TW202338096A - 自生質製造γ-丁內酯之方法 - Google Patents

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Abstract

一種自含有聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)及水的起始生質、以高產率製造具高純度之γ-丁內酯(GBL)產物的改良方法。該方法包括回收GBL產物之一部分來置換該水，以獲得一實質上無水的生質漿液，其經受一轉化程序以將該P4HB轉化為GBL。

Description

自生質製造γ-丁內酯之方法
相關申請案之交互參照
此申請案主張2022年03月30日申請之美國臨時專利申請案號63/325,243的利益，其內容係以參照方式全文併入本文中。 本揭露內容之發明內容
本揭露內容係關於一種用以自生質製造γ-丁內酯(GBL)之改良方法。
隨著石油資源逐漸枯竭、能源價格及環境擔憂逐漸增加，發展從可再生、低成本的碳資源中製造生物基底化學物質之節能的生物精煉方法，係提供了一獨特的解決方案，以克服以石油為基之化學物質不斷增長的限制。
可使用一生物精煉方法來製造的具有廣泛工業及藥學用途的一化學物質為γ-丁內酯(GBL)。GBL之全球市場需求已估計為850百萬lbs/yr，換算為每年1十億$的總銷售額。GBL為一無色、氣味弱的液體，其主要被使用作為諸如1,4-丁烷二醇(BDO)、四氫呋喃(THF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-乙基吡咯烷酮(NEP)、2-吡咯啶酮、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)等的商業上重要化學物質之製造的一中間體。這些化學物質係應用於電子產品用之高性能溶劑、潤滑劑萃取、磁線塗層、工程樹脂、藥學中間體、化妝品、頭髮噴霧及高價值聚合物中。GBL本身具有許多用途，包括作為用以脫漆之一溶劑、脫脂劑、聚胺基甲酸酯之黏度調節劑、水溶性油墨之分散劑、胺基甲酸酯及聚醯胺之固化劑、金屬塗覆塑膠之蝕刻劑、橡膠添加劑及除草劑成分。
以石油為基的GBL係藉由若干不同的化學方法製造。舉例而言，GBL係藉由γ-羥基丁酸(GHB)之脫水、藉由乙炔與甲醛的反應、或馬來酸酐或琥珀酸酐及其酯的蒸氣相氫化反應來合成。後兩個方法分別已知為Reppe法及Davy法。Reppe法發展於1940年代，且在歷史上是第一個用以製造1,4-丁二醇的商業途徑。該方法首先使乙炔與甲醛一起反應，其接著一系列氫化反應階段來獲得BDO，且最後去氫反應來產生GBL。此方法之主要缺點為，起始反應物是非常危險的，且通常給製造商帶來處置及環境挑戰。此外，乙炔為一相對昂貴的起始材料。
1990年代發展的Davy法係使用一多階段方法，其首先使熔融的馬來酸酐與甲醇進行反應，以製造馬來酸單甲酯。接著，該馬來酸單甲酯在一酸樹脂催化劑之存在下，從馬來酸單甲酯轉化為馬來酸二甲酯。使用催化蒸氣相氫化反應，該馬來酸二甲酯被轉化成琥珀酸二甲酯，且接著最後透過一系列額外的反應成為一GBL。最終產物經精煉以獲得高純度的GBL。許多專利說明各種類型的氫化反應催化劑，其用以將馬來酸酐或琥珀酸酐轉化為GBL。這些包括亞鉻酸銅(說明於美國專利號3,065,243)、具鎳之亞鉻酸銅(美國專利號4,006,165)及氧化銅、氧化鋅或氧化鋁之混合物(美國專利號5,347,021)，以及還原的氧化銅及氧化鋁混合物(美國專利號6,075,153)。
即使具有大量用於GBL製造的可用氫化反應催化劑，但仍存在需要克服的缺陷，諸如產率、選擇性、產物回收的容易性及成本。
美國專利號9,084,467揭露一種用以製造一生物基底γ-丁內酯產物的方法，其包含：a)將包含聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)的一基因工程改造的生質與一催化劑合併；以及b)加熱具該催化劑之該生質，以將該P4HB轉化為一GBL產物，其中該催化劑為碳酸鈉或氫氧化鈣。
美國專利申請公開號2014-0170714揭露一種用以製造及純化一生物基底GBL的方法，其包含：a)將包含聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)的一基因工程改造的生質與一催化劑合併；b)加熱具該催化劑之該生質，以將該P4HB轉化為一GBL產物；以及c)從該GBL產物移除雜質，形成一純的GBL。
根據美國專利號9,084,467及美國專利申請公開號2014-0170714，在製造(例如，培養) P4HB生質期間或之後，該生質在合適的條件下與一催化劑合併，以幫助將該P4HB聚合物轉化為高純度的GBL產物。該催化劑(呈固體或溶液形式)及生質係例如藉由混合、絮凝、離心或噴霧乾燥或本領域中已知之其他合適的方法來合併，以供促進該生質與催化劑之相互作用，驅動P4HB高效且特定地轉化為GBL。該生質最初經乾燥，例如在約100° C與約150° C之間的一溫度下，且歷時一時間量以減少該生質之水含量。在與催化劑合併以繼續轉化來獲得GBL之前，該經乾燥之生質接著再懸浮於水中。美國專利號9,084,467及美國專利申請公開號2014-0170714的全部內容係以引用方式併入本文中。
自聚(4-羥基丁酸)(P4HB)製造GBL的習知方法，諸如美國專利號9,084,467及美國專利申請公開號2014-0170714中之方法，係包括使生質從發酵液中噴霧乾燥(移除水)，或使用例如一熱桶乾燥器(例如，300 oC的熱金屬表面)進行乾燥，接著熱裂解，亦即與一催化劑反應以將P4HB轉化為GBL。生質之習知乾燥方法為能量密集且效能差的。乾燥係必要的，因為含有P4HB之生質需要被加熱至高於150 oC以將P4HB轉化為GBL。所得之GBL非常粗，具大量N-甲基吡咯烷酮(NMP)及多數個其他有機化合物(糠醛及胺)，其可能賦予產物顏色及氣味，需要後處理並且在管柱中以高回流率及顯著數目之托盤來蒸餾。轉化過程本身可能需要高表面溫度及一些困難的固體處置挑戰。
因此，存在發展新的GBL製造方法的需求，其不僅處理了產物產率、純度及成本的改良，而且還使用了對環境具有更正向影響的永續性起始材料。
