СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ЦИКЛИЧЕСКИХ СЛОЖНЫХ ДИЭФИРОВ АЛЬФА-ГИДРОКСИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ, СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИЛАКТИДА И ПРИМЕНЕНИЕ ЭТИХ СПОСОБОВ
METHOD OF PRODUCING BIODEGRADABLE INTERMOLECULAR CYCLIC DIESTERS OF ALPHA-HYDROXYCARBOXYLIC ACIDS, METHOD FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF POLYLACTIDE AND USE OF SAID METHODS

Изобретение относится к устройству для отделения биоразлагаемого межмолекулярного циклического сложного диэфира альфа-гидроксикарбоновой кислоты от смесей веществ, которые дополнительно содержат соответствующую этому сложному диэфиру альфа-гидроксикарбоновую кислоту. В частности, сложный диэфир представляет собой дилактид, а кислота представляет собой молочную кислоту. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу отделения дилактида от смеси материалов, основанному на модифицированном способе перегонки. Дополнительно, настоящее изобретение относится к полимеризационному устройству, в частности, для получения полилактида. Также указаны целевые применения как устройств, так и способа.
При производстве полилактида чистота мономера, дилактида, является важным параметром. Она определяет достигаемую молекулярную массу, и следовательно, механические свойства полимера. Мономер образуется в ходе деполимеризации преполимера молочной кислоты и обычно включает следующие примеси: воду, молочную кислоту, лактоиллактат и олигомеры молочной кислоты. Очистку мономера можно выполнять путем кристаллизации или путем ректификации. Например, в DE 69507957, а также в ЕР 1136480 описана очистка дилактида путем кристаллизации. При этом недостатком является то, что посредством одной стадии кристаллизации получают дилактид неудовлетворительной чистоты. Посредством многочисленных стадий кристаллизации фактически получают требуемую чистоту, однако это связано с большой трудоемкостью и высокими затратами.
Также очистка путем ректификации известна, например, из ЕР 6231536, US 5236560 или WO 2005/056509. При этом недостатком известных способов ректификации является то, что всегда необходимо использовать систему, включающую две ректификационные колонны, которые все же дают неудовлетворительные результаты. При этом в первой колонне легкие фракции (воду и молочную кислоту) отгоняют через верх, дилактид и олигомеры получают в сборнике. Во второй колонне дилактид получают в качестве очищенного верхнего продукта, а олигомеры - в сборнике.
В качестве альтернативы системе с двумя колоннами, описана ректификационная колонна с боковой выгрузкой (US 5236560), посредством которой достигают требуемой чистоты даже с помощью одной колонны, недостатком этого воплощения является то, что боковой поток необходимо извлекать в форме пара, что трудно осуществить на практике.
Молочная кислота представляет собой оптически активное вещество и существует в форме L(+) и D(-). Поэтому циклический сложный диэфир существует в трех энатиомерных формах, L, L-дилактида (L-дилактида), D, D-дилактида (D-дилактида) и L, D-дилактида (мезодилактида). L-дилактид и D-дилактид имеют идентичные свойства, за исключением оптической активности. Мезолактид представляет собой оптически неактивное вещество с более низкими температурами кипения и плавления, чем у L-дилактида или D-дилактида. Поэтому мезолактид можно отделить от L- или D-дилактида подобным образом как путем ректификации, так и путем кристаллизации. Описанные далее способы очистки для L-дилактида можно также использовать для D-дилактида без технических изменений.
Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение устройства или способа, с помощью которого можно достичь насколько возможно простого и эффективного отделения дилактида от смесей материалов, при получении дилактида с насколько возможно высокой чистотой материала и/или оптической чистотой.
Согласно изобретению, обеспечивают очистительное устройство для отделения биоразлагаемого межмолекулярного циклического сложного диэфира альфа-гидроксикарбоновой кислоты, имеющего формулу I
причем R выбран из водорода или линейных или разветвленных алифатических радикалов, содержащих от 1 до 6 атомов углерода,
от смесей материалов, содержащих сложный диэфир формулы I, а также соответствующую альфа-гидроксикарбоновую кислоту формулы II
которое включает по меньшей мере следующие компоненты, размещенные по высоте в следующей последовательности:
а) сверху по меньшей мере один дефлегматор, а также по меньшей мере одно выпускное отверстие;
б) по меньшей мере одну массообменную насадку (насадку), заполняющую устройство по диаметру по меньшей мере частично;
в) колонну с разделительной стенкой, разделенную на две зоны вертикальной разделительной стенкой (ректификационную колонну), причем каждая зона снабжена по меньшей мере двумя массообменными насадками (насадками), которые соответственно отделены друг от друга промежутком, причем первая зона (зона предварительного фракционирования) снабжена по меньшей мере одним впускным отверстием для подачи смеси материалов, а вторая зона (зона основного фракционирования) снабжена по меньшей мере одним боковым выпускным отверстием для удаления очищенного продукта, и по меньшей мере одно впускное отверстие, а также по меньшей мере одно боковое выпускное отверстие, соответственно, расположены в области по меньшей мере одного промежутка;
г) по меньшей мере одну дополнительную массообменную насадку (насадку), заполняющую устройство по диаметру по меньшей мере частично;
д) со стороны сборника по меньшей мере один испаритель и по меньшей мере одно выпускное отверстие,
причем отношение длины колонны с разделительной стенкой к общей длине очистительного устройства составляет от 0,5 до 0,9.
