CN105121503A - 用于从生物质中提取多羟基烷酸酯的方法 - Google Patents

用于从生物质中提取多羟基烷酸酯的方法 Download PDF

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Abstract

一种工业规模批量或半连续批量PHA提取方法，其中可根据实际的实验室规模评估但更优选通过生物质品质的校准的化学计量评估，定量调节批料间变化的过程操作条件和控制。调节包括选择与过程溶剂和PHA类型相当的生物质加载条件。批料操作时间和温度与模型化和所监测的提取动力学匹配。通过控制富集PHA的溶剂凝胶形成，来利用富集PHA的溶剂胶凝。总的来说公开了允许稳健和一致的回收产品质量控制同时能够改进总体过程经济性的方法。

Description

用于从生物质中提取多羟基烷酸酯的方法
技术领域
本公开内容总的来讲涉及从生物质中提取和回收多羟基烷酸酯(PHA)。
发明背景
现今塑料主要产生于石油化学来源。然而，越来越多的有关自然资源可得性和塑料废物在自然界的堆积的顾虑激发了聚焦于用“生物塑料”替代基于石油化学的塑料的日益增长的研究与发展。如果塑料材料是基于生物的、生物可降解的或这两种性质，则塑料材料可定义为生物塑料。
多羟基烷酸酯(PHA)代表在多种天然存在的微生物中作为胞内颗粒蓄积的一类基于生物的聚酯。用于生产PHA的方法可包括使专门用于产生PHA的纯的细菌或植物培养物增殖。PHA还可从产生于满足环境保护和残渣管理需要的生物废物处理过程的生物质的开放式混合培养物中回收。
PHA是在目前基于例如聚丙烯、聚苯乙烯和聚乙烯的现代塑料中可用作替代聚合物的聚酯。部分由于PHA可完全生物降解为二氧化碳和水且它们一般是生物相容性材料的事实，因此PHA在不同于基于常规化石燃料的聚合物的专业化应用中具有更多的实用性。因此，基于PHA的塑料是既可为基于生物的并且又可为生物可降解的生物塑料。在PHA家族内，多种机械性质是可能的，从硬弹性的到更似橡胶的。因此，它们可显示类似于现今商业化应用中无所不在的许多非基于生物的、不可降解的聚合物的工程材料性质。
PHA可从含有富集PHA的生物质(PHA-rich-biomass)的原料中开发和提取。可将这些富集PHA的生物质批料递送到例如来自许多来源的提炼厂。常见来源包括生物废水处理厂，在处理厂中存在于水和污泥中的有机碳残渣可通过过剩的生物质转化以产生富集PHA的生物质。所述富集PHA的生物质的批料常常含有干重的至少35%、但优选超过40%和最优选超过50%为多羟基烷酸酯的均聚物、共聚物或共聚物共混物。提炼厂面临的一个挑战是适应所递送的富集PHA的生物质的批次间的变化性。
在没有限制的情况下，所述批次间的变化性可涉及生物质中的PHA含量、含PHA的生物质中的热稳定性、PHA的类型、含PHA的生物质的平均分子量和非PHA生物质品质。因此，应制备用于PHA提取过程的生物质。例如，在一个实施方案中，生物质可制备，使得含PHA的生物质中的热稳定性高，这通过大于270℃的热分解温度测量。在其它实施方案中，制备可包括达到生物质干燥的标准并提供干燥的生物质，其粒径与提取的方法和过程以及回收过程的最可能的生产率的需要和利益两者相容。
鉴于递送到集中式提炼厂的富集PHA的生物质的批料间品质可变化，因此需要使集中式提炼厂能够适应各种输入原料品质变化性同时生产PHA作为具有限定于狭窄的受良好控制的边界内的品质的产品。所述需要不容易满足，因为涉及有关以下问题：含PHA的生物质的评估和调节批料间特殊PHA回收条件以递送一致的分子量品质的产品同时保持最大可能的富集PHA的生物质加载到批量生产中用于良好的凝胶形成和总体最大可获得的过程生产率和经济性。
通常报告的妨碍PHA广泛应用的障碍是因以下所致的生产成本：用于富集PHA的生物质生产的精炼原料的成本、纯培养系统灭菌的能量，或另外自生物质提取和回收纯化的PHA。已表明通过使用存在于废水和污泥的有机残渣使原料成本降低是可行的。已表明通过在开放式混合培养过程中应用生态学选择压力的技术可避免灭菌成本。尽管降低PHA生产成本的这些上游方法，但是用于提取和回收的下游成本负担仍是所报告的持续挑战。
另一个障碍由从生物质中提取PHA产生。用于从生物质中提取PHA的最容易应用的方法是通过使用一种或多种溶剂，更具体地说氯化溶剂。然而，如果要避免使用氯化溶剂，则可使用所谓的PHA贫乏溶剂(PHA-poor solvent)。PHA贫乏溶剂可定义为溶剂或溶剂混合物。当将富集PHA的生物质和溶剂混合并加热到至少可凭经验确定的温度阈值(可高于或不高于溶剂沸点)时，这些PHA贫乏溶剂将开始从生物质中提取PHA形成富集PHA的溶液。
一般来讲，用PHA贫乏溶剂提取PHA的温度范围介于100和160℃之间。较高的温度一般更适于溶解更多的结晶PHA。含PHA的生物质的处理史可影响结晶度。共聚物的类型，包括例如普通生产的PHA种类，包括聚(3-羟基丁酸酯) (PHB)和3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物共混物(PHBV)，也影响潜在的结晶程度。
在升高的温度下PHA提取的一个挑战是避免在回收过程中发生的聚合物降解或至少使在回收过程中发生的聚合物降解的程度减到最小。WO2012/022998A1描述了其中含PHA的生物质的稳定性提高，以允许以在升高的提取温度下分子量降解动力学降低的结果回收PHA的方法或过程。无论如何，通过WO 2012/022998A1的方法提高富集PHA的生物质中聚合物的稳定性，可不妨碍在升高的温度下在提取过程中会接着发生的所有形式的化学反应。聚合物的降解总是会发生溶液中(尽管至较小程度)，其速率一般取决于反应物浓度和温度。溶于溶剂的聚合物和溶解的非PHA生物质组分的两个量可有助于促进聚合物链中断反应(chain scission reaction)的反应物的合并。
此外，对于某些PHA贫乏溶剂，在PHA被提取到溶液中后，聚合物趋于形成松的结晶网，因此在富集PHA的溶剂溶液从提取温度冷却下来时形成物理凝胶。用PHA贫乏溶剂形成物理凝胶的倾向是公认的(美国专利6,087,471)。由于PHA低的热稳定性的历史经验，因此在使PHA形成物件的过程中考虑了所述凝胶(美国专利4,360,488)，因此应避免较高的处理温度。尽管如此，物理凝胶形成被视为从生物质中提取PHA的方法或过程中的常见缺点。美国专利7,226,765公开了避免凝胶形成或使凝胶形成降到最小的从细菌和植物中提取PHA的溶剂提取过程。美国专利6,087,471进一步描述了在高温和高压下的PHA溶剂提取过程，还有将该过程优化以避免所报告的非期望的凝胶形成。因此，本领域的主要方法被描述为其中使富集PHA的溶液冷却的溶剂提取过程，并且方法被用于形成沉淀和常常避免形成富集PHA的凝胶。
然而，现有的沉淀方法被一些问题拖累。例如，用于实现沉淀的一种方法是将非溶剂加入富集PHA的溶液中。这种实践可能使溶剂再循环和回收复杂化。第二种已报告的经设计形成沉淀而非物理凝胶的方法是选择其中凝胶网无法容易或广泛形成的更稀的富集PHA的溶液的条件。这种实践增加溶剂消耗和降低产品回收容积生产率(volumetric productivity)。因此，尽管所报告的方法提升，但是仍需要改进用于从生物质中提取PHA的方法。
之前没有报告对在由混合培养物组成的生物质内生产的PHA的工业规模回收是特别的挑战。现今不存在从混合培养物中回收PHA的这类工业规模设施。具有PHA蓄积能力和作为过程和废水生物处理一部分所生产的活性污泥是所述混合培养物的一个实例。接受来自不同废水处理设施的富集PHA的活性污泥批料的提炼厂可能具有受例如生物过程操作条件(例如污泥保留时间)、废水质量和用于蓄积生物质内的PHA的原料等情况影响的来源依赖性特征。
参与在商业应用中使用PHA的贸易的人通常报怨聚合树脂性质的批次间变化性。不同批次的类似来源的聚合树脂作为原料在例如平均分子量方面可能显著不同是普遍的。一致的产品质量主要但并非唯一是指受控回收的产品平均分子量和纯度。总的来说，存在改进以控制产品质量的变化性的进一步需要。此外，将批次间变化性的来料吸收到处理富集PHA的混合培养物生物质的PHA回收提炼厂中的特殊挑战因此被理解为对在具有可靠产品质量保证需求的PHA回收经济中实现切实可靠的商业化操作平衡需要甚至更为重要。
发明概述
本文的公开内容涉及用于从混合培养物生物质中回收PHA的方法。在一个实施方案中，制备颗粒状富集PHA的生物质，并与PHA贫乏溶剂混合。将PHA溶于PHA贫乏溶剂中，允许从含PHA的生物质中提取PHA以产生富集PHA的溶剂。在该提取中，将温度平均保持在介于TL15和TU15之间达至少15分钟、但优选少于1小时、更优选少于2小时。在提取后将富集PHA的溶剂从剩余的生物质中分离。可在保持富集PHA的溶剂的温度和/或剪切应力(sheer stress)以防止胶凝的同时进行所述分离。可将富集PHA的溶剂转移到胶凝的位置。在转移期间，保持温度和/或剪切应力以防止胶凝。促进富集PHA的溶剂胶凝。可通过使富集PHA的溶剂冷却至胶凝温度或胶凝温度以下的温度来进行所述促进。然后将溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中压出。
在另一个实施方案中，将生物质引入反应器中并与溶剂混合。将反应器中含生物质的溶剂加热。通过将PHA溶于溶剂中，来从含PHA的生物质中提取PHA。这形成富集PHA的溶剂。使富集PHA的溶剂从反应器中通过导管转移到分离器位置。在第一段的导管中，将富集PHA的溶剂保持在防止胶凝的温度下。在第二段的导管中，使富集PHA的溶剂冷却形成富集PHA的溶剂凝胶。在PHA分离器位置上，机械挤压富集PHA的溶剂凝胶，以将溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中除去。
在一些实施方案中，可使生物质颗粒化以具有0.1 mm-4 mm的平均粒径范围(实施例4)。这种粒径范围可允许在保持更容易的溶剂-生物质分离同时仍设法具有良好提取效率与合理的提取动力学之间达到平衡。
在一些实施方案中，如有需要，可通过预提取步骤(实施例7)提高含PHA的生物质的化学稳定性，该步骤中用PHA贫乏溶剂但在低于PHA提取温度下限(TL—实施例3)的温度下提取生物质。这种较低的PHA提取温度通常是溶剂、PHA类型和生物质依赖性的，并且在实践中可通过例如本文公开的方法(实施例3)等方法评价。在没有限制的情况下，我们将TL15定义为其中15分钟的等温提取产生可忽略量的溶于溶液中的聚合物的温度。将预提取溶剂从生物质中分离，使生物质再次置于PHA贫乏溶剂中，籍此使来自含PHA的生物质的PHA在高于TL15的温度下溶解于溶液中。与TL (实施例3)类似，我们还例如将提取温度上限(TU15)定义为基本上将所有含PHA的生物质溶入溶液中的15分钟等温提取的温度。温度范围由于多个因素可在实施方案中不同。例如我们发现，对于用富集PHB的生物质的一些实施方案，提取温度范围TL15-TU15可为119-150℃。对于试验规模生产的、含有3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物共混物(PHBV)且颗粒大小范围介于0.71和2 mm之间的不同生物质，TL15-TU15的温度范围可介于78-195℃之间。在使用相同试验系统的又一个实例中，生产富集PHBV的生物质，颗粒化至介于0.71和2 mm之间的粒径，并含有更大程度的与3-羟基戊酸酯的共聚物共混物，其TL15-TU15温度范围为63-175℃。至于批次间的变化，可按照本文提供的方法和实施方案，系统性地改变用于PHA回收的时间和/或温度的提取条件。
在一些实施方案中，保持提取时间至最少，其中通过预测但更优选在提取步骤中采用一种或多种联机监测技术，例如本文描述的技术(实施例10)直接或间接测量溶剂中的PHA浓度，来确定将PHA溶于PHA贫乏溶剂中以产生富集PHA的溶液的时间量。例如，在第一个实例中可针对任何指定的温度循环，通过预测建模估计提取时间(实施例3)。在一些实施方案中，可根据有关放大装置相应实施的实例-实例间的经验，将基于实验室推导的动力学常数的理论模型精修并修正为在实践中有更多数量上的代表性(实施例8和9)。如本文所用，更多代表性是指说明可能不如按实验室规模获得的一样好的放大过程质量传递效率的模型修正。
在一些实施方案中，对于沸点小于提取温度的PHA贫乏溶剂，一般可将提取容器封闭，以避免沸腾同时产生富集PHA的溶液。可将富集PHA的溶液从生物质中分离，优选通过保持温度和/或混合剪切应力的条件将富集PHA的溶液置于该系统外，以保持溶液而不开始胶凝(实施例11)。通过在混合或不混合的情况下冷却，可策略性地使排出的富集PHA的溶液胶凝，并可通过机械接触(engaging)凝胶并因此迫使溶剂流出，而容易地从所得凝胶中回收PHA。
在一些实施方案中，加载富集PHA的生物质的溶剂的程度可影响分子量降解速率。可根据在提取期间接着发生的聚合物链中断反应的平均数，来表示该降解速率(实施例8)。鉴于含PHA的生物质分子量的信息(实施例5)和提取的聚合物品质标准的具体要求，可以建立在提取期间不超过“允许的”中断的最大数目的操作参数。例如，在一些实施方案中，加载生物质到提取过程中的溶剂是一个重要的操作参数。该约束是就回收满足产品分子量的质量标准的PHA的目的而论。因此，虽然生物质的PHA类型和性质可能影响PHA提取的时间和温度的操作条件，但是含PHA的生物质分子量和提取期间PHA与生物质的化学稳定性可决定可用于具体的富集PHA的生物质批料的最大PHA溶剂加载。一般而言，预期较少的100 g-PHA/L的溶剂加载用于这些种类的提取过程。
