用于从生物质中溶剂型萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法转让专利
申请号 : CN200580021944.6
文献号 : CN1976973B
文献日 : 2010-11-10
发明人 : K·纳拉辛汉 , A·C·切尔利 , M·S·吉布森 , S·J·韦林
申请人 : 株式会社钟化
摘要 :
用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与选自短链酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于约25％的水；在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约10至约300分钟；从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约40℃的温度进行；使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以至少3份水对约一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；以及从所述不纯溶剂液体中回收所述沉淀的聚羟基链烷酸酯。使用氧化剂或温和表面活性剂或温和漂白剂的任选处理可用于增强颜色和气味。
权利要求 :
1.一种用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：a)使包含所述聚羟基链烷酸酯的生物质与选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于25重量％的水；
b)在70℃至120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌10至300分钟；
c)从所述生物质液体中分离出聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少40℃的温度进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以至少3重量份水对一重量份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和e)从所述不纯的溶剂液体中回收所述沉淀的聚羟基链烷酸酯。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质液体以至少5至30重量份溶剂对一重量份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。
3.如权利要求1所述的方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，通过使用选自螺旋桨、涡轮、螺旋运输器以及它们的组合的搅拌部件来进行搅拌。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述搅拌部件具有0.001KW/m3至100KW/m3的功率/体积比率。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述方法为连续方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，通过使用配有螺旋运输器的栓塞流设计来进行搅拌。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质液体包含小于8重量％的水。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质液体包含小于2％的水。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过过滤和/或离心从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯。
9.如权利要求8所述的方法，其中在至少70℃的温度进行所述聚羟基链烷酸酯从所述生物质液体中的分离。
10.如权利要求1所述的方法，其中以0.35至3重量份水对1重量份溶剂的比率使所述水与所述富含PHA的液体混合。
11.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中将所述水加入到所述富含PHA的液体中。
12.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中将所述富含PHA的液体加入到所述水中。
13.如权利要求11所述的方法，其中在步骤(d)中，通过选自螺旋桨、涡轮、高剪切搅拌器以及它们的组合的部件将所述富含PHA的液体和水混合在一起。
14.如权利要求12所述的方法，其中在步骤(d)中，通过选自高剪切搅拌器、涂敷水的薄片层或移动带以及它们的组合的部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。
15.如权利要求1所述的方法，其中在将所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯溶剂液体的步骤中，将所述富含PHA的液体冷却至20℃至45℃的温度，并且其中在步骤(e)中，通过过滤和/或离心从所述不纯溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯，以得到回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯和剩余的不纯溶剂液体。
16.如权利要求15所述的方法，其中在通过过滤回收后，对回收的所述沉淀的聚羟基链烷酸酯进行挤压和/或施压以除去残余的不纯溶剂液体。
17.如权利要求16所述的方法，其中在步骤(e)中，接着用选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂洗涤回收的沉积的聚羟基链烷酸酯。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述方法还包括干燥回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯。
19.一种用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的方法，所述方法包括以下步骤：a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与丙酮混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体基本上不含水；
b)在70℃至100℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌30至120分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少70℃的温度通过过滤进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以5重量份至30重量份水对一重量份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯；和f)用氧化剂或温和表面活性剂或温和漂白剂处理所述沉淀的聚羟基链烷酸酯以增强颜色和气味。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述方法还包括回收并再循环所述残余不纯溶剂液体。
21.一种用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：a)使包含所述聚羟基链烷酸酯的生物质与选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于5重量％的水；
b)在70℃至120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌30至240分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少50℃的温度进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以5重量份至30重量份水对一重量份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和e)从所述不纯溶剂液体中回收所述沉淀的聚羟基链烷酸酯；
其中所述聚羟基链烷酸酯包含至少两种无规重复单体单元，其中第一种无规重复单体单元具有以下结构：
并且第二种或高级无规重复单体单元具有以下结构：
其中R为C2至C7烷基；其中75％摩尔至99％摩尔的所述无规重复单体单元具有第一种无规重复单体单元的结构，并且1％摩尔至25％摩尔的所述无规重复单体单元具有第二种无规重复单体的结构。
说明书 :
发明领域
本发明涉及用于从其它生物质组分中萃取特定组分的改良方法。更具体地讲，本发明涉及通过用溶剂进行萃取来从生物体系如植物或细菌中提取聚羟基链烷酸酯的改良方法。
