專利名稱：制備乳酸的方法
制備乳酸的方法本發(fā)明涉及以經(jīng)濟(jì)的方式制備高純度乳酸的方法。通常通過微生物發(fā)酵碳水化合物來制備乳酸。所有的發(fā)酵方法中的一個共同特點(diǎn)是需要中和微生物分泌的酸。根據(jù)用于方法中的微生物，PH值下降至低于某一臨界值，可以破壞微生物的代謝過程，使發(fā)酵過程停止。因此，常見的做法是在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加堿，以控制PH值。這導(dǎo)致產(chǎn)生的乳酸以乳酸鹽的形式存在于發(fā)酵培養(yǎng)基中。在通過發(fā)酵制備乳酸的長期實(shí)踐中，制備乳酸的挑戰(zhàn)之一仍然是獲得相對純的形式的酸，而同時以具有商業(yè)吸引力的規(guī)模、以經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行所述方法。電滲析是可以通過發(fā)酵用于乳酸制備的一種純化方法。水裂解電滲析特別可以使得乳酸鹽直接轉(zhuǎn)化成乳酸和堿。在這種類型的電滲析中，雙極膜一般用于裂解水成H+和0H_，其分別與乳酸鹽的陰離子和陽離子結(jié)合，導(dǎo)致產(chǎn)生乳酸和堿的分開的溶液。
由發(fā)酵液獲得，優(yōu)選由在4. 8或更低的pH值下進(jìn)行的發(fā)酵方法獲得。該技術(shù)一般涉及提供來自混合物的分開的乳酸和乳酸鹽的流。WO 2005/123647描述了由可以通過發(fā)酵來提供的包含乳酸鎂的培養(yǎng)基制備乳酸的方法。乳酸鎂與氫氧化鈉、氫氧化鈣和/或氫氧化銨反應(yīng)而形成氫氧化鎂和相應(yīng)的單價(jià)和/或二價(jià)乳酸鹽。作為將乳酸鹽轉(zhuǎn)化成乳酸的手段，該文獻(xiàn)提示雙極電滲析或添加強(qiáng)礦物酸。然而，這種轉(zhuǎn)化不包括在該文獻(xiàn)中所示例的方法中。US 5，766，439描述了乳酸的制備方法，其中包括以下步驟通過發(fā)酵制備乳酸，添加鈣堿以將乳酸轉(zhuǎn)化成乳酸鈣，使得乳酸鈣溶液經(jīng)歷與銨離子的反應(yīng)而生成乳酸銨。該文獻(xiàn)還公開，乳酸銨可以通過鹽裂解(即水裂解)電滲析處理而形成氨和乳酸。然而，該文獻(xiàn)提及產(chǎn)率損失和功耗作為鹽裂解電滲析的兩個主要缺點(diǎn)，并且該文獻(xiàn)所示例的方法不包括使用電滲析。EP 0 393 818描述了乳酸的制備和純化的方法，其中包括以下步驟通過發(fā)酵制備乳酸鹽，使得發(fā)酵液經(jīng)歷脫鹽電滲析方法以回收乳酸鹽、作為濃縮的乳酸鹽溶液，并使得鹽溶液經(jīng)歷水裂解電滲析以形成堿和乳酸。然后用酸形式的強(qiáng)酸性離子交換劑處理乳酸產(chǎn)物以除去任何鈉或其他陽離子，接著通過游離堿形式的弱堿性離子交換劑以除去任何硫酸根離子或硫酸，以獲得高度純化的乳酸產(chǎn)物。使用離子交換劑的缺點(diǎn)是需要再生離子交換樹脂，其產(chǎn)生廢棄的副產(chǎn)物。該文獻(xiàn)未提示使得通過發(fā)酵得到的乳酸鹽經(jīng)歷鹽交換反應(yīng)。在通過發(fā)酵提供的水性培養(yǎng)基上使用水裂解電滲析，特別是用于制備有機(jī)酸，已被從進(jìn)料(如糖、蛋白質(zhì)和氨基酸)除去發(fā)酵衍生的產(chǎn)物的必要性所限制。這些發(fā)酵衍生的物質(zhì)負(fù)面干擾水裂解電滲析方法，例如，通過離子可滲透膜的污染和功耗的增加。例如，WO 96/41021涉及減少用于電滲析純化有機(jī)酸的離子選擇性膜的污染的方法和設(shè)備。特別地，涉及用于從含有機(jī)酸的進(jìn)料物質(zhì)中去除雜質(zhì)的納濾和螯合劑。根據(jù)該文獻(xiàn)，用于水裂解電滲析的合適的進(jìn)料的糖濃度小于大約0. 03重量％，蛋白質(zhì)物質(zhì)含量小于大約0. 05重量％，多價(jià)化合物的濃度小于大約0. 01重量％。仍然需要用于制備乳酸的方法，其提供高純度乳酸，且可以以低功耗以經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行，不產(chǎn)生大量的非可再利用的組分(即廢棄的副產(chǎn)物)且沒有大量的產(chǎn)率損失。