專利名稱：純化有機酸的方法
本申請為分案申請，其母案申請的申請?zhí)枮?2826698.6，申請日為2002年12月11日，發(fā)明名稱為“純化有機酸的方法”。
背景技術(shù)：
本發(fā)明大體涉及生產(chǎn)有機酸如乳酸的方法。
乳酸具有多種商業(yè)用途，例如在食品生產(chǎn)、醫(yī)藥、塑料、紡織中及在各種化學(xué)工藝中作為起始材料。另外，它還用于生產(chǎn)聚乳酸——一種可降解塑料。
雖然可通過化學(xué)合成來制備有機酸，但通過發(fā)酵生產(chǎn)一般比較便宜。叢所周知，可通過利用諸如Lactobacillus delbrueckii微生物的發(fā)酵來生產(chǎn)乳酸。發(fā)酵所得到的肉湯中含有未發(fā)酵糖、碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)和鹽，也含有有機酸如乳酸。通常，有機酸從發(fā)酵肉湯中回收，并在使用前進行進一步純化?；厥兆园l(fā)酵肉湯的純化有機酸會含有少量雜質(zhì)，如強酸或某些未知的化合物。部分雜質(zhì)可能引起不希望的色澤，或者可能干擾有機酸的下游處理。例如商業(yè)性出售的乳酸一般含有少量雜質(zhì)，如丙酮酸、乙酸和草酸。即使這些雜質(zhì)存在的量相對較小，但對于用乳酸生產(chǎn)的聚合物而言，仍然具有負(fù)面影響。例如當(dāng)乳酸被聚合來生產(chǎn)聚乳酸(PLA)時，即使少量丙酮酸的存在也能引起聚合物具有不希望的黃色。然而，進一步純化第一種情況中只含有小部分丙酮酸的乳酸是困難的。
因此，對于用于生產(chǎn)和回收相對純凈的有機酸——特別是乳酸——來說需要改進的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面是一種純化含水原料物流的方法，所述含水原料物流含有所需的產(chǎn)物有機酸和至少一種強污染物。在某些實施方案中，含水原料物流可包括發(fā)酵肉湯或由發(fā)酵肉湯得到(此處提到的任何酸，無論是所需的產(chǎn)物或是污染物，均應(yīng)當(dāng)理解所述部分或所有酸均可以鹽的形式存在)。原料物流中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度可至少比強污染物的濃度大10倍，更優(yōu)選產(chǎn)物有機酸與強污染物的摩爾濃度之比為至少20。在某些實施方案中，產(chǎn)物有機酸與強污染物的摩爾濃度之比為至少90，在某些實施方案中，其值為至少500，以及在某些其它實施方案中，其值至少為1000。將含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑接觸，所述萃取劑在現(xiàn)有工藝條件(包括現(xiàn)存的酸、溶劑等的組合)下對強污染物相對于產(chǎn)物有機酸的選擇性大于3。所述選擇性——將在下面進一步定義——優(yōu)選大于15，更優(yōu)選大于約25，最優(yōu)選大于約100。優(yōu)選地，所述選擇性大于原料中產(chǎn)物有機酸與強污染物的比。
含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑的接觸步驟優(yōu)選在充分平衡或接近平衡階段進行，并利用足量的第一不混溶堿性萃取劑(如固體胺離子交換劑或液體胺萃取劑)來除去大部分強污染物。在某些實施方案中，第一不混溶堿性萃取劑先前已用于處理含有產(chǎn)物有機酸和至少一種弱污染物的溶液(例如它是被回收利用的)。
結(jié)果是，多數(shù)強污染物和小于約33wt％的產(chǎn)物有機酸與第一不混溶堿性萃取劑絡(luò)合。此處的“多數(shù)”指的是超過50％重量的物質(zhì)，在此情況下，所述物質(zhì)指的是存在的強污染物。也就是說，原料中超過50％重量的強污染物與萃取劑絡(luò)合。絡(luò)合后的第一不混溶堿性萃取劑與含水物流分離，從而產(chǎn)生第一排出物流，其含有產(chǎn)物有機酸，且產(chǎn)物有機酸與強污染物的比要比含水原料物流大。絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑與置換酸接觸。相對于強污染物或產(chǎn)物有機酸，第一不混溶堿性萃取劑對于置換酸具有更大的親合性，因此，一段時間后，產(chǎn)物有機酸和強污染物被從絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑中置換出來。這就產(chǎn)生含有大部分產(chǎn)物有機酸(即溶解或懸浮于物流中的固體約50％重量以上是產(chǎn)物有機酸)的第二排出物流和含有大部分強污染物的第三排出物流。
優(yōu)選地，第一排出物流和第二排出物流中產(chǎn)物有機酸的總量至少是原料物流中產(chǎn)物有機酸的約90％重量。更優(yōu)選地，在這些流體中至少約98％重量的產(chǎn)物有機酸得以回收。
在該方法的多種實施方案中，強污染物中包括有機酸，其pKal值要比產(chǎn)物有機酸的pKal值低。如果所需的產(chǎn)物有機酸是乳酸，則強污染物優(yōu)選具有小于約3.46的pKal值。在本發(fā)明某些具體的涉及以固體離子交換樹脂作為堿性萃取劑的實施方案中，強污染物選自丙酮酸、草酸、檸康酸、檸檬酸以及它們的混合物。
在其它實施方案中，強污染物可以是比所需有機酸產(chǎn)物更弱的酸(如更高的pKal)，但可能比產(chǎn)物具有更強的疏水和/或氫鍵結(jié)合特性。相對于所感興趣的有機酸，強污染物可通過含有溶劑或溶劑混合物的不混溶堿性萃取劑選擇性除去，比如是含有1M三月桂胺和1M十二烷醇以及以十二烷為稀釋劑的胺混合物。
當(dāng)不混溶堿性萃取劑含有溶劑混合物時，感興趣的有機酸優(yōu)選具有一定程度的疏水性或強的氫鍵結(jié)合特性，并且強污染物必須是(1)與所感興趣的酸具有相似的氫鍵結(jié)合和/或疏水特性，以及比所感興趣的酸更低的pKal(酸性低pKal物質(zhì))，或(2)具有足夠強的氫鍵結(jié)合和/或疏水特性，以致于盡管強污染物具有更高的相對pKal，其仍然能被除去。
因此，如果強污染物比有機酸產(chǎn)物具有更低的pKal，固體離子交換樹脂可被用作除去強污染物的萃取劑。例如如果需回收的有機酸是乳酸，則能用本發(fā)明涉及離子交換樹脂的方法除去的強污染物包括HCl、H2SO4，丙酮酸和草酸以及其它。然而，乙酸和丁酸不具有比乳酸明顯更低的pKal，因而它們不容易被離子交換樹脂所除去。但是，相對于有機酸產(chǎn)物而言，具有低pKal或高疏水性/氫鍵結(jié)合特性的強污染物能通過使用萃取劑而除去，其中所述萃取劑是溶劑或溶劑混合物。例如丙酮酸、H2SO4和丁酸能通過使用本發(fā)明的胺溶劑萃取劑而從含有乳酸的含水原料物流中除去。雖然第一不混溶堿性萃取劑可以采用各種形式，但優(yōu)選的是一種弱堿性離子交換樹脂。優(yōu)選地，弱性離子交換樹脂含有叔胺部分。該方法多種實施方案的一個優(yōu)點是進一步純化已經(jīng)含有非常低百分比雜質(zhì)的物流的能力。例如在一種實施方案中，原料物流中產(chǎn)物有機酸——比如乳酸——的摩爾濃度比原料物流中強污染物的摩爾濃度至少大20倍，同時選擇性大于約25。在另一種實施方案中，原料物流中產(chǎn)物有機酸——比如乳酸——的摩爾濃度比原料物流中強污染物的摩爾濃度至少大300倍，同時選擇性大于約500。
在該方法的一種實施方案中，原料物流、第一排出物流和第二排出物流進一步含有弱污染物。例如當(dāng)產(chǎn)物有機酸是乳酸時，弱污染物可以是pKal大于約4.26的有機酸，比如是丙酸、丁酸、丙二酸、乙酸、丙烯酸、琥珀酸或它們的混合物。對于具有多個酸基的酸如琥珀酸而言，只有電離的第一基團與pKal相關(guān)。對于只有一個酸基的酸而言，pKal與pKa是等價的。在這種情況下，所述方法進一步包括下述步驟將第一排出物流和第二排出物流混合從而形成混合產(chǎn)物有機酸物流，然后將混合產(chǎn)物有機酸物流與第二不混溶堿性萃取劑接觸。大部分產(chǎn)物有機酸與第二不混溶堿性萃取劑絡(luò)合。優(yōu)選地，至少90％重量的產(chǎn)物酸被絡(luò)合，更優(yōu)選為至少95％。然后絡(luò)合的第二不混溶堿性萃取劑可與物流分離，從而產(chǎn)生第四排出物流，其含有大部分存在于組合產(chǎn)物有機酸物流中的弱污染物。優(yōu)選地，第二不混溶堿性萃取劑含有弱或強堿性離子交換樹脂。
