MXPA00011963A - Metodos y aparato para produccion de suspensiones de polimero amorfo. - Google Patents

Abstract

Se han desarrollado metodos y aparatos para producir una suspension de particulas de polimero predominantemente amorfas, en donde el metodo incluye tratar termicamente una suspension que incluye particulas de polimero cristalinas o semicristalinas. El tratamiento termico incluye (a) calentar una suspension de particulas de polimero de un tamano apropiado, hasta una temperatura efectiva para ocasionar que el polimero se convierta en amorfo, y luego (b) enfriar la suspensi6n de las particulas del polimero amorfas a menos de la temperatura de fusion del polimero a un regimen efectivo para impedir la coalescencia considerable de las particulas de polimero. El metodo y los aparatos son efectivos para uso con una variedad de polimeros que tienen parametros de cristalizacion apropiados, aun cuando los polimeros de polihidroxialcanoato (PHA) se prefieren, particularmente en un medio de suspension acuoso. Para polimeros de PHA, las particulas de polimero sometidas a tratamiento de preferencia son de un tamano de menos de 5 Rm, o de mayor preferencia de menos de 1.5 Rm, de diametro.

Description

"MÉTODOS Y APARATO PARA PRODUCCIÓN DE SUSPENSIONES DE POLÍMERO AMORFO" ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención es generalmente en el campo de suspensiones de particulas de polimero, y más particularmente con métodos para producir suspensiones de las particulas del polimero amorfo, especialmente de polimeros de polihidroxialcanoato. Los polihidroxialcanoatos (PHAs) son termoplásticos biodegradables útiles obtenidos de microbios o plantas o quimicamente sintetizados. Aún cuando tipicamente biológicos en origen, los PHAs pueden procesarse igual que los plásticos convencionales para producir revestimientos, peliculas y objetos moldeados. Una forma particularmente útil de PHAs es una suspensión incluyendo particulas de polimero suspendidas en agua, en donde una mayoria de las particulas están en estado amorfo, es decir, no cristalino. Estas suspensiones tienen aplicación en la formación de película a temperatura ambiente, puesto que la temperatura de transición de estado vitreo { Tg) de los PHAs es generalmente menor de 5°C. Las suspensiones de PHA amorfo (a las cuales también se hace referencia como látex o emulsiones amorfas) se ha - - encontrado que son particularmente útiles, por ejemplo, en pinturas arquitectónicas (GB 2,291,648), lacas de metalización de tubo de rayos catódicos (PCT/GB95/02761 ) , y revestimientos para papel (Patente Norteamericana Número 5,451,456), celulosa u objetos no tejidos (PCT/GB96/00284 ) , y alimentos (PCT/NL95/00222) . Las particulas de PHA amorfo puedan permanecer no cristalinas casi indefinidamente, aún cuando se enfrian a 100°C o más a menos de la temperatura de fusión cristalina, siempre y cuando las particulas sean lo suficientemente pequeñas y se comportan independientemente una de la otra, como lo hacen en una suspensión acuosa (Horo itz, y otros, J. ?m . Chem . Soc . 116:2695-702 (1994)). Permanecen amorfos si la temperatura se mantiene muy por encima de Tg, las condiciones a las cuales el polimero masivo se cristalizarla rápidamente. Esta estabilidad inesperada en el estado amorfo se ha explicado basándose en la simétrica de nucleación (de Koning & Lemstra, Polymer 33:3292-94 (1992) ) . El modelo teórico predice que el régimen de cristalización observado para un conjunto de particulas de polimero varia inversamente con el volumen de la partícula, es decir, con la tercera potencia del diámetro de la partícula. el medio tiempo para el proceso de cristalización correspondientemente puede expresarse como (loge 2/ Iv, en donde J es la constante del régimen de nucleación y v es el volumen de una partícula individual. Usando datos de la constante del régimen de nucleación conocidos (Organ & Barham, J. Mater. Sci., 26: 1368-74 (1991)), los medios tiempos para la cristalización de suspensión de varios tamaños de partícula de PHA amorfo para poli-3-hidroxibutirato (PHB) y poli-3-hidroxibutirato-co-7 por ciento-hidroxivalerato (PHBV) (BIOPOL™) a 30°C se han calculado y se muestran en el Cuadro 1 que se presenta a continuación.

