PROCESS FOR THE PREPARATION OF LACTIC-ACID ESTERS

Abstract: 1. A process for the preparation of an optically pure alkyl D- or L-lactate by reaction of calcium lactate, prepared by fermentation, with an alcohol in the presence of a strong acid, wherein the crude fermentation mixture is filtered while hot, the calcium lactate is isolated as a solid from the filtrate by spray drying and is reacted with an alcohol in the presence of an acid which forms a readily water-soluble calcium salt, the water present in the reaction mixture or formed during the esterification is separated off by azeotropic distillation with the aid of an entraining agent, and the lactic acid ester is isolated from the reation mixture in a conventional manner.

Description: Verfahren zur Herstellung von Milchsäureestern Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung optisch reiner D- oder L-Milchsäurealkylester, indem man fermentativ hergestelltes Calciumlactat mit Alkoholen in Gegenwart einer starken Säure umsetzt. Die fermentative Darstellung optisch reiner Milchsäure ist aus EP 0 069 291 oder Ind. Eng. Chem. 44, 1958 (1952) bekannt. Sie wird in Gegenwart von Calciumcarbonat durchgeführt, so dass nach beendeter Reaktion eine wässrige Lösung oder Suspension anfällt, welche 6 bis 20 x Calciumlactat neben verschiedenen organischen oder anorganischen Verunreinigungen enthält, die entweder als Zusatzstoffe zur Fermentation zugegeben wurden oder Stoffwechselprodukte sind, die während der Fermentation entstehen. Ferner sind als Feststoffe noch Biomasse und ggf. nicht verbrauchtes Calciumcarbonat vorhanden. Anschliessend wird die Milchsäure aus dem Calciumsalz freigesetzt, indem man mit Schwefelsäure ansäuert, wobei Gips ausfällt, den man zusammen mit der Biomasse abfiltert. Als Filtrat erhält man eine wässrige Milchsäurelösung int einem Gehalt von ca. 10 X Milchsäure, die noch verschiedene gelöste Verunreinigungen enthält. Diese Lösung wird in der Regel aufkonzentriert und geeigneten Reinigungsoperationen unterworfen. Die betriebene Verfahrensweise ist mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So fallen erhebliche Mengen an Calciumsulfat an, das aufgrund der darin enthaltenen Biomasse zu Nachgärungen neigt und deshalb nicht ohne Nachbehandlung deponiert werden kann. Eine Verwertung z.B. als Baustoff ist wegen ungenügender Reinheit nicht möglich. Nachteilig ist auch, dass durch das Nachwaschen des Filterkuchens eine weitere Verdünnung der wässrigen Milchsäurelösung stattfindet, wodurch die Isolierung des Produktes, sei es die Milchsäure oder, falls bei der Freisetzung aus dem Calciumlactat ein Alkohol zugesetzt wird, der Milchsäureester, erschwert wird. SchlieBlich bereitet das Aufkonzentrieren der wässrigen Milchsäurelösung z.B. durch destillative Entfernung des Wassers häufig Schwierigkeiten, da Reste der Biomasse und insbesondere gelöstes Calciumsulfat, das zunehmend ausfällt, zu Verkrustungen in den Apparaturen führen. Weiterhin geht ein geringer Anteil der Milchsäure mit dem Wasser verloren. Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Veresterung einer durch Fermentation hergestellten optisch reinen Milchsäure zu entwickeln, das die geschilderten Nachteile umgeht und den Ester in guter Ausbeute und hoher optischer Reinheit liefert. Demgemäss wurde ein Verfahren zur Herstellung optisch reiner D- oder L-Xilchs äurealkyles ter durch Umsetzung von ferientativ hergestellten Calciumlactat mit Alkoholen in Gegenwart einer starken Säure gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man das rohe Permentationsgeinisch filtriert, aus dem Filtrat das Calciumlactat durch Sprühtrocknung als Feststoff isoliert und es in Gegenwart einer Säure, die ein gut wasserlösliches Calciumsalz bildet, mit Alkoholen umsetzt, wobei