乳酸和乳酸酯的催化脫水的制作方法

專利名稱：乳酸和乳酸酯的催化脫水的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由乳酸和乳酸衍生物制備丙烯酸及其衍生物的領(lǐng)域，所述乳酸和乳酸衍生物由生物原料發(fā)酵制備。
背景技術(shù)：
乳酸，即2-羥基丙酸(也稱a-羥基丙酸)是一種由生物質(zhì)通過發(fā)酵以低成本制備的商業(yè)化學(xué)品。乳酸具有羥基和羧基。兩種不同官能團(tuán)的存在使得乳酸成為用于制備傳統(tǒng)上衍生自石油化工原料的大量商業(yè)有機(jī)化學(xué)品如聚L-乳酸、丙烯酸、2，3-戊二酮、丙酮酸、丙酸、1，2-丙二醇、乙醛、二丙交酯和乳酸烷基酯的具有吸引力的原料。油價(jià)上漲以及使用可再生資源經(jīng)由生物發(fā)酵制備乳酸的效率的提高使得乳酸轉(zhuǎn)化成各種商業(yè)化學(xué)品更具吸引力。使用衍生自生物資源的乳酸商業(yè)化生產(chǎn)丙烯酸已成為經(jīng)濟(jì)上可行的選擇。丙烯酸(a，0 -不飽和酸)為一種可通過一步催化脫水衍生自乳酸的商業(yè)化學(xué)品。在2010年，由石油化工原料通過丙烯的兩步氣相氧化法生產(chǎn)了約4，400, 000公噸丙烯酸和約3，900, 000公噸丙烯酸酯。將丙烯酸用于生產(chǎn)高分子絮凝劑、超吸收劑、分散劑、涂料、油漆、膠粘劑、紙產(chǎn)品、建筑用化學(xué)品、水處理用化學(xué)品以及用于皮革、紙和織物的粘合劑。丙烯酸還可衍生自3-羥基丙酸的脫水。目前的工作是使用生物催化劑制備3-羥基丙酸(Straathof等，2005 ;Lunelli等，2008 ; Jiang等，2009)。然而，與目前的以商業(yè)規(guī)模發(fā)酵制備乳酸相比，發(fā)酵制備3-羥基丙酸仍處于其開發(fā)階段。當(dāng)由生物原料生產(chǎn)3-羥基丙酸的技術(shù)在商業(yè)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，本專利申請(qǐng)所描述且請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明可有效地用于由3-羥基丙酸制備丙烯酸和丙烯酸衍生物。本發(fā)明的目的在于提供一種由使用廉價(jià)可再生生物原料的發(fā)酵方法獲得的乳酸及其衍生物制備丙烯酸和丙烯酸酯的有效催化方法。更具體地，本發(fā)明的焦點(diǎn)在于尋找適于使乳酸和乳酸的各種酯以商業(yè)規(guī)模分別脫水成丙烯酸和丙烯酸酯的具有成本效率且可放大的生產(chǎn)方法。由乳酸和乳酸酯分別制備丙烯酸和丙烯酸酯包括從a -碳原子上除去羥基以及從相鄰的￠-碳原子上除去氫原子。因此，顯然該化學(xué)轉(zhuǎn)化的效率取決于所述脫水方法的速率常數(shù)。然而，實(shí)際上，乳酸和乳酸酯脫水的總效率取決于對(duì)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的抑制。例如，在適于所述脫水反應(yīng)的條件下，乳酸分子傾向于由自酯化反應(yīng)形成丙交酯(乳酸的二聚體)。丙交酯分子易于分解成一氧化碳、乙醛和水。

對(duì)通過在超臨界水或近臨界水下使乳酸脫水而制備丙烯酸進(jìn)行了很多努力。最初的試驗(yàn)在385° C和34.5MPa下進(jìn)行，初始乳酸濃度為0.1mol噸'停留時(shí)間為大約30秒。該試驗(yàn)的結(jié)果表明在添加H2SO4的情況下，更多地脫羰基化成乙醛；在添加NaOH的情況下，丙烯酸制備得以提高(Mok and Antal Jr., 1989)。Lira和McCracken (1993)報(bào)道了將少量(〈0.0lmol LlNa2HPO4添加至0.4mol L—1反應(yīng)溶液中可提高pH值并將丙烯酸的摩爾產(chǎn)率由35%提高至高于58%(基于乳酸的轉(zhuǎn)化)。顯然，添加Na2HPO4適度提高了丙烯酸制備的速率常數(shù)，同時(shí)抑制了競(jìng)爭(zhēng)性脫羰、脫羧和副反應(yīng)的速率常數(shù)。最近，Aida等(2009)使用流動(dòng)裝鉻在水中于高溫(450° C)和高壓(40-100MPa)下對(duì)乳酸的反應(yīng)進(jìn)行了研究。在該反應(yīng)中，作為主要產(chǎn)物制備了丙烯酸和乙醛。乙酸和丙酸作為少量產(chǎn)物獲得。在23%乳酸轉(zhuǎn)化率和0.8秒停留時(shí)間下，丙烯酸的最大選擇性為44%。數(shù)據(jù)和動(dòng)力學(xué)分析一致表明脫水和組合的脫羧和脫羰反應(yīng)在超臨界水中隨著壓力(水密度)的增大而持續(xù)提高。然而，高水密度提高了脫氫反應(yīng)的選擇性。在開發(fā)用于由乳酸制備丙烯酸的化學(xué)催化劑方面也存在持續(xù)的興趣(Fan等，2009)。Holman(美國(guó)專利2，859，240)首次表明乳酸和乳酸酯的氣相脫水分別形成了丙烯酸和丙烯酸酯。該氣相脫水反應(yīng)涉及使用由第I和II族金屬的硫酸鹽和磷酸鹽構(gòu)成的催化劑。該催化脫水反應(yīng)在200-600oC的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，且取決于所用催化劑的組成，轉(zhuǎn)化率為9-23%。美國(guó)專利4，729，978公開了一種制備適于將乳酸脫水為丙烯酸的酸性脫水催化劑的方法。在所述催化劑的制備中，用磷酸鹽浸潰選自二氧化硅、鈦和鋁的金屬氧化物載體。進(jìn)一步用堿緩沖所述經(jīng)浸潰的載體以改善所述催化劑對(duì)丙烯酸制備的選擇性，同時(shí)降低不希望產(chǎn)物如乙醛的水平。美國(guó)專利4，786，756公開了一種用于將乳酸或乳酸銨溶液氣相轉(zhuǎn)化為丙烯酸的磷酸鋁催化劑。使用乳酸和乳酸銨分別作為反應(yīng)物的丙烯酸產(chǎn)率為43.3%和61.1%。用含水無機(jī)堿對(duì)所述磷酸鋁催化劑進(jìn)行預(yù)處理，然后將其用于乳酸和乳酸銨氣相轉(zhuǎn)化為丙烯酸。用含水無機(jī)堿對(duì)所述催化劑進(jìn)行預(yù)處理提高了獲得丙烯酸的反應(yīng)的選擇性。還發(fā)現(xiàn)進(jìn)料中存在呈蒸汽形式的水能提高選擇性。美國(guó)專利5 ，071，754和5，252，473公開了一種在氣相中使用結(jié)晶水合且部分煅燒的硫酸鈣作為催化劑將乳酸甲酯轉(zhuǎn)化為丙烯酸甲酯的方法。在該反應(yīng)中，添加15重量％的粉狀偏磷酸鈣作為助催化劑。乳酸甲酯轉(zhuǎn)化率為50%且在所得的液體產(chǎn)物中制備了 5-14%丙烯酸甲酯和5-19%丙烯酸。近年來已做了許多努力以避免形成自反應(yīng)產(chǎn)物丙交酯。乳酸分子中羥基的存在導(dǎo)致形成丙交酯，這是因?yàn)槠渑c另一乳酸分子的羧基的相互作用。美國(guó)專利6，545，175公開了在乳酸甲酯中酯化a位的羥基。使乳酸甲酯與琥珀酸酐在硫酸的存在下于70° C下反應(yīng)，從而以98%的產(chǎn)率形成琥珀酸(乙基-1-甲氧基羰基)酯。類似地，美國(guó)專利6，992，209公開了通過使乳酸甲酯與冰乙酸和硫酸在73oC下反應(yīng)而形成比例為1:1的a -乙酰氧基丙酸甲酯和2-乙酰氧基丙酸。酸和甲酯的組合產(chǎn)物的產(chǎn)率為理論估算值的大約95%。已提出琥珀酸(乙基-1-甲氧基羰基)、a -乙酰氧基丙酸甲酯和2-乙酰氧基丙酸的熱分解能獲得純丙烯酸和丙烯酸酯，而不形成污染的丙交酯和由丙交酯分解獲得的其他降解產(chǎn)物。然而，仍需提高乳酸甲酯經(jīng)由該中間化合物轉(zhuǎn)化成丙烯酸酯和丙烯酸的效率。美國(guó)專利7，538，247公開了一種由a-或P -羥基羧酸制備丙烯酸、丙烯酸酯和丙烯酰胺的方法。所述用于將a-或￠-羥基羧酸轉(zhuǎn)化為丙烯酸、丙烯酸酯和丙烯酰胺的氣相方法在250-300° C的溫度下進(jìn)行。該美國(guó)專利公開了初始反應(yīng)物轉(zhuǎn)化至所需產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率為83-97%。美國(guó)專利7，687，661提供了一種將P _羥基羰基化合物轉(zhuǎn)化為a，P _不飽和羰基化合物和/或a，0-不飽和羰基化合物的鹽的方法。迄今為止，所有就確定乳酸和3-羥基丙酸的脫水條件而言所作的工作均使用衍生自石油化工原料的純?cè)床牧线M(jìn)行，在該領(lǐng)域中，需要確定將存在于發(fā)酵液中的乳酸及其鹽轉(zhuǎn)化為丙烯酸和丙烯酸酯而無需將乳酸從所述發(fā)酵液中提純至非常高的純度水平的條件和催化劑。發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明公開了一種通過脫水和酯化反應(yīng)由乳酸制備丙烯酸和丙烯酸酯的方法，所述乳酸通過生物發(fā)酵衍生自可再生資源。所述生物發(fā)酵要求本發(fā)明的實(shí)施包括使用耐用生物催化劑，所述催化劑能在羥基丙酸如a-羥基丙酸或￠-羥基丙酸制備中使用可再生資源。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種由獲自發(fā)酵液的a-羥基羧酸(即，乳酸)及其衍生物制備丙烯酸的方法。適于本發(fā)明的乳酸衍生物的列表包括乳酸的無機(jī)鹽、乳酸二聚體、乳酸低聚物和其中烷基衍生自C1-Cltl烷基醇的乳酸烷基酯。術(shù)語Y1-Cltl烷基醇”是指其中烷基具有1-10個(gè)碳原子的醇。乳酸鹽的列表包括乳酸的鈉鹽、銨鹽、鉀鹽和鈣鹽。適于本發(fā)明的乳酸可呈D，(-)異構(gòu)體形式、L, (+)異構(gòu)體形式、或者呈衍生自乳酸的D，(-)異構(gòu)體形式和L，(+)異構(gòu)體形式的二聚體或低聚物形式。D，(-)和L，(+)異構(gòu)體形式的乳酸的外消旋混合物也適用于發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)方面中，用于制備丙烯酸的發(fā)酵液衍生自包括選擇用于以商業(yè)規(guī)模制備乳酸的大腸桿菌(Escherichia coli)和凝結(jié)芽孢桿菌(Bacillus coagulans)的細(xì)菌屬的培養(yǎng)液。在本發(fā)明的另一方面中，所述發(fā)酵液衍生自選擇用于制備乳酸的絲狀真菌屬的培養(yǎng)液。在本發(fā)明的又一方面中，所述發(fā)酵液衍生自以商業(yè)規(guī)模制備乳酸中所已知的酵母屬。