本發(fā)明提供了這樣的方法，即權(quán)利要求I定義的方法。在該方法中，將發(fā)酵提供的乳酸鹽、優(yōu)選乳酸鎂通過鹽交換處理，以提供特別適于水裂解電滲析的單價(jià)乳酸鹽水溶液。然后通過以下步驟產(chǎn)生高純度乳酸使用水裂解電滲析將乳酸鹽部分轉(zhuǎn)化為酸，通過汽液分離從乳酸鹽分離乳酸，和將乳酸鹽再循環(huán)至電滲析方法中。因此，本發(fā)明涉及用于制備乳酸的方法，包·括以下步驟a)提供包含乳酸鎂的水性介質(zhì)；b)向包含乳酸鎂的水性介質(zhì)加入單價(jià)堿，以形成包含水溶性的單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)和固態(tài)鎂堿；c)從包含水溶性的單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)分離固態(tài)鎂堿；d)將水性介質(zhì)中的單價(jià)乳酸鹽的濃度調(diào)整到10至30重量％之間的值；e)使得包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)經(jīng)歷水裂解電滲析，以產(chǎn)生包含單價(jià)堿的第一溶液與包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液，所述電滲析進(jìn)行到40 - 98摩爾％的部分轉(zhuǎn)化；f)通過汽液分離將包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液分離成乳酸與包含單價(jià)乳酸鹽的溶液；g)將步驟f)的包含單價(jià)乳酸鹽的溶液再循環(huán)至步驟d)。進(jìn)行水裂解電滲析至40至98摩爾％的部分轉(zhuǎn)化和隨后的將剩余的乳酸鹽再循環(huán)至電滲析步驟有利地產(chǎn)生具有功耗低且沒有大量的產(chǎn)率損失的最佳工藝。此外，本文所述的方法幾乎不產(chǎn)生廢棄的副產(chǎn)物，因?yàn)樵诓煌牟襟E中形成和分離的所有的化合物可以被再循環(huán)。例如在步驟c)中分離的鎂堿可以用于發(fā)酵方法，且步驟e)的包含單價(jià)堿的溶液可用于鹽交換步驟b)。步驟f)的分離還有助于最小化非可再利用的組分的量，因?yàn)樗粫a(chǎn)生另外的廢棄的副產(chǎn)物。包含乳酸鎂鹽的水性介質(zhì)優(yōu)選可以通過發(fā)酵方法提供。當(dāng)乳酸鎂鹽離開發(fā)酵時，其一般已經(jīng)存在于水性介質(zhì)中。在這樣的方法中，通過產(chǎn)生乳酸的微生物將碳水化合物源發(fā)酵為乳酸。在發(fā)酵過程中，添加鎂堿作為中和劑。這導(dǎo)致形成包含相應(yīng)的乳酸鎂鹽的水性介質(zhì)。鎂堿的堿陰離子優(yōu)選選自氫氧化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽中的至少一種，更優(yōu)選是氫氧化物。雖然使用鎂作為堿陽離子是優(yōu)選的，但也可使用另一種堿土金屬陽離子，如鈣離子。添加的堿土金屬堿的量由產(chǎn)生的乳酸的量確定，并可以通過控制發(fā)酵培養(yǎng)基的PH來確定。在包含乳酸的培養(yǎng)基的進(jìn)一步處理之前，可以從發(fā)酵液除去生物質(zhì)(即微生物細(xì)胞物質(zhì))。例如，生物質(zhì)的去除可以通過包括過濾、浮選、沉淀、離心、絮凝及其組合的常規(guī)方法進(jìn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠確定適當(dāng)?shù)姆椒?。進(jìn)一步加工前的其他可選的處理包括洗滌、過濾、(重)結(jié)晶、濃縮及其組合。鎂是優(yōu)選的堿土金屬，由于使用鎂堿有利地導(dǎo)致乳酸鎂以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶形態(tài)形成，以能夠從包括生物質(zhì)的發(fā)酵液分離晶體物質(zhì)。