專利名稱：檸檬酸酯的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明背景本發(fā)明一般涉及用于生產(chǎn)檸檬酸酯的各種方法，更具體地說，本發(fā)明涉及適用于從含有部分純化的檸檬酸的發(fā)酵液中制備檸檬酸酯的各種方法。
作為進(jìn)一步的背景資料，檸檬酸是一種可用于食品、制藥、化妝品及塑料工業(yè)中的生物上存在的物質(zhì)。特別是在塑料工業(yè)中，檸檬酸是生產(chǎn)檸檬酸酯增塑劑的一種原料。
自從C.Wehmer在19世紀(jì)90年代開始進(jìn)行早期的研究工作以來，人們在發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的各種方法中傾注了極大的熱情及大量的投資。就運(yùn)一點(diǎn)而論，每年世界上所生產(chǎn)的不低于700百萬磅的檸檬酸幾乎所有都來自發(fā)酵的方法，例如通過一種碳源如糖蜜，采用微生物黑曲霉(Aspergillus Niger)進(jìn)行發(fā)酵得來。通常，來自這種發(fā)酵的發(fā)酵液含有約不低于10％(重量)的檸檬酸，以及約不低于1000ppm的鹽、約1％(重量)的碳水化合物，和2％(重量)的蛋白質(zhì)、氨基酸和其他物質(zhì)。
從這種介質(zhì)中提純檸檬酸在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界中一直是備受關(guān)注的課題。一般而言，迄今為止人們已使用了三種技術(shù)，它們分別是沉淀、溶劑萃取和固相聚合物吸附及隨后進(jìn)行解吸。對于第一種技術(shù)沉淀，我們可以肯定地說它是一種工業(yè)規(guī)模采用的更加優(yōu)選的技術(shù)，雖然對于其他兩種技術(shù)人們也已經(jīng)付出了巨大的努力。在沉淀方法中，通常將氫氧化鈣(石灰)加入到發(fā)酵后的介質(zhì)中以生成微溶的檸檬酸三鈣四水合物。經(jīng)恰當(dāng)?shù)夭僮骱?，這種沉淀使大部分的雜質(zhì)都留在了溶液中。通過對過濾后的沉淀物進(jìn)行洗滌可以進(jìn)一步除去雜質(zhì)。為了進(jìn)一步提純產(chǎn)品，可使?jié)竦某恋砦锱c硫酸進(jìn)行反應(yīng)，得到硫酸鈣(石膏)和游離酸的溶液。然后用活性炭和離子交換樹脂處理游離酸溶液，再蒸發(fā)成結(jié)晶狀的檸檬酸產(chǎn)品。正如我們所認(rèn)識到的那樣，這種沉淀方法的效率在很大程度上取決于恰當(dāng)?shù)睾托⌒牡剡M(jìn)行所包括的各個步驟。因而它是一種要求高度提純的靈敏的方法(特別是在工業(yè)規(guī)模時尤其如此)。
用來提純檸檬酸的第二種技術(shù)是溶劑萃取。在該技術(shù)中，采用各種溶劑烴，如辛烷、苯、煤油、醚、酯、酮或胺將檸檬酸從發(fā)酵液中萃取出來。然后采用加熱或生成檸檬酸鹽將檸檬酸重新從溶劑相萃取進(jìn)水中。然而這種溶劑萃取技術(shù)也是昂貴和復(fù)雜的。此外，溶劑萃取還產(chǎn)生了相當(dāng)大量的需要處置的廢物，從成本及環(huán)境的觀點(diǎn)來看這種方法是不吸引人的。
人們提議的第三種技術(shù)包括使用固體吸附劑將檸檬酸從介質(zhì)中移出。然后采用一種解吸劑將所吸附的檸檬酸從聚合物中回收。例如，Kawabata等人在美國專利第4,323,702號中描述了采用一種其主要組分為具有吡啶骨架結(jié)構(gòu)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合化合物的材料用于回收羧酸的一種方法。然后采用脂族醇、脂族酮或羧酸酯作為解吸劑對所捕獲的羧酸進(jìn)行解吸。Kulprathipanja在美國專利第4,720,579號中描述了一種方法，其中采用中性的、非離子的、大網(wǎng)狀的、水不溶的交聯(lián)苯乙烯-聚(乙烯基)苯的一種吸附劑將檸檬酸從發(fā)酵液中分離出來，然后采用丙酮/水混合物進(jìn)行解吸。
Kulprathipanja等人在美國專利第4,851,573號中描述了另一種方法，其中將具有連接叔胺官能基或吡啶官能基的交聯(lián)丙烯酸或苯乙烯樹脂基體的吸附劑作為檸檬酸的吸附劑，然后優(yōu)選采用硫酸進(jìn)行解吸。Kulprathipanja在另一篇美國專利第4,851,574號中還描述了采用具有連接脂族季胺官能基的交聯(lián)丙烯酸或苯乙烯樹脂基體作為吸附劑將檸檬酸從發(fā)酵液中分離出來。
正如我們將會了解到的那樣，上述用于提純檸檬酸的各種技術(shù)以及通常在所有方法中所使用的去除糖分的最終結(jié)晶方法為最終產(chǎn)品添加了相當(dāng)大的成本。反之，相當(dāng)大的成本被加入到檸檬酸下游的產(chǎn)品中。例如，如前所述，在檸檬酸的其他用途當(dāng)中，檸檬酸是檸檬酸酯的一種重要的原料，而檸檬酸酯對于PVC組合物(例如參見美國專利第4,870,204號、第4,789,700號、第4,711,922號和第4,824,893號)和生物可降解的聚合組合物(例如參見美國專利第5,556,905號)而言特別可用作增塑劑。大部分的檸檬酸酯都是通過使提純后的檸檬酸(如工業(yè)級或USP級)與合適的醇在酯化反應(yīng)催化劑的存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)制得。然而，由使用這種提純級的檸檬酸的成本壓力造成了極大的缺陷，因?yàn)闄幟仕狨サ闹圃炝考笆褂昧慷驾^大。
