專利名稱：用于從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯生物質制備單體組分的方法
用于從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯生物質制備單體組分的方法
背景技術：
基于生物的、可生物降解的聚合物諸如聚羥基鏈烷酸酯(PHA)在生物質系統(tǒng)中天然地生成，諸如植物生物質、微生物生物質(例如，包括藍細菌在內(nèi)的細菌、酵母、真菌)或藻類生物質。最近已經(jīng)開發(fā)了遺傳地修飾的生物質系統(tǒng)，所述系統(tǒng)生產(chǎn)多種可生物降解的PHA 聚合物和共聚物(Lee (1996), Biotechnology & Bioengineering 49 :1_14 ;Braunegg等人(1998), J. Biotechnology 65:127-161 ；Madison, L. L.和 Huisman, G. ff. (1999)，Metabolic Engineering of Poly-3-Hydroxyalkanoates ；From DNA to Plastic, 見Microbiol. Mo I. Biol. Rev. 63 :21-53)。最近，還已經(jīng)在生產(chǎn)“綠色”化學制品(諸如1，3_丙二醇(杜邦的BioPD0 )、l，
4-丁二醇(Genomatica)和琥拍酸(Bioamber),僅舉幾個實例)的生物質系統(tǒng)的開發(fā)中取得了進展。與基于生物的PHA聚合物類似地，已經(jīng)通過遺傳地修飾的生物質系統(tǒng)來生產(chǎn)這些基于生物的化學制品，所述系統(tǒng)利用可再生原料，具有更低的碳足跡，且據(jù)報道具有比傳統(tǒng)的石油化學生產(chǎn)方法更低的生產(chǎn)成本。但是，通過生物過程直接生產(chǎn)化學制品的一個缺點是，所述化學制品對生產(chǎn)它們的細胞經(jīng)常是有毒的，所以來自細胞的總化學產(chǎn)率較低。另夕卜，由細胞生產(chǎn)的其它化合物最終作為雜質存在于目標化學制品中，并因此，需要向所述過程中添加純化步驟，這會增加額外的成本因素。因而，需要克服上述的細胞毒性和純度的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在有催化劑存在下熱分解含有聚羥基鏈烷酸酯(PHA)的經(jīng)遺傳工程化的生物質，可以簡單地且節(jié)省成本地生產(chǎn)基于生物的化學制品(單體組分和衍生物)?？梢赃z傳工程化宿主，以在它們的細胞中生產(chǎn)富集量的聚羥基鏈烷酸酯和組合物。由于可得到的PHA聚合物的種類，容易地且廉價地生產(chǎn)廣范圍的有用的且重要的化學制品，同時克服了細胞毒性和純度的問題。在節(jié)省成本和時間的條件下，將生物質中的PHA聚合物降解成單體組分和其它改性的化學制品(例如，衍生物)。本發(fā)明一般地涉及從可再生的碳資源生產(chǎn)高純度的、高產(chǎn)率的、基于生物的單體組分的方法。該生物精制方法的優(yōu)點是，它使用可再生的碳源作為原料，所述經(jīng)遺傳工程化的宿主以高產(chǎn)率生產(chǎn)PHA，對宿主細胞沒有不利的毒性效應(這會限制過程效率)，且當與催化劑相混合并加熱時，能夠以高產(chǎn)率生產(chǎn)高純度的基于生物的單體組分和它們的衍生物。在某些實施方案中，本發(fā)明涉及從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)單體組分的方法，所述方法包括在有催化劑存在下，加熱所述生物質，以從PHA釋放出單體組分，其中基于I克單體/克聚羥基鏈烷酸酯，所述單體組分產(chǎn)率是約70%。在某些實施方案中，所述聚羥基鏈烷酸酯是選自下述的一種或多種聚乙醇酸交酯、聚-3-羥基丙酸酯、聚-3-羥基丁酸酯、聚-4-羥基丁酸酯、聚-5-羥基戊酸酯或它們的共聚物。在有些實施方案中，所述單體組分是乙交酯、3-羥基丙內(nèi)酯、丙烯酸、巴豆酸、
5-羥基戊內(nèi)酯或它們中的任意2種或更多種的混合物。在有些實施方案中，所述單體組分含有小于10重量％的副產(chǎn)物。在某些實施方案中，所述生物質是來自選自下述的重組宿主植物作物、細菌、酵母、真菌、藻類、藍細菌或它們中的任意2種或更多種的混合物。在某些實施方案中，所述宿主是細菌。在有些實施方案中，所述細菌選自大腸桿菌、真養(yǎng)產(chǎn)喊菌(Alcaligenes eutrophus,重命名為真養(yǎng)產(chǎn)喊桿菌(Ralstonia eutropha))、芽抱桿菌屬(Bacillus spp.)、廣泛產(chǎn)喊菌(Alcaligenes Iatus)、固氮菌屬(Azotobacter)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、叢毛平胞菌屬(Comamonas)、假單胞菌(Pseudomonads)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、羅爾斯通氏菌屬(Ralstonia)、克雷伯菌屬(Klebsiella)、聚球藻屬(Synechococcus sp. )PCC7002、聚球藻屬 PCC 7942、集胞藻屬(Synechocystis sp.)PCC6803和嗜熱藍細菌聚球藻(Thermosynechococcus elongatus) BP-I、微溫綠硫菌(Chlorobium tepidum)、Chloroflexus auranticus、微溫著色菌(Chromatium tepidum)、酒色著色菌(Chromatium vinosum)、深紅紅螺菌(Rhodospirillum rubrum)、莢膜紅細菌(Rhodobacter capsulatus)和沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)。