CN104350034A

CN104350034A - 可再生丙烯酸生产和自其制备的产物

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Publication number: CN104350034A
Application number: CN201380030263.0A
Authority: CN
Inventors: S·哈里斯; K·A·斯帕克斯; O·P·皮普尔斯; Y·沙布泰; C·W·J·麦克查利彻; J·范瓦尔森; C·米尔利; D·施韦泽
Original assignee: Metabolix Inc
Current assignee: CJ CheilJedang Corp; CJ Research Center LLC
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: BR112014030203A2; CN104350034B; US20150183708A1; BR112014030203B1; WO2013185009A1; US9850192B2

Abstract

在此描述了用于自可再生碳资源制备生物基丙烯酸产物和物品的工艺和方法，这些生物基丙烯酸产物包括丙烯酸、丙烯酸低聚物、丙烯酸酯、丙烯酸聚合物。

Description

可再生丙烯酸生产和自其制备的产物

本申请要求2012年6月8日提交的美国临时申请号61/657,297、2012年11月30日提交的美国临时申请号61/732,011以及2013年3月7日提交的美国临时申请号61/773,924的权益。以上申请的全部传授内容通过引用结合在此。

背景技术

随着减少的石油资源、波动的能源价格以及环境问题，从可再生、低成本、碳资源生产生物基化学品的高效节能生物炼制工艺的研发提供一种独特的解决方案以克服基于石油的化学品的增加的局限性。

具有许多工业用途且可以使用一种生物炼制工艺制造的一个化学品种类是丙烯酸酯，如丙烯酸和丙烯酸酯。对这些化学品的市场需求经估计为接近4百万公吨/年，大致在丙烯酸与丙烯酸酯之间分离。此化学品的总体市场规模为约$110亿/年，且每年计划增长率为约4％。增长是由中国和印度的新兴消费者市场推进，所述新兴消费者市场使用丙烯酸作为如个人护理用品(尿布、卫生垫)、清洁剂、絮凝剂、聚合物、涂料、胶粘剂以及密封剂产物的一种中间产物。

目前，基于石油的丙烯酸的商业生产是通过一种两阶段工艺来进行，通过该两阶段工艺丙烯(乙烯/汽油生产的副产物)在空气中部分氧化。丙烯酸酯生产的可再生途径也在研发中且其包括以下工艺，如从经遗传工程改造微生物的发酵直接生产丙烯酸、从经遗传工程改造的微生物(如随后以化学方式转化成丙烯酸的甘油、乳酸、丁烯酸以及3-羟基丙酸酯)生产小分子中间产物或通过当被加热至高温时生产丙烯酸的经遗传工程改造微生物来生产如聚羟基丙酸酯(PHA)的聚合中间产物。生物生产的PHA聚合物的热解是用于获得丙烯酸和其酯的一个特别有利的途径，因为其避免低产物产率的问题和与在微生物中直接生成小分子化学品相关的细胞毒性。然而，工艺应该另外使在PHA生物质的热解期间生成且连同丙烯酸一起回收的杂质的产生减到最少。

因此需要研发制造丙烯酸的生物炼制工艺，该生物炼制工艺不仅解决化学品的产率、纯度以及成本的改良而且使用对环境具有更加正面影响的可持续起始材料。

本发明的发明内容

本发明通常是关于从可再生碳资源生产一种高纯度、高产率、生物基丙烯酸产物的整合的生物炼制工艺，一种由来自这些工艺的生物基丙烯酸产物制成的合成聚合物以及由该聚合物制成的物品。从可再生碳资源制备生物基丙烯酸产物(例如丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酸聚合物)和物品的工艺和方法描述于本文中。这些工艺可为一种连续工艺或一种分批工艺。在某些实施例中，一种分批工艺对于通过后续工艺从生物质生产丙烯酸产物是有利的。

在一个方面，描述一种从经遗传工程改造的微生物生物质生产一种丙烯酸产物的工艺，该经遗传工程改造的微生物生物质代谢葡萄糖或任何其他可再生原料以在微生物细胞内产生聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)均聚物或共聚物，接着通过受控加热包含P3HP均聚物或共聚物的生物质与一种催化剂来形成丙烯酸产物。如在此所描述的丙烯酸产物包括(但不限于)：丙烯酸、丙烯酸的二聚物、丙烯酸的三聚物、丙烯酸的四聚物、丙烯酸的低聚物(如5个或更多单体、10个或更多单体、15个或更多单体的低聚物)、聚丙烯酸、丙烯酸酯(acrylic acid ester)、丙烯酸盐、丙烯酸酯(acrylate)或丙烯酸的其他衍生物及其组合。

生物质中P3HP的水平以总生物质的重量计典型地大于10％。此生物工艺的优势包括使用一种可再生碳源作为原料材料、通过经遗传工程改造的微生物以极高产率生产P3HP而无对宿主细胞有害的毒性作用(在一些情况下其降低工艺效率)以及通过使用一种催化剂和/或加热以高产率及高纯度生产生物基丙烯酸产物。

在某些方面，来自一个宿主生物体的一种重组经工程改造P3HP生物质充当一种用于将含3-羟基丙酸酯的聚合物转化成有用的中间产物丙烯酸或丙烯酸产物的可再生来源。在一些实施例中，可再生原料的一个来源选自葡萄糖、果糖、蔗糖、阿拉伯糖、麦芽糖、乳糖、木糖、乙醇、甲醇、甘油、脂肪酸、植物油以及生物质衍生合成气体或这些中的两者或更多者的组合。随后在一种催化剂存在下处理自本发明的一种方法所得的P3HP生物质以生产丙烯酸。在其他实施例中，在与催化剂组合之前洗涤P3HP生物质。在某些实施例中，在与催化剂组合之前不洗涤P3HP生物质。在其他实施例中，在与催化剂组合之前干燥P3HP生物质。在某些实施例中，在加热之前使经干燥的含或不含催化剂的P3HP生物质与一种工艺流体组合以便提高从一个外部热源传递热量到固体P3HP生物质的效率，由此通过防止形成不反应的聚合物来提高丙烯酸产物的产率。在室温下工艺流体或“热传递流体”可以是一种液体或一种固体。在某些实施例中，工艺进一步包括通过如冷凝的一般方法来回收丙烯酸产物和/或其他挥发物(热传递液体)。

在某些实施例中，进一步加工丙烯酸以便生产其他所需商品和特殊产物，例如聚丙烯酸聚合物、丙烯酸共聚物、聚丙烯酸酯、丙烯酸酯共聚物、超强吸收性材料、膜、非编织织物及类似物。在另一个实施例中，使经干燥的P3HP生物质与过量C₁-C₁₂醇和一种催化剂混合，加热至多24小时以回流该醇。在反应结束时，形成一种丙烯酸酯且可以分离该丙烯酸酯以分离该酯以便进一步加工。反应被称为一种“可伸缩合成”，由此在单个反应容器中进行一连串化学反应。在此情况下，第一反应是P3HP聚合物与醇的转酯化以形成一种烷基-3-羟基丙酸酯，接着是一个脱水反应，由此最终形成一种丙烯酸酯。如通过ASTM D6866所测量最终丙烯酸酯的生物基含量可以是从约20％到约100％，取决于醇是基于石油的还是生物基。

已经通过一种野生型或经遗传工程改造的P3HP生产生物体中的基因的引入和/或基因的删除来遗传修饰包含P3HP的用以生产生物质的宿主生物体，该P3HP生产生物体形成从便宜的可再生原料合成P3HP的菌株。美国公开号20120129232A1(通过引用以其全文结合在此)中提供生产P3HP的一种示例性的路径且应理解还可以引入或抑制有助于此路径的另外的酶改变用于P3HP的所希望的生产。

在一个方面，本发明提供一种生产一种生物基丙烯酸产物的工艺。在本发明的方面中的任一个的某些实施例中，产物中的丙烯酸具有100％生物基碳含量(例如如通过¹⁴C同位素分析根据ASTM D6866所测定¹⁴C/C至少等于1.2×10^-12)。在本发明的方面中的任一个的另一个实施例中，产物中的丙烯酸具有大于90％的生物基碳含量(例如如通过¹⁴C同位素分析根据ASTM D6866所测定¹⁴C/C至少等于1.2×10^-12)。

第一方面的工艺包括将包括聚-3-羟基丙酸酯、任选地一种催化剂以及热传递流体的一种经遗传工程改造的生物质组合；加热该生物质与催化剂以使聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸产物。在某些实施例中，丙烯酸产物的产率是基于产物中的一克丙烯酸/克聚-3-羟基丙酸酯按重量计至少80％或更大、按重量计至少85％或更大，并且存在的有机杂质的量按重量计小于1％，并且丙烯酸产物的生物基碳含量是至少90％、至少95％或至少98％。经遗传工程改造重组宿主生产3-羟基丙酸酯聚合物。

在本发明的第一方面的一个实施例中，用于本发明的工艺的经遗传工程改造的生物质是来自具有聚-3-羟基丙酸酯路径的重组宿主，其中该宿主具有经遗传工程改造的微生物以在具备葡萄糖或甘油时生产3-羟基丙酸，其中该微生物将3-羟基丙酸转化成3-羟基丙酰辅酶A(3-hydroxypropionyl-CoA)且将3-羟基丙酰辅酶A聚合成聚-3-羟基丙酸酯。

在本发明的第一方面的另一个实施例中或与本发明的其他实施例组合，使用可再生原料培养重组宿主以生产聚-3-羟基丙酸酯生物质。随后在催化剂存在下处理所生产的生物质以生产丙烯酸产物，其中丙烯酸产物的产率是按重量计至少85％，例如按重量计86％、按重量计87％、按重量计88％、按重量计89％、按重量计90％、按重量计91％、按重量计92％、按重量计93％、按重量计94％、按重量计95％、按重量计96％、按重量计97％、按重量计98％、按重量计99％或按重量计100％。

在方面中的任一个的一个实施例中或与本发明的其他实施例组合，可再生原料的来源选自葡萄糖、果糖、蔗糖、阿拉伯糖、麦芽糖、乳糖、木糖、乙醇、甲醇、甘油、脂肪酸、植物油以及生物质衍生的合成气体或其组合。

在方面中的任一个的一个实施例中或与本发明的其他实施例组合，催化剂改良聚-3-羟基丙酸酯的热稳定性且导致热降解以出现高于未催化的聚合物60℃-70℃。在方面中的任一个的另一个实施例中，将在热解温度下沸腾的一种热传递流体与丙烯酸一起气化并回收，自丙烯酸分离该热传递流体并且随后在热解之前将热传递流体加回到P3HP生物质，或将在热解温度下不沸腾但与用过的生物质一起保留且分别被回收的热传递流体添加到P3HP生物质。

在一个第二方面，本发明也涉及通过在此所描述的工艺生产的一种生物基丙烯酸产物。在某些方面，所生产的产物中的丙烯酸的量是85％或大于85％，且总有机杂质小于1％。

在一个第三方面，本发明涉及从可再生资源生产的一种聚-3-羟基丙酸酯生物质，该聚-3-羟基丙酸酯生物质适合作为一种用于生产丙烯酸产物的原料，其中生物质中的聚-3-羟基丙酸酯的水平以该生物质的重量计大于30％。

在一个第四方面，本发明涉及一种生产一种生物基丙烯酸丁酯产物的工艺，该工艺包括将一种包括聚-3-羟基丙酸酯、正丁醇以及一种催化剂的经遗传工程改造的生物质组合；加热该生物质与正丁醇以及催化剂以回流15-24小时；以及将聚-3-羟基丙酸酯转化成一种具有至少80％的产率的丙烯酸丁酯产物，并且丙烯酸产物的生物基碳含量是至少40％。在第四方面的某些实施例中，用于丙烯酸的酯化的催化剂是硫酸、氢氯酸、磷酸、三氟乙酸酐、对甲苯磺酸、甲烷磺酸、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或粘土、氧化锌(ZnO)、氯化锌(ZnCl₂)、氯化铁(FeCl₃)、AMBERLYST^TM15树脂酸催化剂以及二月桂酸二丁基锡。在某些实施例中，正丁醇具有0％生物基含量或至多且包括100％生物基含量，例如80％、85％、90％、95％、98％、99％。在此所描述的方面中的任一个的其他实施例或本发明的实施例中，未使该生物质热解。

在方面中的任一个的某些实施例或本发明的实施例中，生物质宿主是细菌、酵母菌、真菌、藻类、蓝藻细菌或其任何两种或更多种的混合物。用于生物质的细菌包括(但不限于)大肠杆菌(Escherichia coli)、富养产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus)(被重新命名为富养罗尔斯通氏菌(Ralstoniaeutropha))、芽孢杆菌(Bacillus)属、广泛产碱杆菌(Alcaligenes latus)、固氮菌属(Azotobacter)、气单胞菌属(Aeromonas)、丛毛单胞菌属(Comamonas)、假单胞菌(Pseudomonad)(假单胞菌属(Pseudomonas)、罗尔斯通氏菌属(Ralstonia)、克雷伯氏菌属(Klebsiella))、聚球藻属(Synechococcus)PCC7002、聚球藻属PCC 7942、集胞藻(Synechocystis)属PCC 6803以及细长嗜热聚球藻(Thermosynechococcus elongatus)BP-I(蓝藻细菌)、绿硫菌(Chlorobium tepidum)(绿色硫细菌(green sulfur bacteria))、橙色绿屈挠菌(Chloroflexus auranticus)(绿色非硫细菌(green non-sulfurbacteria))、微温着色菌(Chromatium tepidum)以及酒色着色菌(Chromatiumvinosum)(紫色硫细菌(purple sulfur bacteria))、深红红螺菌(Rhodospirillumrubrum)、荚膜红细菌(capsulatus)以及沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)。在其他实施例中，重组宿主是藻类。藻类包括但不限于微小小球藻(Chlorella minutissima)、浮水小球藻(Chlorella emersonii)、富油小球藻(Chlorella sorokiniana)、椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)、小球藻属或原始小球藻(Chlorella protothecoides)。

在本发明的某些实施例中，从3-羟基丙酸酯(3HP)单体以化学方式合成聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)到约300-3×10⁶道尔顿的分子量，随后加热以生产一种丙烯酸产物。3HP单体的来源可为由可再生碳生产的生物起源的(参见美国专利号7,186,541、8,030,045以及8,048,624)或来自石油起源或两种的混合物。将由3HP的化学合成生成的P3HP产物任选地与催化剂和/或热传递流体混合，随后在惰性氛围下加热以生产丙烯酸蒸气，随后通过冷凝或本领域中已知的其他方法来回收该丙烯酸蒸气。因此如通过ASTMD6866所测定的所得丙烯酸的生物基含量在0％到100％范围内。

在方面中的任一个的本发明的某些实施例或本发明的实施例中，方法包括在约100℃到约350℃或约200℃到约350℃或从约225℃到300℃的温度下加热。在一些实施例中，加热使生物质的含水量降低到约5重量％或更小，例如4重量％或更小、3重量％或更小、2重量％或更小、1重量％或更小。在所描述的实施例中，加热持续例如从约30秒到约5分钟或从约5分钟到约2小时的时间周期。

在某些实施例中，从本发明的方面中的任一个获得的丙烯酸产物包括小于5％的非所需副产物，例如介于0.1％与约5％之间、介于约0.5％与约4％之间、小于约4％、小于约3％、小于约2％、小于约1％。举例来说，在某些方法中，二丙烯酸的存在已连接到分子量控制的问题、加工问题以及丙烯酸聚合物的产物性能变化，由此丙烯酸产物中此副产物的减少或排除是所希望的。

在本发明的方面中的任一个的某些实施例中，本发明的热解P3HP生物质的方法中的催化剂是硫酸氢钠、硫酸或磷酸。催化剂的重量百分比在约4％到约50％范围内。在方面中的任一个的特定实施例中，催化剂的重量％在约5％到约10％范围内，并且加热是在250℃下。

在本发明的方面中的任一个的某些实施例中，热传递流体是己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、γ-丁内酯、50热传递流体、66热传递流体、72热传递流体、VP-1热传递流体或VP-3热传递流体、SH热传递流体或LH热传递流体、A热传递流体、MR热传递流体或OR热传递流体。可以在加热之前添加热传递流体并且在加热温度下沸腾或可替代地在加热温度下不沸腾。在某些实施例中，热传递流体与生物质一起保留并且可以被再循环，或者，从丙烯酸产物回收热传递流体。在某些实施例中，在室温下热传递流体是一种固体或一种液体。