可選擇地，該方法的實施方案可進一步包括將第四排出物流與第三不混溶堿性萃取劑接觸，相對于弱污染物，所述第三不混溶堿性萃取劑對產(chǎn)物有機酸具有更大的親合性，因此，大部分存在于第四排出物流中的產(chǎn)物有機酸與第三不混溶堿性萃取劑絡(luò)合。然后，絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑可與物流分離，從而產(chǎn)生第五排出物流，其含有大部分存在于混合產(chǎn)物有機酸物流中的弱污染物。然后，絡(luò)合的第二不混溶堿性萃取劑和絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑可與一種或多種置換酸接觸，從而在一個或多個附加的排出物流中從中置換產(chǎn)物有機酸。
在該方法的另一變體中，第三排出物流與附加的不混溶堿性萃取劑接觸，相對于產(chǎn)物有機酸，所述萃取劑對于強污染物具有更大的親合性。結(jié)果是，大部分存在于第三排出物流中的強污染物與附加的不混溶堿性萃取劑絡(luò)合。絡(luò)合的附加不混溶堿性萃取劑與殘余物流分離，從而產(chǎn)生附加的排出物流，其含有大部分存在于第三排出物流中的產(chǎn)物有機酸。
本發(fā)明一個特別優(yōu)選的實施方案是純化乳酸的方法。此實施方案涉及提供一種含水原料物流，其含有乳酸(此處定義為包括它的任何鹽)和至少一種強污染物酸，所述強污染物酸具有小于約3.46的pKal。原料物流中乳酸的摩爾濃度比強污染物酸的摩爾濃度至少大20倍。將含水原料物流與第一堿性離子交換劑接觸，相對于乳酸而言，所述第一堿性離子交換劑對于強污染物酸具有更大的親合性，因此，大部分強污染物酸和部分乳酸與第一堿性離子交換劑絡(luò)合。絡(luò)合的第一離子交換劑與含水物流分離，產(chǎn)生第一排出物流，其含有乳酸，且乳酸與強污染物酸的比比含水原料物流更大。絡(luò)合的第一堿性離子交換劑與置換酸接觸，比如HCl、H2SO4或H3PO4，相對于強污染物酸或乳酸而言，第一堿性離子交換劑對于置換酸具有更大的親合性。一段時間后乳酸和強污染物酸從絡(luò)合的第一堿性離子交換劑中置換出來，產(chǎn)生含有大部分乳酸的第二排出物流和含有大部分強污染物酸的第三排出物流。
在該方法的部分實施方案中，強污染物酸選自丙酮酸、草酸、檸康酸、檸檬酸、以及它們的混合物。在該方法的某些實施方案中，原料物流中乳酸的摩爾濃度比原料物流中強污染物酸的摩爾濃度至少大100倍，且選擇性大于約250。在某些實施方案中，所述比值至少是300，選擇性大于約500。
優(yōu)選地，第一堿性離子交換劑對于置換酸的親合性比其對于丙酮酸的親合性至少大10倍。
優(yōu)選地，第一排出物流和第二排出物流中乳酸與強污染物的比都大于300。更優(yōu)選地，它們中乳酸摩爾數(shù)與強污染物摩爾數(shù)的比都大于約1000。在該方法的部分實施方案中，原料物流中至少90％重量——更優(yōu)選98％重量——的乳酸在第一排出物流和第二排出物流中得以回收。
在該方法的一種具體實施方案中，含水原料物流中，相對于每摩爾乳酸，其含有不超過約0.15摩爾陽離子，所述陽離子選自Ca、Mg、Na、Fe、Zn、Zr和Li；相對于每摩爾乳酸，其含有不超過約0.05摩爾陰離子，所述陰離子選自Cl、SO4、PO4和NO3；相對于每摩爾乳酸，其含有不超過約0.03摩爾強酸污染物，所述強酸污染物選自丙酮酸、草酸、檸康酸和檸檬酸；相對于每摩爾乳酸，其含有不超過約0.02摩爾弱酸污染物，所述弱酸污染物選自丙酸、丁酸、丙二酸和琥珀酸。
本發(fā)明的另一方面是一種純化乳酸的方法，其涉及提供一種含有乳酸(此處定義為包括它的任何鹽)和丙酮酸(此處亦定義為包括它的任何鹽)的含水發(fā)酵肉湯。在含水發(fā)酵肉湯中，乳酸的摩爾濃度比丙酮酸的摩爾濃度至少大20倍。從肉湯中除去細胞從而形成含水原料物流?？墒褂帽绢I(lǐng)域公知的任何方法來除去細胞(如離心或過濾以及其它)。含水原料物流與用于絡(luò)合丙酮酸的介質(zhì)接觸，相對于乳酸而言，所述介質(zhì)對于丙酮酸具有更大的親合性，因而大部分的丙酮酸和部分乳酸與之形成了絡(luò)合物。絡(luò)合物與含水物流分離，從而產(chǎn)生第一排出物流，其含有乳酸，且乳酸與丙酮酸的比比含水原料物流更大。絡(luò)合物與用于從中置換乳酸和丙酮酸的介質(zhì)接觸，從而產(chǎn)生含有大部分乳酸的第二排出物流和含有大部分丙酮酸的第三排出物流。
在某些實施方案中，第一不混溶堿性萃取劑是固體堿性萃取劑，且含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑在填料床中接觸。優(yōu)選地，在涉及填料床的實施方案中，第二排出物流中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度與強污染物的摩爾濃度間的比值在約10％選擇性內(nèi)。
在其它實施方案中，第一不混溶堿性萃取劑是液體堿性萃取劑，并在多步工藝中使含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑接觸。優(yōu)選地，產(chǎn)物有機酸與強污染物的比值在約10％選擇性內(nèi)。
此外，在某些實施方案中含水原料物流含有多種強污染物，且至少一種強污染物是置換酸。
某些實施方案涉及一種涉及含水原料物流的方法，所述含水原料物流含有所需的產(chǎn)物有機酸、至少一種強污染物和弱污染物。第一排出物流還含有弱污染物，且第一排出物流經(jīng)至少一次萃取或精餾(用本領(lǐng)域公知的方法)進行處理，從而產(chǎn)生至少兩個餾分，而純化的產(chǎn)物有機酸餾分，其含有約90％-99.5％重量的存在于原料物流中的產(chǎn)物有機酸，和弱污染物餾分，其含有產(chǎn)物有機酸和弱污染物。弱污染物餾分中產(chǎn)物有機酸摩爾濃度與弱污染物摩爾濃度的比值小于原料物流中產(chǎn)物有機酸摩爾濃度與弱污染物摩爾濃度的比值。將弱污染物餾分與第三不混溶堿性萃取劑接觸，相對于弱污染物，所述第三不混溶堿性萃取劑對于產(chǎn)物有機酸的選擇性大于約3，大部分產(chǎn)物有機酸和小于約33％的弱污染物與第三不混溶堿性萃取劑絡(luò)合。絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑與含水物流分離，從而產(chǎn)生含有弱污染物的排出物流。含弱污染物的排出物流中，弱污染物與產(chǎn)物有機酸的比要比含水原料物流更大。絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑與置換酸接觸，相對于產(chǎn)物有機酸或弱污染物，第三不混溶堿性萃取劑對于置換酸具有更大的親合性。置換酸以足夠的量存在從而使產(chǎn)物有機酸和弱污染物在一段時間后從絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑中置換出來，從而產(chǎn)生含有大部分弱污染物的弱污染物排出物流和含有大部分產(chǎn)物有機酸的產(chǎn)物有機酸物流。優(yōu)選地，純化的產(chǎn)物有機酸餾分含有約95％重量-99.5％重量的存在于原料物流中的產(chǎn)物有機酸。
