乳酸酯制造方法
【技術領域】
[0001]本發明系關于自醣制造乳酸及乳酸C1-6烷基酯之方法。本發明亦關于制造相關產品，諸如寡聚乳酸、交酯、乳酰乳酸烷基酯及/或聚乳酸之方法。
【背景技術】
[0002]乳酸為重要工業化學品，其在生物聚合物工業中用作原料。現今，幾乎所有大規模制造之市售乳酸系藉由釀酵法制造，參見例如Strategic Analysis of the WorldwideMarket for B1renewable Chemicals M2F2-39,Frost及Sullivan,2009。在典型釀酵法中，用微生物釀酵生物質以產生D-或L-乳酸，最通常L-乳酸。諸如Cargill及Purac(現為Corb1n)之公司操作大規模釀酵法以制造光學活性乳酸。許多專利公開案系關于自釀酵混合物回收乳酸，其可為具挑戰性的，且大量專利文獻依賴于制備乳酸與胺之間的錯合物以用于回收(參見例如US 4，444，881、US 5，510，526)。
[0003]已知自碳水化合物制備乳酸之化學法。舉例而言，GB400，413 (回溯至1933年)描述一種制備乳酸或乳酸酯的改良方法，其包含使含碳水化合物之物質與強堿在至少200°C之溫度下、較佳在至少20個大氣壓之壓力下反應，及藉由將硫酸或硫酸鋅添加至反應混合物中來回收由此制造的乳酸。乙醛之氫氰化亦已用作獲取乳酸之合成途徑。
[0004]W0 2012/052703描述一種制造乳酸及氨或胺之錯合物之改良方法，其不涉及藉由釀酵制造乳酸。該方法包含使一或多種醣與氫氧化鋇反應以產生包含乳酸鋇之第一反應混合物，且使至少一部分第一反應混合物與氨或胺以及與二氧化碳，或與氨或胺之碳酸鹽及/或碳酸氫鹽接觸以產生包含錯合物及碳酸鋇之第二反應混合物。涉及制備鋇鹽之此方法相比于先前技術方法具有顯著優勢。然而，其確實具有一些缺點:具體言之，若需要再循環鋇，則需要碳酸鋇煅燒步驟。煅燒(calcinat1n，亦稱為calcining)為在不存在施用于礦石及其他固體材料之空氣之情況下引起揮發性餾份之熱分解、相變或移除之熱處理方法。煅燒方法自其最常見應用，碳酸鈣(石灰石)分解為氧化鈣(石灰)及二氧化碳而得出其名稱。典型地使用術語煅燒及煅料(煅燒產物)而不管經歷熱處理之實際礦物質。盡管碳酸鋇煅燒為可行的，但該技術當前未以工業規模廣泛操作。
[0005]另外，在工業規模上進行W02012/052703中所述之方法需要經調適以處理及運輸大量鋇鹽之設施。存在用于大規模使用鋇鹽之處理解決方案。然而，仍需要用于產生乳酸及相關物質之改良方法，其仍提供錯合物之可接受產率但其避免與使用鋇鹽相關之缺點。
【發明內容】
[0006]在第一態樣中，本發明提供一種制造乳酸之方法，其包含:
[0007](a)使富含醣之液流與氫氧化鈉在水存在下反應以產生包含乳酸鈉之反應混合物；
[0008](b)使至少一部分乳酸鈉與HC1反應以產生乳酸及氯化鈉；
[0009](c)將至少一部分氯化鈉轉化為氯氣及氫氧化鈉;及
[0010](d)將步驟(c)中產生之至少一部分氫氧化鈉再循環至步驟(a)中。
【附圖說明】
[0011 ]圖1顯示本發明之方法之較佳具體實例。
[0012]圖2顯示圖1中顯示之具體實例的一部分之變化形式，其中使用復數個并聯的酯化反應器而非單一酯化反應器。
[0013]圖3顯示圖1中顯示之具體實例的一部分之變化形式，其中使用復數個串聯的酯化反應器而非單一酯化反應器。
【具體實施方式】