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)所述發(fā)酵液進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)包括過濾、酸化、結(jié)晶、滲透汽化、電滲析、離子交換、液-液萃取和模擬移動(dòng)床色譜法的工藝步驟以富集乳酸含量并從所述發(fā)酵液中除去雜質(zhì)。一方面，使所述乳酸富集組分與C1-Cltl烷基醇在酯化催化劑的存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)。使所得乳酸酯在脫水催化劑的存在下進(jìn)行氣相脫水反應(yīng)從而形成相應(yīng)的丙烯酸酯。在本發(fā)明的另一方面中，使經(jīng)由一個(gè)或其他提純工藝由所述發(fā)酵液獲得的乳酸富集組分在脫 水催化劑的存在下進(jìn)行氣相脫水反應(yīng)從而獲得丙烯酸。隨后，使獲自所述脫水反應(yīng)的丙烯酸在酯化催化劑的存在下與C1-Cltl烷基醇進(jìn)行酯化反應(yīng)從而制備丙烯酸酯。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，對(duì)包含乳酸銨的發(fā)酵液進(jìn)行熱處理以從乳酸銨中釋放氨從而累積乳酸及其二聚體(所謂的丙交酯)。使由此形成的丙交酯在醇和酯化催化劑的存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)。隨后，使由此形成的乳酸酯在脫水催化劑的存在下進(jìn)行氣相脫水反應(yīng)，從而制備相應(yīng)的丙烯酸酯。適于在升高的溫度下脫水乳酸酯的催化劑包括固體酸催化劑、堿催化劑和金屬氧化物。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，適于乳酸脫水的催化劑為分子篩催化劑，包括各種形式的沸石。在本發(fā)明的又一最優(yōu)選實(shí)施方案中，使含有乳酸銨的發(fā)酵液濃縮并與C1-Cltl烷基醇進(jìn)行酯化反應(yīng)。在本發(fā)明的優(yōu)選方面中，所述酯化反應(yīng)在不存在任何外來酯化催化劑下進(jìn)行。在熱誘導(dǎo)濃縮過程中所釋放出的氨通過冷凝反應(yīng)捕集以用于再循環(huán)。在于升高的溫度和大氣壓下進(jìn)行的酯化反應(yīng)中進(jìn)一步發(fā)生氨釋放。在酯化反應(yīng)中由此釋放出的氨通過惰性氣體流從酯化反應(yīng)容器中排出并捕集以再循環(huán)至發(fā)酵工藝中。隨后，使第一步驟中所得的乳酸酯進(jìn)行脫水反應(yīng)以制備相應(yīng)的丙烯酸酯。
附圖簡(jiǎn)介

圖1為由含乳酸銨的發(fā)酵液生產(chǎn)丙烯酸和丙烯酸酯的工藝流程圖。該圖所示的是可由含乳酸銨的發(fā)酵液起始制備丙烯酸酯的四種不同途徑。在一個(gè)途徑中，使用本領(lǐng)域所已知的各種技術(shù)如微量過濾、超濾、酸化、結(jié)晶、色譜法、電滲析和離子交換從所述發(fā)酵液中提純?nèi)樗?。使高度提純的乳酸在升高的溫度下在合適催化劑存在下進(jìn)行氣相脫水反應(yīng)以制備丙烯酸，又使所述丙烯酸在酯化催化劑的存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)以制備丙烯酸酯。第二途徑包括使不進(jìn)行許多提純的所述發(fā)酵液中的乳酸脫水，隨后進(jìn)行酯化反應(yīng)以制備丙烯酸酯。在第三途徑中，使所述發(fā)酵液中的乳酸銨通過使用合適催化劑同時(shí)進(jìn)行脫水和酯化反應(yīng)以制備丙烯酸酯。在第四途徑中，首先使不進(jìn)行許多提純的發(fā)酵液中的乳酸銨進(jìn)行酯化反應(yīng)以制備乳酸酯，所述乳酸酯又在脫水催化劑的存在下進(jìn)行脫水反應(yīng)。在制備丙烯酸酯的第四途徑中，第一酯化反應(yīng)優(yōu)選在不存在任何外來酯化催化劑的情況下進(jìn)行。圖2為通過酯化反應(yīng)隨后通過脫水反應(yīng)從而將乳酸轉(zhuǎn)化為丙烯酸酯的工藝流程圖。圖3為通過脫水反應(yīng)隨后通過酯化反應(yīng)從而將乳酸轉(zhuǎn)化為丙烯酸酯的工藝流程圖。圖4為通過酯化反應(yīng)隨后通過脫水反應(yīng)從而將丙交酯轉(zhuǎn)化為丙烯酸酯的工藝流程圖。圖5為通過酯化反應(yīng)隨后通過脫水反應(yīng)從而將乳酸銨轉(zhuǎn)化為丙烯酸酯的工藝流程圖。圖6為在使用大腸桿菌TG160菌株(strain)進(jìn)行葡萄糖的厭氣發(fā)酵過程中的乳酸(g/L)制備的動(dòng)力學(xué)。乳酸制備在發(fā)酵開始后22小時(shí)達(dá)到約75g/L的最大值。圖7為初始溶液和反應(yīng)產(chǎn)物的校正標(biāo)準(zhǔn)混合物的典型氣相色譜圖。圖8為用于測(cè)試脫水催化劑效率的固定床反應(yīng)器系統(tǒng)的構(gòu)造。圖9為在使用化學(xué)純的乳酸二聚體(丙交酯)和丁醇作為起始物質(zhì)的酯化反應(yīng)中形成乳酸丁酯的動(dòng)力學(xué)。酯化反應(yīng)混合物中還包含amberlyst樹脂作為酯化催化劑。所述催化劑以兩種不同的濃度(2.8重量％和5.6重量％)使用。圖10為在使用含乳酸銨的發(fā)酵液與丁醇的酯化反應(yīng)中形成乳酸丁酯的動(dòng)力學(xué)。所述酯化反應(yīng)在升高的溫度和大氣壓下，在不存在任何外來酯化催化劑下進(jìn)行。圖11為在使用含乳酸銨的發(fā)酵液和丁醇下所進(jìn)行的酯化反應(yīng)的典型氣相色譜圖。優(yōu)選實(shí)施方案詳述

本發(fā)明提供了一種由獲自生物原料發(fā)酵的a -羥基羧酸或P -羥基羧酸及其衍生物制備《，3 -不飽和有機(jī)酸及其衍生物的方法。更具體地，本發(fā)明描述了可用于將乳酸(a-羥基丙酸)和乳酸酯分別轉(zhuǎn)化為丙烯酸和丙烯酸酯中的催化劑和條件。本發(fā)明還提供了用于使衍生自乳酸脫水的丙烯酸(a，0不飽和丙酸)酯化的催化劑和條件。所述脫水和酯化反應(yīng)在保持于升高的溫度和大氣壓下的反應(yīng)容器中進(jìn)行。盡管本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)僅使用a-羥基丙酸舉例說明，然而本發(fā)明的教導(dǎo)還可容易地用于將￠-羥基羧酸及其衍生物轉(zhuǎn)化為丙烯酸和丙烯酸酯。本文所用的術(shù)語“乳酸”是指2-羥基丙酸(也稱為a-羥基丙酸)且包括乳酸單體。本文所用的術(shù)語“乳酸衍生物”是指但不限于乳酸二聚體(丙交酯)、乳酸三聚體、乳酸的低分子量聚合物、乳酸的鹽和乳酸烷基酯。丙交酯也稱為二丙交酯且衍生自脫水反應(yīng)中兩分子乳酸的縮合。乳酸烷基酯衍生自乳酸與醇的縮合反應(yīng)。適于形成本發(fā)明乳酸烷基酯的醇為鏈烷醇(C1-Cltl),具有1-10個(gè)碳原子的烷基醇。在發(fā)酵制備乳酸的工藝過程中，添加堿性物質(zhì)以保持發(fā)酵介質(zhì)的PH值，從而使乳酸以鹽形式累積在所述發(fā)酵介質(zhì)中。例如，當(dāng)使用氫氧化銨以保持發(fā)酵介質(zhì)的PH值時(shí)，乳酸以乳酸銨(本文稱為乳酸衍生物)形式累積在所述發(fā)酵介質(zhì)中。用于制備乳酸的發(fā)酵介質(zhì)的PH值還可通過添加其他堿性物質(zhì)如Ca (OH) 2、NaOH和KOH而控制，從而形成諸如乳酸鈣、乳酸鈉和乳酸鉀的乳酸衍生物。本文所用的術(shù)語“丙烯酸”是指衍生自a-羥基丙酸或￠-羥基丙酸的脫水反應(yīng)的a，0不飽和丙酸。本文所用的術(shù)語“丙烯酸衍生物”是指衍生自丙烯酸與選自鏈烷醇(C1-C10醇)的醇的縮合反應(yīng)或者衍生自乳酸烷基酯的脫水反應(yīng)的丙烯酸烷基酯。本文所用的術(shù)語“酯化”或“酯化反應(yīng)”是指酸與醇分子的縮合。本文所用的術(shù)語“脫水”或“脫水反應(yīng)”是指從酸或酯分子中脫除水分子。本文所用的術(shù)語“催化劑”是指用于降低化學(xué)反應(yīng)的活化能從而提高化學(xué)反應(yīng)速率的化學(xué)物質(zhì)。本文所用的術(shù)語“外來催化劑”是指由外部源添加至任何化學(xué)反應(yīng)中以降低化學(xué)反應(yīng)所需的活 化能并提高該化學(xué)反應(yīng)的總體速率的化學(xué)物質(zhì)。該術(shù)語“外來催化劑”用于區(qū)分其中化學(xué)反應(yīng)中的一些底物本身可用作催化劑的情況。在本發(fā)明中，將催化劑用于提高酯化反應(yīng)或脫水反應(yīng)的速率。本文所用的術(shù)語“源材料”是指供入反應(yīng)容器中以引發(fā)化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的物質(zhì)。該術(shù)語涵蓋獲自發(fā)酵液并作為脫水反應(yīng)的底物引入第一反應(yīng)容器中的乳酸及其所有衍生物。在某些制備方法中，將主要包含丙烯酸且獲自第一反應(yīng)容器的產(chǎn)物用作在第二容器中用于酯化反應(yīng)的源材料。在又一制備方法中，在使用乳酸或乳酸衍生物作為源材料的情況下，在第一反應(yīng)容器中發(fā)生酯化反應(yīng)從而制備乳酸酯。在第一反應(yīng)容器中由此形成的乳酸酯為在第二反應(yīng)容器中所發(fā)生的脫水反應(yīng)的源材料。本文所用的術(shù)語“轉(zhuǎn)化率”是指特定反應(yīng)中所消耗的源材料的量，且以相對(duì)于所提供源材料的摩爾量的消耗源材料的摩爾百分比形式提供。本文所用的術(shù)語“轉(zhuǎn)化產(chǎn)物”包括所有在反應(yīng)容器中衍生自所述源材料的產(chǎn)物。這包括衍生自反應(yīng)物的脫水反應(yīng)的所需產(chǎn)物和副產(chǎn)物以及主產(chǎn)物。本文所用的術(shù)語“摩爾選擇性”或“選擇性”是指相對(duì)于所消耗源材料的量的特定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物量，且以所形成的產(chǎn)物摩爾量與所消耗的源材料摩爾量之比的形式提供。本文所用的術(shù)語“摩爾產(chǎn)率”是指所形成的產(chǎn)物摩爾量與供入反應(yīng)容器中的源材料摩爾量之比。本文所用的術(shù)語“煅燒的”是指催化劑的高溫處理以顯著降低催化劑的含水量。