在 其它實施方案中，所述宿主是植物作物。在有些實施方案中，所述植物作物選自煙草、甘鹿、谷物、柳枝稷、miscanthus sorghum、高梁(sweet sorghum)或它們中的任意2種或更多種的混合物。在其它實施方案中，所述宿主是選自下述的重組藻類微小小球藻(Chlorella minutissima)、浮水小球藻(Chlorella emersonii)、富油小球藻(Chlorellasorokiniana)、捕圓形小球藻(Chlorella ellipsoidea)、小球藻屬(Chlorella sp.)或原始小球藻(Chlorella protothecoides)。在某些實施方案中，所述經(jīng)遺傳修飾的生物質具有與野生型生物體相比增加的PHA生產(chǎn)量。在本文所述方法的某些實施方案中，加熱包括熱解、焙燒或閃熱解。在有些實施方案中，所述加熱是在約200°C至約350°C的溫度。在其它實施方案中，在加熱之前，干燥所述生物質。在其它實施方案中，所述干燥是在100°C至175°C的溫度。在某些實施方案中，所述經(jīng)干燥的生物質具有5重量％或更低的水含量。在某些實施方案中，所述加熱進行約I分鐘至約30分鐘，或I約分鐘至約2分鐘。在某些實施方案中，所述方法另外包括回收單體組分，例如冷凝或其它回收方法。在其它實施方案中，所述催化劑是金屬催化劑或有機催化劑。在有些實施方案中，所述催化劑按重量計算是4%至15%。在另一個方面，本發(fā)明的方法包括干燥包含PHA的生物質(例如，經(jīng)遺傳工程化的生物質)，在200-350°C加熱經(jīng)干燥的生物質，以生產(chǎn)單體組分，然后通過直接氫化、酯化和/或酰胺化來修飾單體產(chǎn)物，以生成對應的二醇、羥基酯或酰胺。例如，當生物質包含聚-3HB時，可以將單體組分巴豆酸進一步修飾成其它4碳產(chǎn)物(C4產(chǎn)物，例如，衍生物)，包括、但不限于富馬酸、丁烯、馬來酸酐(MAN)、2_丙烯、丙烯酸等。同樣地，當生物質包含3-羥基丙酸酯(3HP)時，可以將單體組分￠-丙內(nèi)酯修飾成其它3碳產(chǎn)物(C3產(chǎn)物，例如衍生物)，諸如丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、丙烯腈、3-羥基丙烯酸乙酯、丙二酸等。也可以將包含聚5-羥基戊酸酯以生成S-戊內(nèi)酯的生物質修飾成其它5碳(C5)產(chǎn)物(例如，衍生物)。
在有些實施方案中，描述了從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)巴豆酸的方法。這些方法包括在有催化劑存在下加熱生物質，以從PHA中釋放出巴豆酸組分，其中基于I克單體/克聚羥基鏈烷酸酯，所述單體產(chǎn)率是約70% ;使巴豆酸反應，形成巴豆酸低級烷基酯；和在有第一催化劑存在下，使低級巴豆酸烷基(例如，丁基)酯在合適的條件下通過交叉復分解與足夠量的丙烯反應，以形成丙烯酸低級烷基酯和低級烯烴(例如，丁烯)?？梢栽谟械诙呋瘎┐嬖谙?，從乙烯和2-丁烯的復分解反應形成丙烯，并連續(xù)地去除多余的丙烯?？梢栽谟械诙呋瘎┐嬖谙拢拱投顾岬图壨榛ミM一步反應，以形成醇。在某些方面,所述第一催化劑是復分解催化劑(例如,Hoveyda-Grubb的交叉復分解催化劑，I，3-雙(2，4，6-三甲基苯基)-2_咪唑烷亞基)二氯(鄰異丙氧基苯基亞甲基)釕等)。在其它方面，所述第一催化劑沒有暴露于乙烯。在某些方面，所述第二催化劑是復分解催化劑。在其它實施方案中，從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)巴豆酸的方法包括在有催化劑存在下，加熱該生物質，以從PHA中釋放出巴豆酸組分，其中基于I克 單體/克聚羥基鏈烷酸酯，所述巴豆酸組分產(chǎn)率是約70% ;使巴豆酸反應以形成巴豆酸丁酯，并氫化巴豆酸丁酯以形成2分子的丁醇。在某些實施方案中，所述方法包括，從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)3-羥基丙內(nèi)酯，這包括在有催化劑(例如，碳酸鈉或硫酸亞鐵七水合物)存在下，加熱該生物質，以從PHA釋放出單體組分，其中基于I克單體組分/克聚羥基鏈烷酸酯，所述單體組分產(chǎn)率是約70%，并形成丙烯酸。在有些實施方案中，提供了從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)巴豆酸的方法，所述方法包括在有催化劑存在下，加熱該生物質，以從PHA中釋放出巴豆酸組分，其中基于I克單體/克聚羥基鏈烷酸酯，所述單體產(chǎn)率是約70%，并將巴豆酸進一步修飾成富馬酸、丁烯、馬來酸酐(MN)、2-丙烯或丙烯酸。在有些實施方案中，所述催化劑是金屬催化劑。在某些實施方案中，所述催化劑是含有金屬離子的氯化物、氧化物、氫氧化物、硝酸鹽、磷酸鹽、磺酸鹽、碳酸鹽或硬脂酸鹽化合物，所述金屬離子是招、鋪、鋇、秘、鎘、 丐、鋪、鉻、鈷、銅、鎵、鐵、鑭、鉛、鋰、鎂、鑰、鎳、鈕、鉀、銀、鈉、鍶、錫、鎢、釩或鋅或它們的混合物。