发明背景
塑胶如聚酯可典型地通过熟知的合成方法由石化产品源制得。这些基于石化产品的聚合物在处理后需要几百年的时间来降解。对于塑胶废弃物积聚于垃圾掩埋地的忧虑造成目前用可生物降解的聚合物作为代替的趋势。
可生物降解的合成聚合物通常还被称为“生物塑胶”。由于它们的生产成本昂贵，因此还未在市场上取得巨大的成功。然而，生物工艺学的发展已产生成本降低的生产方法。具体地讲，如今通过大规模的细菌发酵，通常可制得可生物降解的脂族共聚酯。统称为聚羟基链烷酸酯或“PHA”的这些聚合物可在以发酵植物中葡萄糖供养的原生或重组细菌体内合成。如同它们的石化产品前体一样，PHA的结构性质以及由此而得的机械性质可被定制以符合所需最终产品的规格。然而，与它们的石化产品前体不同的是PHA既可需氧降解也可厌氧降解。
PHA是极其多样化的，并且已识别了多达100种不同的PHA结构。PHA结构可以两种方式变化。第一，PHA可根据R侧基的结构而变化，所述侧基形成了羟基链烷酸的侧链而不涉及PHA主碳链。第二，PHA可根据衍生出它们的单元数目和类型而变化。例如，PHA可以为均聚物、共聚物和三元共聚物。PHA结构中的这些变化是造成它们物理特性变化的原因。这些物理特性使得PHA可用于许多具有商业价值的产品中。
然而，为获得适于商业销售的任何类型PHA生物塑胶产品，需要确定能够产生显著量所需PHA的微生物有机体，并且需要确定用于从剩余生物质中分离出上述PHA的有效方法。随着对PHA生物合成途径的生物学知识不断加深，已可将微生物有机体用于制备显著量的PHA。
众多溶剂型或其它类型的萃取技术是本领域已知的，并可用于从细菌和植物(生物质)中萃取PHA。可使用溶剂型体系(包括单独使用或与其它溶剂组合使用丙酮、酮类的那些)、机械体系以及它们的组合来萃取PHA。然而，已知的溶剂型体系通常是低效的，并且难于应用于某些PHA的物理特性中(胶凝、降解等方面的问题)。更普遍的是双溶剂体系，但是这些双溶剂体系通常由于溶剂成本翻倍而昂贵，并且当试图回收/再使用两种溶剂时还会造成额外的回收步骤。
因此，需要一种更有效且经济的方法来从生物质中萃取PHA物质。上述方法应优选涉及可循环使用的溶剂，所述溶剂优选为环境友好的。此外，上述方法优选适于PHA物质的大规模连续生产。
发明概述
本发明者已惊奇地发现了一种用于从包含PHA聚合物的生物质中萃取PHA聚合物的方法，所述方法还具有改善的功效和降低的成本。
因此，本发明涉及用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：
a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与选自短链酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于约25％的水；
b)在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约10至约300分钟，可供选择的约10至约240分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约40℃的温度进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以至少约3份水对一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中所述溶剂选自丙酮、甲基乙基酮、以及它们的混合物。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体以至少约5至约30份溶剂对约一份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体以约15份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，所述温度为约70℃至约100℃。
本发明还涉及以上方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，通过使用选自螺旋桨、涡轮、螺旋运输器以及它们的组合的搅拌部件来进行搅拌。
本发明还涉及以上方法，其中所述搅拌部件具有约0.001KW/m3至约100KW/m3的功率/体积比率。
本发明还涉及以上方法，其中所述方法为连续方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，通过使用配有螺旋运输器的栓塞流设计来进行搅拌。
本发明还涉及以上方法，其中将所述生物质液体搅拌一段时间，所述时间选自约30至约300分钟。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体包含小于15％的水。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体包含不可测量的量的水。
本发明还涉及以上方法，其中通过过滤和/或离心从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中通过热过滤和/或热离心从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中在至少约70℃的温度进行所述聚羟基链烷酸酯从所述生物质液体中的分离。
本发明还涉及以上方法，其中以约6至约8份水对约1份聚羟基链烷酸酯的比率，使所述水与所述富含PHA的液体混合。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中将所述水加入到所述富含PHA的液体中。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中将所述富含PHA的液体加入到所述水中。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中通过选自螺旋桨、涡轮、高剪切以及它们的组合的部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中，通过选自高剪切、涂敷水的薄片层或移动带以及它们的组合的部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。
本发明还涉及以上方法，其中在将所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯溶剂液体的步骤中，将所述富含PHA的液体冷却至约20℃至约45℃的温度。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(e)中，通过过滤和/或离心，从所述不纯溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯，以得到回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯和剩余的不纯溶剂液体。
本发明还涉及以上方法，其中在通过过滤回收后，对所回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯进行挤压和/或施压以除去残余的不纯溶剂液体水。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(e)中，接着用选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂洗涤所回收的聚羟基链烷酸酯沉积。
本发明还涉及以上方法，其中所述方法还包括干燥所回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中如果再循环洗涤溶剂中的水含量小于15％，所述方法还包括反复使用所述洗涤溶剂来直接萃取，以及回收和再循环残余的不纯溶剂液体。
本发明还涉及用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：
a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于约5％的水；
b)在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约30至约240分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约50℃的温度进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以约5份至约30份水对约一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯；
其中所述聚羟基链烷酸酯包含至少两种无规重复单体单元，其中第一种无规重复单体单元具有以下结构：
并且第二种或高级无规重复单体单元具有以下结构：
其中R为C2至C7烷基或它们的混合物；其中约75％摩尔至约99％摩尔的无规重复单体单元具有第一种无规重复单体单元的结构，并且约1％摩尔至约25％摩尔的无规重复单体单元具有第二种无规重复单体的结构。
本发明还涉及用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：