Cuadro 1: Medios Tiempos Pronosticados para Cristalización de Suspensiones de Particulas de PHA Amorfo Tamaño de Partícula PHB PHBV 100 µm minutos 44 minutos 20 µm horas 92 horas 5.0 µm 49 dias 245 dias 1.0 µm 17 años 84 años 0.2 µm 2099 años 10494 años Aún cuando las particulas amorfas son bastante estables en una suspensión de agua, cuando la suspensión se aplica a una superficie y se deja secar, las particulas se unen para formar una película cristalina coherente o semi-coherente que tiene las propiedades funcionales deseables. A pesar de la utilidad de estas suspensiones de PHA para formar películas biodegradables, hidrolizables o termolizables, ha demostrado generalmente ser dificil preparar estos materiales a escala comercial. En el laboratorio, las suspensiones de PHA amorfo se han preparado de polimero cristalino mediante vias de emulsificación de solvente. Por ejemplo, los PHAs de poli-3-hidroxibutirato (PHB) , poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato (PHBV o BIOPOL™) , y polihidroxioctanoato (PHO) se han preparado como particulas amorfas disolviendo el polimero en cloroformo, emulsionando la solución de polimero con una solución de un agente tensioactivo acuoso, y calentando la emulsión para remover el solvente orgánico (Patente Norteamericana Número 5,599,891; Horo itz & Sanders, Polymer 35:5079-84 (1994)). Las suspensiones de las particulas de PHO amorfo también se han preparado dispersando una solución de acetona del polimero en agua, y removiendo luego la acetona mediante destilación (Marchessault, y otros., Can . J. Microbi ol . 41 : 138-42 (1995) . Un enfoque semejante se describe en la PCT/GB96/00305 por Liddell, y otros, en donde una suspensión del PHBV amorfo se elabora mezclando una solución de polimero en propanodiol a alta temperatura con agua y un agente tensioactivo, y luego removiendo el solvente orgánico mediante diafiltración. La desventaja, sin embargo, de todos los métodos anteriormente citados es que la suspensión de la partícula se diluye grandemente necesitando concentración extensa en el extremo del proceso y dando por resultado un rendimiento bajo del material. Además, se usa un solvente orgánico y se remueve en el proceso, lo cual necesita el uso de un equipo de recuperación y purificación de solvente costoso cuando se lleva a cabo a escala comercial. La PCT/GB95/01925 por Liddell, y otros, da a conocer también un método para producir un "látex de PHBV" calentando una suspensión espesa del polvo de PHBV cristalino en agua y un detergente bajo presión durante diez minutos a una temperatura mayor que la temperatura de fusión del polimero. No se da a conocer si las particulas permanecieron en el estado amorfo durante el enfriamiento, o cual es el tamaño de partícula final de la suspensión espesa. Este método, sin embargo, tiene la desventaja de que el tamaño de partícula del producto final se regula mediante el tamaño del material de partida en polvo, que es por lo menos de 20 a 50 µm. Las particulas de este tamaño se cristalizan rápidamente durante el enfriamiento (véase el Cuadro 1 anterior) , proporcionando aún una suspensión inicialmente amorfa de duración útil en depósito de menos de cuatro dias. La duración del tratamiento térmico en este caso también ocasiona aglomeración adicional significativa de las particulas. Las suspensiones que contienen particulas grandes son por lo general inapropiadas para aplicaciones de formación de película. Se prefiere generalmente purificar los PHAs usando métodos acuosos (es decir, exentos de solvente orgánico) , particularmente en procesos a escala comercial, en donde el polimero permanece en un estado microparticulado y la biomasa que no contiene PHA se solubiliza a través de tratamientos mecánicos, químicos, y/o enzimáticos. Las particulas de PHA luego se separan del material solubilizado usando centrifugación, filtración, flotación u otros métodos convenientes. Por ejemplo, la Patente Número EP 0 145 233 da a conocer métodos acuosos para purificar un polimero de 3-hidroxibutirato microbiológico en donde las celdas se tratan térmicamente a temperatura mayor de 80°C, y luego se digieren con enzimas, agentes tensioactivos, y/o peróxido de hidrógeno. Aún cuando los granulos de PHA contenidos en las celdas microbianas son completamente amorfos (Barnard & Sanders, J. Biol . Chem . 264:3286-91 (1989)), las suspensiones de polimero obtenidas a través de métodos de recolección acuosos usualmente tienen un porcentaje considerable de particulas cristalinas, que se acumulan a través del curso del procesamiento (D.M. Horo itz, Ph.D. Thesis, University of Cambridge, Reino Unido, 1994). La cristalización indeseable de las particulas del polimero es más pronunciada con aquellos PHAs que tienen cinética de cristalización relativamente rápida, tales como los copolimeros de PHB y PHBV que tienen 20 por ciento molar o menos de contenido de 3-idroxivalerato . El mecanismo exacto de la cristalización no se comprende completamente; sin embargo, se cree que ciertas condiciones de temperatura, esfuerzo cortante, y/o contacto entre las particulas del polimero contra las particulas y las superficies de nucleación todas activan o promueven la cristalización a un régimen más allá de aquel pronosticado mediante cinética de nucleación homogénea simple. Se ha encontrado experimentalmente que la presencia de aún una fracción modesta de las particulas de polimero cristalinas en la suspensión da por resultado una película inferior, porosa e irregular bajo condiciones de temperatura ambiente, puesto que no ocurre la coalescencia de la partícula. La cristalización indeseable que ocurre durante la recolección acuosa puede reducirse al minimo mediante el uso de etoxilatos de alquilo, copolimeros de injerto acrilico, y algunos agentes tensioactivos iónicos, como se da a conocer por ejemplo, en PCT/GB96/00284 y PCT/US96/19860. Sin embargo, este enfoque puede ser costoso y tiene varias desventajas. El éxito de los estabilizadores para impedir la cristalización tiende a depender de la composición del polimero, con los PHAs de cristalización más rápidos proporcionando los peores resultados. Las suspensiones de los copolimeros de PHB y PHBV, por ejemplo, contienen invariablemente ciertas particulas cristalinas cuando se procesan usando los estabilizadores. Además, los agentes más efectivos son los estabilizadores esféricos (por ejemplo, el copolimero de injerto acrilico Hypermer CG6, obtenible de ICI Surfactants) que permanecen asociados apretadamente con las particulas del polimero que tienen un efecto perjudicial en la formación de película subsecuente. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar métodos y aparatos para producir una suspensión de particulas de polimero predominantemente amorfo . Otro objeto de la presente invención es proporcionar suspensiones acuosas de particulas de PHA amorfo que tienen un tamaño apropiado para formar revestimientos, películas y objetos moldeados de PHA.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se proporcionan métodos y aparatos para producir una suspensión de particulas de polimero predominantemente amorfo, en donde el método incluye tratar térmicamente una suspensión que incluye particulas de polimero cristalinas o semi-cristalinas . El tratamiento térmico incluye (a) calentar una suspensión de particulas de polimero de un tamaño apropiado hasta una temperatura efectiva para ocasionar que el polimero se convierte en amorfo, y luego (b) enfriar la suspensión de particulas del polimero amorfo a menos de la temperatura de fusión del polimero a un régimen efectivo para impedir la coalescencia considerable de las particulas de polimero. El método se puede llevar a cabo en un tratamiento térmico de modo continuo, semicontinuo o por lotes y puede llevarse a cabo a condiciones de presión no atmosféricas, dependiendo del polimero y el medio de suspensión seleccionados. El método y los aparatos son efectivos para usarse en una variedad de polimeros que tienen parámetros de cristalización apropiados, aún cuando se prefieren los polimeros de polihidroxialcanoato (PHA) , particularmente en un medio de suspensión acuoso. Para los polimeros de PHA, las particulas del polimero sometidas a tratamiento de preferencia son de un tamaño de menos de 5 µm, o de mayor preferencia de menos de 1.5 µm, de diámetro. Las suspensiones del polimero amorfo estables elaboradas usando estos métodos y aparatos se proporcionan asimismo. El polimero de estas suspensiones de preferencia es entre aproximadamente 80 por ciento y 100 por ciento amorfo, y de preferencia está presente en el medio de suspensión a una concentración de entre aproximadamente 0.1 por ciento a 50 por ciento en peso/peso, y de mayor preferencia entre aproximadamente 5 por ciento y 40 por ciento en peso/peso. La suspensión del polimero amorfo de preferencia es apropiado para usarse en una formación de pelicula a temperatura ambiente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama funcional del proceso de una modalidad preferida del aparato para el tratamiento térmico de la suspensión de particulas de polimero cristalinas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se ha descubierto que una suspensión de particulas de polimero altamente amorfo se pueden producir tratando térmicamente una suspensión que incluye particulas de polimero cristalinas o semi-cristalinas, sin un aumento significativo en el tamaño de la partícula, siempre y cuando la duración del tratamiento térmico se reduzca al minimo apropiadamente. I . Suspensión de Particulas de Polimero Las particulas del polimero de preferencia están presentes en la suspensión a una concentración de entre aproximadamente 0.1 por ciento a 50 por ciento en peso/peso, y de mayor preferencia entre aproximadamente 5 por ciento y 40 por ciento en peso/peso, tanto antes como después del tratamiento térmico. Polimeros Los métodos y aparatos descritos en la presente son útiles con una escala de materiales poliméricos que tienen parámetros de cristalización apropiados, aún cuando los polihidroxialcanoatos (PHAs) se prefieren especialmente. Los ejemplos representativos de otros polimeros que se pueden usar en los métodos, las composiciones y los aparatos descritos en la presente incluyen los polimeros tales como las poliolefinas, poliimidas, poliamidas y poliésteres. La estabilidad de las particulas amorfas dependerá de muchos factores, incluyendo el tamaño de la partícula, la cinética de nucleación, la pureza y la presencia de agentes tensioactivos y estabilizadores coloidales. Los PHAs se pueden derivar de sistemas biológicos incluyendo bacterias y cultivos de planta genéticamente modelados. Los métodos para recuperar los PHAs de la biomasa de la planta se describen, por ejemplo en PCT W097/15681, PCT O97/07239 y PCT WO97/07229. Los métodos descritos en la presente son similarmente útiles con una variedad de PHAs, independientemente del organismo de fuente o la composición del comonómero. Los PHAs representativos incluyen poli-3-hidroxibutirato (PHB) , poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato (PHBV, vendido como BIOPOL™ por Monsanto) , poli-3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutiratepoli-3-hidroxipropionato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxipropionato, poli-4-hidroxibutirato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxioctanoato, poli-5-hidroxivalerato y poli-6-hidroxihexanoato . El polimero en la suspensión del producto de preferencia es entre aproximadamente 80 por ciento y 100 por ciento amorfo. La suspensión del polimero amorfo de preferencia es apropiada para uso en formación de pelicula a temperaturas ambiente, y de preferencia es estable. Como se usa en la presente, el término "estable" significa que las particulas del polimero permanecen amorfas durante un periodo de tiempo comercialmente útil. Por ejemplo, la suspensión debe permanecer estable a condiciones ambiente durante por lo menos varios dias, y de preferencia varias semanas o más, después de la fabricación, embarque y almacenamiento, de manera que la suspensión puede usarse cuando se desee, particularmente cuando se usa en el proceso formador de pelicula. Tamaño de Partícula El tamaño de partícula de la alimentación de suspensión espesa de polímero cristalino o parcialmente cristalino es una consideración importante en los métodos descritos en la presente. Por lo general, los polvos de PHA del proceso de aislamiento acuoso son cristalinos con un tamaño de partícula de menos de 20 a 50 µm, que si se someten a los procesos de tratamiento térmico descritos en la presente rendirían partículas amorfas que se cristalizan demasiado rápidamente para uso práctico. Antes del secado, pero al final de un proceso de aislamiento acuoso, es tipico un tamaño de partícula de 5 µm, con un alto grado de cristalinidad (D.M. Horo itz, Ph.D. Thesis, University of Cambridge, UK, 1994) . Por lo tanto, el tamaño de la partícula frecuentemente debe reducirse antes de que se lleve a cabo el tratamiento térmico. El tratamiento de la suspensión espesa cristalina a través de un homogenizador, un molino coloidal, un molino de perla o un Microfluidizador es un medio apropiado para reducir el tamaño de la partícula hasta la escala deseada. Por ejemplo, un tratamiento de una a cuatro pasadas a través de un Microfluidizador proporciona una suspensión de microparticulas cristalinas de aproximadamente 1 µm mediano en tamaño, que es apropiado para usarse en los métodos descritos en la presente. Como una alternativa, o adjunto a la reducción de tamaño de la partícula, se puede añadir un agente tensioactivo, dispersante o agente emulsionante durante el curso del aislamiento acuoso de las particulas de polimero, lo cual tiene el efecto de mantener un tamaño de partícula más pequeño a través del proceso. Cuando el polimero es un PHA, se prefiere que las partículas de polímero sometidas al tratamiento sean de un tamaño menor de 5 µm, o de mayor preferencia menor de 1.5 µm de diámetro. Las partículas más pequeñas tienen duraciones observadas mucho más prolongadas en el estado amorfo (véase el Cuadro 1) y se enfrian a 100°C o más a menos de la temperatura Tm sin ocasionar cristalización observable. Sin embargo, para ciertos materiales de nucleación más lentos, los tamaños de partícula más grandes pueden ser satisfactorios y rinden partículas amorfas estables . Medios de Suspensión El medio de suspensión de preferencia es agua, aún cuando puede ser una solución acuosa con por lo menos aproximadamente 50 por ciento (en peso) de agua con el resto incluyendo uno o más solventes orgánicos miscibles en agua, tales como alcoholes, cetonas, acetona y DMSO. La suspensión puede incluir uno o más aditivos, tales como agentes tensioactivos, dispersantes, emulsionantes, jabones o detergentes, cualesquiera de los cuales se pueden añadir antes, durante o después del tratamiento térmico. Aún cuando pueden también obtenerse resultados satisfactorios sin estos aditivos, los agentes tensioactivos pueden ser útiles para reducir cualquier tendencia de las particulas a coalescerse, agregarse o adherirse al recipiente durante el tratamiento térmico. Los ejemplos representativos de agentes tensioactivos apropiados incluyen oleato de potasio, y BRIJ™ 721 (ICI, Reino Unido) . Las cantidades preferidas del agente tensioactivo son entre aproximadamente 0.1 por ciento y 10 por ciento (en peso del agente tensioactivo/peso del polímero), por ejemplo, de aproximadamente 3.4 por ciento. Cualquier agente tensioactivo debe seleccionarse de tal manera que su actividad superficial y solubilidad se mantengan a una temperatura de tratamiento máxima. Por ejemplo, el uso de agentes que contienen poliéter, incluyendo muchos agentes tensioactivos no iónicos y estabilizadores copoliméricos de bloque o injerto pueden necesitar que se eviten en casos en donde la temperatura de cristalización del agente es menor que la temperatura de fusión del polimero cristalino. Los agentes tensioactivos también se deben seleccionar para ser compatibles con el uso final propuesto. Por ejemplo, para la mayoría de las aplicaciones formadoras de pelicula, es deseable evitar introducir cualesquiera de los residuos minerales, que aumentarían la sensibilidad al agua de la pelicula. II. Proceso de Tratamiento Térmico El método de tratamiento térmico incluye (a) proporcionar una suspensión que comprende particulas de polimero cristalinas o semi-cristalinas en un medio de suspensión; (b) calentar la suspensión a una temperatura efectiva para ocasionar que el polímero se convierta en amorfo; y (c) enfriar la suspensión a menos de la temperatura de fusión del polímero a un régimen efectivo para impedir la coalescencia considerable de las partículas de polímero. Los tratamientos térmicos satisfactorios típicamente deben llevarse a cabo a una temperatura cerca de, a, o por encima de la temperatura de fusión ( Tm) de las partículas de polímero cristalinas. Como se usa en la presente, el término "casi" en referencia a Tm significa Tm + 10°C. y de preferencia dentro de 2°C a 5°C del Tm .