乳酸鎂的分離可以通過任何已知的固/液分離處理技術(shù)來進(jìn)行。例如，其可以這樣來進(jìn)行通過使用具有合適的孔徑的過濾器過濾，以將乳酸鎂保留在過濾器上，并能夠通過洗滌濾餅而后續(xù)去除雜質(zhì)。上述生物質(zhì)的分離原則上沒有必要，除非希望進(jìn)一步的處理或(再)使用剩余的發(fā)酵液用于特定目的。因此，純化的乳酸鎂特別適合如本文所述的進(jìn)一步處理，特別是當(dāng)使用水裂解電滲析時，其中發(fā)酵衍生的產(chǎn)物(如糖、蛋白質(zhì)、氨基酸)可以通過例如增加功率消耗和污染離子可滲透膜而造成負(fù)面干擾。 包含堿土金屬乳酸鹽、優(yōu)選乳酸鎂鹽的水性介質(zhì)經(jīng)歷鹽交換反應(yīng)(步驟b)，其中單價(jià)堿被添加到所述水性介質(zhì)中以形成單價(jià)乳酸鹽和固體堿土金屬堿。也參見WO 2005/123647，其通過引用并入本文，描述了在乳酸發(fā)酵中使用鎂堿，和乳酸鎂和單價(jià)堿之間的鹽交換反應(yīng)。如果包含堿土金屬乳酸鹽的水性介質(zhì)通過發(fā)酵提供，一般選擇堿陰離子以對應(yīng)于用作發(fā)酵過程中的中和劑的堿陰離子。添加的單價(jià)堿優(yōu)選是氫氧化物、碳酸鹽和/或碳酸氫鹽，更優(yōu)選單價(jià)陽離子的氫氧化物，單價(jià)陽離子是鈉、鉀、鋰、銨、單烷基銨、二烷基銨、三烷基銨或四烷基銨，優(yōu)選是鈉或鉀，更優(yōu)選是鈉。相比使用銨堿，鈉和鉀堿的使用有利地導(dǎo)致堿土金屬乳酸鹽更多地轉(zhuǎn)化為單價(jià)乳酸鹽。這對于制備適用于水裂解電滲析的具有低堿土金屬離子含量的產(chǎn)物是相關(guān)的。剩余的堿土金屬離子可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法(如使用離子交換樹脂)來除去。單價(jià)堿的量通過化學(xué)計(jì)量和考慮pH值來確定。優(yōu)選使用過量的堿，以獲得高的轉(zhuǎn)化，并確保從乳酸鹽去除幾乎所有的堿土金屬離子。一般情況下，優(yōu)選進(jìn)行兩個步驟的鹽交換反應(yīng)，其中，第一步驟中PH值為9至12，優(yōu)選9. 5至11，第二步驟中pH值略有增加到pH為 10. 5 至 12。鹽交換反應(yīng)形成的堿土金屬堿通常是固體形式，而單價(jià)乳酸鹽溶解在水性介質(zhì)中。兩種組分因此可以通過傳統(tǒng)的固液分離方法(如過濾和/或沉淀)來分離。分離后獲得的堿土金屬堿可以被再循環(huán)至發(fā)酵方法。另外的處理，如離子交換處理、活性炭處理、脫鹽電滲析、稀釋、濃縮和/或過濾(如納濾)可以在水裂解電滲析前進(jìn)行。例如，作為一項(xiàng)防止在包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)中過高的堿土金屬水平的安全措施，可以在電滲析之前進(jìn)行離子交換步驟，以降低其堿土
金屬含量。然而，本文所述的方法有利地并不需要這些另外的處理，尤其是當(dāng)乳酸鹽是通過發(fā)酵來提供和鎂堿被添加在發(fā)酵方法中以提供乳酸鎂發(fā)酵液時。特別地，使用鎂堿用于在發(fā)酵過程中中和，其正如上面所討論提供適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶形態(tài)的乳酸鎂，已被發(fā)現(xiàn)排除用于從用于水裂解電滲析的進(jìn)料中除去發(fā)酵衍生的物質(zhì)(例如，糖、蛋白質(zhì)和氨基酸)一般所需的進(jìn)一步的純化步驟的需要。這有利地降低一般與這種電滲析方法關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性、電力需求和成本。包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)然后經(jīng)歷水裂解電滲析。經(jīng)歷水裂解電滲析的水性介質(zhì)(進(jìn)料溶液)中的單價(jià)乳酸鹽的初始濃度為10至30重量％。優(yōu)選，單價(jià)乳酸鹽濃度是20至25重量％。根據(jù)鹽的濃度，鹽交換反應(yīng)后(即分離步驟c)后)得到的包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)可直接作為進(jìn)料用于電滲析，或者，如果必要，可以在水裂解電滲析之前被稀釋或濃縮，以調(diào)整鹽的濃度。濃縮可以通過例如蒸發(fā)或常規(guī)電滲析來進(jìn)行。