如圖1所示，本發(fā)明提供了用于由含乳酸銨的發(fā)酵液制備丙烯酸和丙烯酸酯的四種不同路線。本發(fā)明所述的方法包括兩個(gè)主反應(yīng)，即脫水反應(yīng)和酯化反應(yīng)。這兩個(gè)反應(yīng)均可在水相或氣相中進(jìn)行。所述反應(yīng)優(yōu)選在氣相中進(jìn)行。所述氣相反應(yīng)可以以間歇、分批補(bǔ)料或連續(xù)模式進(jìn)行。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，乳酸衍生自乳酸鹽，例如發(fā)酵液中所存在的乳酸銨，其中使用包括微量過濾、超濾、酸化、結(jié)晶、色譜法、電滲析和離子交換步驟的工藝。對(duì)由此制備的乳酸進(jìn)行脫水反應(yīng)以獲得丙烯酸，隨后可使所述丙烯酸酯化從而獲得丙烯酸酯。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，對(duì)所述發(fā)酵液中所存在的乳酸鹽如乳酸銨進(jìn)行脫水反應(yīng)以獲得丙烯酸，隨后可使所述丙烯酸進(jìn)行酯化反應(yīng)以制備丙烯酸酯?；蛘?，可首先使乳酸銨進(jìn)行酯化反應(yīng)，隨后對(duì)在第一步驟中形成的乳酸酯進(jìn)行脫水反應(yīng)。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，使所述發(fā)酵液中所存在的乳酸鹽如乳酸銨同時(shí)進(jìn)行脫水/酯化反應(yīng)以獲得丙烯酸酯。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，使獲自所述發(fā)酵液的乳酸進(jìn)行酯化反應(yīng)以獲得乳酸酯，隨后使所述乳酸酯脫水以獲得丙烯酸酯。使經(jīng)由一種或多種上述方法而由此獲得的丙烯酸酯進(jìn)行酯水解反應(yīng)以制備高純度水平的丙烯酸，并回收初始用于制備乳酸酯的醇。因此，可將由丙烯酸酯水解反應(yīng)回收的醇再循環(huán)。所述酯化和脫水反應(yīng)在不存在或存在化學(xué)催化劑下進(jìn)行。在下文實(shí)施例所述的某些情況下，可在不存在任何外來催化劑下進(jìn)行酯化反應(yīng)。所述酯化反應(yīng)優(yōu)選在不存在任何外來催化劑下進(jìn)行。催化劑的選擇沒有任何限制，且基于其提高所述化學(xué)反應(yīng)的總轉(zhuǎn)化效率和對(duì)特定最終產(chǎn)物的選擇性的能力而選擇。優(yōu)選所述脫水和酯化反應(yīng)在氣相中在加熱的催化劑上以連續(xù)模式進(jìn)行。本發(fā)明的脫水催化劑包括但不限于固體氧化物、沸石、固體酸、酸性催化劑、弱酸性催化劑、強(qiáng)酸性催化劑、堿性催化劑、離子交換樹脂和酸性氣體。這些不同催化劑可單獨(dú)或以任意合適的組合使用。適于本發(fā)明的固 體氧化物催化劑列表包括但不限于Ti02、ZrO2> A1203、Si02、ZnO2>SnO2, WO3> MnO2, Fe2O3> V2O5, Si02/Al203、Zr02/W03, Zr02/W03, Zr02/Fe203、Zr02/Mn02 或其組合。沸石為微孔固體(所謂的“分子篩”)族的硅鋁酸鹽成員。就最廣泛的意義而言，可將可通過尺寸排除分子的任何材料視為分子篩。沸石催化劑中的孔徑可為1-20埃。優(yōu)選沸石催化劑中的孔徑為5-10埃。沸石介導(dǎo)的催化優(yōu)先在晶內(nèi)空隙中進(jìn)行。催化反應(yīng)受篩孔度以及反應(yīng)物和產(chǎn)物必須通過其擴(kuò)散的通道系統(tǒng)類型的影響。所述沸石催化劑可衍生自天然材料或者可化學(xué)合成。沸石骨架由通過共用陽離子連接在一起的SiO4四面體構(gòu)成。用Al3+取代Si4+導(dǎo)致電荷不平衡，這需要引入陽離子如K+、Na+和Cu++。所述結(jié)構(gòu)體含有被陽離子和水分子占據(jù)的通道或互連空隙。沸石具有分子通式Mx/n[ (AlO2)x(SiO2)y] *zH20，其中n為金屬陽離子M的電荷。M通常為Na+、K+或Ca2+，z為高度可變的水合水的摩爾數(shù)。礦物化學(xué)式的實(shí)例為Na2Al2Si3Oltl 2H20，其為鈉沸石的化學(xué)式。具有高表面積的Al2O3和沸石為最優(yōu)選的脫水催化劑。適于本發(fā)明的脫水催化劑的表面積為100-約500m2/g。適于本發(fā)明的催化劑的表面積優(yōu)選為至少約125m2/g，適于本發(fā)明的催化劑的表面積最優(yōu)選為至少150m2/g。
本發(fā)明的脫水反應(yīng)也可在不存在任何上文所例舉的催化劑且僅在反應(yīng)容器中存在惰性固體載體如玻璃、陶瓷、瓷或金屬材料下進(jìn)行。硅酸鋁化合物可起酯化和脫水催化劑的作用。因此，當(dāng)將含有a-羥基丙酸的發(fā)酵液用作源材料時(shí)，在所述催化的第一步中，所述硅酸鋁催化劑催化水分子從a-羥基丙酸中的脫除，從而形成a，￠-不飽和丙酸。在第二步中，相同的硅酸鋁催化劑催化a , ￠-不飽和丙酸的羧基與醇之間的酯鍵的形成?？捎糜诒景l(fā)明中的酸性催化劑可為液體催化劑或固體催化劑。液體酸催化劑包括硫酸、氟化氫、磷酸和對(duì)甲苯磺酸。相對(duì)于液體酸催化劑，優(yōu)選固體酸催化劑。當(dāng)需要在處理前將催化劑從廢料中分離時(shí)，這是特別重要的。所述固體催化劑通常通過使周期表第IV族金屬的氫氧化物或水合氫氧化物與含硫組分的溶液接觸并將所述混合物在350-800° C下煅燒而獲得。所述固體酸催化劑的酸度高于100%硫酸的酸度。由于其高酸度，所述固體酸催化劑在各種酸催化的反應(yīng)中顯示出高催化能力。此外，所述固體催化劑具有某些其他有利特征。其顯示出低腐蝕性；其可容易地與反應(yīng)物分離；其不需要處理廢酸且可再利用。由于這些原因，預(yù)期固體酸催化劑將代替常規(guī)的酸催化劑。適于本發(fā)明的酸性或弱酸性催化劑包括二氧化鈦催化劑、SiO2M3PO4催化劑、氟化Al2O3 (例如Al2O3 HF催化劑、Nb203/S04_2催化劑、Nb2O5 H2O催化劑、磷鎢酸催化劑、磷鑰酸催化劑、硅鑰酸催化劑、硅鎢酸催化劑、酸性聚乙烯基吡啶鹽酸催化劑、水合酸性二氧化硅催化劑及其組合。即使當(dāng)使用單一固體催化劑時(shí)，催化劑組合物中所發(fā)生的若干變化也可達(dá)到提高轉(zhuǎn)化率和所述催化劑的選擇性的目的。例如，當(dāng)使用負(fù)載于二氧化硅上的磷酸鈉催化劑時(shí)，可對(duì)催化劑組合物做出許多改變以提高對(duì)特定最終產(chǎn)物的選擇性?？杉右愿淖円蕴岣叽呋瘎┑倪x擇性的參數(shù)包括NaH2PO4負(fù)載量和Na2CVP2O5比。優(yōu)選NaH2PO4的最佳負(fù)載量為1.0-2.1mmol g'類似地，優(yōu)選催化劑的Na2O與P2O5之比為0.77-2.0。該Na2O與P2O5的范圍可通過將H3PO4或Na2CO3添加至含NaH2PO4的水溶液中獲得。在NaY沸石催化劑的情況下，可通過用鉀或包括鑭、鈰、釤和銪在內(nèi)的稀土金屬對(duì)所述催化劑進(jìn)行改性從而提高轉(zhuǎn)化效率和選擇性。類似地，在硫酸鈣催化劑的情況下，可通過使用不同的載氣，或者通過控制所述催化劑的煅燒溫度，或者通過控制進(jìn)料濃度和進(jìn)料速率或與所述催化劑的接觸時(shí)間而改善就轉(zhuǎn)化率和選擇性而言的催化劑性能。優(yōu)選的二氧化鈦催化劑為T1-0720 丨(Engelhard, Iselin, NJ.,美國(guó))。優(yōu)選的聚乙烯基卩比唳鹽酸催化劑 為PVPH+CT (Reilly, Indianapolis, Ind.,美國(guó))。優(yōu)選的水合酸性二氧化硅催化劑為ECS-3 (Engelhard，Iselin, N.J.，美國(guó))。適于本發(fā)明的堿性催化劑包括但不限于氨、聚乙烯基吡啶、金屬氫氧化物、Zr (OH)4和具有通式NR1R2R3的胺，其中R1、R2和R3獨(dú)立地選自側(cè)鏈或官能團(tuán)，其包括但不限于例如H、具有1-20個(gè)碳原子的烴、具有1-20個(gè)碳原子的烷基和/或芳基或其組合。當(dāng)將乳酸銨用作丙烯酸制備的源材料且進(jìn)行高溫處理時(shí)，其分解并釋放出氨和乳酸。因此，可將由分解所釋放出的氨用作乳酸鹽脫水的催化劑。在本發(fā)明的第一步驟中，以商業(yè)上顯著量通過使用微生物由生物原料生產(chǎn)乳酸。在本發(fā)明的第二步驟中，對(duì)以成本效率方式由生物發(fā)酵回收的乳酸及其衍生物進(jìn)行催化脫氫反應(yīng)以制備丙烯酸及其衍生物。優(yōu)選地，催化脫氫反應(yīng)可使用含乳酸的粗發(fā)酵液進(jìn)行。
用于制備乳酸的發(fā)酵方法可以以間歇模式或連續(xù)模式進(jìn)行?？蓪⒋罅垦苌蕴烊辉吹奶妓衔锊牧嫌米靼l(fā)酵制備乳酸的原料。獲自甘蔗和甜菜的蔗糖、葡萄糖、含乳清的乳糖和獲自水解淀粉的麥芽糖和右旋糖以及獲自生物柴油工業(yè)的甘油適于發(fā)酵制備乳酸。還可產(chǎn)生具有在乳酸制備中利用衍生自纖維素生物質(zhì)水解的戊糖的能力的微生物。具有在乳酸制備中同時(shí)利用含6個(gè)碳的糖類如葡萄糖和含5個(gè)碳的糖類如木糖的能力的微生物是乳酸發(fā)酵制備中非常優(yōu)選的生物催化劑。衍生自廉價(jià)可得的纖維素材料的水解產(chǎn)物包含C-5碳和C-6碳二者的糖類，且能同時(shí)在乳酸制備中利用含C-5碳和C-6碳的糖類的生物催化劑就制備適于轉(zhuǎn)化成丙烯酸和丙烯酸酯的低成本乳酸而言是非常優(yōu)選的。耐酸同型乳酸菌適用于本發(fā)明。“同型乳酸”意指菌株基本上僅產(chǎn)生乳酸作為發(fā)酵產(chǎn)物。耐酸同型乳酸菌通常從商業(yè)玉米加工設(shè)備的玉米浸泡水中分離。優(yōu)選還可在升高的溫度下生長(zhǎng)的耐酸微生物。有利的是每升發(fā)酵液可產(chǎn)生至少50g乳酸的微生物。就生產(chǎn)率而言，希望產(chǎn)生4g乳酸/升 小時(shí)的發(fā)酵周期。公知的用于以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)乳酸的微生物列表包括大腸桿菌(Escherichiacoli)、凝結(jié)芽抱桿菌(Bacillus coagulans)、德式乳酸桿菌(Lactobacillusdelbruckii)、保加利亞乳酸桿菌(L.bulgaricus)、嗜熱乳酸桿菌(L.thermophilus)、萊式乳酸桿菌(L.1eichmanni)、干酪乳酸桿菌(L.casei)、發(fā)酵乳酸桿菌(L.fermentii) >嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)、乳酸鏈球菌(S.1actis)、幾鏈球菌(S.faecalils)、片球菌屬(Pediococcus sp)、明串珠菌屬(Leuconostoc sp)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium sp)、米根霉(Rhizopus oryzae)和許多工業(yè)應(yīng)用中的酵母菌種類。最近授權(quán)的美國(guó)專利7，629，162 (通過引用并入本文)公開了用于制備乳酸的產(chǎn)乙醇大腸桿菌KOll菌株的衍生物。該美國(guó)專利所公開的產(chǎn)乳酸菌株通過缺失編碼競(jìng)爭(zhēng)性途徑的基因隨后對(duì)具有改進(jìn)性能的突變種進(jìn)行生長(zhǎng)基選擇而獲得。這些重排的大腸桿菌可用于提供工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中所用的提高的乳酸供應(yīng)。

