СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ
METHOD FOR PRODUCING LACTIC ACID

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу получения молочной кислоты посредством отделения молочной кислоты от глицерина в водном растворе молочной кислоты... УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Молочную кислоту широко используют не только для применений, таких как пищевые и фармацевтические применения, но также для промышленных применений в качестве мономерного сырья для производства биодеградируемых пластиков, и ее востребованность повышается. Известно, что 2-гидроксипропановую кислоту, то есть молочную кислоту, получают ферментацией, осуществляемой с помощью микроорганизмов, при которой микроорганизмы превращают содержащие углеводы субстраты, такие как глюкоза, в молочную кислоту. Молочную кислоту делят на оптические изомеры, (L)-изомер и (D)-изомер, относительно конфигурации заместителя углерода, находящегося в α-положении по отношению к карбонильной группе. Выбирая подходящим образом микроорганизм для микробной ферментации, можно селективно получать (L)- или (D)-молочную кислоту, либо можно получать молочную кислоту в виде смеси (L)-изомера и (D)-изомера (рацемическая масса).
Получение молочной кислоты посредством микробной ферментации, как правило, осуществляют, поддерживая значение рН, подходящим для микробной ферментации путем введения щелочного соединения (например, гидроксида кальция) в культуральную питательную среду. Наибольшее количество молочной кислоты, получаемой в виде кислотного соединения посредством микробной ферментации, производят так, чтобы она присутствовала в выброженном полуфабрикате в виде соли молочной кислоты (например, лактата кальция), добавляя щелочное соединение. В тех случаях, когда молочную кислоту используют в качестве мономеров для пластика, предпочтительно, чтобы молочная кислота, которую следует использовать, представляла собой свободную молочную кислоту, получаемую введением кислотного вещества (например, серной кислоты) в выброженный полуфабрикат по завершении ферментации. Однако молочнокислый выброженный полуфабрикат, получаемый посредством микробной ферментации, помимо молочной кислоты как целевого продукта содержит в качестве примесей органические кислоты и их соли, белки, аминокислоты, а также неионогенные соединения, такие как глицерин. В тех случаях, когда молочную кислоту используют в качестве мономеров для производства пластика, необходимо отделить молочную кислоту от этих примесей.
Например, в качестве способа удаления примесей из водного раствора молочной кислоты, получаемого из молочнокислого выброженного полуфабриката, получаемого посредством микробной ферментации, в патентном документе 1 описан способ, при котором водный раствор молочной кислоты подвергают ионообменной обработке для удаления ионогенных компонентов, а затем обработанную жидкость подвергают дистилляции. В качестве способа удаления неионогенных примесей в патентном документе 2 описан способ, при котором молочную кислоту, содержащуюся в водном растворе молочной кислоты, адсорбируют на ионообменную смолу, а затем вымывают из нее для удаления глицерина, который представляет собой содержащуюся в водном растворе молочной кислоты примесь (однако в примерах патентного документа 2 не описан случай, в котором молочную кислоту адсорбируют на ионообменную смолу, а затем вымывают из нее).
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[Патентные документы]
[Патентный документ 1] выложенная переведенная японская патентная заявка Japanese Translated РСТ Patent Application Laid-Open №2001-506274
[Патентный документ 2] JP 2006-75133 А
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачи, которое должно решить данное изобретение Для отделения молочной кислоты от глицерина, который представляет собой неионогенную примесь, содержащуюся в водном растворе молочной кислоты, существует способ, при котором, как описано выше, молочную кислоту, содержащуюся в водном растворе молочной кислоты, адсорбируют на ионообменную смолу, а затем вымывают из нее для удаления примеси, глицерина. Однако учитывая то, что для того, чтобы позволить большому количеству молочной кислоты адсорбироваться на ионообменной смоле требуется большое количество такой ионообменной смолы, есть основания полагать, что существуют проблемы, такие как необходимость использования громоздкого оборудования.
Ввиду этого цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа выделения молочной кислоты из водного раствора молочной кислоты, содержащего глицерин в виде примеси, каковой способ предоставляет возможность простого и низкозатратного получения молочной кислоты, при котором снижается количество глицерина.
Способы решения данных задач
В результате интенсивного изучения, проведенного с целью решения вышеуказанной проблемы, авторы настоящего изобретения обнаружили, что глицерин, который представляет собой неионогенную примесь, содержащуюся в водном растворе молочной кислоты, может адсорбироваться на ионообменную смолу, тем самым обуславливая осуществление настоящего изобретения.
Иными словами, настоящее изобретение состоит из приведенных ниже п.п. (1)-(6).
(1) Способ получения молочной кислоты, причем данный способ включает в себя стадию удаления глицерина из водного раствора молочной кислоты, содержащего глицерин в качестве примеси, с помощью ионообменной смолы.
(2) Способ получения молочной кислоты по п. (1), в котором ионообменная смола представляет собой сильнокислотную ионообменную смолу.
(3) Способ получения молочной кислоты по п. (1) или п. (2), при котором концентрация молочной кислоты в водном растворе молочной кислоты составляет не менее 20 весовых %.
(4) Способ получения молочной кислоты по любому из п.п. (1)-(3), включающий в себя стадию дистилляции водного раствора молочной кислоты после удаления глицерина с помощью ионообменной смолы.
(5) Способ получения полимолочной кислоты, причем данный способ включает в себя использование в качестве исходного вещества молочной кислоты, полученной способом получения молочной кислоты по любому из п.п. (1)-(4).
(6) Способ получения полимолочной кислоты, причем данный способ включает в себя прямую дегидратационную поликонденсацию молочной кислоты, полученной способом получения молочной кислоты по любому из п.п. (1)-(4).
РЕЗУЛЬТАТЫ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
С помощью настоящего изобретения можно при помощи простой операции эффективно и при низких затратах понизить количество глицерина, содержащегося в виде примеси в водном растворе молочной кислоты, и получить молочную кислоту, подходящую для получения полимолочной кислоты с превосходной температурой плавления и термостабильностью.
СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения молочной кислоты по настоящему изобретению включает в себя стадию удаления глицерина из водного раствора молочной кислоты, содержащего глицерин в виде примеси, с помощью ионообменной смолы. Настоящее изобретение подробно описано ниже.
В настоящем изобретении «водный раствор молочной кислоты, содержащий глицерин в виде примеси» означает водный раствор, содержащий молочную кислоту в качестве основного компонента и глицерин в качестве примеси. Выбор источника водного раствора молочной кислоты не ограничен при условии, что раствор содержит глицерин в виде примеси, и такой раствор может представлять собой водный раствор молочной кислоты, получаемый в результате органического синтеза, либо может представлять собой получаемую микробной ферментацией молочнокислую сбраживаемую культуральную питательную жидкость в чистом виде или молочнокислую сбраживаемую культуральную питательную жидкость, подвергшуюся множеству стадий отделения/очистки. Поскольку молочная кислота является ионогенным соединением, в водном растворе молочной кислоты, содержащем глицерин в качестве примеси, молочная кислота может присутствовать в виде свободной молочной кислоты, в виде соли молочной кислоты или в виде обеих из них в состоянии равновесия. Как описано ниже, эффект удаления глицерина по настоящему изобретению является сильным в тех случаях, когда молочная кислота присутствует в виде свободной молочной кислоты. Количества молочной кислоты и глицерина, содержащихся в водном растворе молочной кислоты, можно определить методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC).
На стадии удаления глицерина, содержащегося в водном растворе молочной кислоты, с помощью ионообменной смолы глицерин, содержащийся в водном растворе молочной кислоты, как описано выше, адсорбируется на ионообменной смоле. Ионообменная смола представляет собой синтетическую смолу и обладает структурой, которая ионизируется как ионогенная группа в части молекулярной структуры. Поэтому смола участвует в ионообменном процессе с ионогенными компонентами, присутствующими в растворителе. Таким образом, вообще говоря, ионообменные смолы применяют в целях адсорбции ионогенных компонентов, находящихся в растворах. Настоящее изобретение характеризуется обнаружением того факта, что глицерин, который представляет собой неионогенный компонент, в водном растворе молочной кислоты, который является раствором с высокой полярностью, адсорбируется на ионообменной смоле.
Выбор ионообменной смолы, применяемой в настоящем изобретении, не ограничен, и она может представлять собой известную ионообменную смолу. Конкретные примеры ионообменной смолы охватывают «Amberlite» (зарегистрированная торговая марка) (производитель фирма The Dow Chemical Company), «Diaion» (зарегистрированная торговая марка) (производитель фирма Mitsubushi Chemical Corporation) и «Duolite» (зарегистрированная торговая марка) (производитель фирма Rohm and Haas Company), которые являются коммерчески доступными. Ионообменная смола может представлять собой любые кислотные смолы (катионообменные смолы), основные смолы (анионообменные смолы), а также их соли. В частности, сильнокислотные ионообменные смолы являются предпочтительными, поскольку они превосходны в отношении способности к адсорбции глицерина, а сильнокислотные ионообменные смолы Н-типа являются в особенности желательными. Эти ионообменные смолы могут представлять собой либо так называемые смолы гелеобразного типа, либо смолы поросодержащего типа. Конкретные примеры сильнокислотных ионообменных смол охватывают: «Diaion» (зарегистрированная торговая марка) SK1B, SK1BH, SK110, SK112, PK216, PK216H, PK218, PK220, PK228, PK228H, UBK08, UBK10, UBK12, UBK530, UBK550, UBK535 и UBK555, производимые фирмой Mitsubishi Chemical Corporation, «Amberlite» (зарегистрированная торговая марка) IR120B Na, IR120 Н, IR124 Na, 200СТ Na, 200СТ Н, 252 Na и 252 Na, производимые фирмой The Dow Chemical Company, и «Duolite» (зарегистрированная торговая марка) C20J, C20LF, C255LFH, С26А и C26TRH, производимые фирмой Rohm and Haas Company.
-1
Способ приведения в контакт с ионообменной смолой водного раствора молочной кислоты может представлять собой либо периодический способ (способ смесительного чана) или способ колонки (способ потока с неподвижным слоем). С точки зрения производственной технологичности способ колонки является предпочтительным. Выбор скорости потока водного раствора молочной кислоты в случаях ионообменной обработки с помощью колонки, набитой ионообменной смолой, не ограничен, и она может обычно являться равной скорости потока, который может достигать объемной скорости (SV) на единицу объема ионообменной смолы от 0,1 до 20 ч. Выбор температуры, при которой водный раствор молочной кислоты приводят в контакт с колонкой, набитой ионообменной смолой, не ограничен, и предпочтительно, когда такую колонку можно использовать при обычной температуре.
Ионообменную смолу, применяемую для удаления глицерина, можно регенерировать промыванием водой. Для регенерации ионообменной смолы, которая адсорбировала ионогенный компонент, обычно необходимо промывание жидким реагентом, таким как кислота или щелочь. Напротив, ионообменную смолу, адсорбировавшую глицерин, который представляет собой неионогенный компонент, можно регенерировать промыванием водой с высокой полярностью. Таким образом, стоимость жидкости-реагента, требуемой- для регенерации ионообменной смолы, можно снизить. Выбор воды, которую следует применять для регенерации смолы, не ограничен. Поскольку в тех случаях, когда используют воду, содержащую большое количество ионогенного компонента, этот ионогенный компонент вызывает адсорбцию ионогенного компонента на функциональных группах, находящихся на поверхности ионообменной смолы, это приводит к уменьшению эффекта адсорбции глицерина. Таким образом, предпочтительно, когда можно, применять промывание деионизированной водой.