本揭露內容之一態樣係針對用以自生物基底可再生的碳資源來製造高純度、高產率、生物基底的γ-丁內酯(GBL)產物的方法，其包含自該生物基底可再生的碳資源(起始生質)移除水，以及引入GBL之一循環流來置換至少部分之該經移除的水。在一態樣中，一種用以自含有聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)的一起始生質來製造γ-丁內酯(GBL)產物的方法，其包含：自該起始生質移除水，其係藉由用蒸氣或液態GBL之一循環流來置換該水，以獲得呈一懸浮液或溶液形式之一實質上無水的生質，其包含經溶解或懸浮於GBL中的P4HB，以及合併因此獲得之包含P4HB及GBL之實質上無水的生質與一催化劑、加熱含有P4HB的該生質與該催化劑，以將該P4HB轉化為該γ-丁內酯(GBL)產物。因此，引入至該生質的該蒸氣或液態GBL，特別是該循環的蒸氣或液態GBL，係充當用於P4HB (從該生質中之宿主細胞萃取的P4HB)的一溶劑。如貫穿本揭露內容使用之用語「實質上無水」或「實質上沒有水」係意圖指，基於與一轉化反應催化劑合併之生質的重量，引入至一轉化反應(亦即，與催化劑合併)的生質係含有約5 wt%或更少、約4.5 wt%或更少、約4 wt%或更少、約3.5 wt%或更少、約3 wt%或更少、約2.5 wt%或更少、約2 wt%或更少、約2.5 wt%或更少、約2 wt%或更少、約1.5 wt%或更少或約1 wt%或更少。在一些實施態樣中，與一轉化反應催化劑合併的生質不包括任何添加的水。在一非限制性實施態樣中，該方法可使用一多效蒸發器進行。
一多效蒸發器為用以高效地使用來自蒸汽的熱來蒸發水的一設備。水在一序列之器皿(管柱)中沸騰，每一器皿係保持在比上一者更低的一壓力下。因為水的沸騰溫度隨著壓力減小而減小，所以在一器皿中沸騰之蒸氣可使用來加熱下一者，且僅第一容器(在最高壓力下)需要一外部熱來源。儘管在理論上，蒸發器可建造有一任意大數目的階段，但除了在所欲產物為液體的系統(諸如，使用高達七效的化學回收系統)以外，具有超過四階段之蒸發器係很少實踐。
本揭露內容之方法係移除起始生質中所含有的水，並且用充當P4HB之一溶劑的液態或蒸氣GBL來置換該水至少一次、至少二次或至少三次，以獲得一生質懸浮液或溶液，其待與一轉化反應催化劑合併。該生質懸浮液或溶液含有溶解或懸浮於GBL中的P4HB (從該生質中之宿主細胞萃取)，該GBL置換了該起始生質中所含有的水。來自發酵液的起始生質通常含有約10-30 %之生質(固體)，且其餘部分為水。從起始生質之初始裝載至完成轉化反應的整個程序是流體，而沒有使用一額外的溶劑，諸如添加的水(因為GBL作用/充當為P4HB的一溶劑)，且沒有乾燥程序。使用循環回到該生質的液態或蒸氣GBL作為一溶劑，係改良所獲得之GBL作為一轉化產物的純度及產率，且增加該方法之能量效率。
將GBL之一循環蒸氣或液體流引入至該生質，以獲得一實質上無水的生質懸浮液或溶液，其待與用以將P4HB轉化為GBL的一催化劑合併，係可幫助降低轉化反應溫度且降低高沸點之惡臭雜質的量。此方法大大改良熱轉移且減少該程序中所使用能量的量至少50%。
起始生質中之P4HB的含量係大於總起始生質的10重量%。起始生質或生物基底可再生的起始材料可為如US 9,084,467 B2中所說明之基因工程改造的生質，其以引用方式全文併入本文中。此生物程序的優點在於它使用一可再生的碳源作為原料材料；基因工程改造的微生物以非常高的產率來製造P4HB，而不會對宿主細胞產生不良的毒性作用(其可能限制程序效率)；以及在與一催化劑合併並且被加熱時，能夠以良好產率來製造具良好純度的生物基底GBL。
在一些實施態樣中，經引入來置換起始生質中所含有之水的蒸氣或液態GBL，係完全為循環流(液態或蒸氣)GBL，其藉由轉化程序而從P4HB製造。在一些其他實施態樣中，經引入來置換起始生質中所含有之水的蒸氣或液態GBL的一部分係添加的GBL，且該蒸氣或液態GBL的其餘部分係循環流。添加的GBL可為生物基底GBL或以石油為基的GBL。本揭露內容之方法可為一連續的程序，且該添加的GBL可僅在該方法之初始階段引入，直到所循環之GBL的量可置換該生質中實質上所有的水為止，且引入至該生質中之整體GBL可為循環的GBL。用語「添加的GBL」意指從循環之GBL以外的一來源引入至生質中的GBL。本揭露內容亦關於一種藉由本文所說明之方法來製造的生物基底γ-丁內酯(GBL)產物。在某些態樣中，在所製造之轉化產物中GBL的量(在諸如蒸餾的後製純化之前)為85 wt%、或大於85 wt%、或大於90 wt%、或大於91 wt%、或大於92 wt%、或大於93 wt%、或大於94 wt%、或大於95 wt%。在一另外的態樣中，包含自可再生資源製造之聚-4-羥基丁酸酯的起始生質(其合適作為製造γ-丁內酯產物的一原料)，係在生質中含有大於10重量%、大於20重量%、大於30重量%、大於40重量%或大於50重量%的聚-4-羥基丁酸酯。
特定言之，本揭露內容係關於以下項目。
項目1。一種自含有水及含聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)之細胞的起始生質來製造γ-丁內酯(GBL)產物的方法，該方法包含： (a)將該起始生質引入至一蒸發器， (b)將液態或蒸氣GBL以等同或小於被移除之水重量的一重量引入至該蒸發器作為一溶劑，以獲得實質上沒有水且包含溶解或懸浮於該GBL中之P4HB的一生質懸浮液或溶液， (c)將實質上沒有水的該生質懸浮液或溶液與一轉化催化劑，並加熱所得之混合物來將該P4HB轉化為GBL合併，以及 (d)收集該GBL， 其中在步驟(b)中引入的該液態或蒸氣GBL係一循環的GBL，其為在步驟(d)中獲得之所收集GBL的一部分，且循環回到該蒸發器以作為一溶劑來與該生質一起混合，及 其中該方法不包括一乾燥。
項目2。如項目1之方法，其進一步包含(e)混合、攪拌、渦旋或搖動，以促進P4HB自宿主細胞萃取至GBL中。
項目3。如項目1之方法，其進一步包含在步驟(c)之前，(f)藉由過濾、沉澱或離心來將固體從實質上沒有水的該生質懸浮液或溶液中移除。
項目4。如項目1之方法，其中在步驟(a)、(b)及(c)中沒有添加水。
項目5。如項目1之方法，其中該蒸發器包含彼此流體連通的多個串聯蒸發器，且該循環之液態GBL被引入至該等蒸發器中之一或多者。
項目6。如項目1之方法，其中該蒸發器含有一第一蒸發器、一第二蒸發器及一第三蒸發器，其等彼此流體連通以此順序串聯，且該循環之GBL被引入至該第二蒸發器及/或該第三蒸發器中。
項目7。如項目1之方法，其中該步驟(a)係在真空或大氣壓力下、於約60° C - 100° C的一溫度下進行。