При этом массообменные насадки (насадки), которые присутствуют в очистительном устройстве, выбраны из средств, имеющих высокую площадь поверхности и поэтому обеспечивающих хорошее испарение протекающих через них жидкостей. В частности, для этой цели можно использовать, например, кольца Рашига и/или Полла, седловидные насадки, например седловидные насадки Берля, сферы, крючки, Top-Packs или насадки, выполненные из ткани. Предпочтительными являются насадки, выполненные из проволочной ткани, благодаря высокой разделительной способности и низкой потере давления. Это также обеспечивается посредством высокой площади поверхности, поскольку очистительное устройство имеет большое число теоретических тарелок и поэтому имеет высокую способность к разделению даже таких веществ, которые имеют очень близкие температуры кипения.
При этом разделительная стенка, разделяющая колонну с разделительной стенкой на зону предварительного фракционирования и зону основного фракционирования, может проходить симметрично, т.е. таким образом, что обе зоны имеют одинаковый объем, но также и таким образом, что одна из двух зон занимает больший объем, чем другая зона, т.е. обеспечивая асимметричное разделение. Асимметричное разделение, обеспечиваемое разделительной стенкой, может также быть таким, что разделительная стенка имеет наклон, и поэтому соотношение между двумя ректификационными зонами изменяется по длине колонны с разделительной стенкой.
В преимущественном воплощении очистительное устройство имеет соответствующие промежутки между компонентами, обозначенными (а)-(д), т.е. компоненты собраны таким образом, что они непосредственно не примыкают друг к другу. Благодаря этому существует возможность размещения в каждом промежутке очистительного устройства устройств для сбора жидкости, просачивающейся вниз через насадки, а также для перераспределения жидкости по поперечному сечению насадки. Эти устройства дают возможность обеспечить боковые выпускные отверстия для жидкости или пара, через которые можно осуществлять извлечение очищенного продукта.
При этом испаритель, размещенный со стороны сборника, предпочтительно представляет собой испаритель с падающей пленкой. С помощью испарителя с падающей пленкой достигают насколько возможно большой площади поверхности смеси материалов, предназначенной для испарения, что оказалось преимущественным, в частности, при обработке термочувствительных продуктов. Это обеспечивает возможность постоянного снижения времени пребывания смеси материалов в сборнике.
Колонна с разделительной стенкой очистительного устройства может быть скомпонована в различных преимущественных воплощениях. Таким образом, например, зона основного фракционирования может быть снабжена двумя массообменными насадками, которые разделены промежутком, и одно или более боковых отверстий может быть расположено на уровне этого промежутка.
Однако также, альтернативно этому, зона основного фракционирования может быть снабжена тремя массообменными насадками, которые, соответственно, разделены промежутком. Возможно воплощение, в котором оба промежутка, соответственно, снабжены по меньшей мере одним боковым отверстием, или воплощение, в котором только один из двух промежутков, например верхний или нижний промежуток, снабжен одним или более боковыми отверстиями.
Чтобы обеспечить возможность также и концентрирования или чистого приготовления оптических изомеров сложного диэфира, является преимущественным, если к по меньшей мере одному из боковых выпускных отверстий очистительного устройства последовательно присоединено по меньшей мере одно дополнительное очистительное устройство. Это может быть, например, ректификационное и/или кристаллизационное устройство, однако также возможно дополнительное очистительное устройство, скомпонованное согласно п.1, в качестве последующего очистительного устройства. Эта возможность представлена в п.13 и на Фиг.8. В принципе, при этом размещение дополнительных очистительных устройств возможно у каждого бокового выпускного отверстия очистительного устройства. Таким образом, возможны воплощения, в которых присутствует только одно дополнительное очистительное устройство или множество дополнительных очистительных устройств. При этом, в частности, предпочтительно, если дополнительное очистительное устройство присоединено к одному или более боковому выпускному отверстию колонны с разделительной стенкой. Однако также преимущественным является, если дополнительное очистительное устройство, в частности ректификационное устройство, присоединено к очистительному устройству непосредственно над разделительной стенкой через боковое выпускное отверстие, которое обеспечено в промежутке между разделительной стенкой и расположенной над ней насадкой.
При этом дополнительные очистительные устройства, в частности ректификационное, кристаллизационное устройства или дополнительное очистительное устройство, которое включает колонну с разделительной стенкой, преимущественно присоединены через рециркуляционный трубопровод к впускному отверстию колонны с разделительной стенкой. Следовательно, это обеспечивает по возможности наименьшее количество потерь изначально используемой смеси материалов в течение процесса разделения. Если дополнительное очистительное устройство представляет собой ректификационную колонну, предпочтительно осуществляют рециркуляцию нижнего продукта этой колонны.
Однако также преимущественным образом по меньшей мере одно дополнительное очистительное устройство может быть расположено перед впускным отверстием очистительного устройства. Аналогично, это дополнительное очистительное устройство может представлять собой ректификационное и/или кристаллизационное устройство. Посредством этого воплощения разделительная способность очистительного устройства согласно п.1 дополнительно улучшается.
Более того, поэтому возможно предпочтительное воплощение очистительного устройства, в котором дополнительное очистительное устройство присоединено перед и после очистительного устройства, которое включает колонну с разделительной стенкой.
Вышеупомянутые воплощения, в которых в дополнение к первому очистительному устройству, которое включает колонну с разделительной стенкой, также присоединены дополнительные очистительные устройства, либо перед ним и/или после него, обеспечивают возможность получения, в частности, при использовании сырых фракций дилактида, предназначенных для очистки, оптимальных выходов фракций, оптимизированных по мезолактиду. Таким образом, возможно получение фракций с содержанием мезолактида более 90%, при одновременной концентрации свободных кислотных групп ниже 10 ммоль/кг. Кроме того, возможно получение фракций с содержанием L-дилактида от 90 до 100%.