a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与丙酮混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体基本上不含水；
b)在约70℃至约100℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约30至约120分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约70℃的温度通过过滤进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以约5份至约30份水对约一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯。
f)用氧化剂、温和表面活性剂或温和漂白剂处理所述沉淀的聚羟基链烷酸酯，以增强颜色和气味。
附图简述
图1以分段格式描述了本文详述的特征实施方案示意图，包括混合、分离、沉淀、干燥和回收步骤。
发明详述
尽管本说明书在结尾的权利要求书中特别指出并清楚地要求保护本发明，但据信通过下列说明可更好地理解本发明。
在发明详述中引用的所有文献的相关部分均引入本文以供参考；任何文献的引用并不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。
除非另外指明，本文所用的所有百分数和比率均按总组合物的重量计，并且所有测量均在25℃进行。
“包括”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和其它成分。该术语包括术语“由...组成”和“基本上由...组成”。
本领域描述了几种可从生物质中萃取PHA的方法。这些方法包括通过使用酶、化学试剂、机械部件的PHA萃取和包括通过使用丙酮和酮类萃取的溶剂萃取。不受理论的限制，据信在特定条件下使用丙酮，可以(a)使所萃取PHA的收率和纯度达到最佳；和(b)将整个萃取过程中的步骤数减到最少，并从而至少部分实现经济商业化萃取PHA的目的。
前述本发明实施方案具有许多比现行所用方法优越的令人惊奇的优点。例如，本发明中公开的萃取方法使得收率和/或纯度改善和/或成本降低。不受理论的限制，据信本发明还可更有效地使用连续方法，这是由于与依照本文方法的大规模生产相关的方法的可靠性和有效性增加了。
本发明的另一个令人惊奇的优点是它具有在较低温度(低于150℃)萃取PHA的能力。不受理论的限制，从商业角度上看，温度因素是重要的，这是因为聚合物至少部分溶解时的温度和充分溶解所需的时间可影响资本成本和产品质量。例如，在较低温度经受一段较短时间的PHA典型具有较高的质量，并且增加了后面生产过程中的可用性。
本文的过程和方法还包括许多其它变型。本发明的过程和方法更详细地描述于下文中。
本发明涉及在选定的处理条件下，使用选自丙酮、甲基乙基酮、短链酮以及它们的混合物的溶剂，从生物质中萃取PHA的改良方法。本文所用短语“从生物质中萃取PHA”除了是指对由仅产生单一类型PHA的生物质所产生的PHA的萃取，在本文中还指，当所述生物质产生多于一种类型的PHA时，对一种或多种类型PHA的萃取。
此方法的步骤如下：
I.使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与溶剂混合以形成生物质液 体
a)包含PHA的生物质
经由本发明方法，从原料来源中萃取聚羟基链烷酸酯(“PHA”)，所述原料来源包括但不限于单细胞生物体如细菌或真菌，和高级生物体如植物。本文中，这些原料来源统称为“生物质”。虽然生物质可由野生型生物体构成，但它们优选为遗传学操作的物种，专门设计用于产生培育者感兴趣的特定PHA。上述遗传学操作的生物体可通过插入外源DNA的已知方法来制得，所述DNA得自可在另一个生物体中自然产生PHA的细菌。
包含可用于本发明的PHA的生物质优选是基本干燥的。本文所用的“基本干燥的生物质”是指包含小于5％水的生物质。干燥生物质由已从其中除去液体的生物质构成，在开始萃取步骤之前，使用包括但不限于喷雾法或冷冻干燥法的方法从生物质中除去液体。在一个实施方案中，所述生物质包含小于2％的水。可供选择地，所述生物质包含小于0.1％的水。可供选择地，所述生物质包含不可测含量的水。
可用作本发明生物质的植物包括设计用于产生PHA的任何被遗传工程学方法改变的植物。优选的植物包括农作物，如粮谷、含油种子和块茎植物；更优选鳄梨、大麦、甜菜、蚕豆、荞麦、胡萝卜、椰子、干椰肉、玉米(玉米)、棉籽、葫芦、兵豆、利马豆、黍粒、绿豆、燕麦、油棕、豌豆、花生、马铃薯、南瓜、油菜籽(如低芥酸菜子)、稻米、甜高粱、大豆、糖料甜菜、甘蔗、向日葵、甘薯、烟草、小麦和山药。可用于本发明方法中的上述遗传学上改变的结实植物包括但不限于，苹果、杏、香蕉、香瓜、樱桃、葡萄、金橘、橘子、番茄和西瓜。优选地，依照Poirier，Y.、D.E.Dennis、K.Klomparens和C.Somerville的“Polyhydroxybutyrate，a biodegradable thermoplastic，produced in transgenic plants”(SCIENCE，第256卷第520至523页，1992)；和/或1997年7月22日公布的授予Michigan StateUniversity的美国专利5,650,555中所公开的方法，用遗传工程学方法改变所述植物，以产生PHA。尤其优选的植物是被遗传工程学方法改变以产生PHA的大豆、马铃薯、玉米和椰子植物；更优选大豆。
可用于本发明中的细菌包括设计用于产生PHA的任何被遗传工程学方法改变的细菌，以及可天然产生PHA的细菌。上述细菌的实施例包括公开于“ NOVEL BIODEGRADABLE MICROBIALPOLYMERS”(E.A.Dawes编辑，NATO ASI系列，系列E：“AppliedSciences”，第186卷，Kluwer Academic Publishers，1990)；1994年3月8日公布的授予Kanegafuchi Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha的美国专利5,292,860；1993年10月5日公布的授予MassachusettsInstitute of Technology的美国专利5,250,430；1993年9月14日公布的授予Massachusetts Institute of Technology的美国专利5,245,023；和/或1993年7月20日公布的授予Massachusetts Instituteof Technology的美国专利5,229,279中的那些。
优选地，所述生物质包含足量的聚羟基链烷酸酯(“PHA”)，以使本发明中所述的萃取方法在经济上是适宜的。优选地，生物质源物质中的PHA起始含量应为所述生物质总干重的至少约20％；可供选择地至少50％；可供选择地至少约60％。
b)结构柔韧的PHA：
在一个实施方案中，本发明PHA选自本文中称为“结构柔韧的”PHA的那些，以强调与特征在于较低共聚单体含量和较短R侧基的PHA相比，由较高共聚单体含量和较长R基团链长造成的物理性破坏，使得它们通常更加柔软，并更难于晶化(参见2000年3月28日公布的授予Monsanto的美国专利6,043,063，和/或2000年7月11日公布的授予Monsanto的美国专利6,087,471)。
在一个实施方案中，可用于本发明的这些结构柔韧的PHA由至少两种无规重复单体单元构成，其中第一种无规重复单体单元具有以下结构：
并且第二种或高级无规重复单体单元具有以下结构：
其中R为C3至C7烷基或它们的混合物；其中约75％摩尔至约99％摩尔的无规重复单体单元具有第一种无规重复单体单元的结构，并且约1％摩尔至约25％摩尔的无规重复单体单元具有第二种无规重复单体的结构。上述结构柔韧的PHA优选具有约80℃或更高的熔融温度(“Tm”)。
c)溶剂：
使包含PHA的生物质与溶剂混合以形成生物质液体。虽然在某些应用中可将水用作为溶剂，但本文所用术语“溶剂”不包括水。可用于本发明的溶剂选自短链酮。短链酮包括具有C3或较短碳链长度的那些酮。可用于本发明的短链酮包括丙酮、甲基乙基酮、以及它们的混合物。在一个实施方案中，溶剂为丙酮。
在一个实施方案中，所述生物质液体以至少约5份溶剂对约一份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。在另一个实施方案中，所述生物质液体以约5至约30份溶剂对约一份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。在另一个实施方案中，所述生物质液体以约10份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率；可供选择地以约20份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率；可供选择地以约15份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率，来包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。在一个实施方案中，所述生物质在溶液中包含约3.2％至约9％的PHA，可供选择地，所述生物质在溶液中包含约6.25％的PHA。