La temperatura de tratamiento térmica por lo general no tiene limite superior, aún cuando las temperaturas más elevadas pueden efectuar la degradación del polímero, y/o requerir el uso de un equipo de proceso de presión más elevada a fin de llevar a cabo el tratamiento térmico sin ebullición de los medios de suspensión. Por consiguiente, la temperatura de tratamiento preferida por lo general es entre aproximadamente 0°C y 25°C por encima del Tm del polímero cristalino. En muchos casos, el Tm del polimero será en exceso de la temperatura de ebullición normal del medio de suspensión. Por ejemplo, la temperatura de fusión para PHB es de alrededor de 180°C, y los copolímeros comerciales de PHBV tipicamente se funden entre aproximadamente 140°C y 175°C, que son temperaturas que exceden la temperatura de ebullición normal del agua. De esta manera, el proceso del tratamiento térmico debe llevarse a cabo a fin de impedir la ebullición y evaporación del agua, u otro medio de suspensión desde la suspensión. En una modalidad preferida, este efecto puede lograrse convenientemente llevando a cabo el proceso en un sistema cerrado o regulado por presión. La duración del tratamiento térmico debe ser no mayor de aquella necesaria para convertir las partículas del estado cristalino al estado amorfo; unos cuantos segundos cerca de o por encima de la temperatura de fusión se encontró que eran suficientes. Los tiempos de calentamiento más prolongados están asociados con coalescencia aumentada de las particulas, y finalmente la separación de fase del polimero como una capa fundida separada. Por lo tanto, es también deseable que las rampas de calentamiento y enfriamiento a las cuales se somete la suspensión del polimero sean tan profundas como sea práctico . El tratamiento térmico puede llevarse a cabo en un proceso continuo, por lote o por semi-lote. En una modalidad preferida, una suspensión de las partículas de polímero cristalino o semicristalino se somete a un proceso térmico de flujo continuo que rinde una suspensión de partículas amorfas. En una modalidad, el tratamiento se lleva a cabo en un modo por lotes usando un sistema de presión cerrado. Por ejemplo, una suspensión de polimero del tamaño de partícula apropiado puede calentarse en un tubo sellable a presión, una autoclave u otro recipiente o semejante equipado con un aparato de agitación. El aparato luego se calienta, por ejemplo, usando un baño de aceite, vapor u otro medio apropiado. Después del tiempo de tratamiento minimo requerido, el aparato se enfria y la suspensión del producto se descarga.