德國專利第1 041 944號描述了一種方法，其中據(jù)稱從粗制的檸檬酸發(fā)酵液中制備出檸檬酸酯。更具體地說，其作者描述了一種用于生產(chǎn)檸檬酸酯的方法，其中采用苯和乙醇對粗制的30％檸檬酸發(fā)酵液進(jìn)行脫水成糖漿。將丁醇和乙酸丁酯連同錫催化劑加入到該糖漿中，然后將混合物加熱至140-160℃的溫度，然后加入氫氧化鉀終止反應(yīng)。用碳酸鈉水溶液洗滌所得的反應(yīng)產(chǎn)物，蒸餾粗制的混合物。作者報(bào)道在所回收的物質(zhì)中得到了乙酰基檸檬酸三丁酯。
如上所述，人們?nèi)孕枰獙τ米髟鏊軇┑闹匾獧幟仕狨で蟾鞣N經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)路線。合乎需要的這種路線應(yīng)該避免提純所造成的高成本，而同時得到適用于用作PVC和其他塑料的工業(yè)增塑劑的檸檬酸酯產(chǎn)品。本發(fā)明正適應(yīng)這些需要。本發(fā)明概要本發(fā)明的特征之一是我們意想不到地發(fā)現(xiàn)所需檸檬酸酯產(chǎn)品可通過使含有較不純的檸檬酸的發(fā)酵液進(jìn)行酯化作用(如果在酯化之前對這種發(fā)酵液進(jìn)行處理以去除陽離子的話)進(jìn)行制備。因此，本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案提供了一種制備檸檬酸酯的方法，它包括(i)從產(chǎn)生檸檬酸的發(fā)酵中提供含有檸檬酸的發(fā)酵液，對該發(fā)酵液先進(jìn)行處理以除去陽離子雜質(zhì)；和(ii)使含有檸檬酸的發(fā)酵液與醇進(jìn)行反應(yīng)以酯化檸檬酸并生成檸檬酸酯。我們發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行酯化作用之前除去陽離子能使產(chǎn)生的顆粒狀雜質(zhì)的形成減少至最低程度，并極大地改進(jìn)反應(yīng)速率和產(chǎn)品收率及產(chǎn)品純度。本發(fā)明這個令人意想不到的方面使得可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)檸檬酸酯，同時避免與將檸檬酸做成提純狀態(tài)如工業(yè)級或USP級的檸檬酸有關(guān)的高成本。
在一個特別優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供了如上所述用于制備下式I的檸檬酸三酯組合物(composition)的方法
其中R＝H、R2-CO-或Ph(-R2)n-CO-，其中R2為C1-C18脂族基團(tuán)，n為0或1，和Ph為苯基基團(tuán)；每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H、C1-C18脂族基團(tuán)或脂環(huán)族基團(tuán)，或R2(OR3)m-，其中R2如上所定義，R3為C1-C8烷基基團(tuán)，m為1-15的整數(shù)，和其中高達(dá)約40％的基團(tuán)R1為H(即酯組合物中的羧酸基團(tuán)有約60％-約100％被酯化)。該本發(fā)明的方法包括(i)使已進(jìn)行過處理除去陽離子的含有檸檬酸的發(fā)酵液與一種或一種以上式R1-OH(其中R1如上所定義)的醇進(jìn)行反應(yīng)生成式I的檸檬酸酯(其中R＝H)，和(ii)任選地使步驟(i)的產(chǎn)物與式R2CO-X、Ph(-R2)n-CO-X、R2-CO-O-CO-R2或Ph(-R2)n-CO-O-CO-(-R2)n-Ph(其中R2和n如上所定義，X為鹵素)的酰鹵或酸酐進(jìn)行反應(yīng)生成式I的產(chǎn)物(其中R＝R2-CO-或Ph(-R2)n-CO-，其中R2、n和Ph如上所定義)。
本發(fā)明另一個優(yōu)選的實(shí)施方案提供一種用于制備檸檬酸酯的方法，它包括(i)使醇與含有水溶性雜質(zhì)的含水檸檬酸源進(jìn)行化合以提供具有水相的反應(yīng)介質(zhì)；(ii)使反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)生成檸檬酸酯，使所述檸檬酸酯從所述水相中分離到有機(jī)相中，所述水相基本上保留了所述水溶性雜質(zhì)；和(iii)將含有檸檬酸酯的有機(jī)相從水相中分離出來。在其一種形式中，該實(shí)施方案應(yīng)用于生成本身不充分地溶于水中以便形成獨(dú)立的有機(jī)相的檸檬酸酯。在其他形式中，該實(shí)施方案應(yīng)用于生成相對溶于水中的檸檬酸酯，將一種惰性的、不溶于水的有機(jī)溶劑加入到反應(yīng)介質(zhì)中以提供有機(jī)相，至少一部分檸檬酸酯產(chǎn)物進(jìn)入有機(jī)相，籍此從保留于水相中的水溶性雜質(zhì)中分離出來。在其中任一形式中，檸檬酸酯產(chǎn)物從反應(yīng)的水相中移出促使酯化平衡向酯產(chǎn)物的一邊移動，籍此有利于制備過程的進(jìn)行。當(dāng)在這些方法中采用未經(jīng)提純或部分提純的檸檬酸發(fā)酵液作為檸檬酸源時，很容易將各種水溶性雜質(zhì)如鹽、糖和/或其他水溶性有機(jī)化合物從檸檬酸酯產(chǎn)物中分離出來。在本發(fā)明該實(shí)施方案中優(yōu)選的檸檬酸酯是式I的檸檬酸酯。因此，如上所述，可使酰基鹵或酸酐與所得的檸檬酸酯產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)以使其羥基官能化。
