本发明涉及使用离子交换树脂从液体进料混合物中层析分离丙酸。
背景技术：
丙酸目前用作食品和饲料添加剂以及用于谷物保存。丙酸也可以用作聚丙烯和丙酸乙烯酯生产的前体。传统上，丙酸已通过石油化工路线生产。最近，丙酸可以通过发酵工艺制造。参见例如：Zhu等人，Optimization and Scale-up of Propionic Acid Production by Propionic Acid-tolerant Propioni bacterium adicipropionici with Glycerol as the Carbon Source，Bioresource Technology 101(2010)，8902-8906。
用于纯化丙酸的传统方法包括蒸馏和溶剂萃取(参见US9024066)。遗憾的是，蒸馏是高能耗的并且产生不希望的副产物以及在将有机酸加热到高温时发生的聚合反应。溶剂萃取使用低沸点溶剂从水溶液中除去丙酸，然后蒸发溶剂。该方法因溶剂萃取的相对非选择性而不利，例如许多其他化合物将分配到溶剂相中并污染产物。另外，性能最好的溶剂通常是长链醇，它与介质中的酸反应，生成酯。因此，在此过程中通常需要反应性蒸馏来进行酯的水解和回收酸。需要改进的分离技术。
技术实现要素：
本发明包括一种通过使液体进料混合物通过包含强碱阴离子交换树脂的床，从包含丙酸和碳水化合物的液体进料混合物中层析分离丙酸的方法。在一个优选实施方案中，阴离子交换树脂是凝胶型I型强碱树脂。在另一个优选的实施方案中，液体进料混合物是包含一种或多种有机酸、醇、无机盐和糖类的发酵工艺液体。
附图说明
图1和2是实施例中所述选定化合物的浓度(g/L)对柱体积的图。
具体实施方式
本发明包括从包括丙酸和碳水化合物的液体混合物(例如水基的)中层析分离丙酸的方法。在本发明的优选实施方案中，液体进料混合物包含至少1g/L的丙酸。另外，液体进料混合物可以包括一种或多种碳水化合物——其包括衍生自但不限于甘蔗或甜菜糖或玉米糖浆或来自生物质水解的糖类(例如蔗糖、葡萄糖、果糖、木糖、甘露糖)，氨基酸，醇类(例如甘油)，氨基酸，蛋白质，无机盐(例如钾、钠、钙、镁、铁的盐，特别是硫酸钠)和各种有机酸，如乙酸、乳酸、衣康酸、琥珀酸、马来酸、柠檬酸、抗坏血酸、α-酮戊二酸、乙醇酸、葡萄糖酸、苹果酸、酒石酸和糖酸以及它们相应的盐。代表性液体进料混合物包括用于发酵过程的那些，例如甘蔗、甜菜糖、玉米糖、甘油和生物质衍生的糖发酵物。与传统的层析分离相同，液体进料混合物(移动相)通过离子交换树脂的床或层(固定相)。床的设置和操作没有特别的限制，例如可以使用移动床、模拟移动床和静止床。在一个优选的实施方案中，层析分离是连续的过程而不是分批的。
用作固定相的本主题强碱阴离子交换树脂优选以中值直径为10到2000微米、更优选100到1000微米的珠粒形式提供。珠粒可以具有高斯(Gaussian)粒度分布或者可以具有相对均匀的粒度分布，即“单分散”，即至少90体积％的珠粒的粒径为体积平均粒径的约0.8到约1.2倍并且更优选地0.85到1.15倍。单分散珠粒是优选的。
本主题阴离子交换树脂优选为凝胶型。术语“微孔的”、“凝胶的”、“凝胶”和“凝胶型”是描述孔径小于约20埃的共聚物树脂的同义词。区别地，大孔树脂具有约至约的中孔和大于约的大孔。US4256840和US5244926中描述了凝胶型共聚物珠以及它们的制备。一种优选的方法在本领域中被称为“种子”聚合，有时也称为分批或多批(如在EP 62088A1和EP 179133A1中一般性描述的)；和连续或半连续分阶段聚合(如US 4419245；US 4564644和US 5244926中一般描述的)。种子聚合过程通常以两种或更多种增量添加单体。在增加后续增量之前，每个增量之后是其中单体的完全或显著聚合。种子聚合有利地以悬浮聚合进行，其中单体或单体与种子颗粒的混合物在连续悬浮介质内分散和聚合。在这种方法中，通过形成单体的初始悬浮液，全部或部分地聚合单体以形成种子颗粒，并随后以一种或多种增量添加剩余的单体，容易地实现分阶段聚合。每个增量可以一次或连续添加。由于单体在悬浮介质中的不溶性以及它们在种子颗粒内的溶解性，单体被种子颗粒吸收并在其中聚合。多阶段聚合技术可以改变用于每个阶段的单体的量和类型以及所用的聚合条件。