La agitación o revoltura de la suspensión durante el tratamiento térmico por lo general es deseable para impedir la sedimentación y asegurar el calentamiento uniforme y rápido. Sin embargo, el esfuerzo cortante significativo de las partículas amorfas debe evitarse, ya que puede promover o activar la coalescencia, agregación y/o recristalización del material. En algunos casos, puede ser deseable remover una fracción de las particulas más grandes unidas antes o después del tratamiento térmico. Estas fracciones se pueden remover, por ejemplo, mediante decantación, filtración o centrifugación usando un equipo de proceso normal . III . Aparato de Tratamiento Térmico Como se describe en lo que antecede, una modalidad preferida del método se lleva a cabo en un proceso térmico de flujo continuo. Por ejemplo, la suspensión del polímero se bombea continuamente o semi-continuamente a través de un conducto liquido, en donde la suspensión se somete a una temperatura apropiadamente elevada durante un intervalo breve. El conducto típicamente se hace funcionar bajo presión para impedir la ebullición del medio de suspensión. El Aparato En una modalidad preferida, el aparato para producr una suspensión de polímero amorfo incluye (a) una bomba apropiada para bombear una suspensión que comprende las partículas de polímero cristalino o semi-cristalino en un medio de suspensión; (b) un primer intercambiador térmico que tiene una entrada en conexión de fluido con la descarga de la bomba y que tiene una salida, en donde el primer intercambiador térmico es apropiado para calentar la suspensión hasta una temperatura efectiva para ocasionar que el polimero se convierta en amorfo a medida que la suspensión fluye entre la entrada y hacia la salida; y (c) un segundo intercambiador térmico que tiene una entrada en conexión de fluido con la salida del primer intercambiador térmico, en donde el segundo intercambiador térmico es apropiado para enfriar la suspensión a menos de la temperatura de fusión del polímero, a un régimen efectivo para impedir la coalescencia considerable de las partículas de polímero. Una modalidad preferida del aparato de tratamiento térmico presionizado de flujo continuo se muestra en la Figura 1. El aparato de tratamiento térmico 10 incluye una bomba 12; un conducto de liquido 14, que incluye por lo menos una zona calentada 16 (es decir, una zona que es capaz de calentarse) , es decir, el primer intercambiador térmico del aparato; y una válvula de regulación de presión o alivio de presión 18. El aparato preferido incluye también un intercambiador térmico de suspensión 20, que transfiere eficientemente el calor de la suspensión de la partícula de polímero amorfo (producto) a la suspensión de la partícula de polimero cristalino (alimentación) . El aparato opcionalmente puede incluir uno o más dispositivos de enfriamiento auxiliares (no mostrados) en aguas abajo desde la zona de calentamiento; y de preferencia puede enfriar la descarga de la zona calentada usando un medio de enfriamiento externo en algunos procesos. El intercambiador térmico de suspensión 20 y/o el dispositivo de enfriamiento auxiliar funcionan como el segundo intercambiador térmico del aparato. Aún cuando el aparato de tratamiento térmico 10 tiene un solo intercambiador térmico de suspensión 20, será fácilmente evidente para aquellas personas expertas en la técnica que el aparato puede modificarse para usar intercambiadores térmicos múltiples para este objeto. Alternativamente, el intercambiador térmico de suspensión 20 puede eliminarse, dependiendo de las condiciones de diseño del proceso y el equipo de proceso que se seleccionen, siempre y cuando las funciones de calentamiento y de enfriamiento del aparato sean servidas. El equipo de intercambiador térmico normal puede usarse para la zona calentada 16, el intercambiador térmico de suspensión 20, y cualesquiera de los dispositivos de enfriamiento auxiliares. Operación o Funcionamiento del Aparato En una modalidad preferida, el aparato de tratamiento térmico 10 se hace funcionar de la siguiente manera. Una suspensión de las partículas de polímero cristalinas o parcialmente cristalinas se alimenta por medio de una bomba 12 hacia un circuito de alta presión que incluye un conducto de líquido 14, en donde ocurre el tratamiento térmico. La alimentación puede estar a cualquier temperatura siempre y cuando el medio de suspensión permanezca líquido. Dentro de la sección de presionización del circuito, la presión se mantiene por medio de una válvula de regulación de presión 18, que termina en el circuito y descarga el producto amorfo a una temperatura y presión a la cual no se someterá a ebullición en medio de suspensión. La válvula de regulación de presión se ajusta para mantener una presión interna que es mayor que o igual a la presión de vapor del medio de suspensión a la temperatura máxima de tratamiento, a fin de impedir la ebullición de la suspensión de polimero. La bomba 12 evidentemente debe ser capaz de generar un flujo positivo a la presión ajustada de la válvula de alivio de presión 18.