某些實施方案涉及一種純化有機酸的方法，其包括提供一種含有產(chǎn)物有機酸和至少一種強污染物的含水原料物流。產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大20倍。含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑接觸，相對于產(chǎn)物有機酸，所述第一不混溶堿性萃取劑對于強污染物的選擇性大于約3。大部分強污染物和小于約33wt％的產(chǎn)物有機酸與第一不混溶堿性萃取劑絡(luò)合。絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑與含水物流分離，從而產(chǎn)生第一排出物流，其含有產(chǎn)物有機酸，且產(chǎn)物有機酸與強污染物的比比含水原料物流更大。絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑經(jīng)至少一種下述處理(1)改變溫度，(2)改變?nèi)軇舛?，?3)改變置換劑濃度。這種處理導(dǎo)致一段時間后產(chǎn)物有機酸和強污染物從絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑中被置換出來，從而產(chǎn)生含有大部分產(chǎn)物有機酸的第二排出物流和含有大部分強污染物的第三排出物流。改變?nèi)軇舛瓤墒褂帽绢I(lǐng)域公知的方法而實現(xiàn)，如蒸發(fā)存在于含水原料物流中的溶劑。此外，可通過組合應(yīng)用溫度改變、溶劑改變和/或置換酸或堿濃度來獲得所需產(chǎn)物或雜質(zhì)從絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑中的選擇性釋放。如上文所述置換劑可以是置換酸或置換堿。堿如NaOH可用作置換劑，然后通過本領(lǐng)域公知的方法對置換出的材料進行處理，從而回收所需的產(chǎn)物有機酸。
部分乳酸純化方法可涉及源自含水乳酸原材料的發(fā)酵，所述含水乳酸原材料經(jīng)過預(yù)處理使其適合作為主溶劑萃取的原料。這種源于含水乳酸原料的發(fā)酵預(yù)處理可包括經(jīng)過濾而仔細分離固體和任選經(jīng)膜過濾而分離溶解的大分子物質(zhì)。進一步，可用陽離子交換劑除去陽離子，以及用常規(guī)的固體陰離子交換劑或相同的用于乳酸主萃取的胺基萃取劑(如胺、增強劑和稀釋劑)除去陰離子。當(dāng)相對于脫陽離子的原料限量使用時，其可選擇性萃取比乳酸更強的無機酸。后面的步驟通常稱為預(yù)萃取。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過實施預(yù)萃取，其中使用專門用于此目的且與適用于主萃取的組合物不同的組合物為萃取劑，就如本發(fā)明中一樣，總體的乳酸回收是有效的。因此，優(yōu)選的實施方案包括順序的兩次溶劑萃取步驟(如預(yù)萃取和主萃取)，每次應(yīng)用專門針對其功能的胺基萃取劑。預(yù)萃取階段中使用的貧萃取劑比主萃取階段使用的富萃取劑具有明顯更低的胺濃度和更低的增強劑/胺摩爾比。
在預(yù)萃取階段加入初始含水乳酸原料和專門為此階段選擇的萃取劑(貧萃取劑)。優(yōu)先于乳酸萃取的無機酸以及有機酸被注入含水物流中，同時乳酸保持在第二含水物流中(如第一排出物流)，所述第二含水物流進入主萃取階段。主萃取階段使用與貧萃取劑大不相同的專門萃取劑(富萃取劑)。從主萃取階段經(jīng)反萃取后在含水物流中獲得純?nèi)樗幔瑫r將雜質(zhì)注入側(cè)線物流。
兩次溶劑萃取步驟，每次有其獨特的溶劑組合物，這種方法結(jié)構(gòu)具有附加的優(yōu)勢，其提供了使用非溶劑輔助分離方法來進一步純化的選擇。因而當(dāng)用于含乳酸物流——其與主流相比是小的且通常還含有更少量的雜質(zhì)——時，在這種情況下通常可使用的精餾或者模擬移動床層析法成為可行的。次要物流——一般是內(nèi)部循環(huán)物流可全部或部分轉(zhuǎn)向輔助分離方法，并在第二次聚物流中排除雜質(zhì)并回收乳酸。
本發(fā)明的某些實施方案涉及一種純化乳酸的方法。含有游離乳酸和至少一種污染物的含水原料物流與貧液體萃取劑接觸，大部分污染物在預(yù)萃取階段與貧液體萃取劑絡(luò)合。舉例來說，含水原料物流可以是發(fā)酵肉湯。貧液體萃取劑中，相對于每千克貧液體萃取劑，其含有小于約0.75摩爾胺；相對于每摩爾胺，其含有約0-0.5摩爾增強劑；以及稀釋劑。絡(luò)合的貧液體萃取劑在預(yù)處理階段與含水原料物流分離，從而產(chǎn)生第一排出物流，其含有游離乳酸，且游離乳酸與污染物的比要比未絡(luò)合的含水原料物流大。然后將第一排出物流與主萃取階段中的富液體萃取劑接觸，第一排出物流中的大部分游離乳酸與富液體萃取劑絡(luò)合。富液體萃取劑含有與貧液體萃取劑中相同的胺、增強劑和稀釋劑，然而，富液體萃取劑中，相對于主萃取階段的每千克富液體萃取劑，其含有胺的摩爾量要比預(yù)處理階段每千克貧液體萃取劑中胺的摩爾量更大，并且富液體萃取劑中增強劑摩爾量與胺摩爾量的比要比貧液體萃取劑中的更高。負(fù)荷量應(yīng)使第一排出物流中游離乳酸的摩爾量與富液體萃取劑中胺的摩爾量之比小于約1.1。該方法可選擇地進一步包括對含有乳酸和富液體萃取劑的絡(luò)合物用水進行反萃取，從而產(chǎn)生含水的產(chǎn)物乳酸物流。
附圖的簡要描述

圖1是本發(fā)明一種實施方案的工藝流程圖。
圖2是本發(fā)明另一種實施方案的工藝流程圖，其包括除圖1所示步驟之外的可實施步驟。
圖3是本發(fā)明另一種實施方案的工藝流程圖，其包括除圖1所示步驟之外的可實施步驟。
圖4是本發(fā)明一種實施方案的工藝流程圖。
描述性實施方案的描述本發(fā)明的方法可用于回收和純化各種有機酸。該方法尤其適合于回收和純化具有2-8個碳原子的單羧酸、二羧酸或三羧酸。優(yōu)選地，所述有機酸為羥基有機酸(或者兩種或多種此種酸的混合物)。羥基有機酸可以是α、β、δ、γ或∈羥基酸。所述有機酸最優(yōu)選是乳酸。
本發(fā)明的方法可從發(fā)酵肉湯中回收純化的有機酸。然而，該方法也適合用于純化其它來源的有機酸，如商業(yè)乳酸。“88％乳酸”和“商業(yè)乳酸”指的是一般可商購乳酸，其實際上是單體乳酸、線性二聚乳酸或乳酰乳酸、短鏈乳酸低聚物、水、少量環(huán)狀二聚乳酸或丙交酯和少量雜質(zhì)的混合物。當(dāng)商業(yè)乳酸被大量的水稀釋時，二聚物和低聚物慢慢水解或轉(zhuǎn)變成單體形態(tài)的乳酸。當(dāng)用水將濃縮的乳酸稀釋到50wt％濃度時，最初存在的二聚物和低聚物將逐漸水解成一種主要是單體乳酸、但仍含有約3-4wt％的二聚乳酸及痕量更高級低聚物的混合物。
圖1表示的是用于從發(fā)酵肉湯中回收乳酸的方法的實施方案。將種子培養(yǎng)基10進料至含有發(fā)酵介質(zhì)的發(fā)酵罐12中。發(fā)酵產(chǎn)生含有所需有機酸——此處情況下為乳酸——的含水肉湯。在此專利中任何提到的有機酸，包括在權(quán)利要求中的，均應(yīng)當(dāng)理解部分或全部所述酸均可以以鹽的形式存在。簡言之，此處涉及的任何酸均包括任一形式(游離酸或鹽)或兩者的混合物。所述肉湯還含有一種或多種強污染物，在此情況下是丙酮酸，以及未發(fā)酵的糖和其它雜質(zhì)。在本發(fā)明的部分實施方案中，所需產(chǎn)物酸(如乳酸)的摩爾濃度與強雜質(zhì)(如丙酮酸)的摩爾濃度間的比大于約300。在某些實施方案中，所需產(chǎn)物酸(如乳酸)的摩爾濃度與強雜質(zhì)(如丙酮酸)的摩爾濃度間的比大于約500，并在某些實施方案中，其大于1000。
此處使用的“強污染物”指的是化學(xué)物質(zhì)，比如有機酸，相對于所感興趣的產(chǎn)物，所選擇使用的不混溶堿性萃取劑對其具有至少3倍以上的選擇性或親合性。
對于其中應(yīng)用含有陰離子交換樹脂的固體不混溶堿性萃取劑的本發(fā)明實施方案來說，將從有機酸含水原料物流中除去的強污染物可具有比將從原料物流中回收的有機酸更低的pKal值。
