WO2014118448A1 - Procede de purification de l'acide glycolique par traitement thermique - Google Patents
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- WO2014118448A1 WO2014118448A1 PCT/FR2014/000022 FR2014000022W WO2014118448A1 WO 2014118448 A1 WO2014118448 A1 WO 2014118448A1 FR 2014000022 W FR2014000022 W FR 2014000022W WO 2014118448 A1 WO2014118448 A1 WO 2014118448A1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
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- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
- C12P7/42—Hydroxy-carboxylic acids
Definitions
- the present invention relates to a process for purifying a glycolic acid obtained from a fermentation medium, by carrying out a heat treatment to remove glucose and residual sugars from the carbon source. fermentation. Said treatment ultimately leads to a glycolic acid having improved thermal stability with respect to the products obtained according to the prior art treatment methods based on distillation and / or crystallization steps.
- the glycolic acid resulting from the process according to the present invention is less subject to recolouring phenomena generally occurring at high temperatures, and may be easily implemented to make polymers and copolymers of this acid.
- Glycolic acid (HOCH 2 COOH), or hydroxyacetic acid is the first compound in the family of alpha-hydroxy carboxylic acids.
- bio-sourced pathway it can be isolated from natural compounds such as sugar cane, sugar beets, pineapples, melons or unripe grapes. Finally and always according to a bio-sourced alternative, it can be obtained by fermentation or enzymatic bioconversion.
- the glycolic acid referred to in the present invention is exclusively derived from a fermentation step of a renewable carbon source, such as glucose (used as a model fermentable carbon source).
- a renewable carbon source such as glucose (used as a model fermentable carbon source).
- This fermentation is carried out with a microorganism of the genus Escherichia, Aureobasidium, Williopsis, Nocardia or Rhodococcus.
- the glycolic acid is here produced by a recombinant E. coli such as for example described in the documents WO 2007/140816 and WO 2007/141316. Nevertheless, the treatment according to the invention could be successfully applied to a glycolic acid obtained from yeasts.
- glycolic acid has many applications in skincare products: it is known for its peeling properties, but also for its ability to limit wrinkles, acne scars and hyperpigmentation. It is also used in the textile industry as a tanning additive, and in the field of food as a preservative.
- it is a preferred synthesis intermediate in organic chemistry in oxidation-reduction, esterification and polymerization reactions.
- monomer it is used in the synthesis of polymers or copolymers of glycolic acid.
- glycolic acid lactic acid, citric acid, succinic acid, acetic acid, formic acid, etc.
- this document describes a treatment of an aqueous solution containing 88% by weight of lactic acid at 180 ° C for 3 hours.
- the test developed for glycolic acid in the present application is very different: solution at 45% by weight of glycolic acid treated at 140 ° C for at least 2 hours. It follows that heat treatments to stabilize these two organic acids will be as dissimilar as their properties are different. Continuing its research to develop an effective method for thermally stabilizing the glycolic acid obtained by fermentation, the Applicant Company has managed to overcome the conventional methods of distillation and crystallization recommended for this acid.
- the method for purifying a thermally stable glycolic acid from a fermentation medium containing a glycolic acid must precisely comprise the following steps: a) clarifying said fermentation medium, b) acidifying the medium resulting from step a) to a pH value of less than 2 and removing the inorganic anions,
- step b) preparing from the medium resulting from step b) a glycolic acid solution containing at least 45% by weight of dry matter, preferably at least 60% of dry matter,
- step d diluting, filtering and bleaching the glycolic acid solution thus treated in order to eliminate all the dyestuffs generated by step d), f) isolating the thermally stable glycolic acid thus obtained.
- fermentation medium is meant a two-phase mixture consisting of the glycolic acid-producing biomass and an aqueous phase containing glycolic acid, the impurities synthesized and released by the biomass as well as the nutrients and residual salts not consumed.
- the selected glycolic acid-producing microorganism is a recombinant Escherichia coli strain as described in WO 2007 / 140,816 and WO 2007 / 141,316, strain of genotype: MG165 OaceB Ogcl Dg / cDEFGB OaldA OiclR Opgir.Cm Oedd-edav.Cm OudhA :: Cm (pMElOl-ya / W).
- Clarification of the fermentation medium refers to the removal of "insoluble organic impurities" such as biomass, residual insoluble proteins and insoluble particles.
- the clarified solution is typically a clear solution.
- Said clarification is carried out in particular by all the filtration techniques well known to those skilled in the art, and preferably by microfiltration with membranes having a cutoff threshold of between 0.1 ⁇ and 1 ⁇ .
