnym przypadku, mogą one powstać podczas przechowywania laktydu o wyjściowych właściwych parametrach jakościowych w warunkach nie zabezpieczających go przed kontaktem z wilgocią zawartą w powietrzu, a także w efekcie rozhermetyzowania pojemników z laktydem.

Wzór 1

Już w 1956 r. stwierdzono, że do otrzymania polilaktydu o wysokiej masie cząsteczkowej należy stosować surowiec laktyd o odpowiednio wysokiej czystości. W tym celu, do oczyszczania laktydu zastosowano wielokrotną krystalizację z układu eter dietylowy/octan etylu, 9:1 [P. L. Salzberg; E. I. du Pont de Nemours and Company; US Pat. Nr 2 758 987; 1956], W 1969 r., jako rozpuszczalniki do oczyszczania laktydu poprzez krystalizację wskazano benzen lub jego alkilowe pochodne [opis patentowy nr CA 814 465]. Najlepsze wyniki uzyskano w przypadku użycia p-ksylenu oraz toluenu. W przykładzie podanym w opisie patentowym finalna wydajność oczyszczania i wyodrębniania laktydu p oprzez krystalizację, zakończoną w temperaturze pokojowej, wynosiła, w przypadku zastosowania toluenu, tylko około 80%. Nie rozwiązano problemu wyodrębniania i oczyszczania laktydu, pozostającego w znacznej ilości w odpadowych ługach pokrystalizacyjnych.

Do krystalizacji laktydu zastosowano również wodę. Według opisu zgłoszenia patentowego nr US 2004 014 991 sporządzony w temperaturze 90°C 80% roztwór wodny laktydu szybko schładza się, a następnie, po około 0,5 h utworzony krystaliczny laktyd oddziela się na wirówce i suszy. Wadą tej metody jest narażenie laktydu na znaczną hydrolizę w gorącym roztworze wodnym i podczas długotrwałego kontaktu z wodą w fazie separacji i suszenia.

W opisie patentowym nr US 4 797 468 ujawniono metodę oczyszczania laktydu poprzez ekstrakcję zanieczyszczeń z roztworu laktydu w chlorku metylenu, najpierw wodnym roztworem chlorku sodu, a powtórnie - wodnym roztworem węglanu lub wodorowęglanu sodu, a następnie destylację do sucha oddzielonej fazy organicznej i sublimację pozostałości pod ciśnieniem około 5 mbar. Osiągnięto wydajność 76-89%. Podstawowymi niedogodnościami tej metody są: ograniczona wydajność, trudność realizacji w dużej skali wspomnianej operacji „destylacja do sucha oraz w tejże skali - komplikacja techniczna i energochłonność procesu sublimacji laktydu.

W opisie zgłoszenia patentowego nr WO 9 319 058 przedstawiono wariant uproszczony tej metody, polegający na oczyszczaniu laktydu poprzez ekstrakcję zanieczyszczeń z roztworu laktydu, zaPL 222 655 B1 nieczyszczonego kwasem mlekowym, w chlorku metylenu wodnym 5% roztworem wodorowęglanu sodu w temperaturze 10°C, utrzymując pH powyżej 8,0, do zaprzestania wydzielania się CO₂. Fazę organiczną suszy się bezwodnym siarczanem sodu, a po odfiltrowaniu środka suszącego, oddestyl owuje cały chlorek metylenu na wyparce, otrzymując, według autorów, czysty laktyd z wydajnością około 20%. Z tym wariantem, podobnie jak z uprzednim, wiąże się problem realizacji w dużej skali wspomnianej operacji „destylacja do sucha. Ponadto, uzyskiwany produkt niekrystaliczny, może, szczególnie ze wzrostem skali procesu i czasu trwania poszczególnych operacji, nie osiągnąć dostatecznej czystości. Ekstrakcja zanieczyszczeń może okazać się nie ilościowa, a zalkalizowana faza wodna w trakcie procesu ekstrakcji zanieczyszczeń może oddziaływać destrukcyjnie na laktyd. W efekcie - wydajność wyodrębniania laktydu jest niska.