在一些实施方案中，可在过程的不同阶段，将添加剂掺入该过程中(实施例6)，其目的是使较高的提取加载成为可能或另操控回收的聚合物性质。例如，由于所得聚合物降解的断开速率(scission rate)降低所致，可采用溶剂可溶性非PHA生物质的预提取以允许较大生物质加载到溶剂中用于后续PHA提取步骤(实施例7)。用于提取的生物质的加载提高进而可允许提取容积生产率提高。较高分子量的较高富集PHA的溶液浓度可促进凝胶性质改进。改进的凝胶性质可提供较大程度的溶剂从凝胶中流出。较大的溶剂流出可产生纯度提高且具有较大的溶剂回收程度的聚合物。可在不同的实施方案中部分和组合使用所有这些要素，以改进PHA回收的稳健性、过程经济性和产品质量控制。
本文所述方法允许事前控制提取的聚合物的分子量，并允许实时微调批次之间的提取时间。本文公开的示例性方法和过程可应用于实践以助于确保可靠的产品质量和管理过程操作经济性。总的来说，本发明人已确立了用于趋于降低总体溶剂消耗同时避免或至少降低回收聚合物后纯化的需要和成本的过程的方法。保持聚合物品质的严格标准，同时使过程步骤减至最少，并使溶剂使用和操作经济性优化，整体有助于稳健和一致PHA回收的更经济地调节的过程和方法。这些是当前的产业需要。
附图简述
图1. 根据测量的光密度和颜色的改变PHB粉在132℃下溶于丁醇的进程。
图2. 富集PHB的生物质随温度变化的模型化一级等温提取动力学。
图3. 具有模型S型拟合与从TH到TL15和TU15的操作限制温度的外推连线的来自富集PHB的生物质的15分钟等温提取的实验结果。
图4. 凭经验估算的随温度变化的一级等温提取速率系数和基于随温度而变化的f15数据的模型值(连线)。
图5. 具有模型S型拟合的富集PHBV的生物质的45分钟等温提取(f45)的实验结果和以TL15和TU15的限制温度转化为操作确定的15分钟提取(f15)的数据。
图6. 参照图5，来自具有标明的平均温度和提取时间(T > TL15)的富集PHBV的生物质的模型与实验提取收率。
图7. 粒径对富集PHA的生物质提取的影响。
图8. 在滚筒碾压机碾碎后富集PHA的生物质的粒径分布，显示了第一次研磨通过的生物质的结果和所选亚级分的分布。
图9. 在滚筒碾压机碾碎后富集PHA的生物质的粒径分布，显示了通过2.00 mm目并被0.71 mm目保留的估算分布。
图10. 在不变的生物质加载下2-丁醇中的富集PHB的生物质的等温提取(125℃)的平均断开速率。
图11. 在50 g/L的恒定PHA加载下2-丁醇中富集PHBV的生物质的随平均提取温度变化的平均断开速率。时间t50是导致50%平均分子量损失的估算提取时间。
图12. 对于固定的35%分子量损失基于50 g/L的PHA加载的允许提取时间(t35)影响预期提取收率(f)。
图13. 对于不变加载的富集PHB的生物质在90℃下用2-丁醇预洗涤对提取断开速率的影响。
图14. 对于指定提取时间、温度和溶剂，富集PHA的生物质的PHA加载对中断的影响。指定的生物质显示中断随加载增加的趋势(◆)。然而，一般而言不同的生物质批料(☐)显示在提取期间聚合物化学稳定性的广泛变化。
图15. 对于具有不同的富集PHB的生物质和加载条件但具有不变的溶剂类型、平均提取温度和提取时间的不同生物质批料，使测量的平均比断开速率(average specific scission rate)与根据生物质品质的FTIR “指纹”预测的平均比断开速率关联的PLS模型结果(具有建模实验数据(○)和模型验证数据(■))的图示。
图16. 对于进料批次间变化的富集PHA的生物质品质，为保持用于一致的过程生产率和产品质量水平的优化提取操作条件的PLS化学计量模型应用的实例。
图17. 从多个废水处理厂(WWTP1...WWTPn)接收富集PHA的生物质的批料(B1…Bn种可变品质)并生产一致品质的生物聚合物产品等级(PHA1…PHAn)以及其它附加回收价值的化学品用于多个商业市场(客户1…客户n)的集中式提炼厂。
图18. 为调整回收过程和回收确定品质的PHA同时应用对经济性和生产率整体改进是可能的最强力的过程容积负荷的过程和方法的应用。一般而言，含高PHA的生物质平均分子量在其它都相同的情况下允许较高的提取加载。
图19. 作为在将可变批料间品质的富集PHA的生物质转化成具有一致性受控品质的富集PHA的溶剂凝胶中应用调整过程条件的方法的一部分的材料和信息的流程图。
图20. 测量的溶剂粘度依赖性再循环流动的相对变化(10 L过程—实施例1)和估算的模型化PHA提取收率(实施例3)之间的相关性的图示。
图21. 基于测量的溶剂粘度依赖性再循环流动的相对变化(10 L过程—实施例1)和从通过近红外光谱法(NIR)联机监测溶剂的光谱推导的预测的质量流动增加之间的PLS模型的相关性的示图。
图22. 基于溶剂光密度随胶凝增加的富集PHA的溶剂凝胶形成动力学的等温(102℃)动力学的图示。
图23. 基于图22所示胶凝开始的温度对等温胶凝时间的影响的图示。
图24. 富集PHA的溶剂浓度和PHA组成(◆-PHB、▲和■PHBV共聚物)对胶凝温度的影响的图示。
图25. 给定相似的冷却速率(≈ -1.6℃/分钟)，受高(◆—在78℃以下开始)和低(■—到87℃开始)混合能影响的胶凝开始的图示。注意冷却速率受胶凝的放热性质影响。
图26. 对于富集PHA的溶剂通过光密度随温度变化的回归分析测定的胶凝开始的示图。
图27. 参考图26对于指定的富集PHA的溶剂冷却曲线在胶凝开始前可利用时间的图示。
图28. 在恒定压力(16巴)下排放速率对溶剂压出和来自富集PHA的凝胶的凝胶干燥固体含量增加的影响。
图29. 时间和压力对从富集PHA的凝胶中压出溶剂的影响。
图30. 提取过程的组件的示意图。
图31. 提取过程中材料流动的示意图。
发明详述
本公开内容特别提供用于从生物质中回收PHA的方法。富集PHA的生物质可获自例如生物废水处理过程。
在一些实施方案中，在从生物质中提取PHA之前，可处理生物质以改进PHA化学稳定性。在一些实施方案中，可应用富集PHA的生物质的预处理(如下面的进一步论述，并阐述于实施例7)作为能够以较大容积生产率的益处将较高质量加载到批量生产中的手段。因此，适当时回收过程操作条件可能需要选择预处理方法以保持过程经济性同时仍一致递送在纯度和平均分子量的规定质量标准内的产品。例如，可通过在低于PHA贫乏溶剂临界温度的温度下将溶剂和生物质混合，并通过在PHA提取之前从生物质中除去含有这些杂质的溶剂，来从生物质中除去非PHA溶剂可溶性化合物。在另一个实施方案中，在采用本文所述PHA回收方法之前，含PHA的混合培养物生物质经蓄积、热稳定并干燥。
本文所用术语“干燥的”或“干燥”意指不论部分还是完全除去水。例如，来自生物处理过程的富集PHA的生物质相对于干燥的生物质固体可含有至少35%、但优选大于50% w/w PHA，此外，干燥的生物质固体相对于生物质可含有少于10%、优选少于2% w/w水。
从植物和微生物中回收PHA的溶剂提取过程是本领域众所周知的。例如，美国专利号6,087,471公开了使用非卤化PHA贫乏溶剂从生物质中回收PHA的方法。这些和其它方法通过建立促进PHA在提取后从富集PHA的溶液中沉淀的条件，提供PHA的最终回收。沉淀与胶凝不同，因为这些公开的沉淀方法目的在于避免富集PHA的溶液形成稳定的PHA溶剂凝胶，因为凝胶形成被描述为不需要的。
本发明人出乎意料地发现，所报告的因富集PHA的凝胶形成所引起的生物质-溶剂分离问题可通过在PHA溶剂提取和回收过程中利用凝胶形成的温度和剪切依赖性动力学来克服(实施例11)。如果PHA从生物质中提取并进一步加工为物理凝胶，则挑战是确保形成优良品质的凝胶。通过凝胶中较高的PHA分子量和升高的聚合物浓度来提高凝胶品质。如上所述，加载到提取过程中的富集PHA的生物质增加一般往往提高提取期间聚合物降解的速率。因此，调整提取过程以改进凝胶品质的一个关键方面势必降低聚合物平均分子量的第二个关键参数。本文所述方法和过程涉及考虑将最大可允许的富集PHA的生物质加载到受限制以实现最小可允许的纯化的PHA产物分子量的提取过程的那些方法和过程。
凝胶中较高的聚合物分子量和浓度对于产品质量和产品回收便利是更合乎需要的。凝胶中较大的聚合物浓度意味着富集PHA的生物质较大加载到回收过程中，导致较高的提取PHA浓度。然而，增加加载到反应器中的生物质还意味着提取期间分子量损失的速率提高。太多的分子量损失对于回收的凝胶性质可能是不利的，并且对PHA加工成塑料的最终机械性质不利。较低的回收聚合物分子量还会显著减小应用的产品范围和经济价值。问题是调整回收过程以实现加载到提取中的最高可能的容积生产率，用于最适整体过程经济性以及在回收过程性能(凝胶性质)和产品质量(纯度和分子量)中最适的技术过程要求。
PHA贫乏溶剂可用于在提取中提高PHA化学稳定性的方法中(实施例7)。随着化学稳定性提高，每批可提取较高浓度的PHA，同时仍产生类似或较大平均分子量的聚合物。可根据本文实施例所述方法，确定溶剂加载条件，并保持最佳提取时间(实施例1、2、3和8)。本发明的优选实施方案包括在一般高于100℃的温度下用溶剂和用回收的PHA俘获为富集PHA的溶剂-凝胶从富集PHA的生物质中批量回收PHA的过程。这些实施方案应用所述方法以确保具有优化的批料间过程容积生产率的一致产品质量。在富集PHA的生物质含有共聚物的共混物时，应用于用PHA贫乏溶剂提取的条件应满足适于回收共混物中最难溶解类型的共聚物的温度和提取时间。因此，如果生物质中PHA聚合物的类型在性质上是异质的，则本文公开的过程和方法还涉及用于建立和应用从富集PHA的生物质中回收PHA的最适条件的实施方案。
已知较高聚合物浓度且具有较高分子量的聚合物的凝胶更容易进一步处理，并且较高分子量的PHA提供改进品质(价值)的成品。因此，本公开内容涉及通过为溶剂回收简易性而使用单一非氯化PHA贫乏溶剂(或溶剂混合物)的用于PHA回收的改进方法，其增加富集PHA的提取溶液浓度以提高生产率并实现所需胶凝性质用于更好的成品回收。本文公开的实施方案同时致力于在适当注意必须能够适应富集PHA的生物质品质的批料间变化的预期工业商业实践的情况下应用所述过程方法。在一个实施方案中，应用所述方法以评价富集PHA的生物质品质以确定将确保一致的提取产品质量的最适提取条件。
一个优选的实施方案包括其中建立用于从富集PHA的混合培养物生物质中受控地提取PHA的条件的方法或过程。提取使用非卤化溶剂进行。根据平衡实现高容积生产率的挑战和产生PHA的最小或至少可接受水平的平均分子量减少的所公开的方法，选择加载到溶剂中的最大生物质。一个优选的实施方案采用这样的策略，其中选择有利于PHA溶剂凝胶形成且使得凝胶形成受控制从而不是不合乎需要而是对聚合物回收的过程和成品质量有利的过程和操作条件。
PHA溶剂凝胶形成动力学取决于例如温度、混合强度、溶剂选择、PHA浓度、PHA分子量和要提取的共聚物或共聚物共混物的类型(实施例11)。至少一个实施方案的目的是利用在富集PHA的溶剂溶液开始胶凝时的时间延迟。在富集PHA的生物质提取后且在胶凝前，可从富集PHA的溶液中分离非溶解的生物质残余固体，可安排凝胶形成使得从批量PHA提取过程中的半连续PHA回收过程成为可能。在一个实施方案中，可使用多批提取反应器以生产富集PHA的溶液，其中多批提取反应器在其中协调溶剂的胶凝和/或流出的普通PHA回收过程的步骤中提供富集PHA的溶液。多批提取反应器产生依次凝胶，之后流出的溶液。废热的有效俘获和利用及来自多批提取过程的富集PHA的溶液进入普通的最终PHA回收过程的进一步加工导致更有效的PHA回收和每千克回收的PHA的总体过程成本降低。此外，可将不同提取批料的凝胶混合，从而有利于在远低于熔化温度且因此没有分子量降解的过程中生产所需的充分混合的共聚物制剂。
在一个实施方案中，可通过在反应器中过滤，将剩余的生物质从富集PHA的溶液中分离。在另一个实施方案中，可通过在反应器之外的收集器俘获生物质，将剩余的生物质从富集PHA的溶液中分离。
在一个优选的实施方案中，通过在PHA提取后保持溶剂的合适的温度和/或混合强度来控制至胶凝的时间。可通过本文实施例所公开的简单实验室试验确定合适的时间和温度。至胶凝的时间部分取决于富集PHA的溶液浓度。因为这是一种目标在于使加载到提取过程中的PHA最大化的方法，所以必须协调加载PHA的因素和胶凝时间。
如果生物质中的所有可提取的PHA最终进入溶液，则加载到过程中的PHA是可以实现的PHA的理论浓度。可通过例如基于TGA (热解重量分析)、FTIR (傅里叶变换红外光谱法)、气相色谱法的方法和/或标准提取方法量化可提取的PHA (实施例1和实施例3)。最大允许的PHA加载成为在强健的PHA溶剂凝胶内实现高提取收率和高产品分子量目标的平衡，所述强健的PHA溶剂凝胶可流出以最终产生至少足够分子量和至少足够纯度的聚合物。
在这种情况下的足够是产品应用依赖性的。对于多种应用，大于90%、优选大于95%和最优选大于98%提取的聚合物一般可视为足够。同样，大于350 kDa、优选大于400 kDa、更优选大于500 kDa和最优选大于700 kDa的重量平均分子量可适于多种可能的应用。本文公开的方法使得能够选择合适的提取操作参数以达到可预测的产品分子量，并因此在PHA回收过程运行中吸附进入的原料变化性以在清晰可辨的质量窗内递送产品用于具体的产品应用。
另外需要回收的PHA具有高的热稳定性，如大于270℃、但优选大于280℃、甚至更优选大于285℃的热分解温度所示(实施例1)。含PHA的生物质或回收的PHA的热稳定性一般可通过热解重量分析(TGA)评价。根据流变学测量也可了解回收聚合物的热稳定性，通过流变学测量，材料显示大于5分钟、优选大于15分钟的1 log熔化稳定性(180℃) (参见例如WO 2012/022998A1)。
