LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO PARA PREPARAR UNA POLILACTIDA;

DICHO PROCEDIMIENTO INCLUYE: PROPORCIONAR UNA MEZCLA DE LACTIDA BRUTA QUE INCLUYE LACTIDA QUE COMPRENDE MESO - LACTIDA Y AL MENOS UNA L - LACTIDA Y D - LACTIDA; CARACTERIZANDOSE POR LAS SIGUIENTES FASES: (A) PURIFICAR LA MEZCLA DE LACTIDA CRUDA MEDIANTE DESTILACION, EN UN SISTEMA DE DESTILACION EN AL MENOS DOS FRACCIONES DESTILADAS, QUE COMPRENDEN: (I) UNA FRACCION DE BAJO PUNTO DE EBULLICION; Y (II) UNA FRACCION DE PUNTO DE EBULLICION INTERMEDIO QUE INCLUYE UNA LACTIDA DE TIPO POLIMERICO PURIFICADA, SIN UNA FASE DE EXTRACCION CON SOLVENTE DE LA MEZCLA DE LACTIDA CRUDA O DE RECRISTALIZACION DE LA MEZCLA DE LACTIDA CRUDA; Y (B) HACER REACCIONAR LA LACTIDA DE TIPO POLIMERICO PURIFICADA, PARA FORMAR POLILACTIDA

Proceso continuo para la fabricación de lactida y polímeros de lactida.

Antecedente de la invención

La presente invención se relaciona con procesos para la producción continua de lactida y polímeros de lactida a partir de ácido láctico crudo y ésteres de ácido láctico en el campo de polímeros biodegradables.

El agotamiento continuo de espacio de descarga y los problemas asociados con la incineración de desechos han llevado a la necesidad de desarrollar polímeros verdaderamente biodegradables para ser utilizados como sustitutos para polímeros no biodegradables o parcialmente biodegradables, o basados en petroquímicos. El uso de ácido láctico y lactida para fabricar un polímero biodegradable se conoce bien en la industria médica. Como se describe por Nieuwenhuis et al. (Patente Estadounidense No. 5,053,485 = EP-A-261,572), tales polímeros se han utilizado para fabricar suturas, pinzas, placas óseas y dispositivos de liberación controlada biológicamente activos biodegradables. Se apreciará que los procesos desarrollados para la fabricación de polímeros para ser utilizados en la industria médica han incorporado técnicas que responden a la necesidad de alta pureza y biocompatibilidad en el producto de polímero final. Adicionalmente, los procesos se diseñan para producir volúmenes pequeños de productos de alto valor en dólares, con menos énfasis en el costo de fabricación y la producción. Se considera que antes del desarrollo del Solicitante, no se conocen procesos viables, competitivos en costos para la fabricación continua de lactida purificada y polímeros de lactida a partir de ácido láctico que tienen propiedades físicas adecuadas para reemplazar los polímeros basados en petroquímicos actuales en empaque, recubrimiento de papel y otras aplicaciones industriales no médicas.

Se conoce que el ácido láctico experimenta una reacción de condensación para formar ácido poliláctico cuando se remueve agua mediante evaporación u otros medios. La reacción de polimerización completa se representa por:

Mientras que la etapa n de dicha reacción de polimerización se representa por:

Como Dorough (Patente Estadounidense No. 1,995,970) reconoce y describe, el ácido poliláctico resultante se limita a un polímero de bajo peso molecular de valor limitado, con base en propiedades físicas, debido a una reacción de despolimerización de competencia en la que se genera el dímero cíclico del ácido láctico, lactida. Como la cadena de ácido poliláctico se alarga, la velocidad de la reacción de polimerización se desacelera hasta alcanzar la velocidad de la reacción de despolimerización, que efectivamente, limita el peso molecular de los polímeros resultantes. Un ejemplo de esta reacción de equilibrio se representa adelante.