乳酸可作為兩種立體化學(xué)對(duì)映體或所謂的“旋光異構(gòu)體”(即D，(-)_乳酸和L, (+)_乳酸)形式存在。99% “光學(xué)”純度的混合物為(a) 99%D和1%L或(b) 1%D和99%L。這兩種形式的分子混合物稱為 外消旋混合物或DL-乳酸。光學(xué)純度是指乳酸鹽、乳酸、單體、二聚體等所有形式的混合物的光學(xué)純度。正如通過乳酸的化學(xué)反應(yīng)所制備的化合物那樣，乳酸鹽也保持光學(xué)純度，這取決于所述反應(yīng)和提純順序。獲自生物發(fā)酵液的乳酸及其衍生物是實(shí)施本發(fā)明所優(yōu)選的。所述發(fā)酵液基于重量/重量(w/w)含有約6-15%乳酸，且必要的是以濃縮形式回收乳酸。以濃縮形式從發(fā)酵液中回收乳酸可以以本領(lǐng)域所已知的方法之一進(jìn)行。本領(lǐng)域已知若干種不同方法可用于從發(fā)酵液中回收乳酸?？砂凑漳切┮阎椒ㄖ械娜我环N或若干種方法的組合，通過使用本發(fā)明所公開的方法由發(fā)酵液中以適用于制備丙烯酸和丙烯酸酯的濃縮形式獲得乳酸。在工業(yè)制備乳酸的過程中，將至少一種堿性物質(zhì)如NaOH、CaCO3> (NH4) 2C03、NH4HCO3和NH4OH添加至發(fā)酵液中以保持生長(zhǎng)介質(zhì)的近中性pH值。在發(fā)酵液中添加堿導(dǎo)致乳酸以無機(jī)鹽形式累積。氫氧化銨為用于保持發(fā)酵液的中性PH值的優(yōu)選堿性物質(zhì)。由于將氫氧化銨添加至發(fā)酵介質(zhì)中，乳酸銨在所述發(fā)酵液中累積。乳酸銨在水溶液中具有較高的溶解度，因此可提高發(fā)酵液中的乳酸銨濃度。由含乳酸銨的發(fā)酵液獲得乳酸的一種方式是對(duì)所述發(fā)酵液進(jìn)行微量過濾和超濾，隨后進(jìn)行離子交換色譜法。對(duì)獲自離子交換色譜法的試樣進(jìn)行常規(guī)電滲析以獲得呈濃縮游離酸形式的乳酸。從發(fā)酵液中回收乳酸的另一種方法是使用酸化和結(jié)晶程序。例如，當(dāng)在碳酸鈣存在下進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，可通過與硫酸酸化而回收乳酸。這導(dǎo)致硫酸鈣沉淀，同時(shí)游離乳酸保留在母液中。隨后，使用合適的有機(jī)萃取劑萃取母液中所存在的游離乳酸以獲得萃取液，將所述萃取液用水反萃取以回收呈濃縮形式的游離乳酸。將長(zhǎng)鏈三烷基胺例如三乙胺、三(十二烷基)胺、三異辛胺、三辛?；泛腿?十二烷基)胺用作游離乳酸回收中的萃取劑。術(shù)語“胺鹽或乳酸胺”是指當(dāng)將乳酸萃取成胺萃取劑相時(shí)所形成的物質(zhì)。包含胺的有機(jī)萃取劑的萃取能力通過引入非羧酸型、中性極性有機(jī)化合物例如鏈烷醇如正丁醇，酮如丁酮，酯如乙酸丁酯，醚如二丁醚和雙官能化合物如CH3CH2CH20HCH2CH20H而得以改善。這類化合物(通常稱為增強(qiáng)劑、改性劑或活性稀釋劑)能提高胺在萃取劑中的堿強(qiáng)度，由此有助于將羧酸從起始水溶液(如發(fā)酵液)轉(zhuǎn)移至有機(jī)萃取劑相中。萃取增強(qiáng)劑的存在使水相/有機(jī)萃取劑相體系中的羧酸平衡移向有利于有機(jī)相的方向。然而，該平衡的特別偏移導(dǎo)致反萃取的問題，這是由于抑制了羧酸從有機(jī)相轉(zhuǎn)移至水相。事實(shí)上，該抑制作用可如此顯著以至于用水反萃取有機(jī)相即使在接近100° C的溫度下也不可行。已提出若干方法以克服這種羧酸回收方法中所固有的該難題。根據(jù)一種方法，完全放棄反萃取，并通過蒸餾從有機(jī)萃取液中回收羧酸。另一方法是在高于后者沸騰溫度下進(jìn)行反萃取以提高胺-羧基配合物的水解度，并由此提供可接受的反萃取率。獲自所述發(fā)酵液的乳酸還可直接通過吸附于含固相聚合物的叔胺上而回收。在所述聚合物飽和后，優(yōu)選進(jìn)行水洗且吸附的乳酸可使用合適的試劑回收。合適的脫附劑包括極性有機(jī)溶劑甲醇和熱水。從柱中洗脫后，乳酸可通過蒸發(fā)、蒸餾或本領(lǐng)域所已知的任何其他合適方式濃縮。或者，使乳酸鈣與銨離子源如碳酸銨或氨與二氧化碳的混合物反應(yīng)，從而制備乳酸銨。污染陽離子可通過離子交換除去。可將游離乳酸與銨離子分離，優(yōu)選通過鹽裂電滲析。 在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，使含乳酸的酸化發(fā)酵液通過陽離子交換樹脂上以獲得乳酸鹽最高值為25%的乳酸組分，相對(duì)于所述溶液的干重量。對(duì)從離子交換柱洗脫的組分進(jìn)行雙極分餾-電滲析。將所得乳酸進(jìn)一步提純、濃縮并回收。還希望使用模擬移動(dòng)床色譜法、沉淀、結(jié)晶和蒸發(fā)程序以從所述發(fā)酵液中回收超過90%的乳酸。可對(duì)獲自所述發(fā)酵液的乳酸進(jìn)行酯化方法以回收作為最終產(chǎn)物的乳酸酯?？蓪⒏鞣N醇用于所述酯化反應(yīng)中，包括但不限于甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇、異丁醇、正丁醇、仲丁醇、2-乙基己醇、異壬醇、異癸醇和3-丙基庚醇。獲自發(fā)酵方法的丁醇為優(yōu)選的醇。正如許多最近授權(quán)的美國(guó)專利(US7, 851，188 ；US7, 910，342和US7, 993，889)和美國(guó)公開專利申請(qǐng)(US2011/0159, 558 ；US2011/0195, 505 ；US2011/0112, 334 ；US2010/0129, 886 ；US2010/0221, 801 ；US2010/0062, 505 和 US2011/0183, 392)所證實(shí)的那樣，目前已很好地建立了通過發(fā)酵方法的商業(yè)生產(chǎn)丁醇。酯化反應(yīng)可在兩個(gè)乳酸分子間發(fā)生，從而形成丙交酯。此外，乳酸酯的低聚物可來源于乳酸低聚物的酯化。優(yōu)選使用不含丙交酯和乳酸酯低聚物的乳酸酯。
乳酸與酯化醇的摩爾比以及反應(yīng)容器的溫度和壓力對(duì)獲得所需的酯化反應(yīng)效率而言是關(guān)鍵的。例如，制備乳酸乙酯的連續(xù)法的條件要求乙醇與乳酸之間存在至少2.5的摩爾比。乙醇與乳酸的摩爾比的優(yōu)選范圍為3-4。所述酯化反應(yīng)在100° C和1.5-3巴，優(yōu)選1.5-1.8巴的壓力下進(jìn)行。所述酯化反應(yīng)在可溶于或不溶于酯化反應(yīng)介質(zhì)中的酸催化劑存在下進(jìn)行。本發(fā)明可用的催化劑包括98%H2S04、H3PO4或甲磺酸。所述催化劑以0.1%-4%，優(yōu)選0.2%_3%的濃度使用，相對(duì)于100%的所用乳酸。所述酯化反應(yīng)可在攪拌反應(yīng)器或固定床反應(yīng)器中進(jìn)行。當(dāng)使用固定床反應(yīng)器時(shí)，使用固體催化劑如Amberlystl5型離子交換樹脂，且酯化反應(yīng)通過反應(yīng)蒸餾進(jìn)行。術(shù)語“反應(yīng)蒸餾”是指化學(xué)反應(yīng)和通過蒸餾分離物質(zhì)的組合。適于制備羥基酸酯如乳酸酯的反應(yīng)蒸餾方法是本領(lǐng)域所公知的。反應(yīng)蒸餾的特殊優(yōu)點(diǎn)在于在酯化反應(yīng)過程中，所形成的反應(yīng)水立即通過蒸餾除去，因此反應(yīng)平衡向成酯方向偏移。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，乳酸甲酯可以以高產(chǎn)率獲自由甘蔗汁發(fā)酵液所制備的粗乳酸水溶液與甲醇以連續(xù)逆流滴流相方法或者在連續(xù)逆流泡罩塔中的酯化反應(yīng)。還可將含乳酸銨的發(fā)酵液用作乳酸和乳酸烷基酯的來源。使含乳酸銨的發(fā)酵液與醇混合并與包含惰性氣體、醇蒸氣、二氧化碳或其任意兩種或更多種的混合物的高熱料流一起供入第一反應(yīng)容器中。在所述第一反應(yīng)容器中的主導(dǎo)的升高的溫度下，乳酸銨分解為氨和游離乳酸。由所述第一容器排出的液體料流具有醇和有機(jī)酸。由此釋放出的氨以蒸氣流排出所述第一容器。當(dāng)?shù)谝蝗萜魈峁┯杏糜谌樗狨セ拇呋瘎r(shí)，由所述第一容器排出的液體料流除了醇和乳酸之外，還具有乳酸烷基酯。使來自所述第一反應(yīng)容器的液體料流與第二反應(yīng)容器相連。通過控制所述第一容器的壓力參數(shù)以有利于酯化反應(yīng)并防止催化劑進(jìn)入第二容器，可在第二容器中以提高的比例回收乳酸烷基酯。適于該方法的醇列表包括但不限于甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇、異丁醇、叔丁醇、正丁醇、2-乙基己醇、異壬醇、異癸醇和3-丙基庚醇。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，在不使用強(qiáng)酸的情況下，由包含乳酸銨的發(fā)酵液獲得乳酸。相反，將加熱的醇蒸氣用于提高所述發(fā)酵液的溫度。隨著溫度的升高，氨從乳酸銨中脫除。因此，目前可將 由加熱的醇蒸氣處理所釋放出的乳酸用于酯化反應(yīng)。適于所述酯化反應(yīng)的醇列表包括但不限于適于所述酯化反應(yīng)的異丁醇、叔丁醇、正丁醇、異丙醇、正丙醇、乙醇和甲醇。由此形成的乳酸酯可通過上述微分蒸餾和冷凝程序回收。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述酯化反應(yīng)在不添加任何外來催化劑的情況下實(shí)現(xiàn)，并通過蒸發(fā)將含乳酸銨的發(fā)酵液濃縮，然后使其與醇蒸氣接觸以引發(fā)酯化反應(yīng)。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，使惰性氣體流通過酯化反應(yīng)容器以排出所釋放的氨。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，發(fā)酵液中所存在的乳酸銨通過將醇和酯化催化劑添加至所述發(fā)酵液中并將所得混合物加熱至低于IOOoC的溫度而酯化。該處理除了將乳酸銨分解為游離乳酸和氨之外，還引發(fā)所述酯化反應(yīng)。由此釋放出的氨與初始發(fā)酵液中的過量水一起通過使用滲透汽化膜除去。在第一步驟中，將滲透汽化膜用于脫水和脫氨目的。在第二步驟中，將滲透汽化膜用于將乳酸烷基酯與游離乳酸分離并使醇保留在所述反應(yīng)混合物中。因此，在不使用從酯化反應(yīng)中所用醇中回收乳酸烷基酯的蒸餾方法中所需的任何高溫處理下，獲得高純度的乳酸烷基酯。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，乳酸烷基酯可通過在水存在下，在130-250° C溫度和5-25kg/cm2壓力下與醇進(jìn)行4-11小時(shí)的無催化劑酯化方法由包含二聚體和高聚物的乳