在本发明的方面中的任一个的某些实施例中，进一步回收丙烯酸产物。

在本发明的方面中的任一个的某些实施例中，催化剂是按重量计5％的硫酸氢钠并且加热是在250℃的温度下。加热时间可以是从约30秒到约2小时。

在所有实施例和本发明的方面中通常在大气压下进行加热但也可以在较高压力下。

在特定实施例中，描述一种生产一种生物基丙烯酸产物的工艺，该工艺包括将一种包括聚-3-羟基丙酸酯和任选地一种催化剂的经遗传工程改造的生物质组合；以及加热该生物质与催化剂以将聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸产物；其中丙烯酸产物的产率是至少80％或85％，并且丙烯酸产物的生物基碳含量是至少90％、至少95％或至少98％。

另外在本发明的方面中的任一个的某些实施例中，进一步利用已消耗的(残余)PHA减少的生物质用于能源开发，例如作为燃料以生成工艺蒸汽和/或热量并且使催化剂再生用于使用P3HP生物质进一步加工。

附图简要说明

图1是在275℃下热解的经洗涤-经干燥-经研磨的(washed-dried-ground，WDG)P3HP生物质的一个GC-MS曲线。

图2是来自图1的5.6分钟滞留时间处的GC峰的一个质谱(上方)。匹配5.6分钟峰的质谱库(下方)展示其被鉴定为丙烯酸(2-丙烯酸)。

图3是来自图1(上方)的15.2分钟滞留时间处的GC峰的质谱和来自通过在空气中在120℃-130℃下加热丙烯酸与1000ppm的对苯二酚10小时所生成的二丙烯酸(下方)的一个质谱。

图4是展示在自丙烯的氧化生产丙烯酸期间形成二丙烯酸的一个反应方案。

图5是不含催化剂(实线)、含按重量计5％的NaHSO₄(短划线)以及含按重量计5％的H₂SO₄(点划线)的经洗涤-经干燥-经研磨的(WDG)P3HP生物质的重量百分比损失对比温度的热解重量曲线。

图6是展示自P3HP生物质生产生物基丙烯酸的实验室规模热解设备的一个示意图。

图7是使用FAST^TM热解器自P3HP生物质生产生物基丙烯酸的生物炼制设备的一个示意图。

图8是来自在400℃下热解1分钟的羟基异丁酸钠的热降解产物的一个总离子色谱图。

图9是来自在500℃下热解的羟基异丁酸钠的热降解产物的一个总离子色谱图。

图10是在700℃下热解的羟基异丁酸钠的热降解产物的总离子色谱图。

图11是来自在400℃下羟基丁酸钠的热解的总离子色谱图的一个放大图，该放大图示出了甲基丙烯酸甲脂(5.63分钟处)和甲基丙烯酸(6.49分钟处)的峰。

图12是来自图11的5.63分钟处的色谱峰的一个质谱(顶部)。也示出了匹配甲基丙烯酸甲酯的NIST光谱库(底部)。

图13是来自图11的6.49分钟处的色谱峰的一个质谱(顶部)。也示出了匹配甲基丙烯酸的NIST光谱库(底部)。

图14是来自图11的4.2分钟处的色谱峰的一个质谱(顶部)。也示出了匹配甲基丙烯醛(methacrylaldehyde)或异丁烯醛(methacrolein)的NIST光谱库(底部)。

发明详细说明

本发明的实例实施例的说明如下。

本发明提供自生产聚-3-羟基丙酸酯聚合物(P3HP生物质)的经遗传工程改造的微生物制造生物基丙烯酸和丙烯酸产物的工艺和方法。另外，也涵盖通过这些产物制得的物品。出于本发明的目的，P3HP经界定为也包括3-羟基丙酸酯与3-羟基丁酸酯、4-羟基丁酸酯、3-羟基戊酸酯、4-羟基戊酸酯、5-羟基戊酸酯、3-羟基己酸酯、3-羟基辛酸酯以及乳酸或其任何组合的共聚物，其中共聚物中的3-羟基丙酸酯的百分比大于共聚物中的单体的50％、60％、70％、80％、85％、90％或优选地大于共聚物中的单体的95％。在某些实施例中，使用在此所描述的重组宿主来生产用于生产丙烯酸产物的P3HP生物质。已遗传构造这些重组宿主以通过操控(例如抑制和/或过度表达)P3HP路径中的某些基因来提高生物质中的P3HP的产率而提高P3HP的产率。在一种发酵工艺中生产P3HP生物质，在该发酵工艺中将经遗传工程改造的微生物馈入一个可再生基底。可再生基底包括发酵原料，如糖、植物油、脂肪酸、醇、甘油或由植物农作物材料生产的合成气体。在来自糖基底的生物质中所生产的P3HP的水平大于生物质的总干燥重量的10％(例如20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％)。随后将P3HP生物质与一种催化剂组合并加热以将P3HP热分解成生物基丙烯酸或其他丙烯酸产物。以下反应示出了聚-3-羟基丙酸酯到丙烯酸的热转化：

在此描述基于使用可再生碳来源以在一种生物质中生产一种生物基聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)聚合物的制造丙烯酸产物的替代工艺，随后将该生物基聚-3-羟基丙酸酯聚合物转化成生物基丙烯酸产物。

目前生物基、生物可降解的聚合物(如聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate，PHA))是在生物质系统中生产，这些生物质系统是如微生物生物质(例如包括蓝藻细菌、酵母菌、真菌的细菌)、植物生物质或藻类生物质。已经工程改造经遗传修饰的生物质系统，其以高产率生产多种多样的生物可降解的PHA聚合物和共聚物(李(Lee)(1996)，生物技术及生物工程(Biotechnology&Bioengineering)49:1-14；布朗艾格(Braunegg)等人(1998)，生物技术杂志(J.Biotechnology)65：127-161；麦迪逊L.L.(Madison L.L.)和哈思曼G.W.(Huisman G.W.)(1999)，聚-3-羟基烷酸酯的代谢工程改造(Metabolic Engineering ofPoly-3-Hydroxyalkanoates)；微生物学与分子生物学综述(Microbiol.Mol.Biol.Rev.)63：21-53中的从DNA到塑料(From DNA to Plastic))。用于使用3-羟基丙酸酯作为一种单体组分生产PHA的经遗传工程改造的生物质系统已被描述于美国专利号6,329,183、6,576,450以及8,114,643和美国专利申请案号13/359,978中，这些专利和专利申请案通过引用结合在此。在安德森(Andreesen)等人(2010)，应用与环境微生物学(Applied and EnvironmentalMicrobiology)，8月，第76卷，第15期，第4919-4925页中提供形成包含聚酯的3-羟基丙酸酯的生物合成路径的一个较好综述。

PHA众所周知聚合物是在加热到其熔点和超过其熔点时易于降解的热不稳定化合物(科尼尔森(Cornelissen)等人，燃料(Fuel)，87，2523，2008)。此通常是在加工聚合物以形成产物时的一个限制因素，然而，可以利用这些产物创建由100％可再生资源起始的生物基、化学制造工艺。

在把聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)加热到200℃-350℃时，该聚-3-羟基丙酸酯通过随机链断裂通过顺式消除而热降解成挥发性丙烯酸(2-丙烯酸)(金(Kim)等人(2008年)，聚合物降解与稳定性(Polymer Degradation andStability)，93：776-785)。如在此所描述在某些实施例中，将低成本催化剂添加到一种经遗传工程改造的P3HP生物质以既提高P3HP降解成丙烯酸的速率又使在丙烯酸的生产期间自发形成的丙烯酸低聚物(如二丙烯酸)的形成减到最少(巴斯夫(BASF)技术数据表见于网页：2.basf.us/businesses/chemicals/acrylates/pdfs/acry-dim.pdf)。回收丙烯酸并且使便宜的催化剂与残余生物质一起留下或可任选地在适合的再生(包括热再生)之后被再循环回到加工过程。将催化剂反应与特定地遗传修饰组合，生产丙烯酸的高产率P3HP生产生物质是传统的基于石油的工艺的一种低成本且环保的替代物。

用于生产P3HP的重组宿主与代谢路径

作为经修饰且新颖的材料的生产平台的宿主(例如细菌、真菌、藻类植物及类似物)的遗传工程改造提供化学品的生产的高价值工业应用的一种可持续解决方案。在此描述自一种经遗传修饰的重组聚羟基烷酸酯(PHA)生物质生产单体组分和其他经修饰化学品的工艺方法。在此所描述的工艺通过在培养后或在收集后生产生物基化学品来避免对宿主生物体的毒性作用，这些工艺是经济的且高度有效的(例如使用更少能源来制备)，减小温室排放物，使用可再生资源并且可以经进一步加工来以高产率生产高纯度化学品和聚合产物。

如在此所用，“PHA生物质”打算意指包括非天然存在量的聚羟基烷酸酯聚合物(PHA)的任何经遗传工程改造的生物质。野生型PHA生物质是指在自然界中一个生物体典型地产生的PHA的量。在某些实施例中，在与不含PHA路径中的一个或多个基因的过度表达或抑制的宿主相比时已提高PHA的生物质效价(g/L)。在某些实施例中，以干细胞重量百分比(％wdc)形式或以克PHA/千克生物质形式报告PHA效价。在一些实施例中，PHA生物质的一个来源是一种植物农作物、细菌、酵母菌、真菌、藻类、蓝藻细菌或其任何两个或更多个的一种混合物。

“过度表达”是指通过一种引入到宿主细胞中的DNA编码的一种多肽或蛋白质的表达，其中多肽或蛋白质通常不存在于宿主细胞中，或其中多肽或蛋白质以一个比来自编码多肽或蛋白质的内源性基因通常所表达的水平更高的水平存在于宿主细胞中。“抑制”或“下调”是指编码一种多肽或蛋白质的一种基因的压制或删除。在一些实施例中，抑制意思指灭活在路径中产生一种酶的基因。在某些实施例中，所引入的基因是来自一种异源生物体。

已研发具有如大肠杆菌的快速生长生物体的经遗传工程改造的微生物PHA生产系统。遗传工程改造允许野生型微生物的修饰来改进特定PHA共聚物的生产或来引入通过将具有不同基底特异性或甚至动力学特性的PHA生物合成酶添加到天然系统而产生不同PHA聚合物的能力。这些类型的系统的实例描述于施泰因布希尔(Steinbuchel)及瓦伦汀(Valentin)，FEMS微生物学通讯(FEMS Microbiol.Lett.)128：219-28(1995)中。PCT公开号WO 1998/04713描述使用遗传工程改造控制分子量来控制PHA合成酶的水平的方法。用于生产PHA的商业上适用的菌株(包括富养产碱杆菌(重新命名为富养罗尔斯通氏菌)、广泛产碱杆菌、维涅兰德固氮菌(Azotobactervinlandii)以及假单胞菌)揭示于李，生物技术及生物工程49:1-14(1996)和布朗艾格等人，(1998)，生物技术杂志65：127-161中。在一些实施例中，生物质的一个来源包括细菌、大肠杆菌(E.coli)。大肠杆菌可以是已经遗传工程改造来表达或过度表达一个或多个PHA的一个来源。示例性的菌株、发酵、培养基以及馈入条件描述于美国专利号6,316,262；6,323,010；6,689,589；7,081,357；7,202,064以及7,229,804中。

也可使用且进一步操控天然地产生PHA的宿主来提高PHA产率。这类生物体的实例包括富养罗尔斯通氏菌、广泛产碱杆菌以及固氮菌属，但许多其他的为本领域的普通技术人员熟知(布朗艾格等人1998，生物技术杂志65：127-161)。使用如由皮柏斯(Peoples)和辛斯基(Sinskey)(1989，生物化学杂志(J.Biol.Chem.)164，15298-15303)所描述的标准技术来完成二醇脱水酶的引入。随后对于增加的对3-羟基丙醛的抗性而言可以选择使用经遗传工程改造的宿主。在其他实施例中，也可以利用有益于这些生物体中的P3HP均聚物的产生的突变。举例来说，特定的突变包括灭活β-酮硫酶和/或乙酰乙酰辅酶A还原酶基因。因为这些基因通常是熟知的和可获得的或可分离的，可以容易地进行基因中断，如例如由斯雷特(Slater)等人，1998(细菌学杂志(J.Bacteriol.))180(8)：1979-87所描述。

丙烯酸(也称为2-丙烯酸)打算意指具有化学式C₃H₄O₂的羧酸。丙烯酸是一种可溶于水中且完全可混溶于醇、醚以及氯仿中的透明、无色液体。丙烯酸是最简单的不饱和羧酸，具有一个双键和一个羰基。丙烯酸包括丙烯酸根离子和盐。如在此所用，“丙烯酸酯”是指丙烯酸的酯形式。在此包括这些丙烯酸形式作为一种丙烯酸产物。

可以使用本领域中已知的技术来构造包含将编码使一种碳物质转化成一种PHA的酶路径的必需基因的重组宿主。

将以下一般方法用于生成转基因大肠杆菌PHB生产者：(1)在适合的质体(如pUC18NotI或pUC18SfiI)的多酶切点接头中选殖一种无启动子抗生素抗性(antibiotic resistance，abr)基因使得多酶切点接头的主要部分在abr的上游；(2)接着在abr基因的上游且以与abr基因相同的取向选殖phb基因；(3)切除phb-abr卡盒作为一个NotI或AvrII片段(AvrII识别pUC18SfiI中的SfiI位点)并且在类似来自pUT或pLOF序列的质体的任何质体的相关联的位点中选殖该phb-abr卡盒；(4)使所得质粒维持在大肠杆菌Λ菌株中且对其进行电致孔或将其结合至选定的并未复制这些质粒的大肠杆菌菌株中；以及(5)根据宿主的选择性培养基(例如在宿主耐萘啶酸(naladixicacid resistant)时是萘啶酸)和卡盒的选择性培养基(例如氯胺苯醇、卡那霉素、四环素、氯化汞、毕拉草)选择其中已将phb-abr卡盒成功地整合到染色体中的新颖菌株。在用于生长和PHB形成的葡萄糖存在下根据基本培养基筛选所得PHB整合体。可以对此通用程序进行修改。可以使用本领域中熟知的技术来构造包含将编码使一种碳基底转化成PHA的酶路径的必需基因的重组宿主。

举例来说，对于丙烯酸单体的生产而言，需要一种生产P3HP的经遗传工程改造的宿主。对于聚-3-羟基丙酸酯的生产而言，可以使用如描述于美国专利号6,329,183、6,576,450、7,202,064、8,114,643和美国专利申请号13/359,978中的重组宿主的重组宿主。一般来说，如果宿主生物体不天然产生PHA，那么可以引入用于P3HP路径的基因。举例来说，为了直接从碳水化合物原料生产P3HP聚合物，宿主可以进一步经工程改造以表达甘油-3-磷酸脱氢酶和甘油-3-磷酸酶。这类重组大肠杆菌菌株和用于其构造的方法为本领域中已知(在1998年10月27日德国艾尔茅(Elmau)联合工程改造基础代谢工程改造II会议提出的安东D.(Anton D.)“1,3-丙二醇的生物生产(Biological production of 1,3-propanediol)”；PCT WO 1998/21339；安德森等人(2010)，应用与环境微生物学，8月，第76卷，第15期，第4919-4925页)。

适合的宿主菌株

在某些实施例中，宿主菌株是大肠杆菌K-12菌株LS5218(斯帕特(Spratt)等人，细菌学杂志146(3)：1166-1169(1981)；詹金斯(Jenkins)和纳恩(Nunn)，细菌学杂志169(1)：42-52(1987))。其他适合的大肠杆菌K-12宿主菌株包括(但不限于)MG1655(盖耶(Guyer)等人，冷泉港定量生物学研讨会(Cold Spr.Harb.Symp.Quant.Biol.)45：135-140(1981))、WG1以及W3110(巴赫曼(Bachmann)，细菌学综述(Bacteriol.Rev.)36(4)：525-57(1972)))。或者，大肠杆菌菌株W(阿切尔(Archer)等人，生物医学中心基因组学(BMC Genomics)2011，12：9，doi：10.1186/1471-2164-12-9)或大肠杆菌菌株B(德尔布鲁克(Delbruck)和卢里亚(Luria)，生物化学集刊(Arch.Biochem.)1：111-141(1946)))以及其衍生物如REL606(连斯基(Lenski)等人，美国博物学家(Am.Nat.)138：1315-1341(1991))是其他适合的大肠杆菌宿主菌株。