本發(fā)明一個特別優(yōu)選的實(shí)施方案提供了一種用于制備檸檬酸三丁酯的方法。該方法包括使丁醇(優(yōu)選為正-丁醇)與含水檸檬酸進(jìn)行反應(yīng)生成檸檬酸三丁酯，反應(yīng)在足以提供一種包括水相和含有檸檬酸三丁酯的獨(dú)立有機(jī)相的反應(yīng)介質(zhì)的條件下進(jìn)行。然后將有機(jī)相從水相中分離出來以回收檸檬酸三丁酯。
本發(fā)明另外優(yōu)選的實(shí)施方案提供由此處所述的各種方法所生產(chǎn)的檸檬酸酯組合物以及通過這種檸檬酸酯組合物進(jìn)行物理改性如增塑的聚合組合物。
本發(fā)明為經(jīng)濟(jì)地制備適用作增塑劑的檸檬酸酯提供了改進(jìn)的方法以及由這種方法所能制備的檸檬酸酯和通過這種酯進(jìn)行物理改性的聚合組合物。從以下的說明中本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。附圖的簡述

圖1提供了本發(fā)明用于生產(chǎn)檸檬酸酯的優(yōu)選的總方法的示意圖。優(yōu)選實(shí)施方案的描述為了加強(qiáng)對本發(fā)明原理的理解，現(xiàn)將提及其某些實(shí)施方案，并將使用術(shù)語對其進(jìn)行描述。然而應(yīng)理解的是本發(fā)明的范疇并未因此而受到局限，此處所說明的本發(fā)明原理的替代、進(jìn)一步的修改和應(yīng)用應(yīng)視為本領(lǐng)域技術(shù)人員通常將會遇到的本發(fā)明所涉及的問題。
如上所述，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了用于制備檸檬酸酯組合物的改進(jìn)方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，使已經(jīng)過處理去除陽離子的含有檸檬酸的發(fā)酵液與醇進(jìn)行反應(yīng)生成檸檬酸酯。我們發(fā)現(xiàn)雖然對檸檬酸發(fā)酵液(含有大量陽離子)直接進(jìn)行酯化得到不合需要的含有顆粒的粗制混合物，但對已經(jīng)過處理去除陽離子的檸檬酸發(fā)酵液進(jìn)行酯化得到了較好的、基本上沒有顆粒的檸檬酸酯產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，通過使醇和含有水溶性的各種雜質(zhì)(如通常存在于發(fā)酵液中的鹽、糖等)的含水檸檬酸源進(jìn)行化合，提供具有水相的反應(yīng)介質(zhì)來制備檸檬酸酯。使該反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)生成檸檬酸酯。檸檬酸酯進(jìn)入從水相中分離出來的有機(jī)相中，而水相則保留各種水溶性的雜質(zhì)。然后將含有檸檬酸酯的有機(jī)相通過例如常規(guī)層分離技術(shù)如潷析等從水相中分離出來。
就本發(fā)明中有用的各種原料而言，檸檬酸源可以是來自發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的含有檸檬酸的發(fā)酵液。例如，該發(fā)酵液可從采用一種適宜的生產(chǎn)檸檬酸的微生物如黑曲霉對碳源(如碳水化合物如玉米糖、糖蜜或馬鈴薯提取物)進(jìn)行發(fā)酵而來。關(guān)于檸檬酸發(fā)酵的其他資料可參見其中文獻(xiàn)的主體部分，包括例如美國專利第3,438,863號、第3,632,476號、第4,155,811號、第5,081,025號和第5,237,098號。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的那樣，檸檬酸發(fā)酵液通常將含有水、檸檬酸、糖、鹽、氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他各種低含量的組分。來自發(fā)酵罐的發(fā)酵液含有不低于約10％(重量)、通常為10-20％(重量)的檸檬酸，而鹽的濃度通常不低于約1000ppm。通過常規(guī)澄清方法如過濾可使這種發(fā)酵液不含原始發(fā)酵液中所含有的不溶性有機(jī)或無機(jī)物。
對于本發(fā)明某些優(yōu)選的方法而言，對這種發(fā)酵液進(jìn)行處理以達(dá)到部分提純效果(包括去除陽離子)，但比起工業(yè)級或USP級的檸檬酸物質(zhì)來其純度仍基本上較低，并且還包含大量的糖。在進(jìn)行本發(fā)明的酯化步驟之前也可以任選地通過蒸發(fā)或任何其他適宜的方法對發(fā)酵液進(jìn)行濃縮?？紤]到這一點(diǎn)，在進(jìn)行酯化反應(yīng)前可以進(jìn)行蒸發(fā)，例如將發(fā)酵液濃縮至檸檬酸超過30％(重量)，例如30-60％(重量)，通常約為50％(重量)。