酸源獲得。如上所述，乳酸和各種乳酸酯可通過生物發(fā)酵衍生自可再生資源。目前，可將特定方法用于從發(fā)酵液中回收乳酸并將其轉(zhuǎn)化為乳酸酯?？墒谷樗岷腿樗狨ザ哌M(jìn)行高溫催化脫水反應(yīng)以制備丙烯酸和丙烯酸酯。下文給出了可用于由含乳酸銨的發(fā)酵液生產(chǎn)丙烯酸和丙烯酸酯的系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。本文還提供了可據(jù)此回收由含乳酸銨的發(fā)酵液所制備的丙烯酸和丙烯酸酯的方法的描述。在其最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中，用于實(shí)施乳酸及其酯的脫水和酯化反應(yīng)的系統(tǒng)包括位于加熱源中的反應(yīng)器?；蛘?，所述反應(yīng)器可與加熱源保持緊密的物理接觸從而使得從加熱源至所述反應(yīng)器之間存在均勻的熱傳導(dǎo)。使所述反應(yīng)器和加熱源通過一系列熱電偶連接。所述熱電偶沿所述反應(yīng)器的長(zhǎng)度分布以確保所述反應(yīng)器的在其長(zhǎng)度方向上被所述加熱源均勻加熱。所述反應(yīng)器填充有一種或其他種類的催化劑。在其中脫水反應(yīng)在不添加任何外加催化劑下進(jìn)行的那些條件下，所述反應(yīng)器填充有惰性材料如玻璃、陶瓷和磚。使所述反應(yīng)器保持在大氣壓下并保持溫度高于水的沸騰溫度。將具有進(jìn)料源的容器與所述反應(yīng)器的一端通過不銹鋼管連接，并在對(duì)反應(yīng)器中的進(jìn)料源的最大轉(zhuǎn)化率而言優(yōu)化的重時(shí)空速(WHSV)下將所述進(jìn)料源供入所述反應(yīng)器中。在某些其他設(shè)計(jì)中，在將進(jìn)料源供入所述反應(yīng)器之前，將其與丙烯酸聚合反應(yīng)的穩(wěn)定劑和抑制劑在混合槽中混合。合適的穩(wěn)定劑和抑制劑包括但不限于酚類化合物如二甲氧基苯酚(DMP)或烷基化酚化合物，如二叔丁基苯酚，奎寧類如叔丁基氫醌或氫醌的單甲醚(MEHQ)，和/或金屬銅或乙酸銅。在又一設(shè)計(jì)中，將進(jìn)料源、催化劑和聚合抑制劑在混合槽中一起混合，并將所述混合物供入保持在適于發(fā)生脫水反應(yīng)的溫度下的反應(yīng)器中。在所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 又一實(shí)施方案中，使來自混合槽的進(jìn)料在供入所述反應(yīng)器之前通過噴霧干燥器/蒸發(fā)單元。該通過噴霧干燥器/蒸發(fā)器的目的是在進(jìn)入所述反應(yīng)器之前降低所述進(jìn)料源的含水量。由于所述進(jìn)料物質(zhì)中的含水量降低，預(yù)期所述反應(yīng)器中的催化轉(zhuǎn)化率增大。將在所述反應(yīng)器中發(fā)生的脫水反應(yīng)的最終產(chǎn)物作為由所述反應(yīng)器的另一端排出的流出料流收集。其還可用于為所述反應(yīng)器提供氣體流以將蒸氣相與催化脫水的產(chǎn)物一起驅(qū)向流出料流?？蓪?duì)該基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何所需的改進(jìn)，從而容許可能需要使用不同進(jìn)料源或者獲得不同最終產(chǎn)物的方法中的任何偏差。當(dāng)需要時(shí)，所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的該偏差將在下文加以描述。原則上，使進(jìn)料物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臏囟认略谒龇磻?yīng)器中蒸發(fā)，并在蒸氣相中發(fā)生乳酸的催化脫水。獲自所述脫水反應(yīng)的丙烯酸產(chǎn)物收集在由所述反應(yīng)器另一端排出的流出料流中。用于制備丙烯酸的進(jìn)料源可包含5-30%的乳酸，基于重量比。優(yōu)選將含有7.5-12%乳酸(基于重量比)的進(jìn)料源供入所述反應(yīng)器中。理想的是進(jìn)料源中具有呈單體形式的乳酸。然而，通過使用合適的催化劑、合適的溫度和合適的停留時(shí)間，可破壞二聚乳酸和聚乳酸分子并使其催化脫水。還可使用含乳酸的無機(jī)鹽的發(fā)酵液作為進(jìn)料源。適于本發(fā)明的乳酸無機(jī)鹽列表包括但不限于乳酸銨、乳酸鈉和乳酸鈣。含乳酸銨的發(fā)酵液為脫水反應(yīng)以形成丙烯酸的優(yōu)選進(jìn)料源。乳酸銨在所述反應(yīng)器中分解，并使由此釋放出的乳酸發(fā)生脫水反應(yīng)。在使用乳酸銨作為進(jìn)料源的情況下，丙烯酸制備的轉(zhuǎn)化率和選擇性可高達(dá)95%或更高。也可在所述反應(yīng)器中甚至在不添加任何外加化學(xué)催化劑下進(jìn)行乳酸銨的脫水反應(yīng)。由乳酸銨分解所釋放出的氨可用作乳酸脫水以形成丙烯酸的堿性催化劑。此外，氨氣可起載氣作用以使丙烯酸運(yùn)動(dòng)通過所述反應(yīng)器至流出料流。 還可使脫水和酯化反應(yīng)在上述系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行。如上所述，將具有呈游離酸、二聚體或聚合物形式的乳酸的發(fā)酵液引入具有適當(dāng)化學(xué)催化劑的反應(yīng)器中會(huì)形成作為產(chǎn)物的丙烯酸。如果還將合適的醇與進(jìn)料源中的乳酸一起引入所述反應(yīng)器中，則可引發(fā)丙烯酸的氣相酯化。因此，在反應(yīng)器中使用單一催化劑或多種催化劑時(shí)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)乳酸的催化脫水和所得丙烯酸的催化酯化。取決于所用的醇源，可獲得相應(yīng)的丙烯酸酯。適于該酯化反應(yīng)的醇列表包括但不限于甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、2-乙基己醇、異壬醇、異癸醇和丙基庚醇。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，所述脫水和酯化反應(yīng)依次進(jìn)行。根據(jù)上述方法，在第一步驟中，在存在或不存在化學(xué)催化劑下，使乳酸或丙交酯或乳酸鹽進(jìn)行蒸氣相脫水反應(yīng)以制備丙烯酸。所得的丙烯酸收集在流出料流中，與合適醇混合并供入具有酯化反應(yīng)的化學(xué)催化劑的反應(yīng)器中。在本發(fā)明的另一方面中，可將所述醇作為獨(dú)立進(jìn)料流與提供丙烯酸的進(jìn)料流一起供入所述反應(yīng)器中。 在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，可用各種醇酯化獲自所述發(fā)酵液的乳酸以制備如上所述的合適酯?？蓪⒂纱酥苽涞娜樗狨ヒ刖哂忻撍呋瘎┣冶３衷谶m當(dāng)溫度下的反應(yīng)器中。所述反應(yīng)器中發(fā)生的氣相脫水反應(yīng)會(huì)形成可作為流出物回收的丙烯酸。所述源材料以及獲自脫水和酯化反應(yīng)的產(chǎn)物的組成可通過使用適當(dāng)?shù)母咝б合嗌V(HPLC)或氣相色譜(GC)技術(shù)分析，且可由獲自HPLC或GC分析的數(shù)據(jù)獲得轉(zhuǎn)化率和選擇性數(shù)值。在工業(yè)方法的開發(fā)過程中，必須不形成不希望的副產(chǎn)物，從而可獲得具有高純度水平的所需最終產(chǎn)物。獲自脫水反應(yīng)以及組合的脫水和酯化反應(yīng)的丙烯酸和丙烯酸酯可使用本領(lǐng)域所公知的各種技術(shù)提純。例如，獲自脫水反應(yīng)的丙烯酸可通過在聚合抑制劑存在下熱蒸餾而回收。還可在溫和條件、不使用萃取劑和低能量消耗下，使用借助膜的滲透汽化方法以濃縮丙烯酸水溶液。分級(jí)結(jié)晶是提純丙烯酸的又一方法。可按照液-液萃取方法以將丙烯酸從乳酸或其衍生物的催化脫水反應(yīng)結(jié)束時(shí)所得的含水混合物中分離。相對(duì)于蒸餾反應(yīng)，優(yōu)選液-液萃取法，這是因?yàn)槠浔苊饬吮┧岬娜魏慰赡艿臒峤到?。?液萃取法為擴(kuò)散分離方法，其中使進(jìn)料流與所選溶劑接觸。所述溶劑從所述進(jìn)料流中的其余組分中移除丙烯酸。隨后使用本領(lǐng)域公知的適當(dāng)方法從溶劑料流中回收丙烯酸。已知可用于萃取丙烯酸的若干溶劑包括二異丙醚、2-乙基己醇、乙酸異丙酯、甲基異丁基酮、己酸、庚酸、辛酸酯、壬酸甲酯和三烷基氧化膦?？蓪⑦@些溶劑中的任一種用于從含水混合物中萃取丙烯酸。在用少量硫酸處理丙烯酸酯后，可使用三氟化硼對(duì)通過酯化反應(yīng)獲得的丙烯酸酯進(jìn)行處理以除去可通過色變法檢測(cè)的雜質(zhì)。用0.05-0.5重量％(相對(duì)于所述酯的重量)的三氟化硼對(duì)獲自酯化反應(yīng)的丙烯酸酯進(jìn)行處理，如目前到期的美國(guó)專利2，905，598所述(通過引用并入本文)。三氟化硼毫無疑問地與有害雜質(zhì)形成穩(wěn)定的化合物或者與其反應(yīng)以形成沸點(diǎn)或分解溫度高于所述酯的沸點(diǎn)的產(chǎn)物，從而使得所述酯可在常壓或減壓下通過簡(jiǎn)單蒸餾與所述雜質(zhì)分離。仍存在于丙烯酸酯制劑中的未反應(yīng)的醇和丙烯酸可根據(jù)目前到期的美國(guó)專利3，157，693所述的方法除去。根據(jù)該美國(guó)專利的方法，用稀碳酸氫鈉水溶液對(duì)所述丙烯酸酯制劑進(jìn)行處理，并進(jìn)行熱分餾以除去初始獲自酯化反應(yīng)的丙烯酸酯制劑中所存在的揮發(fā)性更高的組分和揮發(fā)性更低的組分。用于由可再生資源生產(chǎn)丙烯酸和丙烯酸的本發(fā)明所述的方法是簡(jiǎn)單的。此外，用于該生產(chǎn)方法中的系統(tǒng)是可高度自由配鉻的。各單元操作可以以使得可獲得最大轉(zhuǎn)化效率和選擇性的方式加以調(diào)節(jié)。該生產(chǎn)方法成本低且對(duì)環(huán)境的污染很小。通過嚴(yán)格遵循上述反應(yīng)條件，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在基本不具有反應(yīng)復(fù)雜性下以高