在有些實施方案中，所述催化劑是下述的有機催化劑胺、疊氮化物、烯醇、二醇、季銨鹽、酚鹽、氰酸鹽、硫氰酸鹽、二烷基酰胺和烷基硫醇酯或它們的混合物。在有些實施方案中，所述催化劑是氫氧化鈣、硫酸亞鐵七水合物或碳酸鈉或它們的混合物。在某些實施方案中，所述催化劑是固定的催化劑床，該床由被五氧化釩或類似化合物浸透的1/8氧化鋁顆粒組成。在另一個方面，本發(fā)明另外涉及使用多串聯(lián)催化反應方案從PHA生物質生產(chǎn)丙烯酸的連續(xù)的生物精制方法，所述方法包括培養(yǎng)經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚-3-羥基丁酸酯，熱解聚-3羥基丁酸酯以生成巴豆酸，在有酯交換催化劑存在下使巴豆酸反應以形成巴豆酸低級烷基酯；和在合適的條件下在有第一復分解催化劑存在下使巴豆酸低級烷基酯經(jīng)由交叉復分解與足夠量的丙烯反應以形成丙烯酸低級烷基酯和低級烯烴，其中在有第二復分解催化劑存在下從乙烯和2- 丁烯的復分解反應形成所述丙烯，并連續(xù)去除多余的丙烯。在另一個實施方案中，本發(fā)明涉及從經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質生產(chǎn)丙烯酸的連續(xù)的生物精制方法，所述方法包括培養(yǎng)經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚-3-羥基丙酸酯，與催化劑一起加熱聚-3-羥基丙酸酯以生成丙烯酸，和回收丙烯酸。在另一個實施方案中，本發(fā)明涉及從經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質生產(chǎn)乙交酯的連續(xù)的生物精制方法，所述方法包括培養(yǎng)經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚乙醇酸交酯，與催化劑一起加熱聚乙醇酸交酯以生成乙交酯單體組分，和回收乙交酯單體。從經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質生產(chǎn)5-羥基戊內(nèi)酯的連續(xù)的生物精制方法包括培養(yǎng)經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚-5-羥基戊內(nèi)酯，與催化劑一起加熱聚-5-羥基戊內(nèi)酯以生成5-羥基戊內(nèi)酯單體，和回收5-羥基戊內(nèi)酯單體。在所述連續(xù)的生物精制方法中，所述培養(yǎng)是連續(xù)的，并根據(jù)標準的生產(chǎn)規(guī)程連續(xù)進行在每個所述實施方案中的其它步驟(例如，加熱、反應等)。在某些實施方案中，單體組分的回收包括冷凝單體組分。本文使用的術語“回收”當應用于單體組分時，是指使它與生物質材料分離，例如，包括、但不限于通過下述方法進行回收冷凝，分離方法，諸如使用膜，氣體(例如，蒸汽)相分離，諸如蒸餾等。因而，通過冷凝裝置可以實現(xiàn)回收，所述冷凝裝置捕獲單體組分蒸汽，將單體組分蒸汽冷凝成液體形式，并將其轉移離開生物質材料。在另一個方面，提供了一種方法，所述方法包括在100°C至175°C的溫度，干燥包含聚-3-羥基丙酸酯的柳枝稷葉子(例如，經(jīng)遺傳工程化的柳枝稷葉子)，以提供具有5重量％或更低的水含量的干燥的柳枝稷葉子；加熱干燥的柳枝稷葉子到200°C至350°C的溫度，持續(xù)足以分解聚-3-羥基丙酸酯和釋放丙烯酸并生產(chǎn)殘余生物質的時間段；回收丙烯酸；和烘干殘余生物質。在有些實施方案中，所述時間段是I分鐘至5分鐘。在其它實施方案中，所述時間段是I分鐘至2分鐘。在有些實施方案中，所述回收丙烯酸包括冷凝丙烯酸。在有些實施方案中，所述烘干包括維持殘余生物質的溫度在200°C至350°C。在某些實施方案中，所述烘干包括維持該溫度10分鐘至30分鐘的時間段。在有些實施方案中，所述方法也包括在加熱之前，將催化劑加入生物質中。在某些實施方案中，所述催化劑是金屬催化劑。在另一個方面，提供了一種方法，所述方法包括在100°C至175°C的溫度，干燥包含聚-3-羥基丁酸酯的煙草葉子(例如，經(jīng)遺傳工程化的煙草葉子)，以提供具有5重量％或更低的水含量的干燥的煙草葉子；加熱干燥的煙草葉子到200°C至350°C的溫度，持續(xù)足以分解聚-3-羥基丁酸酯和釋放順式-和反式-巴豆酸的混合物并生產(chǎn)殘余生物質的時間段；回收順式-和反式-巴豆酸；和烘干殘余生物質。在有些實施方案中，所述時間段是I分鐘至10分鐘，或I分鐘至5分鐘，或I分鐘至2分鐘，或這些時間之間的時間段。在有些實施方案中，所述回收順式-和反式-巴豆酸包括冷凝順式-和反式-巴豆酸。在有些實施方案中，所述烘干包括維持殘余生物質的溫度在200°C至350°C。在某些實施方案中，所述烘干包括維持該溫度10分鐘至30分鐘的時間段(或這些時間之間的時間段)。在有些實施方案中，所述方法也包括在加熱之前，將催化劑加入生物質中。在某些實施方案中，所述催化劑是金屬催化劑。在另一個方面，提供了一種方法，所述方法包括處理生物質(例如，經(jīng)遺傳工程化的生物質)，包括在木質纖維素工藝(lignocellulosic process)中的PHA,以生成可發(fā)酵的糖類；干燥所述生物質，以提供具有5重量％或更低的水含量的經(jīng)干燥的生物質；加熱、所述生物質到200°C至350°C的溫度，持續(xù)足以分解PHA和釋放單體組分并生產(chǎn)殘余生物質的時間段；回收回收單體組分，并使用殘余生物質作為燃料。在有些實施方案中，所述方法另外包括回收可發(fā)酵的糖類。在有些實施方案中，所述方法也包括在加熱之前將催化劑加入生物質中。在某些實施方案中，所述催化劑是金屬催化劑。已經(jīng)遺傳修飾PHA生物質，以增加PHA的產(chǎn)率超過野生型生物質，然后處理所述生物質，以生成多用的中間體，所述中間體可以被進一步加工，以生成希望的商品和專門產(chǎn)品。在某些實施方案中，所述生物質的生產(chǎn)使用多串聯(lián)催化反應。來自PHA生物質的可再生原料用于制備希望的產(chǎn)物(例如，丙烯酸)的用途，符合綠色技術的原理，沒有使用石油原料的缺點。



