ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1. Способы получения полилактида 11
1.2. Сырье для синтеза лактида 13
1.3. Технологии получения лактида 16
1.3.1. Способы получения лактида 16
1.3.2. Концентрирование водного раствора МК 19
1.3.3. Влияние параметров и условий реакции на синтез лактида 20
1.3.4. Катализаторы синтеза лактида 22
1.3.5. Требования, предъявляемые к лактиду 22
1.3.6. Способы очистки лактида-сырца 23
1.3.7. Регенерация и утилизация отходов синтеза лактида 29
1.3.8. Использование азеотропной отгонки воды в процессах синтеза лактида 30
1.4. Выводы по литературному обзору 32
ГЛАВА 2 Экспериментальная часть 34
2.1. Характеристика используемого сырья и реактивов 34
2.2. Лабораторная техника и аналитические приборы 35
2.3. Описание лабораторных установок, методики проведения анализа и
экспериментов, обработка экспериментальных данных 38
2.3.1. Получение олигомеров МК и ГК 38
2.3.2. Методика синтеза лактида 39
2.3.3. Методика синтеза гликолида 39
2.3.4. Вакуумная дистилляция раствора МК 40
2.3.5. Перекристаллизация продукта 40
2.3.6. Дистилляция лактида-сырца 40
2.3.7. Удаление мезо-лактида из дистиллята лактида 41
2.3.8. Сушка очищенного лактида 41
2.3.9. Методики синтеза полилактида 41
2.3.10. Определение растворимости веществ 42
2.3.11. Методика регенерации растворителей и выделения лактида 42
2.3.12. Титрование раствора МК 43
2.3.13. Анализ продуктов на содержание остаточных растворителей методом
ГХ-МС 44
2.3.14. Определение содержания МК и лактида в продуктах методом ВЭЖХ 45
2.3.15. Методика определения молекулярной массы олигомеров/полимеров
методом ГПХ 45
2.3.16. Методика определения температуры плавления лактида-сырца и
лактида 45
2.3.17. Определение воды в образцах методом Карла Фишера 46
ГЛАВА 3 Обсуждение результатов 47
3.1. Исследование составов МК различных производителей 47
3.2. Концентрирование раствора МК и поликонденсация МК 50
3.2.1. Исследование процессов концентрирования раствора МК и
поликонденсации МК 50
3.2.2. Концентрирование раствора МК с азеотропной отгонкой воды 53
и поликонденсация МК 53
3.2.3. Исследование процесса концентрирования и поликонденсации раствора
ГК 65
3.3. Синтез лактида 69
3.3.1. Влияние вакуума на выход лактида 69
3.3.2. Деполимеризация олигомера, полученного после концентрирования
раствора МК с азеотропной отгонкой воды 73
3.3.3. Материальный баланс процесса синтеза лактида-сырца (после
концентрирования, поликонденсации МК с АОВ (гептан) 77
3.3.4. Стабильность лактида при хранении 78
3.4. Очистка лактида 81
3.4.1. Растворимость олигомера МК и лактида 81
3.4.2. Исследование процесса очистки лактида-сырца 84
3.5. Регенерация отходов синтеза лактида 93
3.6 Полимеризация лактида 95
3.7. Технологическая схема 97
3.8. Описание технологической схемы 98
Заключение 100
Список сокращений и условных обозначений 102
Список литературы 103
Приложение А. Характеристика растворителей для АОВ 126
Приложение Б. ИК спектры продуктов синтеза лактида 127
Актуальность темы
Лактид - является основным источником сырья для производства полилактида. Основное количество полилактида расходуется на производство экологической упаковки, одноразовой посуды, пакетов, тары различного назначения, которые способны компостироваться в природных условиях. Также важным применением этого полимера является изготовление медицинских изделий (МИ), для многих из которых зачастую необходим высокомолекулярный Ь-полилактид и его сополимеры, на основе которых получают новые композиционные материалы для МИ с заданными свойствами.
В настоящее время синтез лактида осуществляют различными способами. Наиболее распространенным является синтез лактида из МК через олигомер. При этом, синтез лактида сопровождается проблемами: увеличение вязкости реакционной среды, что приводит к плохому тепло- и массообмену, ухудшению отгонки воды, к длительности процесса концентрирования и образованию различных побочных продуктов. Известно также, что примеси в лактиде влияют на молекулярную массу полимера и приводят к ухудшению физико-механических свойств. Существуют некоторые трудности при очистке лактида-сырца: достаточно проблематично удаление мезо-лактида, а также низкий выход лактида из-за потерь на стадии очистки.