其他示例性微生物宿主菌株包括但不限于：富养罗尔斯通氏菌、枝状动胶菌(Zoogloea ramigera)、酒色等着色菌(Allochromatium vinosum)、赤红球菌(Rhodococcus ruber)、食酸戴尔福特菌(Delftia acidovorans)、豚鼠气单胞菌(Aeromonas caviae)、集胞藻属PCC 6803、细长聚球藻(Synechococcus elongatus)PCC 7942、普氏荚硫菌(Thiocapsa pfenigii)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、鲍氏不动杆菌(Acinetobacterbaumannii)、贝氏不动杆菌(Acinetobacter baylyi)、克鲁氏梭菌(Clostridiumkluyveri)、扭脱甲基杆菌(Methylobacterium extorquens)、橘红诺卡菌(Nocardia corralina)、橙红诺卡菌(Nocardia salmonicolor)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、食油假单胞菌(Pseudomonas oleovorans)、假单胞菌属6-19、假单胞菌属61-3以及恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)、广泛产碱杆菌、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirillumsucciniciproducens)、产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)、产琥珀酸曼氏杆菌(Mannheimia succiniciproducens)、埃特里根瘤菌(Rhizobiumetli)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)、谷胺酸棒状杆菌(Corynebacteriumglutamicum)、氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、雷特氏乳球菌(Lactococcus lactis)、植物乳酸杆菌(Lactobacillus plantarum)、天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)以及丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)。示例性的酵母或真菌包括选自以下各项的物种：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)、马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、土曲霉(Aspergillus terreus)、黑曲霉(Aspergillus niger)和毕赤酵母(Pichia pastoris)。

示例性的藻类菌株物种包括但不限于：小球藻菌株，选自以下各项的物种：微小小球藻、浮水小球藻、富油小球藻、椭圆小球藻、小球藻属或原始小球藻。

重组基因的来源

一种P3HP路径酶的编码核酸的来源可以包括例如其中经编码的基因产物能够催化所提及的反应的任何物种。这类物种包括原核和真核生物体，包括(但不限于)细菌(包括古细菌和真细菌)和真核生物(包括酵母菌、植物、昆虫、动物以及哺乳动物(包括人类))。这类来源示例性物种包括例如大肠杆菌、酿酒酵母、克鲁氏酵母(Saccharomyces kluyveri)、克鲁氏梭菌、丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)、糖乙酸多丁醇梭菌(Clostridium saccharoperbutylacetonicum)、产气荚膜梭菌(Clostridiumperjringens)、艰难梭菌(Clostridium difficile)、肉毒梭菌(Clostridiumbotulinum)、酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)、破伤风形梭菌(Clostridium tetanomorphum)、破伤风梭菌(Clostridium tetani)、丙酸梭菌(Clostridium propionicum)、氨基丁酸梭菌(Clostridium aminobutyricum)、近端梭菌(Clostridium subterminale)、斯氏梭菌(Clostridium sticklandii)、富养罗尔斯通氏菌、牛分枝杆菌(Mycobacterium bovis)、结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)、牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)、阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)、嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)、假单胞菌属物种(包括铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、斯氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)、荧光假单胞菌)、微小小球藻、浮水小球藻、富油小球藻、椭圆小球藻、小球藻属、原始小球藻、智人、穴兔(Oryctolagus cuniculus)、类球红细菌(Rhodobacter spaeroides)、布氏嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterbrockii)、勤奋金属球菌(Metallosphaera sedula)、肠膜状明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、橙黄色叶绿素雷克萨斯菌(ChloroJlexusaurantiacus)、卡斯滕霍尔茨玫瑰弯菌(Roseiflexus castenholzii)、赤杆菌(Erythrobacter)、荷荷巴油(Simmondsia chinensis)、不动杆菌属物种(包括乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)和贝氏不动杆菌)、牙龈卟啉单胞菌、托科达硫化叶菌(Sulfolobus tokodaii)、硫磺矿硫化叶菌(Sulfolobus solfataricus)、嗜酸热硫化叶菌(Sulfolobus acidocaldarius)、枯草杆菌、蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus)、巨大芽孢杆菌、(Bacillus brevis)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、褐家鼠(Rattus norvegicus)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumonia)、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、超微眼虫藻(Euglena gracilis)、齿垢密螺旋体(Treponema denticola)、热乙酸穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)、海栖热孢菌(Thermotoga maritima)、嗜盐杆菌(Halobacterium salina rum)、嗜热脂肪土芽孢杆菌(Geobacillusstearothermophilus)、敏捷气热菌(Aeropyrum pernix)、野猪(Sus scrofa)、秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)、谷胺酸棒状杆菌、发酵氨基酸球菌(Acidaminococcusfermentans)、乳酸乳球菌(Lactococcus lac tis)、植物乳酸杆菌、嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)、假丝酵母(Candida)、土曲霉、戊糖片球菌(Pedicoccus pentosaceus)、运动发酵单胞菌、巴斯德醋杆菌(Acetobacterpasteurians)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)、巴氏真细菌(Eubacterium barkeri)、多毛拟杆菌(Bacteroides capillosus)、科利霍米尼斯厌氧干菌(Anaerotruncus colihominis)、嗜热盐碱厌氧菌(Natranaerobiusthermophilusm)、空肠曲状杆菌(Campylobacter jejuni)、流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)、粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)、无丙二酸柠檬酸杆菌(Citrobacter amalonaticus)、黄色粘球菌(Myxococcus xanthus)、具核梭杆菌(Fusobacterium nuleatum)、产黄青霉海洋γ变形杆菌(Penicilliumchrysogenum marine gamma proteobacterium)以及生产丁酸酯的细菌。举例来说，在此参考一种大肠杆菌宿主例示具有P3HP生物合成生产的微生物宿主(例如生物体)。然而，现在可获得超过550个物种的全基因组序列(这些序列的超过一半可在如国家生物技术信息中心公众数据库上获得)，包括395个微生物基因组和多种酵母菌、真菌、植物以及哺乳动物基因组，从相关的或远亲物种中的一个或多个基因(包括例如已知基因的同源、直系同源、旁系同源以及非直系同源基因置换与生物体之间的遗传更改的互换)中鉴定出编码必备的P3HP生物合成活性的基因是本领域中常规的和熟知的。因此，可以将在此参考一种具体生物体(如大肠杆菌)所描述的实现本发明的P3HP和其他化合物的生物合成的代谢更改容易地应用到其他微生物(包括原核和真核生物体等)。鉴于在此提供的传授内容和引导，本领域的普通技术人员将知道可以将一个生物体中所例示的一种代谢更改同样应用到其他生物体。

重组基因表达的适合的策略和表达控制序列

文献(格罗斯(Gross)，今日化学7(3)：21-29(1989)；奥林斯(Olins)和李(Lee)，Cur.Op.生物技术(Cur.Op.Biotech.)4：520-525(1993)；微生物学综述(Microbiol.Rev.)60(3)：512-538(1996)；韩宁和，生物技术趋势(Trends in Biotech)16：54-60(1998))中已广泛地描述用于达成大肠杆菌中重组基因的表达的策略。表达控制序列可以包括构成性和诱导性启动子、转录强化子、转录终止子以及本领域中熟知的类似者。适合的启动子包括(但不限于)P_lac、P_tac、P_trc、P_R、P_L、P_trp、P_phoA、P_ara、P_uspA、P_rspU、P_syn(罗森堡(Rosenberg)和考特(Court)，遗传学年鉴(Ann.Rev.Genet.)13：319-353(1979)；霍利(Hawley)和麦克卢尔(McClure)核酸研究(Nucl.Acids Res.)11(8)：2237-2255(1983)；哈利(Harley)和雷诺兹(Raynolds)，核酸研究15：2343-2361(1987)；还有ecocyc.org和partsregistry.org)。

构造重组宿主

可以使用本领域中熟知的技术来构造包含将编码使一种碳基底转化成P3HP的酶路径的必需基因的重组宿主。

从一种来源生物体(宿主)获得所希望的基因的方法是分子生物学领域中常见的和熟知的。可以发现在例如萨布鲁克(Sambrook)等人，分子克隆实验指南(Molecular Cloning:A Laboratory Manual)，第三版，冷泉港实验室，纽约(2001)；奥斯贝(Ausubel)等人，最新分子生物学实验方法汇编(Current Protocols in Molecular Biology)，约翰威利父子公司(John Wileyand Sons)，巴尔的摩(Baltimore)，马里兰州(MD)(1999)中描述这类方法。举例来说，如果基因的序列是已知的，那么可以使用对所关注的基因具有特异性的引子使用聚合酶链式反应(穆利斯(Mullis)，美国专利号4,683.202)自基因组DNA扩增DNA以获得适合于接合到适当的载体中的DNA量。或者，可以以化学方式从头合成所关注的基因以便考虑宿主生物体的密码子偏倚以增强异源蛋白质表达。可以通过聚合酶链式反应使用包含这类序列的经工程改造的引子将表达控制序列(如启动子和转录终止子)附接到一种所关注的基因上。另一方式是通过限制性核酸内切酶消化和接合将经分离的基因以适当的顺序引入到一种已包含必需控制序列的载体中。此后一种方法的一个实例是BioBrick^TM技术(参看全球超媒体信息网biobricks.org)，其中可以以一种标准化方式通过使用相同的两个限制位点将多个DNA片依序组装在一起。

除使用载体之外，还可以通过使用一种目标方法或随机方法整合到染色体中来将对于使一种碳基底酶转化成P3HP而言必需的基因引入到一个宿主生物体中。对于目标整合到染色体上的一个特定位点中而言，如原先由达森科(Datsenko)和万内尔(Wanner)(美国国家科学院院刊(Proc.Natl.Acad.Sci.USA)，2000，97，6640-6645)所描述使用通常被称为Red/ET重组工程的方法。随机整合到染色体中涉及使用如由哈思曼(Huisman)等人(美国专利号6,316,262和6,593,116)所描述的一种微-Tn5转座子-介导方法。

培养宿主以生产P3HP生物质

一般来说，通过分批发酵技术或连续发酵技术使用本领域中已知的方法在一种具有一种碳源和其他基本营养物的培养基中培养重组宿主以生产P3HP生物质。也可以包括另外的添加剂，例如维生素B12、消泡剂以及类似者以达成所希望的生长条件。发酵特别地适用于P3HP聚合物的大规模生产。一种例示性方法使用生物反应器用于将发酵液培养和加工成所希望的产物。可以将其他工艺(如分离技术)与发酵组合用于不含生物质的P3HP聚合物的大规模和/或连续生产。

如在此所用，术语“原料”是指用作一种工业工艺中的一种碳原料的一种物质。在用于提及生物体(如微生物或藻类生物体)的培养(如一种使用细胞的发酵工艺)时，该术语是指用以向细胞供应一种碳或其他能源来源的原料。适用于从P3HP生物质生产丙烯酸的碳来源包括简单、便宜的来源，例如单独的或呈组合形式的葡萄糖、蔗糖、乳糖、果糖、木糖、麦芽糖、阿拉伯糖、乙醇、甲醇、甘油以及类似者。在其他实施例中，原料是糖蜜或淀粉、脂肪酸、植物油或一种木质纤维素材料以及类似者。还有可能使用生物体以生产P3HP生物质，该P3HP生物质生长在由可再生生物质资源生产的合成气体(CO₂、CO以及氢气)上。

P3HP路径基因的引入允许灵活地利用可易于获得的和便宜的原料。一种“可再生”原料是指一种可再生能源，如来源于活的生物体或其代谢副产物的材料(包括来源于生物质的材料)，该材料通常由未充分利用的组分(类似谷壳或秸秆)组成。专门生长以用作可再生原料的农业产物包括例如玉米、大豆、柳枝稷以及树(如白杨)、小麦、亚麻籽、以及油菜籽、甘蔗以及棕榈油。作为可再生能源和原材料，基于作物的农业原料是日益下降的油储备的最终替代品。植物使用太阳能和二氧化碳固定以制备数千复杂的和有作用的生物化学品，超过当前现代合成化学品的能力。这些包括精细化学品和散装化学品、药物、类药剂营养品、类黄酮、维生素、香料、聚合物、树脂、油、食品添加剂、生物着色剂、胶粘剂、溶剂以及润滑剂。

将P3HP生物质与热解催化剂组合

一般来说，在P3HP生物质的生产(例如培养)期间或之后，在适合的条件下将生物质任选地与一种催化剂组合以有助于使P3HP聚合物转化成一种高纯度丙烯酸产物，例如使生物质热解期间的二丙烯酸或较高分子量丙烯酸低聚物的形成减至最少。例如通过混合、絮凝、离心或喷雾干燥或本领域中已知的其他适合的方法将催化剂(呈固体或溶液形式)与生物质组合来促进生物质与催化剂的相互作用，以推进有效且特定地将P3HP转化成丙烯酸。在一些实施例中，在与催化剂组合之前首先洗涤生物质且随后干燥该生物质。随后在与催化剂组合之前使经干燥的生物质再悬浮于水中。在其他实施例中，在与催化剂组合之前不洗涤生物质，由此在发酵之后直接将催化剂添加到生物质并且随后干燥生物质+催化剂。可以例如在介于约100℃与约150℃之间的温度下进行干燥步骤且持续一定量的时间以使生物质的含水量减少到按重量计小于约5％干燥生物质。针对产物纯度和产率确定干燥的适合的温度和持续时间，并且在某些实施例中可以包括用于在延长的时间段中移除水的低温(如介于25℃与150℃之间)，或在其他实施例中可以包括在高温(例如高于450℃)下干燥较短持续时间。在“适合的条件”下是指抑制二丙烯酸或较高分子量丙烯酸低聚物的形成的条件。举例来说，在如在助剂或有助于反应产率的其他材料存在下使产物丙烯酸的产生达到最大的条件下。

如在此所用，“热解催化剂”是指一种引发或加速一种化学反应而在反应中自身不受影响或消耗并且在热解或涉及P3HP生物质的其他化学反应期间抑制非所需杂质或化学化合物的形成的物质。用于从P3HP生产生物基丙烯酸的适用的热解催化剂的实例包括具有低挥发性或非挥发性(例如在T≥200℃下非挥发性)的布朗斯泰德(布朗斯泰德)-洛雷(Lowry)酸或质子酸；这些酸的碱盐、碱土盐或氨盐以及这些在水中可溶解按重量计高达90％的催化剂中的任一个的混合物是适用的。在某些实施例中，催化剂降低开始发生P3HP聚合物的热分解的温度并且提高在某些热解温度(例如约200℃到约350℃)下热分解的速率。适合的催化剂的实例包括H₂SO₄、H₃PO₄或H₃BO₃、NaHSO₄、(NH₄)₂SO₄、ZnSO₄、CuSO₄、KHSO₄、(NH₄)₃PO₄·H₂O、NH₄NO₃以及AlCl₃。

在某些实施例中，按催化剂的重量计相对于生物质的干燥固体重量热解催化剂的量是约0.1％到约15％或约1％到约25％或4％到约50％或约4％到约50％。在一些实施例中，催化剂的量介于约7.5％与约12％之间。在其他实施例中，催化剂的量是干燥细胞重量的约0.5％、约1％、约2％、约3％、约4％、约5％、约6％、约7％、约8％、约9％或约10％或约11％或约12％或约13％或约14％或约15％或约20％或约30％或约40％或约50％或这些量之间的量。

如在此所用，在用于提及一个反应中的一种化学试剂时术语“充足量”打算意指可以满足化学反应的需求和所希望的产物纯度的所提及试剂的量。

热降解P3HP生物质

如在此所用，“加热”、“热解”、“热分解”以及“焙烧”是指使P3HP生物质热降解(例如分解)以转化成丙烯酸。一般来说，P3HP生物质的热降解是在高温下任选地在一种催化剂存在下发生，添加该催化剂使得二丙烯酸或更高分子量丙烯酸低聚物的形成减到最少或消除并且使发生热降解的速率提高。另外地，在加热之前可以将工艺流体任选地与P3HP生物质组合以便提高热量从一种外部热源传递到固体P3HP生物质的效率并且防止形成未反应的聚合物，这提高了整体丙烯酸产率。如在此所定义，“工艺流体”或“热传递流体”是指一种惰性液体或固体(在室温下)，它被添加到湿润或干燥的P3HP生物质以便在热解期间辅助热量在该生物质内流动，从而促进丙烯酸蒸气的形成。

在某些实施例中，用于在此所描述的工艺的加热温度介于约200℃与约400℃之间。在一些实施例中，加热温度是约200℃到约350℃。在其他实施例中，加热温度是约300℃。“热解”典型地是指在高温下在一段时间内生物质的热化学分解。持续时间可以在从数秒到数小时的范围内。在某些情形中，热解在氧气不存在下或在有限量的氧气存在下发生以避免氧化。P3HP生物质热解的工艺可以包括直接热传递或间接热传递。它们还可以包括使用一种热传递流体。热传递流体的目的是在热解期间迅速并且有效地将热能从热源传递到固体P3HP生物质并防止形成未降解或部分降解的P3HP。这是通过传导热传递和对流热传递的复杂组合来完成，由此流体与热源和P3HP生物质两者紧密接触。热传递流体的所希望的特性包括在使用温度下的高热容量、低粘度、低蒸气压、不可燃性、无毒性、低成本以及高热稳定性和氧化稳定性。如在此所用，术语热传递流体还指被称为工艺流体、热油、切割流体、热流体或热剂(thermicals)的材料。