對于其中涉及含有溶劑的液體不混溶堿性萃取劑的本發(fā)明實施方案來說，強污染物為(a)比將從原料物流中回收的有機酸具有更低的pKal值，或者(b)與所感興趣的有機酸相比，強污染物具有相似或更高的pKal值，但所述強污染物是更疏水的或具有更多氫鍵結(jié)合基團或兩者兼而有之。
例如在固體離子交換萃取劑的情況下，草酸(pKa＝1.27)和丙酮酸(pKa＝2.48)在乳酸(pKa＝3.86)溶液中是強污染物。其它可存在于乳酸原料物流中的強污染物的實例包括檸康酸、檸檬酸和其它pKal值小于約3.46的有機酸。不能通過固體離子交換萃取劑除去的弱污染物可包括非酸性物質(zhì)如葡萄糖和弱酸如乙酸、琥珀酸和丁酸。
對于在20-30℃下用來從溶液中回收乳酸的液體胺基萃取劑，強污染物可包括如上述的強酸以及疏水性弱酸。可通過液體不混溶萃取劑除去的疏水性弱酸的實例是正丁酸、異丁酸和環(huán)狀弱芳香酸如苯甲酸及其它。
在該方法的部分實施方案中，原料可含有一種或多種具有未知化學(xué)組成的強污染物。例如某些商售的乳酸含有未知化學(xué)組成的污染物，其具有小于約3.46的表觀pKal值。使用本發(fā)明，可將含有此種乳酸的原料物流純化至部分未知污染物的濃度更低。肉湯14從發(fā)酵罐12中引出。肉湯中的細胞可被分離，例如通過過濾或離心分離，并被作為廢物流16而除去?？蛇x擇地，可通過除去強陰離子和/或陽離子對肉湯進行進一步純化。強陰離子諸如氯離子、硫酸根離子、磷酸根離子和硝酸根離子可從含有有機酸的中性或酸性pH物流中以高選擇性被選擇性除去?？杀怀サ膹婈栯x子包括Ca、Mg、K、Na、Fe、Zn、Zr和Li陽離子。例如可將發(fā)酵肉湯與陽離子交換劑(如強酸性陽離子交換劑)、陰離子交換劑(如弱堿性陰離子交換劑)或兩者順序接觸。
然后在步驟18中將肉湯14與第一不混溶堿性萃取劑接觸。優(yōu)選地，使用逆流完成這一操作。在眾多選擇中，可以使用混合沉降器。此萃取劑是“不混溶的”是因為其不和肉湯混合，但是萃取劑可以是或不是液體。例如萃取劑可含有胺化合物，所述胺化合物具有與一種或多種所存在的有機酸絡(luò)合的能力。具體地，此第一萃取劑對于強污染物(丙酮酸)的親合性應(yīng)大于其對于所需產(chǎn)物(乳酸)的親合性。此處使用的“親合性”指的是在現(xiàn)有工藝條件下與其它物質(zhì)如乳酸或丙酮酸絡(luò)合的趨勢，現(xiàn)有工藝條件包括所存在的酸、溶劑和其它成分的特定組合。相等的親合性指的是當(dāng)與50％乳酸和50％丙酮酸的溶液接觸時，所述萃取劑將與等量的兩種酸絡(luò)合。由于本發(fā)明的原料溶液中乳酸與丙酮酸的比通常較高，因此，萃取劑對于污染物(丙酮酸)的親合性應(yīng)遠大于其對于乳酸的親合性。優(yōu)選地，萃取劑對于丙酮酸的親合性比其對于乳酸的親合性至少大20倍。
胺液體萃取劑可包括伯、仲或叔胺。在某些實施方案中，胺是碳原子總數(shù)為約4-36的烷基胺。特定實例包括正丁胺、三正丁胺、辛胺、三正辛胺、二癸胺、十二烷基胺和三(十二烷基胺)(也稱為三月桂胺)以及其它。所述胺應(yīng)與含水原料溶液不混溶，從而能形成兩個相。本發(fā)明的液體萃取劑也可任選包括稀釋劑和/和增強劑。稀釋劑可作為堿性不混溶萃取劑的組分來降低其粘度，或增加萃取劑對于其它不需要物質(zhì)的選擇性，以及其它原因。合適的稀釋劑包括例如純或混合的芳族或脂族烴，比如是二甲苯、甲苯、癸烷、十二烷、煤油以及它們的混合物?！霸鰪妱敝傅氖且环N能增強堿性不混溶萃取劑性能的化學(xué)物質(zhì)。增強劑能加強堿性不混溶萃取劑強污染物絡(luò)合或不混溶萃取劑有機酸絡(luò)合和/或有助于溶解絡(luò)合物。合適的增強劑的實例包括選自醇、酮、二酮、脂肪酸、氯化物和其它本領(lǐng)域公知物質(zhì)的極性物質(zhì)，所述醇包括鏈烷醇和二醇。
優(yōu)選地，本發(fā)明使用的胺液體萃取劑含有形成單一均勻相的三種成分胺、增強劑和稀釋劑。在一種優(yōu)選的實施方案中，胺可以是至少具有約20個碳原子的脂族仲胺或優(yōu)選叔胺，從而確保水不溶性；稀釋劑可以是中性液體比如烴，用于為萃取劑和實際工藝條件下形成的液體有機相提供粘度；增強劑可以是有機化合物，其具有極性但實質(zhì)上是中性的，因而其不會影響酸堿反應(yīng)，這對于用胺萃取劑萃取酸是十分重要的。優(yōu)選地，增強劑是鏈烷醇如辛醇；酯如乙酸丁酯；或能與胺反應(yīng)而增強其堿強度的酮。
作為選擇，第一堿性萃取劑可包含堿性離子交換樹脂。如前所述，所述離子交換樹脂對于強污染物的親合性應(yīng)比其對于所需產(chǎn)物的親合性更大。合適的離子交換樹脂包括嘧啶樹脂、咪唑樹脂和叔胺樹脂以及其它。一個特別的實例是Ionac A365(Sybron Chemicals，Birmingham，New Jersey)。也可使用強堿性和弱堿性離子交換劑。優(yōu)選的是，該方法中第一萃取劑的用量足夠產(chǎn)生一個總絡(luò)合容量，其比理論上與所存在的全部丙酮酸或其它強污染物絡(luò)合所需的量更大。這樣，盡管部分乳酸也被絡(luò)合，但被絡(luò)合的丙酮酸餾分可達到最大化。
第一堿性萃取劑——其相對于乳酸而言對于丙酮酸具有更大的親合性——與存在于肉湯中的大部分丙酮酸形成絡(luò)合物。由于肉湯中相對較大的乳酸濃度，萃取劑也與乳酸形成部分絡(luò)合物，盡管其對于乳酸的親合性較低。因此，隨著大部分丙酮酸被除去，產(chǎn)生第一排出物流20，其中乳酸與丙酮酸的比要比在原始肉湯14中的更高。
然后，通過酸置換步驟24，可將第一堿性萃取劑與絡(luò)合的大部分丙酮酸和乳酸分離。將含有置換酸水溶液的物流26與第一萃取劑接觸，此時第一萃取劑仍與丙酮酸和乳酸絡(luò)合，所述置換酸如HCl、H3PO4、草酸、H2SO4或三氟乙酸。優(yōu)選地，置換酸具有約-2至1.8的pKa。置換酸也可存在于與其它有機酸及物質(zhì)的混合物中，比如HCl、H2SO4、草酸和乙酸的混合物。優(yōu)選地，置換酸的濃度為約1-40％，對于H2SO4而言更優(yōu)選為2-5％，對于含不同酸的混合物而言更優(yōu)選為20-30％。在不同酸混合物的情況下，此混合物中只有pKa為-2至1.8的酸才作為置換酸。
由于萃取劑(即離子交換劑)對于置換酸的親合性比其對于乳酸或是丙酮酸的親合性更大，因此，后兩種酸從絡(luò)合位點置換出來。由于萃取劑對于乳酸的親合性比其對于其它兩種酸的親合性更低，因此，乳酸傾向于首先被置換出，并作為富含乳酸的第二排出物流28而除去。該富含乳酸的物流可任選與第一排出物流20混合，從而形成一混合的乳酸產(chǎn)物流。優(yōu)選地，該物流含有至少約98％重量存在于原料中的乳酸，并且所含的丙酮酸和草酸都小于約20ppm，更優(yōu)選小于約10ppm，最優(yōu)選小于約2ppm。
在大部分乳酸已經(jīng)被置換出來后，丙酮酸開始被大量置換。因此產(chǎn)生富含丙酮酸的第三排出物流30，其可任選加以純化以用于需要此特定酸的方法中。
所產(chǎn)生的物流32含有第一萃取劑，所述萃取劑此時與置換酸絡(luò)合。此物流32經(jīng)堿性再生步驟34處理，期間含有堿如5％NaOH水溶液的物流36與絡(luò)合的第一萃取劑接觸。堿從萃取劑中置換出置換酸，從而產(chǎn)生再生的第一萃取劑物流38，其可被循環(huán)42至步驟18中使用。此操作還產(chǎn)生含有再生酸的物流40，其可任選循環(huán)至物流26中使用。
也可使用其它再生第一萃取劑的方法。
圖2表示的是可供選擇的下游處理步驟，當(dāng)該方法原始原料含有弱污染物及強污染物時，其十分適用。
此處使用的術(shù)語“弱污染物”與涉及固體胺萃取劑的本發(fā)明實施方案有關(guān)系，指的是比要回收的有機酸具有更大pKal值的化合物。
在針對液體胺混合物的情況使用的術(shù)語“弱污染物”指的是一種化合物，其比要回收的有機酸具有更大pKal值，且一般既非高度疏水的、又不傾向于與液體胺混合物中各種成分形成強的氫鍵。