Поэтому представляет значительный интерес исследование технологии синтеза и очистки лактида с целью усовершенствования стадий, а также процессов утилизации образующихся при этом отходов.
Настоящая работа выполнялась в рамках следующих Госконтрактов (ГК):
1. ГК № 14.512.11.0012 «Создание гибридных биорезорбируемых
синтетических биологически активных полимерных матриксов с регулируемыми физико-химическими свойствами для регенеративной терапии».
2. ГК № 16.522.11.2006 «Разработка технологии получения синтетического рассасывающегося биологически инертного хирургического монофиламентного шовного материала из полимеров гликолевой и молочной кислот».
3. ГК 14.578.21.0031, 2014 г. «Разработка композитных имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля». Поэтому, разработки, направленные на исследование технологий синтеза и очистки лактида для получения высокомолекулярных полимеров и сополимеров медицинского назначения, являются актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования
Лактид - циклический эфир (димер) молочной кислоты (МК), служит основным сырьем для производства полилактида, являющимся одним из самых крупнотоннажных представителей биоразлагаемых полимеров. Кроме того, из лактида получают: различные сополимеры МК, которые используют для изготовления: биоразлагаемых и компостируемых упаковочных материалов, одноразовой посуды и различной тары [1-5]; биорезорбируемых медицинских изделий [1, 2, 4, 6-12]; текстильных материалов [2]; изделий для различных отраслей промышленности (химической, автомобильной, строительной) [1, 2, 13-16]; эфиры МК [17, 18], которые применяются в косметических средствах, в медицине, в качестве лекарственных средств, пищевых добавок и другие соединения.
Известно, что традиционные упаковочные материалы из синтетических полимеров на основе нефтепродуктов после эксплуатации хранятся на полигонах твердых бытовых отходов без разрушения несколько десятков и сотен лет до разложения на более мелкие составляющие [19] и занимают огромные площади земли. А упаковка и тара из биоразлагаемых полимеров под влиянием природных факторов способна к разложению на воду, углекислый газ и гумус.
Полимеры на основе лактида также широко используются для изготовления медицинских изделий (МИ) различного назначения. Важными свойствами полимеров на основе МК являются нетоксичность, биорезорбируемость и совместимость с организмом человека, вследствие чего практически не происходит отторжения таких изделий и сокращается время реабилитации после оперативного лечения. МИ на основе полилактида и его сополимеров широко используются при различных операциях в сердечно-сосудистой хирургии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, ортопедии, травматологии [2, 6, 11, 14, 20-26].
Существующие технологии синтеза лактида из МК многостадийны, энергоемки, приводят к получению лактида с невысоким выходом. Кроме того, для синтеза высокомолекулярного полилактида требуется очистка лактида до высокой степени чистоты.
Кроме того, производство лактида и его сополимеров в крупном масштабе в РФ пока отсутствует, поэтому существует потребность в недорогих и доступных технологиях его производства. Стоит отметить, что сырьем для синтеза лактида является МК - возобновляемый природный ресурс растительного происхождения.
Цели и задачи работы:
Целью данной работы является исследование технологии синтеза и очистки лактида из водного раствора МК.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Изучение процесса концентрирования и поликонденсации молочной кислоты (МК) до олигомера, в том числес применением азеотропной отгонки воды (АОВ).
2. Исследование синтеза лактида из олигомеров МК, полученных после стадии концентрирования и поликонденсации с АОВ.
3. Исследование варианта комплексной очистки лактида-сырца.
4. Разработка технологии регенерации и утилизация отходов производства лактида.
Научная новизна:
Установлено, что для концентрирования раствора МК с АОВ для получения олигомера МК наиболее эффективными растворителями являются парафиновые углеводороды, позволяющие сократить время процесса по сравнению с дистилляцией раствора молочной кислоты.
Выявлено, что при деполимеризации олигомера МК, полученного из Ь-МК после АОВ с ароматическими углеводородами и их хлорпроизводными, а также их смесями, образуется преимущественно лактид-рацемат.
Получены данные по растворимости олигомера МК и лактида в различных органических растворителях.
Предложены технология комплексной очистки лактида-сырца, а также технология выделения лактида из отходов синтеза лактида.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработанный способ концентрирования водных растворов МК с целью получения олигомера МК, позволяет улучшить тепло- и массообмен в реакционной массе и существенно сократить время процесса. Данный способ концентрирования водных растворов оксикарбоновых кислот может быть также применен для синтеза гликолида. Выявлено, что использование ряда растворителей при АОВ приводит к реакции превращения Ь-лактида в рацемическую смесь лактида, что представляет теоретический и практический интерес для дальнейших исследований.