El aparato opcionalmente puede equiparse con dispositivos de supervisión de presión y temperatura en los distintos puntos en el aparato, y/o vesículas de gas para proporcionar un comportamiento de flujo y presión más uniforme. En casos en donde la temperatura de tratamiento máxima no excede la temperatura de ebullición del medio de suspensión, se puede omitir la válvula de regulación de presión. Desde la bomba 12, la alimentación fluye a través de un lado o canal del intercambiador térmico de suspensión 20 y luego hacia la zona calentada 16, en donde se induce en la suspensión una temperatura de casi, a, o por encima de la temperatura de fusión del polimero cristalino. El calor se puede suministrar, por ejemplo, vapor, gas o calentamiento eléctrico, ya sea directamente o a través de un medio de transferencia. Por ejemplo, la suspensión del polímero puede bombearse a través de un intercambiador térmico, un tubo de metal, un recipiente de flujo pasante, u otro dispositivo que tenga conductividad térmica favorable. En todos los casos, la mira es asegurar la tranferencia rápida y eficiente del calor hacia la suspensión del polimero, llevando las particulas de polimero a una temperatura cerca de, a, o por encima de la temperatura de fusión cristalina. La suspensión calentada de las partículas del polímero amorfo luego se hace fluir desde la zona calentada 16 y a través del segundo canal del intercambiador térmico de suspensión 20, pre-calentando de esta manera la suspensión de alimentación antes de que entre en la zona calentada 16 a fin de reducir al mínimo la capacidad de calentamiento requerida de la zona calentada 16 y/o para disminuir el tiempo de permanencia en la zona calentada 16. El intercambiador térmico de suspensión 20 enfria también la suspensión del producto descargada de la zona calentada 16, de preferencia hasta una temperatura lo suficientemente baja para impedir la ebullición de la suspensión durante la descarga desde la válvula de alivio de presión 18. Las composiciones, métodos y aparatos descritos en la presente se describen además mediante los siguientes ejemplos no limitativos.