- the second step is to acidify the solution and remove the mineral anions.
- the purpose of acidifying the clarified glycolic acid solution is to convert the glycolates produced by fermentation into free glycolic acids. This acidification is understood to mean the regulation of the pH to a value of less than 2.
- This conversion of glycolates to free glycolic acids is carried out by any method known as such by those skilled in the art, a method chosen for example from the group consisting of ⁇ electrodialysis on bipolar membranes, ion exchange resins or the addition of strong acid.
- the Applicant Company recommends eliminating the soluble nitrogen impurities, in particular by flocculation or by conventional electrodialysis, in order to avoid the fouling of the bipolar electrodialysis membranes caused by their denaturation and their flocculation. during acidification.
- the Applicant Company also recommends eliminating the divalent cations (in particular residual Mg 2+ and Ca 2+ ions) which may degrade the membranes of the bipolar electrodialyzer used.
- This preliminary step can be carried out by passing the glycolate solution through a weak cation exchange resin in the presence of an aminophosphoric or diacetic chelating agent so as to complex the divalent cations.
- a cation exchange resin treatment strong. This optional additional step can thus allow the conversion of the 5% to 20% residual glycolates.
- the third step of the process according to the invention consists in preparing, from the fermentation medium thus clarified and acidified, a glycolic acid solution containing at least 45% by weight of dry matter, preferably at least 60% by weight. This preferably has a richness of at least 25% by weight of glycolic acid.
- a glycolic acid solution containing at least 45% by weight of dry matter, preferably at least 60% by weight.
- This preferably has a richness of at least 25% by weight of glycolic acid.
- it is not necessary at this stage to concentrate the filtrate (containing from 8 to 20% by weight of lactic acid - even between 10 and 12% lactic acid), to a solids content of 80% by weight.
- the fourth step of the process according to the invention consists in heating said glycolic acid solution at a temperature of between 140 and 200 ° C., preferably at a temperature of approximately 180 ° C., preferably at a pH value of 1 (in particular by adding sulfuric acid) for a period of between 4 and 10 hours, preferably between 6 and 10 hours.
- the following examples support the present Application and demonstrate the value of working under such process conditions.
- the Applicant Company has thus found that the carbonization treatment of the residual glucose and of the cell-derived polysaccharides contained in the glycolic acid solution requires operating conditions that are completely different from those employed in US Pat. No. 5,488,156.
- the carbonization treatment of lactic acid in this patent US 5,488,156 was established at: a temperature of between 180 ° C. and 230 ° C., preferably between 190 ° C. and 225 ° C .;
- reaction time between 0.5 and 6 hours.
- the fifth step of the process according to the invention consists in diluting, filtering and bleaching the glycolic acid solution thus treated in order to eliminate all the colorants generated by step d). Indeed, during the heat treatment, the degradation of sugars causes the formation of a black solid residue, easily removable after dilution and filtration.
- This step can be carried out by frontal filtration (through a tulip filter for example) or by membrane filtration. In all cases, the cut-off threshold to be applied is 0.8 to 3 ⁇ .
- the bleaching is carried out on a solution of glycolic acid at 20% by weight of dry matter with 1% to 5% by weight (relative to the weight of glycolic acid) of activated carbon powder, for 1 hour at room temperature, then 0.2 ⁇ filtration (frontal or membrane). Nanofiltration can be performed between 20 ° C and 50 ° C using a membrane having an MgSC1 ⁇ 4 rejection rate of 96% to 99% by weight.
- the sixth step of the process according to the invention finally consists in isolating the thermally stable glycolic acid thus obtained.
- the thermal stability of the glycolic acid produced is determined using an original thermal test of the finished product. This test consists in initially bringing to 70% the dry matter of the glycolic acid solution, and in making a first ICUMSA 1 measurement of the coloration by the ICUMSA method at ambient temperature. After stoving the solution at 180 ° C. for 2 hours, a second staining measurement is then carried out according to the above method.
- the stability index is defined as the ratio between the first and the second ICUMSA measurement 2. The closer this index is to 1, the better the thermal stability of the sample under consideration.
- a solution of glycolic acid is prepared according to the protocol described in Example 8 of Patent Application WO 2007/141316.
- the treatment of the solution thus improved its thermal stability by a factor of 50.
- the coloration of the final solution after the test is also improved by a factor of> 2.
- Tests Nos. 1, 2, 7, 8 and 11 represent situations outside the invention. Tests Nos. 3, 4, 5, 6, 9 and 10 represent the invention.