所述生物质液体包含小于约25％的水；可供选择地包含小于约15％；可供选择地小于8％；可供选择地小于约5％的水，可供选择地包含小于约2％的水，可供选择地，所述生物质液体包含不可测量的量的水。
II.搅拌
然后在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约10至约300分钟，可供选择地搅拌约10至约240分钟。在一个实施方案中，在约70℃至约100℃的温度范围内，可供选择地在约85℃至约95℃的温度范围内，搅拌所述生物质液体。在一个实施方案中，将所述生物质液体搅拌约30至约300分钟；可供选择地搅拌约30至约120分钟；可供选择地搅拌约30至约60分钟。搅拌可以是连续性的或间歇性的。
在一个实施方案中，在约75℃至约85℃，优选约80℃的温度范围内，将所述干燥生物质与丙酮搅拌约55至约65分钟，优选约60分钟。
可用任何搅拌组合物的传统部件来进行搅拌。例如，可通过使用选自螺旋桨、涡轮、螺旋运输器或它们的混合物的搅拌部件来进行搅拌。在一个实施方案中，可通过使用配有螺旋运输器的栓塞流设计来进行搅拌。
在一个实施方案中，可通过使用具有约0.001KW/m3至约100KW/m3功率/体积比率的搅拌部件来进行搅拌。
在一个连续方法实施方案中，包括机械运输体系如螺旋运输器的栓塞流设计可用作为搅拌部件。
III.分离
然后，从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体。所述分离在至少约50℃，优选至少70℃的温度进行。不受理论的限制，据信在小于约50℃时会发生胶凝，造成极差的可靠性/收率。
从生物质液体中分离生物质的方法包括过滤和/或离心。在一个实施方案中，可使用热过滤以从生物质液体中分离聚羟基链烷酸酯。本文所用术语“热过滤”是指在至少约40℃，优选至少约50℃的温度进行过滤。在一个实施方案中，可使用热离心以从生物质液体中分离聚羟基链烷酸酯。本文所用术语“热离心”是指在至少约40℃，优选至少约50℃的温度进行离心。在一个实施方案中，在至少约70℃，可供选择地约80℃、可供选择的约90℃的温度，进行过滤或离心。
在一个实施方案中，使用高压离心分离机以提供更高的温度并增强分离可靠性。
IV.沉淀
然后，使富含PHA的液体与水混合以形成PHA沉淀和不纯的溶剂液体。以至少0.35份水对约一份溶剂，可供选择地以约0.35至约3份水对约一份溶剂，可供选择地以约1份水对约一份溶剂的比率，使水与富含PHA的液体混合。
在一个实施方案中，以约0.75至约1.5份水对约1份溶剂的比率，使水与富含PHA的液体混合。
在一个实施方案中，当富含PHA的液体与水混合时，使富含PHA的液体冷却至约20℃至约45℃的温度。
不受理论的限制，据信过少的水会造成溶胀/胶凝，以及溶剂和/或凝胶中其它杂质的夹带。不受理论的限制，还据信过度的水会造成较高的溶剂回收/再循环和处理成本。
通过选自螺旋桨、涡轮、匀化器、涂敷水的薄片层、移动带、高剪切搅拌器、以及它们组合的搅拌部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。可选择任何端速和P/V(功率比体积)比率以获得所需的产品形态。通过使用可进行径向和纵向搅拌的螺旋桨搅拌部件能够形成颗粒。通过使用涡轮搅拌部件可形成纤维或纤维PHA产品。通过使用匀化器搅拌部件可形成稍后会附聚的微细颗粒。
使用具有约0.0005至约1P/V比率的螺旋桨搅拌部件可产生具有约10微米至约2mm尺寸的颗粒。使用具有约0.005至约10P/V比率的涡轮类型可产生具有小于约5mm尺寸的纤维。
可将水加入到富含PHA的液体中或可将富含PHA的液体加入到水中。不受理论的限制，据信这种选择可影响所得PHA物质的形态。
当将富含PHA的液体加入到水中时，无需搅拌或在温和搅拌下可获得厚块状附聚物或纤维螺旋。使用涡轮搅拌部件可获得纤维或纤维螺旋。可改变加入水的速率和端速以获得较小或较大的纤维螺旋。使用高剪切匀化器可有助于将纤维或附聚物打碎成较小的颗粒。另一选择是将富含PHA的液体加入到涂敷水的表面或过滤器上以能够将PHA沉淀成薄膜、薄片、浆状物等。
当将水加入到富含PHA的液体中时，通过选自螺旋桨、涡轮、高剪切以及它们的组合的部件将富含PHA的液体和水混合在一起。当使用螺旋桨时，P/V比率可为约0.0001至约100，并且所得PHA形态典型为颗粒。当使用涡轮时，P/V比率可为约0.001至约1000，并且所得PHA形态典型为纤维。当使用高剪切时，P/V比率可至少为约100，并且可以是匀化器。当使用高剪切时，所得PHA形态典型为粉末。不受理论的限制，据信对径向和纵向液流的温和搅拌应能够产生良好的沉淀，同时几乎没有胶凝问题。
批量处理期间水的加入速率可大于水在约10分钟内加入的速率。在连续处理期间，将水与富含PHA的液体混合以使其比率类似于水与浓缩液体的比率。在连续处理期间，可通过泵来加入水，所述泵能够产生足够的速度以清除入口处的任何微细颗粒。优选地，避免通过浸没在溶液中的微细喷嘴来注入水。
V.回收
然后，从所述不纯的溶剂液体中回收PHA沉淀。可使用过滤来从不纯的溶剂液体中回收PHA沉淀，以得到回收的PHA沉淀和残余的不纯溶剂液体。
除了过滤以外，还可挤压和/或施压于所回收的PHA沉淀以除去任何残留的不纯溶剂液体。
除了过滤和/或其它回收方法以外，还可随后用溶剂洗涤所回收的PHA沉淀，所述溶剂选自丙酮、甲基乙基酮、短链酮、以及它们的混合物。
VI.干燥
在对所回收的PHA沉淀进行回收之后，在一个实施方案中，通过传统方法干燥所回收的PHA沉淀以除去任何残留的不纯溶剂液体。
VI.溶剂再循环
在从不纯溶剂液体中回收PHA沉淀的步骤之后，可通过本文过程和方法中的传统方法回收并再循环和/或再生溶剂液体。含有小于10％水的洗涤溶剂滤液可被直接再循环用于萃取，并且含有大于10％(优选大于5％水)水的滤液可被蒸馏以回收丙酮用于再循环。
VII.任选用氧化剂或表面活性剂后处理
在回收了PHA沉淀后，需要用氧化剂/漂白剂或表面活性剂对PHA进一步后处理以除去不可取的色素和/或气味。当用于本文中时，氧化剂的用量为约1份PHA需约0.0001至约0.5份氧化剂，可供选择地，约1份PHA需约0.01份氧化剂。当使用过氧化物时，对于1份PHA，典型使用0.01份活性过氧化物，作为稀释形式(即分散于水中)。当用于本文中时，表面活性剂的用量范围为约1份PHA需约0.005份表面活性剂。
可用于本发明的氧化剂/漂白剂包括空气、过氧化氢(H2O2)、次氯酸盐、漂白化合物(包括氯、溴和/或碘氧化剂)、过氧化苯甲酰、C9OBS、过硼酸盐、以及它们的混合物。
可用于本发明的表面活性剂包括胺氧化物、AES、和其它常见表面活性剂、以及它们的混合物。
用表面活性剂洗涤和/或用氧化剂处理，可获得：产生适度至显著颜色改善的色素去除(处理后获得更白的样本)、生物气味去除、和/或杂质减少。
在聚合物干燥期间，通过用氧化剂(如H2O2)和/或表面活性剂洗涤润湿的聚合物，和/或通过使用稀释的溶液，可用氧化剂和/或表面活性剂来处理聚羟基链烷酸酯。
在聚羟基链烷酸酯干燥期间，如果需要去除的杂质已知是可氧化的(如来自丙酮-水萃取/沉淀过程中的三丙酮胺杂质)，则使用氧化剂是尤其有用的。
VIII.任选的处理参数
如上所述，根据PHA沉淀中所需的形态类型(薄片、纤维、粉末、薄膜)，可改变处理参数，以获得上述形态。例如，(a)水加入顺序、速率、温度和比率，以及(b)搅拌类型，如温和(螺旋桨)、适度(涡轮)、和高剪切匀化器，确定了聚合物沉淀的形态。
除此之外，沉淀方法(搅拌并加入水)还可被用作获取纯聚合物形态(薄片、纤维、粉末、薄膜)并提高产品纯度的手段。
虽然本文中已非常谨慎地提供了选择上述参数的指导，但普通技术人员将意识到，部件操作条件或单独装置的最佳范围将根据原生物质的类型而变化。
因此，下列实施例进一步描述和证明了本发明范围内的优选实施方案。给出这些实施例仅仅是为了举例说明，而非解释为是对本发明的限制，因为在不背离本发明精神或范围的条件下可以对本发明进行许多改变。
实施例
实施例1：丙酮-水方法
在适度搅拌下，向100Kg包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约9％摩尔)的干燥生物质中，加入约900kg丙酮(含水量为3％的再循环、洗涤或新鲜丙酮)以形成浆液。然后，将生物质和丙酮浆液的混合物加热至约90℃，并保持约1小时，以使PHA从生物质中分离。然后，将处于约90℃温度和约3巴压力下的此溶液加压转移至过滤器(Nutsche过滤器)或离心机中。将使用过的生物质(固体)从包含PHA和丙酮的溶液中分离出来。然后，将包含PHA和丙酮的溶液转移至沉淀槽罐中，并同时以PHA-丙酮溶液加入速率一半的速率加入水。约450kg水用作沉淀溶剂。在沉淀期间，施加P/V为2KW/m3的适度搅拌。将PHA沉淀和溶剂转移至另一个Nutsche过滤器或离心机中，然后从PHA中分离出溶剂以形成PHA滤饼和用过的溶剂/滤液。挤压PHA滤饼以使PHA中夹带的溶剂最小化。然后，蒸馏含有丙酮和水的滤液(约66％的丙酮和33％的水)以回收丙酮用于再循环用途。在过滤器中，将约360kg新鲜或再循环的丙酮加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，从润湿的PHA滤饼分离出滤液。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的丙酮和水。丙酮洗涤后且包含小于约10％水的滤液可用于萃取PHA。在洗涤步骤期间，任选使用约0.01份活性H2O2(稀释于水中)∶1份PHA，以增强颜色和气味的改善。在真空和60℃，通过旋转干燥器来干燥润湿的PHA滤饼。制得约55kg干燥的PHA。