Согласно изобретению, также обеспечивают полимеризационное устройство для полимеризации биоразлагаемого межмолекулярного циклического сложного диэфира альфа-гидроксикарбоновой кислоты, имеющего формулу I
причем R выбран из водорода или линейных или разветвленных алифатических радикалов, содержащих от 1 до 6 атомов углерода, или, предпочтительно, представляющего собой дилактид, включающее вышеописанное очистительное устройство.
Предпочтительно, в полимеризационном устройстве после очистительного устройства может быть присоединен реактор полимеризации, который скомпонован, в частности, в виде двухступенчатого реактора и снабжен сосудом с мешалкой, а также по меньшей мере одним трубчатым реактором, последовательно соединенным с этим сосудом. Таким образом, в варианте такого типа происходит непосредственная дополнительная обработка очищенного дилактида. Однако также возможно, альтернативно этому, хранение дилактида до полимеризации в жидкой форме.
Таким образом, в этом воплощении также является предпочтительным, когда в полимеризационном устройстве после очистительного устройства присоединено конденсационное устройство для конденсации паров из верха ректификационной колонны (дефлегматор). При этом под конденсационным устройством понимают устройство, в котором пары из ректификационной колонны конденсируются в противотоке путем непосредственного контакта с промывочной жидкостью. Водный раствор кислоты формулы II используют в качестве конденсирующей или промывочной жидкости. Эти смеси материалов могут содержать в качестве дополнительных компонентов также воду и/или ди- или олигомеры кислоты формулы II.
Согласно изобретению, также обеспечивают способ по меньшей мере частичного отделения биоразлагаемого межмолекулярного циклического сложного диэфира альфа-гидроксикарбоновой кислоты, имеющего формулу I
причем R выбран из водорода или линейных или разветвленных алифатических радикалов, содержащих от 1 до 6 атомов углерода, от смесей материалов, содержащих сложный диэфир формулы I, а также соответствующую альфа-гидроксикарбоновую кислоту формулы II,
посредством следующих стадий:
а) подачи смеси материалов в очистительное устройство, снабженное колонной с разделительной стенкой, причем очистительное устройство снабжено по меньшей мере одним боковым выпускным отверстием;
б) разделения смеси материалов, причем кислота формулы II присутствует в парообразном агрегатном состоянии, и
в) извлечения очищенного сложного диэфира формулы I через по меньшей мере одно боковое выпускное отверстие.
При этом под по меньшей мере частичным отделением подразумевают, что сложный диэфир формулы I отделяют таким образом по меньшей мере частично от смеси материалов.
Сложный диэфир предпочтительно удаляют в жидком агрегатном состоянии после проведения отделения.
Молочная кислота, а также ее линейные олигомеры и полимеры имеют одну гидроксильную и одну карбоксильную концевую группу на молекулу. Поскольку карбоксильные концевые группы просто определить аналитически (кислотно-основным титрованием), чистоту дилактида определяют как концентрацию карбоксильных концевых групп.
Согласно изобретению, с помощью способа можно получить сложный диэфир формулы I очень высокой чистоты. Таким образом, предпочтительно, концентрация свободных групп карбоновой кислоты (карбоксильных концевых групп) составляет не более 50 ммоль/кг, предпочтительно не более 30 ммоль/кг, более предпочтительно не более 20 ммоль/кг, особенно предпочтительно не более 10 ммоль/кг.
Смесь материалов также может содержать дополнительные материалы, выбранные из группы, включающей воду, соответствующие олигомеры альфа-гидроксикарбоновой кислоты, имеющие формулу III
где n = от 1 до 10 и R определен, как в формулах I и II, и/или их смеси.
Способ также обеспечивает, что альфа-гидроксикарбоновую кислоту формулы II, а также воду выводят в качестве верхнего продукта, а олигомеры альфа-гидроксикарбоновой кислоты, имеющие формулу III, - в качестве нижнего продукта.
Согласно изобретению, смесь материалов можно подавать в колонну с разделительной стенкой в парообразном или жидком агрегатном состоянии или в виде двухфазной смеси.
Для проведения способа насколько возможно эффективно, предпочтительно массовая доля циклического сложного диэфира формулы I в смеси материалов, подаваемой в очистительное устройство, составляет по меньшей мере 50 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 75 мас.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 80 мас.%.
При этом очистительное устройство предпочтительно эксплуатируют под давлением менее 12 кПа (120 мбар), предпочтительно менее 10 кПа (100 мбар).
Введение смеси материалов в колонну с разделительной стенкой осуществляют при температуре от 90°С до 210°С, предпочтительно от 110°С до 140°С.
В частности, циклический сложный диэфир формулы I при этом представляет собой дилактид, а альфа-гидроксикарбоновая кислота формулы II представляет собой молочную кислоту.
Поскольку получение L-дилактида высокой чистоты является существенным, в преимущественном воплощении выполняют по меньшей мере одну дополнительную стадию разделения после извлечения дилактида. Это служит, в частности, для по меньшей мере частичного разделения L- и мезодилактида.
При этом возможны различные воплощения, однако ректификация и/или кристаллизация являются предпочтительными. Также преимущественно, если предварительно очищенную смесь материалов, удаляемую из очистительного устройства, подают в дополнительное очистительное устройство, которое скомпоновано согласно п.1 и, следовательно, снабжено дополнительной колонной с разделительной стенкой, причем в указанном очистительном устройстве отделение примесей, содержащих СООН группы, и/или оптических изомеров продолжают и увеличивают.