Autorzy wynalazku chronionego patentem nr EP 0 657 447 zaproponowali metodę oczyszczania laktydu polegającą na odmyciu mezo-laktydu wodą. W danej metodzie stopiony surowiec zawierający mezo-laktyd wprowadzany jest do wody, szybko schłodzony do temperatury 25°C i intensywnie mieszany przez około 1 h w tej temperaturze. Następnie, laktyd wyodrębnia się na wirówce filtracyjnej i suszy pod zmniejszonym ciśnieniem. Otrzymano wydajność 76%. Kolejnym etapem jest rekrystalizacja tak wstępnie oczyszczonego laktydu z acetonu. Wydajność rekrystalizacji 70%. Ługi otrzymane po przemyciu laktydu wodą rozpuszczono w acetonie.

Podobną metodę opisano w opisie patentowym nr CN 101 468 978. W pierwszym etapie grubokrystaliczny laktyd jest mieszany z wodą, a następnie tak otrzymaną zawiesinę filtruje się w celu wyodrębnienia laktydu. Wyodrębniony laktyd należy wysuszyć. W drugim etapie laktyd rekrystalizuje się z rozpuszczalnika organicznego w celu doczyszczenia i ujednorodnienia kryształu. Rekrystalizowany laktyd był filtrowany i suszony. Autorzy otrzymali wydajność oczyszczania 80% względem sur owego laktydu.

Istnieje stała potrzeba doskonalenia metod pozwalających na otrzymanie laktydu o wysokiej czystości, w sposób dogodny technologicznie i z zadowalającą wydajnością.

Sposobem według wynalazku, L,L-laktyd w pierwszym etapie poddaje się krystalizacji w temperaturze od 15 do 30°C, korzystnie od 20 do 25°C, z 25-33% roztworu w obojętnym, nie mieszającym się z wodą rozpuszczalniku organicznym z grupy węglowodorów aromatycznych, takich jak benzen, toluen, p-ksylen, korzystnie - toluen, uzyskując pierwszy rzut laktydu oczyszczonego. W drugim etapie połączone ługi i przemywki pokrystalizacyjne poddaje się szybkiej, intensywnej ekstrakcji wodą, w procesie periodycznym lub ciągłym, przy czym czas kontaktu faz wodnej i organicznej zawiera się w przedziale od 5 s do 30 min., korzystnie od 15 s do 2 min., a zużycie wody stanowi 8-50% objętości łącznej rozpuszczalnika zastosowanego do rozpuszczenia laktydu przed krystalizacją i do przemycia kryształów pierwszego rzutu. Ekstrakcję wodą prowadzi się w temperaturze od 15 do 30°C, korzystnie od 20 do 25°C. Z oddzielonej fazy organicznej, po dokładnym usunięciu ewentualnie zaokludowanej fazy wodnej, korzystnie - przy zastosowaniu środka suszącego, w szczególności bezwodnego siarczanu sodu i ewentualnym zatężeniu, krystalizuje się laktyd ze schłodzonego roztworu, korzystnie do temperatury 0-10°C, uzyskując drugi rzut laktydu oczyszczonego.

Korzystnie, laktyd rozpuszcza się w rozpuszczalniku w temperaturze od 60 do 70°C, a następnie roztwór chłodzi się z szybkością 10-15°C/h, przez 3-5 h, do temperatury 20-25°C, po czym kontynuuje się mieszanie w czasie 4-6 h.

Korzystnie, łączny czas krystalizacji w pierwszym etapie wynosi 8-9 h.

W drugim etapie fazę organiczną, ewentualnie wysuszoną i zatężoną korzystnie chłodzi się z szybkością 10-15°C/h, przez 4-6 h, do temperatury 0-10°C, po czym kontynuuje się mieszanie przez 4-6 h.

Korzystnie, łączny czas krystalizacji w drugim etapie wynosi 9-10 h.