В тех случаях, когда водный раствор молочной кислоты, который следует предоставить для стадии, на которой применяют ионообменную смолу, представляет собой молочнокислый выброженный полуфабрикат, получаемый микробной ферментацией, этот выброженный полуфабрикат, как правило, содержит щелочное вещество, вводимое для регулирования рН в ходе культивирования. Поэтому молочная кислота в молочнокислом выброженном полуфабрикате обычно присутствует в виде соли молочной кислоты. В подобных случаях предпочтительно, когда в качестве предварительной обработки перед обработкой ионообменной смолой водного раствора молочной кислоты соль молочной кислоты в молочнокислом выброженном полуфабрикате превращают в свободную молочную кислоту. Конкретные примеры соли молочной кислоты охватывают лактат лития, лактат натрия, лактат калия, лактат кальция, лактат магния, лактат алюминия и лактат аммония, а также смеси двух или более из них. В тех случаях, когда молочнокислую подвергнувшуюся ферментации культуральную жидкость, содержащую молочную кислоту в виде соли молочной кислоты, обрабатывают с помощью ионообменной смолы, функциональные группы на поверхности ионообменной смолы предпочтительно используют для превращения соли молочной кислоты в свободную молочную кислоту, что приводит к уменьшению эффекта адсорбции глицерина. Таким образом, предварительно приготовив водный раствор свободной молочной кислоты перед проведением обработки ионообменной смолой, можно повысить эффект удаления глицерина.
В качестве способа получения свободной молочной кислоты из соли молочной кислоты можно использовать способ, заключающийся в добавлении кислотного вещества. Выбор кислотного вещества не ограничен, и можно применять серную кислоту, соляную кислоту, угольную кислоту, фосфорную кислоту, азотную кислоту или им подобные. С точки зрения получения описанной ниже нерастворимой соли предпочтительно использовать серную кислоту. Желательно вводить кислотное вещество в водный раствор соли молочной кислоты, чтобы вызвать его превращение в водный раствор свободной молочной кислоты, удаляя катионный компонент соли молочной кислоты в виде нерастворимой соли. Добавляя кислотное вещество к водному раствору соли молочной кислоты для вызывания осаждения катионного компонента в растворе, и осуществляя затем отделение твердого вещества от жидкости фильтрованием или ему подобным способом, можно получить водный раствор свободной молочной кислоты, из которого удалены катионы соли молочной кислоты. Выбор способа отделения твердого вещества от жидкости для нерастворимой соли не ограничен, и можно применять такой известный квалифицированным в данной области техники специалистам способ, как фильтрование через обыкновенную фильтровальную бумагу или центрифугирование.
Перед обработкой водного раствора молочной кислоты ионообменной смолой для данного раствора можно провести стадию удаления растворенных в нем солей. Удаление растворенных в водном растворе молочной кислоты солей может повышать эффект адсорбции глицерина на стадии, на которой используют ионообменную смолу. Выбор способа удаления солей, растворенных в водном растворе молочной кислоты, не ограничен, и можно применять ионообменную обработку, обработку фильтрованием через микропористую мембрану или им подобные способы. В данном документе ионообменная обработка означает удаление ионогенных компонентов (неорганических солей и им подобных соединений) из водного раствора молочной кислоты и цель данной обработки отличается от цели удаления глицерина, присутствующего в виде примеси в водном растворе молочной кислоты, с помощью ионообменной смолы по настоящему изобретению.
Выбор мембраны, применяемой при обработке фильтрованием через микропористую мембрану, не ограничен при условии, что она позволяет проходить через себя молочной кислоте, блокируя при этом прохождение соли. Предпочтительно, когда такая мембрана представляет собой нанофильтрационную мембрану. Нанофильтрационную мембрану также называют нанофильтром (нанофильтрационная мембрана, NF мембрана) и, как правило, определяют как «мембрану, которая позволяет проходить через себя одновалентным ионам, но блокирует прохождение дивалентных ионов». Считают, что такая мембрана обладает мелкими порами с размерами около нескольких нанометров и ее в основном применяют для блокирования прохождения мелкодисперсных частиц, молекул, ионов и солей в воде. Примеры материалов для нанофильтрационной мембраны, которые можно использовать, охватывают высокомолекулярные соединения, такие как целлюлозоацетатные полимеры, полиамиды, сложные полиэфиры, полиимиды и виниловые полимеры. Выбор мембраны не ограничен мембраной, образованной только одним из соединений, и она может представлять собой мембрану, состоящую из множества применяемых для изготовления мембран соединений. В терминах структуры мембраны такая мембрана может являться либо асимметричной мембраной с плотным слоем, по меньшей мере, на одной стороне мембраны, содержащая микропоры, размеры которых постепенно увеличиваются в направлении от плотного слоя к внутренней части мембраны или к другой стороне мембраны, или представлять собой композитную мембрану с очень тонким функциональным слоем, образованным другим соединением на плотном слое асимметричной мембраны. Примеры подобной композитной мембраны, которую можно применять, охватывают композитную мембрану, описанную в патенте JP 62-201606 А, в котором описана нанофильтрационная мембрана, состоящая из полиамидного функционального слоя на мембране-основе, состоящей из полисульфона в качестве образующего мембрану вещества.
Нанофильтрационную мембрану, как правило, используют в виде спирально-навитого мембранного элемента и предпочтительно, когда нанофильтрационную мембрану, используемую в настоящем изобретении, также применяют в виде спирально-навитого мембранного элемента. Конкретные желательные примеры нанофильтрационного мембранного элемента охватывает «GEsepa» (зарегистрированная торговая марка), производимый фирмой GE Osmonics, NF99 и NF99HF, производимые фирмой Alfa-Laval, NF-45, NF-90, NF-200 и NF-400, производимые фирмой Filmtec Corporation, а также SU-210, SU-220, SU-600 и SU-610, которые представляют собой нанофильтрационные мембранные элементы, производимые фирмой Toray Industries, Inc., с UTC60, производимым тем же производителем.
Выбор концентрации молочной кислоты в водном растворе молочной кислоты, который следует подвергнуть стадии обработки ионообменной смолой, не ограничен. В тех случаях, когда концентрация молочной кислоты в водном растворе молочной кислоты составляет менее 20 весовых %, благодаря воде с высокой полярностью происходит ингибирование адсорбции глицерина на ионообменной смоле. Поэтому предпочтительно концентрировать раствор до концентрации молочной кислоты не менее 20 весовых % посредством операции концентрирования до проведения обработки ионообменной смолой. С другой стороны в тех случаях, когда концентрация молочной кислоты в водном растворе молочной кислоты превышает 90 весовых %, водный раствор молочной кислоты обладает высокой вязкостью, и поэтому текучесть и удобство использования водного раствора молочной кислоты в ходе стадии обработки ионообменной смолой являются плохими. Таким образом, предпочтительно, когда обработку ионообменной смолой осуществляют при концентрации молочной кислоты не более 90 весовых %.
