DE3222837A1

DE3222837A1 - Verfahren zur herstellung von milchsaeuremethylester

Info

Publication number: DE3222837A1
Application number: DE19823222837
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. 6200 Wiesbaden Bodenbenner; Kurt 6270 Idstein Hermann; Günter Dr. 6230 Frankfurt Hochstadt; Ernst Dr. Junghanns
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1982-06-18
Filing date: 1982-06-18
Publication date: 1983-12-22

Description

Verfahren zur Herstellung von Milchsäuremethylester
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Milchsäuremethylester aus einer mit Hilfe von Bakterien fermentativ erzeugten Milchsäure.
Bei der fermentativen Herstellung von Milchsäure gemaß GB-PS 907 321 wird zunächst eine Fcrmentationslosung erhalten, die neben rund 9 % Calciumlactat die Bakterienmasse und verschiedene Verunreinigungen enthält, die beim fermentativen Abbau des Ausgangsmaterials als Nebenprodukte entstehen.
Diese Lösung wird mit Schwefelsäure angesäuertt wobei CaSO4 ausfällt, welches zusammen mit der Bakterienmasse abfiltriert wird.
Das Filtrat ist eine verdünnte Milchsäurelösung, die noch den löslichen Teil der oben erwähnten Verunreinigungen und restliches Calciumsulfat enthält. Bei der Ronzentrierung dieser Lösung fällt das Calciumsulfat in störender Weise aus, wenn nicht bestimmte Gegenmaßnahmen getroffen werden, wie Zusatz von BaCl2 mit anschließender Abtrennung des ausfallenden BaSO4 vor der Konzentrierung.
Eine andere Möglichkeit ist die Entfernung von Ca durch Ionenaustausch.
Anschließend wird die praktisch von CaSO4 freie Milchsäurelösung konzentriert, z.B. durch Eindampfen Die konzentrierte Lösung enthält jedoch imine noch die erwähnten löslichen Verunreinigungen. Die Milchsäure wird nunmehr durch Extraktion mit einem aliphatischen Ether, wie Isopro3?ylether, isoliert und durch Abdampfen des Ethers in konzentrierter Form erhalten.
Eine Methode zur Veresterung dieser Milchsaure ir.it Ethanol ist in der britischen Ptent:schr:ft 907 322 bereits beschrieben. Die Milchsäure wird heiß in eine Veresterungskolonne oben eingespeist. Am unteren Ende der Kolonne, wo Ethanoldampf zugegeben wird, zieht man unumgesetzte Milchsäure ab. Eine quantitative Umsetzung der Milchsäure in einem Durchgang durch die Veresterungskolonne ist praktisch unmöglich. Die in der Milchsäure immer noch enthaltenen restlichen Verunreinigungen würden, nachdem die Milchsäure abreagiert hat, als feste, die Kolonne verkrustende Substanz zurückbleiben. Ein Teil der unten abgezogenen Milchsäure wird wieder am Kolonnenkopf eingespeist, der andere Teil wird in die noch nicht durch Extraktion gereinigte, verdünnte Milchsäurelösung zurückgeführt. Am Kopf der Veresterungskolonne destilliert ein Gemisch aus Milchsäureethylester, Ethanol und Wasser, sowie wcnig unumgesetzter Milchsäure über.
In einer ersten Destillationsstufe werden dann aus dem Destillat Ethanol und Wasser abgetrennt. In einer zweiten Destillation wird die nicht umgesetzte Milchsäure vom Milchsäureethylester abgetrennt.
Die in GB-PS 907 321 beschriebene, der Veresterung vorausgehende Ab trennung von Calcium über einen lonenaustauscher ist jedoch problematisch, da der Ionenaustauscher gegen die oben erwähnten Verunreinigungen anfällig ist. Der Zusatz von BaCl2 zur Ausfällung der Sulfationen ist dagegen kostspielig. Außerdem ist, wie gesagt, eine quantitative Veresterung der Milchsäure gemäß GB-PS 907 322 nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, eine f(>r-mel-ltiltiv erzeugte Mil.chsäuz~e ohne 7crfahL-enstechnische Probleme quantitativ zum Milchsciuremethylester umzusetzen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Milchsäuremethylester aus einer mit Hilfe von Bakterien fermentativ erzeugten Milchsäure, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Neutralisation der Fermentationslösung mit CaCO3 b) Ansäuerung der neutralisierten Lösung mit H2SO4 und Abtrennung des dabei ausfallenden CaS04 zusammen mit der Bakterienmasse c) Versetzen der verbleibenden Milchsäure-Lösung mit einer derartigen Menge eines gegebenenfalls wasserhaltigen organischen Lösungsmittels, daß das in der Lösung enthaltene restliche CaSO4 derart weitgehend ausgefällt wird, daß es bei der Extraktion in Schritt e keine Störungen mehr hervorruft d) Abtrennung des ausgefällten CaSO4 von der Milchsäure-Lösung e) Extraktion der Milchsäure aus der Lösung nach Zusatz einer weiteren Menge des in Schritt c verwendeten organischen Lösungsmittels f) Konzentrierung des Milchsäure-Extraktes durch zumindest teilweises Abdampfen des Lösungsmittels und des mitextrahierten Wassers g) Veresterung der Milchsäure mit Methanol in Gegenwart eines sauren Katalysators bei 30-3000C und 0.01 bis 30 bar.
In Schritt a verwendet man vorzugsweise festes CaCO3, und zwar soviel, daß sich ein Bodensatz bildEt.
Geeignete Lösungsmittel für Schritt c sind polare organische Verbindungen, die nicht in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar sind. Bevorzugt sind Alkohole, Ketone und Mischungen eines Alkohols mit Wasser bzw. eines Ketons mit Wasser. Als Alkohole sind dabei besonders die aus der Reihe Butanol bis Oktanol geeignet, und als Ketone die mit insgesamt 4 bis 8 C-Atomen. Vor allem ist als Lösungsmittel geeignet 2-Butanon und dessen Gemische mit Wasser, und hier speziell das 2-Butanon/Wasser Gemisch, das unter dem in Schritt f gewählten Druck azeotrop siedet.