Korzystnie, powstały w pierwszym i drugim etapie kryształ laktydu przemywa się toluenem i suszy w suszarce próżniowej w temperaturze około 60°C, pod ciśnieniem 300-100 mbar, przez 4-8 h.

Sposób według wynalazku korzystnie stosuje się do oczyszczania L,L-laktydu o zawartości wody od 200 ppm do 400 ppm oraz zawartości kwasów od 3 mmol/kg do 100 mmol/kg. Metoda, będąca przedmiotem wynalazku, jest wysoko wydajna - w przeprowadzonych próbach laboratoryjnych osiągnięto wydajność łączną 92-94%. Szczególnie nadaje się do uzdatniania niepełnowartościowego laktydu o nieznacznie zawyżonej zawartości wody i domieszek kwaśnych: 200 ppm < zaw. wody < 400 ppm, a 3 mmol/kg < zaw. wolnych kwasów < 100 mmol/kg. Jako rozpuszczalnik organiczny do kryst alizacji laktydu wykorzystuje się, stosowany już od dawna do tego procesu, tani, mało toksyczny i łatwy do regeneracji - toluen (lub inny wymieniony rozpuszczalnik organiczny z grupy węglowodorów arom a4

PL 222 655 B1 tycznych), przy czym istotną cechą wynalazku jest zachowanie stosunkowo wysokiej, łatwej do osiągnięcia temperatury końcowej krystalizacji, korzystnie 20-25°C. W takiej temperaturze wprawdzie około 20% laktydu pozostaje w roztworze, ale jednocześnie pozostała część laktydu jest bardzo skutecznie oczyszczona, ponieważ kwaśne zanieczyszczenia w tych warunkach również pozostają w fazie ciekłej. Dodatkowo, korzystne jest powolne mieszanie zawiesiny krystalizacyjnej, sprzyjające wydzielaniu produktu w postaci grubokrystalicznej - o małej powierzchni właściwej, co ogranicza sorpcję zanieczyszczeń na powierzchni kryształów laktydu.

Po zakończeniu krystalizacji z toluenu (lub innych wymienionych rozpuszczalników), zawiesinę kryształów odfiltrowuje się i przemywa tym rozpuszczalnikiem, a następnie suszy w suszarce próżni owej. Wydajność uzyskanego produktu krystalicznego, o zawartości wolnych kwasów < 3 mmol/kg i zawartości wody < 200 ppm, wynosi około 80%.

Z połączonych ługów i przemywek po krystalizacji/wyodrębnieniu pierwszego rzutu laktydu, m etodą według wynalazku, wydziela się drugi rzut laktydu. W tym celu, uzyskany roztwór zanieczyszcz onego laktydu (ługi z przemywkami), zawierający około 20% wyjściowego wsadu laktydu, miesza się najpierw krótko i intensywnie w temperaturze pokojowej z porcją wody, co umożliwia ekstrakcję przeważającej części zanieczyszczeń kwaśnych do fazy wodnej (wydłużanie czasu tej operacji generuje straty laktydu w efekcie jego hydrolizy pod wpływem kontaktu z wodą). Ekstrakcja ta, korzystnie, pr owadzona jest w łatwo osiągalnej temperaturze, określanej jako „pokojowa. Kwaśne zanieczyszczenia laktydu ekstrahowane są wodą, w przeciwieństwie do stosowanych w cytowanych opisach patentowych wodnych roztworów nieorganicznych substancji buforujących. Obniża to koszt procesu, eliminuje obecność nieorganicznych soli w odpadowej pozostałości wodnej po ekstrakcji, a równocześnie nie wprowadza zagrożenia, jakim jest potencjalna hydroliza laktydu w zalkalizowanej wodzie, przy czym zużycie wody jest relatywnie niskie-stanowi 8-25%, korzystnie 1015% objętości łącznej toluenu, zastosowanego do rozpuszczenia laktydu przed krystalizacją i do przemycia kryształów pierwszego rzutu.