采用的种子颗粒可以通过已知的悬浮聚合技术来制备。一般来说，种子颗粒可以通过在搅拌的连续悬浮介质中形成第一单体混合物的悬浮液进行制备，如F.Helfferich在离子交换(Ion Exchange)(McGraw-Hill 1962)第35-36页中所述。第一单体混合物包含：1)第一单亚乙烯基单体，2)第一交联单体，和3)有效量的第一自由基引发剂。悬浮介质可含有一种或多种本领域常用的悬浮剂。通过将悬浮液加热至通常约50-90℃的温度来引发聚合。将悬浮液保持在这样的温度或任选地升高的约90-150℃的温度下，直到达到单体转化至共聚物的所需程度。其它合适的聚合方法描述于US 4444961；US 4623706；US 4666673；和US 5244926中，其每一篇都整体并入本文。
这里使用的单亚乙烯基芳族单体是公知的，并且参考由Calvin E.Schildknecht编辑的聚合方法(Polymer Processes)，其在1956年由Interscience Publishers，Inc.，New York出版，第III章，“悬浮聚合(Polymerization in Suspension)”第69-109页。Schildknecht的表II(第78-81页)列出了适用于实施本发明的不同类型的单体。在列出的单体中，苯乙烯和取代的苯乙烯是优选的。术语“取代的苯乙烯”包括苯乙烯的亚乙烯基和苯基中的任一种或两种的取代基并且包括：乙烯基萘，α-烷基取代的苯乙烯(例如α-甲基苯乙烯)，亚烷基取代的苯乙烯(特别是单烷基取代的苯乙烯如乙烯基甲苯和乙基乙烯基苯)和卤代苯乙烯，如溴或氯苯乙烯和乙烯基苄基氯。其它单体可与单亚乙烯基芳族单体一起包括在内，包括单亚乙烯基非苯乙烯类，例如：α，β-烯属不饱和羧酸特别是丙烯酸或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸乙酯和丁二烯、乙烯、丙烯、丙烯腈和氯乙烯的酯；以及一种或多种所述单体的混合物。优选的单亚乙烯基单体包括苯乙烯和取代的苯乙烯，如乙基乙烯基苯。术语“单亚乙烯基单体”旨在包括均相单体混合物和不同类型单体例如苯乙烯和甲基丙烯酸异冰片酯的混合物。种子聚合物组分优选包含大于50摩尔％，更优选大于75，并且在一些实施方案中大于95摩尔％(基于总摩尔含量)的苯乙烯含量。术语“苯乙烯含量”是指用于形成共聚物的苯乙烯和/或取代苯乙烯的单亚乙烯基单体单元的量。“取代的苯乙烯”包括如上所述的亚乙烯基和苯乙烯的苯基中的任一个或两者的取代基。在优选的实施方案中，用于形成第一聚合物组分(例如种子)的第一单体混合物包含至少75摩尔％，优选至少85摩尔％，并且在一些实施方案中至少95摩尔％的苯乙烯。
合适的交联单体(即聚亚乙烯基化合物)的实例包括聚亚乙烯基芳族化合物，如二乙烯基苯、二乙烯基甲苯、二乙烯基二甲苯、二乙烯基萘、三乙烯基苯、二乙烯基二苯基砜以及各种亚烷基二丙烯酸酯和亚烷基二甲基丙烯酸酯。优选的交联单体是二乙烯基苯、三乙烯基苯和乙二醇二甲基丙烯酸酯。术语“交联试剂”、“交联剂”和“交联单体”在本文中用作同义词并且旨在包括单种交联剂以及不同类型的交联剂的组合。交联单体在共聚物种子颗粒中的比例优选地足以使得颗粒在随后的聚合步骤中(以及在转化为离子交换树脂时)不溶，但仍然允许充分吸入任选的相分离稀释剂和第二单体混合物的单体中。在一些实施方案中，将不使用交联单体。通常，种子颗粒中适量的交联单体是较少的，即，期望地，基于用于制备种子颗粒的第一单体混合物中单体总摩尔约0.01至约12摩尔％。在一个优选的实施方案中，第一聚合物组分(例如种子)源自包含至少85摩尔％苯乙烯(或取代苯乙烯，如乙基乙烯基苯)和0.01至约10摩尔％二乙烯基苯的第一单体混合物的聚合。
第一单体混合物的聚合可以进行到差一点基本上完全将单体转化成共聚物的点，或者替代地，至基本上完全转化。如果期望不完全转化，则所得到的部分聚合的种子颗粒有利地在其中含有能够在后续聚合阶段引发进一步聚合的自由基源。术语“自由基源”是指自由基、残余量的自由基引发剂或两者的存在，其能够引起烯属不饱和单体的进一步聚合。在本发明的这种实施方案中，优选地，基于其中单体的重量，约20重量％至约95重量％的第一单体混合物转化为共聚物，更优选约50重量％至约90重量％。由于自由基源的存在，在随后的聚合阶段中使用自由基引发剂将是可选的。对于其中第一单体混合物的转化基本完成的实施方案，在随后的聚合阶段中可能需要使用自由基引发剂。