從在附圖中圖解的本發(fā)明的實施例實施方案的下述更具體的描述會明白前述內(nèi)容，在所述附圖中，同樣的參考符號表示在不同的視圖中的相同部分。所述附圖不一定按照比例繪制，相反，重點在于圖解本發(fā)明的實施方案。圖I是根據(jù)不同的實施方案從生物質回收PHA、將殘余物轉化成固體燃料的示意圖。圖2是根據(jù)一個實施方案在350°C熱解的煙草+P3HB(10重量％ )的氣相色譜圖。圖3是根據(jù)一個實施方案在350°C熱解的煙草+P3HB(10重量％ )+石灰(5重量％)的氣相色譜圖。圖4是根據(jù)一個實施方案使用復分解催化劑從生物質+P3HB生產(chǎn)基于生物的丙烯酸的工藝流程圖。圖5是根據(jù)一個實施方案酯化和氫化巴豆酸的工藝流程圖。圖6是根據(jù)一個實施方案將巴豆酸氧化成馬來酸酐(MAN)的工藝流程圖。圖7是根據(jù)一個實施方案在300°C熱解的干燥的微生物生物質+P5HV的氣相色譜圖。圖8是根據(jù)一個實施方案在300°C熱解的干燥的微生物生物質+P5HV+石灰(5重量％)的氣相色譜圖。圖9是根據(jù)一個實施方案在300°C熱解的干燥的柳枝稷+P3HP的氣相色譜圖。圖10是根據(jù)一個實施方案在300°C熱解的干燥的柳枝稷+P3HP+FeS04 7H20(5重量％)的氣相色譜圖。圖11是根據(jù)一個實施方案在300°C熱解的干燥的柳枝稷+P3HP+Na2C03 (5重量％ )的氣相色譜圖。圖12是丙烯自復分解以產(chǎn)生2-丁烯和乙烯的催化循環(huán)的示意圖。
具體實施例方式下面描述了本發(fā)明的實施例實施方案。一般而言，本發(fā)明涉及在受控的條件下從經(jīng)遺傳工程化的聚羥基鏈烷酸酯聚合物生物質生產(chǎn)商品和專門化學制品。本文描述了從含有PHA的生物質獲得化學制品的方法。在一個方面，所述生物質已經(jīng)被遺傳工程化，以生產(chǎn)比在野生型生物質中天然地存在的PHA更高濃度或量的PHA。已經(jīng)通過在野生型或經(jīng)遺傳工程化的PHA生產(chǎn)菌株中導入基因和/或刪除基因來遺傳修飾所述宿主生物體，從而建立從廉價原料合成PHA的菌株。在給經(jīng)遺傳工程化的微生物飼喂可再生底物的發(fā)酵過程中，生產(chǎn)PHA生物質?？稍偕孜锇◤闹参镒魑锊牧仙a(chǎn)的發(fā)酵原料，諸如糖類、植物油、脂肪酸或合成氣體。從糖底物生產(chǎn)的生物質中的 PHA 水平是大于 10% (例如，15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60 %、65 %、70 %、75 %或80 % )。PHA的富集允許直接增加起始PHA產(chǎn)物和向單體組分的轉化，所述單體組分用于進一步加工成其它反應產(chǎn)物。在另一個實施方案中，所述生物質已經(jīng)被遺傳工程化，以生產(chǎn)具有特定單體組分的PHA。在某些方面，這些單體組分是用于進一步加工成其它反應產(chǎn)物的中間體，或單體組分例如作為商品化學制品的單體組分。在另一個方面，提供了一種方法，所述方法用于將在干燥的含有PHA的生物質(例如，經(jīng)遺傳工程化的生物質)中的PHA轉化成單體組分(諸如內(nèi)酯、乙交酯和有機酸)，所述單體組分作為商品化學制品進行回收，并用于其它工藝或反應中。在某些實施方案中，該方法與焙燒過程集成，通過所述焙燒過程，殘余生物質繼續(xù)被熱處理，在揮發(fā)性的化學中間體 已經(jīng)釋放以后，提供燃料物質。通過該方法生產(chǎn)的燃料物質可用于直接燃燒，或經(jīng)進一步處理以生成熱解液體或合成氣。總之，該方法已經(jīng)增加了下述優(yōu)點殘余生物質被轉化成更高價值的燃料，所述燃料然后可以用于生產(chǎn)電和蒸汽，以為該過程提供能量，從而消除廢物處理需求。盡管已知聚羥基鏈烷酸酯(PHA)在它們的純形式是熱不穩(wěn)定的，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，當PHA以未純化形式存在于生物質中時，它們可以以高產(chǎn)率(例如，約70 %、約80 %、約85%、約90%、約95% )和令人驚訝的高純度(例如，約95%至約100% )轉化成小分子化學中間體，即具有3-6個碳原子的單體組分。通過將生物質加熱至預定溫度持續(xù)短時間段，可以實現(xiàn)PHA向化學中間體的轉化。然后回收單體組分，并開發(fā)它們的價值。但是，大量殘余生物質保留在該過程中。本文使用的術語“殘余生物質”表示，在PHA轉化成小分子中間體以后剩余的生物質。然后可以通過焙燒，將殘余生物質轉化成可使用的燃料，從而減少來自PHA生產(chǎn)的廢物，并從典型的焙燒過程獲得額外的有價值的商品化學制品。