單價(jià)乳酸鹽在水性介質(zhì)中的濃度可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法確定，例如，通過使用電導(dǎo)率測量和電感耦合等離子體質(zhì)譜分析。進(jìn)行水裂解電滲析至40至98摩爾％的部分轉(zhuǎn)化。優(yōu)選地，進(jìn)行電滲析至40至95摩爾%、更優(yōu)選50至95摩爾%、甚至更優(yōu)選60至95摩爾%、甚至更優(yōu)選70至90摩爾%、甚至更優(yōu)選80至90摩爾％、最優(yōu)選大約85摩爾％的部分轉(zhuǎn)化。在這個方法中產(chǎn)生包含單價(jià)堿的第一溶液和包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液?！?0至98摩爾％的部分轉(zhuǎn)化”意思是指存在于進(jìn)料溶液中的40至98摩爾％的單價(jià)乳酸鹽被轉(zhuǎn)化為乳酸。這產(chǎn)生通過電滲析產(chǎn)生的包含40至98摩爾％的量的乳酸的第二溶液，基于存在于溶液中的乳酸和乳酸鹽的總摩爾量計(jì)算。轉(zhuǎn)化的程度可以通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法測量第二溶液的電導(dǎo)率來監(jiān)測。
除了轉(zhuǎn)化水平和進(jìn)料溶液的初始鹽濃度，第二溶液的導(dǎo)電性將取決于電滲析方法的溫度。進(jìn)行電滲析時的溫度越高，功耗越低。因此，選擇工作溫度以最優(yōu)化功耗，而不損害離子特異性可滲透膜的性能和壽命。一般來說，水裂解電滲析在25° C至40° C的溫度進(jìn)行。然而，優(yōu)選在高于50°C、例如60°C至80°C之間的溫度進(jìn)行電滲析，以允許低功耗和熱回收的可能性。本文所述的水裂解電滲析可以使用傳統(tǒng)的設(shè)備和傳統(tǒng)的方法進(jìn)行。優(yōu)選地，水裂解電滲析在提供有陽離子交換膜和雙極膜的電滲析設(shè)備中進(jìn)行。典型的水裂解電滲析室包括二室單元。包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)被引入鹽/酸室(或進(jìn)料室)中。單價(jià)陽離子通過陽離子交換膜從鹽/酸室轉(zhuǎn)運(yùn)到堿室，以產(chǎn)生包含單價(jià)堿的第一溶液。同時，H+離子被轉(zhuǎn)運(yùn)到鹽/酸室，以產(chǎn)生包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液。優(yōu)選將水裂解電滲析應(yīng)用于鈉和鉀的單價(jià)乳酸鹽。當(dāng)使用乳酸銨時，必須小心控制生成氫氧化銨所產(chǎn)生的有毒氨的排放。由水裂解電滲析所產(chǎn)生的第二溶液被分離成乳酸和包含單價(jià)乳酸鹽的溶液。通過汽液分離、液液分離和/或固液分離可以實(shí)現(xiàn)分離。優(yōu)選通過汽液分離來分離乳酸與單價(jià)乳酸鹽。汽液分離可以通過蒸餾或蒸發(fā)來進(jìn)行。優(yōu)選蒸餾，因?yàn)樗峁┝嘶旧贤耆乃崤c鹽的分離?？梢栽谡麴s前濃縮包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的溶液。優(yōu)選在真空蒸餾裝置上進(jìn)行蒸餾。發(fā)現(xiàn)在通過進(jìn)行至本文所述的部分轉(zhuǎn)化的水裂解電滲析獲得的乳酸和乳酸鹽的混合物且鎂堿被用于發(fā)酵中和的情況下，真空蒸餾特別適合分離乳酸與乳酸鹽。通過引用并入本文的WO 01/38283中描述了用于濃縮和真空蒸餾的合適的方法和/或裝置。