自由基引发剂可以是用于在烯属不饱和单体的聚合中产生自由基的常规引发剂中的任何一种或其组合。代表性的引发剂是UV辐射和化学引发剂，如偶氮化合物，包括偶氮二异丁腈；和过氧化合物，如过氧化苯甲酰、过氧辛酸叔丁酯，过苯甲酸叔丁酯和过碳酸异丙酯。其他合适的引发剂在US 4192921、US 4246386和US 4283499中提到-其中每一篇都整体引入。自由基引发剂的用量足以引起单体在特定单体混合物中的聚合。该量将按本领域技术人员理解而变化，并且通常取决于所用引发剂的类型以及所聚合单体的类型和比例。通常，基于单体混合物的总重量，约0.02至约2重量％的量是足够的。
用于制备种子颗粒的第一单体混合物有利地悬浮在包含与单体基本不混溶的液体(例如优选水)的搅拌悬浮介质内。通常，基于单体混合物和悬浮介质的总重量，悬浮介质的用量为约30-约70重量％，优选约35-约50重量％。常规使用各种悬浮剂来帮助保持悬浮介质内单体液滴的相对均匀的悬浮。说明性的悬浮剂是明胶、聚乙烯醇、氢氧化镁、羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素甲基纤维素和羧甲基甲基纤维素。US4419245中公开了其它合适的悬浮剂。所用悬浮剂的量可根据所用单体和悬浮剂的不同而有很大差异。乳胶抑制剂如重铬酸钠可以用于使胶乳形成最小化。
在所谓的“分批种子聚合”方法中，包含约10至约50重量％共聚物的种子颗粒优选悬浮在连续悬浮介质中。然后将含有自由基引发剂的第二单体混合物加入悬浮的种子颗粒中，由此吸收，然后聚合。尽管不那么优选，但在悬浮于连续悬浮介质中之前，种子颗粒可以与第二单体混合物一起被吸收。第二单体混合物可以以一个量加入或分阶段加入。第二单体混合物优选在基本上不发生聚合的条件下被种子颗粒吸收，直到混合物基本上完全被种子颗粒吸收。基本上吸收单体所需的时间将根据共聚物种子组成和其中吸收的单体而变化。然而，吸收的程度通常可以通过对种子颗粒、或悬浮介质、种子颗粒和单体液滴的显微镜检查来确定。第二单体混合物期望含有基于第二单体混合物中单体总重量的约0.5至约25摩尔％，优选约2至约17摩尔％且更优选2.5至约8.5摩尔％的交联单体，余量包含单亚乙烯基单体；其中交联单体和单亚乙烯基单体的选择与上面关于制备第一单体混合物(即种子制剂)所述的那些相同。如同种子制剂一样，优选的单亚乙烯基单体包括苯乙烯和/或取代的苯乙烯。在一个优选的实施方案中，第二聚合物组分(即第二单体混合物或“吸入的”聚合物组分)具有大于50摩尔％，更优选至少75摩尔％的苯乙烯含量(基于第二单体混合物的总摩尔含量)。在一个优选的实施方案中，第二聚合物组分来源于包含至少75摩尔％苯乙烯(和/或取代苯乙烯，如乙基乙烯基苯)和约1至20摩尔％二乙烯基苯的第二单体混合物的聚合。
在原位分批种子方法中，首先通过第一单体混合物的悬浮聚合形成包含约10至约80重量％共聚物产物的种子颗粒。如前所述，种子颗粒可以在其中具有自由基源，其能够引发进一步的聚合。任选地，聚合引发剂可与第二单体混合物一起加入，其中种子颗粒不含足够的自由基源或其中需要额外的引发剂。在该实施方案中，种子制备和随后的聚合阶段在单个反应器内原位进行。然后将第二单体混合物加入到悬浮的种子颗粒中，由此吸收并聚合。第二单体混合物可以在聚合条件下加入，但可选地可以在一定条件下加入到悬浮介质中，使得基本上不发生聚合，直到混合物基本上完全被种子颗粒吸收。第二单体混合物的组成优选地对应于之前针对分批种子实施方案给出的描述。