Однако также, альтернативно этому, эффективное разделение материалов (т.е. отделение дилактида от оставшихся компонентов смеси материалов), а также разделение стереоизомеров дилактида можно выполнять одновременно уже в колонне с разделительной стенкой. Для этой цели, в частности, предусмотрено воплощение, в котором колонна с разделительной стенкой снабжена по меньшей мере двумя боковыми выпускными отверстиями, причем первое боковое выпускное отверстие расположено относительно второго бокового выпускного отверстия ближе к верху очистительного устройства. Благодаря разнице между температурами кипения мезодилактида и L-дилактида, становится возможным извлечение богатой мезодилактидом фракции ближе к верху, а также извлечение богатой L-дилактидом фракции ближе к сборнику. Таким образом, способ является настолько эффективным, что содержание мезодилактида в богатой L-дилактидом фракции составляет не более 10 мас.%, предпочтительно не более 6 мас.%, особенно предпочтительно не более 4 мас.%, или содержание L-дилактида в богатой мезодилактидом фракции составляет не более 60 мас.%, предпочтительно не более 50 мас.%, особенно предпочтительно не более 40 мас.%.
В дополнительном преимущественном воплощении содержание мезодилактида в богатой L-дилактидом фракции, извлекаемой из очистительного устройства, может быть дополнительно снижено путем последующей кристаллизации.
Также является экономичным, если богатую мезодилактидом фракцию, образующуюся в ходе этого процесса кристаллизации, снова добавляют к смеси материалов, подаваемой в колонну с разделительной стенкой.
В другом преимущественном воплощении содержание L-дилактида в богатой мезодилактидом фракции, извлекаемой ближе к верху колонны с разделительной стенкой (5), дополнительно снижают путем последующей ректификации. В то же время содержание мезодилактида во фракции увеличивается и концентрация карбоксильных групп снижается. Таким образом, концентрация карбоксильных групп предпочтительно составляет не более 20 ммоль/кг, более предпочтительно не более 10 ммоль/кг, особенно предпочтительно не более 5 ммоль/кг, в частности не более 2 ммоль/кг. Доля мезодилактида предпочтительно составляет более 70 мас.%, более предпочтительно более 80 мас.%, в частности более 90 мас.%. Аналогично вышесказанному, равным образом предпочтительно снова добавлять богатую L-дилактидом фракцию, получаемую в ходе ректификации, к смеси материалов, подаваемой в колонну с разделительной стенкой.
В предпочтительном воплощении смесь материалов, изначально используемая в колонне с разделительной стенкой, поступает из предшествующего конденсационного устройства и/или кристаллизационного устройства.
Способ, в частности, подходит для эксплуатации ранее описанного очистительного устройства.
Очистительное устройство, а также способ применяют при очистке дилактида, для получения по существу энантиомерно-чистого L-дилактида и/или мезодилактида, и/или при получении полилактида. Как устройство, так и способ аналогичным образом пригодны для получения очищенного, по существу энантиомерно-чистого D-дилактида и для получения поли-D-лактида.
Способ предпочтительно подходит для получения полилактида с содержанием мезолактида более 70 мас.% из смеси материалов, содержащей мезодилактид, с помощью полимеризационного устройства, описанного выше, в котором сначала, в очистительном устройстве, осуществляют непрерывное отделение мезодилактида от смеси материалов, при непрерывном извлечении очищенного мезодилактида из очистительного устройства, а затем выполняют полимеризацию в полимеризационном устройстве.
n
При этом полимеризацию предпочтительно регулируют так, что получаемый полимезолактид имеет молярную массу 50000 г/моль<M<2000000 г/моль.
При этом доля мезолактида в получаемом полилактиде более 70 мас.%, предпочтительно более 80 мас.%, в частности более 90 мас.%.
Настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, а также описанные далее примеры, которые не ограничивают изобретения до параметров и интервалов значений, упомянутых в этих примерах.
Список чертежей
Фиг.1. Воплощение полимеризационного устройства согласно изобретению в связи с технологической схемой типичного способа осуществления получения полилактида из молочной кислоты.
Фиг.2. Очистительное устройство согласно изобретению с впускным отверстием и боковым потоком, из которого извлекают очищенный дилактид.
Фиг.3. Альтернативное воплощение очистительного устройства согласно изобретению, при помощи которого возможно одновременно осуществлять очистку дилактида, а также разделение на богатую мезолактидом и обедненную мезолактидом фракцию.
Фиг.4. Альтернативное воплощение очистительного устройства по Фиг.3, где обеспечена возможность размещения бокового выпускного отверстия вне области разделительной стенки колонны.
Фиг.5. Вариант очистительного устройства, в котором разделение мезо- и L-дилактида выполняют на отдельной технологической стадии (15) после очистки дилактида как вещества.
Фиг.6. Воплощение очистительного устройства согласно изобретению, к которому присоединена дополнительная ректификационная колонна (16) для снижения содержания L-дилактида в богатой мезолактидом фракции.
Фиг.7. Воплощение согласно изобретению, в котором присутствуют ректификационная колонна (16) и кристаллизационное устройство (18), чтобы оптимизировать степень чистоты как богатой мезолактидом фракции, так и богатой L-лактидом фракции.
Фиг.8. Другое воплощение очистительного устройства согласно изобретению, после которого присоединено дополнительное очистительное устройство (15), включающее колонну с разделительной стенкой, через боковое выпускное отверстие.
Фиг.9. Другое предпочтительное воплощение очистительного устройства, перед которым присоединено дополнительное устройство (15) предварительной очистки, перед впускным отверстием в колонну (5) с разделительной стенкой.
На Фиг.1 представлен общий непрерывный способ получения полилактида (ПЛА-способ) из молочной кислоты. При этом способ подразделяется на следующие частичные стадии, которые выполняют с отдельными компонентами, которые интегрированы в полимеризационное устройство 100 и далее поясняются более подробно. При этом полимеризационное устройство 100 включает очистительное устройство 1 по настоящему изобретению.