項目8。如項目6之方法，其中在該第一蒸發器中移除約20-50%之該起始生質中所含的水，且在該第二蒸發器中移除約20-45%之該起始生質中所含的水，且在該第三蒸發器中移除約5-35%之該起始生質中所含的水；且其中引入該循環之GBL，以置換在該第一蒸發器及該第二蒸發器中所移除之該水。
項目9。如項目1之方法，其中實質上沒有水的該生質溶液或懸浮液係具有基於該生質溶液或懸浮液之重量的約5 wt%或更少、約4 wt%或更少、約3.5 wt%或更少、約3 wt%或更少、約2.5 wt%或更少、約2 wt%或更少、約1.5 wt%或更少、約1 wt%或更少的一水含量。
項目10。如項目1之方法，其中該步驟(a)係在真空下、於約70° C - 90° C的一溫度下進行。
項目11。如項目1之方法，其中該步驟(a)進行約5分鐘至約2小時的一時段。
項目12。如項目1之方法，其中在步驟(d)中所收集之該GBL包含少於5重量%之副產物。
項目13。如項目1之方法，其中步驟(c)之該轉化係在一催化劑存在下進行。
項目14。如項目13之方法，其中該催化劑為碳酸鈉或氫氧化鈣。
項目15。如項目1之方法，其中基於每克聚-4-羥基丁酸酯一克的轉化產物中之GBL，該GBL產物的一產率係約85重量%或更高。
項目16。如項目1之方法，其中該起始生質係來自一宿主細胞之一基因工程改造的生質，該宿主細胞包括一非自然存在之P4HB量。
項目17。一種生物基底γ-丁內酯產物，其藉由如項目1之方法製造。
項目18。如項目17之生物基底γ-丁內酯產物，其中該γ-丁內酯產物包含小於5重量%的副產物。
本揭露內容有關於一新穎的方法，其將GBL之一循環流引入反應步驟，以幫助降低反應溫度並且減少高沸點之惡臭雜質的量。相較於包括生質乾燥之一既存方法，該方法大大改良熱轉移且減少程序中所使用之能量的量至少50%。
相較於包括生質乾燥之一既存方法，本實施態樣之方法消除了生質乾燥(噴霧乾燥或桶乾燥)，且因此節省高達50%能量成本。
本實施態樣之方法減少了生質在轉化反應期間所經歷的尖峰溫度，其中P4HB藉由在熱處理下的一催化作用而被轉化為GBL，減少了製造一大量含N化合物(諸如，N-甲基吡咯烷酮(NMP))的副反應量。NMP為一已知的致癌物及一永久性雜質，且難以與GBL分開，因為BP (沸點)差量(delta)僅為2°C。在轉化反應之前，將N從生質移除係可減少NMP雜質量。
由於移除了生質乾燥步驟，因此本實施態樣之方法係消除了在製造廠處處置任何固體的需求。
本實施態樣之方法係顯著具成本效益的，因為轉化產物含有一高產率高純度的GBL，所以後續運用例如蒸餾/凝結管柱之分開或純化步驟，係能以減少的分開能力進行，以獲得最終GBL的所欲純度及/或產率。在一些實施態樣中，所得GBL產物濃縮物係＞99% GBL，而沒有任何蒸餾。此漿液/溶液可饋給至一反應器，以在回收之前進一步分解聚合物之其餘部分。本實施態樣的方法係一非常乾淨的方法，幾乎消除了生質的高溫分解副產物，且潛在地可僅用一個蒸餾步驟來製造99.9%純的GBL。
在某些態樣中，來自一宿主生物之基因工程改造的P4HB生質，係充當為用以將聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)轉化為GBL的一可再生來源。在一些實施態樣中，可再生原料之一來源係選自：葡萄糖、果糖、蔗糖、***糖、麥芽糖、乳糖、木糖、脂肪酸、植物油及生質衍生之合成氣體，或此等中之二或更多者的一組合。在某些實施態樣中，加熱實質上無水的生質懸浮液或溶液及催化劑(亦即，轉化反應)，係在約190° C至約300° C之間的一溫度下。在一些實施態樣中，加熱溫度係約195° C至約285° C、或約200° C至約275° C、或約200° C至約260° C、或約200° C至約250° C、約195° C至約265° C、或約200° C至約260° C、或約205° C至約250° C、或約210° C至約240° C。在其他實施態樣中，加熱溫度係約190–220° C。在一些實施態樣中，多效蒸發程序係將生質之水含量減少至約15 wt %或更少、約12 wt %或更少、約10 wt %或更少、約9 wt %或更少、約8 wt %或更少、約7 wt %或更少、約6 wt %或更少、約5 wt %或更少。在所說明之實施態樣中，加熱實質上無水的生質懸浮液或溶液及催化劑，係歷時約30秒至約5分鐘、或約1分鐘至約4分鐘、約2分鐘至約3分鐘、或為約5分鐘至約2小時、或約10分鐘至約90分鐘、或約20分鐘至約80分鐘、或約30分鐘至約70分鐘、或約40分鐘至約60分鐘、或約45分鐘至約55分鐘之一時段。在某些實施態樣中，γ-丁內酯包含小於10%、或小於9%、或小於8%、或小於7%、或小於6%、或小於5%、或小於4%、或小於3%、或小於2%、或小於1%的非所欲副產物。
在某些實施態樣中，轉化反應之催化劑為碳酸鈉或氫氧化鈣。基於實質上無水的生質懸浮液或溶液與催化劑的混合物的總重量，催化劑的重量百分比係在約4%至約50%、或約8%至約45%、或約10%至約40%、或約15%至約35%、或約20%至約30%、或約25%至約30%的範圍內。在特定實施態樣中，催化劑之重量%係在約4%至約50%之範圍內，且實質上無水的生質懸浮液或溶液及催化劑的加熱係在約300° C、或約280° C、或約250° C、或約240° C、或約230° C、或約220° C、或約210° C、或約200° C下進行。在一些實施態樣中，催化劑係4重量%、或5重量%、或6重量%、或7重量%、或8重量%、或9重量%、或10重量%、或11重量%、或12重量%、或13重量%、或14重量%、或15重量%之氫氧化鈣，且加熱係在300° C、或約290° C、或約280° C、或約270° C、或約260° C、或約250° C、或約240° C、或約230° C、或約225° C、或約220° C、或約215° C、或約210° C、或約205° C、或約200° C、或約195° C之一溫度下進行。
為了此揭露內容之目的，P4HB係定義為亦包括4-羥基丁酸酯與3-羥基丁酸酯之共聚物，其中在該共聚物中的4-羥基丁酸酯之百分比(%)係大於在該共聚物中的單體80%、或82%、或85%、或88%、或90%、或92%，較佳大於95%。