如上面所指出的，在足以增濃殘余生物質的溫度，進行所述焙燒。在本發(fā)明的技術中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當將焙燒溫度維持短時間段(例如，1-5分鐘的時間段)時，可以以高產(chǎn)率和純度收集在生物質內(nèi)含有的PHA的單體組分。因而，在有些實施方案中，在干燥生物質以形成經(jīng)干燥的生物質以后，將經(jīng)干燥的生物質加熱至約200°C至約350°C的溫度持續(xù)短時間段。在有些實施方案中，所述短時間段是I分鐘至5分鐘。在其它實施方案中，所述短時間段是I分鐘至2分鐘,或小于I分鐘(例如,55秒、50秒、45秒、40秒或更短)，或I分鐘至4分鐘，或2分鐘至5分鐘，或3分鐘至5分鐘，或2分鐘至5分鐘，或在有些實施方案中，5分鐘至10分鐘。所述溫度是在約200°C至約350°C的溫度，并包括之間的溫度，例如，約205。。、約210。。、約220。。、約230。。、約240。。、約250。。、約260。。、約270°C、約 280°C、約 290°C、約 300°C、約 310°C、約 320°C、約 330°C、約 340°C、約 345°C 以及在這些溫度之間的溫度。這些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)允許在約200°C至約350°C的溫度或之間的溫度暫時分離快速的PHA轉化，以生產(chǎn)單體組分，隨后在約200°C至約350°C緩慢焙燒，以生產(chǎn)固體燃料。因而，回收單體組分，并開發(fā)它們的價值，可以將生物質轉化成有價值的固體燃料進行回收。或者，還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以首先干燥含有PHA的生物質(例如，經(jīng)遺傳工程化的生物質)，并在快速的高溫閃熱解中將PHA轉化成單體組分，并回收單體組分，并對殘余生物質進行高溫處理，以轉化成固體燃料。所述快速的高溫閃熱解是在大于500°C (例如，約510°C、約 520°C、約 530°C、約 540°C、約 550°C、約 560°C、約 570°C、約 580°C、約 590°C、約600°C、約 610°C、約 620°C、約 630°C、約 640°C、約 650°C、約 660°C、約 670°C、約 680°C、約690°C、約 700°C、約 710°C、約 720°C、約 730°C、約 740°C、約 750°C、約 760°C、約 770°C、約780°C、約790°C、約800°C，或大于約800°C )的溫度進行，停留時間足以將生物質的至少一部分分解成熱解液體和熱解的生物質。在有些實施方案中，所述停留時間是I秒至15秒，或5秒至20秒。在其它實施方案中，所述停留時間是I秒至5秒，或小于5秒?？梢詾槊糠N產(chǎn)物或單體組分優(yōu)化溫度和時間。來自閃熱解過程的其它產(chǎn)物包括其它輕質氣體，它們可以收集和回收，或可以作為燃料進行燃燒，從而為整個過程提供過程蒸汽和/或熱。在圖I中示意地描繪了一種從生物質回收基于PHA的化學中間體的方法，作為一 種非限制性的流程圖工藝。圖I描述了從生物質回收PHA的集成系統(tǒng)，并將殘余生物質轉化成燃料。根據(jù)有些實施方案，PHA是這樣的PHA :它們會提供一系列單體組分，所述單體組分可以容易地、低成本地且節(jié)省能量地回收，無需預先將PHA與生物質分離。合適的PHA材料是通過一種或多種單體組分的細胞內(nèi)聚合形成的那些。PHA的合適的單體組分包括、但不限于3_羥基丁酸酯、3-羥基丙酸酯、3-羥基戊酸酯、3-羥基己酸酯、3-羥基庚酸酯、3-羥基辛酸酯、3-羥基壬酸酯、3-羥基癸酸酯、3-羥基十二酸酯、3-羥基十二烯酸酯、4-羥基丁酸酯、4-羥基戊酸酯、5-羥基戊酸酯和6-羥基己酸酯。這樣的單體組分可以形成同聚物或共聚物。在有些實施方案中，所述PHA是同聚物。本文使用的術語“同聚物”表示這樣的聚合物其中在所述聚合物中存在單個單體組分。PHA同聚物的實例包括、但不限于聚-3-羥基丙酸酯(聚-3HP)、聚-3-羥基丁酸酯(聚3-HB)、聚-4-羥基丁酸酯(聚4-HB)、聚5-羥基戊酸酯、聚-6-羥基己酸酯、聚乳酸和聚乙醇酸。在其它實施方案中，所述PHA是共聚物。本文使用的術語“共聚物”表示這樣的聚合物其含有2種或更多種不同的單體組分。PHA共聚物的實例包括聚-3-羥基丁酸酯-共聚-3-羥基丙酸酯、聚-3-羥基丁酸酯-共聚-(D)-丙交酯、聚-3-羥基丁酸酯-共聚-4-羥基丁酸酯(聚-3HB-共聚-4HB)、聚-3-羥基丁酸酯-共聚_3_羥基戊酸酯(聚-3-HB-共聚-3HV)、聚-3-羥基丁酸酯-共聚-5-羥基戊酸酯和聚-3-羥基丁酸酯-共聚-3-羥基己酸酯。在有些其中PHA是共聚物的實施方案中，第一種共聚單體與第二種共聚單體之比可以是3% -97%，以重量為基礎。盡管已經(jīng)提供了具有2種不同的單體組分的PHA共聚物的實例，所述PHA可以具有超過2種不同的單體組分(例如，3種不同的單體組分、4種不同的單體組分、5種不同的單體組分等)。從PHA轉化回收的單體組分對于每種具體PHA聚合物而言是獨特的。降解反應通常有利于￠-消除(以生成不飽和的鏈烯酸)或解聚(以形成與開環(huán)聚合的反轉相對應的內(nèi)酯)。在下面顯示了典型的熱分解反應，作為幾個非限制性實例
權利要求