例如對于固體基胺，pKal值為4.76的乙酸可在含有乳酸的原料物流中作為弱污染物。其它通常存在于乳酸原料物流、尤其是從發(fā)酵肉湯獲得的物流中的弱污染物的實例包括丙酸、丁酸、乙酸、丙二酸、琥珀酸和其它pKal值大于約4.26的有機酸。
例如對于為含有不混溶胺的混合物的液體萃取劑而言，pKal值為4.76的乙酸可在含有乳酸的原料物流中作為弱污染物。然而，在此情況下，在典型的溶劑中相對于乳酸而言，丁酸由于其疏水性而不是弱污染物。
在圖2中，第一排出物流20和第二排出物流28混合從而形成混合的乳酸產(chǎn)物流50。然后該混合產(chǎn)物流在步驟52中與第二不混溶堿性萃取劑接觸。第二不混溶堿性萃取劑可以是例如含有叔胺部分的弱堿性離子交換樹脂如Amberlite IR 35。優(yōu)選第二萃取劑對于乳酸的親合性大于其對于乙酸的親合性。此外，萃取劑存在的量應(yīng)足夠與物流中存在的基本上所有乳酸絡(luò)合。因此，第二萃取劑主要與乳酸形成絡(luò)合物，并在低得多的程度上與乙酸形成絡(luò)合物。該絡(luò)合物與殘余液體分離，成為物流56的一部分，從而離開第四排出物流54。
第四排出物流54與第三不混溶堿性萃取劑接觸，所述萃取劑優(yōu)選是堿性離子交換樹脂。合適的樹脂包括Amberlite IR 35。優(yōu)選此第三萃取劑對于乳酸的親合性比其對于丙酮酸的親合性更大。因此，第四排出物流中的大部分乳酸與離子交換劑絡(luò)合，并將絡(luò)合物在物流70中除去。富含弱污染物的第五排出物流68得以產(chǎn)生。
物流56和70含有第二和第三萃取劑主要與乳酸的絡(luò)合物。因而可通過將這些絡(luò)合物與置換酸物流58和72接觸來回收乳酸。由于相對于乳酸來說，第二和第三萃取劑對于置換酸具有更大的親合性，因此，乳酸被置換入附加的排出物流62和76中，其可以從中被回收。物流62和76優(yōu)選含有約90％重量以上的存在于混合物流50中的乳酸，更優(yōu)選至少約95％。
物流64和78含有與置換酸絡(luò)合的離子交換劑，其隨后可通過與堿(未在圖2中畫出)接觸得以再生，然后可在該方法中循環(huán)進一步使用。
圖3表示的是除圖1所示步驟之外另一組可選擇的步驟。當(dāng)原始原料中乳酸與丙酮酸的比(摩爾乳酸∶摩爾丙酮酸)大于約300時，該方法的這種變體是尤其有用的。在該方法的這種變體中，富含丙酮酸的第三排出物流30在步驟80中與附加的不混溶堿性萃取劑接觸。相對于乳酸，該萃取劑對于丙酮酸具有更大的親合性，并優(yōu)選是離子交換樹脂如Amberlite IR-35。因此，萃取劑主要與丙酮酸絡(luò)合，這些絡(luò)合物在物流84中除去。附加的富含乳酸的排出物流82得以產(chǎn)生，從中可回收乳酸。
然后，含有離子交換劑主要與丙酮酸的絡(luò)合物的物流84在步驟86中與含有置換酸的物流85接觸，所述物流85如4％HCl水溶液。萃取劑對于置換酸的親合性比其對于丙酮酸的親合性更大，因而隨著前者與萃取劑絡(luò)合后者被置換出來。丙酮酸在排出物流88中被除去，同時，含有置換酸絡(luò)合物的物流90進入再生步驟92，期間用堿物流94對絡(luò)合物進行處理。結(jié)果得到可在該方法中循環(huán)使用的再生樹脂物流98，和含有置換酸亦可循環(huán)應(yīng)用的排出物流96。
上述該方法實施方案取得了高選擇性，因而在從有機酸溶液或懸浮液中除去污染物是非常有效的，即使所述有機酸溶液或懸浮液起初是相對純的。這種選擇性除去以低濃度存在的雜質(zhì)的能力是本發(fā)明多種實施方案的一個主要優(yōu)點。此時所用的“選擇性”指的是在工藝條件下，包括所需產(chǎn)物酸、污染物、溶劑和其它與萃取劑接觸的成分的濃度，所述成分可以在多個液相中存在，此時所述萃取劑的表觀或有效選擇性。由于接觸約束和其它原因，選擇性(S)常常略小于理論選擇性。所述理論選擇性可表示為下式 式中提到的量可以是任何定量測量值，比如是氣相色譜峰或HPLC峰的面積、摩爾、克以及其它。選擇性應(yīng)大于約1，優(yōu)選遠大于1。優(yōu)選地，當(dāng)所需產(chǎn)物是乳酸時，選擇性至少為約10。優(yōu)選地，選擇性至少是理論選擇性的80％。更優(yōu)選地，選擇性至少為理論選擇性的約90％-95％，最優(yōu)選至少為理論選擇性的約99％。
優(yōu)選地，原料物流中有機酸摩爾濃度與強污染物摩爾濃度的比至少約等于對強污染物的選擇性。如果原料物流含有乳酸，優(yōu)選M乳酸與M丙酮酸(強污染物)的比大于約18。在該方法的部分實施方案中，有機酸與強污染物的比(M有機酸∶M強污染物)大于對于強污染物的選擇性(S)，而小于該選擇性的平方(S2)。而在該方法的其它實施方案中，原料中的這一比值甚至大于S2。
本發(fā)明的某些實施方案涉及純化乳酸的方法。此方法包括提供一種含有游離乳酸和至少一種污染物的含水原料物流100。在某些實施方案中，至少一種污染物選自馬來酸、丙二酸、富馬酸、草酸、檸檬酸、檸康酸、丙酮酸、2-酮基丁酸、2-羥基丁酸、乙酸、2-羥基-3-甲基丁酸、4-羥基-苯基丙酮酸、苯基丙酮酸、4-羥基-苯基乳酸、苯基乳酸以及它們的混合物。含水原料物流100可以是本領(lǐng)域所公知的任何物流。含水原料物流100可以是發(fā)酵肉湯或用本領(lǐng)域公知方法對肉湯部分純化后得到的流體。含水原料物流100的污染物包括pKal小于約3.46(例如乳酸的pKa)的酸。在某些實施方案中，污染物可選自丙酮酸、草酸、檸康酸、檸檬酸以及它們的混合物。
含水原料物流100可用第二種方法制備，其包括提供一種含有乳酸、至少一種污染物和固體的含水物流原料，并過濾所述含水物流原料來除去大部分(如大于約50％)固體。在某些實施方案中，含水物流原料可含有溶解的分子(比如發(fā)酵培養(yǎng)基、蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素、親脂性色素前體或有機酸以及其它)，第二種方法包括對過濾后的含水物流原料進行膜過濾，從而除去大部分溶解的分子。含水物流原料可含有陽離子(比如Ca、Na、K、Mg、Fe、Zn、Zr和Li及其它)，制備含水原料物流100的第二種方法可包括將過濾后的含水物流原料與陽離子交換劑接觸，從而除去大部分陽離子。在102(預(yù)萃取階段)，含水原料物流100與貧液體萃取劑104接觸。貧液體萃取劑104可用本領(lǐng)域公知方法再生，并在后續(xù)工藝中循環(huán)應(yīng)用。
貧液體萃取劑104中，相對于每千克貧液體萃取劑，其含有小于約0.75摩爾胺；相對于每摩爾胺，其含有約0-0.5摩爾增強劑；并含有稀釋劑。胺可以是例如仲或叔脂族胺。優(yōu)選地，所述胺總共具有20-36個碳原子，但可包括本領(lǐng)域公知的具有更多碳原子的胺萃取劑。在某些實施方案中，貧液體萃取劑包括叔胺，在每千克貧液體萃取劑中含有約0.2-0.5摩爾胺。增強劑可以是本領(lǐng)域公知的那些能與胺萃取劑相互作用以增強其堿性的增強劑。增強劑可選自鏈烷醇、二醇、酯、二酯、酮和二酮等公知增強劑。優(yōu)選地，所述增強劑是C3-C12的單羥基伯醇。在某些實施方案中，貧液體萃取劑104中相對于每摩爾胺含有約0.1-0.25摩爾增強劑。稀釋劑可選自芳族烴和脂族烴。優(yōu)選地，稀釋劑選自十二烷、癸烷、二甲苯、甲苯、煤油以及它們的混合物。含水原料物流100與貧液體萃取劑104之間的接觸102導(dǎo)致大部分污染物與貧液體萃取劑絡(luò)合。
絡(luò)合的貧液體萃取劑與含水原料物流分離，并產(chǎn)生第一排出物流106，其含有游離乳酸，且游離乳酸與污染物的比要比未絡(luò)合含水原料物流100中的更大。用本領(lǐng)域公知的方法再生絡(luò)合的貧液體萃取劑。在某些實施方案中，部分乳酸可以與貧液體萃取劑絡(luò)合，并且在再生萃取劑時，例如經(jīng)過輔助分離操作118后，乳酸可被循環(huán)126。