在一些實施態樣中，來自轉化反應之約0.1至30 wt%的GBL產物可循環回到蒸發器。在一些實施態樣中，約0.5至30 wt%之GBL產物、或約0.5至20 wt%之GBL產物、或約0.5至10 wt%之GBL產物、或約1至30 wt%之GBL產物、或約1至20 wt%之GBL產物、或約2至25 wt%之GBL產物、或約2至20 wt%之GBL產物、或約2至15 wt%之GBL產物、或約3至20 wt%之GBL產物、或約3至15 wt%之GBL產物、或約1至10 wt%之GBL產物、或約2至10 wt%之GBL產物係循環回至蒸發器。在此，當蒸氣GBL被循環時，循環比可被轉換成對應的體積%。
在一些實施態樣中，最終GBL經進一步處理以製造其他所欲商品及特殊產品，例如1,4-丁烷二醇(BDO)、四氫呋喃(THF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-乙基吡咯烷酮(NEP)、2-吡咯啶酮、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)及類似者。
於本文使用時，「生質」或「起始生質」意欲意謂來自一宿主(例如，重組細菌)之任何基因工程改造的生質，該宿主包括一非自然存在之聚羥基烷酸酯聚合物量，例如聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)，如美國專利號9,084,467中所揭露，其內容以引用方式併入本文中。該聚羥基烷酸酯聚合物包含4-羥基丁酸酯的同元聚合物、4-羥基丁酸酯與諸如3-羥基丁酸酯的其他單體的共聚物，或其混合物。
參看圖1，本揭露內容之一實例性實施態樣包括至少一個三效蒸發器，其含有一第一蒸發器1、一第二蒸發器2、一第三蒸發器3、一反應器皿4、一蒸餾管柱5、用以收集水蒸氣之一冷凝器6，以及用以收集GBL蒸氣之一冷凝器7。該第一蒸發器1、該第二蒸發器2及該第三蒸發器3係彼此流體連通、以此順序串聯。雖然圖1中例示三個蒸發器，但本揭露內容不限於此。
一發酵液(起始生質)，其含有10重量%至50重量%之包括P4HB的生質(基於該發酵液之總重量)，係被饋給至第一蒸發器1並且在真空下或在大氣壓力下，藉由此項技術中已知之一設備於約60° C  - 100° C下加熱歷時一時間量以減少水含量。將水蒸氣移除至諸如一冷凝器6之一器皿。基於該發酵液之總重量，在該第一蒸發器中移除約20重量%至50重量%、或約25重量%至45重量%、或約30重量%至40重量%的水。
將具有一較低水含量之液體轉移至第二蒸發器2，其中一循環的GBL流被添加，置換了在該第一蒸發器中所移除的水。該第二蒸發器在真空下或在大氣壓下，藉由此項技術中已知之一設備於約60° C - 100° C加熱歷時一時間量，以進一步減少水含量。將水蒸氣移除至諸如一冷凝器6之一器皿。基於該發酵液之總重量，在該第二蒸發器2中移除約20重量%至45重量%、或約25重量%至40重量%、或約30重量%至35重量%的水。隨著GBL含量朝著第三蒸發器3增加時，可調整溫度及壓力以促進剩餘水的有效蒸發。
將具有進一步更低水含量之液態生質(亦即，生質、GBL及剩餘水的一混合物)轉移至第三蒸發器3，其在真空下或在大氣壓力下，藉由此項技術中已知之一設備於約60° C  - 100° C下加熱歷時一時間量，以減少水含量。該發酵液中之剩餘的水被移除至諸如一冷凝器6的一器皿，提供基本上含有包括P4HB之生質(P4HB生質)及GBL的一漿液，其中該生質實質上沒有水。該漿液可直接饋給至一反應器皿4中，以供與一催化劑合併。該反應器皿之加熱溫度係通常比傳統方法更低約50 oC–130 oC、或約60 oC – 120 oC、或約70 oC – 115 oC、或約80 oC – 110 oC、或約85 oC – 105 oC、或約90 oC – 100 oC、或約100 oC。該反應器皿可為LTP (低溫熱裂解)單位噴霧熱裂解/流體床/或普通反應器皿等。或者該漿液可預熱至300° C，且送至LTP噴霧噴嘴以供急驟熱裂解。該漿料(單位液體饋給)具有比藉由噴霧乾燥或桶乾燥所獲得之習知乾燥生質粉末好3倍的熱轉移。
在其他實施態樣中，該漿液(其被稱為「實質上無水的生質懸浮液或溶液」或「生質懸浮液或溶液」)係任擇地被攪拌、混合、渦旋或搖動，以進一步促進P4HB自宿主細胞萃取至GBL中。
在另一實施態樣中，該漿液在被饋給至反應器皿4之前，任擇地藉由離心、沉澱或過濾處理來移除碎屑，如圖4所示。
如貫穿本揭露內容使用之用語「實質上沒有水」或「實質上無水」係意圖指，基於經受轉化反應之生質懸浮液或溶液的重量，引入至一轉化反應(亦即，與催化劑合併)的生質係含有約5 wt%或更少、約4.5 wt%或更少、約4 wt%或更少、約3.5 wt%或更少、約3 wt%或更少、約2.5 wt%或更少、約2 wt%或更少、約2.5 wt%或更少、約2 wt%或更少、約1.5 wt%或更少或約1 wt%或更少。生質懸浮液或溶液(既存或流動的系統)之水含量可藉由本技術中已知的一方法量測。
儘管在圖1中，GBL之一循環流係在第二蒸發器中被添加，但本揭露內容不限於此。GBL之該循環流可添加到其他蒸發器，諸如第三蒸發器或者到多於一個蒸發器。相似地，蒸發器可包含一或多個、二或更多個、三或更多個及類似者，且蒸發器管柱之數目可基於起始生質的量、起始生質的水含量、能量效率或程序的一總成本來判定。
合併實質上沒有水的P4HB生質與催化劑
根據實施態樣，當實質上沒有水之該P4HB生質係一懸浮液或溶液時，由於液態GBL作用為一溶劑，因此沒有水被加入至轉化反應。
在反應器皿4中，該P4HB生質在合適的條件下與一催化劑合併，以幫助將該P4HB聚合物轉化為高純度γ-丁內酯產物。該催化劑(呈固體或溶液形式)及生質係例如藉由混合、絮凝、離心或噴霧乾燥或本技術中已知之其他合適的方法來合併，以供促進該生質與催化劑之相互作用，驅動P4HB高效且特定地轉化為γ-丁內酯。在「合適的條件」下係指促進催化反應的條件。舉例而言，在最大化產物γ-丁內酯產生之條件下，諸如在助劑或其他促進反應效率之材料存在下。其他合適的條件包括在不存在雜質之情況下，該等雜質諸如將會阻礙反應進展的金屬或其他材料。
於本文使用時，「催化劑」係指啟動或加速一化學反應、而本身在反應中沒有被影響或消耗的一物質。有用的催化劑之實例包括金屬催化劑。在某些實施態樣中，催化劑係降低用以啟動熱分解之溫度，且在某些熱裂解溫度(例如，約190° C至約300° C)下增加熱分解的速率。
在一些實施態樣中，催化劑為含有一金屬離子的氯化物、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。合適金屬離子之實例包括：鋁、銻、鋇、鉍、鎘、鈣、鈰、鉻、鈷、銅、鎵、鐵、鑭、鉛、鋰、鎂、鉬、鎳、鈀、鉀、銀、鈉、鍶、錫、鎢、釩或鋅及類似者。在一些實施態樣中，催化劑為一有機催化劑，其為胺、疊氮化物、烯醇、甘醇、四級銨鹽、苯氧化物、氰酸鹽、硫氰酸鹽、二烷基醯胺及烷基硫醇鹽。在一些實施態樣中，該催化劑係氫氧化鈣。在其他實施態樣中，該催化劑係碳酸鈉。亦包括二或更多催化劑之混合物。