1. Концентрирование молочной кислоты
Исходным материалом для способа является молочная кислота. При этом содержание молочной кислоты должно быть выше 80 мас.%. Предпочтительно, содержание молочной кислоты составляет более 90%, поскольку вода должна быть удалена перед полимеризацией. При этом разделение воды и молочной кислоты выполняют в ректификационной колонне 101. При этом посредством всасывающего соединительного элемента 103 обеспечивают вакуум; воду, присутствующую в парообразной форме, конденсируют и удаляют сверху через дополнительный соединительный элемент 104. При этом подачу молочной кислоты выполняют непрерывно через дополнительный соединительный элемент 102. Дистиллят представляет собой чистую воду, продукт, присутствующий со стороны сборника, представляет собой молочную кислоту с концентрацией более 99 мас.%.
В дополнение к отделению воды от исходного материала (молочной кислоты), ректификационная колонна 101 также служит для разделения паров из реакторов 105а и 105b предварительной конденсации. При этом парообразные потоки включают молочную кислоту, лактоиллактат, дилактид и воду. Воду отводят через верх, молочная кислота и ее производные поступают в сборник ректификационной колонны и оттуда, вместе с концентрированной молочной кислотой, в первый реактор 105а предварительной конденсации.
2. Предварительная конденсация
Концентрированную молочную кислоту превращают в преполимер в двух последовательно соединенных реакторах 105а и 105b путем поликонденсации. Поликонденсация происходит при двух различных давлениях и температурах, чтобы оптимизировать степень превращения реакции. В первом реакторе 105а условия выбирают таким образом, что испарение молочной кислоты сводят к минимуму и в то же время облегчают удаление воды. На второй стадии поликонденсации скорость реакции увеличивают путем обеспечения более высокой температуры и в то же время давление снижают, чтобы дополнительно уменьшить концентрацию воды в расплаве. При этом средняя молярная масса (среднечисленная) преполимера составляет от 500 до 2000 г/моль.
3. Циклическая деполимеризация
Преполимер находится в химическом равновесии с циклическим димером молочной кислоты, дилактидом. Путем регулирования давления и температуры в реакторе 106 деполимеризации обеспечивают непрерывное образование лактида из преполимера и его испарение. Поток пара из реактора 106 деполимеризации в основном содержит лактид. Вода, молочная кислота и ее линейные олигомеры присутствуют только во второстепенных количествах. С реактором 106 деполимеризации связан конденсатор, с помощью которого частично конденсируют реакционные пары; при этом вода и большая часть молочной кислоты остаются в парообразной форме и их главным образом конденсируют в конденсационном устройстве 107. Конденсат из реактора 106 деполимеризации сначала и прежде всего содержит лактид, лактоиллактат (линейный димер молочной кислоты) и высшие линейные олигомеры. Конденсат также называют сырым лактидом. Лактид присутствует в двух стереоизомерических формах: оптически активный L-лактид и мезолактид, образованный из сочетания звеньев L(+)- и D(-)-молочной кислоты. D(-)-звенья частично происходят из исходного продукта, частично они образуются путем рацемизации L(+)-звеньев в ходе преполимеризации и деполимеризации.
4. Очистка лактида
Во время полимеризации с раскрытием кольца достигаемая молекулярная масса и, следовательно, существенные механические свойства полилактида зависят от степени чистоты лактида. При этом гидроксильные группы молочной кислоты и лактоиллактата, содержащиеся в качестве примесей, служат в качестве отправной точки полимеризации. Чем выше концентрация гидроксильных групп в лактиде, тем меньше становится достигаемая молекулярная масса. Концентрация гидроксильных групп в сыром лактиде после циклической деполимеризации является слишком высокой. Конденсированный лактид очищают в очистительном устройстве 1 согласно изобретению до требуемой концентрации гидроксильных групп. Очищенный лактид удаляют в виде бокового потока из очистительного устройства 1. Дистиллят и нижний продукт снова подают в процесс в различных местах. Кроме молекулярной массы полилактида, его свойства сильно зависят от D-содержания (количества структурных звеньев, имеющих D-конфигурацию).
5. Полимеризация с раскрытием кольца
Полимеризацию с раскрытием кольца выполняют в реакторе, выполненном из сочетания сосуда 109 с мешалкой и трубчатого реактора 110. В первом реакторе 109 низковязкий лактид полимеризуют с образованием ПЛА со степенью превращения приблизительно 50%. Катализатор и добавки однородно перемешивают в расплаве.
В трубчатом реакторе 110 реакцию полимеризации продолжают до достижения химического равновесия между полимером и мономером. Максимальная степень превращения мономера составляет приблизительно 95%. В ходе полимеризации вязкость увеличивается до приблизительно 10000 Па·с.
6. Демономеризация
Для получения стабильного полилактида концентрация мономера, составляющая приблизительно 5 мас.%, является слишком высокой. По этой причине следует выполнять демономеризацию. Этого достигают в двухшнековом экструдере 111 путем дегазации расплава. На основе того факта, что полимеризация с раскрытием кольца является равновесной реакцией, перед демономеризацией добавляют стабилизатор, чтобы предотвратить преобразование мономера в течение и после дегазации.
7. Гранулирование и кристаллизация
После демономеризации расплав удаляют из экструдера 111 и преобразуют в гранулят 112. При этом можно осуществлять как стренговое гранулирование, так и подводное гранулирование. В обоих случаях гранулят ПЛА необходимо кристаллизовать перед сушкой и упаковкой. Кристаллизацию выполняют при повышенной температуре и при перемешивании, до тех пор пока гранулы не перестают слипаться.