蒸餾方法可以包括兩個或兩個以上的蒸餾步驟，第一蒸餾步驟優(yōu)選在80至150° C、優(yōu)選100至140° C的溫度和50至250毫巴、優(yōu)選60至150毫巴的壓力下進(jìn)行，第二蒸餾步驟優(yōu)選在80至200° C、優(yōu)選100到200° C的溫度和0. 01至50毫巴、優(yōu)選0. I至20毫巴的壓力下進(jìn)行。第一蒸餾步驟可以包括一個或多個具有精餾塔的膜蒸發(fā)器的組合，并用于濃縮盡可能高的乳酸/乳酸鈉產(chǎn)物流的目的。第二蒸餾步驟也可以包括一個或多個具有一個或多個蒸餾單元的膜蒸發(fā)器的組合。在第二蒸餾步驟中，第一蒸餾步驟的產(chǎn)物中的大多數(shù)乳酸優(yōu)選在真空條件下蒸餾，形成包含大多數(shù)乳酸的頂部級分和包含乳酸鈉的蒸餾殘留物(底部級分)。第二蒸餾步驟可以在一個或多個具有內(nèi)部冷凝器的短程蒸餾(SPD)設(shè)備中進(jìn)行。然而，為了減少通過將雜質(zhì)濺入濃縮的乳酸而導(dǎo)致的污染，即最小化蒸餾的乳酸產(chǎn)物中的鈉含量，優(yōu)選使用上述WO01/38283在圖5A和5B描述的真空蒸餾裝置(參見第10頁第17行至第11頁第7行)，因?yàn)檫@種特定的設(shè)置防止任何飛濺的發(fā)生。優(yōu)選地，第二蒸餾步驟包括膜蒸發(fā)器(優(yōu)選是降膜、刮膜或薄膜蒸發(fā)器)，其與包括包裝和優(yōu)選包括冷卻裝置的真空蒸餾裝置在蒸發(fā)器底部直接連接，或通過特定的U形連接而連接，因此，它可以在回流下運(yùn)行。在薄膜蒸發(fā)器中，乳酸在通過底部的連接進(jìn)入真空蒸餾(在其中，它隨后被蒸餾)后變?yōu)闅庀?。進(jìn)一步優(yōu)選來自第一蒸餾步驟的產(chǎn)物(第一底部級分)經(jīng)歷調(diào)節(jié)步驟(所謂的“預(yù)閃”)，之后它經(jīng)歷第二蒸餾步驟，在這一調(diào)節(jié)步驟中，壓力優(yōu)選與第二蒸餾中所用的相同。這一優(yōu)選的實(shí)施方式具有以下優(yōu)勢殘留量的水和溶解氣體在產(chǎn)物經(jīng)歷第二蒸餾步驟之前被除去。使用預(yù)閃使得乳酸/乳酸鈉含量增加，因此，在第二蒸餾步驟中，可以獲得更純的乳酸產(chǎn)物，并實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的操作。
液液分離可以包括提取，和用于由加載的溶劑回收乳酸、反提取或其他技術(shù)。液液分離也可以包括過濾，例如，超濾、微濾、納濾、反滲透或傾析。固液分離可以包括結(jié)晶步驟。例如，乳酸可以在靜態(tài)的結(jié)晶單元中通過分步結(jié)晶、通過懸浮結(jié)晶和/或通過洗柱結(jié)晶而結(jié)晶。然后該晶體可以通過過濾或離心從溶液晶體的液相分離。結(jié)晶可以包括濃縮步驟、例如水蒸發(fā)步驟，冷卻步驟和/或加種晶步驟和一個或多個洗滌步驟。固液分離特別是結(jié)晶具有以下缺點(diǎn)為了確保產(chǎn)物的高純度，回收率一般較低。例如，US 2004/0116740顯示，第一結(jié)晶后，乳酸回收率約46%，且純化因子為15-20，這是結(jié)晶之前和之后的產(chǎn)物中的雜質(zhì)的量的比例。為了達(dá)到100-160的純化因子，第二結(jié)晶步驟是必需的，整體產(chǎn)率則下降到22%。基于乳酸和乳酸鹽的總重量，分離后得到的包含單價(jià)乳酸鹽、通常含有至少5重量％的乳酸鹽、優(yōu)選至少30重量％乳酸鹽的溶液被再循環(huán)至水裂解電滲析。這種再循環(huán)步驟確保在水裂解電滲析過程中，沒有因乳酸鹽部分轉(zhuǎn)化為乳酸而造成的大量的產(chǎn)率損失。分離步驟f)后獲得的乳酸產(chǎn)物可以是固體形式、液體形式或溶液形式，一般包括至少95重量％的乳酸、優(yōu)選至少97重量％的乳酸、更優(yōu)選至少99重量％的乳酸，甚至更優(yōu)選至少99. 5重量％的乳酸，最優(yōu)選至少99. 9重量％的乳酸。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的乳酸純度高，適合直接使用，例如，合成工藝、食品應(yīng)用和化妝品應(yīng)用。