- the ICUMSA 1, ICUMSA 2 and stability index values are again determined after this treatment (see Table 2 with treatment). The results are reported in Table 2.
- the treatment according to the invention made it possible to reduce the stability index as well as the final coloration ICUMSA 2.
- the stability index which is then equal to 2
- the stability index is very advantageously improved.
- the final ICUMSA 2 coloration of the product, reflecting the polymer (PGA) in application is then very low, which is an asset for the production of PGA.
Abstract
L'invention concerne un procédé de purification d'un acide glycolique obtenu par fermentation, grâce à un traitement thermique visant à éliminer le glucose et les sucres résiduels issus de la source de carbone en fermentation. Un tel traitement conduit à un acide glycolique présentant une stabilité thermique améliorée par rapport aux produits obtenus selon les méthodes de traitement de l'art antérieur à base d'étapes de distillation et/ou de cristallisation. De manière avantageuse, l'acide glycolique résultant du procédé selon la présente invention est moins sujet à des phénomènes de recoloration se produisant généralement à hautes températures, et pourra être facilement mis en œuvre pour fabriquer des polymères et des copolymères de cet acide.
Description
PROCEDE DE PURIFICATION DE L'ACIDE GLYCOLIQUE
PAR TRAITEMENT THERMIQUE
La présente invention se rapporte à un procédé de purification d'un acide glycolique obtenu à partir d'un milieu de fermentation, par mise en œuvre d'un traitement thermique visant à éliminer le glucose et les sucres résiduels issus de la source de carbone en fermentation. Ledit traitement conduit en définitive à un acide glycolique présentant une stabilité thermique améliorée par rapport aux produits obtenus selon les méthodes de traitement de l'art antérieur à base d'étapes de distillation et/ou de cristallisation. De manière avantageuse, l'acide glycolique résultant du procédé selon la présente invention est moins sujet à des phénomènes de recoloration se produisant généralement à hautes températures, et pourra être facilement mis en œuvre pour fabriquer des polymères et des copolymères de cet acide. L'acide glycolique (HOCH2COOH), ou acide hydroxy acétique, est le premier composé de la famille des acides alpha-hydroxy carboxyliques. Il est obtenu par synthèse chimique à partir d'acide chloroacétique et de soude, par hydrogénation de l'acide oxalique, ou par hydrolyse de cyanohydrine, dérivé du formaldéhyde. Selon une autre voie dite bio-sourcée, il peut être isolé de composés naturels tels que la canne à sucre, les betteraves à sucre, les ananas, les melons ou les raisins non mûrs. Enfin et toujours selon une alternative bio-sourcée, il peut être obtenu par fermentation ou bioconversion enzymatique.
L'acide glycolique visé dans la présente invention est exclusivement issu d'une étape de fermentation d'une source de carbone renouvelable, tel le glucose (utilisé comme source carbonée fermentescible modèle). Cette fermentation est réalisée avec un microorganisme du genre Escherichia, Aureobasidium, Williopsis, Nocardia ou Rhodococcus. De manière très préférée, l'acide glycolique est ici produit par une E. coli recombinante telle que par exemple décrite dans les documents WO 2007/140816 et WO 2007/141316. Néanmoins, le traitement selon l'invention pourrait être appliqué avec succès à un acide glycolique obtenu à partir de levures.
De par son aptitude à pénétrer facilement l'épiderme, l'acide glycolique trouve de nombreuses applications dans les produits de soin pour la peau : il est notamment connu pour ses propriétés de « peeling », mais aussi pour sa capacité à limiter les rides, les cicatrices d'acné et rhyperpigmentation. Il est également utilisé dans l'industrie du textile comme additif de tannage, et dans le domaine de l'alimentation comme agent de conservation. De plus, grâce à ses deux fonctions hydroxyle et acide carboxylique, c'est un intermédiaire de synthèse privilégié en chimie organique dans des réactions d'oxydo-réduction, d'estérification et de polymérisation. Enfin, en tant que monomère, il est utilisé dans la synthèse de polymères ou copolymères de l'acide glycolique.
Dans cette dernière application où la réaction de synthèse a lieu à des températures élevées, on observe une modification de la couleur de la résine polymérique ; on pourra se reporter au document « Melt/solid polycondensation of glycolic acid to obtain high-molecular-weight poly(glycolic acid) » (Polymer 41, 2000, pp. 8725-28) qui rapporte l'apparition de zones sombres, notamment pour une réaction de polycondensation à des températures de l'ordre de 200°C. Ce phénomène de recoloration est particulièrement exacerbé lorsqu'on met en œuvre un acide glycolique obtenu par fermentation.