至于將陽離子從發(fā)酵液中除去，可通過如采用一種適宜的酸型陽離子交換樹脂處理粗制的含有檸檬酸的發(fā)酵液(在將細(xì)胞量從發(fā)酵后的介質(zhì)中除去之后)來完成。這種處理可包括使發(fā)酵液流經(jīng)含有凝膠或大孔形式的陽離子交換樹脂的柱，并收集除去陽離子的洗脫發(fā)酵液。至于適用于此目的的具體陽離子交換樹脂除了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的各種各樣的陽離子交換樹脂外還包括售自Rohm &Haas的Amberlyst 15、Amberlite 120、Amberlite 200。至于被除去的陽離子，正如我們所公知的那樣，發(fā)酵液通常含有各種鹽，包括K、Na、Ca、Mg和Fe陽離子。有效地將這些陽離子除去以防在隨后的酯化反應(yīng)中生成不合需要的固體，和/或?qū)⑵鋵?yīng)的陰離子轉(zhuǎn)化為有助于催化酯化反應(yīng)的酸形式。
為了能用于本發(fā)明中，也可以任選地對發(fā)酵液進(jìn)行處理以去除其他物質(zhì)。例如，可對發(fā)酵液進(jìn)行處理以基本上將作為雜質(zhì)的陰離子和/或氨基酸和/或蛋白質(zhì)從發(fā)酵液中除去。然而根據(jù)本發(fā)明我們發(fā)現(xiàn)，即使進(jìn)行酯化反應(yīng)同時將水蒸餾掉，為獲得能被接受的檸檬酸酯產(chǎn)物無須進(jìn)行處理以使發(fā)酵液不含糖(糖很難從檸檬酸中分離出去)。因此，一般而言，雖然其他的各種雜質(zhì)都可被除去，但在本發(fā)明優(yōu)選酯化步驟中反應(yīng)的發(fā)酵液可含有大量的糖，如至少約1％(重量)的糖，通常為約1％-約20％(重量)的糖。該糖可以是以一種或一種以上的糖的形式存在，如可包括葡萄糖、蔗糖、木糖、甘露糖、麥芽糖、果糖和/或半乳糖。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，酯化反應(yīng)在蒸餾的條件下進(jìn)行，在蒸餾釜中將水從反應(yīng)混合物中除去。對于利用揮發(fā)性較大的醇，如甲醇或乙醇的反應(yīng)而言，在蒸餾/反應(yīng)過程中可加入額外量的醇。當(dāng)使用揮發(fā)性較小的醇如丁醇或高級鏈醇時，則通常不需要再添加醇。此外，如需要，這種蒸餾可在一種與水可共沸的試劑存在下進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，酯化反應(yīng)可在非蒸餾的條件下進(jìn)行。在該方面，可使含水的、含雜質(zhì)檸檬酸源與醇反應(yīng)制備檸檬酸酯產(chǎn)物，當(dāng)該產(chǎn)物生成后進(jìn)入獨(dú)立的有機(jī)相中。在反應(yīng)達(dá)到所需程度的轉(zhuǎn)化率(如50％以上、優(yōu)選80％以上、更優(yōu)選90％以上)后，將有機(jī)相從液相中分離出來。酯產(chǎn)物以這種方式在有機(jī)相中進(jìn)行回收，并且很容易地從水溶性的及水不溶性的各種雜質(zhì)中分離出來，同時避免了進(jìn)行水的蒸餾分離。如此可避免大量用于水蒸發(fā)的能量需求(如在蒸餾酯化反應(yīng)中)。此外，這樣做避免了產(chǎn)物被各種水溶性雜質(zhì)如鹽、糖等和/或被在劇烈的蒸餾中可能出現(xiàn)的這些雜質(zhì)熱分解產(chǎn)物所污染和/或著色。檸檬酸酯在分離到有機(jī)相中后可按需要進(jìn)行進(jìn)一步的提純。
在檸檬酸酯基本上完全不溶于水或相對不溶于水中的情況下，檸檬酸酯自身可以形成獨(dú)立的有機(jī)相。在這種情況下在反應(yīng)介質(zhì)中無須包括任何另外的試劑或惰性有機(jī)溶劑以提供有機(jī)相(雖然如需要可包括其中的一種)。例如，在通過使檸檬酸與正-丁醇反應(yīng)優(yōu)選制備檸檬酸三正丁酯中起始的反應(yīng)介質(zhì)是作為單一的水相存在。由于檸檬酸三正丁酯較不溶于水中，因此當(dāng)其生成后即形成了獨(dú)立的有機(jī)相。
在檸檬酸酯相對溶于水的情況下，在反應(yīng)介質(zhì)中可包括另外的試劑如惰性有機(jī)溶劑以提供含有檸檬酸酯產(chǎn)物的獨(dú)立的有機(jī)相。適用于此目的的惰性有機(jī)溶劑包括各種不溶于水的芳族溶劑，如甲苯、苯、二甲苯、乙基苯等，以及具有高達(dá)約20個碳原子的水不溶的脂族溶劑，如己烷、辛烷、庚烷、癸烷等，各種醚，如二苯醚、二苯基乙烷等，各種鹵代溶劑，如氯仿、四氯化碳、氯代苯、含氯氟烴等。