Примеры способа концентрирования водного раствора молочной кислоты охватывают испарение воды при нагревании при пониженном давлении с помощью концентратора, такого как испаритель, и повышение концентрации молочной кислоты с помощью обратноосмотической мембраны. С точки зрения снижения количества энергии, требуемой для концентрирования, предпочтительным является способ концентрирования с помощью обратноосмотической мембраны. В данном документе обратноосмотическая мембрана означает фильтрационную мембрану, которая может разделять ионы и молекулы с низкой молекулярной массой посредством фильтрования, используя в качестве движущей силы разницу давления, превышающую осмотическое давление необработанной жидкости. Концентрирование водного раствора молочной кислоты с помощью обратноосмотической мембраны можно осуществлять, предоставляя воде в водном растворе молочной кислоты возможность проникать в контактирующую с фильтратом боковую поверхность обратноосмотической мембраны, получая тем самым водный раствор молочной кислоты с повышенной концентрацией молочной кислоты со стороны входной боковой поверхности.
Примеры материала мембраны в случае обратноосмотической мембраны, которую можно применять для концентрирования водного раствора молочной кислоты, охватывают высокомолекулярные соединения, такие как ацетатцеллюлозные полимеры, полиамиды, сложные полиэфиры, полиимиды и виниловые полимеры, которые, как правило, являются коммерчески доступными. Выбор мембраны не ограничен мембраной, образованной только одним из соединений, и она может представлять собой мембрану, состоящую из множества применяемых для изготовления мембран веществ. В терминах структуры мембраны такая мембрана может являться либо асимметричной мембраной, обладающей плотным слоем, по меньшей мере, с одной стороны мембраны, в которой присутствуют микропоры, размер которых постепенно увеличивается в направлении от плотного слоя к внутренней части мембраны или другой стороне мембраны, или может представлять собой композитную мембрану с очень тонким функциональным слоем, образованным другим веществом на плотном слое асимметричной мембраны. Примеры формы обратноосмотической мембраны, которую можно применять соответствующим образом, включают плоскую мембрану, спирально-навитую мембрану или половолоконную мембрану.
Конкретные примеры обратноосмотической мембраны охватывают UTC-70, SU-710, SU-720, SU-720F, SU-710L, SU-720L, SU-720LF, SU-720R, SU-710P, SU-720P, SU-810, SU-820, SU-820L, SU-820FA, SU-610, SU-620, ТМ800, ТМ800С, ТМ800А, ТМ800Н, ТМ800Е и TM800L, которые представляют собой полиамидные обратноосмотические мембраны, производимые фирмой Toray Industries, Inc., SC-L100R, SC-L200R, SC-1100, SC-1200, SC-2100, SC-2200, SC-3100, SC-3200, SC-8100 и SC-8200, которые представляют собой ацетатцеллюлозные обратноосмотические мембраны, производимые фирмой Toray Industries, Inc., NTR-75 9HR, NTR-72 9HF, NTR-70SWC, ES10-D, ES20-D, ES20-U, ES15-D, ES15-U и LF10-D, производимые фирмой Nitto Denko Corporation, RO98pHt, RO99, HR98PP, CE4040C-30D, NF99 и NF99HF, производимые фирмой Alfa-Laval, GE Sepa, OSMO BEV NF Series, HL Series, Duraslick Series, MUNI NF Series, CK Series, DK Series, Seasoft Series и Duratherm HWS Series, производимые фирмой GE, SelRO Series, производимые фирмой KOCH, и BW30-4040, TW30-4040, XLE-4040, LP4040, LE-4040, SW30-4040, SW30HRLE-4040, NF45, NF90, NF200 и NF400, производимые фирмой FilmTec Corporation.
В настоящем изобретении молочную кислоту высокой чистоты, в которой вместе с тем понижено количество глицерина, можно получить, дополнительно подвергая водный раствор молочной кислоты, получаемый после проведения стадии обработки ионообменной смолой, стадии дистилляции. Выбор концентрации молочной кислоты в водном растворе молочной кислоты, которую следует подвергнуть стадии дистилляции, не ограничен, и можно перегонять водный раствор молочной кислоты сам по себе, получаемый в результате осуществления обработки ионообменной смолой, либо перед дистилляцией водный раствор молочной кислоты можно подвергнуть обработке, используя испаритель, или вышеописанной стадии концентрирования, используя
обратноосмотическую мембрану. В тех случаях, когда концентрация молочной кислоты в растворе является слишком низкой, необходимо громоздкое дистилляционное оборудование, тогда как в тех случаях, когда концентрация является слишком высокой, может происходить олигомеризация, что приводит к низкому выходу. Таким образом, дистилляцию можно подходящим образом осуществлять в тех случаях, когда концентрация молочной кислоты составляет от 50 до 95 весовых %, предпочтительно от 60 до 90 весовых %. Стадию дистилляции проводят при пониженном давлении не менее 1 Па и не превышающего атмосферное давление (нормальное давление, примерно 101 кПа). В тех случаях, когда эту стадию осуществляют при пониженном давлении от 10 Па до 30 кПа, температура дистилляции может быть ниже, что более предпочтительно. Температура дистилляции в тех случаях, когда эту стадию проводят при пониженном давлении, составляет от 20°С до 200°С, однако в тех случаях, когда дистилляцию осуществляют при температуре не менее 180°С, в результате влияния примесей может происходить рацемизация молочной кислоты. Поэтому предпочтительно, когда дистилляцию молочной кислоты можно проводить при температуре от 50°С до 180°С, желательнее от 60°С до 150°С. Поскольку вероятно, что молочная кислота подвергается олигомеризации в условиях дегидратации (при нагревании и/или при пониженном давлении) из-за своей структуры, предпочтительно, чтобы время пребывания было настолько мало, насколько возможно. Соответственно, в качестве испарителя желательно применять пленочный испаритель, такой как испаритель с падающей пленкой или испаритель с распределяемой пленкой, поскольку он позволяет достичь дистилляции в течение короткого времени и поэтому может повысить степень извлечения молочной кислоты.