Wydzieloną fazę toluenową suszy się bezwodnym siarczanem sodu (usunięcie zaokludowanej wody) i zatęża pod próżnią do uzyskania stężonego, około 30% toluenowego roztworu laktydu. Otrzymany koncentrat miesza się powoli i schładza stopniowo, osiągając krystalizację drugiego rzutu tej substancji.

Wytworzony kryształ odfiltrowuje się, przemywa zimnym toluenem i suszy pod próżnią, uzyskując krystaliczny produkt o zawartości wolnych kwasów < 3 mmol/kg i zawartości wody < 200 ppm. Wydajność drugiego etapu wynosi 12-14% w odniesieniu do wyjściowej porcji laktydu.

Sposób według wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładzie.

P r z y k ł a d

Wykonano cztery eksperymenty oczyszczania laktydu niepełnowartościowego (wyjściowe próbki oznaczono symbolami S-1 i S-2, patrz tabela 1 i tabela 2) według następującej procedury: w kolbie ze spustem dolnym o pojemności 250 mL w 150 mL toluenu w temperaturze 70°C, w atmosferze azotu, rozpuszczono 50 g laktydu niepełnowartościowego, o zawyżonej zawartości wody i domieszek kwaśnych.

Roztwór powoli mieszano i chłodzono w temperaturze 10-15°C/h przez 4 h do temperatury 21°C. Mieszanie w tej temperaturze kontynuowano jeszcze przez 5 h. Łączny czas krystalizacji: 9 h. Powstały kryształ laktydu (pierwszy rzut) odfiltrowano, przemyto toluenem (65 mL) i suszono w suszarce próżniowej w temperaturze około 60°C, pod próżnią 300-100 mbar, przez 6 h, uzyskując produkty P-1.1, P-2.1, P-3.1, P-4.1 (tabela 1).

Połączone ługi pokrystalizacyjne i przemywki, ulokowane w kolbie ze spustem dolnym o pojemności 250 mL, mieszano intensywnie przez 2 minuty z 25 mL wody demineralizowanej o temperaturze 20°C, po czym rozdzielono fazy (czas rozdziału: około 10 min.) i odrzucono fazę wodną (dolną). Fazę toluenową suszono 10 g bezwodnego siarczanu sodu. Po oddzieleniu środka suszącego, uzyskany filtrat zatężono na wyparce rotacyjnej do objętości 30 mL (temperatura łaźni 60°C, ciśnienie w trakcie zatężania stopniowo zmniejszano od 160 do 107 mbar).

Uzyskany koncentrat powoli mieszano i chłodzono w tempie 10-15°C/h przez 4 h do temperatury około 10°C (± 2 °C). Mieszanie w tej temperaturze kontynuowano jeszcze przez 5 h. Łączny czas krystalizacji: 9 h. Powstały kryształ laktydu (II rzut) odfiltrowano, przemyto toluenem (16 mL) i suszono w suszarce próżniowej w temperaturze 60°C, pod ciśnieniem, zmieniającym się samorzutnie w zakresie od 300 do 100 mbar, przez 6 h, uzyskując produkty P-1.2, P-2.2, P-3.2 i P-4.2 (tabela 2).

Wyniki analiz czystości produktu podano w tabelach poniżej.

PL 222 655 B1

T a b e l a 1

I rzut laktydu oczyszczonego: wyniki analiz, wydajność

Próbka	Zawartość wody [ppm]	Zawartość kwasów [mmol/kg]	Wydajność [%] *
S-1	299	47,7	-
P-1.1/S-1	65	0,9	82
P-2.1/S-1	68	0,6	84
S-2	380	92,1	-
P-3.1/S-2	71	1,0	81
P-4.1/S-2	71	0,7	83