另一種方法或除了使用不溶于水的有機(jī)溶劑外，可將水溶性的分離劑加入到反應(yīng)混合物中以降低檸檬酸酯產(chǎn)物在水相中的溶解度，從而使檸檬酸酯產(chǎn)物形成或進(jìn)入獨(dú)立的有機(jī)相中。例如，可加入一種水溶性鹽如堿金屬或堿土金屬鹵化物，如氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀等用于這些目的。當(dāng)采用較不純的檸檬酸原料時，根據(jù)本發(fā)明該方面進(jìn)行的方法特別地有利，因由于各種水溶性雜質(zhì)如糖和鹽在水相中的溶解度而從檸檬酸酯產(chǎn)物中得以分離出來。在對應(yīng)的蒸餾方法中，這些鹽、糖和/或其他雜質(zhì)將與檸檬酸酯產(chǎn)物一起留在蒸餾釜中，并對產(chǎn)物構(gòu)成潛在污染。此外，有機(jī)相與水相的液相分離避免了與反應(yīng)介質(zhì)中的水進(jìn)行蒸餾分離相關(guān)的能量需求。
根據(jù)本發(fā)明該方面的方法優(yōu)選在攪動或其他攪拌下進(jìn)行。在優(yōu)選的方法中，攪拌時反應(yīng)混合物形成了乳狀液。此外，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到的那樣，這種方法可以在任何適宜的壓力(包括低于大氣壓、大氣壓和超計(jì)大氣壓的壓力)下進(jìn)行。
現(xiàn)參照圖1，所示的是根據(jù)本發(fā)明的檸檬酸酯總生產(chǎn)方法的示意圖。將糖、營養(yǎng)物和產(chǎn)生檸檬酸的微生物送入進(jìn)行發(fā)酵的發(fā)酵罐1中。將來自發(fā)酵后的濃度通常為約15％(重量)檸檬酸并包含糖和陽離子的檸檬酸發(fā)酵液送往澄清器2，并進(jìn)行澄清(過濾)以去除細(xì)胞量。然后使澄清后的發(fā)酵液流經(jīng)陽離子脫除器3并進(jìn)行處理以除去陽離子。例如，陽離子脫除器3可以是如上所述的陽離子交換樹脂。然后將除去陽離子的發(fā)酵液送往濃縮單元4并通過例如蒸發(fā)方法進(jìn)行濃縮。例如濃縮4可方便地為降膜蒸發(fā)器。然后將所得濃縮后的發(fā)酵液連同醇、催化劑以及任何所用的惰性有機(jī)溶劑一起送入到反應(yīng)器5中進(jìn)行酯化反應(yīng)。酯化反應(yīng)最好進(jìn)行攪拌，并且可以以間歇或連續(xù)的方式進(jìn)行。優(yōu)選酯化反應(yīng)以連續(xù)的方式進(jìn)行將檸檬酸源、醇、催化劑和任選的溶劑連續(xù)地加入到反應(yīng)器5中，將水相/有機(jī)相反應(yīng)后的混合物連續(xù)地從反應(yīng)器5中移出?？紤]到這一點(diǎn)，這種連續(xù)的反應(yīng)可方便地在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)(它是一種優(yōu)選適用于當(dāng)反應(yīng)混合物通過管道時得以攪動或攪拌的連續(xù)管道式反應(yīng)器)或其他類似的設(shè)備中進(jìn)行。
在這種連續(xù)的反應(yīng)中，控制各種反應(yīng)劑在反應(yīng)器5中平均停留時間以便獲得所需的轉(zhuǎn)化為檸檬酸酯產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，提供水相和含有酯產(chǎn)物的獨(dú)立有機(jī)相。反應(yīng)器1內(nèi)的停留時間將取決于幾個因素，包括反應(yīng)器的溫度、醇與檸檬酸的反應(yīng)性、所需的轉(zhuǎn)化率水平以及其他類似的很容易為本領(lǐng)域技術(shù)人員所選擇和控制的因素。然而通常反應(yīng)器內(nèi)的停留時間將為約0.5-約10小時，更通常為約1-5小時。然后將包括水相和有機(jī)相的反應(yīng)后混合物送往分離器6，在其中將有機(jī)相從水相中分離出來。分離器6可以是例如常規(guī)的層分離裝置如連續(xù)潷析器等。含有糖的水層可進(jìn)入廢水中。含有檸檬酸酯產(chǎn)物的有機(jī)層可進(jìn)行進(jìn)一步的提純，例如可通過流經(jīng)蒸餾塔7進(jìn)行蒸餾以除去任何殘余的水、醇和/或溶劑，提供提純后的檸檬酸酯。在進(jìn)行任何蒸餾前，當(dāng)檸檬酸酯產(chǎn)物是相對不溶于水中時，也可以采用含水介質(zhì)進(jìn)行洗滌以進(jìn)一步去除水溶性的各種雜質(zhì)。此外，可對檸檬酸酯組合物進(jìn)行處理，例如通過漂白或其他適宜的方法將其脫色。
根據(jù)本發(fā)明，通過使檸檬酸源與一種或一種以上通常高達(dá)約30個碳原子的醇進(jìn)行反應(yīng)可以制備各種檸檬酸酯。考慮到這一點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明可采用單一的醇或各種醇的混合物來制備酯。通常將采用單一的醇。當(dāng)檸檬酸三酯是所需的產(chǎn)物時，在酯化反應(yīng)中優(yōu)選每摩爾檸檬酸使用至少3摩爾的醇。
至于優(yōu)選的產(chǎn)物，根據(jù)本發(fā)明制備的特別優(yōu)選的檸檬酸酯組合物具有下式I
其中R＝H、R2-CO-或Ph-R2n-CO-，其中R2為C1-C18脂族基團(tuán)，n為0或1，和Ph為苯基基團(tuán)；每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H、C1-C18脂族基團(tuán)或脂環(huán)族基團(tuán)，或R2(OR3)m-，其中R2如上所定義，R3為C1-C8烷基基團(tuán)，m為1-15的整數(shù)；和其中高達(dá)約40％的基團(tuán)R1為H(即酯組合物中的羧酸基團(tuán)有約60％-約100％被酯化)。