das im Reak tionsgemisch vorliegende bzw. bei der Veresterung gebildete Wasser durch azeotrope Destillation mit Hilfe eines Schleppmittels ausgekreist und der Milchsäureester in an sich bekannter Weise aus dem Reaktionsgemisch isoliert wird. Das der Fermentation entstammende rohe Reaktionsgemisch, das die D- oder L-Milchsäure als Calciumlactat enthält, wird zur Abtrennung von Feststoffen wie Biomasse oder nicht verbrauchtem Calciumcarbonat filtriert. Dabei ist darauf zu schten, dass die Temperatur der Lösung so hoch gehalten wird, dass kein Calciumlactat ausfällt. In der Regel wird bei Temperaturen von 50 bis 90, insbesondere 60 bis 80-C gearbeitet. Die Filtration erfolgt nach den üblichen Techniken, z.B. unter Verwendung von Filterpressen und gegebenenfalls in Gegenwart von Filterhilfsmitteln wie Kieselgel. Anschliessend wird das Filtrat in einem Sprtihturm mittels Luft alg Wärme- überträger getrocknet. Dabei beträgt die Lufteingangstemperatur 2BO o bis 300 C und die Luftausgangstemperatur llOC. Das Gelingen dieses Aufarbei- tungsschrittes ist überraschend, da man annehmen musste, dass das Roheal- ciumlactat aufgrund der darin enthaltenen Verunreinigungen verkleben würde und somit nicht rieselfähig sein könnte. Weiterhin hätte man erwartet, dass bei den hohen Temperaturen der Sprün- trocknung das optisch reine Lactat wegen der Beweglichkeit des "K-Wa8ser- stoffatoms" eine zumindest teilweise Racemisierung erleiden würde. Tatsächlich wird keine nennenswerte Konfigurationsumkehr am Asynetrtezen- trum beobachtet. Zur Veresterung wird das Calciumlactat mit niedermolekularen Alkoholen ROH in Gegenwart einer starken Säure umgesetzt. Die Alkohole können verzweigt oder unverzweigt sein und 1 bis 10, insbesondere 1 bis 5 Kohlen- stoffatome enthalten. Vorteilhaft wird die Reaktion mit sekundären und primären Alkoholen durchgeführt, also z.B. mit Ethanol, Propanol, Butanol, Isobutanol, Pentanol und Isopentanol. Auch mehrwertige Alkohole wie Glykol oder Glycerin können verwendet werden. Als starke Säuren kommen solche in Frage, die ein gut wasserlösliches Calciumsalz bilden und als Veresterungskatalysator wirksam sein können. Hier sind Salpetersäure, HBr und Sulfonsäuren zu nennen, besonders geeignet ist Salzsäure, die vorteilhaft in konzentrierter Form verwendet wird. Damit ergibt sich folgende Reaktionsgleichung: EMI3.1 Um das Veresterungsgleichgewicht nach rechts zu verschieben, wird bekanntlich eine der Ausgangskomponenten, meistens die billigere, im überschub eingesetzt, während die Umsetzungsprodukte dem Reaktionsgemisch entzogen werden. Für das erfindungsgemässe Verfahren ist es wichtig, dass der Alkohol im Überschuss verwendet wird und zwar nicht nur wegen der Verschiebung des o.a. Gleichgewichts, sondern um die Konzentration der im Gleichgewicht auftretenden dimeren und trimeren Milchsäureester, die durch Reaktion der Milchsäure mit der Hydroxylgruppe eines weiteren Moleküls Milchsäure entstehen, möglichst klein zu halten. In der Regel werden 2 bis 4 mol Alkohol pro Mol Milchsäure verwendet. Um das mit den Reaktionskomponenten eingeschleppte Wasser, sei es in Form von wässriger Salzsäure oder als wasserhaltiges Calciumlactat, das nach der Sprühtrocknung noch einen Wasseranteil von 0 bis 25 X aufweisen kann, und das bei der Veresterung entstandene Wasser dem Reaktionsgemisch zu entziehen, wird es in Gegenwart eines Schleppmittels wie Cyclohexan oder Toluol azeotrop abdestilliert. Bekanntlich bilden höhere Alkohole mit Kohlenstoffzahlen von 4 und > 4 selbst Azeotrope mit Wasser, so dass sich in bestimmten Fällen die Schleppmittelzugabe erübrigt. In dem vorliegenden Fall wird aber die Schleppwir- kung der betreffenden Alkohole durch das anwesende CaC12 stark herabgesetzt. Für das erfindungsgemässe Verfahren