產(chǎn)率重復(fù)獲得所需酯產(chǎn)物。圖2提供了其中將高純度乳酸用作源材料的本發(fā)明實(shí)施方案之一的工藝流程圖。使含乳酸銨的發(fā)酵液(200)通過轉(zhuǎn)化方法(201)以回收高純度乳酸。將由此回收的高純度乳酸(202)由頂部供入酯化反應(yīng)容器(203)中，同時(shí)將醇蒸氣(205)從底部供入。使固體酯化催化劑(204)保持在所述酯化容器中的載體上。從頂部逸出所述酯化容器的過量醇蒸氣在其通過冷凝器(206)時(shí)回收。將由此回收的醇(207)再循環(huán)至所述酯化容器中。在所述酯化容器的底部收集獲自所述酯化容器中的酯化反應(yīng)的乳酸酯和水(208)，并作為源材料供入脫水容器(209)的頂部。所述脫水容器具有位于固體載體上的固體脫水催化劑(210)。將惰性氣體流(211)從所述脫水容器的頂部引入以將丙烯酸酯驅(qū)向所述脫水容器的底部，在此處收集丙烯酸酯(212)并進(jìn)一步提純。圖3提供了使用乳酸作為源材料生產(chǎn)丙烯酸酯中的脫水容器和酯化容器的不同配鉻。在該配鉻中，首先將通過轉(zhuǎn)化方法(301)衍生自含乳酸銨的發(fā)酵液(300)的高純度乳酸由頂部供入脫水容器(303)中。所述脫水容器含有位于固體載體上的固體脫水催化劑(305)。還將惰性氣體流( 304)由頂部引入所述脫水容器中。所述惰性氣體流將獲自乳酸脫水的丙烯酸(306)與由所述脫水反應(yīng)所釋放出的水一起吹掃至冷凝器(307)中。通過微分蒸餾，從所述脫水容器的總冷凝物中回收丙烯酸(309)，同時(shí)水作為水蒸氣釋放(308)。將所回收的丙烯酸(309)作為源材料從頂部引入酯化容器(310)中。所述酯化容器含有位于固體載體上的固體酯化催化劑(311)。引入所述酯化容器中的醇蒸氣(312)引發(fā)催化劑表面上的丙烯酸的酯化反應(yīng)，從而形成丙烯酸酯(315)，其收集在所述酯化容器的底部并適當(dāng)?shù)丶庸ひ曰厥毡┧狨ゲ⑦M(jìn)一步提純。過量醇和水蒸氣從所述酯化容器的頂部釋放且適當(dāng)?shù)厥占⑼ㄟ^冷凝(313)回收以進(jìn)一步再循環(huán)(314)至所述酯化反應(yīng)中。圖4所示的是從含乳酸銨的發(fā)酵液(400)中回收丙交酯，隨后轉(zhuǎn)化為丙烯酸酯的步驟。將所述發(fā)酵液過濾(401)以除去顆粒物，并泵入加熱的容器(402)中以蒸發(fā)水。在該濃縮過程中，乳酸銨還分解從而釋放出氨氣(403)。捕集由此釋放出的氨氣并以氫氧化銨形式再循環(huán)至發(fā)酵容器中以保持乳酸發(fā)酵制備過程中的中性PH值。通過釋放出氨，所形成的游離乳酸發(fā)生縮合反應(yīng)以形成丙交酯(404)。將由此形成的丙交酯(404)作為源材料在頂部引入酯化容器(405)中。酯化容器含有位于固體載體上的固體酯化催化劑(406)，且使所述容器保持在升高的溫度和大氣壓下。將醇蒸氣(407)從底部引入所述酯化容器中。將從所述酯化容器逸出的過量醇蒸氣通過冷凝器單元(408)捕集并作為醇蒸氣再循環(huán)(409)至所述酯化容器中。獲自所述酯化反應(yīng)的乳酸酯和水(410)在所述酯化容器的底部收集并在頂部引入脫水容器(411)中以作為源材料。所述脫水容器含有位于固體載體上的固體脫水催化劑(412)。將惰性氣體流(413)由頂部吹掃通過所述脫水容器。由所述脫水容器的底部收集獲自所述脫水反應(yīng)的丙烯酸酯和水(414)并通過微分蒸餾回收丙烯酸酯。圖5示意了用于由含乳酸銨的發(fā)酵液(500)生產(chǎn)丙烯酸酯的另一優(yōu)選的設(shè)備配鉻。將所述含乳酸銨的發(fā)酵液經(jīng)由過濾單元(501)過濾以除去顆粒物并泵入加熱容器(502)中以蒸發(fā)水并提高乳酸銨的濃度。捕集該蒸發(fā)步驟中所釋放出的氨(503)并以氫氧化銨形式再循環(huán)至發(fā)酵容器中以保持乳酸發(fā)酵制備過程中的中性PH值。將濃縮的乳酸銨溶液(504)供入酯化容器(505)中作為源材料。所述酯化容器不含任何酯化催化劑且僅含有用于發(fā)生酯化反應(yīng)的載體(506)。將醇蒸氣(507)從底部供入所述酯化容器中。還將惰性氣體流(508)從底部吹掃至所述酯化容器中。使所述酯化容器保持在升高的溫度下，且在所述升高的溫度下，氨與水一起和醇蒸氣從所述酯化容器(509)頂部釋放。將由此釋放出的氨氣以氫氧化銨(511)溶液形式捕集，將所述溶液再循環(huán)回(512)至所述發(fā)酵容器中。所述醇蒸氣還可再捕集并再循環(huán)至所述酯化容器中。從所述酯化容器的底部收集所述酯化反應(yīng)所釋放出的乳酸酯和水(510)并在頂部供入脫水容器(513)中。所述脫水容器含有位于固體載體上的脫水催化劑(514)。將惰性氣體流(515)從頂部吹掃至所述脫水容器中。在所述脫水容器的底部收集丙烯酸酯、水、惰性氣體和其他反應(yīng)產(chǎn)物(516)并通過微分蒸餾回收丙烯酸酯。可由以示意性方式而非限制性方式提供的下文實(shí)施例更充分地理解本發(fā)明。實(shí)施例1制備含乳酸的發(fā)酵液使大腸桿菌的TG160菌株在于20L發(fā)酵罐中提供有IOOg葡萄糖每升的最低礦物質(zhì)介質(zhì)中生長(zhǎng)。使初始接種物 在提供有IOOmM MOPS (pH7.4)、2%葡萄糖、ImM MgSO4UX TE和0.1mM CaCl2的IX NBS介質(zhì)中生長(zhǎng)。所述生長(zhǎng)介質(zhì)還含有180ml的IM KH2P04、13ml的1.5MMgSO4U3ml的IM甜菜堿和65ml的1000X痕量礦物質(zhì)原料。所述1000X痕量礦物質(zhì)原料以IOOOml 總體積計(jì)含有1.6g 的 FeCl3 6H20、0.2g 的 CoCl2 6H20、0.1g 的 CuCl2 2H20、0.2g的 ZnCl2,0.2g 的 Na2MoO4 2H20、0.55g 的 MnCl2 4H20、0.05g 的 H3BO3 和 IOml 的 HCl (濃)。使所述發(fā)酵罐保持在37° C下，并在所述發(fā)酵罐中的22小時(shí)生長(zhǎng)過程中，使用9N NH4OH以使PH保持為7.0。在22小時(shí)長(zhǎng)的發(fā)酵過程中的不同的時(shí)間點(diǎn)測(cè)量乳酸、琥珀酸、富馬酸、蘋果酸、乙酸和丙酮酸的水平。乳酸水平穩(wěn)定提高從而在22小時(shí)時(shí)達(dá)到75.3g/L的最大值(圖6)。發(fā)現(xiàn)乳酸產(chǎn)率(以所制備的乳酸摩爾數(shù)與所消耗的葡萄糖摩爾數(shù)的百分比計(jì))為89.50%。丙酮酸和乙酸濃度分別為0.03g/l和0.44g/l。無法檢測(cè)出其他有機(jī)酸如蘋果酸、富馬酸和琥珀酸。實(shí)施例2氣相色譜分析使用氣相色譜分析以定量分析起始溶液和反應(yīng)產(chǎn)物中的各種組分。作為建立校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的方式，使用具有FID檢測(cè)器和電子積分的HP5890氣相色譜裝鉻分析含有乙醛、甲醇、乙醇、二丁醚、丁醇、丙烯酸丁酯、乳酸丁酯和丙烯酸的混合物。使用毛細(xì)管柱HPFFAP (25mX0.32mmX0.50mkm)。儀器條件如下:分流排空量:20ml/分鐘；氣體流量:300ml/分鐘；氫氣流量:30ml/分鐘；頭壓:15psi ;信號(hào)范圍:9 ;注射容積:0.5mkl。使用如下溫度程序。起始溫度:80° C，保持2分鐘，以15° C/分鐘升溫至150° C，保持I分鐘；程序A:以20° C/分鐘升溫至190° C，保持6分鐘；注射和檢測(cè)器溫度:200° C和220° C。使用處于二烷中的二甘醇二甲醚(0.3079g/g)作為內(nèi)標(biāo)。如圖7所示，起始溶液和反應(yīng)產(chǎn)物中的組分在氣相色譜圖中清晰地分開。實(shí)施例3乳酸甲酯轉(zhuǎn)化為丙烯酸甲酯使用乳酸甲酯作為起始物質(zhì)測(cè)試各種催化劑的脫水效率。乳酸甲酯(純度>98%)購自TCI America且在不進(jìn)一步提純下使用。用作反應(yīng)溶劑的甲醇獲自Mallincrodt。4-甲氧基苯酚獲自TCI America且將其作為抑制劑以IOOppm添加至液體進(jìn)料中。用作GC校準(zhǔn)標(biāo)樣的丙烯酸、丙烯酸甲酯、2-甲氧基丙酸甲酯(2-M0PAME)購自TCI America。測(cè)試6種不同的催化劑的使用乳酸甲酯作為底物的脫水反應(yīng)效率。沸石13X-Na (Mathl3X-Na)催化劑獲自Matheson Coleman且在電爐中于靜態(tài)空氣和500oC下煅燒12小時(shí)。將所述催化劑轉(zhuǎn)移至干燥器中并保持在處于真空下的螺紋瓶中直至使用。乙酸銫浸潰的Mathl3X-Na(Mathl3X-Na_Cs+)通過用21ml含1.5g乙酸銫的去離子水處理15gMathl3X-Na整夜而制備。水通過在55° C和真空下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)而除去，并將固體材料轉(zhuǎn)移至坩堝中并在500° C下煅燒3小時(shí)。Gracel3XNaCsll催化劑通過將15g Gracel3X沸石催化劑添加至30ml乙酸銫溶液(于30ml水中為1.08g)中并留鉻整夜而制備。次日，潷析除去水并將所述沸石用30ml水清洗I次，在真空和60° C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)并在500° C下煅燒3小時(shí)。Gracel3XNaCs22催化劑通過將15gGracel3X沸石催化劑添加至30ml乙酸銫溶液(于30ml水中為2.16g)中并留鉻整夜而制備。次日，潷析除去水并將所述沸石用30ml水清洗I次，在真空和60° C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)并在500° C下煅燒3小時(shí)。13X-NaCs Ex催化劑通過添加30g呈鈉形式的Gracel3X沸石和400ml含水乙酸銫(于60cc水中為4.3g)并在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中緩慢攪拌18小時(shí)而制備。在攪拌18小時(shí)后，移除上清液并用新鮮乙酸銫溶液鉻換，再重復(fù)所述程序2次。