Dando este conocimiento, Dorough está convencido de que los polímeros de alto peso molecular no se pueden generar directamente a partir de ácido láctico. El, sin embargo, tiene éxito en generar polímeros de alto peso molecular a partir de lactida, a través del dímero de ácido láctico generado de los polímeros de bajo peso molecular de ácido láctico. Debido a que estos polímeros se generan a partir de lactida, ellos se conocen como polilactidas.

Se sabe bien que el ácido láctico existe en dos formas que son enantiómeros ópticos, designados como ácido D-láctico y ácido L-láctico. Ya sea el ácido D-láctico, ácido L-láctico o mezclas de los mismos se pueden polimerizar para formar un ácido poliláctico de peso molecular intermedio que, luego de polimerización adicional, genera lactida como se describió anteriormente. La lactida, o el dímero cíclico de ácido láctico, puede tener uno de tres tipos de actividad óptica que depende en si ésta consiste de dos moléculas de ácido L-láctico, dos moléculas de ácido D-láctico o una molécula de ácido L-láctico y una molécula de ácido D-láctico combinadas para formar el dímero. Estos tres dímeros se designan L-lactida, D-lactida y meso-lactida, respectivamente. En adición, una mezcla de 50/50 de L-lactida y D-lactida con un punto de fusión de aproximadamente 126ºC se denomina frecuentemente en la bibliografía como D,L-lactida.

La WO-A-88/10260 = EP 0,318,567 = US-5,214,159, se relaciona con un método de preparación de meso-lactida y su uso en la fabricación de polímeros y copolímeros resorbibles. La lactida cruda se recristaliza varias veces y luego se rectifica mediante destilación en vacío. La destilación solo ocurre después que la lactida cruda se condensa y después de varias etapas de purificación intermedia.

DeVries (Patente Estadounidense No. 4,797,468 = EP-A-275,581) recientemente describe un proceso para la fabricación de polímeros de lactida que utiliza un proceso de extracción de disolvente para purificar la lactida antes de polimerización. Con la descripción de DeVries, el inventor reconoce que la bibliografía existente recomienda la purificación de lactida mediante varias etapas de recristalización. Se considera que los procesos anteriores al método de extracción de disolvente de DeVries, han utilizado generalmente una etapa de recristalización para purificar la lactida cruda con el fin de obtener una fuente de lactida adecuada para la polimerización. Sin embargo, los procesos que utilizan tales etapas de recristalización se conocen por tener producciones relativamente pobres debido a las pérdidas significativas de lactida durante las etapas de recristalización. Se considera que los productores de productos biodegradables relacionados con medicina no se han relacionado con tales bajas producciones debido al alto margen generalmente esperado para las ventas de tales productos y la falta de alternativas competitivas. Se apreciará, sin embargo, que en el desarrollo de un proceso para la fabricación comercial a gran escala de polímeros biodegradables, tales como polilactidas, para uso en aplicaciones orientadas a productos no médicos donde tales polímeros competirán necesariamente con polímeros de bajo costo hechos de petroquímicos, será importante maximizar la producción y minimizar otros factores de costos totales para producir un polímero biodegradable que es competitivo en costos.

Lipinsky, E.S.; Sinclair, R.G. "is a lactic acid a commodity chemical?", en Chem. Eng. Progress, Aug. 1986; pp 26-32, se discute el potencial de los polímeros de ácido láctico producidos en grandes cantidades a precios bajos, para uso en empaque y bienes de consumo. En la sección titulada "En conclusión" se establece que la destilación se debe combinar con deshidratación para proporcionar la lactida para uso en producción de poliéster. Sin embargo, Lipinski no prevé un proceso en el que una etapa de destilación única partiendo de un vapor y separando las impurezas acídicas y el agua antes de completar la condensación produciría una lactida suficientemente pura para ser sometida a polimerización para producir un ácido poliláctico de alto peso molecular como se demuestra en los ejemplos de la presente solicitud.