Pour pallier cet inconvénient, on cherche à purifier l'acide glycolique de manière à améliorer sa stabilité thermique, les deux étapes clefs de cette purification étant la distillation et la cristallisation. Il existe à ce sujet une littérature très abondante dont on citera, à titre non exhaustif, les documents EP 1 317 408, EP 0 733 616 et WO 92/05138. Or, même lorsque l'acide glycolique est soumis à ces méthodes de purification, le produit résultant ne présente pas la stabilité thermique requise, et développe invariablement une coloration lorsqu'il est chauffé ; en ce sens, il ne convient pas aux réactions de synthèse des polymères et copolymères d'acide glycolique qui mettent en jeu des températures élevées.
Il demeure donc un besoin non satisfait de disposer d'un procédé simple et efficace permettant de garantir la stabilité thermique de l'acide glycolique produit par fermentation. A cet égard, la société Demanderesse a tout d'abord recherché la cause de ce développement de coloration dans les substances présentes dans le milieu de fermentation, à savoir des produits susceptibles de développer une coloration lorsque dégradés thermiquement, et des produits qui ne sont pas complètement éliminés malgré la conduite des différentes étapes de purification.
Après de nombreuses recherches, la Demanderesse a finalement trouvé que, parmi la diversité des molécules présentes dans le milieu de fermentation, i.e. :
- substances carbonées (glucose...),
- substances azotées (organiques et inorganiques),
- acides organiques divers coproduits avec l'acide glycolique (acides lactique, citrique, succinique, acétique, formique...),
- sels (sulfates, phosphates, chlorures...),
- métaux (calcium, sodium, magnésium, fer,...), il s'avère que c'était la charge résiduelle en substances carbonées qui était responsable du phénomène de coloration lié à l'emploi de hautes températures. Plus particulièrement, il s'agit de polysaccharides issus de la lyse cellulaire, et du glucose résiduel utilisé comme source carbonée du milieu de fermentation. L'analyse des produits de dégradation thermique des sucres en milieu acide a permis d'identifier notamment le 5-HMF, le furfural, l'acide lévulinique et l'acide formique.
La société Demanderesse a ensuite trouvé que pour éviter l'apparition de cette charge colorée, plutôt que d'utiliser une technique de purification spécifique d'élimination des sucres résiduels et du glucose résiduel (étape de purification lourde qui serait venue s'ajouter au procédé de purification de base), il fallait préférer une étape de carbonisation des sucres. Ainsi, il est plus aisé d'éliminer les produits de dégradation thermique issus de la carbonisation des sucres que les sucres eux-mêmes.
Dans l'état de l'art, un traitement de carbonisation des sucres contaminant une solution d'acide organique produit par fermentation a déjà été décrite dans le brevet US 5 488 156, cette méthode étant dédiée de manière exclusive à la purification de l'acide lactique. Ce document ne divulgue ni ne suggère que cette technologie peut s'appliquer à d'autres acides organiques.
De plus, ce document décrit un traitement d'une solution aqueuse contenant 88 % en poids d'acide lactique à 180°C pendant 3 heures. Or, comme expliqué en détails par la suite, le test développé pour l'acide glycolique dans la présente Demande est bien différent : solution à 45 % en poids d'acide glycolique traitée à 140°C au moins pendant 2 heures. Il s'ensuit que les traitements thermiques pour stabiliser ces deux acides organiques seront aussi dissemblables que leurs propriétés sont différentes. Poursuivant ses recherches en vue de mettre au point un procédé efficace pour stabiliser thermiquement l'acide glycolique obtenu par fermentation, la société Demanderesse est parvenue à s'affranchir des méthodes classiques de distillation et de cristallisation recommandées pour cet acide. De plus, elle a su identifier les impuretés à l'origine des problèmes de coloration résultant de l'instabilité thermique de cet acide : des traces de polysaccharides et de glucose, ledit glucose étant utilisé comme source carbonée du milieu de fermentation. Enfin, elle a réussi à identifier un procédé adéquat alors que celui-ci était uniquement recommandé pour un autre acide organique, et est parvenue à en préciser les conditions optimales dans le cadre de la purification de l'acide glycolique.