為了制備這種優(yōu)選的組合物，使檸檬酸源(如來自澄清后的發(fā)酵液或部分提純后的發(fā)酵液)與式R1-OH的醇進(jìn)行反應(yīng)，其中R1如上所定義。用于本發(fā)明中的說明性具體的醇包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、叔丁醇、戊醇、己醇、環(huán)己醇、庚醇、十八烷醇、油醇等，以及烷氧基醚醇，如具有式R2(OR3)m-OH的醇，其中R2為C1-C18烷基、更優(yōu)選為C1-C6烷基，R3為C1-C8烷基，和m為1-15的整數(shù)、更優(yōu)選為1-5。適用于本發(fā)明中的烷氧基醚醇包括鏈烷二醇的一烷基醚，如2-乙氧基乙醇、2-丙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇等，以及較長鏈的物質(zhì)，如2-(2-丙氧基乙氧基)乙醇、2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇等。可用于本發(fā)明中的烷氧基醚醇可經(jīng)各種本領(lǐng)域及文獻(xiàn)中眾所周知的途徑獲得，也可購自Union Carbide Corp.，New York，New York和Eastman Chemical Products，Kingsport，Tennessee。優(yōu)選的基團(tuán)R2(OR3)m-將含有不超過約30個碳原子，更通常為不超過約15個碳原子。
此外，酯化反應(yīng)最好在酯化催化劑的存在下進(jìn)行。適宜的這種催化劑通常是公知的。在本發(fā)明中，優(yōu)選的酯化反應(yīng)催化劑為金屬有機(jī)催化劑(如公開于美國專利第4,711,922號和第4,824,893號中的有機(jī)鈦酸鹽)以及酸性催化劑如無機(jī)酸(如硫酸或鹽酸)和有機(jī)磺酸。
通常通過使檸檬酸與脂族、芳族的酰鹵或酸酐或混合的脂族-芳族羧酸(通常具有高達(dá)約30個碳原子)進(jìn)行反應(yīng)也可以將其羥基轉(zhuǎn)化為酯基。優(yōu)選該反應(yīng)在羧基基團(tuán)酯化后進(jìn)行。用于本發(fā)明該方面中的適宜原料包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、壬酸等，直到較長鏈的羧酸，如油酸、亞油酸和硬脂酸的酰鹵和酸酐。苯甲酰鹵或酸酐是酯化羥基的優(yōu)選芳族化合物，雖然應(yīng)理解的是其他類似的芳族羧酸酰鹵或酸酐也是適宜的，并且都在本發(fā)明的精神和范疇之內(nèi)。為了制備包括上述式I的酯的優(yōu)選組合物，酰鹵或酸酐(如果使用的話)將具有式R2-CO-X或Ph(-R2)n-CO-X或R2-CO-O-CO-R2或Ph(-R2)n-CO-O-CO(-R2)n-Ph，其中R2和n如上所定義，X為鹵素，如氯或溴。
本發(fā)明優(yōu)選的酯化反應(yīng)通常在高達(dá)約200℃、更通常為高達(dá)約150℃如約50℃-約150℃的溫度下進(jìn)行，并可以反應(yīng)完全生成全酯(如其中低于5％、優(yōu)選低于2％式I中的基團(tuán)R1為H)，或在本發(fā)明的一些方面，反應(yīng)可在獲得所需的較低水平的酯化程度后終止(如其中5％-約40％式I中的基團(tuán)R1為H)，生成部分酯。
根據(jù)本發(fā)明制備的檸檬酸酯組合物可以方便地用作生成改性聚合組合物的增塑劑，它們也可以形成本發(fā)明的一部分。例如，根據(jù)本發(fā)明所生產(chǎn)的部分酯比起其對應(yīng)的全酯來更具有親水性，其程度取決于酯化反應(yīng)的水平。當(dāng)采用部分酯來物理改性包括可降解的、相對親水性的聚合物(如纖維素聚合物(如淀粉)和聚酯聚合物(如聚(乳酸))的組合物時可利用該親水特性(例如參見美國專利第5,556,905號)。全部或主要的全酯在PVC材料的改性中特別有用(例如參見美國專利第4,870,204號、第4,789,700號、第4,771,922號和第4,824,893號)。
本發(fā)明現(xiàn)將參照以下具體的實(shí)施例進(jìn)行更為具體的描述。應(yīng)理解的是這些實(shí)施例僅是說明性的而非對本發(fā)明構(gòu)成局限。
實(shí)施例1將4000克含有600克檸檬酸和40克α-D-葡萄糖在3360克城市用水中的混合物在減壓下濃縮至液體溫度為50℃，蒸汽溫度為40℃(90mmHg)，得到857克的濃縮液。使?jié)饪s液與500毫升乙醇和8.63克對-甲苯磺酸混合，混合物在大氣壓下進(jìn)行蒸餾。蒸餾過程中以約0.8毫升/分的速率加入新的乙醇以補(bǔ)償被移出的餾出液。繼續(xù)進(jìn)行蒸餾直至反應(yīng)混合物中檸檬酸的濃度達(dá)到1.2％為止。通過在減壓下(液體溫度為110℃，20mmHg)進(jìn)行進(jìn)一步蒸餾除去剩余的乙醇，得到929克含有檸檬酸三乙酯的濃縮液。在減壓下(蒸汽溫度為168-186℃，0.7mmHg)蒸餾濃縮液(101.5克)，得到87.1克酸度為0.68％(以檸檬酸計(jì))的C-2酯。