Los polímeros de polilactida biodegradables deben también poseer propiedades físicas adecuadas para la aplicación en los productos no médicos actualmente que utilizan polímeros basados en petroquímicos tales como materiales de empaque, recubrimientos de papel y cualesquier otros artículos desechables, Nieuwenhuis et al. describe que los polímeros de lactida derivados de la polimerización de mezclas de las tres lactidas resultan en polímeros con una variedad de propiedades físicas útiles, que incluyen biodegrabilidad mejorada. Sin embargo, se considera que no se han descrito procesos viables comercialmente para la fabricación a gran escala de tales polímeros de lactida a la fecha.

El ácido láctico está disponible comercialmente y se fabrica a partir de varios procesos conocidos. Ejemplos representativos de tales procesos se describen por Glassner et al. (Solicitud de Patente Europea, EP 393818, Octubre 24, 1990), G. Machell, "Production and Applications of Lactic Acid", Industrial Chemist and Chemical Manufacturer, v. 35, pp. 283-90 (1959) y "Kirk Othmer, Enciclopedia de Tecnología Química, Ácido Láctico",...

1. Un proceso para la conversión continua de una carga de ácido láctico crudo, en un medio hidroxílico, a una lactida purificada, de por lo menos 99% en peso de lactida pura, dicho proceso comprende las etapas de:

a) proporcionar una fuente de ácido láctico en solución en un medio hidroxílico que contiene 1% a 99% en peso., ácido láctico;

b) concentrar el ácido láctico en el medio hidroxílico al evaporar una porción sustancial del medio hidroxílico para formar una solución de ácido láctico concentrada;

c) polimerizar ácido láctico en la dicha solución de ácido láctico concentrada mediante evaporación adicional del medio hidroxílico para formar en dichas moléculas de ácido poliáctico medio que tienen un peso molecular promedio de entre 100 y 5,000;

d) formar continuamente lactida cruda, en un reactor de lactida, a partir de dichas moléculas de ácido poliláctico, mientras que se carga simultánea y continuamente un catalizador para catalizar la despolimerización de las moléculas de ácido poliláctico, para formar la corriente de vapor de lactida cruda que se remueve continuamente a partir del reactor de lactida; dicha etapa de formación de lactida cruda también incluye purgar impurezas de ácido poliláctico de alto punto de ebullición u otras impurezas no volátiles del reactor de lactida; y

e) purificar la dicha corriente de vapor de lactida cruda, a por lo menos 99% en peso de lactida pura mediante destilación;

i) dicha etapa de destilar incluye cargar la corriente de vapor de lactida cruda en un sistema de destilación, o cargar la corriente de vapor de lactida cruda directamente a un condensador de lactida parcial en el que la lactida se condensa y con este se carga un sistema de destilación, y la mayoría del agua y otras impurezas que permanecen como vapores se hacen recircular de nuevo en reactor de lactida u otro equipo de proceso corriente abajo; y remover del sistema de destilación por lo menos tres corrientes de componentes:

A) una corriente de bajo punto de ebullición en la parte superior o corriente destilada que contiene los componentes que tienen un bajo punto de ebullición tal una lactida que incluye ácido láctico, agua u otro disolvente y subproductos de la reacción de condensación que pueden estar presentes dentro del sistema;

B) una corriente de lactida purificada se remueve de la columna como una corriente lateral de ebullición intermedia; y

C) una corriente de alto punto de ebullición en el residuo que contiene componentes que tienen mayor ebullición que una lactida.

2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dichas etapas de concentrar y polimerizar se conducen en un reactor de prepolímero.

3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde dicha etapa de polimerizar ácido láctico para formar moléculas de ácido poliláctico que tienen un peso molecular promedio de entre 100 y 5,000 se conduce en una manera para formar medio de ácido poliláctico antes de la provisión del ácido poliláctico en el reactor de lactida.

4. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicha fuente de ácido láctico incluye entre 5% en peso y 50% en peso ácido láctico.

5. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde entre dicha etapa de polimerizar ácido láctico y dicha etapa de formación de lactida cruda, en un reactor de lactida, el medio de ácido poliláctico, se dirige en un tanque de almacenamiento.

6. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicho catalizador para catalizar la despolimerización de las dichas moléculas de ácido poliláctico, se agrega al medio de moléculas de ácido poliláctico antes de la introducción de la composición de moléculas de ácido poliláctico en el reactor de lactida.

7. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dicho sistema de destilación incluye más de una columna de destilación.

8. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dicho sistema de destilación utiliza una columna de destilación.

9. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, en donde dicho catalizador es un catalizador seleccionado del grupo que consiste de metales o compuestos de los metales del Grupo IV, V, VIII o mezclas de los mismos.

10. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde dicha etapa de destilación incluye cargar la lactida cruda como una corriente de vapor directamente dentro del reactor de lactida en el sistema de destilación.

11. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, en donde dicho medio hidroxílico se selecciona de por lo menos uno de agua, metanol, etanol, propanol, butanol, isopropanol e isobutanol.

12. Un proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, en donde dicho reactor de lactida comprende una columna de destilación montada directamente sobre la parte superior de tal reactor para crear un área cerrada única dentro de la que tienen lugar reacciones y destilación para purificar la lactida.

13. Un proceso de una cualquiera de reivindicaciones 1 a 12 que incluye la etapa adicional de polimerizar la dicha corriente de lactida purificada para formar polilactida.

14. Un proceso para la conversión continua de un éster de ácido láctico a una lactida purificada, por lo menos 99% en peso de lactida pura, dicho proceso comprende las etapas de:

a) proporcionar una fuente del éster de ácido láctico;

b) formar un subproducto de la reacción de condensación y ácido poliláctico en la presencia de primeros medios de catalizador para catalizar la condensación de las moléculas del éster de ácido láctico para formar ácido poliláctico, en donde las moléculas de ácido poliláctico tienen un peso molecular promedio de entre 100 y 5,000;

c) formar una lactida crudo a partir de las moléculas de ácido poliláctico en la presencia de segundos medios de catalizador para catalizar la despolimerización del ácido poliláctico para formar la lactida cruda;

d) purificar el dicho lactida cruda para formar una lactida sustancialmente pura al destilar la lactida cruda, como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

15. El proceso de la reivindicación 14, en donde la fuente del éster de ácido láctico es un éster único o una mezcla de ésteres de la fórmula general:

en donde R es un alquilo lineal o ramificado C₁-C₈.

16. El proceso de la reivindicación 15, en donde la fuente del éster de ácido láctico incluye un éster único, o una mezcla de dichos ésteres, más ácido láctico.

17. El proceso de la reivindicación 15, en donde el éster de ácido láctico se selecciona del grupo que consiste de lactato de metilo, lactato de etilo, lactato de propilo, lactato de butilo, lactato de isopropilo, lactato de isobutilo y mezclas de los mismos.

18. El proceso de la reivindicación 15, en donde el éster de ácido láctico está en solución en un medio hidroxílico, dicho éster de ácido láctico comprende 20% en peso o más de la solución, y en donde dicho medio hidroxílico se evapora antes de formar dicho ácido poliláctico.

19. El proceso de la reivindicación 15, en donde la etapa de formar ácido poliláctico comprende:

- proporcionar un sistema de reactor de lecho de catalizador que contiene medios de catalizador soportado sólido para catalizar la condensación de moléculas del éster de ácido láctico para formar moléculas de ácido poliláctico; y

- cargar el éster de ácido láctico a través de dichos medios de catalizador soportados sólidos para formar dichas moléculas de ácido poliláctico.

20. El proceso de la reivindicación 15, en donde se proporciona el mismo catalizador para proporcionar ambos de dichos primeros y segundos medios de catalizador.

21. El proceso de una de las reivindicaciones 14 a 20, en donde el catalizador es el que tiene funcionalidad ácida.

22. El proceso de una de las reivindicaciones 14 a 21, en donde, cuando se utiliza un catalizador soluble, la lactida cruda se envía primero a una destilación flash en donde una porción de la lactida generada se hace fluir a un vapor y se toma como una corriente de la parte superior sin tiempo de residencia sustancial dentro del sistema de destilación flash.

23. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 22 que incluye la etapa adicional de polimerizar la dicha corriente de lactida purificada para formar polilactida.