Aussi, le procédé de purification d'un acide glycolique thermiquement stable à partir d'un milieu de fermentation contenant un acide glycolique, doit précisément comprendre les étapes suivantes : a) clarifier ledit milieu de fermentation,
b) acidifier le milieu issu de l'étape a) à une valeur de pH inférieure à 2 et éliminer les anions minéraux,
c) préparer à partir du milieu issu de l'étape b) une solution d'acide glycolique à au moins 45 % en poids de matière sèche, de préférence à au moins 60% de matière sèche,
d) chauffer ladite solution d'acide glycolique à une température comprise entre 140 et 200°C, de préférence à une température d'environ 180°C, de préférence à un pH inférieur à 1, pendant une durée comprise entre 4 et 10 heures, de préférence entre 6 et 10 heures,
e) diluer, filtrer et décolorer la solution d'acide glycolique ainsi traitée afin d'éliminer toutes les substances colorantes générées par l'étape d), f) isoler l'acide glycolique thermiquement stable ainsi obtenu.
Par milieu de fermentation, on entend un mélange diphasique constitué de la biomasse productrice d'acide glycolique et d'une phase aqueuse contenant l'acide glycolique, les impuretés synthétisées et libérées par la biomasse ainsi que les nutriments et sels résiduels non consommés.
Ce milieu peut provenir de toute fermentation produisant des glycolates, notamment de cultures bactériennes, par exemple E. coll. Selon un mode de réalisation préféré, le microorganisme producteur d'acide glycolique choisi est une souche d' Escherichia Coli recombinante telle que décrite dans les documents WO 2007/140.816 et WO 2007/141.316, souche de génotype : MG165 OaceB Ogcl Dg/cDEFGB OaldA OiclR Opgir.Cm Oedd-edav.Cm OudhA::Cm (pMElOl-ya/W).
La clarification du milieu de fermentation s'entend de l'élimination des « impuretés organiques insolubles », telles que la biomasse, les protéines insolubles résiduelles et les particules insolubles. La solution clarifiée est typiquement une solution limpide. Ladite clarification est réalisée notamment par toutes les techniques de filtration bien connues de l'homme du métier, et préférentiellement par microfiltration avec des membranes disposant d'un seuil de coupure compris entre 0,1 μιη et 1 μπι.
La deuxième étape consiste à acidifier la solution et à éliminer les anions minéraux. L'acidification de la solution d'acide glycolique clarifiée a pour objet de convertir les glycolates produits par fermentation en acides glycoliques libres. Cette acidification s'entend de la régulation du pH à une valeur inférieure à 2. Cette conversion des glycolates en acides glycoliques libres est réalisée par toute méthode connue en tant que telle par l'homme du métier, méthode choisie par exemple dans le groupe constitué de Γ électrodialyse sur membranes bipolaires, des résines échangeuses d'ions ou de l'ajout d'acide fort.
Pour le cas où Γ électrodialyse bipolaire est choisie, la société Demanderesse recommande d'éliminer les impuretés solubles azotées, notamment par floculation ou par électrodialyse conventionnelle, afin d'éviter l'encrassement des membranes d'électrodialyse bipolaire causée par leur dénaturation et leur floculation lors de l'acidification.
Pour le cas où Γ électrodialyse bipolaire est choisie, la société Demanderesse recommande également d'éliminer les cations divalents (notamment les ions Mg2+ et Ca2+) résiduels susceptibles de dégrader les membranes de l'électrodialyseur bipolaire mis en œuvre. Cette étape préliminaire peut être réalisée par passage de la solution de glycolates à travers une résine échangeuse de cations faible en présence d'un agent chélatant de type aminophosphorique ou diacétique de manière à complexer les cations divalents. Par ailleurs, en regard de l'efficacité de cette étape d'électrodialyse bipolaire, et afin d'augmenter les rendements de conversion des ions glycolates en acide glycolique libre, il peut être proposé de compléter cette étape par un traitement sur résine échangeuse de cations forte. Cette étape optionnelle complémentaire peut ainsi permettre la conversion des 5 % à 20 % des glycolates résiduels. Il est alors recommandé d'utiliser une résine échangeuse de cations forte de type DVB polystyrénique avec groupes sulfoniques.
Suite à son acidification, la solution est débarrassée des anions minéraux qu'elle contient par passage sur résine échangeuse d' anions de type DVB polystyrénique avec groupes ammonium tertiaires (faiblement basiques).
La troisième étape du procédé conforme à l'invention consiste à préparer, à partir du milieu de fermentation ainsi clarifié et acidifié, une solution d'acide glycolique à au moins 45 % en poids de matière sèche, de préférence à au moins 60 %. Celle-ci présente préférentiellement une richesse d'au moins 25 % en poids d'acide glycolique. Concrètement, on parvient par exemple à régler la teneur en matière sèche de la solution à une valeur d'au moins 45 % en poids par évaporation de l'eau sous vide (notamment avec un évaporateur en flot tombant). C'est ainsi que contrairement à l'enseignement du document l'US 5 488 156, il n'est pas nécessaire à cette étape de concentrer le filtrat (renfermant de 8 à 20 % en poids d'acide lactique - voire entre 10 et 12 % d'acide lactique), à une matière sèche de 80 % en poids.