ist es deshalb wichtig, dass auch in diesen Fällen, z.B. bei Verwendung von Isobutanol ein Schleppmittel zugesetzt wird, um nicht beträchtliche Ausbeuteverluste an Wertprodukt durch einen niedrigen Veresterungsgrad hinnehmen zu müssen. Zur Isolierung des Wertproduktes wird das nach der Veresterung anfallende Reaktionsgemisch mit Wasser behandelt, wobei eine salzfreie organische Phase und eine salzreiche wässrige Phase anfällt. Die Extraktion kann nach den dafür üblichen Techniken kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Anschliessend wird die organische Phase neutralisiert, z.B. mit verdünnter Natronlauge, und der Milchsäureester durch Destillation nach den dafür üblichen Techniken, vorteilhaft bei vermindertem Druck, gereinigt. Die Neutralisation vor der destillativen Reinigung ist zweckmässig, um eine nachträgliche Bildung höherer Milchsäureester (Dimere, Trimere) gu vermeiden. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird der Milchsäureester in guten Ausbeuten und hoher optischer Reinheit erhalten. Optisch aktive Milchsäureester sind wichtige Zwischenprodukte zt Darstellung optisch aktiver Herbizide. Beispiel Eine durch Fermentation hergestellte Calciumlactatlösung wurde b.i 700C in Gegenwart von Kieselgel als Filterhilfsmittel in einer Filterpresse filtriert und anschliessend heiss auf einen Sprühturm gegeben, wobei die Lufteingangstemperatur 280'C und die Luftausgangstemperatur 11O'C betrug. 105 Teile des anfallenden Roh-Calciumlactats, das 67 Z Milchggur° enthielt, wurde mit 203 Teilen Isobutanol, 137 1 Toluol und 97 Teilen konzenw trierter Salzsäure versetzt und 5 Stunden am Rückfluss erhitzt. Dabei wurden 82 Teile Wasser ausgekreist. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur werden 103 Teile Wasser zugesetzt und die wässrige, calciumchlortdhsltige Phase, ca 154 Teile, abgetrennt. Die organische Phase wurde mit 50 %iger patronlaug neutralisiert unt anschliessend destillativ aufgearbeitet. Die Ausbeute an optisch aktivem Milchs4ureisobutylter lag bei 89 %, entsprechend 120 Teilen, bezogen auf Calciumlactatw Die optische Rotn- heit des Produktes betrug > 95 X.

Claims: Patentansp rüche 1. Verfahren zur Herstellung optisch reiner D- oder L-Milchsäurealkyl ester durch Umsetzung von fermentativ hergetelltem Calciumlactat mit Alkoholen in Gegenwart einer starken Säure, dadurch gekennzeichnet, dass man das rohe Fermentationsgemisch heiss filtriert, aus dem Filtrat das Calciumlactat durch Sprühtrocknung als Feststoff isoliert und es in Gegenwart einer Säure, die ein gut wasserlösliches Calciumsalz bildet, mit Alkoholen umsetzt, wobei das im Reaktfonsgemisch vor liegende bzw. bei der Veresterung gebildete Wasser durch azeotrope Destillation mit Hilfe eines Schleppmittels ausgekreist wird und den Milchsäureester in an sich bekannter Weise aus dem Reaktionsgemisch isoliert. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Ver esterung in Gegenwart von Salzsäure durchführt. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man niedermole kulare verzweigte oder unverzweigte Alkohole mit 1 bis 10, vorzugs weise 1 bis 5 Kohlenstoffatome verwendet. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Alko hol in Mengen von 1 bis 5 mol pro Mol Milchsäure zusetzt. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Fil tration bei Temperaturen von 50 bis 90, insbesondere 60 bis 80*C durchführt. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Sprüh trocknung die Lufteingangstemperatur X O bis 300C und die Luftaus gangstemperatur 1100C beträgt.

Inventors: BOEHM, WALTER, DR., BOTT, KASPAR, DR., FRITZ, GERHARD, DR., MARTIN, CHRISTOPH, DR., SIEGEL, HARDO, DR.
Applicants: BASF AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: C07C69
IPC codes: C07C59, C07C69, C12P7, C07C67