加热P3HP生物质以释放丙烯酸的另一种方法被称为“闪速热解”，闪速热解是指在高温下迅速加热生物质以达到P3HP生物质的快速分解(例如生物质中的一种P3HP的解聚合)。闪速热解的实例是RTP^TM迅速热解。来自伊利诺斯州德斯普兰斯(Des Plaines)安佛坚特技术(Envergent Technologies)的RTP^TM技术和设备将原料转化成生物油。“焙烧”是指焙烧的工艺，其是一个本领域公认的术语，是指在高温下干燥生物质伴以水和有机挥发物的损失以生产具有增强的固体燃料特性的经焙烧生物质。与经干燥以仅移除游离水的生物质(例如常规的在105℃下烘箱干燥)相比经焙烧生物质典型地具有更高热值、更大体密度、对于经粉碎的燃料锅炉而言经改良的可磨性、提高的抗霉性和降低的水分敏感性。焙烧工艺典型地涉及典型地在氧气不存在下在从200℃-350℃的温度范围中加热一种生物质相对较长的持续时间(例如10-30分钟)。举例来说，工艺使得一种经焙烧的生物质具有小于生物质的7重量％的含水量。随后可以进一步加工经焙烧的生物质。在一些实施例中，在真空中、在大气压下或在经控制的压力下进行加热。在某些实施例中，不使用或减少使用石油生成的能源来完成加热。

在某些实施例中，在加热之前干燥P3HP生物质。或者，在其他实施例中，在P3HP生物质的热降解(例如加热、热解或焙烧)期间进行干燥。干燥减少生物质的含水量。在某些实施例中，在介于约100℃到约350℃之间(例如介于约200℃与约275℃之间)的温度下干燥生物质。在一些实施例中，经干燥的P3HP生物质具有5重量％或更小的含水量。

在某些实施例中，在加热之前将一种热传递流体与P3HP生物质或P3HP生物质/催化剂混合物组合。热传递流体的重量％按P3HP生物质的重量计可以是10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。也可以使P3HP生物质悬浮于热传递流体中，其中以流体的重量计P3HP生物质的重量％是50％、40％、30％、20％、10％、5％或1％。在另一个实施例中，热传递流体在加热P3HP生物质的温度下沸腾并且连同所产生的丙烯酸一起被回收。这些类型的热传递流体的实例包括如己酸、庚酸、辛酸、壬酸以及癸酸的脂肪酸、还有γ-丁内酯(gamma-butyrolactone，GBL)、如VP-1合成热传递流体和VP-3合成热传递流体(首诺公司(Solutia Inc.))的二苯醚/联苯醚。在另一个实施例中，热传递流体在加热P3HP生物质以生产丙烯酸蒸气的温度下不沸腾而是在将P3HP完全转化成丙烯酸之后与用过的生物质一起保留。这些热传递流体的实例包括50热传递流体、59热传递流体、66热传递流体以及72热传递流体(首诺公司)、SH热传递流体或LH(沙索(Sasol))、A热传递流体(化学集团(Chem Group))、MR热传递流体或OR热传递流体(帕拉公司(Paratherm Corp.))以及热传递流体(陶氏化学(Dow))。

在某些实施例中，进行P3HP生物质/催化剂混合物的加热充足的时间以有效地且特定地使P3HP生物质转化成丙烯酸。在某些实施例中，加热的时间周期是从约30秒到约1分钟、从约30秒到约1.5分钟、从约1分钟到约10分钟、从约1分钟到约5分钟或介于例如约1分钟、约2分钟、约1.5分钟、约2.5分钟、约3.5分钟之间的时间。

在其他实施例中，时间周期是从约1分钟到约2分钟。在另其他实施例中，加热持续时间是介于约5分钟与约30分钟之间、介于约30分钟与约2小时之间或介于约2小时与约10小时之间或大于10小时(例如24小时)的时间。

在某些实施例中，加热温度是在约200℃到约350℃的温度下，包括之间的温度，例如约205℃、约210℃、约215℃、约220℃、约225℃、约230℃、约235℃、约240℃、约245℃、约250℃、约255℃、约260℃、约270℃、约275℃、约280℃、约290℃、约300℃、约310℃、约320℃、约330℃、约340℃或345℃。在某些实施例中，温度是约250℃。在某些实施例中，温度是约275℃。在其他实施例中，温度是约300℃。

在某些实施例中，“回收”丙烯酸蒸气和/或热传递流体包括使在生物质的热解期间生成的蒸气冷凝。如在此所用，术语“丙烯酸蒸汽”包括组分丙烯酸、乙酸、二丙烯酸、生物质生成的脂肪酸、水、热传递流体以及在P3HP生物质的热解期间生产的任何其他副产物。如在此所用，当将术语“回收”应用于蒸气时其意思指使蒸气自P3HP生物质材料分离，例如包括(但不限于)：通过分级冷凝、分离方法(如使用膜)、气(例如蒸气)相分离(如蒸馏)以及类似者。因此，可以通过一种分级冷凝机制来完成回收，该分级冷凝机制采集热解蒸气、使蒸气中的丙烯酸和任何其他可冷凝化合物冷凝成液体形式、自较低和较高沸点的可冷凝组分分离丙烯酸并且传递全部组分离开生物质材料。

用于分离丙烯酸的一种分级冷凝器的操作已描述于美国专利号6,646,161中。一般来说，在使用一个热交换器将来自热解反应器的热丙烯酸蒸气冷却到100℃-180℃之后来自热解反应器的热丙烯酸蒸气进入分级冷凝塔的底部。该塔含有分离用内部构件(如鼓泡塔盘、筛板塔盘、浮阀塔盘或双流塔盘)用于由热分解反应器生产的热蒸气混合物的分级冷凝。随后使得丙烯酸蒸气升入塔中与分离用内部构件相互作用且分离成低沸点、中沸点以及高沸点馏分。为了使分离起作用存在多个可以位于塔的顶部部分、中间部分以及底部部分的冷却装置。取决于液体是否是低沸剂(接近塔顶部))、中沸剂(塔的中间部分)或也称为重物的高沸剂(塔的下部部分)，通过侧面自塔的不同部分离开来移除来自热蒸气混合物的经冷凝馏分。可以通过塔的中间部分中的一个安装的收集塔盘将粗丙烯酸作为一个中间沸点馏分移除。所存在的携载来自热解器的丙烯酸蒸气的惰性气体离开分级冷凝塔的顶部。典型地在0.8巴-3巴的压力和在-40℃到450℃范围内的温度下操作塔。在另一个实施例中，使来自塔的下部部分较高沸点可冷凝物或重物质(二丙烯酸、热传递流体)再循环回到热解室并且使其转化成丙烯酸蒸气(就二丙烯酸来说)或将其与新制P3HP生物质组合(就热传递流体来说)。在分级冷凝或吸收/蒸馏之后，可以通过生产一种99％丙烯酸的粗混合物的蒸馏和/或生产一种>99％丙烯酸的混合物的结晶作用来进一步纯化丙烯酸液体。

或者可以通过第一吸收(在一个逆流吸收塔中)将丙烯酸蒸气分离到一种较高沸点溶剂(T_b>160℃)中，在该溶剂中丙烯酸液体具有高溶解度。这类溶剂包括水、联二苯、二苯醚、邻苯二甲酸二甲酯、乙基己酸、N-甲基吡咯烷酮或这些溶剂的混合物。随后将混合物传送通过一个蒸馏塔来分离出吸收溶剂以形成粗丙烯酸并且随后将其传送到结晶作用以生产一种高纯度丙烯酸。

在某些实施例中，在分离之前、期间以及之后将一种聚合抑制剂添加到经冷凝的丙烯酸蒸气以便防止丙烯酸与自身反应而阻塞工艺设备。典型的聚合抑制剂包括在水中的按重量计0.001％-1％的对苯二酚、对苯二酚单甲基醚、叔丁基酚或亚硝基苯酚、1-烃氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-醇、亚甲基蓝、啡噻嗪、水杨酸盐、铜盐或这些聚合抑制剂的混合物。

在某些实施例中，在本发明的工艺中进一步包括从经热化的P3HP生物质回收催化剂。举例来说，在使用一种NaHSO₄催化剂时煅烧是一种适用的回收技术。煅烧是一种在矿物质、金属或矿石上进行的通过脱羧、脱水、有机物质的脱挥发分、相转变或氧化来改变材料的热处理工艺。通常在如膛式炉、竖炉、回转窖炉的反应器或更近的流化床反应器中进行该工艺。典型地煅烧温度在800℃-1000℃范围内，但煅烧也可以指在200℃-800℃范围内进行的加热。

在一种液体热传递流体存在时，为了在回收丙烯酸之后从生物质回收催化剂，将直接自热解或焙烧将用过的生物质残留物传递到一个过滤设备中以便分离出热传递流体。随后将传输来自过滤设备的沉淀物到一个煅烧反应器中并且在空气中持续加热生物质残留物到300℃-650℃一段时间以移除全部痕量的有机生物质。

在某些实施例中，选择性地将该工艺用于生产具有相对较小量的非所需副产物(例如丙烯酸的二聚产物(二丙烯酸)、丙烯酸的其他较高分子量低聚物或其他副产物)的丙烯酸产物。举例来说，在某些实施例中，以充足量使用一种特定的催化剂将减少非所需副产物的生产并且提高丙烯酸的产率至少1.3倍。在一些实施例中，将使非所需副产物的生产减少到至少30％、至少20％、至少10％、至少5％、至少1％或至少0.1％。在某些实施例中，非所需副产物将少于经回收丙烯酸的5％、少于经回收丙烯酸的4％、少于经回收丙烯酸的3％、少于经回收丙烯酸的1％或少于经回收丙烯酸的0.1％。

在此所描述的工艺可以提供表示为百分比产率的丙烯酸产率，例如在生长自作为一种碳源的葡萄糖时，基于经回收的丙烯酸的克数/克馈入到工艺的生物质中包含的P3HP计(以百分比形式报告)产率是至多95％。在其他实施例中，产率在介于40％与95％之间(例如介于50％与70％之间或介于60％与70％之间)的范围内。在其他实施例中，产率是约75％、约70％、约65％、约60％、约55％、约50％、约45％或约40％。

如在此所用，“丙烯酸”是指具有以下化学结构的化合物：

丙烯酸

术语“丙烯酸产物”是指一种包含至少70至多100重量％的丙烯酸的产物。举例来说，在某一实施例中，丙烯酸产物可以包含按重量计95％的丙烯酸和按重量计5％的副产物。在一些实施例中，丙烯酸产物中丙烯酸的量是按重量计至少71％、按重量计至少72％、按重量计至少73％、按重量计至少74％、按重量计至少75％、按重量计至少76％、按重量计至少77％、按重量计至少78％、按重量计至少79％、按重量计至少80％、按重量计至少81％、按重量计至少82％、按重量计至少83％、按重量计至少84％、按重量计至少85％、按重量计至少86％、按重量计至少87％、按重量计至少88％、按重量计至少89％、按重量计至少90％、按重量计至少91％、按重量计至少92％、按重量计至少93％、按重量计至少94％、按重量计至少95％、按重量计至少96％、按重量计至少97％、按重量计至少98％、按重量计至少99％或按重量计至少100％。在特定实施例中，通过在此所描述的工艺所生产的丙烯酸产物的重量百分比是85％或大于95％。

在其他实施例中，如果需要可以通过本领域中已知的另外的方法来进一步纯化丙烯酸产物，例如通过冷凝、分级冷凝、蒸馏、反应性蒸馏(例如首先酸化该丙烯酸产物以氧化某些组分(例如便于分离)并且随后蒸馏该丙烯酸产物)、通过过滤、使用活性碳处理以移除有色和/或臭味物体、通过离子交换处理、通过使用一种不可混溶丙烯酸的溶剂(例如非极性溶剂，类似环戊烷或己烷)液-液萃取以移除脂肪酸等、在丙烯酸回收之后纯化、通过结晶作用、通过真空蒸馏、通过萃取蒸馏或使用将引起进一步纯化丙烯酸产物以提高丙烯酸的产率的类似方法。也可以利用这些处理的组合以提高丙烯酸或丙烯酸产物的产率。

如在此所用，术语“残余生物质”是指在将PHA转化成小分子中间产物之后的生物质加任何热传递流体。随后通过过滤、离心、溶剂萃取或本领域中已知的其他分离手段来自生物质分离热传递流体。随后可以通过焙烧将生物质转化成一种可用的燃料，由此减少来自PHA生产的废物且自典型的焙烧工艺获得另外的有价值的日用化学品。在足以使残余生物质致密的温度下进行焙烧。在某些实施例中，将在此所描述的工艺与焙烧工艺整合，在该焙烧工艺中在已释放挥发性化学中间产物后持续热处理残余生物质以提供一种燃料材料。将由此工艺生产的燃料材料用于直接燃烧或经进一步处理以生产热解液体或合成气。总的来说，该工艺具有额外的优点，该优点是将残余生物质转化成一种较高价值的燃料，随后可以将该燃料用于电力和蒸汽的生产以为该工艺提供能源，由此排除废物处理的需要。

“碳足迹”是工艺对环境的影响(且尤其是气候改变)的测量。其是关于所产生的温室气体的量。

在某些实施例中，可能需要标记生物质的成分。举例来说，使用碳的一个同位素(例如¹³C)有意地标记以有助于结构测定或有助于其他手段可能是有用的。此是通过生长经遗传工程改造以表达这些成分(例如聚合物)的微生物来实现，但是在具有含¹³C碳源的生长培养基(如葡萄糖、丙酮酸等)而非普通培养基上生长细菌。以此方式可以均一地、部分地或在特定的位点处生产使用¹³C标记的聚合物。另外，使用¹⁴C标记(通过自植物衍生的糖来源生产聚合物)允许通过ASTM D6866(放射性碳年代测定法的一个工业应用)来测定来源于可再生或现代的塑料中的精确百分比。ASTM D6866测量材料的¹⁴C含量并且使用此值来计算生物基含量的百分比。因为因放射性衰变工艺所致基于化石的材料不再包含任何¹⁴C，ASTM D6866精确测量生物基含量的百分比并且消除市场上的可商购产物中的生物基含量的任何错误要求。

自3HP合成P3HP

在本发明的某些实施例中，以化学方式自3-羟基丙酸酯(3HP)单体合成聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)，随后加热P3HP以生产一种丙烯酸产物。3HP单体的来源可以是生物起源的来源(例如由可再生碳或由石油起源产生)或一种由可再生碳和石油来源产生的3HP的混合物。美国专利号7,186,541、8,030,045以及8,048,624描述重组细菌的使用，重组细菌已被转换以编码且表达在体内或体外生产3-羟基丙酸酯的酶。随后在好氧或厌氧条件下使用葡萄糖、蔗糖、果糖、右旋糖、三酸甘油酯、脂肪酸或其他碳基底来培养经转换的细胞以生产生物基3HP。美国专利8,114,643描述一种自微生物和植物生产基于石油的3HP方法，通过一种或多种酶的表达来遗传工程改造这些微生物和植物以转化二醇，这些酶选自下组，该组包括邻二醇脱水酶、醛脱氢酶、1,3-丙二醇氧化还原酶、甘油-3-磷酸脱氢酶以及甘油-3-磷酸酶。因为用以生产3HP的基底自身是基于石油的(1,2-丙二醇、1,3-丙二醇以及甘油)，3HP将具有等于0％的生物基含量。美国专利7,714,097描述一种将3HP转化成聚-3-羟基丙酸酯的工艺，该工艺通过首先使用一种对甲苯磺酸催化剂在甲苯中进行3HP(在水中20重量％)的自冷凝来生产巨环低聚物(3HP的三聚物)。随后使用一种烷氧化锌催化剂在二氯甲烷中将低聚物合成为聚-3-羟基丙酸酯产物。P3HP的分子量可以是从300道尔顿到3×10⁶道尔顿。

为了生成丙烯酸，将自如上文所描述的3HP的化学合成所生成的P3HP产物与催化剂和/或热传递流体混合，随后在惰性氛围下加热以生产随后通过冷凝或本领域中已知的其他方法来回收的丙烯酸蒸气。因此如通过ASTMD6866所确定所得丙烯酸的生物基含量是在0％到100％范围内，取决于用以生产P3HP聚合物的3HP的来源。

合成生物基丙烯酸酯和丙烯酸酯聚合物

在某些实施例中，进一步使丙烯酸反应以生产丙烯酸酯、丙烯酸聚合物、丙烯酸共聚物、丙烯酸酯聚合物或丙烯酸酯共聚物。丙烯酸烷酯是略微可溶于水中且完全可溶于醇、醚以及几乎全部有机溶剂中的透明的挥发性液体。最常见的丙烯酸的烷基酯是丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯以及丙烯酸2-乙基己酯。主要使用丙烯酸酯作为用于纸和纺织品的弹性纤维、油漆、墨水、胶粘剂以及涂料的生产中的一种单体或共单体。