На Фиг.2 показано простейшее воплощение очистительного устройства 1 согласно изобретению. Это устройство включает следующие компоненты, начиная с верха: дефлегматор 2 для конденсации паров, поступающих из области 5 разделительной стенки, причем пары содержат, главным образом, легколетучие материалы, такие как, например, вода или молочная кислота; закрепленное наверху выпускное отверстие, а также соединенную с дефлегматором массообменную насадку 4, которая может быть, при необходимости, также отделена от дефлегматора 2 посредством дополнительного промежутка (не показан). Ниже массообменной насадки расположен промежуток 10', к которому примыкает область разделительной стенки колонны, которая обеспечивает разделение смеси материалов только в одной колонне. Колонна с разделительной стенкой снабжена вертикальной разделительной стенкой 6 и, следовательно, разделена на две зоны, а именно зону 7 предварительного фракционирования и зону 8 основного фракционирования. Две зоны соответственно снабжены двумя массообменными насадками 9, которые соответственно отделены друг от друга промежутками 10. При этом зона 7 предварительного фракционирования снабжена впускным отверстием 11 для подачи смеси материалов, в то время как зона 8 основного фракционирования снабжена боковым выпускным отверстием 12 для удаления очищенного дилактида. Ниже колонны 5 с разделительной стенкой расположен дополнительный промежуток 10', а также дополнительная массообменная насадка 13. Со стороны сборника обеспечен испаритель 14 с падающей пленкой, предпочтительно рядом с емкостью сборника устройства 1. При необходимости, испаритель 14 с падающей пленкой может быть отделен от массообменной насадки 13 посредством дополнительного промежутка. В области испарителя 14 с падающей пленкой также присутствует выпускное отверстие 3 для удаления линейных олигомеров, а также дилактида. Испаритель 14 с падающей пленкой установлен сбоку от блока колонны.
На Фиг.3 представлено воплощение, аналогичное Фиг.1, единственное отличие состоит в воплощении колонны 5 с разделительной стенкой. В отличие от воплощения по Фиг.2, здесь зона 8 основного фракционирования имеет три массообменные насадки 9, которые соответственно отделены друг от друга промежутком 10. При этом каждый из этих промежутков снабжен боковым выпускным отверстием 12. В результате такого воплощения колонны 5 с разделительной стенкой обеспечивают возможность того, что разделение материалов выполняют одновременно таким образом, что компоненты, присутствующие в поступающей смеси материалов, такие как молочная кислота и вода, отводят вверх, а олигомеры - в сборник, тогда как основной компонент - дилактид - можно удалять через боковые выпускные отверстия 12. В то же время при этом выполняют разделение стереоизомеров, причем обеспечивают возможность удаления богатой мезодилактидом фракции через верхнее из двух боковых выпускных отверстий 12, а богатой L-дилактидом фракции - через нижнее из двух боковых выпускных отверстий 12, так что одновременно выполняют разделение по составу отдельных компонентов, в дополнение к оптическому разделению стереоизомеров лактида.
При этом верхнее боковое выпускное отверстие 12 не обязательно расположено в области разделительной стенки 6, но также, как показано на Фиг.4, может быть обеспечено в промежутках 10 очистительного устройства 1, которые расположены еще выше. Также представлена возможность того, что множество боковых выпускных отверстий 12 находятся в различных положениях.
На Фиг.5 представлено воплощение, в котором очистительное устройство 1 скомпоновано только с одним боковым выпускным отверстием 12, к которому присоединено дополнительное очистительное устройство 15. Это очистительное устройство 15 может представлять собой либо ректификационную колонну 16, либо кристаллизационное устройство 18 (ср. Фиг.7) и служит для разделения L-дилактида и мезодилактида.
На Фиг.6 представлено воплощение, в котором разделение на богатую мезодилактидом фракцию и богатую L-дилактидом фракцию выполняют посредством очистительного устройства 1, причем богатую L-дилактидом фракцию отводят через боковое выпускное отверстие 12, которое расположено ближе к сборнику и в области колонны 5 с разделительной стенкой. Богатую мезодилактидом фракцию, которую удаляют из бокового выпускного отверстия 12, расположенного ближе к верху, подают в ректификационную колонну 16 для оптимизации содержания мезодилактида, причем обеспечивают возможность получения оптимизированной по мезодилактиду фракции с содержанием мезодилактида >90%. При этом из ректификационной колонны богатую L-дилактидом смесь с содержанием L-дилактида >80% получают со стороны сборника и подают обратно в питающий трубопровод 11 колонны 5 с разделительной стенкой посредством рециркуляционного трубопровода 17.
При этом на Фиг.7 показана форма устройства, как уже представлено на Фиг.6, причем дополнительно также присутствует устройство 18 для кристаллизации из расплава, чтобы дополнительно увеличить содержание L-дилактида в богатой L-дилактидом фракции. При этом L-дилактид выкристаллизовывается; мезодилактид остается в расплаве, и его подают в питающий трубопровод 11 колонны 1 через рециркуляционный трубопровод 17'. Полученный таким образом L-дилактид имеет содержание L-дилактида >99% и концентрацию карбоксильных групп <10 ммоль/кг, и следовательно, подходит для непосредственного применения в полимеризации и получении ПЛА.
На Фиг.8 показано очистительное устройство, где два очистительных устройства согласно изобретению, как описано в п.1, соединены последовательно. В этом воплощении левое очистительное устройство, представленное на Фиг.8, представляет собой, например, очистительное устройство согласно Фиг.3, которое включает колонну с разделительной стенкой, причем здесь обеспечены такие же компоненты с такими же ссылочными номерами. При этом очищенную смесь материалов, извлекаемую, например, из верхнего бокового выпускного отверстия, подают в дополнительное очистительное устройство 15 согласно изоберетнию, которое включает колонну с разделительной стенкой и представлено справа на Фиг.8. Соответствующие элементы очистительного устройства согласно изобретению, которые также обеспечены на дополнительном очистительном устройстве 15, здесь снабжены аналогичными ссылочными номерами 2а-14а. Это дополнительное очистительное устройство 15 снабжено, например, боковым выпускным отверстием 19, через которое, например, можно извлекать мезолактид высокой чистоты. Чтобы увеличить эффективность и обеспечить непрерывный процесс, выпускное отверстие дополнительного очистительного устройства 15, которое расположено со стороны сборника, соединено посредством выходного потока 17" с входным потоком 11 первого очистительного устройства 1.