[0014]在本發明之方法之第一態樣中，使富含醣之液流與氫氧化鈉反應。存在于該液流中之醣可為單醣、二醣、三醣、寡醣或聚醣，其中雙醣且尤其單醣較佳。較佳地，富含醣之液流為富含單醣之液流。在一些較佳具體實例中，存在于該富含醣之液流中之至少50wt%2醣、至少60wt %之醣、至少70wt %之醣、至少80wt %之醣、至少90wt %之醣、至少95wt %之醣為單醣。適合之單醣包括例如己醣單醣，例如葡萄糖、果糖、阿洛酮糖、半乳糖及甘露糖，及戊糖單醣，例如阿拉伯糖、木糖、核糖、木酮糖及核酮糖。在一個具體實例中，富含醣之液流包含葡萄糖。在另一具體實例中，富含醣之液流包含果糖。在另一具體實例中，富含醣之液流包含甘露糖。在另一具體實例中，富含醣之液流包含木糖。醣之混合物可存在于富含醣之液流中。舉例而言，可存在兩種或兩種以上單醣之混合物，例如葡萄糖與果糖之混合物。單醣可自任何已知單醣來源獲得，例如高碳醣，諸如蔗糖、淀粉或纖維素。在一些具體實例中，富含醣之液流可含有例如藉由使用蔗糖酶或轉化酶之酶促水解，或藉由在諸如硫酸、檸檬酸或抗壞血酸之酸性催化劑存在下加熱雙醣獲自蔗糖之葡萄糖與果糖(稱為轉化糖)之混合物。在一些具體實例中，富含醣之液流可含有藉由例如玉米、稻谷或馬鈴薯的生物質原料中包含之淀粉之酶促水解(例如使用淀粉酶)獲得之葡萄糖。在一些具體實例中，富含醣之液流可含有藉由生物質原料中包含之纖維素之水解(例如使用一或多種纖維素酶之酶促水解)獲得之葡萄糖。富含醣之液流可含有除醣以外的組分，例如其可包括生物質之其他組分，諸如木質素或木質素衍生之產物。亦可例如存在來自加工生物質之廢化學品。水將典型地存在。在一些具體實例中，除存在于富含醣之液流中之水以外至少50wt%、至少60wt%、至少70wt%、至少80wt%、至少90wt%、至少95wt%之材料為醣(例如單醣)。
[0015]在水存在下進行醣與氫氧化鈉之間的反應。如上所述，一些醣源含有水，且該等原料可容易地用于本發明之方法中。在某些具體實例中，可在額外水(亦即除存在于起始材料中之水以外的水)之存在下進行醣與氫氧化鈉之間的反應。醣與氫氧化鈉之間的反應在必要時亦可在一或多種有機溶劑(例如含氧物，諸如醇、酯、醚或酮)存在下進行;及/或在一或多種反應性萃取劑(諸如胺)存在下進行。然而，在一較佳具體實例中，醣與氫氧化鈉之間的反應在有機溶劑不存在下發生，亦即水為唯一溶劑。在一些具體實例中，用于步驟(a)中之水之總量與醣之重量比在0.5:1至9:1范圍內，更佳在1.25:1至4:1范圍內，更佳在1.5:1至4:1范圍內，最佳在3:1至4:1范圍內。
[0016]氫氧化鈉與醣反應產生乳酸鈉。任何形式之氫氧化鈉可用于本發明之方法中。氫氧化鈉源(諸如氧化鈉)可用于本發明之方法中，氧化鈉在水存在下轉化成氫氧化鈉。產生之氫氧化鈉與醣原位反應以產生乳酸鈉。氫氧化鈉與醣之比應足以實現醣至乳酸鈉之良好轉化。較佳地，氫氧化鈉與醣(以單醣計算)之莫耳比為至少2:1。可使用過量之氫氧化鈉，例如氫氧化鈉與醣(以單醣計算)之莫耳比可為高達10:1。在一些較佳具體實例中，氫氧化鈉與醣(以單醣計算)之莫耳比在2:1至6:1、更佳2:1至4:1、更佳2:1至3:1范圍內。本發明亦包涵低于2:1的氫氧化鈉與醣(以單醣計算)之莫耳比;然而，使用亞化學計算量之氫氧化鈉一般將導致醣至乳酸鈉之轉化率較低。因此，在一些具體實例中，氫氧化鈉與醣(以單醣計算)之莫耳比為至少1.5:1，例如在1.5:1至6:1范圍內，更佳在1.6:1至4:1范圍內，更佳在1.8:1至2.5:1范圍內，更佳在1.9:1至2.1:1范圍內。
[0017]可在環境溫度下進行醣至乳酸鈉之轉化，盡管反應亦較佳在高溫下，例如在高達160°C、較佳高達110°C之溫度下進行。較佳地，使醣與氫氧化鈉在10至160°C范圍內之溫度下，更佳在60至110°C范圍內之溫度下反應。在一些具體實例中，使醣與氫氧化鈉在回流下于水中反應。