存在若干种自丙烯酸制备丙烯酸酯的合成途径，并且这些合成途径包括直接酯化、转酯化以及酶定向酯化。在本领域(克里克奥思默(Kirk Othmer)化学技术百科全书(Encyclopedia of Chemical Technology)，第4版，1994第301-302页；乌尔曼(Ullmann)的工业化学百科全书(Encyclopedia ofIndustrial Chemistry)，第5版，第A1卷，第167-169页)中可以发现用于丙烯酸或甲基丙烯酸的直接酯化的诸多工艺。一般来说，直接酯化工艺使用均质酸或异质酸催化剂以在高温下使一种醇与丙烯酸上的羟基反应。美国专利申请2004/0147772描述一种工艺，在该工艺中将丙烯酸与按重量计5％-15％的酸(硫酸、对甲苯磺酸或甲磺酸)、一种经热处理的醇(如甲醇、乙醇或丁醇)以及0.2-0.5mmol的一种聚合抑制剂(如PZT或MEHQ)组合。抑制剂的添加和热处理是为了确保不出现丙烯酸的聚合。在70℃-80℃下进行醇的热处理1-2小时以便破坏在静置时已在醇中形成的任何过氧化物。同样在热处理之前，用分子筛干燥醇以使水浓度减少到按重量计低于1％。在90℃-100℃下酯化反应在一个经加热的反应器中发生，将该反应器连接到一个蒸馏塔上以便移除在酯化期间形成的水以帮助推进反应完成。酸性催化剂也可以包括具有酸性表面的固相、异质材料，如沸石、粘土、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或甚至阳离子交换树脂(DOWEX^TM阳离子交换树脂、AMBERLYST^TM阳离子交换树脂以及NAFION^TM阳离子交换树脂)。美国专利号5,426,199描述使用磺化的或磷酸化的苯乙烯-二乙烯基苯聚合物阳离子交换珠粒作为用于丙烯酸的酯化的酸性固相催化剂。因为通常将过量的醇用于酯化过程，此通常导致在与强酸催化剂组合时形成醚。使用阳离子交换树脂最小化醚的形成并且在被耗尽之前可以重复使用较长的时间段。

转酯化涉及一种丙烯酸酯与一种醇的反应，由此在反应之前存在于丙烯酸酯上的酯基团(R¹)被来自醇的有机基团(R²)取代。将该反应用以自脂肪酸甘油酯制备许多不同类型的聚酯以及生物柴油。可以由强酸或强碱来催化转酯化。强酸通过向羰基供给一个质子来催化反应，由此使得其成为一种更加有效的亲电子剂，而碱通过自醇移除一个质子来催化反应，由此使得其更加亲核。可以通过加热酯、酸/碱以及较大醇的混合物并且蒸发较小醇以推进平衡而由高纯度的甲基丙烯酸酯或乙基丙烯酸酯制成具有较大烷氧基的酯。

使用强酸(例如H₂SO₄)催化剂用于丙烯酸酯的一个缺点是存在导致丙烯酸酯在转酯化发生之前聚合(尤其在反应温度高于100℃时)的可能性。美国专利号5,827,939描述使用杂多酸催化剂用于丙烯酸酯的直接液相转酯化或丙烯酸的直接酯化，其通过使用高转化率和选择性防止非所需副产物的形成来克服这些局限性。该专利中选定的杂多酸催化剂包括H₃PMo₁₂O₄₀、H₃PW₁₂O₄₀以及H₄SiW₁₂O₄₀。这些催化剂可以在各反应之后再使用并且比无机酸催化剂更加环保且腐蚀性更小。在与反应期间所生成的醇形成一种共沸物的溶剂(如MIBK、苯、己烷或庚烷)中进行转酯化反应。随后蒸馏出水和溶剂以将其自最终丙烯酸酯移除。尽管使丙烯酸酯的聚合最小化，通常还要添加一种抑制剂(如PZT或MEHQ)。

美国专利号5,763,644描述使用碱性催化剂用于甲基丙烯酸甲酯与多元醇(如乙二醇或乙氧基化双酚A)的转酯化。转酯化催化剂主要包括氢氧化钾和烷氧化钾化合物，如氢氧化钾、甲醇钾或乙醇钾。反应在低到75℃-80℃的温度下发生。然而即使在这些条件下，还要添加一种聚合抑制剂，如PZT或对苯二酚。专利指明避免具有酸性氢的抑制剂，因为其减缓转酯化反应速率。

也可以通过酶介导的反应来进行丙烯酸单体和丙烯酸聚合物的酯化和转酯化。若干专利和公开概述适用于进行这些反应的条件和酶(加拿大专利号2,631,264；欧洲专利号A099229；帕维尔(Pavel)等人(2003)，大分子化学(Makromol.Chem.)，194，第3369-3376页；因帕拉肯(Inprakon)等人(2001)，设计单体与聚合物(Designed Monomer and Polymer)，第4卷，第95-106页)。已用于转酯化或酯化反应的酶通常是来自柱状假丝酵母(Candida cylindracea)、南极假丝酵母(Candida antarctica)、根毛霉(Rhizomocor miehei)以及拉努因索米曲霉(Thermomyces lanuginsoa)的脂肪酶。如见于催化剂435(诺维信公司(Novozymes Inc.))中的固定的脂肪酶还可用作为丙烯酸酯的转酯化或酯化的催化剂(瓦维尔(Warwel)等人(1996)，生物技术(Biotechnology Techniques)，第10卷，第4期，第283-286页)，该催化剂435使用来自南极假丝酵母的脂肪酶。使用催化剂该典型的反应条件要求将丙烯酸酯单体或丙烯酸酯聚合物溶解于一种适合的溶剂(如甲苯)中以及使醇或多元醇反应。或者，可以将丙烯酸酯溶解于参与酯化反应的醇(过量添加)中，将该醇作为溶剂。随后在搅拌情况下在温和条件(约60℃-85℃)下加热混合物至多24小时。随后过滤混合物以移除催化剂并且使用一种非溶剂蒸馏该混合物或使混合物沉淀以分离出丙烯酸酯。所报告的产率是在65％-94％范围内。

在某些实施例中，也可以直接由包含聚合物(如聚-3-羟基丙酸酯(P3HP))的干燥生物质生产丙烯酸酯，通过混合生物质+聚合物与过量的C₁-C₁₂醇(基于石油或生物基)和一种酯化催化剂(硫酸、盐酸、磷酸、三氟乙酸、对甲苯磺酸、甲烷磺酸、二月桂酸二丁基锡、氧化锌、氯化锌、氯化铁、沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、粘土或如DOWEX^TM、AMBERLYST^TM树脂酸催化剂以及NAFION^TM树脂的离子交换树脂)，加热该混合物以回流至多24小时且移除水，并且随后通过蒸馏或本领域中已知的其他分离方法分离丙烯酸酯。此类型的反应被称为“一锅式合成”或“可伸缩式合成”，其中在单个反应容器中对单个反应物(在此情况下是P3HP)进行连续的依序化学反应。此是非常希望的，因为其避免化学物中间产物的冗长的分离和纯化过程，节省时间和成本来提高反应效率。此反应中的催化剂既有助于醇与P3HP聚合物的转酯化反应以形成3-羟基丙酸酯的酯中间产物又有助于中间产物的脱水以形成丙烯酸酯。下文示出了对于使用H₂SO₄作为催化剂的生物质+P3HP与正丁醇的可伸缩式合成反应而言可以基于分批基础或连续基础进行的工艺的反应流程：

自丙烯酸酯单体制备聚合物和共聚物的程序为现有技术中所熟知。步骤通常包括将丙烯酸酯单体溶解于一种溶剂中，添加一种自由基引发剂、加热混合物经一段时间、随后通过沉积和洗涤回收丙烯酸酯聚合物。美国专利4,085,264和4,301,266描述生产低分子量(M_w<4000)丙烯酸聚合物和甲基丙烯酸聚合物的程序。通常在有机溶剂(如甲苯、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、异丙醇)或水中进行聚合。典型的自由基引发剂包括偶氮-双-异丁腈(AIBN)、叔丁基过氧化物、过氧化苯甲酰以及过氧化4,4’-二硝基苯甲酰。将等份聚合物和溶剂以及约0.1％-0.5％的引发剂混合在一起。随后在减压下加热混合物到120℃-200℃。通过移除溶剂回收聚合物，其中通过薄膜蒸发或喷雾干燥来移除溶剂。最终步骤是使用一种碱(如KOH)中和聚合物。

美国专利号3,872,063和4,656,222描述使用水乳液聚合生产极高分子量的丙烯酸酯(M_w>1×10⁶)。也可以使用此合成技术进行丙烯酸与丙烯酰胺的共聚。在此反应中需要一种自由基引发剂以及一种界面活性剂以帮助在聚合期间和之后稳定乳液。美国专利号3,872,063使用山梨糖醇单硬脂酸酯作为引发剂催化剂和乳液稳定剂。

为了主要基于丙烯酸单体合成水吸收树脂，以一种均质水溶液形式、以一种凝胶聚合形式或以一种单体在水中的悬浮液形式发生自由基反应(美国专利号7,157,598)。典型地丙烯酸单体的一部分以碱金属盐形式形式存在。所利用的引发剂是水溶性有机过氧化物、有机过氧化氢、过硫酸盐化合物、过硼酸盐化合物以及偶氮化合物。在合成中也可以利用这些自由基引发剂的混合物。为了制备一种超强吸收性聚合物，在丙烯酸聚合物的合成期间还添加二官能、三官能或多官能单体，如N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇二(甲基丙烯酸酯)或三烯丙基胺。

二官能或多官能单体化合物起聚丙烯酸聚合物链的交叉连接作用，由此使得其不可溶于水，又能够在水存在下溶胀以形成在本领域中称为水凝胶的物质。

本发明的合成超强吸收性聚合物的一个重要特征是在使用体液溶胀时的聚合物粒子区或层的渗透性或导流性。在此根据超强吸收性聚合物的盐水导流性(SFC)值界定此渗透性或导流性。SFC测量在使用压力下溶胀水凝胶区或层的转移或分配体液的能力。相信在一种超强吸收性聚合物以高浓度存在于一种吸收剂部分中并且随后在使用压力下溶胀以形成一种水凝胶时，水凝胶的边界接触，并且由水凝胶所致此高浓度区域中的间隙空位通常变成有界的。在此发生时，相信此区域的渗透性或导流性特性通常是一个仅由超强吸收性聚合物形成的水凝胶区或层的渗透性或导流性特性的反映。进一步相信将这些溶胀高浓度区域的渗透性提高到接近或甚至超过常规的采集/分配材料(如木浆绒毛)的水平可以提供优良的流体操作特性(例如减少如从一种尿布泄漏的事件)。较高SFC值也是所形成的水凝胶在正常使用条件下获得体液的能力的反映。

来源于适用于本发明的可再生资源的合成超强吸收性聚合物的SFC值是至少约30×10^-7立方厘米秒/克。在其他实施例中，超强吸收性聚合物的SFC值是至少约50×10^-7立方厘米秒/克。在其他实施例中，超强吸收性聚合物的SFC值是至少约100×10^-7立方厘米秒/克。典型地，这些SFC值在从约30×10^-7立方厘米秒/克到约1000×10^-7立方厘米秒/克范围内。然而，SFC值可以在从约50×10^-7立方厘米秒/克到约500×10^-7立方厘米秒/克或从约50×10^-7立方厘米秒/克到约350×10^-7立方厘米秒/克范围内。美国专利申请号2011/0319849描述用于测定超强吸收性材料和产物的SFC值的测试程序。

本发明的超强吸收性聚合物的另一重要特征是其负荷下的溶胀能力。根据超强吸收性聚合物的压力下的吸收(AAP)容量来界定此容量对抗负荷。在高浓度下将超强吸收性聚合物结合到吸收性部分中时，聚合物需要能够在使用压力下在一个合理的时间周期内吸收大量的体液。施加于在吸收性物品内所使用的超强吸收性聚合物上的使用压力包括机械压力(例如通过穿戴者的重量和动作所施加的力、胶封力等)和毛细管压力(例如由在通过超强吸收性聚合物吸收流体之前临时容纳流体的吸收性核心中的采集组分所产生)。

吸收性聚合物的AAP容量通常是至少约15g/g。在某些实施例中，吸收性聚合物的AAP容量通常是至少约20g/g。典型地，AAP值在从约15g/g到约25g/g范围内。然而，AAP值可以在从约17到约23范围内。美国专利申请号2011/0319849描述用于测定超强吸收性材料和产物的AAP容量的测试程序。

来源于可再生资源的聚合物

可能需要标记生物质或起始化学品的成分。举例来说，使用碳的一个同位素(例如¹³C)有意标记有助于结构测定或有助于其他手段(如可再生含量的起源和确定)可能是有用的。在一种方式中，此是通过生长经遗传工程改造以表达成分(例如聚合物)的微生物来实现，但是在具有含¹³C碳源的生长培养基(如葡萄糖、丙酮酸或在此论述的其他原料)而非普通培养基上生长细菌。以此方式可以生产使用¹³C均一地、部分地或在特定位点处标记的聚合物。

另外，标记允许通过ASTM D6866(放射性碳年代测定法的一个工业应用)来测定来自可再生来源(例如植物衍生物)的生物塑料中的精确百分比。ASTM D6866测量生物基材料的碳14含量；以及因为基于化石的材料不再具有碳14，ASTM D6866可以有效地消除生物基含量的不准确的要求。在此用于测定可再生资源的分析技术中，测量一个样品内的¹⁴C比总碳的比率(¹⁴C/C)。研究已指出化石燃料和石油化学品的¹⁴C/C比率通常小于约1×10^-15。然而，完全源于可再生资源的聚合物的¹⁴C/C比率典型地是约1.2×10^-12。用于¹⁴C分析的其他适合的技术为本领域中已知的并且包括加速器质谱、液体闪烁计数法以及同位素质谱。这些技术描述于美国专利号3,885,155；4,427,884；4,973,841；5,438,194；以及5,661,299中。用以测定所制造的产物的生物基含量的放射分析程序的精确度概述于诺顿(Norton)等人，生物资源技术(Bioresource Technology)，981052-1056(2007)中，其通过引用结合。

应用ASTM D6866以推导“生物基含量”是建立在与放射性碳年代测定法相同的概念上，但是不使用年龄方程。通过将一个未知样品中的放射性碳(14C)的量的比率推导到现代参考标准的比率来进行分析。以百分比形式使用单位“pMC(现代碳百分比)”报告比率。如果被分析的材料是现代的放射性碳和化石碳(不包含放射性碳)的一种混合物，那么所获得的pMC值直接与样品中所存在的生物质材料的量相关。

用于放射性碳年代测定法中的现代参考标准是NIST(美国国家标准与技术研究所)标准，其中已知的放射性碳含量大致等效于公元1950年。选择公元1950年是因为其表示在热核武器测试之前的时间，该热核武器测试使用每个爆炸(称为“碳炸弹”)将大量的过量放射性碳引入到大气中。公元1950参考代表100pMC。

在用于制备物品的本发明的组成物中，生物基化学品包括按组合物的总重量计至少约50％(例如至少约60％、至少约65％、至少约70％、至少约75％、至少约80％、至少约85％、至少约90％或至少约95％、至少约96％、至少约97％、至少约98％、至少约99％、至多100％)的生物基含量。在此方面，合成聚合物由充足量的生物基组分组成(亦即前驱体实质上由来源于可再生资源的材料组成)，表情组合物包括充足量以获得所希望的生物基含量水平。

生物基丙烯酸产物

也包涵从聚合物获得的产物(包括商用产物和消费型产物)。举例来说，易于通过在其双键处反应将丙烯酸和其酯与其自身或其他单体(例如丙烯酰胺、丙烯腈、乙烯、苯乙烯以及丁二烯)组合以形成均聚物或共聚物，将这些均聚物或共聚物用于不同的塑料的制造、纸制造以及涂料、用于木材的室外用油漆以及用于压制板和相关建筑材料的砖石结构涂料、无机矿石细粒和废水的絮凝以及污水的处理、印刷墨水、内墙油漆、地面抛光剂、地面和墙面覆盖物、工业底漆、纺织物大小确定、处理和表面处理、皮革浸渍和表面处理以及砖石结构保护层、涂料、胶粘剂、弹性体以及地面抛光剂以及油漆中。也将丙烯酸用于如聚丙烯酸的聚合材料的生产中，聚丙烯酸是超强吸收性尿布的一种主要组分。