將第一排出物流106與富液體萃取劑110接觸108(主萃取階段)，第一排出物流106中大部分游離乳酸與富液體萃取劑110絡(luò)合。使用本領(lǐng)域公知的方法可再生富液體萃取劑110。與利用貧萃取劑的萃取102相同，利用富萃取劑的萃取108可具有經(jīng)過輔助分離124的內(nèi)部循環(huán)物流116，其中被排除的雜質(zhì)122成為廢物流120的一部分。未與富液體萃取劑110絡(luò)合的組分被排除在廢物流114中。富液體萃取劑110含有與貧液體萃取劑104中相同的胺、增強劑和稀釋劑，但每千克富液體萃取劑110中含有胺的摩爾數(shù)要比每千克貧液體萃取劑104中含有胺的摩爾數(shù)更大，并且富液體萃取劑110中增強劑摩爾數(shù)與胺摩爾數(shù)的比要比在貧液體萃取劑中更高。
針對富液體萃取劑110第一排出物流106的負(fù)荷量應(yīng)使第一排出物流106中游離乳酸的摩爾數(shù)與富液體萃取劑110中胺的摩爾數(shù)之間的比值小于約1.1，更優(yōu)選小于約0.95。
該方法可進一步包括用水對含有乳酸和富液體萃取劑的絡(luò)合物進行反萃取108，從而產(chǎn)生含水產(chǎn)物乳酸物流112。反萃取優(yōu)選在下述溫度下進行比富液體萃取劑和第一排出物流接觸步驟的溫度高約20℃以下。更優(yōu)選地，反萃取優(yōu)選在下述溫度下進行比富液體萃取劑和第一排出物流接觸步驟中的溫度高約15℃以下?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在近似相同溫度或沒有明顯不同的溫度下進行萃取和反萃取，可顯著提高用溶劑萃取方法所獲得的乳酸的純度水平。使用落在所定義的組成范圍內(nèi)的的胺基萃取劑并在所定義的乳酸負(fù)荷水平內(nèi)應(yīng)用，可很好地實現(xiàn)這一純度有益效果。
圖4所描述的具有兩個主萃取102和108的方法具有下述優(yōu)點對于在較小的側(cè)線物流126和116上實施無溶劑操作提供了選擇，所述操作在大物流如100、102、106、108和112上應(yīng)用可能是無效的。因此，118和124可以是精餾或模擬移動床(SMB)操作以及其它。與較大物流100、102、106、108和112相比，這種側(cè)線物流126和116通常含有更窄范圍的雜質(zhì)。這種小物流如126和116可以是內(nèi)循環(huán)流，其部分或全部被轉(zhuǎn)向輔助分離(如精餾、層析以及其它)。來自這種輔助分離的雜質(zhì)可被排入128和122，并可成為本發(fā)明主廢物流120的一部分。
圖1-4描述了可應(yīng)用步驟的某些特定組合，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到實施本發(fā)明的方法有多種。例如該方法可以按間歇、連續(xù)或半連續(xù)的方式進行。
從下述實施例中可進一步理解本發(fā)明的一些實施方案。
實施例1.相對于過量乳酸，樹脂IRA-35對于丙酮酸的選擇性。
表1

制備如表1所述的含有乳酸和丙酮酸的3ml原料水溶液。所述原料為45.3克/升乳酸和440毫克/升丙酮酸，其代表典型的發(fā)酵肉湯物流。在單步間歇平衡實驗中，將其在20℃下與弱堿性陰離子樹脂IRA-35接觸。觀察到，相對于乳酸而言，其對于丙酮酸的選擇性為14.69。在此單步間歇實驗中，共有81.8％的丙酮酸從溶液中轉(zhuǎn)移到離子交換樹脂上，而只有23.4％的乳酸被轉(zhuǎn)移。
實施例2.使用填料柱(多級)接觸器通過連續(xù)流對含有痕量丙酮酸和草酸的乳酸原料物流進行純化。
制備3種原料溶液來模擬含有乳酸的發(fā)酵肉湯。第一原料溶液(FS1)按下述制備將272.7g 88％的L-乳酸(Pfansteihl)、2.572g 95％的丙酮酸(Aldrich)、20.868g 10％w/v的草酸(LabChem，Inc.)和去離子水混合至4升體積。類似地，第二原料溶液(FS2)按下述制備將270.4g88％的L-乳酸、2.424g 95％的丙酮酸、20.756g 10％w/v的草酸和足量去離子水混合形成4升體積的溶液。第三原料溶液(FS3)按下述制備將272.7g 88％的L-乳酸、2.4g 95％的丙酮酸、20.7g 10％w/v的草酸和足量去離子水混合形成4升體積的溶液。
用Ionac A-365弱堿性陰離子交換樹脂(Sybron Chemicals，Inc.)——一種堿性不混溶萃取劑——填充40ml柱子。Ionac A-365具有多孔聚丙烯酸酯凝膠珠結(jié)構(gòu)，具體含具有多胺官能團的丙烯酸二乙烯基苯。用幾倍床層體積的去離子水洗滌填充于柱子中的樹脂。將填充柱去蓋，并置于環(huán)架上用于上流原料物流。
使用Eldex B-100-S-4不銹鋼往復(fù)泵來調(diào)整水、原料溶液和處理流體進入柱子的速度。原料溶液、水和處理流體在約19℃-21℃溫度下流過柱子。分別將乳酸原料FS1和FS2各4升、FS3 2.5升在超過52小時的時間內(nèi)先后泵送通過柱子。將溶液相繼進料至柱子底部，并在柱子頂部收集洗脫液。來自原料溶液的洗脫液餾分按下列次序收集6×30ml、2×120ml、29×240ml、1×40ml、8×240ml和9×30ml。先后用酸性溶液和堿性溶液處理柱子，從而還收集到4×40ml酸性洗脫液餾分、2×40ml去離子水洗滌餾分、4×40ml腐蝕性(如堿性)洗脫液餾分和2×40去離子水洗滌餾分。
通過HPLC先后對選擇的洗脫液餾分未稀釋地進行分析。在每次HPLC運行中將100μl的洗脫液餾分以每分鐘1.4ml的流量注入。所有分析都在19℃-21℃的室溫下進行。流動相在去離子水中含有10％乙腈和0.085％H3PO4。HPLC柱是長為300mm、直徑為7.8mm的Jordi有機酸柱。使用UV檢測設(shè)備(210nm)來檢測從HPLC柱中洗脫出的化合物。測定某些洗脫液餾分的pH值。
在收集上述餾分之后，按照近似用于前述餾分一半的流量收集兩個30ml的試樣，從而測定是否存在任何動力學(xué)限制?；谙旅娴臄?shù)據(jù)，顯然沒有動力學(xué)效應(yīng)。
在原料物流流過之后，對柱子進行再生。用2倍床層體積的去離子水、4倍床層體積的1N HCl對柱子進行洗滌，接著再用2倍床層體積的去離子水進行洗滌。然后，用4倍床層體積的1N NaOH進行洗滌，再用2倍床層體積的去離子水進行洗滌。原料溶液的流動和柱子的再生可用下述化學(xué)式描述原料處理R3N→R3N:乳酸→R3N:丙酮酸-R3N:草酸再生(1)R3N:丙酮酸和R3N:草酸+HCl→R3N:HCl+丙酮酸和草酸再生(2)R3N:HCl+NaOH→R3N+H2O+NaCl在酸和堿洗脫液餾分以及之后的水洗液中出現(xiàn)了多個新的峰。其中部分峰可能是由于樹脂相中丙酮酸和草酸之間的反應(yīng)。
起初樹脂以R3N的形式存在。當(dāng)原料溶液進料至柱子中后，不混溶堿性萃取劑與所有存在于原料物流中的酸絡(luò)合。隨著更多的原料溶液進料至柱子中，與不混溶堿性萃取劑絡(luò)合的乳酸被丙酮酸置換出來。隨著更多的原料溶液進料至柱子中，與不混溶堿性萃取劑絡(luò)合的丙酮酸被草酸置換出來。對在柱子上原料溶液流末端收集得到的洗脫液試樣進行的HPLC痕量分析顯示，在運行結(jié)束時草酸仍然幾乎全部被不混溶堿性萃取劑所吸收。當(dāng)洗脫液試樣中丙酮酸達到原料中克/升濃度的5％時，可能發(fā)生丙酮酸的穿透(丙酮酸被從不混溶堿性萃取劑中置換出來)。從HPLC數(shù)據(jù)看，這在192倍床層體積時發(fā)生。
由運行過程收集到的其它數(shù)據(jù)匯總于下表中。
表2原料溶液的HPLC痕量試樣峰面積

表3所涉及的酸的相對pKa值

表4洗脫液試樣與其原料的比較

丙酮酸面積對應(yīng)排出物中丙酮酸含量約2ppm或0.002克/升。
在原料溶液和洗脫液餾分的HPLC痕量分析中出現(xiàn)的幾種未知化學(xué)組成的雜質(zhì)，可能是來自樹脂生產(chǎn)的殘余單體的樹脂雜質(zhì)和存在于用于制備原料溶液的化學(xué)品中的雜質(zhì)。
表5基于3.5meq/ml的理論床層容量的穿透點處的床層負(fù)荷量

實施例3.來自乳酸共沸精餾的頂部餾出液的間歇處理.