La quatrième étape du procédé conforme à l'invention consiste à chauffer ladite solution d'acide glycolique à une température comprise entre 140 et 200°C, de préférence à une température d'environ 180°C, de préférence à une valeur de pH < 1 (notamment par ajout d'acide sulfurique), pendant une durée comprise entre 4 et 10 heures, de préférence entre 6 et 10 heures. Les exemples suivants supportent la présente Demande et démontrent tout l'intérêt de travailler dans de telles conditions de procédé. La société Demanderesse a ainsi trouvé que le traitement de carbonisation du glucose résiduel et des polysaccharides d'origine cellulaire contenus dans la solution d'acide glycolique nécessite des conditions opératoires complètement distinctes de celles mises en œuvre dans le brevet US 5 488156. A titre comparatif, le traitement de carbonisation de l'acide lactique dans ce brevet US 5 488 156 était établi à :
- une température comprise entre 180°C et 230°C, de préférence entre 190°C et 225°C ;
- un pH < 3 ou > 8,5 ;
- un temps de réaction entre 0,5 et 6 heures.
La cinquième étape du procédé conforme à l'invention consiste à diluer, à filtrer et à décolorer la solution d'acide glycolique ainsi traitée afin d'éliminer toutes les substances colorantes générées par l'étape d). En effet, pendant le traitement thermique, la dégradation des sucres engendre la formation d'un résidu solide noir, aisément éliminable après dilution et filtration. Cette étape peut être réalisée par filtration frontale (à travers un filtre tulipe par exemple) ou par filtration membranaire. Dans tous les cas, le seuil de coupure à appliquer est de 0,8 à 3 μιη.
Le filtrat, débarrassé de ses insolubles présente encore une coloration brune marquée qu'il faut éliminer. Plusieurs moyens peuvent être utilisés dont le charbon actif, les résines adsorbantes ou la nanofiltration. La décoloration est réalisée sur une solution d'acide glycolique à 20 % en poids de matière sèche avec 1 % à 5 % en poids (par rapport au poids d'acide glycolique) de charbon actif poudre, pendant 1 heure à température ambiante, puis filtration sur 0,2 μπι (frontale ou membranaire). La nanofiltration peut quant à elle être réalisée entre 20 °C et 50 °C à l'aide d'une membrane présentant un taux de réjection au MgSC¼ de 96 % à 99 % en poids.
La sixième étape du procédé conforme à l'invention consiste enfin à isoler l'acide glycolique thermiquement stable ainsi obtenu. La stabilité thermique de l'acide glycolique produit est déterminée à l'aide d'un test original de mise à l'épreuve thermique du produit fini. Ce test consiste à porter dans un premier temps à 70 % la matière sèche de la solution d'acide glycolique, et à réaliser à température ambiante une première mesure dite ICUMSA 1 de la coloration par la méthode ICUMSA. Après étuvage de la solution à 180°C pendant 2 heures, on réalise ensuite une seconde mesure de coloration selon la méthode précitée. L'indice de stabilité est
défini comme le rapport entre la première et la seconde mesure ICUMSA 2. Plus cet indice est proche de 1, meilleure est la stabilité thermique de l'échantillon considéré.
La méthode ICUMSA consiste à déterminer dans un premier temps l'adsorption de la lumière par l'échantillon (densité optique) à la longueur d'onde de 420 nm. La mesure ICUMSA est ensuite définie comme étant égale à cette densité optique multipliée par 100000 et divisée par le produit de la densité de la solution et de son brix : ICUMSA = (DO420nm x 100000) / (Densité x Brix)
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture des exemples non limitatifs décrits ci-dessous.
EXEMPLES
Une solution d'acide glycolique est préparée selon le protocole décrit dans l'exemple 8 de la Demande de Brevet WO 2007/141316.