实例

通过以下实例进一步说明本发明技术，不应以任何方式将这些实例理解为限制性的。

实验方法

通过热解重量分析(TGA)测量热降解特性

使用TA仪器Q500热解重量分析仪(TGA)测量生物质+聚合物的热重量损失对比时间。TGA是一种通常用于测量材料的(如PHA的)热降解特性的技术。仪器由一个灵敏天平组成，该灵敏天平上悬挂一个样品。随后使锅炉升高到样品周围且经程序化来以规定的速率加热(匀变条件)或加热到某一温度并保持(等温条件)。在加热过程中使一种吹扫气体扫过样品，该吹扫气体典型地是氮气或空气。随着样品被加热，其开始失去重量，这通过天平来记录。在分析结束时，随后可以将结果绘制为样品重量损失百分比对比温度或时间。在绘制重量损失对比时间时，随后可以自此曲线的斜率确定降解的速率。在以下实例中，将10mg-30mg的干燥生物质+聚合物称重到一个铂盘中，并且随后将其装载到TGA天平上。所使用的吹扫气体是氮气，流速为60毫升/分钟。在分析期间，以10℃/分钟的加热速率将生物质样品自室温预加热到300℃。随后将数据绘制为样品重量损失百分比对比时间，并且自重量损失曲线的初始斜率计算热降解速率。

通过热解-气相色谱-质谱(Py-GC-MS)测量热降解产物

为了鉴定且半定量在不同温度下加热时自干燥生物质+聚合物或聚合物生成的单体化合物，使用配备有一个前沿实验室(Frontier Lab)PY-2020iD热解器的安捷伦(Agilent)7890A/5975GC-MS。对于此技术，将一个样品称重到钢杯中且将其载入热解器自动取样器中。在启动热解器和GC-MS以操作时，使钢杯自动下降到已被设定成一个特定温度的热解器中。随后使样品保持在热解器中较短时间段，同时由样品释放挥发物。随后使用氦气将挥发物扫入到GC柱中，在该柱中使这些挥发物冷凝到维持在120℃的温度下的柱上。在完成热解后，以某一速率加热GC柱以便洗脱自样品释放的挥发物。随后使用氦气将挥发性化合物扫入到一个电致电离/质谱检测器(质量范围10-700道尔顿)中用于鉴定和定量。

对于以下实例，使用一个测微天平将200-500μg的干燥生物质称重到一个钢热解器杯中。随后将该杯载入到热解器自动取样器中。程序化热解器以在从250℃-350℃范围内的程序化温度下加热0.2分钟的持续时间。用于实例中的GC柱是一个休利特-帕卡德(Hewlett-Packard)HP-INNOwax柱(长度30m、内径0.25μm、膜厚度0.25μm)。随后程序化GC烘箱以保持在120℃下5分钟，以10℃/分钟自120℃加热到240℃，随后保持6分钟。总GC操作时间是23分钟。在将热解物蒸气注射到GC柱上过程中使用的分流比是50:1。通过与来自NIST质谱库的光谱的最佳可能性匹配来鉴定出现在色谱图曲线中的峰。通过获取丙烯酸峰的面积计数或峰面积百分比的比率并且将其除以丙烯酸二聚体峰的面积计数或峰面积百分比来估计丙烯酸‘纯度’。

这些实例描述多个用于构造菌株的生物技术工具和方法，这些菌株生成所关注的产物。描述了适合的宿主菌株、可能性来源和这些实例中所使用的重组基因列表、适合的染色体外的载体、适合的控制重组基因表达的策略和调节要素以及用以在宿主生物体中过度表达基因或使来自宿主生物体的基因不活化的构造技术的选择。这些生物技术工具和方法为本领域的普通技术人员所熟知。

实例1.由生产聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)的经遗传工程改造的生物质的热解来产生丙烯酸。

在一个1L的DASGIP(尤利希(Jülich)，德国)生物反应器系统中并且使用特定地设计用于生产P3HP的一种经遗传修饰的大肠杆菌菌株来生产包含聚-3-羟基丙酸酯的生物质，该生物反应器系统包括一个配备有1升容器和DASGIP Control 4软件的BioBlock。在有氧条件下利用葡萄糖基本培养基和葡萄糖糖浆作为分批馈料操作的碳馈料来源来培育细胞。全部示例性发酵条件、培养基以及馈料条件的实例描述于美国专利号6,316,262；6,689,589；7,081,357；以及7,229,804中，通过引用结合在此。除所提及的培养基之外，还将维生素B12(CAS号68-19-9，西格玛-阿尔德里奇)作为甘油脱水酶所需的一种共馈料以范围从1mM到100mM的最终培养液浓度添加到发酵操作中。大肠杆菌培养产生P3HP滴度为大致30-60克P3HP/升培养液的发酵培养液。基于干燥质，估计生物质中P3HP的重量百分比是大致60％。

在产生P3HP生物质之后，通过首先以7000rpm离心P3HP生物质20分钟，倾析所分离的液体，添加回相等体积的去离子水，使生物质再悬浮于所添加的去离子水中并且随后再离心来洗涤培养液。重复此三次以便在热解之前自发酵培养基移除尽可能多的溶解盐。在最后一次洗涤之后，在室温下干燥P3HP生物质过夜并且随后使用斯贝克斯瑟提普莱普(Spex CertiPrep)6870冷冻碾磨机在液氮存在下将其低温研磨成粉末。表1示出了通过电感耦合等离子体-质谱(ICP-MS)分析未经洗涤的和经洗涤-干燥-研磨(WDG)的P3HP生物质的结果。进行该测量以评估自发酵培养基移除非所需金属离子的洗涤过程的有效性。对于此分析，同样在测量之前在室温下干燥未经洗涤的P3HP生物质样品过夜并对其进行研磨。

表1.未经洗涤的P3HP生物质和经去离子水洗涤的P3HP生物质中的总金属离子的ICP-MS定量分析。

*用去离子水洗涤三次

表1中的结果展示去离子水洗涤步骤使发酵之后剩余在P3HP生物质中的钾离子和钠离子的浓度降低13-16倍。然而，在用去离子水洗涤之后，P3HP生物质中钙、镁、铜、铁以及锌金属的浓度未呈现显著改变。

随后通过热解-GC-MS在275℃的热解温度下分析WDG P3HP生物质。图1示出了在275℃下由P3HP生物质产生的热解物产物的GC曲线。观察到的主要峰是在5.6分钟和15.2分钟的滞留时间处发现并且分别对应于丙烯酸单体(CAS号79-10-7)和二丙烯酸或丙烯酸单体的二聚体(CAS号24615-84-7)。图2示出了与在5.6分钟处的GC峰匹配的质谱和最佳光谱库，确认将该峰鉴定为丙烯酸单体。图3示出了在15.2分钟处的GC峰的质谱以及纯二丙烯酸的质谱，该纯二丙烯酸是通过在空气中在120℃-130℃下加热液体丙烯酸单体与1000ppm对苯二酚10小时来产生(在该10小时之后，该液体的GC-MS分析展示它大致由25％的丙烯酸单体和75％的二丙烯酸构成)。二丙烯酸的最突出的质谱峰发现于45m/z、55m/z、73m/z以及89m/z处，对应于质量片段COOH⁺、CH₂＝CHCO⁺、CH₂CH₂COOH⁺以及OCH₂CH₂COOH⁺。计算出二丙烯酸的分子量为144amu并且在此化合物的质谱中检测到在145m/z处的质量离子，该离子可以对应于质子化的二丙烯酸分子。

图4示出了在生产丙烯酸期间自丙烯的氧化形成二丙烯酸的机制(巴斯夫技术数据表见于网页：2.basf.us/businesses/chemicals/acrylates/pdfs/acry-dim.pdf)。该反应是二阶迈克尔加成类型反应，其中产生一种丙烯酸亲核试剂，该亲核试剂随后与另一个丙烯酸分子的双键反应。该反应在液体状态下自发地发生且不能以化学方式抑制或逆转。还发现温度和水分浓度均影响二丙烯酸形成的速率。因此可以通过控制温度和水分使二丙烯酸形成减到最少，但不能消除。形成更高分子量丙烯酸物质(三聚体、四聚体等)的反应速率很缓慢使得在回收的丙烯酸中未产生任何可观的量这些丙烯酸物质。图3中所示的热解-GC-MS数据指示对于WDG P3HP生物质在275℃下进行的热解而言，当形成丙烯酸时，在气相中产生大量的二丙烯酸。计算出丙烯酸单体比二丙烯酸的比率为2.4，等同于形成大致29％的二丙烯酸。在自丙烯商业生产丙烯酸中，二丙烯酸的存在已联系到分子量控制的问题、加工问题以及丙烯酸聚合物的产物性能变化。因此，消除在丙烯酸中作为杂质的二丙烯酸是所希望的。

发现在WDG P3HP生物质的热解期间产生了其他少量杂质化合物，如乙酸、脂肪酸(C₁₆和C₁₈)以及2-丙烯酰胺。这些化合物全部来源于生物质和葡萄糖馈料，而不是P3HP。已发现在一起加热氨基酸与糖时通过氨基酸与糖的反应形成丙烯酰胺。

实例2.自使用添加的催化剂生产聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)的一种经遗传工程改造的生物质的热解生成丙烯酸。

在此实例中，如实例1中所概述通过经遗传工程改造的微生物的发酵来制备P3HP生物质样品。在洗涤发酵液三次之后，干燥并深冷研磨成粉末，随后将样品与不同的催化剂组合。结合催化剂的目的是既抑制在P3HP生物质的热解期间二丙烯酸的形成又提高P3HP向丙烯酸的转化率以使得可以利用较低热解温度。

通过取2g WDG P3HP生物质、添加4g去离子水和10％催化剂水溶液并且随后使固体再悬浮于液体中来制备包含P3HP生物质与一种催化剂的样品以用于热解-GC-MS。随后在空气中在室温下干燥混合物过夜并且冻干该混合物以移除水。经干燥的P3HP生物质样品中的催化剂的最终浓度以干燥生物质的重量计为2％-5％，而最终含水量以干燥生物质的重量计为<3％。所评估的催化剂包括磷酸(H₃PO₄)、硫酸(H₂SO₄)、硫酸氢钠(NaHSO₄)、硫酸铜(CuSO₄)、硫酸锌(ZnSO₄)、氢氧化钙(Ca(OH)₂)、氯化铝(AlCl₃)、氯化铜(CuCl₂)以及氯化锌(ZnCl₂)。全部催化剂购自西格玛阿尔德里奇。在热解之前，通过使用一个刮刀人工粗略地碾碎样品。在250℃和275℃下进行经干燥的P3HP生物质与催化剂的热解。也包括WDG P3HP生物质样品，WDG P3HP生物质不包含催化剂且包含未经洗涤-干燥的P3HP生物质，且不添加催化剂。

表2概括所分析的P3HP生物质+催化剂样品的热解-GC-MS数据。所展示的数据包括所形成的二丙烯酸的峰面积百分比以及每个样品的丙烯酸/二丙烯酸比率。较高比率指示在热解期间形成了较少的二丙烯酸，此为所希望的。结果展示若干其他引起关注的趋势：第一，热解温度越低，在热解期间总共形成的二丙烯酸越少。在大多数情况下，发现相比于275℃在250℃热解温度下的丙烯酸/二丙烯酸比率更高；第二，具有高钾和钠离子的未经洗涤的生物质在250℃和275℃热解温度下一致地得到较低二丙烯酸形成；第三，发现在250℃下两种无机酸催化剂(NaHSO₄和H₂SO₄)(以5％负载)出乎意料地完全抑制二丙烯酸的形成。一般发现无机酸NaHSO₄和H₂SO₄(其是强布朗斯特-洛维酸)和甚至(H₃PO₄其是相对较弱的酸)在最小化P3HP生物质的热解期间的二丙烯酸酸形成方面是最佳的。此可能归因于以下事实：这些化合物充当更加有效的用于末端封端在热解期间形成(参看图4)的任何丙烯酸负离子的质子供体，由此阻止进一步形成二丙烯酸。对于硫酸催化剂而言，似乎需要低热解温度(250℃)和高浓度(5重量％)的一个组合以便最大化此催化剂的性能。H₂SO₄的突出的较低温度性能可能归因于以下事实：硫酸在280℃下分解并且因此在接近或高于其分解温度时变得不活化。

表2.经洗涤-干燥-研磨的(WDG)P3HP生物质与按重量计5％的催化剂(除非规定)的热解-GC-MS结果的汇总。也包括不包括催化剂的未经洗涤的和经洗涤-干燥-研磨的P3HP生物质的样品。所评估的热解温度是250℃和275℃。

发现路易斯酸型硫酸盐催化剂CuSO₄和ZnSO₄在最小化热解期间的二丙烯酸的形成方面是中等有效的。还发现路易斯酸型氯化物催化剂AlCl₃·6H₂O具有一些抑制热解期间的二丙烯酸形成的能力，而ZnCl₂和CuCl₂催化剂展示不良的抑制二丙烯酸的能力。同样氢氧化钙(其是一种强布朗斯特-洛维碱)展示促进P3HP生物质的热解期间的二丙烯酸的形成。此化合物是一种质子受体，可能有助于自丙烯酸提取一个氢以形成丙烯酸阴离子。

对未添加催化剂的WDG P3HP生物质和添加按重量计5％的NaHSO₄和H₂SO₄的WDG P3HP生物质进行热解重量分析(TGA)。在氮气下以10℃/分钟将样品从室温加热到300℃并且对于聚合物重量损失的起始温度和聚合物重量损失对比时间的斜率(聚合物降解速率)。表3汇总所收集的这些样品的TGA数据并且图5展示以上样品的TGA曲线的覆层曲线。

表3.不含催化剂的WDG P3HP生物质、含按重量计5％的NaHSO₄催化剂的WDG P3HP生物质以及含按重量计5％的H₂SO₄催化剂的WDG P3HP生物质的热解重量分析(TGA)数据的汇总。在氮气下以10℃/分钟从室温到300℃操作样品。

表3中的数据展示将NaHSO₄和H₂SO₄添加到WDG P3HP生物质中提高P3HP聚合物的热降解速率，并且因此如通过聚合物降解开始之后TGA曲线的更加负的斜率(参看图5)所见对P3HP的热降解具有一种催化作用。然而，还展示在添加NaHSO₄催化剂和H₂SO₄催化剂情况下降解开始的温度(例如起始温度)偏移到更高温度约60℃-70℃。此可能解释在225℃下进行一种具有5重量％H₂SO₄的WDG P3HP生物质的热解时通过质量检测器在23分钟GC-MS分析时间窗口内未检测到丙烯酸的原因。然而，在225℃下热解不存在H₂SO₄的WDG P3HP生物质时确实展示丙烯酸的形成，其中丙烯酸/二丙烯酸比率大致是5。因此通过热解迅速释放丙烯酸且具有较少二丙烯酸杂质的最佳方法可能是在250℃下使用添加有按重量计5％的NaHSO₄或H₂SO₄的未经洗涤的P3HP生物质。

实例3.从提取自经遗传工程改造的生物质的聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)的热解生成丙烯酸。

在此实例中，将催化剂与提取自P3HP生物质材料的P3HP聚合物直接混合，并且随后通过热解-GC-MS来分析。如实例1中所概述通过自经遗传工程改造的微生物发酵来制备P3HP生物质样品。在洗涤发酵液三次之后，干燥并深冷研磨成一种粉末，将样品与氯仿混合以得到一种按重量计5％的P3HP生物质溶液。将溶液加热到90℃4-5小时，使该溶液冷却到室温，在室温下过滤该溶液并蒸发溶剂。如下通过再结晶进一步纯化剩余P3HP聚合物固体：使用一种90/10乙醇/水溶液制备一种按重量计10％的P3HP溶液，并且随后设定成回流直至使聚合物溶解。随后使溶液冷却以使P3HP沉淀，并且过滤并干燥聚合物固体。

首先通过使经纯化的P3HP聚合物溶解于90/10氯仿/异丙醇中到按重量计0.47％的最终聚合物浓度来制备含催化剂的P3HP样品。随后通过将催化剂溶解于去离子水中来制备一种按重量计0.25％的催化剂溶液。随后以10μl催化剂溶液/35μl P3HP溶液的体积比用移液管移取催化剂溶液以及聚合物溶液到钢热解样品杯中。将全部混合物留在空气中干燥隔夜，随后在室温下真空烘箱干燥以移除任何最终痕量的溶剂和水。所评估的催化剂包括磷酸(H₃PO₄)、硫酸(H₂SO₄)、硫酸铜(CuSO₄)、硫酸亚铁(FeSO₄)以及氢氧化钙(Ca(OH)₂)。全部催化剂购自西格玛阿尔德里奇。干燥样品中的催化剂的最终浓度以P3HP的重量计大致是13％。

随后通过热解-GC-MS在275℃、300℃以及350℃的热解温度下分析以上样品。在分析之后，从丙烯酸的滞留时间5.8分钟处的GC峰面积和二丙烯酸的滞留时间15.3分钟处的GC峰面积来计算丙烯酸/二丙烯酸比率。表4示出了所收集的含催化剂和不含催化剂的生物生产的P3HP聚合物的热解-GC-MS数据的汇总。