Die geeignete Menge an Lösungsmittel für Schritt c ermittelt man am besten in ei im Vorversuch.
Als saure Katalysatoren für Schritt g sind Schwefelsäure, Phosphorsäuren, saure Ionenaustauscher und pw olsulfonsäure geeignet. Vorzugsweise verwendet man Schwefelsäure; und zwar in einer Konzentration von 0.1-20 Gew.-t,bezogen auf die Milchsäuremenge.
Die Veresterung wird vorzugsweise in dauernder oder zeitweiser Gegenwart eines hochsiedenden Lösungsmittels durchgeführt, das mit allen Bestandteilen der eingespeisten Milchsäurelösung, inklusive den Verunreinigungen, mischbar ist. Dabei bedeutet dauernde oder zeitweise Gegenwart dieses Lösungsmittels: es ist so oft einzuspeisen und auszuschleusen, daß die in der rohen Milchsäurelösung enthaltenen Verunreinigungen sich nicht in fester Form im Veresterungsreaktor niederschlagen. StattdesJen werden sie durch dauernde oder in geeigneten Zeicabständen wiederholte Zugabe des Lösungsmittels in Lösung gehalten und als solche aus dem Reaktor abgezogen.
Als Lösungsmittel sind hierfür geeignet die Polyether, so wie die ihnen entsprechenden Verbindungen, bei denen eine oder beide endständigenAlkoholgruppen unverethert sind. Diese drei Verbindungstypen (1. zwei veretherte Alkoholgruppen = Polyether, 2. eine veretherte und eine unveretherte Alkoholgruppe, 3. zwei unvel-ethert.e oho gruppen) entstehen z.B. durch Umsetzung von Epoxiden mit Diolen bzw. von Epoxiden mit Diolen und Monoalkoholen.
Bevorzugt sind die aus Ethylenglykol und Propylenoxid, bzw. aus Propandiol und Ethylenoxid, ggf. unter Zusatz von Monoalkoholen, entstehenden Verbindungen, insbesondere diejenigen mit einem mittleren Molekulargewicht von 400 bis 2000.
Die Menge an Lösungsmittel beträgt im allgemeinen 0,05 -50 Gew.-%, vorzugsweise 1-5 Gew.-%, bezogen auf die Milchsäuremenge.
Die Veresterungsreaktion in Schritt g wird vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 bar bei Temperaturen von 1000C bis 1400C durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen erheblichen verfahrenstechnischen Fortschritt dar, weil die eingesetzte Milchsäure nahezu verlustfrei in Milchsäuremethylester umgesetzt werden kann, ohne daß Probleme durch Verstopfungen oder Verkrustungen im Reaktor durch ausfallende Verunreinigungen zu befürchten sind.
Das Verfahren eignet sich auch zur Produktion von Milchsäureestern mit Ethanol, Propanol, Butanol und anderen Alkoholen. Das folgende Beispiel soll diejenige Verfahrensvariante erläutern, bei der die in der Milchsäure enthaltenen Verunreinigungen kontinuierlich aus dem Veresterungsreaktor ausgetragen werden.
Beispiel Eine durch Fermentation und anschließende Neutralisation mit CaCO3 hergestellte, rund 9 %ige Calciumlactatlösung wurde mit Schwefelsäure bis auf pH = 1,9 angesäuert, wobei CaSO4 ausfiel, das zusammen mit der Bakterienmasse abfiltriert wurde. Das Filtrat, eine verdünnte wäßrige Milchsäurelösung, wurde mit der in einem Vorversuch ermittelten Menge an 2-Butanon versetzt, worauf noch weiteres CaSO4 ausfiel, das ebenfalls abfiltriert wurde. Die wäßrige Milchsäurelösung wurde dann in einer Extraktionskolonne im Gegenstroln mit dem azeotropen Gemisch 2-Butanon/Wasser extrahiert, wobei rund 98 % der Milchsäure in das Extraktionsmittel übergingen. Aus dem Extrakt wurde durch Abdestillieren des 2-Butanoiis und des Wassers eine rund 96 %ige Milchsäure erhalten, die anschließend mit Methanol verestert wurde.
Die Veresterungsreaktion wurde in einer Glockenbodenkolonne mit 5 praktischen Böden im Verstärkungsteil und 10 praktischen Böden im Abtriebsteil durchgeführt. Die Innenweite der Kolonne war 50 mm, das mit Flüssigkeit gefüllte Volumen 3 im Abtriebsteil war 150 cm . Der Druck betrug 0,4 bar, die Reaktionstemperatur 1000C. Als Zulauf zwischen Verstärker-und Abtriebsteil wurde ein Strom von 710 g/h mit einer Zusammensetzung von 88 % Milchsäure, 5 % Schwefelsäure und 4 % Polyether (hergestellt aus Ethylenglykol und Propylenoxid, mittleres Molekulargewicht 400 - 2000) eingestellt.
Im Sumpf der Kolonne wurde ein Methanoldampi strom von 1200 g/h zugeben. Am Kopf der Kolonne wurde ein Strom von 1800 g/h, bestehend aus 39 E Milchsäuremethylester, 53 e Methanol, 7 % Wasser und 1 % Milchsäure, abezogen.
Als Sumpfprodukt wurden kontinuierlich 90 g/h einer viskosen, brauncschwarzen Flüssiglseit abgezogen. Diese Flüssigkeit bestand aus Schwefelsäure, den in der Milchsäure enthaltenen Veruncinigungen und dem Polyether, enthielt aber keine Milchsäure mehr. Die. i-ermentati.v hel-gestellte Milchsäure wurde also ohne verfahrenstechnische Probleme durch Verkrustungen i.lul Reaktor so gut wie vollständig umgesetzt.
Aus dem Reaktionsdestillat wurde Methanol quantitativ abdestilliert. Die Entwässerung des Milchsäuremethylesters erfolgte nach der in der deutschen Patentanmeldung P 32 07 151.5 beschriebenen Methode.