Полимолочная кислота, получаемая полимеризацией вышеописанной молочной кислоты, охватывает гомополимер, содержащий звенья L-молочной кислоты или звенья D-молочной кислоты, блок-сополимер полимолочной кислоты, содержащий сегмент, образованный звеньями поли-L-молочной кислоты, и сегмент, образованный звеньями поли-D-молочной кислоты, а также сополимер, включающий в свой состав мономерные звенья, отличные от молочной кислоты. В тех случаях, когда полимолочная кислота представляет собой сополимер, примеры мономерных звеньев, отличных от молочной кислоты, охватывают гликолевые соединения, такие как этиленгликоль, пропиленгликоль, бутандиол, гептандиол, гександиол, октандиол, нонандиол, декандиол, 1/4-циклогександиметанол, неопентилгликоль, глицерин, пентаэритритол, бисфенол А, полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль и политетраметиленгликоль, дикарбоновые кислоты, такие как щавелевая кислота, адипиновая кислота, себациновая кислоты, азелаиновая кислота, додекандионовая кислота, малоновая кислота, глутаровая кислота, циклогександикарбоновая кислота, терефталевая кислота, изофталевая кислота, фталевая кислота, нафталендикарбоновая кислота, бис-пара-карбоксифенилметан, антрацендикарбоновая кислота, дифенилэфирдикарбоновая кислота, натриевая соль сульфоизофталевой кислоты и тетрабутилфосфониевая соль изофталевой кислоты, гидроксикарбоновые кислоты, такие как гликолевая кислота, гидроксипропионовая кислота, гидроксимасляная кислота, гидроксивалериановая кислота, гидроксикапроновая кислота и гидроксибензойная кислота, а также лактоны, такие как капролактон, валеролактон, пропиолактон, ундекалактон и 1,5-оксепан-2-он. Предпочтительно, когда количество вышеописанных других компонентов сополимеризации, которые должны участвовать в сополимеризации, составляет от 0 до 30 мольных %, желательно от 0 до 10 мольных % по отношению к общему количеству мономерных компонентов.
Выбор способа получения полимолочной кислоты не ограничен, и можно использовать общий способ получения полимолочной кислоты. Конкретнее, известные примеры такого способа включают двухстадийный лактидный способ, при котором лактид, который представляет собой циклический димер, получают сначала, используя молочную кислоту в качестве исходного вещества, а затем проводят полимеризацию с раскрытием цикла, и способ одностадийной прямой полимеризации, при котором исходное вещество подвергают прямой дегидратационной поликонденсации в растворителе. Можно применять любой из двух способов.
При лактидном способе и способе прямой полимеризации требуемый для полимеризации промежуток времени можно сократить, используя катализатор для реакции полимеризации. Примеры такого катализатора охватывают металлы, такие как олово, цинк, свинец, титан, висмут, цирконий, германий, сурьму и алюминий, а также их производные. Предпочтительно, когда подобные производные представляют собой алкоксиды металлов, карбоксилаты, карбонаты, оксиды и галогениды. Конкретные примеры этих производных включают хлорид олова, ацетат олова, октилат олова, хлорид цинка, оксид свинца, карбонат свинца, хлорид титана, алкоксититан, оксид германия и оксид циркония. Среди них соединения олова являются предпочтительными, а ацетат олова и октилат олова представляют собой более желательные соединения.
Реакцию полимеризации можно осуществлять в присутствии вышеуказанного катализатора, как правило, при температуре от 100 до 200°С, хотя температура изменяется в зависимости от типа катализатора. Для удаления воды, выделяющейся в реакции полимеризации, предпочтительно, когда реакцию полимеризации проводят при пониженном давлении, и желательно, чтобы это давление не превышало 7 кПа, предпочтительнее не превышало 1,5 кПа.
Для реакции полимеризации в качестве инициатора полимеризации можно использовать соединение с двумя или более гидроксильными группами или аминогруппами в молекуле. Примеры соединения с двумя или более гидроксильными группами или аминогруппами в молекуле, которое следует применять в качестве инициатора полимеризации, охватывают полиолы, такие как этиленгликоль, пропиленгликоль, бутандиол, гександиол, октандиол, неопентилгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль, глицерин, триметилолпропан, пентаэритритол, дипентаэритритол, трипентаэритритол, сорбитол, поливиниловый спирт, полигидроксиэтилметакрилат и полигидроксипропилметакрилат, а также поливалентные амины, такие как этилендиамин, пропилендиамин, бутандиамин, гександиамин, диэтилентриамин и меламин. Среди них полиолы являются более предпочтительными.
Количество инициатора полимеризации, который следует ввести, не ограничено и желательно, когда оно составляет от 0,001 до 5 весовых частей, предпочтительнее от 0,01 до 3 весовых частей по отношению к 100 весовым частям используемого исходного вещества (L-молочная кислота, D-молочная кислота, L,L-лактид или D,D-лактид).
В тех случаях, когда полимолочную кислоту получают способом прямой полимеризации, выбор растворителя, который следует применять, не ограничен при условии, что он не оказывает неблагоприятного влияния на полимеризацию, и он может представлять собой воду или органический растворитель. Примеры органического растворителя включают ароматические углеводороды. Примеры ароматических углеводородов охватывают толуол, ксилол, нафталин, хлорбензол и дифениловый эфир. В тех случаях, когда полимолочную кислоту получают способом прямой полимеризации, полимеризацию можно промотировать, удаляя из системы выделяющуюся в ходе реакции конденсации воду. Предпочтительно, чтобы способ удаления из системы представлял собой полимеризацию при пониженном давлении. Конкретнее желательно, чтобы давление не превышало 7 кПа, предпочтительнее не превышало 1,5 кПа.