獲得的乳酸尤其適合于制備丙交酯和/或聚乳酸，其中在乳酸的聚合過程中，雜質(zhì)(如乳酸鹽)的存在可能會導(dǎo)致乳酸部分的不期望的外消旋化，導(dǎo)致質(zhì)量差的丙交酯和聚乳酸。金屬離子的量一般應(yīng)低于5ppm。例如，US 5，258，488顯不,乳酸中存在的數(shù)量低達(dá)20ppm的硫化鈉負(fù)面影響聚乳酸產(chǎn)物的光學(xué)純度(實(shí)施例I)。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何常規(guī)的方法可以用于所述丙交酯和/或聚乳酸的制備，只要含有乳酸的起始原料是通過本文所述的方法來制備的。本文所述的方法有利地通過低功耗實(shí)現(xiàn)，并確保沒有或基本上沒有廢棄的副產(chǎn)物產(chǎn)生。本發(fā)明通過下面的實(shí)施例進(jìn)一步說明，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例或由此被限制。實(shí)施例I.乳酸鈉溶液的部分電滲析。
Electrocell電滲析模塊(瑞典)配備有Fumatech FBM雙極膜和Neosepta CMB陽離子交換膜。使用具有兩個電極室和一個進(jìn)料室的設(shè)置。雙極膜和陽離子交換膜的膜面積為0. 01m2。第一室由雙極膜的陽極和陽離子交換側(cè)組成，第二進(jìn)料室由雙極膜的陰離子交換側(cè)和陽離子交換膜組成，第三室由陽離子交換膜和陰極組成。2重量％的硫酸水溶液流動通過陽極室，以確保高導(dǎo)電性。20重量％的乳酸鈉溶液流動通過中間室作為進(jìn)料。8重量％的氫氧化鈉溶液流動通過陰極室，以確保在陰極側(cè)的高導(dǎo)電性，并收集產(chǎn)生的氫氧化鈉。這三種溶液經(jīng)蠕動泵以250毫升/分鐘從500毫升的玻璃緩沖器在電滲析模塊上流動。玻璃緩沖器是雙壁的，且通過水浴保持橫跨三個室的溫度在40至60°C。硫酸、氫氧化鈉是試劑級，Purac乳酸鈉是高純度食品級質(zhì)量。以恒定7. 5A的直流電流進(jìn)行電滲析實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，模塊的進(jìn)料室中的乳酸鈉溶液通過鈉的去除(通過陽離子交換膜去除鈉)而被成批酸化，在陰極室中形成氫氧化鈉，而雙極膜產(chǎn)生的質(zhì)子與原來的乳酸根離子形成乳酸。當(dāng)所有的乳酸被轉(zhuǎn)化時，實(shí)驗(yàn)歷時大約230分鐘。在實(shí)驗(yàn)開始時，乳酸鈉溶液具有高導(dǎo)電性，且電壓相對恒定為9. 5至10. 5V。經(jīng)過180分鐘后，80%的乳酸鈉被轉(zhuǎn)化成乳酸， 殘留鈉含量為0. 84重量％，電壓上升至12V。溶液的pH值由初始pH值6.0下降至3. I。經(jīng)過210分鐘后，轉(zhuǎn)化上升到94%，殘留鈉含量下降至0. 25重量％，電壓上升至16V，pH值下降到2. 56。經(jīng)過225分鐘后，轉(zhuǎn)化增加至98%，殘留鈉含量下降到0. 06重量％，電壓上升到22. 4V，pH值下降到2. 56。在這些時間間隔中的快速電壓增加是進(jìn)料溶液的逐步降低的電導(dǎo)率的后果。這種電壓的增長導(dǎo)致電力消耗的迅速增加，以轉(zhuǎn)化殘留的乳酸鈉。這些結(jié)果表明，只有通過進(jìn)行電滲析至最多98%的部分轉(zhuǎn)化，才獲得經(jīng)濟(jì)的方法。在180-210分鐘的時間間隔內(nèi)，基于電流和法拉第定律的理論質(zhì)量流與基于乳酸鹽、乳酸和鈉的分析數(shù)據(jù)的實(shí)際質(zhì)量流計(jì)算的電流效率為0. 68。在210-225分鐘的時間間隔內(nèi)，電流效率下降至0. 64，在轉(zhuǎn)化高于98%時，電流效率下降至0. 36或以下。這意味著，在更高的轉(zhuǎn)化時，能量輸入本身增加，但是這也意味著，逐漸減少的消耗的電能被用于轉(zhuǎn)化。實(shí)施例2.由乳酸和乳酸鈉的溶液蒸餾乳酸。通過將98. 