將所述沸石吸濾并在過濾器中在恒定的水層下清洗。使用約1.2L水清洗。將所 述沸石在烘箱中于100° C下干燥18小時(shí)，然后在500° C下煅燒3小時(shí)。13X-NaCsRu催化劑通過將15g呈Na形式的Gracel3X沸石緩慢添加至30mL乙酸銫水溶液(于30cc水中為4.33g)中并浸泡整夜而制備。次日，潷析除去水并將所述沸石用30cc水清洗I次。在真空下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)￠0° C)并將所述沸石在500° C下煅燒3小時(shí)。隨后，將所述篩浸泡于RuCl3的乙醇溶液(于30ml乙醇中為0.172g RuCl3)中，在減壓下干燥而不清洗所述催化劑，還在500° C下煅燒3小時(shí)以沉積0.5%Ru。乳酸甲酯在作為反應(yīng)溶劑的甲醇或水中于固體催化劑上的連續(xù)氣相脫水在圖8所示的固定床反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行。所述反應(yīng)器由首先填充有3個(gè)IOmkm不銹鋼入口溶劑過濾器(參見例如Cat#A-302，Upchurch Scientific)以用作催化劑床的載體的1/2” X 12”不銹鋼管構(gòu)成。所述反應(yīng)器的中段使用GC柱填充振動(dòng)器接著填充有10.5mL顆粒狀催化劑。所述反應(yīng)器的頂段容納有4個(gè)相同的入口過濾器，從而提供用作預(yù)蒸發(fā)和氣-液混合段的8cc多孔不銹鋼接觸空間。將所述反應(yīng)器管鉻于改裝有高功率加熱帶(Omega，470W，Part#STH051-060)的Flatron CH30柱加熱器中。所述柱加熱器中的溫度通過嵌入的接近所述加熱器內(nèi)壁的TC監(jiān)控并通過溫度控制器(型號(hào)M260，J-KEM Scientific)控制。所述反應(yīng)器的壓力還通過所述反應(yīng)器入口處的壓力計(jì)監(jiān)控。液體時(shí)空速率(LHSV)在0.50-1.1OtT1 (基于10.5mL催化劑體積和0.1-0.2cc/分鐘液體流速)的較窄范圍內(nèi)變化，同時(shí)氮?dú)饬魉僭?.4-5.6cc/分鐘內(nèi)變化。所有測(cè)試中所用的進(jìn)料溶液為于甲醇或水中的50重量％乳酸甲酯。將所述反應(yīng)器之后的組合氣體-液體流送至氣液分離器中，從而由液相中除去氮?dú)狻Ｔ谝?guī)定的時(shí)間點(diǎn)收集所述組合試樣并使用GC裝鉻分析。結(jié)果示于表I中。表2顯示了為了測(cè)定作為添加劑添加至溶劑組合物中的水的影響的試驗(yàn)結(jié)果。將催化劑U0P13X-Na(1/16”擠出物)壓碎并經(jīng)40-60的目粒度過篩。將其在烘箱中通過經(jīng)2小時(shí)緩慢升溫至450° C下并在450° C下保持2小時(shí)而煅燒。在所述反應(yīng)器中，不進(jìn)行催化劑的預(yù)活化。將5cc催化劑裝入所述固定床反應(yīng)器中并在5cc/分鐘氮?dú)饬飨陆?jīng)I小時(shí)加熱至反應(yīng)溫度。乳酸甲酯溶液的LHSV為Uh'反應(yīng)溫度為300° C，氣體流速為5cc/分鐘。正如表2所示的結(jié)果所表明的那樣，隨著水含量的增大，丙烯酸的選擇性也提高。表3顯示了為了測(cè)定乳酸甲酯在作為反應(yīng)溶劑的水中的濃度的影響的試驗(yàn)結(jié)果。將催化劑U0P13X-Na(l/16”擠出物)壓碎并經(jīng)40-60的目粒度過篩。將其在烘箱中通過經(jīng)2小時(shí)緩慢升溫至450° C下并在450° C下保持2小時(shí)而煅燒。將5cc催化劑裝入所述固定床反應(yīng)器中并在5cc/分鐘氮?dú)饬飨陆?jīng)I小時(shí)加熱至反應(yīng)溫度。乳酸甲酯的進(jìn)料速率為3.185g/h。實(shí)施例4依次進(jìn)行酯化和脫水反應(yīng)在該實(shí)施例中，將乳酸用作源材料。在第一步驟中，在使用含有
4.2mLAmberlyst70 (濕)樹脂且如`實(shí)施例3所述設(shè)鉻的固定床反應(yīng)器中使乳酸酯化為乳酸甲酯。液體進(jìn)料通過將272g純度為85%的乳酸溶于164.3g甲醇和43.63mg4-甲氧基苯酹中而制備。反應(yīng)條件如下:溫度=140° C，進(jìn)料流量=0.3cc/分鐘，接觸時(shí)間=5.6秒，甲醇與乳酸之比=2。結(jié)果示于表4中。在下一步驟中，使獲自第一步驟的液體進(jìn)料組合物在四種不同脫水催化劑存在下進(jìn)行脫水反應(yīng)。從第一步驟的酯化反應(yīng)中回收的液體進(jìn)料組合物為:18.3重量％甲醇、41.3重量％乳酸甲酯、16.7重量％水和5.7重量％乳酸。對(duì)這些催化劑不進(jìn)行催化劑的預(yù)活化。將所述催化劑在5cc/分鐘氬氣流下經(jīng)I小時(shí)加熱至反應(yīng)溫度。反應(yīng)條件為:進(jìn)料流量=0.1cc/分鐘，LHSV=L 21T1，氬氣流量=5cc/分鐘，溫度=300° C。如下所述制備四種不同的催化劑。Gracel3X-Na:將30g呈鈉形式的Gracel3X沸石緩慢添加至800mL的1.5M NaCl溶液中并將所述懸浮液在30Oc下攪拌整夜。然后潷析所得的試樣并清洗多次直至不含cr，首先在30° C下于2-3mm真空下干燥2小時(shí)并在60° C(也在2_3mm Hg下)干燥6小時(shí)。將所述沸石轉(zhuǎn)移至120° C的真空烘箱中并在15mm Hg下干燥整夜。經(jīng)30分鐘將溫度緩慢上升至450° C并在450° C下煅燒4小時(shí)。在使用前，將Gracel3X_Na在500° C下煅燒3小時(shí)。U0P13X_Na(原樣):將1/16”擠出物壓碎并經(jīng)40-60目粒度過篩。將其通過在烘箱中經(jīng)2小時(shí)緩慢升溫至450° C，并在450° C下保持2小時(shí)而煅燒。Gracel3X-K:將30g呈鈉形式的Gracel3X沸石緩慢添加至200mL的KCl溶液(于200mL水中為5.53g KCl)中并將所述懸浮液在30° C下攪拌整夜。然后潷析所得的試樣并清洗多次直至不含Cl_，首先在30° C下于2-3mm真空下干燥2小時(shí)并在60° C(也在2-3mm Hg下)干燥6小時(shí)。最后，將所述沸石經(jīng)30分鐘緩慢升溫至500° C并在500° C下煅燒3小時(shí)。Tosoh Na-L 沸石:將 15g Tosoh K-L 沸石緩慢添加至 200mL 的 0.6MNaCl (于 200ml水中為7.0lg)溶液中并將所述懸浮液在30° C下攪拌整夜。然后潷析所得的試樣并清洗多次直至不含Cr，首先在30° C下于2-3mm真空下干燥2小時(shí)并在60° C (也在2_3mmHg下)干燥4小時(shí)。將所述沸石經(jīng)30分鐘緩慢升溫至450° C并在450° C下煅燒3小時(shí)。由依次進(jìn)行的酯化和脫水反應(yīng)獲得的結(jié)果示于表5中。實(shí)施例5丙交酯酯化為乳酸丁酯在該實(shí)施例中，我們將丙交酯用作酯化反應(yīng)中的源材料。丙交酯購自SigmaAldrich,正丁醇購自Fisher Scientific。兩個(gè)反應(yīng)容器使用IOOmL具有螺絲帽的介質(zhì)瓶設(shè)鉻，反應(yīng)熱由位于熱攪拌板上的甘油浴提供。將IOg丙交酯添加至25.7g 丁醇中。所述反應(yīng)使用兩種不同濃度的Amberlyst-36作為催化劑(將Ig Amberlyst-36添加至一個(gè)容器中，將2g Amberlyst-36添加至另一個(gè)容器中)進(jìn)行。攪拌通過380rpm的攪拌棒提供。頻繁在各時(shí)間點(diǎn)收集試樣以監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程并通過HPLC和GC分析所述試樣。結(jié)果示于表6和圖9中。實(shí)施例6D, L-乳酸與1- 丁醇的酯化在該實(shí)施例中，我們顯示了乳酸酯化為乳酸丁酯。在該試驗(yàn)中用作催化劑的強(qiáng)酸離子交換樹脂A35、A45和A70獲自Rohm and Haas。所述樹脂以濕形式使用或在真空和50° C下于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中干燥2小時(shí)，并計(jì)算干物質(zhì)的體積和密度。D，L-乳酸購自Aldrich和TCI。報(bào)告獲自供應(yīng)商的D，L-乳酸純度為85%。用0.1N NaOH滴定獲自供應(yīng)商的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)純度為72%，這表明商業(yè)供應(yīng)的乳酸中的其余部分以低聚物形式存在。在本發(fā)明所用的酯化條件下，所述低聚物形式也發(fā)生酯化，從而獲得乳酸丁酯。所述試驗(yàn)在實(shí)施例3所述的固定床管式反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行。在該試驗(yàn)周期中，進(jìn)料溶液通過將IOOg的72%乳酸(通過用NaOH滴定測(cè)定為0.8M)溶于1-丁醇(140g，1.89M)中而獲得。所述進(jìn)料溶液額外加料有0.025g(IOOppm)的4-甲氧基苯酚以用作聚合抑制劑。將轉(zhuǎn)移燒瓶通過用Spsi氮?dú)饨惶婕訅?釋放而吹掃3次以除去溶解的氧。將氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器(MFC-1)設(shè)定為4.4cc/分鐘并開始加熱所述反應(yīng)器。當(dāng)溫度達(dá)至70° C時(shí)，液體流以預(yù)定流速開始。記錄各次收集的體積和重量并用
0.1N NaOH等分滴定以測(cè)定殘留的乳酸。還進(jìn)行第二次取樣并通過GC分析。結(jié)果示于表7中。實(shí)施例7乳酸銨酯化為乳酸丁酯在該試驗(yàn)中，我們顯示了當(dāng)用正丁醇處理乳酸銨時(shí)，形成了乳酸丁酯。將與實(shí)施例5所述相同的反應(yīng)設(shè)鉻用于實(shí)施該反應(yīng)。將9g濃乳酸銨用作進(jìn)料，其通過從125g含有61.2g當(dāng)量乳酸的發(fā)酵液中蒸發(fā)過量水而制備。將18.2g正丁醇添加至9g濃乳酸銨溶液中并在不存在催化劑下于105° C下進(jìn)行酯化反應(yīng)。使用注射器針頭收集等分試樣并通過GC和HPLC分析。 結(jié)果示于圖10和11以及表8中。實(shí)施例8乳酸丁酯脫水為丙烯酸丁酯和丙烯酸