通過共沸精餾和其它步驟對含有乳酸的發(fā)酵肉湯進行預(yù)純化。所述產(chǎn)品含有19ppm的丙酮酸和260.9g/L的乳酸。在簡單的間歇平衡吸收中，將4.5ml的這種材料用約1.2ml為羥基形式的弱堿性陰離子交換樹脂Sybron Ionac A-365進行處理。約38％的乳酸被除去。很明顯，約90％的丙酮酸被除去，剩下的產(chǎn)品中丙酮酸少于2ppm。據(jù)估計，相對于乳酸丙酮酸的選擇性為14.73。
另外觀察到，通過該處理，在該特定HPLC色譜分析方案中在7.27分鐘洗脫時間時，一種未知酸“強雜質(zhì)”被除去99％，選擇性為約54。
在下表中，基于折射率數(shù)據(jù)(未給出)，估計了在210納米波長下對于未知峰的色譜響應(yīng)因子，其顯示所述物質(zhì)的響應(yīng)因子要比丙酮酸的大4倍。
表6

實施例4.來自乳酸共沸精餾的頂部餾出液的連續(xù)處理.
通過共沸精餾和其它步驟對含有乳酸的發(fā)酵肉湯進行預(yù)純化。
所述產(chǎn)品不含有可檢測水平的丙酮酸、743g/L的乳酸和估計在7.27分鐘的0.22克/升未知峰。
在連續(xù)柱接觸模式中，將10.0ml的這種材料用約2.4ml為羥基形式的弱堿性陰離子交換樹脂Sybron Ionac A-365處理。
約15％的乳酸被除去。很明顯，98％的未知強雜質(zhì)被除去，從而產(chǎn)生此強雜質(zhì)小于4ppm的乳酸產(chǎn)物。
該實施例說明了本發(fā)明對于除去精確特性不明的強雜質(zhì)的效果。
實施例5.低pH發(fā)酵肉湯的連續(xù)處理。
制備兩種低pH的乳酸發(fā)酵肉湯(每種體積約為5.5升)并混合。用SAC(強酸性陽離子交換)樹脂(＞0.1摩爾樹脂/摩爾乳酸)和WBA(弱堿性陰離子交換)樹脂(～0.03摩爾樹脂/摩爾乳酸)對低pH肉湯進行處理。將SAC樹脂填充于兩個37mm×450mm柱子中，每個為480ml，先后操作并先后將WBA樹脂填充于兩個15mm×300mm柱子中，每個為53ml。
處理后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物具有非常低的丙酮酸含量，其比由ADM和Pfanstiehl提供的乳酸試樣中發(fā)現(xiàn)的更低。
表7除乳酸用g/l表示外，其它所有濃度以ppm表示

從表中數(shù)據(jù)可以看出，無機和有機酸都可以是強雜質(zhì)，都能被有效除去，盡管有高的乳酸含量。對于SAC使用1.4BV/小時的流量，對于WBA使用6BV/小時的流量。
實施例6.11升發(fā)酵肉湯的連續(xù)處理再生實施例5中使用的樹脂，并用新的一批發(fā)酵材料重復(fù)處理。在運行中收集到的典型的排出物流餾分含有62.8克/升乳酸和12.4ppm的丙酮酸。
實施例7.11升發(fā)酵肉湯的連續(xù)處理再生實施例6中使用的樹脂，并用新的一批發(fā)酵材料重復(fù)處理。收集到兩個餾分。離子交換處理后，各餾分通過蒸發(fā)濃縮到約28％w/w乳酸。蒸發(fā)前，濃度見表8。
表8

可以看出，丙酮酸含量從145毫克/升降低到0.5毫克/升。在只有少量乳酸損失的情況下，達到了丙酮酸含量近300倍的顯著下降。
陰離子樹脂得以再生，并且發(fā)現(xiàn)乳酸總原料質(zhì)量的0.64％和丙酮酸被吸附至離子交換樹脂。在這種情況下，強酸H2SO4和H3PO4存在于原料中，同時也作為置換酸。
可用附加的置換酸來再生樹脂，并優(yōu)于丙酮酸選擇性置換附加的乳酸。
陰離子交換樹脂得以再生，并且發(fā)現(xiàn)樹脂中M乳酸與M丙酮酸的比為19.34。據(jù)認(rèn)為這是由于樹脂的選擇性極限。不能超過這一負(fù)荷。
實施例8.用于系列強雜質(zhì)的液體不混溶胺和固體胺離子交換劑的比較制備52.78g/L乳酸和0.2-0.3g/L各種表中所列酸雜質(zhì)的酸混合物溶液。
用1.0ml Sybron Ionac A-365弱堿性陰離子樹脂來平衡8ml等份的酸混合物，并相對于乳酸測定其選擇性。
用5ml萃取劑Y來分別平衡各5ml等份的酸混合物，所述萃取劑Y由1.0摩爾三月桂胺和1.0摩爾十二烷醇組成，并以十二烷作為稀釋劑。
表9

實施例9.用置換酸置換后U38強堿性陰離子樹脂選擇性除去強雜質(zhì)在62ml柱子中制備Amberlite IRA-93強堿性陰離子樹脂，并使其再生為氫氧化物形式。用樹脂處理過量的濃乳酸發(fā)酵肉湯，所述發(fā)酵肉湯已預(yù)先用陽離子和弱堿性陰離子樹脂處理過。
用1N H2SO4對樹脂進行置換。收集到5個餾分。所獲的前兩個餾分含有大量的弱雜質(zhì)、乙酸和甲酸以及乳酸。后面的餾分含有大量丙酮酸和部分乳酸。
實施例10.原料中不同丙酮酸含量對除去和置換效率的影響的估算原料溶液中乳酸摩爾數(shù)與丙酮酸摩爾數(shù)的比為117∶1。用胺不混溶堿性萃取劑處理后，產(chǎn)物具有相當(dāng)?shù)谋?86∶1。因此，通過選擇性除去丙酮酸，乳酸已經(jīng)得到了純化。萃取劑含有5.6％摩爾存在于原料中的乳酸，這降低了收率。
通常，更多步驟或更長的萃取序列不會明顯改善這種情況。這是因為原料中已經(jīng)具有非常低的丙酮酸雜質(zhì)含量，而相對于乳酸，胺對于丙酮酸只有有限的18倍的選擇性。
假定每種物質(zhì)進入胺相的分配系數(shù)的值是常數(shù)。這是合理的，因為在萃取過程中濃度不會明顯改變。假定每種物質(zhì)的分配系數(shù)是獨立的，這也是合理的，因為在此情況下胺只是少量負(fù)荷。在低負(fù)荷下，胺萃取劑絡(luò)合物可受丙酮酸與胺1∶1的絡(luò)合物形成控制。這些絡(luò)合物的能量和分配與酸的pKa大致相關(guān)。此處用的胺可以不是高度增強的。例如，假定丙酮酸進入胺相的Kd為酸性游離胺相的丙酮酸摩爾/升值與酸性游離水相的丙酮酸摩爾/升值之間的比。丙酮酸的分配系數(shù)假定為5.0，乳酸則為0.278，從而選擇性為18.0。
表10使用相同乳酸濃度(0.66M)時丙酮酸原料濃度的影響

由于離子交換中有多個步驟，在第二床層體積后排出液中有效丙酮酸含量是非常低的。實踐中，觀察到2ppm的丙酮酸含量。假定床層相對于乳酸對丙酮酸的選擇性為18∶1，則在所有下述情況即其中床上離子負(fù)荷餾分Y丙酮酸大于約100/18＝5.56％w/w時，可在再生期間幾乎徹底使乳酸與丙酮酸分離。如果負(fù)荷量小于此值，則需要對此排出液進行后續(xù)的附加離子交換處理。上述例子針對的是在離子交換劑上所有物質(zhì)全部脫附的情形，而沒有將排出液分餾，這是理想的。
實施例11.重復(fù)實施例10的估算，但改變?nèi)樗釢舛缺?1具有相同丙酮酸濃度的原料中改變?nèi)樗釢舛扔绊?