1.一種從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)單體組分的方法，所述方法包括 在有催化劑存在下，加熱所述生物質，以從所述PHA釋放出單體組分，其中基于I克單體組分/克聚羥基鏈烷酸酯，所述單體組分產(chǎn)率是約70%。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體組分是乙交酯、￠-丙內(nèi)酯、3-羥基丙內(nèi)酯、丙烯酸、巴豆酸、S -戊內(nèi)酯或它們中的任意2種或更多種的混合物。
3.根據(jù)權利要求I或權利要求2所述的方法，其中在加熱之前干燥所述生物質。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述生物質來自選自下述的重組宿主植物作物、細菌、酵母、真菌、藻類、藍細菌或它們中的任意2種或更多種的混合物。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述宿主是細菌。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述細菌選自大腸桿菌、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(重命名為真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌)、芽孢桿菌屬、廣泛產(chǎn)堿菌、固氮菌屬、氣單胞菌屬、叢毛平胞菌屬、假單胞菌、假單胞菌屬、羅爾斯通氏菌屬、克雷伯菌屬、聚球藻屬PCC7002、聚球藻屬PCC 7942、集胞藻屬PCC 6803和嗜熱藍細菌聚球藻BP-I、微溫綠硫菌、Chloroflexus auranticus、微溫著色菌、酒色著色菌、深紅紅螺菌、莢膜紅細菌和沼澤紅假單胞菌。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述宿主是植物作物。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述植物作物選自煙草、甘蔗、谷物、柳枝稷、miscanthus sorghum、高梁或它們中的任意2種或更多種的混合物。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述聚羥基鏈烷酸酯是選自下述的一種或多種 聚-3-羥基丙酸酯、聚-3-羥基丁酸酯、聚-4-羥基丁酸酯、聚-5-羥基戊酸酯或它們的共聚物。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述加熱是在約200°C至約350°C的溫度下。
11.根據(jù)權利要求3-10中任一項所述的方法，其中所述干燥是在100°C至175°C的溫度下。
12.根據(jù)權利要求3-11中任一項所述的方法，其中所述經(jīng)干燥的生物質具有5重量％或更低的水含量。
13.根據(jù)權利要求1-12中任一項所述的方法，其中所述加熱持續(xù)約I分鐘至約30分鐘。
14.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述時間段是I分鐘至2分鐘。
15.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其另外包括回收所述單體組分。
16.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述催化劑是金屬催化劑或有機催化劑。
17.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其另外包括修飾所述單體組分。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中修飾所述單體組分是通過氫化、酯化、酰胺化或它們的組合。
19.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體組分是巴豆酸，且所述方法另外包括使所述巴豆酸反應，形成巴豆酸低級烷基酯；和在有第一催化劑存在下，在合適的條件下使所述巴豆酸低級烷基酯通過交叉復分解與足夠量的丙烯反應，以形成丙烯酸低級烷基酯和低級烯烴。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中在有第二催化劑存在下，從乙烯和2-丁烯的復分解反應形成所述丙烯，并連續(xù)地去除多余的丙烯。
21.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體組分是巴豆酸，且所述方法另外包括使所述巴豆酸反應，形成巴豆酸低級烷基酯；在有第二催化劑存在下，使巴豆酸酯反應，以形成醇。
22.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中所述第一催化劑是復分解催化劑。
23.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中所述第一催化劑沒有暴露于乙烯。
24.根據(jù)權利要求19所述的方法,其中所述第一催化劑是Hoveyda-Grubb的交叉復分解催化劑。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中所述催化劑是1，3_雙(2，4，6_三甲基苯基)-2-咪唑烷亞基)二氯(鄰異丙氧基苯基亞甲基)釕。
26.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中所述第二催化劑是復分解催化劑。