表4.添加有不同催化剂的生物生产的聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)聚合物的热分解的热解-GC-MS结果的汇总。催化剂浓度以P3HP重量计是13％。

丙烯酸峰面积二丙烯酸峰面积的比率

展示于表4中的结果极类似于对于P3HP生物质的热解而言所发现的那些结果，例如随着热解温度提高丙烯酸/二丙烯酸比率降低，指示在热分解期间自P3HP聚合物形成更多二丙烯酸；发现无机酸H₃PO₄和H₂SO₄是所测试的全部催化剂中最佳的催化剂，用于在275℃下抑制二丙烯酸酸的形成以得到极高丙烯酸/二丙烯酸比率。如由极低丙烯酸/二丙烯酸比率所证明添加Ca(OH)₂作为一种催化剂增加二丙烯酸的形成。未添加催化剂的样品也得到极其低的丙烯酸/二丙烯酸比率，尤其在350℃热解温度下。

实例4.从一种生产聚-3-羟基丙酸酯的经遗传工程改造的微生物的热解较大规模成批生产丙烯酸。

在以下实例中，将概述从一种发酵液+P3HP+催化剂混合物的热解生产丙烯酸，展示在一百克规模上生产一种高纯度、高产率、生物基丙烯酸的能力。

在一个20L的新型不伦瑞克科学发酵器(New Brunswick Scientificfermenter)(生物发酵4500(BioFlo 4500))中使用一种经遗传修饰的大肠杆菌菌株来生产包含聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)生物质，该大肠杆菌菌株经特定设计以用于从作为一种碳馈料来源的葡萄糖糖浆生产高产率P3HP。大肠杆菌菌株、发酵条件、培养基以及馈料条件的实例描述于美国专利号6,316,262；6,689,589；7,081,357；以及7,229,804中。除葡萄糖馈料之外，在发酵期间还添加维生素B12。大肠杆菌菌株生成一种发酵液，该发酵液的PHA效价大致是30g PHA/kg培养液-60g PHA/kg培养液。在发酵之后，通过添加相等体积的水、混合2分钟、离心并倾析水来用去离子水洗涤培养液。或者可以用一种20mM-30mM的磷酸溶液洗涤该培养液，接着水洗涤或使用一种0.85g/L生理盐水溶液洗涤。

然后，将经洗涤的培养液与催化剂NaHSO₄混合，目标为按重量计5％催化剂/干燥重量生物质固体。随后在一个回转窑中在100℃-125℃下将该混合物干燥到恒定重量。经干燥的生物质中的水分含量大致是按重量计1％-2％。

使用悬挂在一个贝壳掀盖式管状锅炉内的一个旋转、四吋直径的石英玻璃窑进行经干燥的P3HP生物质+NaHSO₄的热解。在过程开始时，将一个经干燥的生物质+P3HP+NaHSO₄的经称重样品放置在玻璃窑的内部，并且设立氮气吹扫流体。随后启动锅炉旋转和加热。随着锅炉的温度达到其设定点值，通过氮气吹扫从窑中扫出由经干燥的生物质+P3HP+NaHSO₄样品生成的蒸汽并且进入一系列玻璃冷凝器或经冷却的收集器。冷凝器由一个垂直、经冷却的玻璃冷凝塔以及一个位于冷凝塔基座处的冷凝物收集球组成。使一种保持在0℃下的二醇/水混合物循环通过全部玻璃冷凝器。向下引导离开第一冷凝器的顶部的经冷却的蒸汽通过一个第二冷凝器并通过一个第二冷凝物收集球，然后鼓泡这些蒸汽通过一个填充有去离子水的玻璃空气采集器。图6示出了锅炉和气体收集设备的一个示意图。

对于较大规模热解实验而言，首先在室温下将200g经干燥的培养液+P3HP+NaHSO₄载入到石英窑中。基于NaHSO₄催化剂负载，估计P3HP生物质的总重量是190g。同样基于干燥固体测量混合物中的P3HP的重量％大致是60％(参看多艾(Doi)，微生物聚酯(Microbial Polyesters)，约翰威利父子公司，第23页，1990)，其使得窑中的P3HP的质量等于114g。随后密封系统并且设立大致是1500毫升/分钟的氮气吹扫。将电力施加到锅炉并且将经干燥的培养液+P3HP+NaHSO₄加热直到250℃的目标热解温度。在热解期间，在经冷却的冷凝器下方的冷凝物收集器中收集P3HP生物质的热降解的产物丙烯酸。可以看到首先在每一个收集球中收集水。在第一玻璃收集球中收集液化产物的大部分(>95％)。总热解操作时间大致是60分钟。所测量的热解之后的剩余生物质的重量是10.5g。

在完成热解操作之后，收集并称重来自冷凝器的冷凝物。结果展示组合的冷凝物重量是105g。通过卡尔费舍尔(Karl Fisher)水分分析和GC-MS分析冷凝物展示冷凝物包含3％水、0.06％脂肪酸，材料余下部分是丙烯酸。因此计算出丙烯酸产物产率((g丙烯酸产物/g起始P3HP)×100％)被大致是92％。GC-MS结果也展示通过GC-MS也检测到存在于冷凝物中的其他少量杂质(如乙酸和酰胺类化合物)。计算出P3HP生物质固体到液体的转化率((g干燥生物质－g残余生物质/g干燥生物质)×100％)是95％。为了抑制在热解期间所收集的丙烯酸的任何进一步反应，将按重量计0.1％的4-甲氧基苯酚(MEHQ，西格玛阿尔德里奇)添加到热解冷凝物中。

实例5.连续生产生物基丙烯酸

图7示出了一种用于从含聚-3-羟基丙酸酯的生物质连续生产高纯度(>99％)生物基丙烯酸的商业工艺的一个示意图。在一个发酵器中使用葡萄糖作为补充有维生素B12的添加的馈料从经遗传工程改造的大肠杆菌制备P3HP生物质。在发酵之后，使用离心洗涤或使用一个三倍作用蒸发器直接浓缩该生物质。随后使用一个喷雾干燥器或一个双转鼓干燥器来干燥经浓缩的培养液。或者，可以将未经洗涤的、经离心的P3HP生物质用作热分解反应器的起始材料。

工艺以将干燥或湿润P3HP生物质+催化剂馈入到快速起作用选择性热分解(FAST^TM)反应器中开始。可以将反应器温度设定在250℃-350℃下且具有处置数百千克经干燥的生物质材料/小时的容量。使用惰性气体吹扫以协助将在热解期间生成的有机蒸汽移动到分离设备和纯化设备中。惰性气体吹扫可以是如氮气或二氧化碳的气体。任选地，因为通过热解反应生成水，也可以将蒸汽用作一种处理气体。

来自FAST^TM反应器的蒸气流是一种90％水/有机物与10％惰性蒸气的混合物。因此，不同于从丙烯的氧化生产丙烯酸，其中反应器流出物主要是存在有机物的气流，P3HP生物质的热分解主要产生有机蒸气流出物流。因此，在过程中不需要一个通常位于反应器之后的吸收剂/气体压缩器。在完成热分解(0.25-1小时)之后，用过的生物质+催化剂残留物从反应器中离开以被用作另一操作中的燃料或可以使催化剂再生并且将其与未反应的P3HP生物质混合且再次加工。

在有机蒸气流离开反应器之后，将其引入到一个分级冷凝塔中以从丙烯酸移除乙酸、水以及较重组分(如二丙烯酸)。一种用于分离高温丙烯酸气体混合物的典型的分级冷凝塔描述于美国专利号6,646,161中。用于此类型的设备的理想气体混合物包括那些存在至少两种可冷凝组分和至少一种不可冷凝组分并且没有组分形成共沸混合物的混合物。塔包含分离用内部构件(如鼓泡塔盘、筛板塔盘、浮阀塔盘或双流塔盘)，用于分级冷凝通过热分解反应器生产的热蒸气混合物。可以存在多个冷却器件，这些冷却器件位于塔的顶部、中间和底部处。一种管束型或板型热交换器也是塔的部分。取决于液体是否是低沸剂(接近塔顶部))、中沸剂(塔的中间部分)或也称为重物的高沸剂(塔的下部部分)，通过侧面自塔的不同部分离开来移除来自热蒸气混合物的经冷凝馏分。存在的惰性气体离开塔的顶部。典型地在0.8巴-3巴的压力和在-40℃到450℃范围内的温度下操作塔。图7是一个展示可以使类似二丙烯酸的重物质再循环回到FAST^TM反应器以便使二丙烯酸转化回丙烯酸的简图。使二丙烯酸转化成丙烯酸的另一个方法应是将热蒸气混合物传递经过一个包含催化剂(如TiO₂、Al₂O₃、SiO₂、沸石HZM 5)的催化剂床，然后将该热蒸气混合物引入到分级冷凝塔中(日本专利号JP03178949)。

可以用于分离丙烯酸蒸气的另一种类型的塔是一种如美国申请号20120006673中所描述两壁塔。

离开分级冷凝塔的丙烯酸混合物称为“粗”产物且由按重量计≤99％丙烯酸组成。为了更进一步减小水、乙酸以及重物质的浓度，可以使用一种如美国专利号7,332,624和7,179,875中所描述且展示于图7中的蒸馏塔加工。另外，可以进行离开蒸馏塔的丙烯酸的最终“抛光”以便生产>99％纯度的丙烯酸液体。此可以包括以下其他加工步骤以移除如含氮化合物(酰胺、胺、吡啶)的杂质：如一个悬浮液结晶作用步骤(美国专利号6,482,981和7,179,8750)、一个酸洗涤步骤接着是另外的蒸馏或一个离子交换步骤。

在每个加工步骤，可以将一种抑制剂添加到丙烯酸中以防止加工期间的聚合。抑制剂包括单一化合物，如对苯二酚的甲基酯(MEHQ)、啡噻嗪(PZT)、4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基(HTEMPO)、水杨酸盐、铜盐或这些的混合物。

实例6.从生物基丙烯酸制备丙烯酸正丁酯

此实例说明如在实例5中从P3HP生物质生产的生物基丙烯酸(>99％)与正丁醇直接酯化的工艺。将一种1:1质量比的正丁醇与生物基丙烯酸的混合物添加到一个连续馈入、包含一种阳离子交换树脂型催化剂(Amberlyst^TM46，罗姆哈斯(Rohm Haas)/陶氏化学)的搅拌槽反应器中。将反应器加热到90℃的恒定温度并且维持在该恒定温度下。随着酯化反应进行，一个附接到反应器上的蒸馏塔从丙烯酸正丁酯分离所生成的水。随后通过一个另外的分馏步骤从所收集的丙烯酸正丁酯分离任何残余的正丁醇和丙烯酸。

实例7.通过可伸缩的合成从含聚-3-羟基丙酸酯(P3HP)的生物质直接制备丙烯酸丁酯

此实例描述一种用于从包含P3HP聚合物的生物质直接生产生物基丙烯酸丁酯的方法。将两克经洗涤/经干燥的包含P3HP的生物质(生物质内按重量计约60％P3HP)添加到一个配备有一根磁性搅拌棒的250mL单颈圆底烧瓶中。将100mL正丁醇(>99.4％，西格玛阿尔德里奇)和0.2-8g转酯化/脱水催化剂(95％-98％硫酸，西格玛阿尔德里奇)添加到烧瓶中。注意在使用之前未用分子筛干燥正丁醇。随后加热配备有一个迪恩-斯塔克收集器(V_收集器＝35mL)的烧瓶以在搅拌下回流21小时。在完成反应之后，静置混合物以冷却到室温。用1300μL MeCN和300μL H₂O稀释200μL反应混合物(稀释倍数＝7.5-9)，过滤该反应混合物，并且通过反相HPLC分析使用具有一个折射率检测器的岛津模块化HPLC(Shimadzu Moduluar HPLC)系统来测定所生产的丙烯酸正丁酯的量。使用的HPLC柱和操作条件如下：菲罗门(菲罗门)反相HPLC柱(5μm C18(2)150×2mm，固定相：C18使用TMS封端，Cat.号00F-4252-B0)，C18安全保护套筒(2×4mm，菲罗门Cat.号AJ0-4286、KJ0-4282固定器)，40℃柱温度，5μL注射体积，移动相H₂O和MeCN，0.5mL/min流动速率，210nm检波，0.0到6.0分钟：30％MeCN/H₂O等度；6.0到8.0分钟：30％到60％MeCN/H₂O梯度；8.0到10.0分钟：60％MeCN/H₂O等度；10.0到11.0分钟：60％到30％MeCN/H₂O梯度；11.0到16.0分钟：30％MeCN/H₂O等度。

表5展示丙烯酸丁酯的百分比产率对比所添加的H₂SO₄催化剂重量的结果。在催化剂/生物质+P3HP的重量比等于4时观察到90％的最高产率。发现在使用等摩尔的催化剂与聚合物时，反应仅生产低产率丙烯酸丁酯并且因此生产其他非所需副产物(如丁烯)。

表5.将干燥生物质+P3HP直接转化成丙烯酸丁酯的HPLC数据的汇总。催化剂是H₂SO₄(99.4％西格玛阿尔德里奇)。以100mL总体积将过量的正丁醇(95％-98％西格玛阿尔德里奇)添加到全部样品中。

表5中列举的所制备的丙烯酸丁酯的生物基含量应大致是42％，归因于使用基于石油的正丁醇的事实。或者，可以在可伸缩的合成反应中利用如美国专利8,119,367和美国专利申请2010/0330633、2011/0087000以及2011/0159558中所描述而生产的生物基正丁醇。在此情况下，所生产的丙烯酸丁酯的生物基含量应是100％。筛选若干其他化合物作为可能性催化剂用于将P3HP直接转化成丙烯酸丁酯。这些催化剂包括对甲苯磺酸、甲基磺酸、氧化锌(ZnO)、氯化锌(ZnCl₂)、氯化铁(FeCl₃)、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、磷酸(H₃PO₄)、高岭石以及固定化磺酸催化剂AMBERLYST^TM15树脂酸催化剂。也添加硫酸作为一种对照物。如上文所描述制备样品，其中催化剂/P3HP比率是3.3/1(4g/1.2g)。下表6展示来自与这些不同催化剂混合的生物质+P3HP的丙烯酸丁酯的产率。

表6.使用不同的催化剂将经洗涤的/经干燥的生物质+P3HP直接转化成丙烯酸丁酯的HPLC数据的汇总。将4g催化剂与2g生物质+P3HP混合(1.2g P3HP)。以100mL总体积将过量的正丁醇(95％-98％西格玛阿尔德里奇)添加到全部样品中。

在反应顺序内，三个事件必须出现以便催化剂是有效的：包含P3HP的生物质细胞是打开的，使用正丁醇使P3HP转酯化以形成3-羟基丙酸正丁酯，接着使3-羟基丙酸正丁酯脱水以形成丙烯酸正丁酯。表6中的数据展示用于将P3HP转化成丙烯酸丁酯的最有效的催化剂是硫酸，接着是二月桂酸二丁基锡、对甲苯磺酸、氯化铁以及氧化锌。

实例8.制备生物基聚丙烯酸超吸收性聚合物

将250g经蒸馏的去离子(二次)水、295g如实例5中所描述而制备的生物基丙烯酸单体(>99％)以及0.26g多官能单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA，西格玛阿尔德里奇)添加到一个3升夹套反应容器中。使用温度受控的水浴使T＝25℃下的水循环通过夹套容器。将580ml 5N氢氧化钠溶液添加到反应容器中的单体-水混合物中。将一个机械搅拌器放置到容器中并且随后将一个多端口盖子固定在反应器的顶部上。将一个温度计、氮气吹扫入口管线以及出口管线连接到反应器的三个端口上。启动搅拌器并且将氮气排放管线浸没液体中。在15分钟之后，将氮气排放管线液体中牵拉出来并且在反应的剩余部分期间使得氮气吹扫液体上方的空间。使用一个微量注射器通过剩余端口将三毫升过硫酸钠自由基引发剂(西格玛阿尔德里奇)的0.098g/mL溶液和较小等分的0.0021g/Ml L-抗坏血酸(西格玛阿尔德里奇)溶液添加到反应容器中。在25℃下进行聚合反应30分钟、随后在40℃下进行30分钟并且最终在50℃下进行1小时。总合成时间是2小时。在反应结束时，使搅拌器停止并移除搅拌器。随后将循环水浴设定回25℃并且使得容器冷却。在使容器冷却后，过滤出液体并且收集聚丙烯酸酯凝胶随后在一个真空烘箱中干燥该聚丙烯酸酯凝胶。