對于給定的丙酮酸含量而言，當(dāng)乳酸濃度增大時，乳酸在床上的分餾負(fù)荷下降。這使獲得單獨的乳酸和丙酮酸餾分更困難。
上述對本發(fā)明特定實施方案的描述并不是本發(fā)明各種可能實施方案的窮舉。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，對于所述特定實施方案可作出的改變也將落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種純化有機酸的方法，其包括提供一種含有產(chǎn)物有機酸和至少一種強污染物的含水原料物流，其中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大20倍；將含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑接觸，相對于產(chǎn)物有機酸，所述第一不混溶堿性萃取劑對于強污染物的選擇性大于約3，從而大部分強污染物和小于約33wt％的產(chǎn)物有機酸與第一不混溶堿性萃取劑絡(luò)合；將絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑與含水物流分離，從而產(chǎn)生第一排出物流，其含有產(chǎn)物有機酸，且產(chǎn)物有機酸與強污染物的比要比含水原料物流中的更大；和將絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑與置換酸接觸，其中相對于強污染物或產(chǎn)物有機酸，第一不混溶堿性萃取劑對于置換酸具有更大的親合性，并且置換酸以足夠的量存在從而使產(chǎn)物有機酸和強污染物在一段時間后從絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑中置換出來，從而產(chǎn)生含有大部分產(chǎn)物有機酸的第二排出物流和含有大部分強污染物的第三排出物流；其中，存在于第一排出物流和第二排出物流中的產(chǎn)物有機酸總量為存在于原料物流中的產(chǎn)物有機酸的至少約90％重量。
2.權(quán)利要求1的方法，其中存在于第一排出物流和第二排出物流中的產(chǎn)物有機酸總量為存在于原料物流中的產(chǎn)物有機酸的至少約98％重量。
3.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大90倍。
4.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大500倍。
5.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大1000倍。
6.權(quán)利要求1的方法，其中選擇性至少為約15。
7.權(quán)利要求1的方法，其中選擇性至少為約25。
8.權(quán)利要求1的方法，其中選擇性至少為約100。
9.權(quán)利要求1的方法，其中強污染物是比產(chǎn)物有機酸具有更低pKa的有機酸。
10.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)物有機酸是乳酸。
11.權(quán)利要求10的方法，其中強污染物的pKa小于約3.46。
12.權(quán)利要求10的方法，其中強污染物選自丙酮酸、草酸、檸康酸、檸檬酸以及它們的混合物。
13.權(quán)利要求10的方法，其中選擇性大于約25。
14.權(quán)利要求10的方法，其中原料物流中乳酸的摩爾濃度比原料物流中強污染物的摩爾濃度至少大300倍，并且選擇性大于約500。
15.權(quán)利要求1的方法，其中第一不混溶堿性萃取劑含有弱堿性離子交換樹脂。
16.權(quán)利要求1的方法，其中置換酸選自HCl、H2SO4、H3PO4、草酸和三氟乙酸。
17.權(quán)利要求1的方法，其中原料物流、第一排出物流和第二排出物流進一步含有弱污染物，所述方法進一步包括將第一排出物流和第二排出物流混合從而形成混合產(chǎn)物有機酸物流；將混合產(chǎn)物有機酸物流與第二不混溶堿性萃取劑接觸，從而大部分產(chǎn)物有機酸與第二不混溶堿性萃取劑絡(luò)合；和將絡(luò)合的第二不混溶堿性萃取劑與所述物流分離，從而產(chǎn)生第四排出物流，其含有大部分存在于混合產(chǎn)物有機酸物流中的弱污染物。
18.權(quán)利要求17的方法，其進一步包括將第四排出物流與第三不混溶堿性萃取劑接觸，相對于弱污染物，所述第三不混溶堿性萃取劑對產(chǎn)物有機酸具有更大的親合性，從而大部分存在于第四排出物流中的產(chǎn)物有機酸與第三不混溶堿性萃取劑絡(luò)合；將絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑與所述物流分離，從而產(chǎn)生第五排出物流，其含有大部分存在于混合產(chǎn)物有機酸物流中的弱污染物；將絡(luò)合的第二不混溶堿性萃取劑和絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑與一種或多種置換酸接觸，從而在一個或多個附加的排出物流中置換產(chǎn)物有機酸。
19.權(quán)利要求17的方法，其中第二不混溶堿性萃取劑含有弱堿性離子交換樹脂，所述樹脂含有叔胺部分。
20.權(quán)利要求17的方法，其中產(chǎn)物有機酸是乳酸，弱污染物是pKa大于約4.26的有機酸。
21.權(quán)利要求20的方法，其中弱污染物是選自丙酸、丁酸、丙二酸、琥珀酸以及它們的混合物的有機酸。
22.權(quán)利要求1的方法，其進一步包括將第三排出物流與附加的不混溶堿性萃取劑接觸，相對于產(chǎn)物有機酸，所述附加的不混溶堿性萃取劑對于強污染物具有更大的親合性，從而大部分存在于第三排出物流中的強污染物與附加的不混溶堿性萃取劑絡(luò)合；將絡(luò)合的附加不混溶堿性萃取劑與殘余物流分離，從而產(chǎn)生附加的排出物流，其含有大部分存在于第三排出物流中的產(chǎn)物有機酸。
23.權(quán)利要求1的方法，其中原料物流含有發(fā)酵肉湯。
24.權(quán)利要求1的方法，其中第一不混溶堿性萃取劑包括固體堿性萃取劑，含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑在填料床中接觸，并且第二排出物流中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度與強污染物的摩爾濃度間的比值在約10％選擇性內(nèi)。
25.權(quán)利要求1的方法，其中第一不混溶堿性萃取劑包括液體堿性萃取劑，在多級工藝中使含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑接觸，并且產(chǎn)物有機酸與強污染物的比值在約10％選擇性內(nèi)。
26.權(quán)利要求1的方法，其中含水原料物流含有一種以上的強污染物，并且至少一種強污染物是置換酸。
27.權(quán)利要求1的方法，其中含水原料物流和第一排出物流進一步含有弱污染物，所述方法進一步包括對第一排出物流進行至少一次萃取或精餾處理，從而產(chǎn)生至少兩個餾分純化的產(chǎn)物有機酸餾分，其含有約90％-99.5％重量的原料物流中的產(chǎn)物有機酸，和弱污染物餾分，其含有產(chǎn)物有機酸和弱污染物，其中弱污染物餾分中產(chǎn)物有機酸摩爾濃度與弱污染物摩爾濃度的比值小于原料物流中產(chǎn)物有機酸摩爾濃度與弱污染物摩爾濃度的比值；將弱污染物餾分與第三不混溶堿性萃取劑接觸，相對于弱污染物，所述第三不混溶堿性萃取劑對于產(chǎn)物有機酸的選擇性大于約3，從而大部分產(chǎn)物有機酸和小于約33wt％的弱污染物與第三不混溶堿性萃取劑絡(luò)合；將絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑與含水物流分離，從而產(chǎn)生含有弱污染物的排出物流，且含弱污染物的排出物流中，弱污染物與產(chǎn)物有機酸的比要比含水原料物流中的更大；和將絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑與置換酸接觸，其中相對于產(chǎn)物有機酸或弱污染物，第三不混溶堿性萃取劑對于置換酸具有更大的親合性，并且置換酸以足夠的量存在從而使產(chǎn)物有機酸和弱污染物在一段時間后從絡(luò)合的第三不混溶堿性萃取劑中置換出來，從而產(chǎn)生含有大部分弱污染物的弱污染物排出物流和含有大部分產(chǎn)物有機酸的產(chǎn)物有機酸物流。
28.權(quán)利要求27的方法，其中純化的產(chǎn)物有機酸餾分含有約95％重量至99.5％重量的存在于原料物流中的產(chǎn)物有機酸。
29.權(quán)利要求1的方法，其中第一不混溶堿性萃取劑已預(yù)先用于處理含有產(chǎn)物有機酸和至少一種弱污染物的溶液。
30.一種純化有機酸的方法，其包括提供一種含有產(chǎn)物有機酸和至少一種強污染物的含水原料物流，其中產(chǎn)物有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大20倍；將含水原料物流與第一不混溶堿性萃取劑接觸，相對于產(chǎn)物有機酸而言，所述第一不混溶堿性萃取劑對于強污染物的選擇性大于約3，從而大部分強污染物和小于約33wt％的產(chǎn)物有機酸與第一不混溶堿性萃取劑絡(luò)合；將絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑與含水物流分離，從而產(chǎn)生第一排出物流，其含有產(chǎn)物有機酸，且產(chǎn)物有機酸與強污染物的比要比含水原料物流中的更大；和對絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑進行至少一種下述處理(1)改變溫度，(2)改變?nèi)軇舛龋?3)改變置換劑濃度，其中這種處理導(dǎo)致一段時間后產(chǎn)物有機酸和強污染物從絡(luò)合的第一不混溶堿性萃取劑中置換出來，從而產(chǎn)生含有大部分產(chǎn)物有機酸的第二排出物流和含有大部分強污染物的第三排出物流；其中，第一排出物流和第二排出物流中的產(chǎn)物有機酸總量至少為原料物流中存在的產(chǎn)物有機酸的約90％重量。
全文摘要
公開了一種用于純化含水原料物流(10)的方法，所述含水原料物流含有產(chǎn)物有機酸和強污染物如另一種有機酸。原料物流(10)中有機酸的摩爾濃度比強污染物的摩爾濃度至少大20倍。使原料物流(10)與不混溶堿性萃取劑(18)接觸，所述萃取劑對于所述污染物具有更大的親合性，并與污染物及部分有機酸絡(luò)合。將絡(luò)合的萃取劑與含水物流(10)分離，從而產(chǎn)生含有產(chǎn)物有機酸的第一排出物流(20)。使絡(luò)合的萃取劑與置換酸接觸，萃取劑對于置換酸比污染物具有更大的親合性。因此，產(chǎn)生含有有機酸的第二排出物流(28)和第三排出物流(30)。
文檔編號C07C59/08GK1982281SQ20061014856
公開日2007年6月20日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月3日
發(fā)明者M·C·M·科克雷姆, I·科瓦克斯, I·莫漢麥德努爾, D·海德爾, A·M·巴尼爾 申請人:泰特&萊爾組分美國公司