[0018]在一較佳具體實例中，水中之醣(例如單醣)與水中之氫氧化鈉在高溫下經一段時間摻合。舉例而言，可經一段時間向在高溫下，例如在60至110°C之溫度下的氫氧化鈉與水之混合物中添加醣(例如單醣)與水之混合物。緩慢添加醣(例如單醣)一般導致在本發明之方法期間形成的副產物減少，且導致醣(例如單醣)至乳酸鈉之轉化率提高。較佳地，經至少10分鐘、更佳至少30分鐘、更佳至少1小時之時段添加水中之醣(例如單醣)。較佳地，醣于水中之濃度為至少0.2M。在一些較佳具體實例中，醣于水中之濃度在0.2至4.0M范圍內，更佳在0.5至4.0M范圍內。醣與氫氧化鈉之反應產生包含乳酸鈉之反應混合物。該方法典型地導致產生外消旋乳酸鈉。
[0019]必要時，可在步驟(a)之后藉由例如藉由蒸餾、蒸發或膜分離移除水(例如在步驟
(b)之前)來濃縮反應混合物，且將反應混合物之所得部分用于步驟(b)中。
[0020]在步驟(b)中，使至少一部分乳酸鈉與HC1反應以產生乳酸及氯化鈉。通常，使大部分或所有來自步驟(a)之乳酸鈉與HC1反應(例如除例如用于分析/品質控制程序而經移除之樣品以外的所有乳酸鈉)。
[0021]可以任何適合之形式提供HC1，例如呈HC1氣體形式或呈適合之溶劑中之溶液形式。較佳地，HC1為鹽酸水溶液，更佳為濃鹽酸水溶液(亦即約37 %鹽酸水溶液)ο在步驟(b)中，通常將存在一些水，例如乳酸鈉典型地呈水中之溶液/懸浮液形式提供，甚至在如上所述的在步驟(a)之后移除一些水的狀況下亦如此。所用HC1可為鹽酸水溶液(例如濃鹽酸水溶液)，且因此亦可為水之來源。在適于將乳酸鈉轉化為乳酸及氯化鈉的溫度下，例如在5至125°C范圍內之溫度下進行步驟(b)。在一個具體實例中，在環境溫度下進行步驟(b)。在一個具體實例中，在回流下進行步驟(b)。
[0022]較佳地，所用HC1之量應足以與乳酸鈉反應，以及中和存在于由步驟(a)產生的反應混合物中之其他鈉物質，諸如未反應之氫氧化鈉或其他有機鈉鹽。在一較佳具體實例中，用于步驟(a)中之氫氧化鈉與用于步驟(b)中之HC1之莫耳比在1:1至1:5范圍內，更佳在1.0:1.0至1.0:1.5范圍內，更佳在1.0:1.0至1.0:1.2范圍內。在另一具體實例中，乳酸鈉與HC1之莫耳比在1:1至1:5范圍內。本發明亦包涵低于1:1的乳酸鈉與HC1之莫耳比；然而，使用亞化學計算量之HC1—般將導致乳酸鈉至乳酸之轉化率較低。舉例而言，乳酸鈉與HC1之莫耳比可在1:0.9至1:5范圍內。當乳酸之下游加工需要酸性環境時，例如當乳酸與&-6燒基醇在酸性條件下反應以產生對應乳酸烷基酯時，可較佳在步驟(b)中使用相比于步驟(a)中所用之NaOH之量莫耳過量之HC1。因此，在一些較佳具體實例中，用于步驟(b)中之HC1之量與用于步驟(a)中之氫氧化鈉之量之莫耳比在1.01:1.00至1.50:1.00、較佳1.01:1.00至1.20:1.00、更佳 1.01:1.00至 1.10:1.00 范圍內。
[0023]在一較佳具體實例中，步驟(b)包含將至少一部分來自步驟(a)之反應混合物與HC1以及與C3-6烷基醇摻合。彼等烷基醇為較佳溶劑，因為在氯化鈉、乳酸及水存在下產生兩相混合物。乳酸優先分配至烷基醇相中且氯化鈉優先分配至水相中。可藉由使用適合之相轉移催化劑促進該分配。因此，使用C3-6烷基醇使得能夠藉由液-液相分離來分離氯化鈉與乳酸。正丁醇及異丙醇為較佳溶劑，其中正丁醇最佳，因為其促進氯化鈉與乳酸之分離，其中兩種產物獲得特別良好的產率。僅需要處理液體而非液體及固體之該等方法尤其適合于工業規模操作。另外，當產物之下游加工涉及移除水時，例如當乳酸與烷基醇反應以產