在該試驗(yàn)中，我們顯示了由乳酸丁酯脫水形成丙烯酸丁酯和丙烯酸。液體進(jìn)料的組成為:于45%丁醇和5%水中的50%乳酸丁酯(200g乳酸丁酯，180g丁醇，20g水，40mg4-甲氧基苯酚)。反應(yīng)條件為:進(jìn)料流速:0.1cc/分鐘，接觸時(shí)間(CT4.8秒)，催化劑的體積一5cc。測(cè)試三種不同的催化劑，即Tosoh K-L沸石(原樣)，Tosoh鈉交換的K-L沸石和Tosoh銫交換的K-L沸石。這些催化劑的制備如下:Tosoh K-L沸石(原樣):將1/16”擠出物壓碎并經(jīng)30-60目粒度過篩。將其通過在烘箱中經(jīng)2小時(shí)緩慢升溫至450° C，并在450° C下保持2小時(shí)而煅燒。Tosoh鈉交換的K-L沸石:將15g Tosoh K-L沸石緩慢添加至200mL的0.6MNaCl (于200ml水中為7.0lg)溶液中，并將所述懸浮液在30° C下攪拌整夜。然后潷析所得試樣并清洗多次直至不含Cl-，首先在30° C下于2-3_真空下干燥2小時(shí)并在60° C (也在2-3mm Hg下)干燥4小時(shí)。將所述沸石經(jīng)30分鐘緩慢升溫至450° C，并在450° C下煅燒3小時(shí)。Tosoh銫交換的K-L沸石:將15g K_L沸石緩慢添加至200mL的0.6M乙酸銫水溶液(于200cc水中為23.03g)中并將RB燒瓶在RT下緩慢攪拌18小時(shí)。移除并鉻換上清液并用水清洗3-4次。首先使所述沸石在30° C下于2-3_真空下干燥2小時(shí)并在60° C (也在2-3mm Hg下)干燥4小時(shí)。將所述沸石經(jīng)30分鐘緩慢升溫至450° C，并在450° C下煅燒3小時(shí)。所述試驗(yàn)在實(shí)施例3所述的固定床管式反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行。結(jié)果示于表9中。引用文獻(xiàn)列出所有引用文獻(xiàn)以方便讀者。各引用文獻(xiàn)通過引用全部并入本文。美國(guó)專利2，183，357美國(guó)專利2，464，364美國(guó)專利2，859，240美國(guó)專利3，022，336美國(guó)專利3，087，962美國(guó)專利4，631，264美國(guó)專利4，729，978美國(guó)專利4，786，756美國(guó)專利5，068，399美國(guó)專利5，071，754美國(guó)專利5，250，729美國(guó)專利5，252，473美國(guó)專利5，268，506美國(guó)專利5，3 71，273美國(guó)專利6，545，175美國(guó)專利6，992，209美國(guó)專利7，538，247美國(guó)專利7，629，162美國(guó)專利7，687，661
美國(guó)專利7，696，375美國(guó)專利7，851，188美國(guó)專利7，910，342美國(guó)專利7，993，889美國(guó)公開專利申請(qǐng)US2010195505美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20100129886美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20100221801美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20100062505美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20110183392美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20110159558美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20110195505美國(guó)公開專利申請(qǐng)US20110112334歐洲公開申請(qǐng)0，614，983A2日本公開專利摘要2003-284580日本公開專利摘要2004-315411國(guó)際公開專利申請(qǐng)W0/2011/040700Aida, T.K.，Ikarashi，A.，Saito, Y.，Watanabe, M.，Smith Jr.，R.L，和 Arai，K.(2009) J.Supercritical Fluids50:257_264。Alvarez, M.E.T.；Moraes, E.B.;Machado，A.B.;Filho，R.M.；Wolf-Maciel,M.R.(2007)Evaluation of liquid-liquid extraction process forseparating acrylicacid produced from renewable sugars，App.Biochem.Biotech.136—140:451_462。Danner, H.；Urmos, M.；Gartner, M.和 Braun，R.(1998) Biotechnologicalproduction of acrylic acid from biomass，App.Biochem.Biotechnol.70—72:887_8940Fan，Y.;Zhou，C.和 Zhu，X.(2009) Selective catalysis of lactic acidtoproduce commodity chemicals, Catalysis Review51 (3):293_324。Glauser,J.;Blagoev，M.和Kumamoto，T.(2011)CEH MarketingResearch Report,Acrylic acid，acrylate esters and superabsorbentpolymers。Gunter,G.C.；Langford,R.H.；Jackson, J.E.;Miller，D.J.(1995)Catalysts andsupports for conversion of alctic acid to acrylic acid and2，3—pentanedione，Ind.Eng.Chem.Res.34:974-980。Iizuka，T.;Fujie，S.;Ushikubo，T.;Chen，Z_h.； Tanabe, K.(1986)Esterification of acrylic acid with methanol over niobic acid catalyst, App.Catal.28: 1-5。
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權(quán)利要求
1.一種由生物原料制備a, ￠-不飽和羧酸酯的方法，所述方法包括: a.用生物催化劑使生物原料發(fā)酵并制備包含羥基羧酸或其衍生物的發(fā)酵液； b.使所述發(fā)酵液中的羥基羧酸或其衍生物與醇在不添加任何外來酯化催化劑的情況下酯化； c.在引發(fā)與醇的酯化反應(yīng)之前，提供惰性氣體流； d.回收羥基羧酸酯；和e.在脫水催化劑的存在下，加熱所述羥基羧酸酯以制備a，3-不飽和羧酸酯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述羥基羧酸為a-羥基羧酸或￠-羥基羧酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述a-羥基羧酸的衍生物選自乳酸銨、乳酸鈉、乳酸鈣和乳酸鉀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述羥基羧酸衍生物為乳酸銨。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述醇為C1-Cltl烷基醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述羥基羧酸衍生物為乳酸銨且所述醇為丁醇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述酯化反應(yīng)在高于環(huán)境溫度下進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述脫水催化劑選自固體酸催化劑、堿催化劑、金屬催化劑和分子篩催化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括捕集被惰性氣體流帶走的氨和醇蒸氣，將氨再循環(huán)至發(fā)酵中并將醇再循環(huán)至所述酯化反應(yīng)中的步驟。
10.一種由生物原料制備羥基丙酸酯的方法，所述方法包括如下步驟:a.用生物催化劑使生物原料發(fā)酵并制備包含羥基丙酸或其衍生物的發(fā)酵液； b.在醇的存在下加熱所述發(fā)酵液； c.提供惰性氣體流； d.和 e.回收羥基丙酸酯。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述羥基丙酸為a-羥基丙酸或￠-羥基丙酸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述羥基丙酸衍生物選自乳酸二聚體、乳酸低聚物和乳酸的無機(jī)鹽。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述乳酸衍生物選自乳酸銨、乳酸鈉、乳酸鈣和乳酸鉀。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述乳酸衍生物為乳酸銨。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述方法在至少一種酯化催化劑的存在下進(jìn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述方法在不添加任何外來酯化催化劑的情況下進(jìn)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的 方法，其中所述醇為C1-Cltl烷基醇。
全文摘要
本發(fā)明涉及衍生自生物發(fā)酵的乳酸及其酯分別催化脫水為丙烯酸和丙烯酸酯。本發(fā)明公開了適于以工業(yè)規(guī)模制備丙烯酸和丙烯酸酯的化學(xué)催化劑。本發(fā)明還提供了使用可再生資源和生物催化劑由生物發(fā)酵制備丙烯酸和丙烯酸酯的工業(yè)規(guī)模集成工藝技術(shù)。
文檔編號(hào)C12P7/52GK103080328SQ201180043010
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者C·奧茲莫拉爾, J·P·格拉斯, R·達(dá)薩里, S·塔尼爾延, R·D·巴加特, M·R·卡斯雷迪 申請(qǐng)人:麥蘭特公司