實(shí)施例2使已經(jīng)過處理去除陽離子的含有47％檸檬酸的發(fā)酵液(1225克)與732.6克正丁醇、10克對-甲苯磺酸和50毫升甲苯進(jìn)行混合。混合物在大氣壓下在Dean-Stark條件下進(jìn)行蒸餾以除去水分。注意將液體溫度保持在120℃以下。5小時后或當(dāng)除去146毫升水時，從反應(yīng)容器中取出樣品并通過滴定法測定其檸檬酸的含量。如果檸檬酸含量大于1.0％，則加入額外的甲苯繼續(xù)進(jìn)行蒸餾直至反應(yīng)混合物中的檸檬酸含量小于1％。當(dāng)反應(yīng)完成后，在減壓下(液體溫度為110℃，25-30mmHg)除去過量的甲苯和正-丁醇。用含水純堿(15-20％)和水處理含有檸檬酸三丁酯的濃縮液以去除未反應(yīng)的檸檬酸。通過采用漂白或活性炭的方法處理濃縮液可除去不合需要的顏色。
實(shí)施例3重復(fù)實(shí)施例2的程序，不同之處在于初始發(fā)酵液已經(jīng)過處理以除去氨基酸，生成檸檬酸三丁酯產(chǎn)物。
實(shí)施例4(A)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的平衡用蠕動泵將三柱床體積(約300毫升)含有1016.4克水、1016.4克檸檬酸、1568.5克正丁醇和20.3克濃硫酸的溶液泵到500毫升裝有機(jī)械攪拌器并在保持于150℃的油浴中加熱的三頸圓底燒瓶中。反應(yīng)器體積達(dá)到約100毫升后，將反應(yīng)混合物以保持反應(yīng)器中體積恒定的速率從反應(yīng)容器中泵出。當(dāng)反應(yīng)器達(dá)到平衡時，各種反應(yīng)劑的溫度達(dá)到127℃。平衡期間所有移出的混合物均被棄去。
(B)酯化用蠕動泵將具有與上述部分(A)初始溶液相同體積和組成的溶液泵進(jìn)以0.77毫升/分的速率連續(xù)加熱并且反應(yīng)產(chǎn)物以保持反應(yīng)器中體積恒定的速率移出的、平衡后的攪拌反應(yīng)燒瓶中。反應(yīng)期間各反應(yīng)劑的溫度保持在127℃，且反應(yīng)劑在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間為130分鐘。將從反應(yīng)器中移出的反應(yīng)混合物(3618.2克)進(jìn)行冷卻并分層，除去下層(1076.7克)。上層(2541.5克)用500毫升稀的碳酸氫鈉和三部分各500毫升的水進(jìn)行洗滌。蒸餾有機(jī)層以除去水和未反應(yīng)的正丁醇，并且濃縮液通過氣相色譜法進(jìn)行分析。一次通過CSTR后反應(yīng)完成94.1％，所得檸檬酸三丁酯的純度為99.0％。
實(shí)施例5將含有1016.4克水、1016.4克檸檬酸、1568.5克正丁醇和20.3克濃硫酸的溶液加入到裝有加熱套的玻璃圓底燒瓶中。將混合物加熱至97℃并回流72小時，得到兩相反應(yīng)混合物。該反應(yīng)混合物按實(shí)施例4中所述進(jìn)行處理。72小時后反應(yīng)完成57.1％。
本發(fā)明具體參照其優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了上述的描述。然而應(yīng)理解的是在不背離本發(fā)明精神和范疇的情況下對所公開的方法可進(jìn)行各種各樣的修改和完善。這種修改和完善需要受到保護(hù)。此外，此處所引述的所有出版物表明在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的水平，每一篇以其整體通過引用并入本文并如同單獨(dú)引用的效果。
權(quán)利要求
1.一種用于制備檸檬酸酯的方法，它包括從生產(chǎn)檸檬酸的發(fā)酵中提供一種含有檸檬酸的發(fā)酵液，該發(fā)酵液已經(jīng)過處理除去各種陽離子雜質(zhì)；和使所述含有檸檬酸的發(fā)酵液與一種或一種以上醇進(jìn)行反應(yīng)以酯化檸檬酸。
2.一種用于制備檸檬酸酯的方法，它包括從生產(chǎn)檸檬酸的發(fā)酵液中提供一種含有檸檬酸的發(fā)酵液，該發(fā)酵液已經(jīng)過處理除去各種陽離子雜質(zhì)，該發(fā)酵液含有約1％(重量)-約20％(重量)的糖；和使所述含有檸檬酸的發(fā)酵液與一種或一種以上醇進(jìn)行反應(yīng)以酯化檸檬酸并生成所述檸檬酸酯。
3.一種用于制備檸檬酸酯的方法，它包括(i)使醇和含有各種水溶性雜質(zhì)的含水檸檬酸源進(jìn)行混合以提供一種具有水相的反應(yīng)介質(zhì)；(ii)使該反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)以生成檸檬酸酯，所述檸檬酸酯進(jìn)入從所述水相中分離出來的有機(jī)相中，所述水相保留了各種水溶性雜質(zhì)；和(iii)將含有檸檬酸酯的有機(jī)相從水相中分離出來。