影响合适的提取过程PHA加载条件选择的复杂因素如下：
· 用于提取收率改进的较低的PHA加载，其意味着在提取后最少量的PHA残余物保留在生物质中。
· 用于在提取过程中分子量减小的动力学降低的较低的PHA加载。
· 用于强健的凝胶形成的较高的PHA加载。
· 用于较大的过程容积生产率的较高的PHA加载。
· 用于最适凝胶溶剂流出性质的较低的和较高的PHA加载两者，其中因较高产品分子量所致较低的PHA加载有利，而因较大的PHA溶剂凝胶浓度所致较高的PHA加载有利。
因此，PHA加载的最适条件受限于足够高和足够低的平衡中。这个平衡点随富集PHA的生物质的来源和待提取的共聚物或共聚物共混物的类型而变化。实施例9中阐明了以实例-实例基础确立最适回收条件的方法或过程的实例。
一个优选的实施方案提供在保持温度使得胶凝不发生直到富集PHA的溶液从不溶解的生物质级分中分离的情况下将富集PHA的溶液从残余生物质中分离。在一个实施方案中，冷却机制是通过可用于在附近的提取反应器中预热溶剂的热交换。一旦胶凝发生，可采用机械分离挤出溶剂，并回收PHA和可重复使用的溶剂两者(实施例11和12)。理论上，应在尽可能高的温度下回收溶剂以使用于溶剂回收的能量减到最小。
据报告，通过施加剪切力(在低聚合物浓度下)，加入更极性但可混溶的溶剂或通过将富集PHA的溶液用冷却的提取溶剂快速稀释，仍然可实现在提取后PHA贫乏溶剂中的PHA沉淀。然而，附加以避免凝胶形成的所有这些实施方案增加了过程复杂性和费用：
· 加入更极性但可混溶的溶剂显著增加溶剂消耗，使产品回收有更大挑战性，并且在用于溶剂回收和再利用的能量需要中强加了更多的资金和运作费用。
· 引入更极性的溶剂可促进共提取溶剂可溶性非PHA生物质残余物的共同沉淀，导致通常较差的产品质量。
· 基于高剪切力的沉淀一般具有低的PHA浓度，意味着过程容积生产率差及溶剂和能量消耗过度。
在我们的PHA回收的研究结果中，单一PHA贫乏溶剂回收过程与使可允许的PHA加载最大化的方法以及胶凝性质优化的组合既有助于总体良好的过程性能，又有助于主动控制成品质量的方法。
预期已被热稳定(参见例如WO 2012/022998A1)和随后通过所述提取方法在PHA贫乏溶剂中回收并通过受控胶凝俘获的含PHA的生物质是相对纯的(> 95%纯度)。无疑，以这种胶凝方式回收的PHA总是可通过使用热的方法或其它溶剂冲洗或混合策略进一步下游加工，以获得甚至更高纯度的PHA或所需的增值复合聚合物原材料。
可加入有助于配制的聚合物原料形成的化学添加剂。包括但不限于化学清除剂、成核剂、稳定化学品、增塑剂、官能化剂和填充剂，并将其混入富集PHA的溶液中，并且在提取中、在提取和生物质分离后和/或在胶凝过程中或甚至在胶凝过程后在基质中俘获(实施例6)。因此，PHA的胶凝带来加工聚合物成为进一步改进和增值的原料和/或生物塑料的预期优势。为此并且作为实用的实例，我们发现了聚碳二亚胺类别中的化合物当在提取后但在胶凝前在升高的溶剂温度下与富集PHA的溶液混合时，可引起链延长反应。在PHA贫乏溶剂提取后，这种实践可用来增加或弥补材料性质。
回收的PHA的分子量和PHA共混物中的分子量分布是影响聚合物物理性质的主要品质因素。总的来讲，较高分子量是更合乎需要的。减少在反应器中的PHA提取时间使在提取过程中可能发生的PHA的平均分子量减小降到最低。因此，保持提取时间至不超过提高从富集PHA的溶液中回收所需较高平均分子量PHA的能力所需要的提取时间。通过预测，或更优选直接监测溶剂中提取的PHA的浓度，可能确保尽可能短地保持提取时间(实施例10)。可通过待提取的生物质的实际特征来进行预测(实施例3)。在提取过程中，提取过程趋势的直接监测可以是通过采用传感方法(例如光谱学)的溶剂质量监测或富集PHA的溶液的粘度(实施例10)。
所需提取时间和提取收率受干燥生物质的粒径影响。提取过程是来自生物质的有限质量输送(实施例2和3)。一般来说，我们认为较小的颗粒可提高溶剂提取动力学和产品收率。质量传递动力学一般随着界面表面面积(小的粒径)增加而改进。同时，简化非溶解生物质从富集PHA的溶液中的后提取分离，得到较大的粒径。我们发现(实施例4)当生物质颗粒太大时，提取不会进行到生物质颗粒的核心。此外，较大的颗粒意味接触表面积较小，其质量传递动力学降低，提取时间较长，且因此分子损失程度增加。发现溶剂渗透深度约为2 mm。
在粒径分布介于0.71和2 mm之间的实际实验中，其中主要粒级为1.4 mm，我们认为提取收率和动力学间的良好平衡具有容易从富集PHA的溶剂中分离提取的生物质颗粒的能力。在用两个不同生物质批料、比较0.71-2 mm和2-3.15 mm的不同颗粒大小分布的重复实验中，在直接比较时和对于相同的提取条件，观察到具有较大颗粒分布有高达23%提取效率的损失。因此，约1 mm的主要的颗粒粒径被认为最适用于从所述生物质中回收PHA的工业实践。
根据在将干燥的富集PHA的生物质研磨变成粒径分布介于0.71和2 mm之间的颗粒状生物质中的实际运作，我们发现，在提取后0.5 mm滤网将保留大多数的生物质。在实验性实例实施方案中，0.1 mm被进一步用于截留在提取过程中存在或形成的生物质细屑。根据溶剂渗入生物质中的研究结果，提取系统中的生物质颗粒的标称直径应小于4 mm。我们在实践中发现，粒径分布大于0.5 mm和小于2 mm的颗粒状生物质提供在提取性能和富集PHA的溶剂分离的实际便利之间的良好平衡。通过保持约1 mm的主要颗粒粒径，在大批生物质从溶剂中分离后，可容易地从富集PHA的溶剂流中筛出形成或少量存在的大于0.1 mm的生物质颗粒细屑。
因此，发现小于4 mm的生物质颗粒粒径分布、理想地具有1 mm级次的主要级分和大于0.1 mm的细屑，在残余生物质分离的实用简易性、提取时间上的过程效率的对比优化考量与通过相关加载潜力之间取得平衡。以这种方式，有效提取时间可少于5小时，但优选少于2小时，甚至更优选少于1小时。
本领域技术人员应了解，生物质颗粒和溶剂毛体积间的界面处的溶剂-生物质边界层在理论上应尽可能的薄。因为平均分子量降解动力学取决于浓度，颗粒-溶剂界面上局部浓的富集PHA的溶液应尽可能快地转运并稀释进入本体溶液中。因此，在提取过程中优选混合。在提取期间，提取溶剂相对于提取反应器中的生物质的混合可提高提取收率，提高提取动力学，因此减少聚合物降解。可在标准实验室规模实验中评价聚合物提取和降解动力学的潜力的限制(实施例3)。
在实践中，优选施加混合能以将从生物质颗粒-溶剂界面提取的PHA保持轻缓但相对快速地分散和稀释在整个溶剂体积内而又不破坏生物质颗粒。发现太激烈的机械混合条件将生物质颗粒磨成容易穿过简单过滤筛的细粉，这导致不需要的成品污染。因此，在一个实施方案中，可以流化床向上流动的模式或驱使溶剂通过压实的颗粒生物质床流动的压力梯度，通过滤垫泵出溶剂，而不是随意与溶剂体积内的颗粒混合。
PHA贫乏溶剂中PHA提取的动力学受温度影响。可通过简单的实验室程序，容易地确定用于在指定PHA贫乏溶剂中从指定的生物质中溶解指定PHA的温度的影响(实施例3)。该程序应用于细磨的生物质，其目的在于提供大的接触表面积和产生与指定生物质中的指定PHA更明确有关的质量传递的最大动力学。该程序还可应用于颗粒状生物质作为在所得提取动力学中的粒径分布的实践中对影响进行量化的方法。所述程序表明如果可预期PHA的任何提取在数分钟到不到1小时的时间范围内发生，则低于温度下限(TL)的PHA提取相对可忽略。同时，温度上限(TU)可定义为在大约数分钟到不到1小时的时间范围内可预期大量PHA将变得提取的温度。该程序提供随高于TL值的温度而变化的凭经验推导的提取动力学常数。根据例如一级提取动力学的模型假设，可估算提取动力学的温度依赖性，并从这些模型计算中可推导TL15和TU15。TL15是其中在15分钟内可发生可忽略提取的温度下限，TU15是其中在15分钟内可发生大量PHA提取的温度上限。由于颗粒粒径分布、生物质特性的差异和/或生物质中PHA类型的差异所致，对于所有PHA-生物质批料，TL15和TU15都不相同。尽管所做的解读和实际假设，以及其它这类解读和模型精修的可能性，但本发明方法提供超出和优于之前公开的用于混合培养富集PHA的生物质的提取过程条件的补充定义。PHA提取温度在批次间可不同。因此，我们定义了具有平均介于TL15和TU15之间的必要提取温度的PHA回收过程。我们定义了从其中富集PHA的生物质暴露于大于TL15的PHA贫乏溶剂温度的点开始的提取时间和平均提取温度。
根据定义的提取动力学对温度的依赖性和用于提取反应器的加热时间-温度趋势的知识，可预测预计的提取时间进程(实施例3)。这些预测可用来为提取过程设定了实用的时间上限。可按实际调整和校正系数调整理论模型预测，以反映在具体放大提取设施中表现的性能边界或质量传递限制。
可通过聚合物链中断的平均数报告提取过程中PHA数均分子量的损失：
　　　　　　　　　　EQ-1
其中
Ns=随提取时间(t)而变化的断链数目
Mn=随提取时间(t)变化的数均分子量
例如，如果在指定平均提取温度下最初的数均分子量在1小时提取过程中从800 kDa降低至100 kDa，则在该指定温度下1小时断开数为7。每个聚合物链在该指定温度下在1小时内平均被切割7次。
如果在提取过程中多分散指数大致与分子量的平均损失保持恒定，则还可取而代之用重量平均分子量(Mw)的数据计算断开数：
　　EQ-2
对于指定温度每单位时间的断开数表示平均温度比断开速率：
　　　　　　　　　　　　　　　EQ-3
其中
是在规定时间内根据指定温度确立的估算的平均断开速率。因为较大的断开数可相当于指定系统中较大量的聚合物，可根据断开密度或比断开速率提及实验间断开计数的比较。平均比断开速率即是指提取过程中每聚合物质量或浓度的断开数：
　　　　　　　　　　　　　　　　EQ-4
其中Xp是引入提取过程的聚合物的质量。在没有限制的情况下，且作为实用参考，如果要提取100%加载的PHA质量，则根据PHA的理论最大浓度，我们计算出平均比断开速率。换句话说，实施例8中的Xp是指加载到提取过程中的PHA。越大，则对于指定的加载、温度和提取时间，聚合物分子量损失将越大。实际上我们发现，根据应用化学计量学的方法，可能将定义为指定提取温度下生物质加载的函数(实施例8)：
　　　　　　　　　　　　　　　EQ-5
其中Xn是加载到提取过程中的生物质的非PHA组分。因此在指定提取温度和溶剂的校准系统中(实施例8)，可描述加载依赖性比断开速率。我们发现，在回收过程中聚合物的断开速率的评估对于使批料间的富集PHA的生物质品质变化性与PHA过程回收操作参数的批次具体调节相适应是重要的。
根据含PHA的生物质分子量分布(实施例5)和提取时间的更多信息，可限定生物质溶剂加载限度，籍以预期回收的聚合物以保持在有关分子量的规定的产品质量下限以上(实施例9)。可将生物质加载约束与待使用的所得PHA溶剂加载进行比较，因为这涉及通过胶凝回收产品的实际过程约束。
当PHA溶剂加载增加是适当的时，可采取更多措施使得能够增加总体生物质溶剂加载而不过多牺牲最终的产品质量。在没有限制的情况下，所述措施可包括预处理(实施例7)、后处理(实施例6)和/或应用化学添加剂(实施例6)。由于额外的措施可能引起额外的费用，因此看来在聚合物回收过程经济性中具有当额外的预处理措施适当时能够在批料-批料基础上明确证明，或可被由回收的聚合物产品价值提高带来的较大回报抵销的方法是一般有商业优势的。我们发现本文实施例公开的方法和过程能够使这样的实例-实例间地调节聚合物回收过程成为可能，以通过有明确目的地调节所观察到的生物质品质、聚合物类型、聚合物分子量和生物质聚合物含量的批料间变化，来确保最终的产品质量。
将生物质加载到用于提取过程的溶剂中引入大量的PHA-生物质(Xp)和非PHA-生物质(Xn)。对于指定的富集PHA的生物质，目标是在限制提取链中断数的约束的情况下在具有尽可能多的PHA的提取过程中加载溶剂，使得递送等于或超过指定数均分子量的产品。我们发现，对于指定的生物质加载，决定回收的产品分子量分布的链中断数取决于：
· PHA加载(Xp)，
· 非PHA生物质加载(Xn)，
· 与非PHA生物质加载有关的杂质的类型和量，
· 高于TL15的平均提取温度，
· PHA贫乏溶剂的类型，和
· 提取时间。
一般来说，对于指定的生物质加载和恒定的提取温度，我们观察到不变的断开速率。换句话说，在恒温下的断开数随时间线性增加：
　　　　　　　　　　　EQ-6
然而，我们发现，非PHA生物质加载对断开数的影响可从生物质至生物质批料间变化。在提取期间非PHA生物质化学内含物有助于聚合物的化学稳定性。非PHA生物质组成的复杂性和变化性潜力考验起作用的化学组分的评价。尽管这种复杂性和变化性，但我们发现有可能使对指定溶剂和提取温度的断开依赖性标准化。根据化学计量学的方法，对于指定生物质和提取温度的平均比断开速率根据校准实验是可预测的。因此在用于从不同生产来源递送的富集PHA的生物质中回收PHA的集中设施的生产情况下，可在实例间基础上调节用于提取的加载条件，以保持一致的和最适的过程效率和产品质量。
一般来说，PHA贫乏溶剂中PHA的降解动力学随着在提取反应器中与PHA-生物质一起加载的非PHA生物质的浓度增加。同时，必须提取足够的PHA以确保在提取并且从生物质中分离富集PHA的溶剂后稳定凝胶的有利形成。我们发现在约30 g-PHA/L的PHA浓度下凝胶形成变得更可靠，但是更优选高于40 g-PHA/L的PHA-凝胶浓度。通常发现溶剂从凝胶中挤出的容易性随较高的PHA-凝胶浓度和较高的PHA分子量提高。还可通过在压出前从凝胶中蒸发溶剂，来达到较高的凝胶浓度。