Другой вариант очистительного устройства согласно изобретению представлен на Фиг.9. Здесь перед очистительным устройством 1, которое включает колонну с разделительной стенкой, присоединено дополнительное очистительное устройство 15, которое служит для предварительной очистки используемой смеси исходного продукта. Исходный продукт (11а, сырой лактид) разделяют в дополнительном очистительном устройстве на богатую L-дилактидом фракцию 3' и богатую мезодилактидом фракцию 11. Богатая мезодилактидом фракция 11 включает мезодилактид, L-дилактид, молочную кислоту и ее линейные олигомеры и остаточную воду. Эту фракцию разделяют в очистительном устройстве 1 на парообразный верхний продукт, жидкий боковой продукт, содержащий мезодилактид в высоком процентном содержании и карбоксильные группы, концентрация которых очень низкая, и нижний продукт, состоящий из олигомеров и L-дилактида.
Богатая L-дилактидом фракция 3' дополнительного очистительного устройства имеет содержание L-дилактида более 98% и концентрацию карбоксильных групп менее 10 ммоль/кг. При этом, в особенно предпочтительном воплощении, дополнительное очистительное устройство представляет собой кристаллизационное устройство.
Очистительное устройство 15 также можно использовать для предварительного разделения D-лактида (вместо L-лактида) и мезолактида.
Описания порядка проведения испытаний
На опытной установке приблизительно 2,6 кг/ч преполимера молочной кислоты деполимеризуют непрерывным способом с образованием парообразного дилактида. Пары из реактора представляют собой смесь дилактида, воды, молочной кислоты и лактоиллактата и линейных олигомеров молочной кислоты. Эти пары частично конденсировали в дефлегматоре, так что большая часть воды и часть молочной кислоты остается в парообразной форме. Дилактид, остаточная молочная кислота и ее олигомеры образуют конденсат (сырой дилактид). Производительность составляет приблизительно 2,5 кг/ч.
Измеряют содержание карбоксильных концевых групп (кислотно-основное титрование) и содержание мезодилактида (высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭСЖ) с хиральной колонкой), а также температуру плавления (дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)) сырого дилактида. На одном образце обычно получают следующие значения:
СООН=250 ммоль/кг,
содержание мезодилактида: 11,8%,
температура плавления: 87°С.
Затем сырой дилактид непрерывно подают в колонну с разделительной стенкой согласно Фиг.1.
Наверху колонны извлекают смесь дилактида и более легколетучих компонентов, таких как вода и молочная кислота, а из сборника колонны извлекают олигомеры молочной кислоты и остаточное содержание дилактида. Очищенный дилактид отводят в виде бокового потока.
2
3
Колонна с разделительной стенкой имеет диаметр 100 мм. Она заполнена насадкой, имеющей удельную площадь поверхности 750 м/м. Высота колонны без учета испарительной части и конденсаторной части составляет 9,75 м. Маятник с магнитным управлением, распределяющий обратный поток между двумя разделенными стенкой половинами, расположен выше двух разделенных стенкой половин. При этом коэффициент деления можно регулировать непрерывно.
Нагреватель мощностью 3 кВт (соответствующей 100%) расположен в сборнике колонны.
Пример 1
Температуру сборника регулируют до 160°С при постоянном входном потоке сырого дилактида. Получают потерю давления по колонне 600 Па (6 мбар) при давлении наверху, составляющем 3000 Па (30 мбар). Температуру охлаждающего агента для конденсатора устанавливают равной 115°С в предварительном потоке. Коэффициент деления составляет 7:5.
Производительность по чистому дилактиду составляет приблизительно 1500 г/ч.
Содержание карбоксильных концевых групп в чистом дилактиде составляет в среднем 43 ммоль/кг.
Пример 2
Температуру сборника регулируют до 164°С при постоянном входном потоке сырого дилактида. Давление наверху колонны регулируют до 2200 Па (22 мбар). Получают потерю давления по колонне 1000 Па (10 мбар). Температуру охлаждающего агента для конденсатора устанавливают равной 124°С в предварительном потоке. Коэффициент деления составляет 7:5.
764 г/ч удаляют в сборник, в случае производительности по чистому дилактиду, составляющей 1523 г/ч. Наверху колонны получают 209 г/ч.
Содержание карбоксильных концевых групп в чистом дилактиде составляет в среднем 12 ммоль/кг.
Пример 3
Поддерживали установочные параметры, как в примере 2, за исключением давления наверху колонны. Оно понижено до 2000 Па (20 мбар). Получают потерю давления 900 Па (9 мбар). Количество парообразного верхнего продукта увеличивается до 277 г/ч, 774 г/ч удаляют в сборник, и выход чистого дилактида составляет 1525 г/ч.
Содержание карбоксильных концевых групп в чистом дилактиде составляет не более 5 ммоль/кг.
Пример 4
Колонна с разделительной стенкой расширена из-за дополнительного бокового выпускного отверстия (см. Фиг.3), причем верхнее и нижнее боковые выпускные отверстия расположены в области разделительной стенки. Другие условия и установочные параметры являются такими, как в примере 2. Производительность по фракции дилактида, выпускаемой из верхнего бокового выпускного отверстия, составляет 400 г/ч, причем указанная фракция имеет содержание мезодилактида 42% и содержание карбоксильных концевых групп составляет 17 ммоль/кг.