27.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中所述低級烷基是丁基，且所述低級烯烴是丁烯。
28.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體是巴豆酸，且所述方法另外包括使所述巴豆酸反應，以形成巴豆酸丁酯，和 氫化所述巴豆酸丁酯，以形成2摩爾的丁醇。
29.根據(jù)權利要求19-28中任一項所述的方法，其中在加熱之前干燥所述生物質。
30.根據(jù)權利要求19-29中任一項所述的方法，其中所述生物質來自選自下述的重組宿主植物作物、細菌、酵母、真菌、藻類、藍細菌或它們中的任意2種或更多種的混合物。
31.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中所述宿主是細菌。
32.根據(jù)權利要求31所述的方法，其中所述細菌選自大腸桿菌、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(重命名為真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌)、芽孢桿菌屬、廣泛產(chǎn)堿菌、固氮菌屬、氣單胞菌屬、叢毛平胞菌屬、假單胞菌、假單胞菌屬、羅爾斯通氏菌屬、克雷伯菌屬、聚球藻屬PCC7002、聚球藻屬PCC 7942、集胞藻屬PCC 6803和嗜熱藍細菌聚球藻BP-I、微溫綠硫菌、Chloroflexus auranticus、微溫著色菌、酒色著色菌、深紅紅螺菌、莢膜紅細菌和沼澤紅假單胞菌。
33.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中所述宿主是植物作物。
34.根據(jù)權利要求33所述的方法，其中所述植物作物選自煙草、甘蔗、谷物、柳枝稷、miscanthus sorghum、高梁、亞麻莽屬或它們中的任意2種或更多種的混合物。
35.根據(jù)權利要求19-34中任一項所述的方法，其中所述聚羥基鏈烷酸酯是聚-3-羥基丁酸酯或它們的共聚物。
36.根據(jù)權利要求19-35中任一項所述的方法，其中所述加熱是在約200°C至約350°C的溫度下。
37.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體是3-羥基丙內(nèi)酯，所述催化劑是碳酸鈣或硫酸亞鐵七水合物，并形成丙烯酸。
38.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中催化劑的重量百分比是約5%至約15%。
39.根據(jù)權利要求37或38所述的方法，其中在加熱之前干燥所述生物質。
40.根據(jù)權利要求37-39中任一項所述的方法，其中生物質來自選自下述的重組宿主植物作物、細菌、酵母、真菌、藻類、藍細菌或它們中的任意2種或更多種的混合物。
41.根據(jù)權利要求40所述的方法，其中所述宿主是細菌。
42.根據(jù)權利要求41所述的方法，其中所述細菌選自大腸桿菌、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(重命名為真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌)、芽孢桿菌屬、廣泛產(chǎn)堿菌、固氮菌屬、氣單胞菌屬、叢毛平胞菌屬、假單胞菌、假單胞菌屬、羅爾斯通氏菌屬、克雷伯菌屬、聚球藻屬PCC7002、聚球藻屬PCC 7942、集胞藻屬PCC 6803和嗜熱藍細菌聚球藻BP-I、微溫綠硫菌、Chloroflexus auranticus、微溫著色菌、酒色著色菌、深紅紅螺菌、莢膜紅細菌和沼澤紅假單胞菌。
43.根據(jù)權利要求40所述的方法，其中所述宿主是植物作物。
44.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中所述植物選自煙草、甘蔗、谷物、柳枝稷、miscanthus sorghum、高梁、亞麻莽屬或它們中的任意2種或更多種的混合物。
45.根據(jù)權利要求37-44中任一項所述的方法，其中所述聚羥基鏈烷酸酯是聚-3-羥基丙酸酯或它們的共聚物。
46.根據(jù)權利要求37-45中任一項所述的方法，其中所述加熱是在約200°C至約350°C的溫度下。
47.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體是S-戊內(nèi)酯，且所述催化劑是金屬催化劑。
48.根據(jù)權利要求47所述的方法，其中所述金屬催化劑是氫氧化鈣。
49.根據(jù)權利要求47或48所述的方法，其中催化劑的重量百分比是約5%至約15%。
50.根據(jù)權利要求47-49中任一項所述的方法，其中在加熱之前干燥所述生物質。
51.根據(jù)權利要求47-50中任一項所述的方法，其中生物質來自選自下述的重組宿主植物作物、細菌、酵母、真菌、藻類、藍細菌或它們中的任意2種或更多種的混合物。
52.根據(jù)權利要求51所述的方法，其中所述宿主是細菌。