Cette solution est clarifiée comme suit :
- élimination des impuretés organiques insolubles (biomasse) par microfiltration (membrane de 0, 14μπι Kerasep®)
Elle est ensuite acidifiée et déminéralisée:
- acidification de l'acide glycolique par électrodialyse bipolaire (EUR6 Eurodia équipé avec membranes cationiques et bipolaires) puis finition sur résine échangeuse de cation fort (C150 H+ Purolite®). Dans ce cas, deux étapes de pré-purification sont nécessaires pour protéger les membranes d'électrodialyse :
- l'élimination de la matière azotée soluble par électrodialyse conventionnelle (EUR6 Eurodia® équipé avec membranes cationiques et anioniques)
- l'élimination des cations divalents par chélation sur résine cationique faible (IRC 947)
- déminéralisation de la solution contenant l'acide glycolique par passage sur résine polystyrénique anionique faiblement basique (S4528 OH- Bayer®)
Elle est enfin concentrée : - concentration sur évaporateur film tombant (Wiegand®)
La solution obtenue a les caractéristiques suivantes :
- teneur en matière sèche : 70 % en poids
- pH : 0,9
- acide glycolique > 95 %/ en poids sec
- sucres totaux < 0,3 % en poids sec
- azote total < 0,1 % en poids sec
- acides lactique, acétique et formique < 3 % en poids sec
Sur cette solution dite « solution 1 » selon l'art antérieur, on obtient une valeur de mesure ICUMSA 1 de 52 à température ambiante. Après étuvage à 180°C pendant 2 heures, on obtient une valeur de mesure ICUMSA 2 de 10 196. Ces valeurs définissent donc un indice de stabilité thermique égal à 196.
La solution précédente est utilisée comme matière première pour les étapes de dégradation thermique, de filtration et de décoloration. Pour ce faire, dans un tube à hydrolyse : - Introduire 15 g de prise d'essai
- Ajouter 1 g de H2SO4 98 % afin d'accélérer la cinétique de dégradation/déshydratation des sucres (pH égal à 0,1)
- Boucher et bien homogénéiser
- Incuber 8 h à 180°C
- Sortir le tube et laisser refroidir à T°C ambiante
- Un précipité noir s'est formé pendant le traitement
- Diluer la suspension à 20% de MS puis la filtrer sur un filtre 0,8 μπι (Pall)
- Le filtrat (coloré) est ensuite traité 1 h à T°C ambiante en contact avec 1 % de charbon actif poudre ENO-PC de CECA® par rapport à l'acide glycolique
- La suspension est à nouveau filtrée, sur 0,22 μιη (Pall) afin de retenir tout le charbon actif poudre.
Sur cette solution dite « solution 2 » selon l'invention, on obtient une valeur de mesure ICUMSA 1 de 2220 à température ambiante. Après étuvage à 180°C pendant 2 heures, on obtient une valeur de mesure ICUMSA 2 de 4100. Ces valeurs définissent donc un indice de stabilité thermique égal à 2 environ.
Le traitement de la solution a donc amélioré sa stabilité thermique d'un facteur 50. La coloration de la solution finale après test est également améliorée d'un facteur > 2.
Sur la base de ce dernier essai, on réalise d'autres essais, en faisant varier la teneur en matière sèche de la solution d'acide glycolique initiale (30 , 50 % et 70 %), la température (120°C, 160°C et 180°C), la durée (2 h, et 8 h) et le pH (0,1 ou 1,1).
Tableau 1 : Conditions et résultats de la matrice d'essais sur la solution 1
La comparaison entre les essais 3 et 11 démontre l'intérêt de travailler à une matière sèche supérieure à 30 % et notamment voisine de 70 % en poids sec.
La comparaison d'une part entre les essais 1, 3, 9 et d'autre part entre les essais 4 et 10 démontre l'intérêt de régler la température aux alentours de 180°C.
La comparaison d'une part entre les essais 3 et 4 et d'autre part entre les essais 9 et 10 démontre quant à elle l'influence de la durée, qui doit être préférentiellement de l'ordre de 8 heures.
Exemple 2
Sur une solution d'acide glycolique technique (70 %) commercialisée par DuPont™ (Glycolic acid 70% Technical solution) on détermine les valeurs ICUMSA 1, ICUMSA 2 et l'indice de stabilité (Cf. Tableau 2 sans traitement).
On réalise alors les étapes subséquentes de traitement thermique, de filtration et de décoloration :
- Introduire 15 g de prise d'essai
- Ajouter 1 g de H2S04 98 % afin d'accélérer la cinétique de dégradation/déshydratation des sucres (pH égal à 0,1)
- Boucher et bien homogénéiser
- Incuber 8 h à 180°C
- Sortir le tube et laisser refroidir à T°C ambiante
- Un précipité noir s'est formé pendant le traitement
- Diluer à 20% de MS et filtrer la suspension sur un filtre 0,8 μιη (Pall)
- Le filtrat (coloré) est ensuite traité 1 h à T°C ambiante en contact avec 1 % de charbon actif poudre ENO-PC de CECA® par rapport à l'acide glycolique
- La suspension est à nouveau filtrée, sur 0,22 μηι (Pall) afin de retenir tout le charbon actif poudre
On détermine à nouveau après ce traitement les valeurs ICUMSA 1, ICUMSA 2 et l'indice de stabilité (Cf Tableau 2 avec traitement). Les résultats sont reportés dans le tableau 2. Le traitement selon l'invention a permis de réduire l'indice de stabilité ainsi que la coloration finale ICUMSA 2.