Ejemplo 1: Preparación de la Suspensión de Partículas Amorfas del Copolímero de PHBV con una Relación de Monómero de 92:8 HB/HV El tamaño de la partícula se midió mediante difusión de luz láser usando un analizador de partícula Coulter LS130. Se midió el Índice de cristalinidad usando FTIR mediante el método descrito en el articulo de Bloembergen, y otros, Macromolecul es, l_9:2865-70 (1986), con la excepción de que la determinación se llevó a cabo en una suspensión acuosa usando un dispositivo de muestra de reflexión total atenuada (ATR) (Nicolet Instrument Corp.). Las partículas amorfas mostraron bandas de IR características a 1185 y 1303 cm-l, mientras que las particulas cristalinas mostraron bandas características a 1228, 1280 y 1288 cm-1. El porcentaje del índice de cristalinidad se calculó usando normas, que se prepararon combinando cantidades conocidas de particulas cristalizadas completamente y completamente amorfas en suspensión de agua. Las partículas completamente amorfas se prepararon como se describe en el articulo de Horowitz y otros, J. Am . Chem . Soc . 116 : 2695-702 (1994), mientras que las particulas completamente cristalizadas se derivaron de polvo de PHA secado por rociadura. Un índice de cristalinidad de 100 por ciento por lo tanto representa la cristalinidad máxima del polimero que es capaz de lograr normalmente. Para PHB, esto corresponde a una cristalinidad de rayos X de aproximadamente el 70 por ciento. Se fermentaron las celdas de Ralstonia eutrophus NCIMB 40124 a alta densidad en una mezcla de glucosa y ácido valérico bajo condiciones de limitación de fósforo. Las celdas contenían 68 por ciento de PHA (base del peso seco de la celda) que era un copolimeero de PHBV con una relación de monómero de 92:8 HB/HV. El PHA se recuperó mediante un proceso acuoso de la siguiente manera. Las celdas se lavaron mediante diafiltración con agua destilada, se microfluidizaron dos veces a 1054.54 kilogramos por centímetro cuadrado, y luego se digirieron con proteasa industrial (Alcalase, 1 mililitro/litro, Novo Nordisk) en presencia de 0.5 por ciento (en peso/volumen) de dodecilsulfato de sodio (SDS) y 0.25 por ciento (en peso/volumen) de Hypermer CG-6 (Agentes Tensioactivos ICI) para 1 hora a 50°C (pH de 9) . La suspensión de PHA resultante se lavó mediante diafiltración (Elemento de cerámica de U.S. Filter Membralox con 0.1 µm de corte nominal) con 2 volúmenes de agua que contienen 0.5 por ciento (en peso/volumen) de SDS y 0.25 por ciento (en peso/volumen) de Hypermer CG-6. Después de la diafiltración la suspensión se trató con peróxido de hidrógeno, 3 por ciento en peso/volumen, durante 3 horas en presencia del ácido dietilentriaminpentaacético (DTPA, 100 miligramos por litro), a 80°C. El pH se mantuvo a 7 usando hidróxido de amonio. El producto se diafiltró como anteriormente con 6 volúmenes de agua que contiene 0.5 por ciento (en peso/ volumen) SDS y 0.25 por ciento (en peso/volumen) de Hypermer CG-6 seguido por 6 volúmenes de agua pura. Las partículas de recogieron mediante centrifugación y se resuspendieron en agua a una concentración de 13 por ciento en peso/peso. Esta suspensión de PHA, que tiene un tamaño de partícula mediano de 3.9 µm y un índice de cristalinidad de 100 por ciento, se usó como el material de partida en el proceso para producir una suspensión de las particulas poliméricas amorfas. La suspensión de PHA luego se procesó cuatro veces a través de un Microfluidizador M110EH (Microfluidics International, de Newton, MA) a una presión de funcionamiento de 1054.54 kilogramos por centímetro cuadrado. La suspensión resultante tenía un índice de cristalinidad de 100 por ciento y un tamaño de partícula mediano de 0.50 µm. La temperatura de fusión de polímero cristalino se determinó que era de 169°C. Una porción de la suspensión (5 mililitros) se cargó en un tubo de vidrio de régimen de presión (Ace Glass) , equipado con una barra de agitación magnética, y luego se sumergió durante 5 minutos en un baño de aceite de silicona a 190°C. El tubo luego se quitó y se enfrió hasta temperatura ambiente. El producto era una suspensión de partículas amorfas (0 por ciento de Índice de cristalinidad mediante FTIR) con un tamaño de partícula mediano de 0.53 µm. La cromatografía de permeación de gel en cloroformo mostró que el peso molecular de PHA permaneció siendo de aproximadamente 300 kDa, que es semejante al peso molecular antes del tratamiento térmico. De manera importante, el tratamiento térmico de 2.5 minutos o menos fue insuficiente para fundir las partículas de PHA cristalinas bajo las condiciones anteriormente citadas, mientras que el tratamiento de 10 minutos de duración ocasionó que la mayoría del PHA se congelara en una masa sólida. Se repitió el tratamiento térmico usando una suspensión de PHA cristalina en agua a contenido de sólidos del 30 or ciento (en peso/peso) , en vez de 13 por ciento (en peso/peso) . El producto resultante de nuevo era una suspensión que incluía partículas de PHA amorfas.