本发明的一个实施方案包括确定用于具体生物质的PHA提取的适当时间和提取过程中使用的具体溶剂。本文所用短语“提取时间”是指在TL15提取温度下或在高于此温度下将含PHA的生物质保持在PHA贫乏溶剂中的时间量。该“提取时间”是PHA变得溶于PHA贫乏溶剂中以产生富集PHA的溶液花费的时间。
第二参数是该过程中的“回收时间”。“回收时间”是在胶凝开始前从用过的生物质固体中分离富集PHA的溶液的可用时间。为了评价回收时间的过程标准，可进行一系列小规模试验以评价溶剂和PHA组成的特定组合在指定温度下随时间推移的凝胶形成动力学。例如(实施例11)，在使富集PHA的2-丁醇从125℃冷却至102℃后，可使富集PHA的2-丁醇的胶凝开始延迟一段时间，提供了其中可从剩余的生物质中分离并从提取反应器中取出富集PHA的2-丁醇的时间窗。我们还发现可应用将剪切应力施加于富集PHA的溶剂中以抑制凝胶化点至比不施加剪切应力低的更窄限定的温度。
希望尽可能多地增加溶剂中的富集PHA的生物质加载。为了不降低回收的PHA分子量平均的质量标准，加载程度可受回收过程中限定的可接受的含PHA的生物质的平均分子量和平均切断数约束。较大的加载提高聚合物-凝胶浓度，有利于显示较高程度的容易压出溶剂的凝胶。当加载不足够高时，可在压出溶剂之前从凝胶中蒸发溶剂。同时，溶剂中PHA浓度的增加影响凝胶形成的动力学。过程控制需要在胶凝开始前调节非PHA非溶解生物质分离。例如(实施例11)，对于PHA在2-丁醇中的指定混合物，可容易地测定PHA的浓度对胶凝温度的作用。在本发明的一个实施方案中，富集PHA的溶剂的PHA加载介于每升溶剂30和100克PHA之间。对于指定温度，富集PHA的溶液中PHA的水平提高一般缩短回收时间，以在后续胶凝之前实现溶剂分离。
胶凝实施的温度优选尽可能地高，同时仍在富集PHA的溶液的沸点以下。溶剂冷却程度的降低可用来提高后续溶剂再循环和基于蒸发的回收的过程能量效率。用于下次提取的新的溶剂可用提取的热预先加热用于受控胶凝的目的。
可应用一种或多种联机监测技术控制提取时间以获得富集PHA的溶液。在一个实施方案中，测定随粘度而变化的PHA提取的趋势(实施例10)。溶剂溶液中聚合物浓度和聚合物分子量的变化影响溶剂粘度，所述粘度可通过例如在提取期间在重复循环泵送中混合转矩或质量流动变化的趋势监测。在另一个实施方案中，可在提取步骤中使用近红外(NIR)光谱学监测富集PHA的溶液形成的进度(实施例10)。发现涉及溶剂预提取粘度或NIR光谱的测量趋势表示提取过程而不需要绝对校准的浓度依赖性溶剂粘度或光谱变化。其它间接监测方法例如所观察到的PHA提取对溶剂蒸汽压的影响可用来表示提取进度。
适用于本文所述的优选实施方案的溶剂包括PHA贫乏溶剂或溶剂混合物。本文所用短语“PHA贫乏溶剂”意指一般显示在凭经验可定义的温度限制(例如TL15)以下可忽略的溶解动力学的溶剂或溶剂混合物(实施例3)。在2-丁醇中，TL15对于PHB标称为119℃，而在3HV中更富集PHBV的共聚物低于100℃。含有共聚物的共混物的生物质可显示对应于各自存在的共聚物共混物的不同组分的多个限制温度。所述共混物组分可在提取过程中相继或同时提取。当多种不同的共聚物类型存在于生物质中时，可调节提取时间和温度至最高TL15的共混物中的PHA类型。
我们发现，通过现行已确立的溶解理论不容易预测PHA贫乏溶剂中PHA的溶解性。可以推测这些溶剂通过在某种程度上起削弱聚合物链相互作用的增塑剂的作用，允许聚合物在低于聚合物熔点的温度下有效地溶解于溶液中。尽管其它理论的可能性或理论预测模型的未来发展，但是可容易地凭经验评价溶剂或溶剂混合物作为PHA贫乏溶剂的适合性。根据我们的实际经验和文献，一般预期PHA贫乏溶剂存在于脂肪醇、酮、酯和/或芳香烃内。
虽然我们发现溶解性理论无法适当地预测溶剂作为良好PHA贫乏溶剂的适合性，但是我们成功应用简单实用的测试方法在试管规模上筛选溶剂或混合物作为PHA贫乏溶剂的适合性。根据实际经验和文献，可以预期PHA贫乏溶剂存在于脂肪醇、酮、酯和/或芳香烃内。
在另一个实施方案中，溶剂溶解富集PHA的生物质中的非PHA组分，使得在冷却时，富集PHA的溶液形成凝胶，且生物质的非PHA组分保留在溶液中。因此，溶解的非PHA生物质组分可与溶剂一起从提取的凝胶PHA中分离。合乎需要的PHA贫乏溶剂是在约100℃-约160℃范围的温度下能够溶解至少30克PHB/升溶剂且当冷却至优选60℃以上温度时进一步形成溶剂-凝胶的溶剂。文献中报告了不断增加的已知的“PHA贫乏溶剂”列表，包括但不限于酮例如丙酮、甲基乙基酮(MEK)和甲基异丁基酮(MIBK)，醇例如丙醇、丁醇和戊醇及其异构体，甲苯和碳酸丙烯。PHA贫乏溶剂的胶凝性质较少充分报告，但丁醇和甲苯却是两个好的实例。
本公开内容还考虑并包括了本发明的上述优选实施方案的一个或多个的组合。所述组合对相关领域的技术人员而言是极显而易见的。此外，下面的实施例只是说明性的，不应视为以任何方式限制权利要求书的范围，因为其实例和其它等同内容对本领域熟练技术人员而言将是显而易见的。
因此，一个实施方案涉及用于从混合培养物生物质中回收PHA的方法。制备颗粒状富集PHA的生物质。将富集PHA的生物质与PHA贫乏溶剂混合。从富集PHA的生物质中提取PHA以产生富集PHA的溶剂。通过在高于限制性提取温度(TL15)的温度下将PHA溶于PHA贫乏溶剂来进行这种提取。在提取期间保持PHA贫乏溶剂的温度，使得温度介于TL15和TU15之间。保持的温度和提取进行大于15分钟、优选少于1小时、但最优选少于2小时的一段时间。在从富集PHA的生物质中提取PHA后，将富集PHA的溶剂从剩余的生物质中分离。在该分离期间，保持温度，使得它保持在胶凝温度以上。将富集PHA的溶剂转移到胶凝的位置。在转移期间，以足以防止胶凝的方式保持富集PHA的溶剂的温度和/或剪切应力。当富集PHA的溶剂位于预定位置，使之冷却至胶凝温度或胶凝温度以下的温度以促进富集PHA的溶剂胶凝。所述冷却可在混合或不混合的情况下进行。然后将溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中压出。
在一些实施方案中，制备生物质颗粒，使得其粒径分布标称介于0.1和4 mm之间。在一个优选的实施方案中，制备生物质颗粒，使得它具有介于0.5和2 mm之间的主要级分的粒径分布。
在一些实施方案中，在系统中回收PHA。这些方法包括额外的步骤，使得根据化学计量模型校准选择加载到该系统中的生物质，以使回收的PHA重量平均分子量为至少350 kDa。在一个优选的实施方案中，回收的PHA重量平均分子量大于500 kDa。在另一个优选的实施方案中，回收的PHA重量平均分子量大于700 kDa。
在采用提取系统的方法中，所述方法可包括根据实验室规模试验选择加载到提取系统中的生物质以测定比断开速率，使得回收的PHA重量平均分子量为至少350 kDa。在这些方法的一个优选的实施方案中，回收的PHA重量平均分子量大于500 kDa。在一个更优选的实施方案中，PHA重量平均分子量大于700 kDa。
在一些实施方案中，在反应器中回收PHA。所述实施方案包括加载到反应器中以达到大于20 g-PHA/L的最小的富集PHA的溶液浓度的生物质。在一个优选的实施方案中，最小的富集PHA的溶液浓度大于30 g-PHA/L。在一个更优选的实施方案中，富集PHA的溶液浓度大于40 g-PHA/L。
在本文所述方法的一些实施方案中，从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂产生纯度大于90%的PHA。在优选的实施方案中，从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂产生纯度大于95%的PHA。在更优选的实施方案中，从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂产生纯度大于98%的PHA。
在一些实施方案中，混合培养的生物质在生物废水或过程用水处理过程中产生。
在一些实施方案中，含PHA的生物质是热稳定的，其含PHA的生物质热分解温度大于270℃。在优选的实施方案中，含PHA的生物质热分解温度大于280℃。
在一些实施方案中，将含PHA的生物质干燥。干燥的含PHA的生物质的含水量小于10%。在一个优选的实施方案中，干燥的含PHA的生物质的含水量小于2% w/w水/生物质。在一些实施方案中，干燥的含PHA的生物质为至少35% w/w PHA/干燥的生物质。在优选的实施方案中，干燥的含PHA的生物质为至少50% w/w PHA/干燥的生物质。
在一些实施方案中，用溶剂使生物质经过预提取过程处理，其中将溶剂保持在TL15以下的温度下。
在一些实施方案中，在富集PHA的溶剂形成之前或之后，将包括分子量稳定剂和/或聚合物配合剂例如化学清除剂、抗氧化剂、成核剂、增塑剂和/或反应性聚合物改性剂在内的化学添加剂加入PHA贫乏溶剂中。
在一些实施方案中，在机械接触凝胶以减少溶剂含量之前和/或期间，加入包括分子量稳定剂和/或聚合物配合剂例如化学清除剂、抗氧化剂、成核剂、增塑剂和/或反应性聚合物改性剂在内的化学添加剂，并共混成胶凝物料。
在一些实施方案中，在机械接触合并的凝胶以减少溶剂含量之前和/或期间，将一批以上的胶凝的富集PHA的溶剂共混成合并的胶凝物料。
可从富集PHA的溶剂中分离生物质。在一些实施方案中，通过在提取反应器中过滤，将生物质从富集PHA的溶剂中分离。在其它实施方案中，通过将至少一部分生物质俘获在提取反应器外面的截留器中，将生物质从富集PHA的溶剂中分离。
在一些实施方案中，通过以介于5和30巴之间的压力机械接触凝胶，来实现凝胶挤压。
一些实施方案可另包括使溶剂通过提取反应器中的生物质循环。在使溶剂通过提取反应器中的生物质循环的过程中，将生物质中的PHA溶于循环的溶剂中。
一些实施方案可另包括使生物质在提取反应器中的溶剂中循环。在使生物质在提取反应器中的溶剂中循环的过程中，将生物质中的PHA溶于溶剂中。
在一些实施方案中，一个以上的分批提取反应器被共同定位的富集PHA的溶剂凝胶占用。
在一些实施方案中，PHA贫乏溶剂是选自脂肪醇、酮、酯和/或芳香烃的一种或多种溶剂。
在一些实施方案中，将非溶解的生物质从富集PHA的溶剂中分离。使这种生物质经过焚化或热解过程处理。在一些进一步的实施方案中，从焚化或热解过程中回收磷。
在一些实施方案中，在从富集PHA的溶剂凝胶中提取和分离溶剂后，回收其它化学产品例如脂质和脂肪酸作为溶剂回收的部分。
本文的公开内容涉及用于从含PHA的生物质中回收多羟基烷酸酯(PHA)的方法的另一个实施方案。将生物质引入反应器中。在反应器中，将溶剂与生物质混合。将溶剂和生物质在反应器中加热。提取来自含PHA的生物质的PHA。该提取通过将PHA溶于溶剂中进行，以形成富集PHA的溶剂。然后将富集PHA的溶剂从反应器转移到PHA分离器，在其中将PHA从富集PHA的溶剂中分离。在将富集PHA的溶剂转移到PHA分离器中的同时，将富集PHA的溶剂保持在防止富集PHA的溶剂呈胶凝状态的温度下。然后使富集PHA的溶剂冷却形成富集PHA的溶剂凝胶。在PHA分离器位置上对富集PHA的溶剂凝胶进行机械挤压，并使溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中排出。
在一些实施方案中，与生物质混合的溶剂是PHA贫乏溶剂。
在一些实施方案中，在提取来自含PHA的生物质的PHA期间，将生物质和溶剂在反应器中加热至限制性提取温度(TL15)以上的温度。
在一些实施方案中，在保持提取PHA的过程中，将溶剂在反应器中的温度平均保持在TL15和温度上限(TU15)之间的温度达大于15分钟的一段时间。
在一些实施方案中，将生物质在引入反应器之前研磨形成生物质颗粒。然后将颗粒引入反应器中，并与溶剂接触。
在一些实施方案中，生物质形成颗粒。颗粒的粒径分布一般介于0.1和4 mm之间。
一些实施方案产生PHA浓度为至少20 g-PHA/L的富集PHA的溶剂。
在一些实施方案中，机械挤压PHA溶剂凝胶产生纯度大于90%的PHA。
在一些实施方案中，引入反应器中的生物质中的PHA是热稳定的。生物质中的PHA包括大于270℃的热分解温度。
在一些实施方案中，从非溶解的生物质中分离富集PHA的溶剂。在该分离过程中保持足以防止胶凝的PHA溶剂的温度。
在一些实施方案中，富集PHA的溶剂通过配置在导管的第一段的热交换器引入。通过将热从热交换器转移到富集PHA的溶剂中，来加热富集PHA的溶剂。在其它的实施方案中，富集PHA的溶剂通过导管第二段中的热交换器引入，然后通过在导管第二段中的热交换器和富集PHA的溶剂之间交换热，来冷却富集PHA的溶剂。
在一些实施方案中，富集PHA的溶剂凝胶经机械挤压，以从富集PHA的溶剂凝胶中分离PHA，并形成PHA饼。
在一些实施方案中，将PHA饼引入干燥机。然后将PHA饼干燥。
在一些实施方案中，富集PHA的溶剂凝胶经机械挤压以将用过的溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中排出。通过将用过的溶剂经蒸发过程处理来纯化用过的溶剂。产生溶剂蒸汽。然后冷凝溶剂蒸汽形成纯化的溶剂。
在一些实施方案中，回收化学产品例如脂质和脂肪酸作为提取溶剂纯化和回收的一部分。
在一些实施方案中，将生物质从富集PHA的溶剂中分离。使分离的生物质经焚化或热解过程处理。在又一个实施方案中，在焚化或热解之后从剩余的材料中回收磷。
在一些实施方案中，使溶剂通过反应器中的生物质循环。在使溶剂通过反应器中的生物质循环的过程中，将生物质中的PHA溶于循环的溶剂中。
在一些实施方案中，PHA贫乏溶剂是选自脂肪醇、酮、酯和/或芳香烃的溶剂的一种或多种。
在一些实施方案中，调节加载到反应器中的生物质，使得PHA加载介于20-100 g-PHA/L之间。