4.一種制備檸檬酸酯的連續(xù)方法，它包括(i)連續(xù)地將醇、含水檸檬酸和酯化催化劑送入反應(yīng)器中以提供具有水相的反應(yīng)介質(zhì)；(ii)連續(xù)地使反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)以提供一種包括檸檬酸酯的反應(yīng)后混合物，所述檸檬酸酯進(jìn)入從所述水相中分離出來的有機(jī)相中；和(iii)連續(xù)地將反應(yīng)后的混合物從反應(yīng)器中排出。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的方法，其中所述檸檬酸酯具有下式
其中每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H、C1-C18脂族基團(tuán)或脂環(huán)族基團(tuán)，或R2(OR3)m-，其中R2如上所定義，R3為C1-C8烷基基團(tuán)，和m為1-15的整數(shù)；和其中高達(dá)約40％的基團(tuán)R1為H。
6.權(quán)利要求5的方法，其中少于約5％的基團(tuán)R1為H。
7.權(quán)利要求6的方法，其中每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H和C1-C18脂族基團(tuán)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H和C1-C6脂族基團(tuán)。
9.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中所述一種或一種以上的醇包括正丁醇。
10.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中所述一種或一種以上的醇包括乙醇。
11.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中使一種醇與所述檸檬酸進(jìn)行反應(yīng)，所述醇為正丁醇，所述檸檬酸酯為檸檬酸三正丁酯。
12.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中使一種醇與所述檸檬酸進(jìn)行反應(yīng)，所述醇為乙醇，所述檸檬酸酯為檸檬酸三乙酯。
13.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的方法，其中所述檸檬酸酯足以不溶于所述水相中以形成所述有機(jī)相。
14.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其中所述檸檬酸酯為檸檬酸三酯。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述檸檬酸酯為檸檬酸三丁酯。
16.權(quán)利要求1-8和10中任一項(xiàng)的方法，其中所述檸檬酸酯為水溶性，所述反應(yīng)介質(zhì)也包括不溶于水的惰性有機(jī)溶劑。
17.一種用于制備檸檬酸三丁酯的方法，它包括使丁醇與含水檸檬酸進(jìn)行反應(yīng)以生成檸檬酸三丁酯，該反應(yīng)在足以提供包括水相及含有檸檬酸三丁酯的獨(dú)立有機(jī)相的反應(yīng)介質(zhì)的條件下進(jìn)行；和將含有檸檬酸三丁酯的有機(jī)相從水相中分離出來。
18.通過根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)的方法制備的檸檬酸酯。
19.一種聚合組合物，它包含合成聚合物；和權(quán)利要求18的檸檬酸酯。
20.權(quán)利要求19的聚合組合物，其中所述合成聚合物為聚氯乙烯。
21.權(quán)利要求19的聚合組合物，其中所述合成聚合物為生物可降解的聚合物。
22.權(quán)利要求21的聚合組合物，其中所述合成聚合物為纖維素聚合物或聚酯聚合物。
23.權(quán)利要求22的聚合組合物，其中所述合成聚合物為聚(乳酸)。
24.權(quán)利要求22的聚合組合物，其中所述合成聚合物為纖維素聚合物。
全文摘要
本發(fā)明所描述的是以經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)檸檬酸酯的方法。通過將含有檸檬酸的、已經(jīng)過處理除去陽離子和任選其他雜質(zhì)但含有糖的發(fā)酵液進(jìn)行酯化反應(yīng)制備所述酯。也可以通過使不純的含水檸檬酸源與醇進(jìn)行反應(yīng)以提供多相水/有機(jī)反應(yīng)后的混合物(其中有機(jī)相含有所述酯而水相保留各種水溶性的雜質(zhì))來制備所述酯。然后采用液相分離方法以分離有機(jī)相和水相,能方便地將各種雜質(zhì)從產(chǎn)物中分離出去并避免將水從反應(yīng)介質(zhì)中蒸餾除去的巨大能量需求。
文檔編號C07C67/08GK1275975SQ98806893
公開日2000年12月6日 申請日期1998年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月12日
發(fā)明者E·P·弗拉皮爾, J·E·達(dá)維斯, M·格倫德澤, E·F·V·斯克里文, J·T·懷斯, K·－W·楚 申請人:萊利工業(yè)公司