共聚物产物优选地被氯甲基化并随后被胺化。氯甲基化共聚物的具体手段和条件没有特别的限制，许多适用的技术记载在文献中，如下所示：G.Jones，“聚苯乙烯的氯甲基化(Chloromethylation of Polystyrene)”工业和工程化学(Industrial and Engineering Chemistry)，第44卷第1期，第2686-2692页(1952年11月)以及US 2008/0289949和US 6756462-两者均以其整体并入本文。氯甲基化通常通过在催化剂存在下，在约15-100℃，优选35-70℃的温度下将聚合物与氯甲基化试剂结合约1至8小时进行。优选的氯甲基化试剂是氯甲基甲基醚(CMME)；然而，可以使用其他试剂，包括形成CMME的反应物，例如甲醛、甲醇和氯化氢或氯磺酸的组合(如US 2004/0256597中所述)，或氯化氢与甲基化福尔马林的组合。通常将氯甲基化试剂与聚合物以每摩尔聚合物约0.5至20，优选约1.5至8摩尔CMME的量结合。尽管不那么优选，但可以使用其它氯甲基化试剂，包括但不限于：如US 4568700中所述的双氯甲基醚(BCME)、形成BCME的反应物如甲醛和氯化氢、以及长链烷基氯甲基醚。
可用于进行氯甲基化反应的催化剂是众所周知的，并且在本领域中通常称为“路易斯酸”或“弗瑞德-克来福特(Friedel-Crafts)”催化剂。非限制性实例包括：氯化锌、氧化锌、氯化铁、氧化铁、氯化锡、氧化锡、氯化钛、氯化锆、氯化铝和硫酸以及它们的组合。前面的实例中也可以使用除氯之外的卤素。优选的催化剂是氯化铁。催化剂通常以相当于每摩尔聚合物重复单元约0.01至0.2，优选约0.02至0.1摩尔催化剂的量使用。催化剂可以与任选的催化剂助剂如氯化钙和活化剂如四氯化硅组合使用。可以使用多于一种催化剂来实现期望的氯甲基化反应情形。
氯甲基化反应中也可使用溶剂和/或溶胀剂。合适的溶剂的实例包括但不限于以下一种或多种：脂族烃卤化物如二氯乙烷、二氯丙烷、二氯甲烷、氯仿、二乙醚、二丙醚、二丁醚和二异戊醚。当CMME用作氯甲基化剂时，通常不需要这种溶剂和/或溶胀剂。
将氯甲基化乙烯基芳族聚合物与胺反应以形成包含官能胺基团的离子交换树脂。胺化优选通过将叔胺和包含苄基氯基团的乙烯基芳族聚合物在基于醇的溶剂中结合以形成反应混合物来进行。优选的叔胺由式1表示。
式1：
其中R1、R2和R3各自独立地选自：各自具有1至6个碳原子但优选1至2个碳原子的烷基和烷氧基。每个烷基或烷氧基(R1、R2和R3)可以独立地为：直链(例如乙基、丙基、丁基、戊基等)或支链(例如异丙基、异丁基等)，并且可以是未取代的或取代的(诸如被羟基这样的基团取代)。在一系列实施方案中，三个烷基(R1、R2和R3)独立地选自可以是直链或支链的未取代的烷基。在其他实施方案中，可以使用本主题叔胺的“混合种类”。代表性的胺包括：三甲胺、二甲基氨基乙醇、三乙胺、三丙胺和三丁胺。优选的胺是三甲胺。本主题胺化的反应产物，即包括季铵官能团的乙烯基芳族聚合物，其包括键合到聚合物的苄基碳上的氮原子和三个烷基或烷氧基。作为说明，式2提供了包括季铵官能团的乙烯基芳族聚合物的重复单元的结构式。
式2：
其中苄基碳位于芳环的间位、邻位或对位(通常包括种类的组合，但主要是对位取代)；并且其中R1、R2和R3与之前关于式1描述的相同。代表性的胺化反应描述于：US5134169、US6756462、US6924317、US8273799和US2004/0256597。
代表性的强碱阴离子交换树脂包括DOWEXTM 1x4和DOWEXTM MARATHON 11，均可从陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)商购获得。
实施例
将各个化合物(在图中标出)注入强碱性阴离子(I型)凝胶型树脂的填充树脂床(91cm长×2.5cm直径)中，该树脂包括衍生自硫酸盐形式的包含苯乙烯和二乙烯基苯的反应混合物的交联共聚物基质(图1)，并且为了比较，注入弱碱性阴离子树脂AMBERLITETMCR5550(图2)，其浓度为20wt％或化合物在2g/L硫酸中在室温下的最大溶解度，取较低者。注射体积为0.05柱体积(26.3mL)。移动相为2g/L硫酸，并且柱流速和柱温分别为3.0柱体积/小时(26.2mL/min)和53℃。收集洗脱份(各8mL)并且通过Reichert AR200手持式折光计分析以确定每份中的化合物浓度。使用已知浓度的化合物标准物以将折光计信号转化成以g/L为单位的浓度。图中覆盖了对各组分的这种分析的结果。