在某些實施態樣中，基於金屬離子重量相對於實質上無水的生質重量，金屬催化劑之量為約0.1%至約15%、或約1%至約25%、或4%至約50%。在一些實施態樣中，該催化劑之量係在約7.5%與約12%之間。在其他實施態樣中，相對於實質上無水的生質重量，催化劑之量為約0.5%、約1%、約2%、約3%、約4%、約5%、約6%、約7%、約8%、約9%、或約10%、或約11%、或約12%、或約13%、或約14%、或約15%、或約20%、或約30%、或約40%、或約50%、或這些者之間的量。
於本文使用時，用語「足夠的量」在參照一反應中之一化學試劑使用時，係意欲意謂可滿足該化學反應需求及產物所欲純度之該參照試劑的一量。
P4HB生質之熱降解
於本文使用時，「熱裂解」及「熱分解」意指P4HB生質用以轉化至GBL的熱降解(例如，分解)。通常而言，P4HB生質的熱降解係在一催化劑存在下於一升高溫度下發生。舉例而言，在某些實施態樣中，本文所說明之方法的加熱溫度係在約190° C至約300° C之間。在一些實施態樣中，加熱溫度係約195° C至約275° C、或約200° C至約260° C、或約205° C至約250° C、或約210° C至約225° C。在其他實施態樣中，加熱溫度係約190° C – 220° C。反應器皿之加熱溫度係通常比傳統方法更低約50 oC–130 oC、或約60 oC – 120 oC、或約70 oC – 115 oC、或約80 oC – 110 oC、或約85 oC – 105 oC、或約90 oC – 100 oC、或約100 oC。
「熱裂解」一般係指生質在一時段內於升高溫度下的一熱化學分解。持續時間之範圍可從幾秒至數小時。在某些條件下，熱裂解係在沒有氧氣下或者在有限的氧氣量下發生，以避免加氧作用。用於P4HB生質熱裂解之方法可包括直接熱轉移或間接熱轉移。「急驟熱裂解」係指在一高溫下迅速地加熱生質，以供P4HB生質之快速分解，例如在該生質中之一P4HB的解聚合。急驟熱裂解之另一實例為RTP™急速熱裂解。RTP™技術以及來自ENVERGENT TECHNOLOGIES, Des Plaines, Ill.之裝備係將原料轉化為生物油。
在一些實施態樣中，加熱係在一真空下、在大氣壓力下或在受控壓力下完成。在某些實施態樣中，加熱係在不使用或者減少使用石油所產生之能量的情況下實現。
在某些實施態樣中，該P4HB生質/催化劑混合物的加熱係進行了一足夠的時間，以有效且特定地將P4HB生質轉化為GBL。在某些實施態樣中，加熱之時段為約30秒至約1分鐘、約30秒至約1.5分鐘、約1分鐘至約10分鐘、約1分鐘至約5分鐘、或其等間的一時間，例如約1分鐘、約2分鐘、約1.5分鐘、約2.5分鐘、約3.5分鐘。
在其他實施態樣中，該時段為約1分鐘至約2分鐘。在又其他實施態樣中，加熱之持續時間係歷時在約5分鐘與約30分鐘之間、在約30分鐘與約2小時之間、或在約2小時與約10小時之間、或大於10小時(例如，24小時)的一時間。
在某些實施態樣中，加熱溫度係在約190° C至約300° C的一溫度下，包括在其等間的一溫度，例如約195° C、約200° C、約205° C、約210° C、約215° C、約220° C、約225° C、約230° C、約235° C、約240° C、約245° C、約250° C、約255° C、約260° C、約270° C、約275° C、約280° C、約290° C。在某些實施態樣中，溫度係約200° C。在某些實施態樣中，溫度係約205° C、或約210° C、或約220° C、或約230° C。
在某些實施態樣中，該方法亦包括例如在400° C或更高之一溫度下，急驟熱裂解殘餘生質歷時一足夠的時段，以將該殘餘生質之至少一部分分解為熱裂解液體。在某些實施態樣中，急驟熱裂解係在約400° C至750° C、或約450° C至725° C、或約475° C至700° C、或約500° C至675° C、或約525° C至650° C、或約550° C至625° C之一溫度下執行。在一些實施態樣中，該殘餘生質在急驟熱裂解中的一滯留時間係1秒至15秒、或1秒至5秒、或一足夠的時間來熱裂解該生質，以產生所欲熱裂解切割物(precuts)，例如熱裂解液體。
於本文使用時，「熱裂解液體」係定義為通常含有糖、醛、呋喃、酮、醇、羧酸及木質素的一低黏度流體。亦已知為生物油，此材料係藉由熱裂解來製造，一般係生質之快速熱裂解，其在足以將生質之至少一部分分解成可回收氣體及液體(可在靜置時固化)的一溫度下進行。在一些實施態樣中，足以分解生質的溫度係在約400° C至800° C之間、或在約450° C至750° C之間、或在約500° C至700° C之間、或在約550° C至650° C之間的一溫度。
在某些實施態樣中，「回收」該γ-丁內酯係包括冷凝該蒸氣。於本文使用時，用語「回收」在應用於該蒸氣時，意謂從該P4HB生質材料隔離出該蒸氣，例如包括但不限於：藉由凝結、分離方法學，諸如使用膜、氣(例如，蒸氣)相分離，諸如蒸餾，以及類似者的回收。因此，回收可經由一凝結機構來實現，其捕捉單體組分蒸氣、將該單體組分蒸氣冷凝為一液態形式，且將其轉移遠離該生質材料。
作為一非限制性實例，GBL蒸氣之冷凝可說明如下文。來自熱裂解腔室4之進入氣體/蒸氣流係進入一蒸餾管柱5，其中該氣體/蒸氣流可預冷卻。該氣體/蒸氣流接著通過一冷卻機，其中該氣體/蒸氣流的溫度被降低至藉由與一冷媒間接接觸來使指定蒸氣冷凝離開該氣體所要求的溫度。該氣體及經冷凝的蒸氣係從該冷卻機流動至一冷凝器7中，其中該經冷凝的蒸氣在底部中被收集。將來自蒸餾管柱5之蒸氣或來自冷凝器7之液體的一部分循環回到該蒸發器，作為循環的GBL流。沒有蒸氣的該氣體係從該冷凝器流動，且離開該單元。將所回收之液體從該冷凝器之底部流動或泵送至儲槽。針對一些產物，所冷凝之蒸氣係固化，且固體被收集。