ПРИМЕРЫ
Настоящее изобретение описано подробно ниже с помощью примеров, однако настоящее изобретение не ограничено нижеприведенными примерами.
Примеры 1-4
Испытание на удаление глицерина адсорбцией с помощью ионообменной смолы
К 100 г 90%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) добавляли 350 г чистой воды для приготовления 20%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты, и получающийся в результате раствор нагревали для кипячения с обратным холодильником на масляной бане при температуре 120°С в течение 5 часов, тем самым гидролизуя в водном растворе олигомеры молочной кислоты для получения водного раствора молочной кислоты в мономерной форме. После этого водный раствор молочной кислоты концентрировали, используя роторный испаритель, и добавляли глицерин к этому раствору, так что глицерин содержался в количестве 5 весовых % по отношению к молочной кислоте, для приготовления 75%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты, содержащего глицерин. К 20 г этого водного раствора молочной кислоты добавляли 2 г сильнокислотной ионообменной смолы Н-типа «Diaion» (зарегистрированная торговая марка) SK1BH (производитель фирма Mitsubishi Chemical Corporation) (пример 1), 2 г сильнокислотной ионообменной смолы Na-типа «Diaion» (зарегистрированная торговая марка) SK1B(производитель фирма Mitsubishi Chemical Corporation) (пример 2), 2 г сильноосновной ионообменной смолы CL-типа «Amberlite» (зарегистрированная торговая марка) IR410JCL (производитель фирма The Dow Chemical Company) (пример 3) или 2 г слабоосновной ионообменной смолы ОН-типа «Diaion» (зарегистрированная торговая марка) WA20 (производитель фирма Mitsubishi Chemical Corporation) (пример 4), и получающуюся в результате смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов со скоростью 300 об/мин. Концентрацию глицерина в водном растворе молочной кислоты определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии до и после обработки ионообменной смолой, а эффективность удаления глицерина адсорбцией рассчитывали способом, представленным приведенным ниже уравнением 1.
Степень удаления глицерина адсорбцией (%)=100×(концентрация глицерина перед обработкой ионообменной смолой (г/л) - концентрация глицерина после обработки ионообменной смолой (г/л)) / концентрация глицерина перед обработкой ионообменной смолой (г/л) (уравнение 1).
Концентрацию глицерина в водном растворе молочной кислоты измеряли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (производитель оборудования фирма Shimadzu Corporation) при нижеприведенных условиях. Результаты представлены в таблице 1.
Колонка: Shodex NH2P-50 4Е (производитель фирма Showa Denko K.K.)
Подвижная фаза: ацетонитрил:вода=3:1
Скорость потока: 0,6 мл/мин
Способ измерения: дифференциальный рефрактометрический детектор (RI.)
Температура колонки: 30°С
Сравнительный пример 1
Испытание на удаление глицерина адсорбцией с помощью активированного угля
К 100 г 90%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) добавляли 350 г чистой воды для приготовления 20%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты, и получившийся в результате раствор нагревали для кипячения с обратным холодильником на масляной бане при температуре 120°С в течение 5 часов, гидролизуя тем самым в водном растворе олигомеры молочной кислоты для получения водного раствора молочной кислоты в мономерной форме.
После этого водный раствор молочной кислоты концентрировали, используя роторный испаритель, и к раствору добавляли глицерин так, чтобы глицерин содержался в количестве 5 весовых % по отношению к молочной кислоте для приготовления 75%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты, содержащего глицерин. К 20 г этого водного раствора молочной кислоты добавляли 0,1 г активированного угля Shirasagi А (производитель фирма Japan EnviroChemicals Ltd.) и получающуюся в результате смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов при скорости 300 об/мин. После этого активированный уголь отделяли фильтрованием, используя фильтровальную бумагу Qualitative Filter Paper №2 (производитель фирма Advantec), для приготовления обработанного активированным углем водного раствора молочной кислоты. Степень удаления глицерина адсорбцией после обработки активированным углем рассчитывали по такой же методике, которая приведена в примерах 1-4. Результаты приведены в таблице 1.
Как продемонстрировано в таблице 1, было обнаружено, что обработкой содержащего глицерин водного раствора молочной кислоты ионообменной смолой можно получить водный раствор молочной кислоты, в котором содержание глицерина понижено, и что сильнокислотные ионообменные смолы проявляют в особенности высокий эффект удаления глицерина.
Примеры 5-9
Испытание на зависимость удаления глицерина с помощью ионообменной смолы от концентрации молочной кислоты
К 100 г 90%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) добавляли 345,5 г чистой воды и 4,5 г глицерина (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) для приготовления 20%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты (концентрация глицерина по отношению к молочной кислоте составляет 5 весовых %)., и получившийся в результате раствор нагревали для кипячения с обратным холодильником на масляной бане при температуре 120°С в течение 5 часов, гидролизуя тем самым в водном растворе олигомеры молочной кислоты для получения водного раствора молочной кислоты в мономерной форме. После этого, используя роторный испаритель, водный раствор молочной кислоты концентрировали так, чтобы концентрация водного раствора молочной кислоты достигла 90 весовых % (пример 5), 75 весовых % (пример 6), 50 весовых % (пример 7), 25 весовых % (пример 8) или 10 весовых % (пример 9). К 20 г водного раствора молочной кислоты при каждой концентрации добавляли 2 г сильнокислотной ионообменной смолы «Diaion» Н-типа (зарегистрированная торговая марка) SK1BH (производитель фирма Mitsubishi Chemical Corporation), и получившуюся в результате смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов со скоростью 300 об/мин. Степень удаления глицерина адсорбцией для каждого образца рассчитывали по такой же методике, которая приведена в примерах 1-4. Результаты приведены в таблице 2. Было показано, что чем выше концентрация молочной кислоты, то есть чем ниже концентрация воды, тем лучше степень удаления глицерина адсорбцией.