Claims

PATENTANSPRUCHE Verfahren zur Herstellung von Milchsäureiuethylester aus einer mit Hilfe von Bakterien fermentativ erzeugten Milchsäure, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Neutralisation der Fermentationslösung mit CaCO3 b) Ansäuerung der neutralisierten Lösung mit H2SO4 und Abtrennung des dabei ausfallenden CaSO4 zusammen mit der Bakterienmasse c) Versetzen der verbleibenden Milchsäure-Lösung mit einer derartigen Menge eines gegebenenfalls wasserhaltigen organischen Lösungsmittels, daß das in der Lösung enthaltene restliche CaSO4 derart weitgehend ausgefFllt wird, daß es bei der Extraktion in Schritt e keine Störungen mehr hervorruft d) Abtrennung des ausgefällten CaSO4 von der Milchsäure-Lösung e) Extraktion der Milchsäure aus der Lösung nach Zusatz einer weiteren Menge des in Schritt c verwendeten organischen Lösungsmittels f) Konzentrierung des Milchsäure-Extraktes durch zumindest teilweises Abdampfen des Lösungsmittels und des mitextrahierten Wassers g) Veresterung der Milchsäur-e mit Methanol in Gegenwart eines sauren Katalysators bei 30-300"C und 0.01 bis 30 bar.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Lösungsmittel in Schritt c und e 2-Butanon oder ein Gemisch aus 2-Butanon und Wasser verwendet wird.
3. Verfahrennach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veresterung in Schritt g in dauernder oder zeitweiser Gegenwart eines hochsiedenden Lösungsmittel durchgeführt und mit diesem die in der Milchsäure enthaltenen Verunreinigungen kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgetragen werden.
4.Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als hochsiedendes Lölsungsmittel ein polymerer Ether aus Ethylenglykol und Propylenoxid mit einem mittleren Molekulargewicht von 400 bis 2000 g/mol verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeictlnet, daß als hochsiedendes Lösungsmittel ein polymerer Ether aus Propandiol und Ethylenoxid mit einem mittleren Molekulargewicht von 400 bis 2000 g/mol verwendet wird.