* Wydajność wydzielonego laktydu czystego względem laktydu zanieczyszczonego

T a b e l a 2

II rzut laktydu oczyszczonego: wyniki analiz, wydajność

Próbka	Zawartość kwasów [mmol/kg] **	Wydajność [%] *
S-1	47,7	-
P-1.2/S-1	0,6	11
P-2.2/S-1	0,3	11
S-2	92,1	-
P-3.2/S-2	0,4	12
P-4.2/S-2	0,1	10

* Stosunek masy wydzielonego laktydu czystego do masy wyjściowej próbki laktydu zanieczyszczonego ** Oznaczona zawartość wody w każdej próbce produktu wynosiła znacznie < 100 ppm

Symbolem S oznaczono materiał wyjściowy (laktyd zanieczyszczony), symbolem P - krystaliczny produkt (laktyd oczyszczony).

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób oczyszczania L,L-laktydu, z wykorzystaniem krystalizacji z rozpuszczalnika nie mieszającego się z wodą i ekstrakcji zanieczyszczeń wodą, znamienny tym, że w pierwszym etapie L,L-laktyd poddaje się krystalizacji w temperaturze 15-30°C, z 25-33% roztworu w obojętnym, nie mieszającym się z wodą, rozpuszczalniku organicznym o charakterze węglowodoru aromatycznego, uzysk ując pierwszy rzut laktydu oczyszczonego, a w drugim etapie ługi i przemywki pokrystalizacyjne poddaje się szybkiej ekstrakcji wodą, w procesie periodycznym lub ciągłym, przy czym czas kontaktu faz wodnej i organicznej zawiera się w przedziale od 5 s do 30 min, a zużycie wody stanowi 8-50% objętości łącznej rozpuszczalnika nie mieszającego się z wodą, zastosowanego do rozpuszczenia laktydu przed krystalizacją i do przemycia kryształów pierwszego rzutu, przy czym ekstrakcję wodą prowadzi się w temperaturze 15-30°C, po czym z oddzielonej fazy organicznej, po dokładnym usunięciu ewentualnie zaokludowanej fazy wodnej i ewentualnym zatężeniu, krystalizuje się laktyd ze schłodzonego roztworu, uzyskując drugi rzut laktydu oczyszczonego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako węglowodór aromatyczny stosuje się benzen, toluen lub p-ksylen.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że węglowodorem aromatycznym jest toluen.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że krystalizację w pierwszym etapie prowadzi się w temperaturze 20-25°C.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie laktyd rozpuszcza się w rozpuszczalniku w temperaturze od 60 do 70°C, a następnie roztwór chłodzi się z szybkością 10-15°C/h, przez 3-5 h, do temperatury 20-23°C, po czym kontynuuje się mieszanie w czasie 4-6 h.

   PL 222 655 B1
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że łączny czas krystalizacji w pierwszym etapie wynosi 8-9 h.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie ekstrakcję wodą prowadzi się w temperaturze 20-25°C.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie czas kontaktu faz wodnej i organicznej zawiera się w zakresie od 15 s do 2 min.
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie fazę organiczną, ewentualnie wysuszoną i zatężoną chłodzi się z szybkością 10-15°C/h, przez 4-6 h, do temperatury w zakresie od 8 do 12°C, po czym kontynuuje się mieszanie przez 4-6 h.
10. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ze łączny czas krystalizacji w drugim etapie wynosi 9-10 h.
11. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że usuwanie wody z fazy organicznej uzyskanej w drugim etapie prowadzi się przy zastosowaniu środka suszącego, korzystnie bezwodnego siarczanu sodu.
12. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie krystalizuje się laktyd z roztworu schłodzonego do temperatury 0-10°C.
13. 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powstały w pierwszym i drugim etapie kryształ laktydu przemywa się toluenem i suszy w suszarce próżniowej w temperaturze od 50 do 70°C, po d ciśnieniem 300-100 mbar, przez 4-8 h.
14. 14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się go do oczyszczania L,L-laktydu o zawartości wody 200 ppm < zaw. wody < 400 ppm, 3 mmol/kg < zaw. wolnych kwasów < 100 mmol/kg.