在某些實施態樣中，本揭露內容之方法中進一步包括催化劑之回收。舉例而言，當使用一鈣催化劑時，煅燒係一有用的回收技術。煅燒係一熱處理程序，其在礦物、金屬或礦石上進行，以透過脫羧作用、脫水、有機質的去揮發作用、相轉變或氧化作用來改變材料。該程序通常在反應器中進行，諸如膛爐、豎爐、旋轉窯或更新近的流體化床反應器。煅燒溫度經選擇為低於基體之熔點，但高於其分解或相轉變溫度。此通常被視為反應之吉布斯自由能等於零的溫度。對於CaCO 3分解為CaO而言，ΔG=0時所計算之煅燒溫度係-850° C。通常，就大部分礦物而言，煅燒溫度範圍在約800-1000° C或約850-950° C之範圍內，但煅燒亦可指在200-800° C之範圍內進行的加熱。
為了在回收GBL之後，從生質回收鈣催化劑，人們將廢生質殘餘物直接從熱裂解轉移至一煅燒反應器中，且將空氣中之生質殘餘物加熱至825-850° C歷時一時段，以移除有機生質之所有痕量。一旦移除了有機生質，則催化劑可照原樣使用，或者經進一步純化，其係基於密度、使用本技術中已知的裝備來分離所存在之金屬氧化物(來自發酵介質及催化劑)。
在某些實施態樣中，該方法可選擇性製造具有較小量之非所欲副產物的γ-丁內酯產物，(例如，GBL之二聚化產物(3-(二氫-2(3H)-呋喃亞基)二氫-2(3H)-呋喃酮)、GBL的其他寡聚物或其他副產物)。舉例而言，在運用一足夠量之一特定催化劑的使用下，將減少非所欲副產物之產生且增加GBL產率至少約2倍。在一些實施態樣中，非所欲副產物的產生將減少至至少約50%、至少約40%、至少約30%、至少約20%、至少約10%或約至少5%。在某些實施態樣中，該非所欲副產物將少於回收之GBL約5%、少於回收之GBL約4%、少於回收之GBL約3%、少於回收之GBL約2%、或少於回收之GBL約1%。
本文所說明之方法可提供以百分比產率表示的一GBL產率，例如，當從作為一碳源之葡萄糖生長時，基於該方法中之生質饋給中所含的每克P4HB所回收的GBL克數(以百分比報告)，產率係高達99%、或高達98%、或高達97%、或高達96%、或高達95%。在其他實施態樣中，該產率係在約60%與約95%之間的一範圍內，例如在約65%與約90%之間、或在約70%與90%之間。在其他實施態樣中，該產率係約98%、約95%、約92%、約90%、約88%、約85%、約80%、或約75%。
於本文使用時，「γ-丁內酯」或GBL係指具有下列化學結構之化合物： 。
用語「γ-丁內酯產物」或「GBL」係指含有至少約80高達至100重量百分比之γ-丁內酯的一產物。舉例而言，在一特定實施態樣中，該γ-丁內酯產物可含有95重量%的γ-丁內酯及5重量%的副產物。在一些實施態樣中，γ-丁內酯產物中之γ-丁內酯的量係約81重量%、約82重量%、約83重量%、約84重量%、約85重量%、約86重量%、約87重量%、約88重量%、約89重量%、約90重量%、91重量%、約92重量%、約93重量%、約94重量%、約95重量%、約96重量%、約97重量%、約98重量%、約99重量%或約100重量%。在特別的實施態樣中，藉由本文所說明的方法所製造之γ-丁內酯產物的重量百分比係85%、或大於85%、或大於90%、或大於95%。
在其他實施態樣中，若需要，則γ-丁內酯產物可進一步藉由此技術中已知的額外方法來純化，例如，藉由蒸餾；藉由反應性蒸餾(例如，γ-丁內酯產物首先酸化以氧化某些組分(例如，易於分離)，接著蒸餾)；藉由用活性碳處理來移除顏色及/或氣味體；藉由離子交換處理；藉由液液萃取，用與GBL不混溶的溶劑(例如，非極性溶劑，如環戊烷或己烷)來移除脂肪酸等，以供在GBL回收後的純化；藉由真空蒸餾；藉由萃取蒸餾或使用相似方法，其可造成進一步純化該γ-丁內酯產物以增加γ-丁內酯產率。亦可利用這些處理之組合。具體而言，γ-丁內酯產物可藉由US 2014/0170714 A1中揭露之方法來進一步純化，其內容以引用方式併入本文中。
在某些實施態樣中，GBL經進一步化學修飾及/或經取代成其他四碳產物(4C產物)及衍生物，該等衍生物包括但不限於琥珀酸、1,4-丁烷二醯胺、琥珀腈、琥珀醯胺、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)、2-吡咯烷酮(2-Py)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氫呋喃(THF)、1,4-丁烷二醇(BDO)。用以自γ-丁內酯製造這些衍生物的方法及反應係熟習此藝者已知的。
本發明人已在實驗室中展示出高達30% @300,000道耳頓的P4HB溶液，且已藉由剝離水來完成一萃取，且藉由使溶液衝入水中而產生好一塊白色聚合物來確認P4HB在溶液中，如圖2及3所示 。在圖2中左邊的試管顯示在GBL中之300,000道耳頓P4HB之30%溶液。在圖2中右邊的試管顯示在旋轉蒸發器中從具GBL之生質萃取P4HB。圖3顯示使用GBL來萃取並沉澱於水中的P4HB。
此方法之一替代實例係顯示於圖4中。除了如圖1所示之蒸發器1、2及3、反應器皿4、蒸餾管柱5、冷凝器6及冷凝器7以外，一過濾器8或一離心機9係設置在第3蒸發器3與反應器皿4之間。相對於圖1所示之方法來說明的相同步驟係以引用方式併入於此。該過濾器8或該離心機9可由熟習此技術者適當地選擇。
實施例
以下實施例僅出於例示性目的而提供，且決不意欲限制本發明之範疇。
實施例1。自製造聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)的基因工程改造之微生物製造起始生質
含有聚-4-羥基丁酸酯(聚-4HB)的生質係使用一基因修飾之大腸桿菌菌株，在一20 L New Brunswick Scientific發酵槽(BioFlo 4500)中製造，該大腸桿菌菌株專門設計成用以從作為一碳饋給源之葡萄糖漿來以高產率製造聚-4HB。大腸桿菌菌株、發酵條件、介質及饋給條件之實例係說明於美國專利號6,316,262；6,689,589；7,081,357；及7,229,804中，其內容以引用方式併入本文中。大腸桿菌菌株產生一發酵液，其具有的一PHA含量(titer)為大約100-120 g PHA/kg發酵液。在發酵之後，藉由添加一等體積的水、混合2分鐘、離心及傾析該水，來用去離子(DI)水清洗該發酵液。基於該發酵液的總重量，該經清洗的發酵液含有約10重量%的P4HB、10重量%的生質及鹽，以及80重量%的水。
實施例2。自起始生質製造γ-丁內酯(GBL)
接著，將實施例1中獲得之經清洗的1000g發酵液饋給至第一蒸發器，且在100° C下加熱30分鐘以移除約40%的水，基於該發酵液之總重量。將所得之溶液轉移至第二蒸發器，其中GBL之一循環流被饋給以置換在該第一蒸發器中移除的水。該混合物在100° C下加熱歷時30 min以移除約40%的水，基於該發酵液之總重量。所得之溶液轉移至第三蒸發器，且在100° C下加熱20 min以移除剩餘的水。所得之漿液含有基於該漿料之總重量，約25重量%的P4HB、約25重量%的生質及鹽、約47重量%的GBL以及小於3%的水。