在一些实施方案中，在将生物质引入反应器中之前，使生物质形成颗粒，其颗粒的粒径分布通常介于0.1和4 mm之间。然后将生物质与反应器中的PHA贫乏溶剂混合。引入反应器的生物质中的PHA是热稳定的，包括大于270℃的热分解温度。在提取来自含PHA的生物质的PHA后，从生物质中分离富集PHA的溶剂。在分离过程中，保持足以防止胶凝的PHA溶剂的温度。
在一些实施方案中，在从富集PHA的生物质中提取PHA的步骤中，提供用于监测PHA提取动力学的联机监测方法。在其它的实施方案中，联机监测方法包括在选择的时间内测量PHA贫乏溶剂的粘度的变化。在另外的实施方案中，所述联机监测方法还可包括在选择的时间内测量抵消PHA贫乏溶剂的粘度的变化的温度。在另外其它的实施方案中，联机监测方法包括通过近红外光谱法(NIR)监测PHA贫乏溶剂。在一些实施方案中，联机监测方法包括监测提取容器中压力随温度变化的趋势。
在一些实施方案中，提取来自含PHA的生物质的PHA的步骤包括提供用于监测PHA提取的动力学和进程的联机监测方法。在一些实施方案中，联机监测方法包括在选择的时间内测量PHA贫乏溶剂的粘度的变化。在一些实施方案中，粘度变化的测量包括在选择的时间内测量抵消PHA贫乏溶剂粘度的变化的温度。在一些实施方案中，联机监测方法包括通过近红外光谱法(NIR)监测PHA贫乏溶剂。在其它实施方案中，联机监测方法包括监测反应器中压力随温度变化的趋势。
实施例 1 —通用分析方法与材料
热解重量分析 (TGA)
称取介于2和10 mg之间的细磨干燥的富集PHA的生物质样品，在惰性氮气气氛下从室温加热到550℃。以10℃的速率使样品温度升至105℃，使重量在105℃下平衡10分钟。在105℃下评价样品的水分损失。再次以10℃的速率升温，直到550℃记录重量损失。从重量损失评价样品的含灰量，同时将样品在空气中保持在550℃下30分钟。通过该标准方法定量评价生物质和提取的PHA树脂两者中的聚合物。考虑了随温度变化的重量损失和重量损失的速率变化。这些趋势告知提取后的含PHA的生物质的热分解温度(Td) PHA Td、生物质的PHA含量和提取的PHA纯度。在来自TA Instruments的Q500上进行测量。参照该TGA方法定出回收的PHA和含PHA的生物质的热稳定性(分解温度)标准。
通过 FTIR 光谱法的生物质表征
通过傅里叶变换红外光谱法(FTIR)表征介于2和10 mg之间的细磨的干燥富集PHA的生物质和PHA样品。收集FTIR光谱，应用用于确定PHA的存在和区分影响含PHA的生物质的化学稳定性的杂质的光谱含量的多变量统计方法(偏最小二乘法和主要组分分析(Partial Least Squares and Principal Component Analysis))进行进一步分析。所用装置是配备衰减全反射(ATR)金刚钻的Bruker Alpha FTIR光谱仪。所用FTIR分辨率在400-4000 cm-1的波数范围内为4 cm-1，用同样获得的背景扫描进行24次扫描/测量用于大气补偿。将样品加载到ATR中，然后将各样品混合，一式三份重新扫描。应用Bruker OPUS软件收集数据，然后在OPUS中或另外用编写用于MATLAB的数字或统计分析工具处理数据。
大小排阻色谱法 (SEC)
通过大小排阻色谱法(SEC)测定提取的聚合物的分子量分布(参考聚苯乙烯标准物)。用泵(Viscotek VE 1122)、双重折射计/粘度计检测器(Viscotek 250型)和串联偶联的3个线性柱(Shodex KF-805，Shodex KF-804和Shodex KF 802.5)进行SEC。检测器温度被控制在37℃，而测量则在室温下进行。载体溶剂为氯仿(Merck pro分析>99%)，流速为1 mL/分钟。样品注射体积为200 µl。参照4个不同的已知分子量平均分别为650、96、30.3和3.18 kg/mol的聚苯乙烯标准物校准分子量。折射率(RI)用于标准物校准和样品评估。
将PHA的样品在100℃下溶于氯仿10分钟至5 mg/mL的浓度。在样品注入前，将聚合物溶液预先过滤(PALL Life Sciences Acrodisc ® CR 25 mm Syringe Filter，孔径大小为0.45 µm)。从已记录的随洗脱体积变化的RI，根据重量平均分子量(Mw)、数均分子量(Mn)和多分散指数(PDI)表征PHA分子量。
通过流变学的动态粘度测量
将0.5-0.6 g的聚合物样品在室温下挤压入25 mm直径盘中。将聚合物盘装在流变仪(TA Instrument AR 2000或Discovery HR-2)中，在8分钟的初始熔化时间后，在180、185或190℃下以40分钟的时间扫描，测量动态粘度。在时间扫描期间，用10 Hz频率保持2%应变不改变。用氮气冷却保持温度不改变。
单位为Pa·s的聚合物动态粘度的对数趋势项(|η*|)用来估算4分钟熔化时间时的|η*|，将该值线性标准化至重量平均分子量(Mw)。发现所述校准是有效的，只要熔化被视为非牛顿性的：
　　　　　　　　　　　　EQ-E1.1
参数m和b为取决于PHA的类型和流变学测量条件(温度、频率和应变)的常数。对于在所提供的实施例中产生的PHA，m为155.64，b为185729。根据代表性样品中的SEC数据，从回归分析计算这些参数值。|η*|的降低等于Mw的减小。在流变学测量期间，聚合物在随时间推移的熔化中的|η*|的降低与Mw减小有关。对于其中常数m和b预期是相同的指定聚合物，|η*|的差异表明聚合物Mw的比例差异。
1升富集 PHA 的生物质提取
在室温下在搅拌的同时，将干燥的(<5%水 w/w)和磨碎的(标称0.71-2.00 mm。0.71-3.15 mm或2.00-3.15 mm粒径分布)富集PHA的生物质加载到浸入充满1升PHA贫乏溶剂的压力容器(Büchiglas Uster Versoclave 3E/1.0型)中的编织网篮(0.5 mm目)内。通常对于所提供的样品，2-丁醇(Sigma-Aldrich ReagentPlus)用作参比提取PHA贫乏溶剂。根据所测量的生物质PHA含量，进行PHA的加载用于提取。通过TGA评价含PHA的生物质含量。通常，含PHA的生物质的容器加载相当于达到PHA加载到溶剂中的选定的理论最大浓度的水平，为高达100 g-PHA/L。将压力容器密封，设置容器温度以在尽可能短的时间内达到所选择的目标最大温度。在平均温度下在不断的混合中，将具有浸入生物质的溶剂保持在规定的提取温度限制TL15以上大致几分钟到几小时的预定时间。在提取过程进程中，记录温度、发热能量、反应器压力、混合速率和混合转矩。
到预定的提取时间时，富集PHA的溶剂由于蒸汽压而被排出，同时生物质几乎唯一被保留在多孔篮中。在出口管中，另一个管内滤器(0.1 mm目)排出在提取过程中可能存在的或另外形成的较小的生物质颗粒。使热的富集PHA的溶剂置于烧杯中，并保持在室温下，在混合或不混合的情况下允许溶剂胶凝。在胶凝后，通过物理挤压完全密封的圆筒(以与圆筒底盘可调节的接点间隙保持)中的物料，从聚合物中压出溶剂。在圆筒基底的这种间隙提供用于为压出的溶剂可从中排出提供足够开口的手段。挤压分离出大部分溶剂。通过将挤压的PHA饼在水或溶剂中均化实现对聚合物的任何额外的清洗，在此情况下通过过滤收集清洗的滤饼。将滤饼在70℃下干燥(Binder FD Series 23I)。
10升富集 PHA 的生物质提取
将干燥的(<5%水 w/w)和磨碎的(标称0.71-2.00 mm、0.71-3.15 mm或2.00-3.15 mm粒径分布)含有PHA的生物质加载到置于含有10 L 2-丁醇(Sigma-Aldrich ReagentPlus)的压力容器(BüchiGlas Uster kiloclave 3E/12 lt.型)中的编织网篮(0.5 mm目)中。通常加载生物质使得实现范围达到100 g-PHA/L的选择的最大理论富集PHA的溶剂浓度。通过以恒定泵出速度运作的容积式泵(Wright泵TRA10系列)驱动的外部再循环环路，使溶剂不断地通过反应器中的生物质。在整个提取中监测所得容积流率，这取决于泵出速度和液体粘度(Endress+Hausser Proline Promass 80P)。液体粘度取决于溶剂温度、聚合物浓度和聚合物分子量。
在提取中，将压力容器封闭以保持蒸汽压并防止煮沸。使温度递增至选择的最大温度，同时监测并记录提取进程。用2-丁醇，以范围120-160℃的最大温度实现PHB的提取。记录容器温度、发热能量、压力和再循环容积流率。在再循环环路中进行溶剂中PHA的FT-NIR监测(具有IN1237P光纤探头的Bruker Optics Matrix-F FT-NIR)。
在提取时，将富集PHA的溶剂从容器中释放，同时将生物质保留在网式篮中。使排出的溶剂通过管内截留器(0.5 mm目)置于收集容器中。在混合或不混合的情况下，使富集PHA的溶剂冷却，直到内含物形成物理凝胶。
在胶凝后，用机械力将溶剂从凝胶中压出。压出的溶剂通过调整圆筒和底盘间的间隙逸出。在具有聚合物饼的圆筒基底处的溶剂在压力下流出，收集溶剂，通过蒸发再循环以再利用。可将挤压的聚合物饼均化，并用溶剂或水冲洗。通过离心或过滤收获冲洗的聚合物。最后，通过在70℃下蒸发将聚合物干燥。
实施例 2 — PHA 溶解的动力学
测定聚(3-羟基丁酸酯) (PHB)在PHA贫乏溶剂中自然的溶出速率作为基准是具有实用价值的。PHB被看作是“最坏情况(worst case scenario)”。由于用PHB的较高结晶度的倾向，因此被认为较难于溶解，尤其在PHA贫乏溶剂中。研究了细微的纯PHB粉(> 98%纯度)随温度变化的溶解趋势。将PHB粉称入12 mL试管中，与5 mL等量的2-丁醇混合形成50 g-PHB/L的溶液。管用内衬Teflon的螺旋盖密封，并引入选择温度下的恒温加热器中。每3分钟将管内含物涡旋混合，恰在混合后，测量溶液光密度和颜色。溶液颜色的相对改变用来表示PHB溶解于溶液中的进程(图1，根据测量的光密度和颜色的改变PHB粉在132℃下溶于丁醇的进程)。溶液开始时为乳白色粉状溶剂悬浮液，结束时为半透明的富集聚合物的溶剂溶液。
在相对窄的温度范围(130-135℃)内，在溶解过程的性质和动力学中出现显著改变。一般来说，观察到PHA的溶解遵循一级动力学(图1)。然而，出现在130℃下的溶解过程的明显滞后到132℃时不再明显。溶解中的这种滞后可解释为与削弱聚合物结晶性的溶剂过滤的进程有关。估算的一级溶解动力学在从132到135℃移动时以从0.3到3.7分钟-1的数量级增加。这些数据的趋势进一步表明，对于PHA贫乏溶剂(像2-丁醇)，为了实现PHB溶解的任何测量，超过105℃的温度应是优选的。
以这种方式，可以评价用任何特定的PHA贫乏溶剂提取任何特定的PHA均聚物或共聚物的实际限制。可测定在溶解动力学中引起位移的临界温度水平。含PHA的生物质的结晶性、聚合物结晶潜力、PHA分子量和颗粒粒径分布全都可影响特定回收过程的提取温度-时间-浓度条件。
最后，对于溶剂中太高的PHA浓度，相关增加的溶液粘度可能引起实际的过程限制。因为提高提取温度、时间和PHA浓度可增加聚合物降解，预期需要选择条件以在高提取收率与可接受的回收聚合物品质的标准间取得妥协。
实施例 3 — PHA 提取的动力学
由于聚合物溶解速率和/或由于溶剂进入生物质和聚合物离开生物质的物料输送速率所致，自生物质提取PHA的动力学可能是有局限性的。为了更好地理解提取动力学，我们研究了用细磨的生物质且在各种温度下的理想化提取条件。把细磨的富集PHB的生物质的样品(标称150 mg)称入12 mL试管中。通过热解重量分析(TGA)估算生物质中PHB的质量分数。生物质的标称PHB含量为50% w/w。将生物质与10 mL 2-丁醇混合，将管用内衬Teflon的螺旋盖密封。在这些试验中加载到溶剂中的理论最大PHA约7 g/L。为了低的凝胶形成的驱动倾向，将相对低的PHA加载用于这些试验，以促进在该模型试管规模基准实验性系统中从富集PHA的溶剂中容易地分离生物质。
在恒温加热器中用密封管，在125-140℃的选定温度下进行固定时间的等温提取。在15、30或45分钟的固定提取时间内，每5分钟将管内含物涡旋混合。在各个提取时间结束时，允许管冷却3分钟，以供残余生物质沉淀，并允许在打开螺旋盖前在无凝胶形成开始的情况下过压力变得充分降低。将大部分(约95%)的热溶剂小心地倒入干净的培养皿中，同时将残余生物质保留在试管中。通过蒸发管中的残余溶剂，并评价由于该溶剂蒸发所致重量损失，计算出管中与溶解的PHA一起保留的残余溶剂的体积。将培养皿中俘获的干燥的提取材料的质量称重，通过TGA测定提取材料中PHA的分数。根据质量平衡原则，可以可再现地估算来自生物质的PHA的提取分数。
在重复实验中，观察到PHA提取趋势遵循一级动力学模型(图2—富集PHB的生物质随温度变化的模型化一级等温提取动力学)。测试了来源于在比利时和瑞典运作的明确不同的试验工场的富集PHB的生物质。在一个这样的试验工场中，生物质因处理市政废水中的有机物而生产(比利时)。在另一个试验工场中，生物质因处理从食品加工业排放的有机物产生(瑞典)。应用描述于WO2011/070544A2中的原理，在蓄积过程中通过受控地供应乙酸，使来自这些来源的生物质成为富集PHB的。PHB被选作最坏的情况，因为PHB一般更难于溶于PHA贫乏溶剂中。用PHB的这种特殊挑战可能是因含PHA的生物质较高结晶性的倾向所致。在这些溶剂提取实验之前，通过应用描述于WO2012/022998A1的方法，达到优良的含PHA的生物质热稳定性(Td ≈ 285℃)。