实施例2：丙酮-水方法
将约13.05克包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约6.5％摩尔)的生物质与100克丙酮混合。将混合物加入到实验室装置中，所述装置包括反应室和能够施以适度温度和压力的烧结金属过滤器。然后，将反应器在90℃下加热一小时。将反应器冷却至约60℃，并通过反应器底部的10微米过滤器过滤提取PHA。通过随后加入丙酮-水混合物，使PHA从滤液中沉淀出来。然后，以每1.0份滤液对0.5份水的比率加入额外的水。使用配以#40 Wbatman滤纸的Buchner漏斗，从PHA沉淀中过滤出水和丙酮。用丙酮漂洗滤出的PHA。将滤出的PHA铺展在表面玻璃上并使其风干过夜。观测到PHA的收率为约80％至85％。
实施例3：干燥过程期间使用H2O2处理的丙酮-水方法
将约13.05克包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约6.5％摩尔)的生物质与100克丙酮混合。将混合物加入到实验室装置中，所述装置包括反应室和能够施以适度温度和压力的烧结金属过滤器。然后，将反应器在90℃加热一小时。将反应器冷却至约60℃，并通过反应器底部的10微米过滤器过滤提取PHA。通过随后加入丙酮-水混合物，使PHA从滤液中沉淀出来。然后，以每1.0份滤液对0.5份水的比率加入额外的水。使用配以#40Whatman滤纸的Buchner漏斗，从PHA沉淀中过滤出水和丙酮。用丙酮并随后用水，漂洗滤出的PHA。在密闭容器中干燥润湿的滤饼，并在干燥过程结束时加入一些H2O2溶液(～0.01份稀释于水中的H2O2∶1PHA)。观测到PHA的收率为约80％至85％。
实施例4：在洗涤步骤期间使用胺氧化物洗涤的丙酮-水方法
搅拌下，向222Kg包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约6.7％摩尔)的干燥生物质中加入约1800kg丙酮以形成浆液。然后，将生物质和丙酮浆液的混合物加热至约90℃，并保持约1小时，以使PHA从生物质中分离。然后，将处于约90℃温度和约300kPa(3巴)压力下的此溶液加压转移至过滤器(Nutsche过滤器)中。将使用过的生物质(固体)从包含PHA和丙酮的溶液中分离出来。然后，将包含PHA和丙酮的溶液转移至底部包含丙酮和水的沉淀槽罐中，并同时以PHA-丙酮溶液加入速率一半的速率，加入水。约900kg水用作沉淀溶剂。将PHA沉淀和溶剂转移至另一个Nutsche过滤器中，然后从PHA中分离出溶剂以形成PHA滤饼和用过的溶剂/滤液。挤压PHA滤饼以使PHA中夹带的溶剂最小化。在PHA滤饼上进行4次洗涤。1)在过滤器中，将约600kg丙酮加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤从润湿的PHA滤饼中分离出丙酮。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的丙酮。2)在过滤器中，将约600kg水加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤从润湿的PHA滤饼中分离出水。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的水。3)在过滤器中，将约600kg 0.32％的烷基二甲基胺氧化物溶液加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤，从润湿的PHA滤饼中分离出烷基二甲基胺氧化物。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的烷基二甲基胺氧化物。4)在过滤器中，将约600kg水加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤从润湿的PHA滤饼中分离出水。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的水。在真空和60℃下，干燥润湿的PHA滤饼。制得约122kg干燥的PHA。
尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许多其它的变化和修改。因此，有意识地在附加的权利要求书中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
可生物降解的合成聚合物通常还被称为“生物塑胶”。由于它们的生产成本昂贵，因此还未在市场上取得巨大的成功。然而，生物工艺学的发展已产生成本降低的生产方法。具体地讲，如今通过大规模的细菌发酵，通常可制得可生物降解的脂族共聚酯。统称为聚羟基链烷酸酯或“PHA”的这些聚合物可在以发酵植物中葡萄糖供养的原生或重组细菌体内合成。如同它们的石化产品前体一样，PHA的结构性质以及由此而得的机械性质可被定制以符合所需最终产品的规格。然而，与它们的石化产品前体不同的是PHA既可需氧降解也可厌氧降解。
PHA是极其多样化的，并且已识别了多达100种不同的PHA结构。PHA结构可以两种方式变化。第一，PHA可根据R侧基的结构而变化，所述侧基形成了羟基链烷酸的侧链而不涉及PHA主碳链。第二，PHA可根据衍生出它们的单元数目和类型而变化。例如，PHA可以为均聚物、共聚物和三元共聚物。PHA结构中的这些变化是造成它们物理特性变化的原因。这些物理特性使得PHA可用于许多具有商业价值的产品中。
然而，为获得适于商业销售的任何类型PHA生物塑胶产品，需要确定能够产生显著量所需PHA的微生物有机体，并且需要确定用于从剩余生物质中分离出上述PHA的有效方法。随着对PHA生物合成途径的生物学知识不断加深，已可将微生物有机体用于制备显著量的PHA。
众多溶剂型或其它类型的萃取技术是本领域已知的，并可用于从细菌和植物(生物质)中萃取PHA。可使用溶剂型体系(包括单独使用或与其它溶剂组合使用丙酮、酮类的那些)、机械体系以及它们的组合来萃取PHA。然而，已知的溶剂型体系通常是低效的，并且难于应用于某些PHA的物理特性中(胶凝、降解等方面的问题)。更普遍的是双溶剂体系，但是这些双溶剂体系通常由于溶剂成本翻倍而昂贵，并且当试图回收/再使用两种溶剂时还会造成额外的回收步骤。
因此，需要一种更有效且经济的方法来从生物质中萃取PHA物质。上述方法应优选涉及可循环使用的溶剂，所述溶剂优选为环境友好的。此外，上述方法优选适于PHA物质的大规模连续生产。
发明概述
本发明者已惊奇地发现了一种用于从包含PHA聚合物的生物质中萃取PHA聚合物的方法，所述方法还具有改善的功效和降低的成本。
因此，本发明涉及用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：
a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与选自短链酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于约25％的水；
b)在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约10至约300分钟，可供选择的约10至约240分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约40℃的温度进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以至少约3份水对一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中所述溶剂选自丙酮、甲基乙基酮、以及它们的混合物。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体以至少约5至约30份溶剂对约一份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体以约15份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，所述温度为约70℃至约100℃。
本发明还涉及以上方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，通过使用选自螺旋桨、涡轮、螺旋运输器以及它们的组合的搅拌部件来进行搅拌。
本发明还涉及以上方法，其中所述搅拌部件具有约0.001KW/m3至约100KW/m3的功率/体积比率。