雖然沒有要求，但該漿料(實質上無水的生質溶液/懸浮液)係經受過濾以甚至增加GBL產物的純度。基於聚合物溶液之總重量，該過濾係製造含有約30重量%之P4HB、約3重量%之生質及鹽以及約66重量%之GBL的一聚合物溶液。
所得經過濾之實質上無水的生質溶液係與石灰(Ca(OH) 2標準熟石灰98%, Mississippi Lime)混合，該石灰基於P4HB，目標4重量%。GLB+P4HB+Ca(OH) 2的熱裂解係使用配備有攪拌器的燒瓶，於200-250° C下，以渦旋或攪拌進行。在該方法開始時，將GLB+P4HB+Ca(OH) 2之已稱重的樣本置放於燒瓶內，且建立一氮氣沖洗流。接著開始攪拌及加熱。當燒瓶之溫度達到其設定點值(例如，大約204° C)時，由GLB+P4HB+Ca(OH) 2樣本產生的氣體係藉由氮氣沖洗從燒瓶中排出，並進入一系列玻璃冷凝器或冷卻阱。該等冷凝器係由一直向冷卻的玻璃冷凝器塔構成，在其基座處具有一凝結液收集瓶。保持在0° C下的甘醇/水混合物係循環通過所有玻璃冷凝器。在透過填充有去離子水之玻璃衝擊瓶(glass impinger)來冒泡之前，離開第一冷凝器之頂部的經冷卻之氣體，係向下定向通過一第二冷凝器及通過一第二凝結液收集瓶。
總熱裂解運行時間為大約60分鐘。
在熱裂解運行完成之後，收集來自冷凝器之冷凝物且稱重。結果顯示合併的凝結液重量為大約240 g。藉由Karl Fisher水分分析法及GC-MS對該凝結液的分析，係顯示出該凝結液含有3%水、0.06%脂肪酸，材料之剩餘部分為GBL產物。因此，GBL產物產率((GBL產物之g/起始P4HB之g)×l00%)經計算為大約87%。藉由GC-MS，沒有偵測到諸如GBL二聚體、有機硫及醯胺化合物的雜質存在於凝結液中，顯示來自熱裂解之GBL產物的純度為約99%。
執行實驗以確認，根據一實施態樣之方法，運用循環GBL來製造一實質上無水的生質溶液/懸浮液，並且使其經受一轉化程序，係驚人地將P4HB有效地轉化為GBL。一些sigma GBL被摻雜有一已知量的十一烷。經噴霧乾燥的P4HB生質被添加至sigma GBL，且用回流加熱至190° C並保持6小時。樣本(GBL KS-1、KS-2、KS-3、nd KS-4)係在反應時間0、30、90以及300分鐘時取得，並且予以分析以供判定GBL對十一烷之比率。下表1顯示，十一烷對GBL之比率(「比率」管柱)以及十一烷水準(PPM UD)係隨著時間從時間0延伸至時間300分鐘而減小。
表1：使用GBL作為載體溶劑之GBL反應動力學
實施例3。藉由蒸餾、蒸汽氣提法及過氧化物處理之生物基底GBL的後純化
本實施例概述用以純化生物基底GBL液體的一選擇性程序，該生物基底GBL液體係由製造聚-4-羥基丁酸酯聚合物的一基因工程改造微生物、與如上述實施例2中所概述之一催化劑混合的熱裂解製備。應注意，由於來自實施例2的產物已經非常純，因此可能不需要此蒸餾純化程序。
該GBL純化係一批次程序，其中在熱裂解之後所回收之「粗」的GBL液體首先被過濾，以移除任何固體微粒(通常佔總未經加工的GBL重量的＜1%)，且接著蒸餾二次以移除促成氣味及顏色的化合物。
粗的GBL液體之過濾係以一實驗室規模、使用耦接至Erlenmeyer接收瓶的一Buchner燒結玻璃漏斗進行。大約1公升之粗的GBL被過濾，其導致大約0.99公升之回收的GBL液體。
經過濾之GBL液體的蒸餾係使用一高真空20階段玻璃蒸餾管柱進行。管柱之階段區段係含於一塗覆銀、抽空的玻璃絕緣套筒中，以便於最小化在蒸餾過程期間來自管柱的任何熱損失。該蒸餾係在真空條件下，使用配備有一液態氮冷阱的一真空泵來施行。在蒸餾期間典型管柱的操作壓力係在25 in. Hg之範圍內。維持在10° C的冷卻水係通過在管柱頂部處之冷凝器，來輔助蒸氣分餾。管柱亦配適有二熱偶：一個在管柱之頂部處以監測蒸氣溫度，且一個在管柱之底部處以監測液體饋給溫度。在蒸餾開始時，將大約1公升之經過濾的GBL液體充填至管柱之底部中，接著將冷卻水的冷凝器及真空打開。一旦壓力穩定，則使用一加熱包將經過濾的GBL液體緩慢加熱至GBL的沸點(204° C)。
在蒸餾之初始階段期間，首先移除在經過濾之GBL中所含的水，且與較低沸點的雜質一起丟棄。當完全移除水及較低沸點的雜質時，GBL液體饋給溫度係增加至GBL的沸點。在此階段，在管柱之頂部處產生的蒸氣係主要為GBL，其被冷凝、收集以及保留用於進一步蒸餾。當觀察到液體饋給溫度快速地增加至204° C時，停止蒸餾。在第一蒸餾中所回收之GBL液體的總量係0.9公升，具97%之一純度。
第二蒸餾之另一變化係被嘗試，其中30%過氧化氫溶液之1-3%(以GBL之重量計)係與DI水一起添加至先前經蒸餾的GBL液體。過氧化物係作用來氧化GBL液體中的雜質，使其較不揮發，因此更容易分開。為進行此蒸餾，將0.9公升之先前蒸餾的GBL液體連同203 g之DI水及10.2 g之30-32%過氧化氫(Sigma Aldrich)加入至蒸餾管柱之底部。開始冷卻水之冷凝器及真空，且加熱GBL液體饋給。在純的GBL蒸氣之前，蒸餾係產生一水餾分，第一及第二過渡餾分。丟棄第一及第二餾分兩者且收集純的GBL液體。藉由GC-MS分析GBL液體，其顯示了＞99.5%純度、具非常低氣味及顏色。為了移除額外的水，可將經純化的GBL液體儲存在乾的分子篩(3-4 Å孔洞大小, Sigma Aldrich)上直到使用為止。因此純化之GBL液體之一部分係循環回至實施例2之蒸發器。
與實施例2之方法相比，下表2為包括起始生質之乾燥的既存方法之熱平衡的一概述，其中大部分來自發酵液的水係使用一噴霧乾燥器來蒸發(「基礎方案方法」)。如可從表1看見，當循環比(GBL循環/產物GBL)增加時，所需之蒸發器表面積減少，且來自循環之GBL的熱可有效地使用於蒸發。
表2：基礎方案方法及GBL循環方法所使用的能量概述
針對上述純化步驟的另一變化係在第一蒸餾階段期間添加DI水及/或30%過氧化氫溶液。額外的純化步驟可包括用臭氧、離子交換樹脂或活性碳的處理。
在另一實施態樣中，由本文所說明之方法生產的γ-丁內酯亦可直接經受氫化反應、酯化反應或醯胺化條件，以製造對應的二醇、羥基酯及醯胺(例如，1,4-丁烷二醇、烷基4-羥基丁酸酯或N-烷基2-吡咯烷酮，當分別經受用H 2之氫化反應、用烷基醇的酯化反應以及用烷基胺的醯胺化時)。