4克60重量％的食品級乳酸鈉溶液加入4310克49重量％的食品級乳酸溶液來制備乳酸和乳酸鈉的溶液。該溶液代表乳酸和乳酸鈉的混合物，其是電滲析部分轉(zhuǎn)化后得到的，且通過蒸發(fā)水而濃縮。玻璃的實(shí)驗(yàn)室短程蒸餾(SPD)單元用于進(jìn)一步濃縮該溶液，并隨后從該溶液蒸餾乳酸。使用的實(shí)驗(yàn)室Sro單元是由UIC制造的玻璃KDL4類型的單元。STO單元基本上是雙壁的柱，其可以由油浴加熱至溫度高于100° C。液體(即乳酸鹽/乳酸進(jìn)料溶液)可以通過用蠕動泵抽吸而被輸送到Sro單元的頂部。sro單元配備有頂部攪拌器和刷，使得可以在sro單元柱的內(nèi)壁上由從頂部抽吸的液體產(chǎn)生液膜。sro單元的頂部還連接到真空系統(tǒng)，其包括通過雙壁由_60°C的指形冷凍器間接冷卻的玻璃柱、油運(yùn)行的真空泵及具有真空計(jì)和壓力閥的壓力控制單元。通過應(yīng)用真空和高溫度，可以從進(jìn)料蒸發(fā)相對高沸點(diǎn)的化合物如乳酸。然后蒸發(fā)的乳酸可以在配備有由55° c水冷卻的內(nèi)部冷凝器的sro單元中冷凝。乳酸可以在直接置于sro單元的內(nèi)部冷凝器下的玻璃泡收集。未蒸發(fā)的進(jìn)料的部分可以使用雙壁sro柱的底部的側(cè)壁上的出口收集。沒有在sro單元的內(nèi)部冷凝器被捕集的蒸汽在用指形冷凍器操作的真空部分中的玻璃柱中被捕集。首先，進(jìn)料溶液被引向sro單元，以脫水。油的溫度是120°C，真空壓力為100毫巴，進(jìn)料速率為10毫升/分鐘。sro單元的內(nèi)部冷凝器用自來水運(yùn)行。收集336克的乳酸和乳酸鈉的脫水混合物的級份，并立即再次通過sro單元?，F(xiàn)在油的溫度為130° C，真空壓力為6毫巴，進(jìn)料速率為15毫升/分鐘，SPD單元的內(nèi)部冷凝器被冷卻到55° C。在這個第二 sro步驟中，蒸餾至少一半的進(jìn)料，并作為純的乳酸回收。乳酸的總收率為65% (基于存在于原始進(jìn)料中的乳酸的總重量)。在該第二步中，sro單元的進(jìn)料包含5500-6000ppm 的鈉，而乳酸產(chǎn)物中只包含112ppm鈉，即大約49-54純化因子。因此，可以使用短程蒸餾(SPD)單元從乳酸和乳酸鈉的原始混合物回收大量的純的乳酸。
權(quán)利要求
1.一種用于制備乳酸的方法，包括以下步驟 a)提供包含乳酸鎂的水性介質(zhì)； b)向包含乳酸鎂的水性介質(zhì)加入單價(jià)堿，以形成包含水溶性的單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)和固態(tài)鎂堿； c)從包含水溶性的單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)分離鎂堿； d)將水性介質(zhì)中的單價(jià)乳酸鹽的濃度調(diào)整到10至30重量％之間的值； e)使得包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)經(jīng)歷水裂解電滲析，以產(chǎn)生包含單價(jià)堿的第一溶液與包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液，所述電滲析進(jìn)行到40 - 98摩爾％的部分轉(zhuǎn)化； f)通過汽液分離將包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液分離成乳酸與包含單價(jià)乳酸鹽 的溶液； g)將步驟f)的包含單價(jià)乳酸鹽的溶液再循環(huán)至步驟d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述汽液分離包括蒸餾，所述蒸餾優(yōu)選在真空蒸餾單元中進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中，所述電滲析進(jìn)行到40至95摩爾％、優(yōu)選50至95摩爾%、更優(yōu)選60至95摩爾%、甚至更優(yōu)選70至90摩爾%、甚至更優(yōu)選80至90摩爾%的部分轉(zhuǎn)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，所述電滲析進(jìn)行到大約85摩爾％的部分轉(zhuǎn)化。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法，其中，所述d)的水性介質(zhì)中的單價(jià)乳酸鹽的濃度被調(diào)整至20至25重量％的值。