Для полного удаления нежелательных примесей в лактиде-сырце предложен комплексный способ его очистки. Разработана технология утилизации отходов синтеза лактида, позволяющая увеличить его выход.
Получены основные показатели процессов концентрирования раствора МК и поликонденсации МК, синтеза и очистки лактида, на основании которых могут быть проведены инженерные и технологические расчеты при создании опытно-промышленной установки.
Результаты по растворимости лактида-сырца, олигомера и лактида в органических растворителях могут служить в качестве справочных данных.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались классические методы синтеза, выделения и очистки органических веществ, современные инструментальные методы исследования с соответствующим программным обеспечением для характеристики полученных соединений и подтверждения их строения.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технология процесса концентрирования водного раствора МК с АОВ с целью снижения времени процесса.
2. Результаты образования лактида-рацемата при деполимеризации олигомера МК, полученного после АОВ с ароматическими углеводородами и их хлорпроизводными, а также их смесями.
3. Технология комплексного способа очистки лактида-сырца для дальнейшего синтеза высокомолекулярного полимера, включающая стадии: дистилляции; гидролиза мезо-лактида в воде, перекристаллизации из смеси растворителей, а также выделения лактида из маточных растворов, регенерации растворителей.
Достоверность полученных данных подтверждается использованием стандартных методик исследования, современных методов анализа и статистической обработки полученных результатов.
Личный вклад автора заключался в непосредственном участии на всех этапах работы: литературного поиска, планирования и проведения экспериментальных и теоретических исследований, анализа и обсуждения результатов, подготовки научных публикаций.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Международной конференции по химии и физико-химии олигомеров (Ярославль, 2013), III Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды» (Чебоксары, 2013), научно-практической конференции с международным участием: СПбГПУ: (Санкт-Петербург, 2014), XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени Л. П. Кулёва (Томск, 2014), XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2015), а также на всероссийской конференции «Химия и химическая технология: достижения и перспективы» (Кемерово, 2012), XIV Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием, (Томск, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения» (Томск, 2013), на 6 Международном симпозиуме: Химия и химическое образование (Владивосток, 2014), на V Международной конференции-школы по химии и физикохимии олигомеров (Волгоград, 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 научных работ, из них 6 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 22 тезиса докладов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы (261 наименование) и 2 приложения. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, включает 16 рисунков, 11 схем, 41 таблицу.
1. Установлено, что АОВ позволяет сократить время концентрирования раствора МК для получения олигомера в 4...15 раз по сравнению с дистилляцией раствора МК, причем наиболее эффективными растворителями являются парафиновые углеводороды или их смеси с тетрахлорметаном.
2. Выявлено, что при деполимеризации олигомера МК после концентрирования с АОВ толуолом, хлорбензолом, бромбензолом, дихлорбензолом, тетрахлорметаном и их смесями характерно образование лактида-рацемата с невысокими выходами, а максимальные выходы Ь-лактида- сырца наблюдаются при деполимеризации олигомера после АОВ парафиновыми углеводородами.
3. Определено, что выход лактида-сырца зависит от качества используемого сырья, т. к. товарные растворы МК различных производителей содержат примеси, отличающиеся по составу и содержанию.
4. Получены новые данные по растворимости олигомера МК и лактида при различной температуре в ряде органических растворителях.
5. Предложена технология очистки лактида-сырца, основанная на комбинации способов: дистилляции лактида-сырца, удаление мезо-лактида путем обработки фракции водой и дальнейшей перекристаллизацией из смеси растворителей этилацетата и этанола. Отработана технология выделения лактида с высоким выходом из маточного раствора, регенерации растворителей из маточных растворов с различным сроком хранения и растворителей после стадии концентрирования раствора МК с АОВ.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования
Результаты данной работы позволяют определить дальнейшие исследования в области технологии синтеза лактида, в частности: перспективно исследование с целью поиска оптимальных параметров проведения процесса концентрирования водных растворов МК и поликонденсации МК с использованием АОВ; получения экспериментальных данных для создания опытно-промышленной установки;
разработки опытно-промышленного регламента, а также исследование влияния параметров на процессы рацемизации лактида. К перспективным направлениям также можно отнести дальнейшие исследования комплексных способов очистки лактида-сырца, включающих стадии ректификации, адсорбции, перекристаллизации, кристаллизации с целью разработки энергоэффективного и экологичного способа очистки лактида-сырца.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