53.根據(jù)權利要求52所述的方法，其中所述細菌選自大腸桿菌、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(重命名為真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌)、芽孢桿菌屬、廣泛產(chǎn)堿菌、固氮菌屬、氣單胞菌屬、叢毛平胞菌屬、假單胞菌、假單胞菌屬、羅爾斯通氏菌屬、克雷伯菌屬、聚球藻屬PCC7002、聚球藻屬PCC 7942、集胞藻屬PCC 6803和嗜熱藍細菌聚球藻BP-I、微溫綠硫菌、Chloroflexus auranticus、微溫著色菌、酒色著色菌、深紅紅螺菌、莢膜紅細菌和沼澤紅假單胞菌。
54.根據(jù)權利要求51所述的方法，其中所述宿主是植物作物。
55.根據(jù)權利要求54所述的方法，其中所述植物選自煙草、甘蔗、谷物、柳枝稷、miscanthus sorghum、高梁、亞麻莽屬或它們中的任意2種或更多種的混合物。
56.根據(jù)權利要求37-44中任一項所述的方法，其中所述聚羥基鏈烷酸酯是聚-5-羥基戊酸酯或它們的共聚物。
57.根據(jù)權利要求47-56中任一項所述的方法，其中所述加熱是在約200°C至約350°C的溫度下。
58.根據(jù)權利要求50所述的方法，其中加熱是在約150°C的溫度下。
59.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述單體組分是巴豆酸，并進一步修飾成富馬酸、丁烯、馬來酸酐(MAN)、2-丙烯或丙烯酸。
60.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述PHA是聚乙醇酸交酯，所述單體組分是乙交酯。
61.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述加熱是熱解、焙燒或閃熱解。
62.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述生物質來自選自下述的重組藻類微小小球藻、浮水小球藻、富油小球藻、橢圓形小球藻、小球藻屬或原始小球藻。
63.根據(jù)權利要求1-62中任一項所述的方法，其中所述單體組分含有小于10%的副產(chǎn)物。
64.根據(jù)權利要求1-63中任一項所述的方法，其中所述經(jīng)遺傳修飾的生物質具有與野生型生物體相比增加的PHA生產(chǎn)量。
65.一種連續(xù)的生物精制方法，其用于使用多串聯(lián)催化反應方案從PHA生物質生產(chǎn)丙烯酸，所述方法包括 a)培養(yǎng)經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚-3-羥基丁酸酯， b)熱解所述聚-3羥基丁酸酯，以生成巴豆酸， c)在有酯交換催化劑存在下，使所述巴豆酸反應，以形成巴豆酸低級烷基酯；和 d)在有第一復分解催化劑存在下，在合適的條件下使巴豆酸低級烷基酯經(jīng)由交叉復分解與足夠量的丙烯反應，以形成丙烯酸低級烷基酯和低級烯烴， 其中在有第二復分解催化劑存在下，從乙烯和2- 丁烯的復分解反應形成所述丙烯，并連續(xù)去除多余的丙烯。
66.一種連續(xù)的生物精制方法，其用于從經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質生產(chǎn)丙烯酸，所述方法包括 a)培養(yǎng)所述經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚羥基丙酸酯； b)與催化劑一起加熱所述聚羥基丙酸酯，以生成丙烯酸；和 c)回收所述丙烯酸。
67.一種連續(xù)的生物精制方法，其用于從經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質生產(chǎn)乙交酯，所述方法包括 a)培養(yǎng)所述經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚乙醇酸交酯； b)與催化劑一起加熱所述聚乙醇酸交酯，以生成乙交酯單體組分；和 c)回收所述乙交酯單體。
68.一種連續(xù)的生物精制方法，其用于從經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質生產(chǎn)5-羥基戊內(nèi)酯，所述方法包括 a)培養(yǎng)所述經(jīng)遺傳工程化的PHA生物質，以生成聚-5-羥基戊內(nèi)酯； b)與催化劑一起加熱所述聚-5-羥基戊內(nèi)酯，以生成5-羥基戊內(nèi)酯單體；和 c)回收所述5-羥基戊內(nèi)酯單體。
69.根據(jù)權利要求65-68中任一項所述的方法，其中在加熱之前干燥所述生物質。
70.根據(jù)權利要求65-68中任一項所述的方法，其中所述生物質來自選自下述的重組宿主植物作物、細菌、酵母、真菌、藻類、藍細菌或它們中的任意2種或更多種的混合物。
71.根據(jù)權利要求65-70中任一項所述的方法，其中所述加熱是熱解、焙燒或閃熱解。
72.根據(jù)權利要求65-71中任一項所述的方法，其中所述催化劑的重量百分比是約5%至約15%。
全文摘要
本申請涉及從經(jīng)遺傳修飾的聚羥基鏈烷酸酯(PHA)生物質生產(chǎn)單體組分的方法方法，其中在有催化劑存在下加熱所述生物質以從所述PHA釋放出單體組分。
文檔編號C07C51/25GK102781901SQ201180009418
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權日2010年2月11日
發(fā)明者C·米爾利, E·安德森, J·利卡塔, J·范瓦爾森, K·A·斯帕克斯, M·S·希瓦蘇布拉瑪尼安 申請人:梅塔玻利克斯公司