6.根據(jù)前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法，其中，通過步驟e)的水裂解電滲析產(chǎn)生的包含單價(jià)堿的第一溶液被再循環(huán)至步驟b)。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法，其中，水裂解電滲析在提供有陽離子交換膜和雙極膜的電滲析裝置中進(jìn)行。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法，其中，所述包含乳酸鎂的水性介質(zhì)通過發(fā)酵提供，其中通過微生物發(fā)酵碳水化合物源以形成乳酸，鎂堿被作為中和劑在發(fā)酵過程中添加以提供乳酸鎂。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，所述鎂堿是氫氧化鎂。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其中，所述包含乳酸鎂的水性介質(zhì)在步驟b)前經(jīng)歷分離步驟以除去微生物細(xì)胞物質(zhì)。
11.根據(jù)前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法，其中，步驟b)中的單價(jià)堿包括陽離子，所述陽離子是鈉、鉀、鋰、銨、單烷基銨、二烷基銨、三烷基銨或四烷基銨陽離子，優(yōu)選是鈉或鉀陽離子，更優(yōu)選是鈉陽離子。
12.根據(jù)前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法，其中，分離步驟f)后獲得的乳酸包括至少95重量％的乳酸、優(yōu)選至少97重量％的乳酸、更優(yōu)選至少99重量％的乳酸，甚至更優(yōu)選至少99. 5重量％的乳酸，最優(yōu)選至少99. 9重量％的乳酸。
13.一種制備丙交酯和/或聚乳酸的方法，包括使用前述任一項(xiàng)的權(quán)利要求的方法制備乳酸，和使得乳酸反應(yīng)以形成丙交酯和/或聚乳酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制備乳酸的方法，包括以下步驟a)提供包含乳酸鎂的水性介質(zhì)；b)向包含乳酸鎂的水性介質(zhì)加入單價(jià)堿，以形成包含水溶性的單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)和固態(tài)鎂堿；c)從包含水溶性的單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)分離鎂堿；d)將水性介質(zhì)中的單價(jià)乳酸鹽的濃度調(diào)整到10至30重量％之間的值；e)使得包含單價(jià)乳酸鹽的水性介質(zhì)經(jīng)歷水裂解電滲析，以產(chǎn)生包含單價(jià)堿的第一溶液與包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液，所述電滲析進(jìn)行到40－98摩爾％的部分轉(zhuǎn)化；f)通過汽液分離將包含乳酸和單價(jià)乳酸鹽的第二溶液分離成乳酸與包含單價(jià)乳酸鹽的溶液；g)將步驟f)的包含單價(jià)乳酸鹽的溶液再循環(huán)至步驟d)。
文檔編號C07C51/48GK102753699SQ201180008472
公開日2012年10月24日 申請日期2011年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者P·J·M·貝特斯, W·J·赫羅特 申請人:普拉克生化公司