实例9：从羟基异丁酸钠(Na-HIB)生成丙烯酸

在此实例中，在400℃、500℃以及700℃下对纯羟基异丁酸钠(Na-HIB)粉末(西格玛阿尔德里奇)进行热解-GC-MS以便鉴定所生成的热降解化合物。丙烯酸酯化合物(如甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯)的生成是特别关注的。为了鉴定在不同的温度下通过热降解生成的单体化合物，使用一个配备有一个科学玻璃工程改造(Scientific Glass Engineering)PYROJECTOR^TMII热解单元的安捷伦6890GC-MS。对于此技术，将一个样品称重到一个清洁的石英玻璃管中并载入热解器中。在启动热解器和GC-MS时，将玻璃管自动放置到已被设定成一个特定温度的热解器中。将样品保持在热解器中1分钟-2分钟，同时由样品释放挥发物。随后使用氦气挥发物扫入GC柱中，在该GC柱中将这些挥发物冷凝到被设定在相对于热解器而言较低的温度下的柱上。在完成热解后，将玻璃管从热解器中推出并且以某一速率加热GC柱以便洗脱释放自样品的挥发物。随后使用氦气将挥发性化合物扫入一个电离/质谱检测器(质量范围10道尔顿-700道尔顿)中用于鉴定和/或定量。

对于以下实例，使用一个测微天平将大致1mg Na-HIB化合物称重到一个清洁的石英玻璃管中。随后将玻璃管载入热解器中。程序化热解器以加热到温度400℃、500℃以及700℃1分钟的持续时间。实例中所使用的GC柱是瑞斯泰克(Restek)MS-1(30m×0.25mm，相涂层是1μm)。随后程序化GC烘箱从而初始保持在35℃下2分钟，以15℃/分钟从35℃加热到325℃。通过与来自NIST质谱库的光谱的最佳可能性匹配来鉴定展示在色谱图中的峰。

图8-图10展示在400℃、500℃以及700℃下Na-HIB的热解的总离子色谱图曲线，而表7汇总通过质谱鉴定的热解降解产物。将在5.62分钟滞留时间处的甲基丙烯酸甲酯和在6.50分钟滞留时间处的甲基丙烯酸均鉴定为来自在400℃和500℃下Na-HIB的热解的降解产物。图11展示在400℃下热解的这些色谱图峰的一个放大图，而图12和图13展示质谱和质谱库匹配。在最高热解温度700℃下仅检测到甲基丙烯酸甲酯的一个极小峰。在700℃热解温度下未检测到甲基丙烯酸。发现这些化合物的总峰面积百分比(约1％-2％)随着热解温度升高而减小。使用纯Na HIB的热解或生物质+PHIB的热解的丙烯酸酯产率的最大化应可能出现在250℃-350℃范围内的温度下。在全部热解温度下还检测到丙烯酸酯化合物异丁烯醛或甲基丙烯醛，其滞留时间是4.20分钟。图14展示此峰的质谱和NIST光谱库匹配，从而将该化合物鉴定为异丁烯醛。测量其峰面积百分比是在9％-11％内。还发现此化合物的峰面积随着热解温度升高而减小。

表7.通过GC-MS检测到的来自在400℃、500℃以及700℃下羟基异丁酸钠的热解的降解产物的汇总。在热解温度栏中的X指示将特定化合物鉴定为一种降解产物。

生物质中的3-羟基异丁酸盐(HIB)或聚-3-羟基异丁酸盐(PHIB)的生产已描述于美国专利申请号20100068773和20100291644中。或者，可以将这些用作通过包含HIB或PHIB的生物质的热解来生产甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯的起始材料。

实例10:从添加有一种挥发性热传递流体的P3HP生物质的热解生成生物基丙烯酸。

在此实例中，将一种在接近热解温度下(在大气压下)沸腾的热传递流体添加到经洗涤、干燥以及研磨的P3HP生物质中以便有助于在热解期间将P3HP转化成丙烯酸。制备一种包含153g WDG P3HP生物质和53.7g辛酸(T_沸腾＝239℃)的混合物且随后将其载入实例4中所描述的热解装置中。随后在氮气下加热该混合物到275℃的热解温度1小时的时间段且使用一个水冷式冷凝器收集挥发物水冷式冷凝器所收集的经冷凝的挥发物的重量总共是131.5g。出于比较目的，使用156.8g WDG P3HP生物质但不添加热传递流体(辛酸)来进行一个类似实验。在此实验中，所收集的经冷凝的挥发物的重量总共是64.8g。结果展示在热解开始之前添加热传递流体、辛酸时所收集的经冷凝的挥发物的重量/起始反应物的初始重量的比率高23％。另外，来自P3HP生物质+辛酸混合物的热解的冷凝物的分析展示在热解期间已释放全部辛酸并回收。为了分离冷凝物中的丙烯酸与热传递流体，应实施一个另外的步骤，如蒸馏、溶剂萃取或甚至过滤。也可能需要另外的丙烯酸纯化步骤。在从冷凝物中分离后也可以纯化、干燥热传递流体自身，并且随后将其用于后续热解操作中。也可以利用的其他挥发性热传递流体包括γ-丁内酯、己酸、庚酸、壬酸、癸酸或二苯基/联二苯组成的蒸气/液相、首诺公司供应的热传递流体(如VP-1热传递流体和VP-3)。这些热传递流体的沸点在从200℃-270℃范围内。还可以将一种如实例2和实例3中所描述的那些催化剂的催化剂与P3HP生物质和热传递流体一起添加。

实例11:从添加有一种非挥发性热传递流体的P3HP生物质的热解生成生物基丙烯酸。

在此实例中，在热解之前将一种在热解期间不沸腾而是与生物质一起保留直到热解完成的热传递流体添加到P3HP生物质中。制备一种100g经洗涤干燥以及研磨的P3HP生物质、2g催化剂(参看实例2和实例3)以及30-50g的一种非挥发性热传递流体的混合物。随后在一个如实例4中所描述的装置中在250℃-275℃下热解该混合物。使用一个水冷式冷凝器收集由丙烯酸、水以及生物质杂质组成的挥发物。一种替代性方法是创造P3HP生物质+催化剂于热传递流体中的一种浆料或一种悬浮液并且使用如实例5中所描述的一种分批方法或一种连续方法来热解该混合物。在热解之后，过滤剩余的生物质悬浮液并且将所回收的热传递流体用于后续热解操作中。适合用于以上工艺中的热传递流体包括热传递流体50、热传递流体66或热传递流体72(首诺公司)、SH热传递流体或热传递流体LH(沙索)、热传递流体(化学集团)、MR热传递流体或热传递流体R(帕拉公司)或来自陶氏化学的产品(如热传递流体、热传递流体、热传递流体或热传递流体)。

可以在没有任何要素、限制或局限性存在下适当地实践在此示意性地描述的实施例，在此未特定地披露。因此，举例来说，应广泛地且非限制性地理解术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“包含(containing)”等。另外，在此采用的术语和表达已用作描述而非限制的术语，并且在这类术语及表达的使用中不意欲排除所展示和描述的任何等效特征或其部分，但应认识到在如所要求的技术范畴内各种修改是可能的。另外，短语“主要由…组成”将理解为包括特定列举的那些要素和并未显著影响所要求的技术的基本和新颖特征的那些另外的要素。短语“由...组成”不包括任何未规定的要素。

本披露并不受在本申请中所描述的具体实施例限制。如本领域的普通技术人员应清楚，在不脱离其精神和范畴的情况下可以进行许多修改和变化。除在此所列举的那些之外，本领域的普通技术人员根据前文描述应清楚还有在本披露的范畴内的功能上等效的方法和组成物。这类修改和变化也打算属于所附权利要求书的范畴内。本披露仅由所附权利要求书以及此权利要求书所授权的等效物的完整范畴来限制。应理解本披露不限于具体方法、试剂、化合物组成物或生物系统，这些当然可以变化。还应理解在此所用的术语仅出于描述具体实施例的目的，并且并不打算作为限制。

另外，当根据马库什组(Markush groups)描述本披露的特征或方面时，本领域的普通技术人员应认识到本披露也由此根据马库什组中成员的任何单独成员或子组描述。

本说明书中所提及的全部公开、专利申请、颁布专利以及其他文献通过引用结合在此，如同特定地且单独地指示每个单独的公开、专利申请、颁布专利或其他文件通过引用以其全文结合在此。通过引用结合的文字中所包含的定义在达到以下程度时被排除：其抵触本披露中的定义。

在此所引用的全部专利、公开申请以及参考文献的传授内容通过引用以其全文结合。

尽管已经参考本发明的实例实施例具体地展示并且描述本发明，但本领域的普通技术人员应理解在不脱离所附权利要求书所包涵的本发明的范畴的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种用于生产生物基丙烯酸产物的方法，包括

a)将一种包含聚-3-羟基丙酸酯的经遗传工程改造的生物质、任选地一种催化剂以及一种热传递流体组合；并且

b)加热该生物质与该催化剂以使该聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸产物；其中该丙烯酸产物的产率是至少80％，并且该丙烯酸产物的生物基碳含量是至少90％。

2.一种用于生产生物基丙烯酸产物的方法，包括

b)加热该生物质与该催化剂以使该聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸产物；其中该丙烯酸产物的产率是至少85％，并且该丙烯酸产物的生物基碳含量是至少95％。

3.一种用于生产生物基丙烯酸产物的方法，包括

b)加热该生物质与该催化剂以使该聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸产物；其中该丙烯酸产物的产率是至少80％，并且该丙烯酸产物的生物基碳含量是至少98％。

4.如权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括了用一种可再生原料培养一种重组宿主以生产一种聚-3-羟基丙酸酯生物质的一个初始步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中该可再生原料的一种来源选自葡萄糖、果糖、蔗糖、阿拉伯糖、麦芽糖、乳糖、木糖、乙醇、甲醇、甘油、脂肪酸、植物油以及生物质衍生的合成气体或其一种组合。

6.如权利要求1到5中任一项所述的方法，其中该生物质宿主是一种细菌、酵母菌、真菌、藻类、蓝藻细菌或其任何两种或更多种的一种混合物。

7.如权利要求6所述的方法，其中该生物质宿主是细菌。

8.如权利要求7所述的方法，其中该细菌选自大肠杆菌、富养产碱杆菌(重新命名为富养罗尔斯通氏菌)、芽孢杆菌属、广泛产碱杆菌、固氮菌属、气单胞菌属、丛毛单胞菌属、假单胞菌(假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、克雷伯氏菌属)、聚球藻属PCC7002、聚球藻属PCC 7942、集胞藻属PCC 6803、细长嗜热聚球藻BP-I、绿硫菌、橙色绿屈挠菌、微温着色菌以及酒色着色菌、深红红螺菌、荚膜红细菌以及沼泽红假单胞菌。

9.如权利要求6所述的方法，其中该重组宿主是藻类。

10.如权利要求1到9中任一项所述的方法，其中加热是在从100℃到350℃的一个温度下进行。

11.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中该热传递流体是在加热之前添加并且在该加热温度下不沸腾。

12.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中该热传递流体是在加热之前添加并且在该加热温度下沸腾。

13.如权利要求11所述的方法，其中该热传递流体与该生物质一起保留并且可以被再循环。

14.如权利要求12所述的方法，其中自该丙烯酸产物回收该热传递流体。

15.如权利要求1到14中任一项所述的方法，其中该热传递流体在室温下是一种固体。

16.如权利要求1到14中任一项所述的方法，其中该热传递流体在室温下是一种液体。

17.如权利要求1到16中任一项所述的方法，其中该催化剂是硫酸氢钠或硫酸或磷酸。

18.如权利要求17所述的方法，其中催化剂的重量百分比是在约4％到约50％的范围内。

19.如权利要求1到18中任一项所述的方法，其中加热使该生物质的含水量减少到约5重量％或更小。

20.如权利要求1到18中任一项所述的方法，其中该加热温度是从约200℃到约350℃。

21.如权利要求20所述的方法，其中该加热温度是从约225℃到约300℃。

22.如权利要求1到21中任一项所述的方法，其中该加热持续一段从约30秒到约5分钟的时期。

23.如权利要求1到22中任一项所述的方法，其中该时期是从约5分钟到约2小时。

24.如权利要求1到23中任一项所述的方法，进一步包括回收该丙烯酸产物。

25.如权利要求1到24中任一项所述的方法，其中该丙烯酸产物包含按重量计少于5％的副产物。

26.如权利要求1到25中任一项所述的方法，其中进一步加工该丙烯酸产物以形成以下各项中的一种或多种：丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、丙烯酸与丙烯酰胺或丙烯酸酯的共聚物。

27.如权利要求1到26中任一项所述的方法，其中该丙烯酸被用于制备一种超强吸收性物品。

28.一种用于生产生物基丙烯酸丁酯产物的方法，包括

a)将一种包含聚-3-羟基丙酸酯的经遗传工程改造的生物质、正丁醇以及一种催化剂组合；

b)加热该生物质与该正丁醇和该催化剂以使其回流15-24小时；并且

c)使该聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸丁酯产物；其中该丙烯酸酯产物的产率是至少80％，并且该丙烯酸产物的生物基碳含量是至少40％。

29.如权利要求28所述的方法，其中该催化剂是硫酸、盐酸、磷酸、三氟乙酸酐、对甲苯磺酸、甲烷磺酸、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、一种粘土、氧化锌、氯化锌、氯化铁或月桂酸二丁基锡。

30.如权利要求28所述的方法，其中该正丁醇具有0％的生物基含量或100％的生物基含量。

31.如权利要求28所述的方法，其中该生物质未进行热解。

32.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该丙烯酸产物包含少于3％的副产物。

33.如权利要求1所述的方法，其中该经遗传工程改造的生物质是来自具有一种聚-3-羟基丙酸酯路径的一种重组宿主，其中该宿主已稳定地结合了编码一种或多种酶的一个或多个基因，该一种或多种酶选自邻二醇脱水酶、醛脱氢酶、1,3-丙二醇氧化还原酶、甘油-3-磷酸脱氢酶以及甘油-3-磷酸酶。

34.如权利要求1到33中任一项所述的方法，其中该催化剂的重量％是在约4％到约50％的范围内，并且该加热是在约250℃下进行。

35.如权利要求1到34中任一项所述的方法，其中该催化剂是按重量计约4％的氢氧化钙并且该加热是在250℃的温度下进行。

36.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该方法是一种连续方法。

37.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该方法是一种分批方法。

38.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中方法条件被选择为使二丙烯酸形成减少。

39.一种通过以上权利要求中任一项所述的方法生产的丙烯酸产物，其中该生物基碳含量是100％。

40.如权利要求39所述的产物，其中该丙烯酸产物包含按重量计少于5％的副产物。

41.如权利要求39所述的产物，其中该丙烯酸产物包含按重量计少于4％的副产物。

42.如权利要求39所述的产物，其中该丙烯酸产物包含按重量计介于3％与1％之间的副产物。

43.一种由可再生资源生产的聚-3-羟基丙酸酯生物质，该生物质适合作为一种用于生产丙烯酸产物的原料，其中该生物质中聚-3-羟基丙酸酯的水平按该生物质的重量计大于50％。

44.如权利要求39到43中任一项所述的生物基丙烯酸产物，其中该产物是具有100％的生物基碳含量的丙烯酸。

45.如权利要求1到38中任一项所述的方法，其中产物基于该产物中一克的丙烯酸是每克聚-3-羟基丙酸酯约85重量％或更大。

46.一种物品，包括通过权利要求1到38所述的方法生产的丙烯酸产物。

47.一种通过权利要求1到43所述的方法中的任一种制得的超强吸收性物品。

48.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少50％。

49.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少60％。

50.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少70％。

51.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少75％。

52.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少80％。

53.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少85％。

54.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少90％。

55.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少95％。

56.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少98％。

57.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是至少99％。

58.如权利要求47所述的物品，其中该生物基含量是100％。

59.一种用于生产丙烯酸产物的方法，包括

a)使一种3-羟基丙酸酯或一种β-丙内酯聚合成聚-3-羟基丙酸酯；并且

b)将该聚-3-羟基丙酸酯与一种催化剂和一种热传递流体组合；并且

c)加热该聚-3-羟基丙酸酯与该催化剂以及该热传递流体以使该聚-3-羟基丙酸酯转化成一种丙烯酸产物；其中该丙烯酸产物的产率是至少50％。

60.如权利要求59所述的3-羟基丙酸酯或β-丙内酯，其中该3-羟基丙酸酯或β-丙内酯是衍生自可再生来源。

61.如权利要求59所述的3-羟基丙酸酯或β-丙内酯，其中该3-羟基丙酸酯或β-丙内酯是衍生自石油来源。

62.如权利要求59所述的聚-羟基丙酸酯，其中该生物基含量是0％到100％。

63.如权利要求59所述的聚-3-羟基丙酸酯，其中分子量是从300至3×106道尔顿。