本发明还涉及以上方法，其中所述方法为连续方法，其中在搅拌所述生物质液体的步骤期间，通过使用配有螺旋运输器的栓塞流设计来进行搅拌。
本发明还涉及以上方法，其中将所述生物质液体搅拌一段时间，所述时间选自约30至约300分钟。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体包含小于15％的水。
本发明还涉及以上方法，其中所述生物质液体包含不可测量的量的水。
本发明还涉及以上方法，其中通过过滤和/或离心从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中通过热过滤和/或热离心从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中在至少约70℃的温度进行所述聚羟基链烷酸酯从所述生物质液体中的分离。
本发明还涉及以上方法，其中以约6至约8份水对约1份聚羟基链烷酸酯的比率，使所述水与所述富含PHA的液体混合。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中将所述水加入到所述富含PHA的液体中。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中将所述富含PHA的液体加入到所述水中。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中通过选自螺旋桨、涡轮、高剪切以及它们的组合的部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(d)中，通过选自高剪切、涂敷水的薄片层或移动带以及它们的组合的部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。
本发明还涉及以上方法，其中在将所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯溶剂液体的步骤中，将所述富含PHA的液体冷却至约20℃至约45℃的温度。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(e)中，通过过滤和/或离心，从所述不纯溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯，以得到回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯和剩余的不纯溶剂液体。
本发明还涉及以上方法，其中在通过过滤回收后，对所回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯进行挤压和/或施压以除去残余的不纯溶剂液体水。
本发明还涉及以上方法，其中在步骤(e)中，接着用选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂洗涤所回收的聚羟基链烷酸酯沉积。
本发明还涉及以上方法，其中所述方法还包括干燥所回收的沉淀的聚羟基链烷酸酯。
本发明还涉及以上方法，其中如果再循环洗涤溶剂中的水含量小于15％，所述方法还包括反复使用所述洗涤溶剂来直接萃取，以及回收和再循环残余的不纯溶剂液体。
本发明还涉及用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：
a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与选自丙酮、甲基乙基酮以及它们的混合物的溶剂混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体包含小于约5％的水；
b)在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约30至约240分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约50℃的温度进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以约5份至约30份水对约一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯；
其中所述聚羟基链烷酸酯包含至少两种无规重复单体单元，其中第一种无规重复单体单元具有以下结构：
并且第二种或高级无规重复单体单元具有以下结构：
其中R为C2至C7烷基或它们的混合物；其中约75％摩尔至约99％摩尔的无规重复单体单元具有第一种无规重复单体单元的结构，并且约1％摩尔至约25％摩尔的无规重复单体单元具有第二种无规重复单体的结构。
本发明还涉及用于从包含聚羟基链烷酸酯的生物质中萃取聚羟基链烷酸酯的改良方法，所述方法包括以下步骤：
a)使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与丙酮混合以形成生物质液体，其中所述生物质液体基本上不含水；
b)在约70℃至约100℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约30至约120分钟；
c)从所述生物质液体中分离出所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体，其中所述分离在至少约70℃的温度通过过滤进行；
d)使所述富含PHA的液体与水混合以形成沉淀的聚羟基链烷酸酯和不纯的溶剂液体，其中以约5份至约30份水对约一份聚羟基链烷酸酯的比率将所述水与所述富含PHA的液体混合；和
e)从所述不纯的溶剂液体中回收沉淀的聚羟基链烷酸酯。
f)用氧化剂、温和表面活性剂或温和漂白剂处理所述沉淀的聚羟基链烷酸酯，以增强颜色和气味。
附图简述
图1以分段格式描述了本文详述的特征实施方案示意图，包括混合、分离、沉淀、干燥和回收步骤。
发明详述
尽管本说明书在结尾的权利要求书中特别指出并清楚地要求保护本发明，但据信通过下列说明可更好地理解本发明。
在发明详述中引用的所有文献的相关部分均引入本文以供参考；任何文献的引用并不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。
除非另外指明，本文所用的所有百分数和比率均按总组合物的重量计，并且所有测量均在25℃进行。
“包括”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和其它成分。该术语包括术语“由...组成”和“基本上由...组成”。
本领域描述了几种可从生物质中萃取PHA的方法。这些方法包括通过使用酶、化学试剂、机械部件的PHA萃取和包括通过使用丙酮和酮类萃取的溶剂萃取。不受理论的限制，据信在特定条件下使用丙酮，可以(a)使所萃取PHA的收率和纯度达到最佳；和(b)将整个萃取过程中的步骤数减到最少，并从而至少部分实现经济商业化萃取PHA的目的。
前述本发明实施方案具有许多比现行所用方法优越的令人惊奇的优点。例如，本发明中公开的萃取方法使得收率和/或纯度改善和/或成本降低。不受理论的限制，据信本发明还可更有效地使用连续方法，这是由于与依照本文方法的大规模生产相关的方法的可靠性和有效性增加了。
本发明的另一个令人惊奇的优点是它具有在较低温度(低于150℃)萃取PHA的能力。不受理论的限制，从商业角度上看，温度因素是重要的，这是因为聚合物至少部分溶解时的温度和充分溶解所需的时间可影响资本成本和产品质量。例如，在较低温度经受一段较短时间的PHA典型具有较高的质量，并且增加了后面生产过程中的可用性。
本文的过程和方法还包括许多其它变型。本发明的过程和方法更详细地描述于下文中。
本发明涉及在选定的处理条件下，使用选自丙酮、甲基乙基酮、短链酮以及它们的混合物的溶剂，从生物质中萃取PHA的改良方法。本文所用短语“从生物质中萃取PHA”除了是指对由仅产生单一类型PHA的生物质所产生的PHA的萃取，在本文中还指，当所述生物质产生多于一种类型的PHA时，对一种或多种类型PHA的萃取。
此方法的步骤如下：
I.使包含聚羟基链烷酸酯的生物质与溶剂混合以形成生物质液 体
a)包含PHA的生物质
经由本发明方法，从原料来源中萃取聚羟基链烷酸酯(“PHA”)，所述原料来源包括但不限于单细胞生物体如细菌或真菌，和高级生物体如植物。本文中，这些原料来源统称为“生物质”。虽然生物质可由野生型生物体构成，但它们优选为遗传学操作的物种，专门设计用于产生培育者感兴趣的特定PHA。上述遗传学操作的生物体可通过插入外源DNA的已知方法来制得，所述DNA得自可在另一个生物体中自然产生PHA的细菌。
包含可用于本发明的PHA的生物质优选是基本干燥的。本文所用的“基本干燥的生物质”是指包含小于5％水的生物质。干燥生物质由已从其中除去液体的生物质构成，在开始萃取步骤之前，使用包括但不限于喷雾法或冷冻干燥法的方法从生物质中除去液体。在一个实施方案中，所述生物质包含小于2％的水。可供选择地，所述生物质包含小于0.1％的水。可供选择地，所述生物质包含不可测含量的水。