Пример 10
Испытание на удаление глицерина с помощью ионообменной смолы, регенерированной водой
К 300 г 90%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) добавляли 1050 г чистой воды для приготовления 20%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты и получившийся в результате раствор нагревали для кипячения с обратным холодильником на масляной бане при температуре 120°С в течение 5 часов, гидролизуя тем самым в водном растворе олигомеры молочной кислоты для получения водного раствора молочной кислоты в мономерной форме. После этого водный раствор молочной кислоты концентрировали, используя роторный испаритель, и к раствору добавляли глицерин так, чтобы глицерин содержался в количестве 5 весовых % по отношению к молочной кислоте, для приготовления 75%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты, содержащего глицерин. К 200 г этого водного раствора молочной кислоты добавляли 2 г сильнокислотной ионообменной смолы «Diaion» Н-типа (зарегистрированная торговая марка) SK1BH (производитель фирма Mitsubishi Chemical Corporation), и получившуюся в результате смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов со скоростью 300 об/мин. Для получения ионообменной смолы, на которую адсорбировался глицерин, ионообменную смолу отделяли фильтрованием, используя фильтрование с отсасыванием. Операцию по добавлению 10 г деионизированной воды к извлеченной ионообменной смоле, перемешиванию получившейся в результате смеси при комнатной температуре в течение 30 минут со скоростью 300 об/мин, а затем удалению промывной жидкости декантацией повторяли дважды. К промытой ионообменной смоле снова добавляли 20 г 75%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты, содержащего 5 весовых % глицерина по отношению к молочной кислоте, и получившуюся в результате смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов со скоростью 300 об/мин. Концентрацию глицерина в водном растворе молочной кислоты измеряли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии до и после проведения обработки ионообменной смолой. В результате было обнаружено, что степень удаления глицерина составляет 40,6%.
Контрольный пример 1
Испытание по удалению глицерина с помощью ионообменной смолы (без регенерации деионизированной водой)
Испытание по удалению глицерина осуществляли согласно той же методике, которая описана в примере 10, за исключением того, что в этом случае не проводили промывание деионизированной водой. Степень удаления глицерина в результате осуществления обработки ионообменной смолой составляла 4,7%.
Результаты примера 10 и контрольного примера 1 показали, что подвергая ионообменную смолу с адсорбированным на ней глицерином промыванию деионизированной водой, ионообменную смолу можно регенерировать.
Контрольный пример 2
Получение молочной кислоты периодическим брожением Осуществляя периодическое брожение, которое является наиболее обычным способом ферментации с помощью микроорганизмов, можно оценить выход молочной кислоты при периодическом брожении. Используя молочнокислую бродильную среду, проводили испытание по периодическому брожению. Данную среду использовали после автоклавирования (121°С в течение 15 минут). В качестве микроорганизма применяли сбраживающие дрожжи L-молочной кислоты SW-1 штамма, описанные в патенте WO 2009/004922, и концентрацию молочной кислоты как продукта оценивали методом HPLC, как описано ниже.
Колонка: Shim-Pack SPR-H (производитель фирма Shimadzu Corporation)
Подвижная фаза: 5 мМ пара-толуолсульфокислоты (скорость потока: 0,8 мл/мин)
Реакционный раствор: 5 мМ пара-толуолсульфокислоты, 20 мМ Bis-Tris, 0,1 мМ EDTA-2Na (скорость потока: 0,8 мл/мин)
Способ измерения: электропроводность
Температура: 45°С
Рабочие условия в контрольном примере 2 являлись такими, как указаны ниже.
Объем реакционного сосуда (количество молочнокислой бродильной среды): 2 (л)
Регулировка температуры: 30(°С)
Скорость вентиляции реакционного сосуда: 0,2 (л/мин)
Скорость перемешивания в реакционном сосуде: 400 (об/мин)
Регулировка рН: подводится 1 н раствором гидроксида кальция до рН 5
Штамм SW-1 выращивали в течение ночи в 5 мл молочнокислой бродильной среды в пробирке (пре-прекультура). Прекультуральную среду вводили в качестве затравки в 100 мл свежей молочнокислой бродильной среды, и осуществляли выращивание в 500 мл колбе Сакагучи (Sakaguchi) в течение 24 часов с потряхиванием (прекультура). Затем проводили ферментационное выращивание, регулируя температуру и рН. Количество выросших за это время бактерий в терминах поглощения при длине волны 600 нм составляло 15. Полученную молочнокислую бродильную жидкость (концентрация молочной кислоты 30 г/л, концентрация глицерина 1 г/л) использовали в приведенных ниже примерах.
Пример 11
Пример получения молочной кислоты с использованием молочнокислого выброженного полуфабриката
(Получение свободной молочной кислоты добавлением кислотного вещества)
Концентрированную серную кислоту (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) по каплям до достижения рН 2,5 добавляли к 40 л выращенного культурального выброженного полуфабриката, получаемого в контрольном примере 2, при перемешивании. Осажденный сульфат кальция отделяли фильтрованием, используя фильтровальную бумагу Qualitative Filter Paper №2 (производитель фирма Advantec), и собирали фильтрат.
(Фильтрование через нанофильтрационную мембрану)
Собранный в виде фильтрата водный раствор молочной кислоты фильтровали через модуль нанофильтрационной мембраны SU-610 (производитель фирма Toray Industries, Inc.) при рабочем давлении 2,0 МПа, а фильтрат собирали.
(Концентрирование водного раствора молочной кислоты) Полученный после прохождения через нанофильтрационную мембрану фильтрат концентрировали, используя обратноосмотический мембранный модуль SU-810 (производитель фирма Toray Industries, Inc.), и далее концентрировали посредством испарения воды при пониженном давлении (50 гПа), используя роторный испаритель (производитель фирма Tokyo Rikakikai), для приготовления 75%-ного водного раствора молочной кислоты. В результате анализа концентрации глицерина методом высокоэффективной жидкостной хроматографии таким же способом, который описан в примере 1, было обнаружено, что концентрация глицерина по отношению к молочной кислоте составляет 2,0 весовых %.