Tableau 2 : Résultats obtenus sur la solution technique DuPont
Exemple 3
On reprend la solution 1 de départ selon l'exemple 1. Celle-ci subit :
- une distillation moléculaire à l'aide d'un Skid VTA de 0,06 m2 à 140°C et 30 mBar
- une nouvelle concentration sur évaporateur film tombant (Wiegand®) à 70 % de MS
Sur la solution obtenue, dite solution 3 selon l'invention, on détermine les valeurs ICUMSA 1, ICUMSA 2 et l'indice de stabilité (Cf Tableau 3 sans traitement).
Cette solution subit ensuite les étapes de traitement, filtration et coloration selon l'invention et comme décrites dans l'exemple 1.
On détermine à nouveau les valeurs ICUMSA' 1, ICUMSA 2 et l'indice de stabilité (Cf Tableau 3 avec traitement). Les résultats sont reportés dans le tableau 3.
Tableau 3 : Résultats obtenus sur la solution 3 (distillât de la solution 1)
On montre que le traitement par distillation selon l'art antérieur conduit à une amélioration de l'indice de stabilité entre la solution 1 et la solution 3 (de 196 à 10), mais que le niveau atteint est inférieur à celui obtenu selon l'invention (essais n° 3, 4, 5, 6, 9 et 10 dans le tableau 1).
Par ailleurs, si on applique le traitement selon l'invention à la suite de la distillation, on parvient à améliorer très avantageusement l'indice de stabilité qui est alors égal à 2. De plus, la coloration finale ICUMSA 2 du produit, reflétant celle du polymère (PGA) en application, est alors très faible, ce qui est un atout pour la production de PGA.
Claims
REVENDICATIONS
1 - Procédé de purification d'un acide glycolique thermiquement stable à partir d'un milieu de fermentation contenant un acide glycolique, comprenant les étapes suivantes : a) clarifier le milieu de fermentation,
b) acidifier le milieu issu de l'étape a) à une valeur de pH inférieure à 2 et éliminer les anions minéraux,
c) préparer à partir du milieu issu de l'étape b) une solution d'acide glycolique à au moins 45 % en poids de matière sèche, de préférence à au moins 60% de matière sèche,
d) chauffer ladite solution d'acide glycolique à une température comprise entre 140 et 200°C, de préférence à une température d'environ 180°C, de préférence à un pH inférieur à 1, pendant une durée comprise entre 4 et 10 heures, de préférence entre 6 et 10 heures,
e) diluer, filtrer et décolorer la solution d'acide glycolique ainsi traitée afin d'éliminer toutes les substances colorantes générées par l'étape d), f) isoler l'acide glycolique thermiquement stable ainsi obtenu.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acidification de la solution d'acide glycolique clarifiée est réalisée par électrodialyse sur membranes bipolaires, par passage sur résines échangeuses d'ions ou par l'ajout d'acide fort.
3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que Γ électrodialyse est réalisée sur des membranes bipolaires et en ce que les impuretés solubles azotées sont éliminées par floculation ou par électrodialyse conventionnelle,
4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que Γ électrodialyse sur membranes bipolaires est complétée par un traitement sur résine échangeuse de cations forte.
5 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la solution d'acide glycolique préparée au niveau de l'étape c) présente une richesse d'au moins 25 % en poids d'acide glycolique.
6 - Procédé selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le pH est amené i o à une valeur < 1 pendant l'étape de chauffage d) par ajout d'acide sulfurique.
7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la filtration au cours de l'étape e) est réalisée par filtration frontale ou membranaire avec un seuil de coupure de 0,8 à 3 μιη.
15
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la décoloration au cours de l'étape e) est réalisée avec du charbon actif, des résines adsorbantes, ou par nanofiltration.
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Non-Patent Citations (1)
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| "Melt/solid polycondensation of glycolic acid to obtain high-molecular-weight poly(glycolic acid", POLYMER, vol. 41, 2000, pages 8725 - 28 |
Also Published As
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