可用作本发明生物质的植物包括设计用于产生PHA的任何被遗传工程学方法改变的植物。优选的植物包括农作物，如粮谷、含油种子和块茎植物；更优选鳄梨、大麦、甜菜、蚕豆、荞麦、胡萝卜、椰子、干椰肉、玉米(玉米)、棉籽、葫芦、兵豆、利马豆、黍粒、绿豆、燕麦、油棕、豌豆、花生、马铃薯、南瓜、油菜籽(如低芥酸菜子)、稻米、甜高粱、大豆、糖料甜菜、甘蔗、向日葵、甘薯、烟草、小麦和山药。可用于本发明方法中的上述遗传学上改变的结实植物包括但不限于，苹果、杏、香蕉、香瓜、樱桃、葡萄、金橘、橘子、番茄和西瓜。优选地，依照Poirier，Y.、D.E.Dennis、K.Klomparens和C.Somerville的“Polyhydroxybutyrate，a biodegradable thermoplastic，produced in transgenic plants”(SCIENCE，第256卷第520至523页，1992)；和/或1997年7月22日公布的授予Michigan StateUniversity的美国专利5,650,555中所公开的方法，用遗传工程学方法改变所述植物，以产生PHA。尤其优选的植物是被遗传工程学方法改变以产生PHA的大豆、马铃薯、玉米和椰子植物；更优选大豆。
可用于本发明中的细菌包括设计用于产生PHA的任何被遗传工程学方法改变的细菌，以及可天然产生PHA的细菌。上述细菌的实施例包括公开于“ NOVEL BIODEGRADABLE MICROBIALPOLYMERS”(E.A.Dawes编辑，NATO ASI系列，系列E：“AppliedSciences”，第186卷，Kluwer Academic Publishers，1990)；1994年3月8日公布的授予Kanegafuchi Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha的美国专利5,292,860；1993年10月5日公布的授予MassachusettsInstitute of Technology的美国专利5,250,430；1993年9月14日公布的授予Massachusetts Institute of Technology的美国专利5,245,023；和/或1993年7月20日公布的授予Massachusetts Instituteof Technology的美国专利5,229,279中的那些。
优选地，所述生物质包含足量的聚羟基链烷酸酯(“PHA”)，以使本发明中所述的萃取方法在经济上是适宜的。优选地，生物质源物质中的PHA起始含量应为所述生物质总干重的至少约20％；可供选择地至少50％；可供选择地至少约60％。
b)结构柔韧的PHA：
在一个实施方案中，本发明PHA选自本文中称为“结构柔韧的”PHA的那些，以强调与特征在于较低共聚单体含量和较短R侧基的PHA相比，由较高共聚单体含量和较长R基团链长造成的物理性破坏，使得它们通常更加柔软，并更难于晶化(参见2000年3月28日公布的授予Monsanto的美国专利6,043,063，和/或2000年7月11日公布的授予Monsanto的美国专利6,087,471)。
在一个实施方案中，可用于本发明的这些结构柔韧的PHA由至少两种无规重复单体单元构成，其中第一种无规重复单体单元具有以下结构：
并且第二种或高级无规重复单体单元具有以下结构：
其中R为C3至C7烷基或它们的混合物；其中约75％摩尔至约99％摩尔的无规重复单体单元具有第一种无规重复单体单元的结构，并且约1％摩尔至约25％摩尔的无规重复单体单元具有第二种无规重复单体的结构。上述结构柔韧的PHA优选具有约80℃或更高的熔融温度(“Tm”)。
c)溶剂：
使包含PHA的生物质与溶剂混合以形成生物质液体。虽然在某些应用中可将水用作为溶剂，但本文所用术语“溶剂”不包括水。可用于本发明的溶剂选自短链酮。短链酮包括具有C3或较短碳链长度的那些酮。可用于本发明的短链酮包括丙酮、甲基乙基酮、以及它们的混合物。在一个实施方案中，溶剂为丙酮。
在一个实施方案中，所述生物质液体以至少约5份溶剂对约一份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。在另一个实施方案中，所述生物质液体以约5至约30份溶剂对约一份聚羟基链烷酸酯的比率包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。在另一个实施方案中，所述生物质液体以约10份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率；可供选择地以约20份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率；可供选择地以约15份溶剂对约1份聚羟基链烷酸酯的比率，来包含所述溶剂和所述聚羟基链烷酸酯。在一个实施方案中，所述生物质在溶液中包含约3.2％至约9％的PHA，可供选择地，所述生物质在溶液中包含约6.25％的PHA。
所述生物质液体包含小于约25％的水；可供选择地包含小于约15％；可供选择地小于8％；可供选择地小于约5％的水，可供选择地包含小于约2％的水，可供选择地，所述生物质液体包含不可测量的量的水。
II.搅拌
然后在约70℃至约120℃的温度范围内，将所述生物质液体搅拌约10至约300分钟，可供选择地搅拌约10至约240分钟。在一个实施方案中，在约70℃至约100℃的温度范围内，可供选择地在约85℃至约95℃的温度范围内，搅拌所述生物质液体。在一个实施方案中，将所述生物质液体搅拌约30至约300分钟；可供选择地搅拌约30至约120分钟；可供选择地搅拌约30至约60分钟。搅拌可以是连续性的或间歇性的。
在一个实施方案中，在约75℃至约85℃，优选约80℃的温度范围内，将所述干燥生物质与丙酮搅拌约55至约65分钟，优选约60分钟。
可用任何搅拌组合物的传统部件来进行搅拌。例如，可通过使用选自螺旋桨、涡轮、螺旋运输器或它们的混合物的搅拌部件来进行搅拌。在一个实施方案中，可通过使用配有螺旋运输器的栓塞流设计来进行搅拌。
在一个实施方案中，可通过使用具有约0.001KW/m3至约100KW/m3功率/体积比率的搅拌部件来进行搅拌。
在一个连续方法实施方案中，包括机械运输体系如螺旋运输器的栓塞流设计可用作为搅拌部件。
III.分离
然后，从所述生物质液体中分离所述聚羟基链烷酸酯以形成富含PHA的液体。所述分离在至少约50℃，优选至少70℃的温度进行。不受理论的限制，据信在小于约50℃时会发生胶凝，造成极差的可靠性/收率。
从生物质液体中分离生物质的方法包括过滤和/或离心。在一个实施方案中，可使用热过滤以从生物质液体中分离聚羟基链烷酸酯。本文所用术语“热过滤”是指在至少约40℃，优选至少约50℃的温度进行过滤。在一个实施方案中，可使用热离心以从生物质液体中分离聚羟基链烷酸酯。本文所用术语“热离心”是指在至少约40℃，优选至少约50℃的温度进行离心。在一个实施方案中，在至少约70℃，可供选择地约80℃、可供选择的约90℃的温度，进行过滤或离心。
在一个实施方案中，使用高压离心分离机以提供更高的温度并增强分离可靠性。
IV.沉淀
然后，使富含PHA的液体与水混合以形成PHA沉淀和不纯的溶剂液体。以至少0.35份水对约一份溶剂，可供选择地以约0.35至约3份水对约一份溶剂，可供选择地以约1份水对约一份溶剂的比率，使水与富含PHA的液体混合。
在一个实施方案中，以约0.75至约1.5份水对约1份溶剂的比率，使水与富含PHA的液体混合。
在一个实施方案中，当富含PHA的液体与水混合时，使富含PHA的液体冷却至约20℃至约45℃的温度。
不受理论的限制，据信过少的水会造成溶胀/胶凝，以及溶剂和/或凝胶中其它杂质的夹带。不受理论的限制，还据信过度的水会造成较高的溶剂回收/再循环和处理成本。
通过选自螺旋桨、涡轮、匀化器、涂敷水的薄片层、移动带、高剪切搅拌器、以及它们组合的搅拌部件，将所述富含PHA的液体和水混合在一起。可选择任何端速和P/V(功率比体积)比率以获得所需的产品形态。通过使用可进行径向和纵向搅拌的螺旋桨搅拌部件能够形成颗粒。通过使用涡轮搅拌部件可形成纤维或纤维PHA产品。通过使用匀化器搅拌部件可形成稍后会附聚的微细颗粒。
使用具有约0.0005至约1P/V比率的螺旋桨搅拌部件可产生具有约10微米至约2mm尺寸的颗粒。使用具有约0.005至约10P/V比率的涡轮类型可产生具有小于约5mm尺寸的纤维。
可将水加入到富含PHA的液体中或可将富含PHA的液体加入到水中。不受理论的限制，据信这种选择可影响所得PHA物质的形态。
当将富含PHA的液体加入到水中时，无需搅拌或在温和搅拌下可获得厚块状附聚物或纤维螺旋。使用涡轮搅拌部件可获得纤维或纤维螺旋。可改变加入水的速率和端速以获得较小或较大的纤维螺旋。使用高剪切匀化器可有助于将纤维或附聚物打碎成较小的颗粒。另一选择是将富含PHA的液体加入到涂敷水的表面或过滤器上以能够将PHA沉淀成薄膜、薄片、浆状物等。
当将水加入到富含PHA的液体中时，通过选自螺旋桨、涡轮、高剪切以及它们的组合的部件将富含PHA的液体和水混合在一起。当使用螺旋桨时，P/V比率可为约0.0001至约100，并且所得PHA形态典型为颗粒。当使用涡轮时，P/V比率可为约0.001至约1000，并且所得PHA形态典型为纤维。当使用高剪切时，P/V比率可至少为约100，并且可以是匀化器。当使用高剪切时，所得PHA形态典型为粉末。不受理论的限制，据信对径向和纵向液流的温和搅拌应能够产生良好的沉淀，同时几乎没有胶凝问题。