Ejemplo 2: Preparación de la Suspensión de Partículas Amorfas del Copolímero de PHBV con una Relación de Monómero de 75:25 de HB/HV Las celdas de Ral stonia eutrophus NCIMB 40124 se fermentaron a alta densidad en una mezcla de glucosa y ácido valérico bajo condiciones de limitación de fósforo. Las celdas contenían 32 por ciento de PHA (base del peso en seco de la celda) que era un copolímero de PHBV con una relación de monómero de 75:25 HB/HV. El PHA se aisló como en el Ejemplo 1, con la excepción que después del tratamiento de peróxido, el PHA se aisló mediante centrifugación y resuspensión en agua para proporcionar una suspensión espesa de polímero de 6 por ciento de sólidos (en peso/peso) . En esta etapa, el PHA tenia un índice de cristalinidad de aproximadamente 70 por ciento. La suspensión espesa luego se procesó cuatro veces a 1406 kilogramos por centímetro cuadrado a través de un Microfluidizador MllOEH para reducir el tamaño de la partícula y luego se sumergió durante 5 minutos en un tubo sellado en un baño de aceite a 200°C. El producto resultante era una suspensión de PHA amorfo (Índice de cristalinidad de 0 por ciento mediante FTIR) con un tamaño de partícula mediano de 0.73 µm.

Ejemplo 3: Uso del Aparato de Tratamiento Térmico de Flujo Continuo para Preparar la Suspensión de las Particulas Amorfas del Copolimero PHBV con una Relación de Monómero de 92:8 de HB/HV Un aparato de flujo continuo como se ilustra en la Figura 1 se usó para formar una suspensión de las particulas del polimero amorfo. El aparato incluía una bomba de suministro regulado de diafragma electrónico (Serie de Pulsatron E, clasificado a 17.58 kilogramos por centímetro cuadrado, régimen de flujo máximo de 0.79 litro por hora) , un intercambiador térmico (tubería inoxidable de entrada de 9.53 milímetros de diámetro externo por 304.80 milímetros; tubería de cobre de diámetro externo de 3.18 milímetros por 304.80 milímetros), una zona calentada (tubería de cobre de diámetro externo de 3.18 milímetros x diámetro interno de 1.59 milímetros, cuatro vueltas de aproximadamente 10.16 centímetros de diámetro, sumergida en un baño de aceite controlado termostáticamente (silicona de Dow Corning 550) , y una válvula de regulación de presión (Swagelok, ajustable a de 3.52 a 24.61 kilogramos por centímetro cuadrado) . El aparato estaba también equipado con un calibrador de presión y dos termómetros electrónicos del tipo de pila termoeléctrica. El baño de aceite se precalentó a 175°C y el aparato se hizo funcionar en una corriente de alimentación de agua pura durante 15 minutos para purgar las burbujas de aire y el enfoque de equilibrio térmico. La presión del fluido fue suficiente para impedir la ebullición del agua. Después de 15 minutos, la alimentación se cambió a una suspensión de PHA (PHB-co-8 por ciento de HV del Ejemplo 1 anterior, 13 por ciento en peso/peso de sólidos, de aproximadamente un tamaño de partícula mediano de 0.5 µm de Índice de cristalinidad de 100 por ciento, complementado con 1 por ciento en peso/volumen de oleato de potasio) . Se logró un régimen de flujo de 16.5 mililitros por minuto a presión de 15.47 a 16.35 kilogramos por centímetro cuadrado, que fue suficiente para impedir la ebullición de la suspensión. A este régimen de flujo, el tiempo de permanencia de la suspensión dentro de la zona calentada fue de aproximadamente nueve segundos. La temperatura de la suspensión que salía de la zona calentada se midió a 176°C, mientras que la solución que sale de la salida del intercambiador térmico tenía una temperatura de 66°C. La suspensión del producto contenia 13 por ciento (en peso/peso) de sólidos con 0 por ciento de índice de cristalinidad mediante FTIR. El microscopio óptico mostró una suspensión submicrónica de particulas esféricas.