(Удаление глицерина адсорбцией посредством обработки ионообменной смолой)
К колонке с 25 мл сильнокислотной катионообменной смолы «Diaion» (зарегистрированная торговая марка) SK1B (производитель фирма Mitsubishi Chemical Corporation), заранее приготовленной в виде Н-типа, подводили 500 мл концентрированного водного раствора молочной кислоты со скоростью 2 SV/ч, и собирали элюат. Концентрацию глицерина в водном растворе молочной кислоты измеряли при таких же условиях, как в контрольном примере 2, методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (производитель оборудования фирма Shimadzu Corporation) до и после проведения обработки ионообменной смолой. В результате было обнаружено, что концентрация глицерина по отношению к молочной кислоте уменьшилась до 1,2 весового %. Эти результаты показали, что количество глицерина можно эффективно снизить, используя обработку ионообменной смолой.
(Дистилляция при пониженном давлении)
Подвергая 200 г обработанного ионообменной смолой водного раствора молочной кислоты дистилляции при пониженном давлении, составляющем 133 Па, при температуре 130°С, получали 156 г молочной кислоты. К полученной в результате молочной кислоте добавляли чистую воду для приготовления 90%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты. Концентрацию глицерина в 90%-ном (вес.) водном растворе молочной кислоты измеряли с помощью «F-kit Glycerol» (производитель фирма Roche Diagnostics). В результате было обнаружено, что содержание глицерина в 90%-ном (вес.) водном растворе молочной кислоты составляет 17 миллионных долей.
Сравнительный пример 2
Пример получения молочной кислоты с использованием молочнокислого выброженного полуфабриката в качестве исходного вещества
Молочную кислоту получали по той же методике, которая описана в примере 11, за исключением того, что в этом случае удаление глицерина адсорбцией посредством проведения обработки ионообменной смолой не осуществляли, и в результате дистилляции при пониженном давлении получали 146 г молочной кислоты. К полученной молочной кислоте добавляли воду для приготовления 90%-ного (вес.) водного раствора молочной кислоты. Концентрацию глицерина в 90%-ном (вес.) водном растворе молочной кислоты измеряли с помощью «F-kit Glycerol» (производитель фирма Roche Diagnostics) при тех же условиях, которые указаны в примере 11. В результате было обнаружено, что содержание глицерина в 90%-ном (вес.) водном растворе молочной кислоты составляет 72 миллионных долей.
Пример 12
Испытание на полимеризацию молочной кислоты и оценка физических свойств полимолочной кислоты
90%-ный (вес.) водный раствор молочной кислоты, полученный в примере 11, подвергали прямой дегидратационной поликонденсации и анализировали физические свойства получившейся в результате полимолочной кислоты. В оборудованном мешалкой реакционном сосуде при давлении 800 Па при температуре 160°С в течение 3,5 часов нагревали 150 г приготовленной в примере 11 молочной кислоты для получения одигомеров. После этого к олигомерам добавляли 0,12 г ацетата олова (II) (производитель фирма Kanto Chemical Co., Ltd.) и 0,33 г метансульфокислоты (производитель фирма Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) и полученную в результате смесь нагревали при давлении 500 Па при температуре 180°С в течение 7 часов для приготовления преполимера. Затем преполимер кристаллизовали, нагревая в печи при температуре 120°С в течение 2 часов. Полученный преполимер пульверизовали, используя молотковую мельницу, и пропускали через сито для получения порошкообразной массы со средним размером частиц 0,1 мм. На стадии твердофазной, полимеризации использовали 150 г преполимера и загружали его в печь, к которой подсоединяли масляный роторный насос, тем самым осуществляя вакуумно-тепловую обработку. Давление задавали равным 50 Па, а температуру нагрева устанавливали равной 140°С в течение 10 часов, 150°С в течение 10 часов и 160°С в течение 20 часов. Полученную полимолочную кислоту анализировали на температуру плавления с помощью GDSG (производитель оборудования фирма SII NanoTechnology Inc.) и анализировали степень потери массы при нагревании методом TG (производитель оборудования фирма SII NanoTechnology Inc.).
(Анализ температуры плавления полимолочной кислоты)
Температуру плавления приготовленной полимеризацией полимолочной кислоты определяли, используя дифференциальный сканирующий калориметр DSC7020 (производитель фирма SII NanoTechnology Inc.). Измерение осуществляли, используя 10 мг образца, в атмосфере азота при скорости нагревания 20°С/мин.
(Анализ степени потери массы полимолочной кислотой при нагревании)
Степень потери массы при нагревании для приготовленной полимеризацией полимолочной кислоты определяли с помощью термогравиметрического дифференциального термоанализатора TG/DTA7200 (производитель фирма SII NanoTechnology Inc.). Измерение осуществляли, используя 10 мг образца, в атмосфере азота при постоянной температуре 200°С в течение времени нагревания 20 минут. Температура плавления полимолочной кислоты, получаемой прямой полимеризацией молочной кислоты, составляла 167,3°С, а степень потери массы при нагревании составляла 4,6%.
Сравнительный пример 3
Испытание на полимеризацию молочной кислоты и оценка полимеризации полимолочной кислоты
Используя ту же методику, которая описана в примере 12, за исключением того, что в этом случае применяли молочную кислоту, приготовленную в сравнительном примере 2, получали полимеризацией и анализировали полимолочную кислоту. Температура плавления полученной полимолочной кислоты составляла 165,4°С, а степень потери массы при нагревании составляла 6,3%.
Эти результаты показывают, что получаемая согласно настоящему изобретению молочная кислота, в которой понижено содержание глицерина, является полезной в качестве исходного вещества для получения полимолочной кислоты, отличающейся превосходной температурой плавления и термостабильностью.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Молочную кислоту по настоящему изобретению можно надлежащим образом использовать не только в пищевой и фармацевтической области, но также и как мономерное вещество для получения полимолочной кислоты, которая представляет собой биодеградируемый пластик. Более того, молочную кислоту по настоящему изобретению можно надлежащим образом использовать в качестве исходного вещества для получения полимолочной кислоты с превосходной температурой плавления и термостабильностью.