与实施例1的PHB溶解动力学不同，细磨的富集PHB的生物质的提取速率几乎更慢2个数量级。在135℃下，一级提取速率常数为约0.05分钟-1 (图4—经验估算的随温度变化的一级等温提取速率系数和基于随温度而变化的f15数据的模型值(连线))。因此，聚合物向生物质之外和进入溶液之中的质量输送对相对于仅单独溶解PHB的提取过程是限速的(实施例2)。此外，观察到提取动力学是温度依赖性的。可考虑生物质中富集聚合物的溶剂的温度依赖性粘度尤其在较低温度和较高浓度下将妨碍聚合物向多孔生物质结构之外运输。尽管这些数据的多个物理解释的可能性，但是提高温度一般改进提取速率。
对于指定的富集PHB的生物质，15分钟的固定提取时间的提取PHB的分数在125-140℃的实验范围内遵循随温度变化的趋势。发现对于该具体评估的目的，15分钟是合适的时间长度，因为在15分钟时，在所测温度范围内一般提取了一些但并非全部聚合物。对于生物质中的其它生物质、粒径分布和/或PHA类型，如下文更详细的描述，其它评估时间可能更合适。所观察到的趋势凭经验作为S形函数建模(图3—具有模型S型拟合与从TH到TL15和TU15操作限制温度的外推连线的来自富集PHB的生物质的15分钟等温提取的实验结果)，其描述了在15分钟后提取的聚合物随温度增加程度的趋势：
　　　　　　　　　　　　　EQ-E3.1
其中
f15 =在15分钟后可提取的聚合物的分数是温度(T)的函数
k15= 15分钟提取速率温度系数
TH= f15等于0.50的温度。
我们使用在TH下模型化f15 S型的斜率和由其推算的连线，以定义用于提取过程的两个实用的操作温度。提取温度极限TL15定义为在15分钟后在其下可预期从生物质中提取可忽略的聚合物的温度(f15(TL) ≈ 0)。此外我们定义了温度上限TU15 ，其中在15分钟后，应提取大部分的聚合物(f15(TU) ≈ 1)。
通过说明不同的富集PHA的生物质(所有都有相同类型的PHA (PHB))批料批次间的变化性，根据用不同生物质样品的13个不同的实验，15分钟PHB提取试验表明平均TL15为119 ± 6℃。实验变化的一个部分被认为是生物质中PHA情况的差异所致。例如，已知聚合物结晶度会影响用PHA贫乏溶剂的提取过程。一般来说，可预期溶剂渗入含聚合物的生物质所花的时间进一步受例如共聚物共混物组成、平均分子量、胞内颗粒密度和粒径分布和生物质粒径分布等因素影响。尽管如此，对于按工业规模PHA提取实施的生物质，适当时，本文所述程序提供注重实效地表征和调节提取动力学的手段。在用富集PHB的生物质的13个不同实验的上述实例中，TU15被估算为150 ± 7℃。
鉴于等温条件下一级提取速率的观察结果，我们通过实例从固定时间等温提取数据估算聚合物一级提取速率系数(图4)：
　　　　　　　　　　　　EQ-E3.2
其中
ke=估算的一级温度依赖性提取速率常数(1/分钟)。
t=用于等温提取特性的时间，单位为分钟。
ft=在时间t时的提取收率。
尽管如此，其它类似方法或其它时间框可用来估算温度对来自生物质的PHA提取的动力学的影响。
在较大规模提取过程中，可将生物质暴露于各种温度作为可用来加热溶剂的时间长度的结果。鉴于提取温度史的认识，可如下估算提取进程：
　　　　　　　　　　　　EQ-E3.3
其中
f=提取的PHA的分数(0 < f < 1)。
ke=温度依赖性一级提取速率常数。
可进一步修改所述预测模型以抵销估算的和工业规模提取动力学间的差异。预测的和实际的动力学中的差异可因例如少于理想混合和工业规模过程的质量传递所致。尽管如此，本文所述方法和模型提供方法以估算并采用与提取的温度条件、溶剂、PHA的类型、生物质颗粒粒径分布和颗粒性质(密度)相容的过程控制的提取时间限制。
提取的过程参数可随生物质中PHA的类型显著变化是公认的。如果可以较低平均提取温度和/或较短时间回收聚合物，则将PHA暴露于不必要的较高温度或较长提取时间也是不利的。富集PHA的生物质可含有PHB的均质或异质共混物和/或PHBV。为此我们研究了在70-140℃范围的选定温度下明确不同产生的富集PHBV的生物质的15分钟提取行为。提取动力学遵循S型模型，但是有至少2个不同的可提取PHA分数区。在一种情况下，约76%的PHA的特征在于53℃的TL15和86℃的TU15。发现剩余24%的PHA显示98℃的TL15和135℃的TU15。第二种富集PHBV的生物质也显示至少2个不同的分数，其二者与S型模型一致。在该第二种情况下，约80%的PHA表现为58℃的TL15和86℃的TU15。剩余的20%的PHA具有91℃的TL15和135℃的TU15。因此，具体的生物质可含有不同分数的PHA，其独立地遵循温度依赖性提取动力学。因此得出，上述预测模型可推广至具有明确不同的均质可提取分数区的富集PHA的生物质：
，fi ≤ ai 　　　　　　　EQ-E3.4
其中
fi=提取的PHA的第i分数(0 < fi < ai)。
kei=第i分数的一级提取速率常数。
其中目标是从生物质中提取所有的聚合物，然后可能需要调节PHA回收的条件和时间至最接近生物质中PHA共混物的提取分数。换句话说，可应用最高的TL15和TU15对。
举例来说，产生含有具有平均43 wt.-%的3-羟基戊酸酯(3HV) (用GC测量)的共聚物聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯)或PHBV的富集PHA的生物质(本文鉴定为CFS16)。生物质为颗粒状，其粒径分布介于0.71和2.00 mm之间。根据简单的试管实验室规模实验系列，测定这种颗粒的等温提取收率为基于45分钟固定提取时间(f45)的温度的函数。收率数据(图5—具有模型S型拟合的富集PHBV的生物质的45分钟等温提取(f45)的实验结果和以TL15和TU15的限制温度转化为操作确定的15分钟提取(f15)的数据)按照E3.1拟合，并可确定45分钟温度阈值下限和上限(TL45和TH45)。根据一级提取动力学的假设(方程式E3.2和E3.3)，可转换f45的拟合曲线以预测提取收率为基于15分钟的固定提取时间(f15)的温度的函数。根据f15的模型曲线，现在可估算参比温度阈值(TL15和TH15) (图5)。
在使用1 L提取过程的实际试验(实施例1)中，在改变提取时间和高于62.7℃的TL15的平均提取温度的一系列批次中提取PHBV。将实验提取与根据估算的一级提取动力学常数的预期值(图6—参照图5，模型与来自具有标明的平均温度和提取时间(T > TL15)的富集PHBV的生物质的实验提取收率)进行比较(图5)。实验数据总体上遵循预期值，但是也有差异。模型预期在较低温度下低估了收率，在较高温度下高估了收率。评估(图5)整体上提供生物质中PHA的值。然而，CFS16中PHBV的热特性表明该共聚物共混物在某一温度范围内熔化，表明了PHBV共聚物的共混物。大部分聚合物在120℃以下熔化，但是一部分聚合物在160℃和170℃之间熔化。共混物中低熔化共聚物级分比较高熔化级分更容易提取。
实施例 4 —生物质粒径对提取性能的影响。
当生物质在蓄积过程后脱水成干的固体含量超过约15%，优选超过20%时，可呈像生面团一样的成形固体的稠度。在我们的经验中，半干生物质可形成、用机器加工或挤压出和干燥成为不同形状和大小的颗粒。干燥的颗粒还可机械粉碎成规定的颗粒分布窗。这些干燥的生物质颗粒通常是易碎的，但在提取过程中可保持其基本形式。保持基本的颗粒形式，只要在提取过程中颗粒遭受的机械力不太激烈。
优选微细的生物质颗粒不会在提取后在回收聚合物中结束。因此，生物质从富集PHA的溶剂中的分离越有效，所提取的产品质量会越好。为了简化残余生物质从富集PHA的溶剂中的物理分离，我们发现较大的粒径是优选的，这一般意味着大于0.1 mm、但优选大于0.5 mm的粒径。然而，根据实施例2提供的结果，我们认知到，聚合物向生物质之外的质量输送是速度限制的，并且受温度影响。因此，还发现不必要的太大颗粒对于提取过程是不合乎要求的。因此，在优选的实施方案中，如下文所述，平均粒径可为小于4 mm，但优选小于2 mm。
我们发现，在富集PHA的溶剂排放中，使用滤器筛分的简单方法，容易从富集PHA的溶剂中分离粒径大于0.5 mm的生物质。当溶剂沸点小于提取温度时，则发现封闭提取系统中形成的蒸汽压有效驱动富集PHA的溶剂通过滤网，留下固体残余物。虽然大于0.5 mm的颗粒尺寸可简化从用过的生物质中分离富集PHA的溶剂的过程操作，但是问题是粒径应为多大。平衡有助于质量输送(较小的生物质颗粒)和富集PHA的溶剂易于分离(大的生物质颗粒)。为此在保守的低温下(125℃达1小时)在含过大的生物质颗粒(标称5 mm)的2-丁醇中进行提取。根据微细的富集PHB的生物质粉末的动力学速率常数(实施例3)，我们预期如果聚合物转运到颗粒以外不受阻，则在125℃下1小时后达到约50%提取。
当随后切开这些较大的颗粒时(图7—粒径对富集PHA的生物质提取的影响)，由于横截面变色，溶剂渗透深度是可见的。渗透深度呈现不同，且这种变化可能部分是因材料多孔性的局部差异所致。然而，渗透深度一般等于或大于1 mm，通常小于1.5 mm，永不大于2mm (图7)。
通过TGA分别分析变色表面和核心的样品，以证实提取程度的空间差异。根据生物质中PHA的起始含量估算提取程度。与预期一致，我们发现，相对于颗粒的有机重量，颗粒外表面的提取程度为49%。对于更深色的颗粒核心没有可测量的PHA提取。然而，核心的无机物含量微小但明显的降低表明在提取过程中物质从这些较大颗粒核心的某种极少程度的溶解。
鉴于颗粒状生物质的不同的颗粒分布，通过对富集PHA的生物质的直接测量，进一步研究了粒径分布的影响。通过3辊碾压机供应不同大小的大的干燥生物质块。将进料部分中的碾压机滚筒(长为150 mm，直径为38 mm)相隔3.0 mm放置，调节第3个碾碎滚筒的位置留出1.5 mm的标称间隙。在将生物质通过这种装置碾碎后，通过Retsch AS 200基础摇筛机对生物质粒径分布进行评价，所述摇筛机具有筛目大小递减为3.15、2.00、1.60、1.00、0.85和0.71 mm的6个筛板。
出于质量平衡考虑，由于颗粒状生物质通过所述碾磨机，然后通过显示D50为约1.8 mm和粒径分布为0.2-3.4 mm的3.15 mm目过筛，可使粒径分布接近(图8—在碾压机碾碎后富集PHA的生物质的粒径分布，显示了第一次研磨通过的生物质的结果和所选亚级分的分布)。对通过2.00 mm目和被0.71目保留的这种碾碎的生物质进行提取。在此，标称D50为约1.3 mm，估算的粒径范围为0.7-2.0 mm (图9—在碾压机碾碎后富集PHA的生物质的粒径分布，显示了通过2.00 mm目并被0.71 mm目保留的估算分布)。出于比较，对通过3.15 mm目和被2.00 mm目保留的碾碎的生物质进行了相同的提取。在此，标称D50为约2.7 mm，其估算的粒径分布介于2.0 mm和3.4 mm之间。
在一个这样的实例中，在高于TL15在129℃的平均温度下对含有39% PHA的富集PHA的生物质(其TL15为78℃)提取41分钟。相同生物质其估算的D50为1.3且粒径分布为2.7 mm的PHA回收收率为约87和67%。在第二个实例中，在TL15以上在125℃的平均温度下对其TL15为63℃的含有43% PHA的富集PHA的生物质提取约43分钟。对于相同生物质，其估算的D50为1.3且粒径分布为2.7 mm，收率为约81和68%。因此，粒径分布对于过程性能是重要的，并且这些结果表明制备具有低于2 mm的D50的颗粒状生物质的重大益处。
根据这些结果，我们发现出于提取收率(质量转运)和产品(富集PHA的溶剂)分离的平衡考虑的生物质粒径的实际限制。主要粒径分布应介于0.1和4 mm之间，但更优选介于0.5和2 mm之间。
实施例 5 —含 PHA 的生物质分子量测定
这个优选的实施方案满足了能够在具有调节的溶剂-时间-温度-加载的批料间条件的过程中从生物质提取PHA的需要，使得不断获得预定回收的产品质量。发现了聚合物的化学稳定性对加载到溶剂中的总生物质敏感。根据含PHA的生物质加载和非PHA-生物质加载，加载到溶剂中的生物质可被分割。PHA的浓度和非PHA生物质组分的浓度两者可能在提取中影响聚合物断开速率。对于特定的总生物质加载的溶剂-时间-温度-加载的条件将在提取中产生聚合物的比断开速率。在提取过程结束时，断开数决定平均多少聚合物链将被切割。聚合物链中断的平均数转化成聚合物分子量从初始值降低。因此，如果回收的聚合物一致符合规定的分子量的产品质量标准，则含PHA的生物质的初始分子量分布决定可能发生多少中断。
例如，考虑具体聚合物应用的实例，其中客户规定了待处理的聚合物必须超过200 kDa的数均分子量。如果含PHA的生物质具有300 kDa的数均分子量，则通过方程式EQ-1，提取过程必需不产生超过0.5的断开数。如果含PHA的生物质数均分子量为400 kDa，则提取的最大容许的切断可为1.0。其中所有其它因素相同，后一实例允许较大的生物质加载到提取过程中，同时达到相同的成品质量。与适当选择的生物质加载匹配的选定的时间-温度-溶剂提取条件调节产品质量。
因而得出，对于合适的生物质加载条件的选择，保守估算的含PHA的生物质分子量是有用的信息。在不限制这种评价的多种可能策略的可能性的情况下，本文提供用于含PHA的生物质分子量评估的保守参比方法的代表性方法。这些方法是欲在已知强制分子量损失减小或其中可计算出分子量的损失使得估算含PHA的生物质分子量平均值的条件下提取PHA的方案。
例如，使用丙酮和10 g-PHA/L或更少的标称PHA加载，从在试管规模下从粉状生物质中提取PHA。提取是在加热器中在125℃下1小时，每15分钟至少一次试管的涡旋混合。在达到设置提取时间后，使试管(通常6个试管各含10 mL溶液)在室温下冷却3分钟后，将富集PHA的溶液倒入50 mL烧杯中。滴加去离子水，直到聚合物沉淀，然后通过真空过滤从溶液中收获聚合物，并在70℃下干燥。通过TGA和流变学证实样品品质。通过流变学标准方法和/或大小排阻色谱法测定分子量。