Ejemplo 4: Uso del Aparato de Tratamiento Térmico de Flujo Continuo para Preparar una Suspensión de las Particulas de PHB Amorfas Los procedimientos descritos en el Ejemplo 3 anterior se repitieron usando una suspensión que incluye partículas de PHB cristalinas (contenido de sólidos de 7.5 por ciento en peso/peso, tamaño de partícula mediana de 0.61 µm, índice de cristalinidad de 50 por ciento), que se obtienen de la fermentación de Ral stonia eutropha en glucosa. El baño de calentamiento del aparato de flujo continuo se mantuvo a 197°C. La suspensión tenia una temperatura de 180°C al salir de la zona calentada, mientras que la suspensión que salla de la salida del intercambiador térmico tenia una temperatura de 61 °C. El producto descargado incluía particulas de PHB amorfas (tamaño de partícula mediano de 0.83 µm, Índice de cristalinidad de 0 por ciento) .

Claims (21)

REIVINDICACIONES :

1. Un método para producir una suspensión que comprende partículas de polímero amorfas, el método comprende (a) proporcionar una suspensión que comprende partículas de polímero cirstalinas o semicristalinas en un medio de suspensión, en donde las particulas del polímero tienen un tamaño de partícula medio de menos de 20 µm; (b) calentar la suspensión a una temperatura efectiva para ocasionar que el polimero se convierta en amorfo; y (c) enfriar la suspensión a menos a la temperatura de fusión del polimero a un régimen efectivo para impedir la coalescencia considerable de las particulas de polímero.

2. El método de la reivindicación 1, en donde la temperatura del paso (b) es entre aproximadamente 0°C y 25°C por encima de la temperatura de fusión del polímero cristalino.

3. El método de la reivindicación 1, en donde el paso de calentamiento se lleva a cabo a una presión suficiente para impedir la ebullición del medio de suspensión.

4. El método de la reivindicación 1, en donde la suspensión se enfria a una temperatura inferior a la temperatura de ebullición a presión atmosférica del medio de suspensión.

5. El método de la reivindicación 1, en donde la partícula del polímero del paso (a) tiene un tamaño de partícula mediano de menos de 5 µm.

6. El método de la reivindicación 5, en donde las partículas del polímero del paso (a) tienen un tamaño de partícula mediano de menos de 2 µm.

7. El método de la reivindicación 6, en donde las partículas del polímero del paso (a) tienen un tamaño de partícula mediano de entre 0.1 y 1 µm.

8. El método de la reivindicación 1, en donde el polímero es un polihidroxialcanoato.

9. El método de la reivindicación 8, en donde el polímero se selecciona del grupo que consiste de poli-3-hidroxibutirato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxi alerato, poli-3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutiratopoli-3-hidroxipropionato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxipropionato, poli-4-hidroxibutirato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato, poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxioctanoato, poli-5-hidroxivalerato, poli-6- hidroxihexanato, los copolimeros de los mismos, y mezclas de los mismos.

10. El método de la reivindicación 1, en donde el medio de suspensión comprende agua.

11. El método de la reivindicación 1, en donde las partículas del polímero del paso (a) están presentes en la suspensión a una concentración de entre aproximadamente 1 por ciento y 50 por ciento en peso/peso.

12. El método de la reivindicación 1, en donde la suspensión del paso (a) comprende además un aditivo que se selecciona del grupo que consiste de agentes tensioactivos, dispersantes y emulsionantes.

13. El método de la reivindicación 1, en donde los pasos de calentamiento y enfriamiento se llevan a cabo en un proceso de flujo continuo.

14. Una composición que comprende una suspensión estable de partículas de polímero amorfo en un medio de suspensión, en donde la suspensión se elabora mediante los métodos de cualesquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

15. La composición de la reivindicación 14, en donde las partículas de polímero tienen un tamaño mediano menor de aproximadamente 5 µm,

16. La composición de la reivindicación 14, en donde el polímero es un polihidroxialcanoato. -

17. La composición de la reivindicación 16, en donde las partículas de polímero tienen un tamaño mediano menor de aproximadamente 1.5 µm.

18. La composición de la reivindicación 14, en donde las partículas de polímero están presentes en la suspensión a una concentración de entre aproximadamente 5 por ciento y 40 por ciento en peso/peso.

19. Un aparato para producir una suspensión de polímero amorfo que comprende una bomba apropiada para bombear una suspensión que comprende partículas de polímero cristalinas o semicristalinas en un medio de suspensión, en donde las partículas tienen un tamaño de partícula medio de menos de 20 µm; un primer intercambiador térmico que tiene una entrada en conexión de fluido con la descarga de la bomba y que tiene una salida, en donde el primer intercambiador térmico es apropiado para calentar la suspensión hasta una temperatura efectiva para ocasionar que el polimero se convierta en amorfo a medida que la suspensión fluye entre la entrada y la salida; y un segundo intercambiador térmico que tiene una entrada en conexión de fluido con la salida del primer intercambiador térmico y que tiene una salida en donde el segundo intercambiador térmico es apropiado para enfriar la suspensión a menos de la temperatura de fusión del polímero a un régimen efectivo para impedir la coalescencia considerable de las partículas de polímero.

20. El aparato de la reivindicación, 19 en donde el segundo intercambiador térmico precalienta la suspensión que entra en el primer intercambiador térmico.

21. El aparato de la reivindicación 19, que además comprende una válvula de regulación de presión en aguas abajo de la salida del segundo intercambiador térmico.