Для нижней фракции дилактида измерены следующие значения:
производительность: 1600 г/ч,
содержание мезодилактида: 6%,
содержание карбоксильных концевых групп: 10 ммоль/кг.
Пример 5
Поддерживали установочные параметры, как в примере 4, за исключением того, что выгрузку богатой мезодилактидом фракции осуществляли в этом случае ниже конденсатора колонны, как показано на Фиг.4. Указанная фракция имеет содержание мезодилактида 68%, содержание карбоксильных концевых групп составляет 176 ммоль/кг, а производительность 330 г/ч.
Для нижней фракции дилактида измерены следующие значения:
производительность: 1600 г/ч,
содержание мезодилактида: 6%,
содержание карбоксильных концевых групп: 13 ммоль/кг.
Пример 6
Обедненную по мезодилактиду фракцию чистого дилактида, полученную в примере 4, подвергают фракционированной кристаллизации из расплава в лабораторных условиях. Для этой цели 400 мл жидкого дилактида наливают в стеклянную колбу емкостью 500 мл с двойной рубашкой и обогреваемым выпускным клапаном, устанавливают температуру в двойной рубашке равной 70°С и выдерживают при этой температуре в течение ночи. Следующим утром незакристаллизовавшуюся жидкую фракцию можно отделить от кристаллической фракции. Жидкая фракция имеет содержание карбоксильных концевых групп 122 ммоль/кг и содержание мезодилактида 30%.
Кристаллическую фракцию плавят при 110°С и извлекают. Измеренное содержание карбоксильных концевых групп составляет 12 ммоль/кг, а содержание мезодилактида - 2%.
Выкристаллизовавшуюся фракцию подвергают стадии дополнительной кристаллизации. Дважды кристаллизованный дилактид имеет содержание мезодилактида 0,4% и содержание карбоксильных концевых групп 2 ммоль/кг.
Пример 7
Используя промышленное программное обеспечение для вычислительной обработки технологических процессов, с помощью компьютера имитировали разделение путем ректификации богатой мезодилактидом фракции, полученной в примере 5, на богатый молочной кислотой верхний продукт, богатую мезодилактидом боковую фракцию и богатый L,L-дилактидом нижний продукт, что соответствует воплощению согласно Фиг.4.
Кривые давления паров для L,L-дилактида и мезодилактида получены из DE 3820299. Фазовые равновесия рассчитывали с помощью метода UNIFAC.
Ректификационная колонна характеризуется следующими параметрами:
верхнее давление
4500 Па (45 мбар)
потеря давления по колонне
1000 Па (10 мбар)
температура конденсата
145°С
число теоретических тарелок
47
тарелка входного потока
23
тарелка бокового выпускного отверстия
8
температура в сборнике колонны
166°С
Получают следующий состав продукта:
мезо-фракция:
95% мезодилактида, содержание карбоксильных концевых групп менее 20 ммоль/кг
L-фракция:
90% L,L-дилактида, 10% мезодилактида
верхний продукт:
76% мезодилактида, содержание карбоксильных концевых групп 2650 ммоль/кг
Пример 8
В примере 8 описано воплощение, в котором очистку богатой мезодилактидом фракции из очистительного устройства 1 выполняют в ректификационной колонне с разделительной стенкой (см. Фиг.8).
Колонну с разделительной стенкой для извлечения L,L-дилактида и для очистки мезодилактида эксплуатируют при следующих параметрах:
верхнее давление
1500 Па (15 мбар)
потеря давления по колонне
1000 Па (10 мбар)
верхняя температура (температура конденсации)
145°С
число теоретических стадий разделения
45
тарелка входного потока
15
боковое выпускное отверстие в нижней части
31
температура в сборнике
145°С
Колонна снабжена массообменными насадками типа Mellaoak, выпускаемыми компанией Sulzer. Рециркулирующий поток распределяют в отношении 1:2 относительно стороны входного потока и стороны выпуска продукта. Входной поток имеет концентрацию карбоксильных групп 150 ммоль/кг и содержание мезолактида 70%. Боковой поток из очищенного мезолактида все еще содержит 5% L,L-дилактида и карбоксильные группы в количестве 4 ммоль/кг. Нижний продукт содержит 24% мезолактида, его подают рециклом в первое очистительное устройство. Верхний продукт содержит 75% мезолактида и 2,700 ммоль/кг карбоксильных групп.
Пример 9
В примере 9 описано получение полимезолактида.
Мезолактид с 5% L,L-дилактида выводят в количестве 9 кг/ч из колонны с разделительной стенкой в виде бокового потока и подают в непрерывно эксплуатируемый реакционный сосуд с мешалкой. Содержание карбоксильных групп составляет 4 ммоль/кг. Кроме мезодилактида, в сосуд при перемешивании вводят дозированное количество октоата олова (II), соответствующее 300 частей на миллион олова относительно массы полимера.
Полимеризацию расплава в сосуде осуществляют при температуре 140°С и при времени выдержки 2 часа, до получения степени превращения мезолактида 60%. Якорная мешалка обеспечивает требуемую скорость перемешивания 150 об/мин. Частично преобразованный расплав покидает сосуд с мешалкой и поступает в трубчатый реактор, снабженный перегородками для стандартизации скорости потока через поперечное сечение. В трубчатом реакторе степень превращения возрастает в течение 4 часов до 95% на выходе при температуре 140°С. Стабилизация и демономеризация происходят таким же образом, как описано для полимеризации L-дилактида. То же справедливо для гранулирования.