Разработка технологического процесса получения биоразлагаемых полимеров на основе молочной кислоты

Поскольку полимерная упаковка является удобной, дешевой, эстетичной, то ожидать ее полной замены на бумажную, стеклянную, тканевую или из других безвредных материалов бесперспективно.

В связи с этим актуальна и необходима разработка промышленных процессов получения новых высокомолекулярных соединений, которые сохраняли бы все физико-механические и эксплуатационные свойства выпускаемых в настоящее время многотоннажных пластиков, но вместе с тем были бы способны к биоразложению в условиях окружающей среды в течение непродолжительного промежутка времени [4 - 6].

Полимолочная кислота - полиэфир на основе молочной кислоты - соответствует этим требованиям, обладая высокими потребительскими свойствами и способностью к биоразложению под (воздействием влаги, света и соответствующих микроорганизмов.

Еще одно достоинство полимолочной кислоты, как альтернативы традиционным полимерам, заключается в том, что исходным сырьем для ее получения служат возобновляемые растительные продукты, главным образом глюкоза, что создает дополнительный стимул для развития производства зерна.

При получении пластиков на основе полимолочной кислоты с высокими физико-механическими свойствами используется оптически чистая молочная кислота, представляющая собой L - или D-изомеры.

Ниже основное внимание будет уделено проблеме синтеза и превращения // -молочной кислоты, как наиболее широко используемой для промышленного производства полилактида (полимолочной кислоты). Саму молочную кислоту получают путем ферментации глюкозы с использованием в качестве микробных продуцентов различных штаммов бактерий или мицелиалъных грибов рода Rhizopus [9 - 12].

При использовании бактериальных продуцентов достигается более 90 % конверсии глюкозы в молочную кислоту, при этом доля // -молочной кислоты может составлять более 98 %. Достоинство бактериальных штаммов - высокая скорость синтеза молочной кислоты (средняя скорость более 5 г/л в час). Некоторые бактериальные продуценты позволяют проводить ферментацию при повышенной температуре (выше 50 ^а С), что существенно снижает требования к стерильности процесса. Недостатком бактериальных продуцентов считается необходимость использования в ходе ферментации относительно дорогих компонентов питательных сред.

Штаммы мицелиальных грибов Rhizopusкак продуценты молочной кислоты способны обеспечить практически 100 % -ное образование L*формы, при этом они более кислототолерантны. Важно отметить, что при ферментации грибов Rhizopusиспользуются более дешевые питательные среды. Полученная после ферментации культуральная жидкость бесцветна и содержит значительно меньше трудноотделяемых примесей, чем жидкость, полученная при использовании бактериальных штаммов.

К достоинствам Rhizopusoryzaeотносится также способность превращать в молочную кислоту различные сахара, в том числе пентозы. Для этих продуцентов разработаны ферментационные процессы получения молочной кислоты из различных гидролиза-тов Rhizopus.

К числу недостатков этих грибов можно отнести образование наряду с молочной кислотой других органических кислот и спиртов (до 10 %).

В настоящее время в промышленности обычно реализуется периодический процесс ферментации, когда на первом этапе выращивается биомасса микробного продукта, а на втором осуществляется синтез молочной кислоты при добавлении в ферментационную среду необходимого количества глюкозы. В таких процессах полный цикл ферментации составляет 48 - 72 ч.

биоразлагаемый полимер полимолочная кислота

Во всех известных ферментационных процессах эффективный синтез молочной кислоты возможен только при рН = 5 + 7, что требует использования различных нейтрализующих агентов, преимущественно основных соединений кальция. Образующиеся соли молочной кислоты в дальнейшем подкисляют и после дополнительных этапов очистки из реакционной массы выделяется /молочная кислота высокой степени чистоты.

В процессе ферментации в качестве нейтрализующих агентов можно использовать и гидроксид натрия (образуются водорастворимые соли), что в дальнейшем позволит решить вопросы выделения и очистки кислоты с использованием мембранных технологий, что значительно сократит количество сточных вод и твердых отходов, однако в настоящее время такие процессы менее рентабельны.

Одним из перспективных направлений создания высокоэффективного процесса получения оптически активной молочной кислоты является разработка способов ферментации при низких значениях рН. Для решения этой задачи требуется создание рекомбинантных продуцентов, устойчивых в кислой среде и способных осуществлять синтез молочной кислоты в аэробных условиях с получением дополнительной энергии при окислении кислородом.

Существующие технологии получения молочной кислоты позволяют обеспечить конкурентоспособность производства полилактида по сравнению с традиционными полимерами, благодаря чему в настоящее время производство молочной кислоты в мире активно развивается.

Именно на основе молочной кислоты проводились исследования по разработке условий олигомеризации молочной кислоты, получения циклического лактида и превращения его в полимолочную кислоту.

При разработке процесса олигомеризации 85 % -ной водной // -молочной кислоты на первой стадии отрабатывался способ отгонки растворной воды при нагреве смеси до температуры ПО - 125 "С при нормальном давлении. При этом вода легко отгонялась до получения 90 - 95 % -ного раствора молочн