作为备选，丁醇与140℃的提取温度15分钟和10 g-PHA/L或更少的标称PHA加载一起使用。按照实施例3的方法，倾析富集聚合物的溶液。如上所述评价产品质量和分子量。
保持较低温度或较短时间以及较低的生物质加载的组合产生可供估算生物质中的聚合物分子量的参比材料。公认的是，甚至在这种标准提取方法中，也可能接着发生聚合物的一些分子量损失。估算因此是保守的，因为作为该评估一部分的分子量损失将趋于导致低估提取过程的可允许的最大生物质加载。
一种更严格的方法是不同的提取时间或加载在试管规模中进行一系列提取。在各个情况下，评估分子量，并根据随时间(或加载)变化的趋势，含PHA的生物质平均分子量可以从零时点(或可忽略加载)推算的趋势估算。
在一个实施例中(图10—在不变的生物质加载下2-丁醇中的富集PHB的生物质的等温提取(125℃)的平均断开速率)，其中标准提取方法预测含PHA的生物质重量平均分子量为561 kDa，恒定的加载和从1到9小时的不同提取时间的对照系列的趋势表明含PHA的生物质Mw为591 kDa。这些结果还用来说明重复观察到的在等温条件下指定生物质加载的恒定断开速率。
参照实施例3提供的CFS16 (图5)，含PHA的生物质Mw估算为611 kDa。因此根据进行的实际提取试验(图6)，对50 g/L提取PHA加载的情况，测定产品分子量，并估算断开速率随温度变化(图11—在50 g/L的恒定PHA加载下2-丁醇中富集PHBV的生物质的随平均提取温度变化的平均断开速率。时间t50是导致50%平均分子量损失的估算提取时间)。由于断开速率随温度变化，因此鉴于特定的目标产品分子量，可预期可利用的提取时间将随温度而减少。图11说明对于平均分子量的50%损失可利用提取时间的指数降低与不变的所得切断(t50 ，单位分钟)。
考虑例如产品分子量为400 kDa或更大。对于50 g/L PHA加载，根据断开速率随温度变化，可估算平均分子量35%损失可利用的时间和相关的预测提取收率(图12—对于固定的35%分子量损失基于50 g/L的PHA加载的可允许提取时间(t35)影响预期提取收率(f))。可根据实际试验，证实预测并改进模型。对于较高的平均温度，较短的可允许提取时间不能为最高可能提取收率提供足够时间。然而，降低PHA加载一般降低断开速率，而且对于相同的平均提取温度，这允许较长的可允许提取时间。
实施例 6 —将添加剂引入提取过程
可将化学添加剂引入过程中以有助于提高生产率和/或操纵成品质量。当热溶剂与生物质接触时，可将添加剂引入提取过程。或者，可在生物质分离之后但在胶凝之前将添加剂引入富集PHA的溶剂中。在胶凝期间或在胶凝后将添加剂混合入混合物中是第三次化学添加的机会。化学添加的基本动机可以改变。在没有限制的情况下，本文提供的多个实例用于说明。
生物质加载到提取过程中可受可允许断开数的限制。起阻碍随机断链反应的作用的化学添加剂对能够更高的生物质加载具有潜在价值。例如，聚合物的断开速率受阳离子存在影响。螯合阳离子的生物质的添加剂因此可有助于阻碍断链反应。同样，水分提高断开速率。生物质是吸湿性的，而且我们经常观察到干燥后的生物质在保存时平衡至含水量约为2-5%。我们发现临提取前预先干燥生物质，有效地降低断开速率高达25%。因此，限制在提取过过程中因水的存在或产生所致影响的一个策略可为在提取中与生物质一起包括水清除剂。
在生物质分离后将聚合物添加剂引入富集PHA的溶剂中的一个优势涉及这样的便利，其中所述添加剂可快速均匀地分散在基质中。一个备选可以是在熔化过程中混入所述添加剂，但是熔化过程包括高温和发生共混中不需要的材料降解程度的风险。PHA共混物可合并为来自不同提取批料的不同共聚物的富集PHA的溶液或凝胶。还可在提取后但在胶凝前，通过引入反应性化合物和在其中有益的化学反应，来修饰聚合物。例如，我们证实了用聚碳二亚胺的这种原理。聚碳二亚胺由德国的Rhein Chemie以商品名Stabaxol® P提供。Stabaxol® P呈粉末形式，重量平均分子量为约3000g/mol，其中N=C=N含量为13%。聚碳二亚胺含有高度不饱和的基团–N=C=N–，其与羧基反应。已充分证实了使用这种添加剂作为PLA系统中的链延伸物。
在有或没有Stabaxol® P时进行了从生物质中提取PHB。将含有44% PHB (重量)的生物质与2-丁醇混合有助于产生30 g-PHA/L的理论提取的富集PHA的溶剂溶液。在聚碳二亚胺的情况下，使用2%重量的Stabaxol® P，其中重量百分比是就提取PHA加载而论。在125℃的等温条件下从生物质中提取PHB从1到9小时的选定时间。提取效率为标称83%且不依赖于时间，表明了所观察到的从这种特定的生物质中提取聚合物的程度的有效限制对于该提取温度在第1小时内就已达到。
此外观察到，Stabaxol® P的存在提高断开速率从0.06到0.08 h-1达32%。尽管引起断开速率提高，但预测提取的聚合物在聚碳二亚胺存在时促进链延伸。与预测的对照分子量(591 kDa)相比，估计提取的PHB具有显著较高的初始重量平均分子量，为657 kDa。因此，基于聚碳二亚胺的添加剂将在升高的温度下在PHA贫乏提取溶剂中以有益方式与PHA反应。然而，如果反应混合物在升高的温度下保持一段长时间，则这些益处可能不会持久。因此，将聚碳二亚胺与富集聚合物的溶剂溶液混合的最合适的时间点应是在从溶剂中分离生物质后和恰在溶剂冷却用于胶凝之前。
实施例 7 —非 PHA 生物质的共同提取和溶剂预洗涤
PHA贫乏溶剂将在限制性提取温度以上提取PHA，对限制性提取温度我们无限制地定义为TL15温度。另外，将提取非PHA生物质。我们评价了在富集PHA的生物质的批料中进行的一式两份试管提取实验中的非PHA生物质提取。这些富集PHA的生物质批料来源于处理市政或工业废水。
将细磨的富集PHB的生物质的样品(标称150 mg)称入12 mL试管中。通过热解重量分析(TGA)估算生物质中的PHA的质量分数。生物质的标称PHA含量为50% w/w。将生物质与10 mL的2-丁醇混合，管用内衬Teflon的螺旋盖密封。加载到溶剂中的理论最大PHA为约7 g/L。极低PHA加载用于这些提取试验以减少凝胶形成的驱动倾向以有利于在这个模型小规模试管实验性系统中容易地将生物质从富集PHA的溶剂中分离。在选定温度(125、132、135、137和140℃)和选定时间(15、30和45分钟)下提取富集PHA的生物质。通过TGA评价提取的聚合物的纯度，并且还根据质量平衡考虑，估算了提取的非PHA生物质的分数。
另外，在实验室规模和试验规模下的提取试验分别以1和10 L体积进行，其中最主要的PHA加载范围为30-70 g/L。对于这些实验，将已知重量的生物质引入提取反应器中，在估算的标称含PHA的生物质TL15为119℃之上和峰值温度低于145℃下，从生物质中提取聚合物达29 (1 L)和33 (10 L)分钟。提取-时间-平均温度为138℃ (1 L)和135℃ (10 L)。将富集PHA的溶剂从反应器排出，并冷却至胶凝。通过TGA评价干燥的富集PHA的生物质、剩余的生物质和溶剂凝胶的代表性样品。根据质量平衡考虑，如下估算PHA和非PHA组分：
　　　　　　　　　　　　　　　　　EQ-E7.1
　　　　　　　　　　　　　EQ-E7.2
　　　　　　　　　　　　　 EQ-E7.3
　　　　　　　　　　　　　EQ-E7.4
　　　　　　　　　　　　　 EQ-E7.5
　　　　　　　　　　　　　EQ-E7.6
　　　　　　　　　　　　　　 EQ-E7.7
其中，
X、G、R=富集PHA的生物质、干燥的凝胶和剩余生物质的质量
Xp、Gp、Rp=富集PHA的生物质、干燥的凝胶和剩余生物质中PHA的质量
Xn、Gn、Rn=富集PHA的生物质、干燥的凝胶和剩余生物质中非PHA的质量
Yp、Yn=PHA和非PHA生物质的提取收率
通过流变学和根据参比含PHA的生物质聚合物分子量测定估算的平均断开速率，评价提取的PHA的分子量(实施例5)。
一般而言，我们发现提取的非PHA生物质的量在5-50%加载的非PHA生物质范围内显著变化。我们观察到，提取的非PHA生物质的量与在低于200℃的温度下在TGA时挥发的非PHA生物质的分数有关。非PHA生物质提取的动力学受温度影响，因为平均而言对于指定的提取时间，提取的材料的非PHA含量随温度增加。尽管非PHA生物质提取的变化，但出乎我们的意料，非PHA提取的生物质的总量在提取过程中与断开速率无关。然而，用水冲洗特定的生物质批料降低在低于200℃的温度下在TGA时挥发的非PHA生物质分数，而且结果表明生物质的这个分数不含确实影响提取断开速率的组分。
为了更好地理解非PHA可提取的材料在提取过程中对PHA化学稳定性的影响的潜力，我们研究了用提取溶剂预处理生物质的作用。对含有44% PHB的生物质进行了一系列试管提取。在该系列中，在90℃ (低于具体估算的TL15为119℃的情况)下在丁醇中先对样品提取选定的持续时间长达45分钟。在这种TL15以下的提取中，倾析丁醇，剩余生物质使用15 g/L的PHB加载用新的等量的丁醇在125℃下提取5小时。倾析富集PHA的溶剂，并采用SEC测定分子量。
具有不同程度的平均分子量损失的样品的多分散指数为大致常数(1.76 ± 0.06)。根据所述含PHA的生物质分子量测定(实施例5)，测定断开速率。非PHA生物质的预提取导致实测的断开速率显著降低。因此，随着预提取时间延长，实现聚合物化学稳定性的显著改进。实现高达无预提取的平均断开速率23%的估算的最大降低(图13—对于不变加载的富集PHB的生物质在90℃下用2-丁醇预洗涤对提取断开速率的影响)。
在较大规模的重复实验中，进一步评价了溶剂预处理降低断开速率的效能。在一个实例中，用含有62% PHB的生物质进行1 L丁醇提取。提取用50 g/L的PHB加载进行。当在138℃下进行PHB提取29分钟之前生物质在90℃下用预提取处理45分钟时，断开速率在提取过程中降低达47%。
因此，我们发现，尽管整体来看，总的可提取的非PHA生物质不影响聚合物稳定性，但是生物质的确含有确实影响断开速率的非PHA可提取化合物。通过在PHA提取之前在小于富集PHA的生物质共聚物共混物的最低TL15的温度下对其各自进行选择性提取，来减少这些化合物对PHA回收的影响。
预处理的其它益处是除去可能另外在提取后与凝胶中的PHA缔合的非PHA材料。从这些研究中显而易见，作为不同生物质批料的结果，为了达到类似水平的样品纯度，在胶凝后不同程度的处理可能是合适的。此外，聚合物化学稳定性至少部分是因不同程度地存在于不同的富集PHA的生物质批料中的可提取化合物所致。
实施例 8 —富集 PHA 的生物质加载的评估
实施例5描述了用于标准化评估含PHA的生物质的数均分子量的方法。标准化方法基于提取条件(溶剂-加载-时间-温度)的经验，其中一般遇到的分子量损失是可忽略的(WO 2012/022998A1)。然而，所述提取条件一般具有极低的容积生产率，因此在工业规模上在经济上是不可行的。
在PHA蓄积过程中，通常力求含PHA的生物质重量平均分子量超过500 kDa，但优选超过600 kDa，更优选高于1000 kDa。获得在提取后重量平均分子量超过350 kDa、优选超过400 kDa、更优选超过500 kDa、最优选超过700 kDa的聚合物一般是合乎需要的。尽管生产尽可能高的分子量的PHA的一般益处，但是分子量的标准将与应用中的材料目的有关。因此，实践中提取过程的实用目的是简单地满足与其使用目的有关的回收聚合物的优选的品质目标。以远超过经济上不太切实可行的提取过程的费用的目标回收聚合物是无意义的。
挑战在于，对于更经济有效的提取过程，选定的加载-时间-温度和溶剂条件必须如此，使得允许在回收过程进程中牺牲某种程度的分子量。分子量损失一般是因促进随机断链反应发生的条件所致。随机断链的动力学受溶剂类型、溶剂温度和加载到溶剂中的富集PHA的生物质影响。富集PHA的生物质含有PHA和非PHA生物质。观察到(实施例7)一些(可提取的和不可提取的)非PHA生物质组分有助于随机断链反应。
因此，在选择用于特定溶剂提取的时间和温度的条件时，必须考虑含PHA的生物质加载和非PHA生物质加载到回收过程的联合作用。一般来说，我们发现，所有其它情况相同，在提取过程中随着总生物质的加载增加，可预期断开速率提高。
如实施例7所见，问题是并非所有的非PHA生物质都会影响断开速率。此外，我们感到不同的富集PHA的生物质批料在类似的提取温度和加载条件下可显示不同的比断开速率。
可假设，比断开速率受溶液中任何反应性化合物的速率常数和浓度控制。我们观察到，非PHA生物质的分数可包含所述反应性化合物。因此，假设一级动力学，我们认为总的来说断开速率可如下描述为直接依赖于生物质加载：
　　　　　　　　　　　　　EQ-E8.1
其中，
rs=平均比断开速率
ks=依赖于温度和生物质化学组成的断开速率常数
Xp=含PHA的生物质加载/单位体积的提取溶剂
Xn=非PHA生物质加载/单位体积的提取溶剂
在研究这些过程和方法中我们的目的之一是建立如何最好地定制生物质加载条件用于PHA贫乏溶剂中的PHA提取，从而：
1. 力求最大可能的加载用于确保更经济的容积生产率和普遍改进的胶凝特性，同时
2. 确保同时选定的含PHA的生物质和非PHA生物质的加载产生分子量等于或高于能指定的产品质量的阈值的提取的聚合物。