批量处理期间水的加入速率可大于水在约10分钟内加入的速率。在连续处理期间，将水与富含PHA的液体混合以使其比率类似于水与浓缩液体的比率。在连续处理期间，可通过泵来加入水，所述泵能够产生足够的速度以清除入口处的任何微细颗粒。优选地，避免通过浸没在溶液中的微细喷嘴来注入水。
V.回收
然后，从所述不纯的溶剂液体中回收PHA沉淀。可使用过滤来从不纯的溶剂液体中回收PHA沉淀，以得到回收的PHA沉淀和残余的不纯溶剂液体。
除了过滤以外，还可挤压和/或施压于所回收的PHA沉淀以除去任何残留的不纯溶剂液体。
除了过滤和/或其它回收方法以外，还可随后用溶剂洗涤所回收的PHA沉淀，所述溶剂选自丙酮、甲基乙基酮、短链酮、以及它们的混合物。
VI.干燥
在对所回收的PHA沉淀进行回收之后，在一个实施方案中，通过传统方法干燥所回收的PHA沉淀以除去任何残留的不纯溶剂液体。
VI.溶剂再循环
在从不纯溶剂液体中回收PHA沉淀的步骤之后，可通过本文过程和方法中的传统方法回收并再循环和/或再生溶剂液体。含有小于10％水的洗涤溶剂滤液可被直接再循环用于萃取，并且含有大于10％(优选大于5％水)水的滤液可被蒸馏以回收丙酮用于再循环。
VII.任选用氧化剂或表面活性剂后处理
在回收了PHA沉淀后，需要用氧化剂/漂白剂或表面活性剂对PHA进一步后处理以除去不可取的色素和/或气味。当用于本文中时，氧化剂的用量为约1份PHA需约0.0001至约0.5份氧化剂，可供选择地，约1份PHA需约0.01份氧化剂。当使用过氧化物时，对于1份PHA，典型使用0.01份活性过氧化物，作为稀释形式(即分散于水中)。当用于本文中时，表面活性剂的用量范围为约1份PHA需约0.005份表面活性剂。
可用于本发明的氧化剂/漂白剂包括空气、过氧化氢(H2O2)、次氯酸盐、漂白化合物(包括氯、溴和/或碘氧化剂)、过氧化苯甲酰、C9OBS、过硼酸盐、以及它们的混合物。
可用于本发明的表面活性剂包括胺氧化物、AES、和其它常见表面活性剂、以及它们的混合物。
用表面活性剂洗涤和/或用氧化剂处理，可获得：产生适度至显著颜色改善的色素去除(处理后获得更白的样本)、生物气味去除、和/或杂质减少。
在聚合物干燥期间，通过用氧化剂(如H2O2)和/或表面活性剂洗涤润湿的聚合物，和/或通过使用稀释的溶液，可用氧化剂和/或表面活性剂来处理聚羟基链烷酸酯。
在聚羟基链烷酸酯干燥期间，如果需要去除的杂质已知是可氧化的(如来自丙酮-水萃取/沉淀过程中的三丙酮胺杂质)，则使用氧化剂是尤其有用的。
VIII.任选的处理参数
如上所述，根据PHA沉淀中所需的形态类型(薄片、纤维、粉末、薄膜)，可改变处理参数，以获得上述形态。例如，(a)水加入顺序、速率、温度和比率，以及(b)搅拌类型，如温和(螺旋桨)、适度(涡轮)、和高剪切匀化器，确定了聚合物沉淀的形态。
除此之外，沉淀方法(搅拌并加入水)还可被用作获取纯聚合物形态(薄片、纤维、粉末、薄膜)并提高产品纯度的手段。
虽然本文中已非常谨慎地提供了选择上述参数的指导，但普通技术人员将意识到，部件操作条件或单独装置的最佳范围将根据原生物质的类型而变化。
因此，下列实施例进一步描述和证明了本发明范围内的优选实施方案。给出这些实施例仅仅是为了举例说明，而非解释为是对本发明的限制，因为在不背离本发明精神或范围的条件下可以对本发明进行许多改变。
实施例
实施例1：丙酮-水方法
在适度搅拌下，向100Kg包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约9％摩尔)的干燥生物质中，加入约900kg丙酮(含水量为3％的再循环、洗涤或新鲜丙酮)以形成浆液。然后，将生物质和丙酮浆液的混合物加热至约90℃，并保持约1小时，以使PHA从生物质中分离。然后，将处于约90℃温度和约3巴压力下的此溶液加压转移至过滤器(Nutsche过滤器)或离心机中。将使用过的生物质(固体)从包含PHA和丙酮的溶液中分离出来。然后，将包含PHA和丙酮的溶液转移至沉淀槽罐中，并同时以PHA-丙酮溶液加入速率一半的速率加入水。约450kg水用作沉淀溶剂。在沉淀期间，施加P/V为2KW/m3的适度搅拌。将PHA沉淀和溶剂转移至另一个Nutsche过滤器或离心机中，然后从PHA中分离出溶剂以形成PHA滤饼和用过的溶剂/滤液。挤压PHA滤饼以使PHA中夹带的溶剂最小化。然后，蒸馏含有丙酮和水的滤液(约66％的丙酮和33％的水)以回收丙酮用于再循环用途。在过滤器中，将约360kg新鲜或再循环的丙酮加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，从润湿的PHA滤饼分离出滤液。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的丙酮和水。丙酮洗涤后且包含小于约10％水的滤液可用于萃取PHA。在洗涤步骤期间，任选使用约0.01份活性H2O2(稀释于水中)∶1份PHA，以增强颜色和气味的改善。在真空和60℃，通过旋转干燥器来干燥润湿的PHA滤饼。制得约55kg干燥的PHA。
实施例2：丙酮-水方法
将约13.05克包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约6.5％摩尔)的生物质与100克丙酮混合。将混合物加入到实验室装置中，所述装置包括反应室和能够施以适度温度和压力的烧结金属过滤器。然后，将反应器在90℃下加热一小时。将反应器冷却至约60℃，并通过反应器底部的10微米过滤器过滤提取PHA。通过随后加入丙酮-水混合物，使PHA从滤液中沉淀出来。然后，以每1.0份滤液对0.5份水的比率加入额外的水。使用配以#40 Wbatman滤纸的Buchner漏斗，从PHA沉淀中过滤出水和丙酮。用丙酮漂洗滤出的PHA。将滤出的PHA铺展在表面玻璃上并使其风干过夜。观测到PHA的收率为约80％至85％。
实施例3：干燥过程期间使用H2O2处理的丙酮-水方法
将约13.05克包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约6.5％摩尔)的生物质与100克丙酮混合。将混合物加入到实验室装置中，所述装置包括反应室和能够施以适度温度和压力的烧结金属过滤器。然后，将反应器在90℃加热一小时。将反应器冷却至约60℃，并通过反应器底部的10微米过滤器过滤提取PHA。通过随后加入丙酮-水混合物，使PHA从滤液中沉淀出来。然后，以每1.0份滤液对0.5份水的比率加入额外的水。使用配以#40Whatman滤纸的Buchner漏斗，从PHA沉淀中过滤出水和丙酮。用丙酮并随后用水，漂洗滤出的PHA。在密闭容器中干燥润湿的滤饼，并在干燥过程结束时加入一些H2O2溶液(～0.01份稀释于水中的H2O2∶1PHA)。观测到PHA的收率为约80％至85％。
实施例4：在洗涤步骤期间使用胺氧化物洗涤的丙酮-水方法
搅拌下，向222Kg包含约60％PHA(聚羟基丁酸酯和聚羟基己酸酯的共聚物，聚羟基己酸酯为约6.7％摩尔)的干燥生物质中加入约1800kg丙酮以形成浆液。然后，将生物质和丙酮浆液的混合物加热至约90℃，并保持约1小时，以使PHA从生物质中分离。然后，将处于约90℃温度和约300kPa(3巴)压力下的此溶液加压转移至过滤器(Nutsche过滤器)中。将使用过的生物质(固体)从包含PHA和丙酮的溶液中分离出来。然后，将包含PHA和丙酮的溶液转移至底部包含丙酮和水的沉淀槽罐中，并同时以PHA-丙酮溶液加入速率一半的速率，加入水。约900kg水用作沉淀溶剂。将PHA沉淀和溶剂转移至另一个Nutsche过滤器中，然后从PHA中分离出溶剂以形成PHA滤饼和用过的溶剂/滤液。挤压PHA滤饼以使PHA中夹带的溶剂最小化。在PHA滤饼上进行4次洗涤。1)在过滤器中，将约600kg丙酮加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤从润湿的PHA滤饼中分离出丙酮。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的丙酮。2)在过滤器中，将约600kg水加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤从润湿的PHA滤饼中分离出水。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的水。3)在过滤器中，将约600kg 0.32％的烷基二甲基胺氧化物溶液加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤，从润湿的PHA滤饼中分离出烷基二甲基胺氧化物。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的烷基二甲基胺氧化物。4)在过滤器中，将约600kg水加入到润湿的PHA滤饼中，并在温和搅拌下用于洗涤PHA滤饼。然后，通过过滤从润湿的PHA滤饼中分离出水。然后，挤压润湿的滤饼以除去尽可能多的水。在真空和60℃下，干燥润湿的PHA滤饼。制得约122kg干燥的PHA。
尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许多其它的变化和修改。因此，有意识地在附加的权利要求书中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。