加工脂肪及油來製造醇係在此方面提供了一些指導。油及脂肪係脂肪醇的顯著來源，其使用於各種應用中，諸如潤滑劑及界面活性劑。脂肪通常不是直接被氫化的，因為強烈的反應條件往往會在氫化反應期間，將甘油降級成低級醇，諸如丙二醇及丙醇。出於此原因，更習知的是，首先水解油且接著預純化脂肪酸以致能一更有效的氫化反應(見例如，在Bailey’s Industrial Oil and Fat Products, Sixth Edition, Six Volume Set. Edited by Fereidoon Shahidi, John Wiley & Sons, Inc. 2005中Lurgi的氫化反應方法)。
儘管本文所揭露之標的已結合當前被視為實際實例實施態樣來說明，但應理解，本揭露內容不限於所揭露之實施態樣，且涵蓋隨附申請專利範圍之精神及範疇內所包括的各種修改及等效配置。
除本文實例以外，或除非另外明確表示，否則所有數值範圍、量、值及百分比，諸如本說明書之上文部分及隨附申請專利範圍中之材料量、元素含量、反應時間及溫度、數量比率及其他者，可被讀為如同以「約」一詞開頭，即使該用語「約」可能沒有明確地與值、量或範圍一起出現。
據此，除非有相反的指示，否則被闡述於上文說明書及隨附申請專利範圍中之數值參數係為近似值，其可能取決於藉由本發明要尋求之所欲性質而變化。至少，且不試圖將等效物之準則的應用限制至申請專利範圍之範疇，每一數值參數應至少根據所報告之有效數字數位且藉由應用一般捨入技術來解釋。
儘管本發明之廣泛範疇所闡述之數值範圍及參數為近似值，但在具體實例中所闡述之數值係儘可能精確地報告。然而，任何數值皆固有地含有誤差，誤差由其潛在的個別測試量測中發現之標準偏差值產生。此外，當在本文中闡述數值範圍時，這些範圍係包括所闡述範圍的端點(亦即，可使用端點)。當本文使用重量百分比時，所報告之數值係相對於總重量。
此外，應理解，本文中所述之任何數值範圍意欲包括其中所納入之所有子範圍。舉例而言，「1至10」之範圍意欲包括在所闡述最小值1與所闡述最大值10之間的所有子範圍(且包括最小值1及最大值10)，亦即具有等於或大於1的一最小值及等於或小於10的一最大值。除非另外指示，否則如本文所用之用語「一」、「一種」或「一個」意欲包括「至少一」或「一或多個」。
1:第一蒸發器,蒸發器 2:第二蒸發器,蒸發器 3:第三蒸發器,蒸發器,第3蒸發器 4:反應器皿,熱裂解腔室 5:蒸餾管柱 6,7:冷凝器 8:過濾器 9:離心機
圖1為用以自P4HB生質製造GBL之一實例性方法的一示意圖。
圖2顯示在GBL中之300K Da P4HB的30%溶液(左) (P4HB可溶於GBL中)，以及在旋轉蒸發器(Rotovap)中自具有GBL之生質萃取的P4HB (右)。
圖3為使用GBL來萃取並沉澱於水中的P4HB的一圖片。
圖4為用以自P4HB生質製造GBL之另一實例性方法的一示意圖。
1:第一蒸發器，蒸發器
2:第二蒸發器，蒸發器
3:第三蒸發器，蒸發器，第3蒸發器
4:反應器皿，熱裂解腔室
5:蒸餾管柱
6,7:冷凝器

Claims (18)

  1. 一種自含有水及含聚-4-羥基丁酸酯(P4HB)之細胞及水的一起始生質來製造γ-丁內酯(GBL)產物的方法，該方法包含： (a)將該起始生質引入至一蒸發器， (b)將液態或蒸氣GBL以等同或小於被移除之水重量的一重量，引入至該蒸發器作為一溶劑，以獲得實質上沒有水且包含溶解或懸浮於該GBL中之P4HB的一生質懸浮液或溶液， (c)將實質上沒有水的該生質懸浮液或溶液與一轉化催化劑合併，並加熱所得之混合物來將該P4HB轉化為GBL，以及 (d)收集該GBL， 其中在步驟(b)中引入的該液態或蒸氣GBL係一循環的GBL，其為在步驟(d)中獲得之所收集GBL的一部分，且循環回到該蒸發器以作為一溶劑來與該生質一起混合，及 其中該方法不包括一乾燥。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含步驟(e)混合、攪拌、渦旋或搖動，以促進P4HB自宿主細胞萃取至GBL中。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包含，在步驟(c)之前，藉由過濾、沉澱或離心來將固體從實質上沒有水的該生質懸浮液或溶液中移除的步驟(f)。
  4. 如請求項1之方法，其中在步驟(a)、(b)及(c)中沒有添加水。
  5. 如請求項1之方法，其中該蒸發器包含彼此流體連通的多個串聯蒸發器，且該循環的GBL被引入至該等蒸發器中之一或多者。
  6. 如請求項1之方法，其中該蒸發器含有一第一蒸發器、一第二蒸發器及一第三蒸發器，其等彼此流體連通以此順序串聯，且將該循環的GBL引入至該第二蒸發器及/或該第三蒸發器中。
  7. 如請求項1之方法，其中該步驟(a)係在真空或大氣壓力下、於約60° C - 100° C的一溫度下進行。
  8. 如請求項6之方法，其中在該第一蒸發器中移除約20-50%之該起始生質中所含的水，且在該第二蒸發器中移除約20-45%之該起始生質中所含的水，且在該第三蒸發器中移除約5-35%之該起始生質中所含的水；且其中引入該循環的GBL，以置換在該第一蒸發器及該第二蒸發器中所移除之該水。
  9. 如請求項1之方法，其中實質上沒有水的該生質溶液或懸浮液係具有基於該生質溶液或懸浮液之重量的約5 wt %或更少之一水含量。
  10. 如請求項1之方法，其中該步驟(a)係在真空下、於約70°C - 90° C的一溫度下進行。
  11. 如請求項1之方法，其中該步驟(a)進行約5分鐘至約2小時的一時段。
  12. 如請求項1之方法，其中在步驟(d)中之該所收集GBL包含少於5重量%之副產物。
  13. 如請求項1之方法，其中步驟(c)之該轉化係在一催化劑的存在下進行。
  14. 如請求項13之方法，其中該催化劑為碳酸鈉或氫氧化鈣。
  15. 如請求項1之方法，其中基於每克P4HB一克的轉化產物中之GBL，該GBL產物的一產率係約85重量%或更高。
  16. 如請求項1之方法，其中該起始生質係來自一宿主細胞之一基因工程改造的生質，該宿主細胞包括一非自然存在之P4HB量。
  17. 一種生物基底γ-丁內酯產物，其係藉由如請求項1之方法製造。
  18. 如請求項17之生物基底γ-丁內酯產物，其中該γ-丁內酯產物包含小於5重量%的副產物。
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