我们寻求定义依赖于反映生物质化学品质的测量的ks。为此我们根据用2-丁醇从1 L反应器提取聚合物，研究了生物质加载与所得切割之间的关系。用25-80 g-PHA/L的PHA加载(Xp)范围的不同加载条件，从相同和截然不同的生产批料中提取富集PHA的生物质。在一些情况下，使用水或2-丁醇作为预提取溶剂，在有或没有预提取的情况下，提取相同的富集PHA的生物质。在这些实验中，利用在138℃下29分钟的标称提取时间。通过TGA和FTIR在数量上区别确定“Xn+Xp”的各自生物质品质(实施例1)。根据来自标准化试管规模的提取的聚合物特征，测定含PHA的生物质分子量(实施例5)。
该具体实施例的所有生物质样品显示良好的含PHA的生物质热稳定性，与按照WO2012/022998A1所用方法的预期一致。然而，观察到断开速率的范围，这表明在138℃下29分钟的1 L提取过程中PHA的化学稳定性的差异(图14—对于指定提取时间、温度和溶剂，富集PHA的生物质的PHA加载对切割的影响。指定的生物质显示切割随加载增加的趋势(◆)。然而，一般而言不同的生物质批料(☐)显示在提取期间聚合物化学稳定性的大范围变化)。我们认为，生物质化学组成的差异应是各个所观察到的分子量损失率的差异的主要因素。
生物质化学组成在FTIR光谱中作为“指纹”俘获。FTIR光谱是背景校正的，根据介于800和1800 nm之间的吸光度将信号归一化。然后光谱通过应用于各提取的质量“Xn+Xp”定标。因此，提取的每批聚合物都附带有比断开速率的数据和生物质加载的FTIR化学“指纹”。
我们发现，这些数据可用来建成模型，与方程式EQ-E8.1一致，并通过偏最小二乘法分析，使生物质指纹和加载关联，以预测各自的平均比断开速率(图15—对于具有不同的富集PHB的生物质和加载条件但具有不变的溶剂类型、平均提取温度和提取时间的不同生物质批料使测量的平均比断开速率与根据生物质品质的FTIR “指纹”预测的平均比断开速率关联的PLS模型结果(具有建模实验数据(○)和模型验证数据(■))的说明)。
在没有限制的情况下，图16提供按照这些公开的研究结果如何应用所述化学计量模型的实例(对于进料批次间变化的富集PHA的生物质品质，趋于保持用于一致的过程生产率和产品质量水平的优化提取操作条件的PLS化学计量模型应用的实例)。本领域技术人员应了解，所述模型提供评价先验校准的提取过程的生物质和估算特定生物质加载的模型化比断开速率的能力。可选择合适的加载，使得对于指定的初始分子量和比断开速率，回收的PHA平均分子量可以高度确定性始终符合规定的分子量标准。
实施例 9 —材料流动和过程管理实例
在本文提供的PHA回收的实施方案的实施中，可以预期接收和处理富集PHA的生物质的集中设施。所述设施可视为进入的原料在其中精炼成增值材料和产品的提炼厂的一部分(图17—从多个废水处理厂(WWTP1...WWTPn)接收富集PHA的生物质的批料(B1…Bn种可变品质)并生产一致品质的生物聚合物产品等级(PHA1…PHAn)以及其它附加回收价值的化学品用于多个商业市场(客户1…客户n)的集中式提炼厂)。预期富集PHA的生物质的投入批料具有可变品质，包括但不限于在提取中含PHA的生物质平均分子量和化学稳定性。
可采用本发明的至少一些实施方案以调节原料批料间的生物质品质变化性，在不断如此进行时，回收富集PHA的溶剂凝胶，一种在已确定的产品和或材料平均分子量的应用标准内的聚合物。
提炼厂实现产品质量标准的约束，同时通过使回收过程的容积生产率最大化操作是可获利的。作为回收过程的一部分，可平行地回收非PHA残余物(平台化学品)，还可以利用这些平台化学品的化学品含量和/或能量含量。举例来说，回收过程可进一步用来产生脂质、生物油、矿质营养(氮和磷)、合成气和/或热。
在一个实施方案(图18—趋于调整回收过程和回收确定品质的PHA同时应用对经济性和生产率整体改进是可能的最激进的过程容积负荷的过程和方法的应用。一般而言，高的含PHA的生物质平均分子量在其它都相同的情况下允许较高的提取加载)中，根据分子量和化学稳定性评价富集PHA的生物质的投入批料的品质(实施例8)。根据这些数据，可以估算加载到所公开的提取过程中的合适的生物质，用于产生在一致分子量的质量控制范围内的呈凝胶或作为干燥的树脂中的PHA。
所公开的由富集PHA的生物质产生富集PHA的溶剂-凝胶的方法涉及保持具有最适回收过程容积生产率的一致产品质量。富集PHA的生物质的批料是第一手评价的(图19—作为在将可变批料间品质的富集PHA的生物质转化成具有一致性受控品质的富集PHA的溶剂凝胶中应用调整过程条件的方法的一部分的材料和信息的流程图)。所述评估提供有关PHA含量、含PHA的生物质平均分子量、含PHA的生物质化学稳定性、临界提取温度和动力学及提取的聚合物临界胶凝时间和温度的信息(实施例1-5、11)。根据过程模型数据库和有关产品质量标准的指定信息，鉴于提取中的溶剂、时间和温度，可进行最大生物质加载的估计(实施例8)。
平行地可进行所需PHA加载的估计，以与凝胶性质和过程容积生产率的目标一致(实施例11)。鉴于生物质的PHA含量，可将PHA加载标准与可允许的富集PHA的生物质加载限度进行比较。如果可允许的富集PHA的生物质加载限度不足够，则可评价富集PHA的生物质预处理的选择或富集PHA的溶剂用化学添加剂后处理，以获得“可允许的过程生物质加载”提高(实施例6，7)。按规定的溶剂-浓度-时间-温度条件，可用预计产品质量的先验知识，从生物质中提取PHA。提取过程的联机监测(实施例10)允许微调提取过程时间，凝胶和回收的PHA的品质评估允许反馈给特征和程序建模数据库。在从产品质量评估反馈的时间内，改进的模型数据库允许过程调节的改进和产品质量管理更严格的控制。
实施例 10 — PHA 提取过程联机监测
我们发现根据在试管规模下实验方案预测从富集PHA的生物质提取PHA的动力学的方案(实施例3)。尽管如此，具有从实验室试验推导的控制常数的理论模型不能更准确地预测在放大的工业过程中可能影响PHA从生物质到溶剂的质量传递的全部因素。然而，可能需要调节按放大过程控制，以实例-实例基础实现实际上最可能的提取动力学。为了调节理论模型以在实践中的过程工业化的任何具体实施中更接近地代表实际经验，校正系数将是适用的。因此，我们发现通过联机过程监测，建立监测提取进程的方法是有利的。在没有限制的情况下，本文举例说明了两种方法以提供测量原理的实践实例，其可容易地用于放大的提取设施。
提取溶剂粘度将随温度变化，但也随溶液中聚合物的浓度(和聚合物分子量)变化。溶剂粘度随温度降低并随聚合物浓度和/或分子量增加。我们发现，通过10 L提取实验和质量流动联机监测和定量泵频率，温度补偿性溶剂粘度变化与预计的PHA提取动力学相关(图20—测量的溶剂粘度依赖性再循环流动的相对变化(10 L过程—实施例1)和估算的模型化PHA提取收率(实施例3)之间的相关性的图示)。
在第二个实例中，溶剂NIR光谱吸收也依赖于温度和溶液中聚合物的量。我们发现，NIR吸收数据可用来监测PHA提取的进程。因提取中PHA浓度所致粘度依赖性再循环质量流动的变化的趋势与基于解释记录的光谱变化的PLS模型的NIR吸收测量趋势有关(图21—基于PLS模型在测量的溶剂粘度依赖性再循环流动的相对变化(10 L过程—实施例1)和从通过近红外光谱法(NIR)联机监测联溶剂的光谱推导的预测的质量流动增加之间的相关性的示图)。
在没有限制的情况下，我们发现的其它监测参数具有监测聚合物回收的用途，包括反应器温度和压力的趋势。本领域技术人员应了解，联机监测为过程操作和控制提供有力的工具，可根据实践中提取趋势的监测经验，精修本文提供的预测模型。
实施例 11 —胶凝动力学的控制和利用
在溶剂形成凝胶前，可容易地实现自生物质中分离和回收富集PHA的溶剂。在本文所述实施方案中，将含有PHA的生物质与PHA贫乏溶剂(例如2-丁醇)一起放入压力容器中。调节压力容器中与溶剂混合的生物质的总量，使得PHA加载介于30-100 g PHA/L之间。使压力容器中的温度平均升至优选高于TL15和低于TU15以产生过压，对于2-丁醇为1-10巴，因为2-丁醇在99℃下沸腾。然后在提取温度下，将溶剂与生物质混合超过15分钟且小于2小时、但优选小于1小时，进行PHA提取。然后可通过例如使富集PHA的溶剂通过合适大小的网筛，将富集PHA的溶剂从残余生物质悬浮的固体中分离。
在分离前，可使溶剂冷却至低于TL15的提取温度，但分离的处理任务可利用的时间将受胶凝开始的温度依赖性动力学影响(图22—基于溶剂光密度随胶凝增加的富集PHA的溶剂凝胶形成动力学的等温(102℃)动力学的图示)。我们发现胶凝温度随聚合物浓度、混合条件和提取的共聚物或共聚物共混物的类型变化(图23 (基于图22所示胶凝开始的温度对等温胶凝时间的影响的图示)；图24 (富集PHA的溶剂浓度和PHA组成(◆-PHB、▲和■PHBV共聚物)对胶凝温度的影响图示)；和图25 (假定相似的冷却速率(≈ -1.6℃/分钟)受高(◆—在78℃以下开始)和低(■—到87℃开始)混合能影响的胶凝开始的图示。注意冷却速率受胶凝的放热性质影响))。因此，适当时，可在批料间以实例-实例的基础上调节在残余生物质分离期间实际可利用的处理时间、混合条件和温度，以及同时将富集PHA的溶剂配置在胶凝的位置。提供有关随PHA浓度、温度或混合变化的已确立趋势的条件。
在没有限制的情况下，可简单通过实验室规模实验，以批料-批料的基础，评价用于从富集PHA的溶剂分离生物质和用于将溶剂配置到胶凝的位置可利用的时间。将富集PHA的生物质与提取溶剂一起加入试管中。在合适的温控加热部件中，在不时混合的情况下，且在高于测定的TL15下，将管和内含物加热所需的提取时间，提取生物质中的PHA。使生物质在管中沉淀，以代表全规模系统的方式，及时使管的内含物冷却。在选定的时间间隔内，测量在沉淀的生物质之上的富集PHA的溶剂上清液光密度。可在分光光度计中进行所述测量，但也可更简单地使用数码相机和标准闪光(图26—对于富集PHA的溶剂通过光密度随温度变化的回归分析测定的胶凝开始的示图)。可通过回归分析评价富集PHA的溶剂的光密度的趋势，并可确定胶凝温度。然后可从冷却曲线估算达到凝胶化点之前的冷却时间(图27—参照图26对于指定的富集PHA的溶剂冷却曲线在胶凝开始前可利用时间的图示)。
一旦将富集PHA的溶剂从悬浮的剩余生物质中分离，进一步冷却或混合强度减弱将促进凝胶形成，期间富集PHA的溶剂被运送到提取反应器之外。凝胶可泵送、挤出或压出。可采用多种可获得的技术，包括例如压滤机，通过施加机械力，将溶剂从凝胶物料中挤出。凝胶还可通过与PHA的其它凝胶混合处理和/或在施加机械力以前或作为其一部分与化学添加剂共混，以从基质中挤出过量的溶剂。
总的来讲，施加到凝胶基质的压力影响压出的残余溶剂的量。对于指定压力，以可受滤饼几何结构、所用挤压力类型和溶剂排出所产生的阻力强影响的速率压出溶剂。一个具体挤压的实例见图28 (在恒定压力(16巴)下排放速率对溶剂压出和来自富集PHA的凝胶的凝胶干燥固体含量增加的影响)。对于规定的最终压力和具体挤压，可实现干燥固体的最终水平(图29—时间和压力对从富集PHA的凝胶中压出溶剂的影响)，并且我们发现这些水平还与PHA的类型有关。尽管如此，我们观察到，用挤压压力介于15和25巴的来自混合培养物富集PHA的生物质回收的PHBV的重复挤压试验，可产生含量一般介于55和75%之间且聚合物纯度一般大于99%的所得挤压滤饼干固体。
可收集压出的溶剂并再利用。作为溶剂回收的一部分，可以共同回收化学副产品，例如脂质和脂肪酸。可在用或不用进一步溶剂冲洗的情况下，通过热处理除去浓缩凝胶中的残余溶剂以提高聚合物纯化的程度。
实施例 12 —处理样品
无限制地如图30所示(提取过程的组件的示意图)，通过从溶剂贮器(4)泵送(3)，将纯净溶剂装入分批提取反应器(1)中。向反应器(1)装入生物质、密封并加压，在超过TL15的温度下，PHA被提取进入溶剂中。通过预测建模和/或采用基于粘度、光吸收或测定提高PHA浓度的进展过程趋势的其它类似技术的溶剂的联机读出，通过监测提取过程，来确立提取时间。在提取阶段后，使溶剂通过其中确立所需加热水平的加热管线(2)排放(3)到反应器(1)之外，使得允许其中在残余生物质分离期间避免胶凝开始的实际转运时间框。剩余的悬浮生物质在反应器或在位于反应器下游的收集器中在溶剂出口管线中通过过滤分离。富集PHA的溶剂通过促进充分冷却用于凝胶形成的热交换器(5)转运，凝胶用介于5和30巴之间的压力机械挤压(6)。收集压出的用过的溶剂(7)，通过热方法将PHA饼干燥(8)。在另一个实施方案中，凝胶不是干燥的，而是在进一步处理和混合中，以凝胶形式直接使用。
来自(4)的新的溶剂可用来从系统中冲洗剩余的PHA凝胶。泵送(9)用过的提取溶剂(7)，通过蒸发(10)回收，回收的溶剂(11)被送回到溶剂贮器(4)中。可以回收并稳定提取的非PHA生物质组分例如脂质和脂肪酸。将溶剂蒸发或挥发性排放俘获(12)，冷凝(13)，并回收(14)。从(1)中排出期间通过物理分离俘获的生物质残余物被进一步处理用于化学品和能量回收(例如通过热解)。作为热解结果的含磷灰分含量可进一步用作副产品原料以应用于例如农业中。
可考虑上述过程和方法的配置或改进的变化，或其工业规模实施的方式。在一个实施方案中，生物质用溶剂在TL15以下预提取，以提高含PHA的生物质化学稳定性。在另一个实施方案中，在胶凝之前、期间或之后，将从自生物质物理分离处置的富集PHA的溶剂与化学添加剂混合。在又一个实施方案中，使加热的溶剂通过生物质再循环，而不是在加热的溶剂中将生物质混合。在第四个实施方案中，在外室加载生物质，并在将PHA贫乏溶剂预热后，使之与生物质接触。使加热的溶剂通过含有生物质的室再循环(呈上流式或下流式)。将生物质保留在所述室中。在第五个实施方案中，配置多个分批提取反应器，以具有胶凝和溶剂-凝胶分离的共同基础结构。
通用PHA提取过程材料流动概括于图31中(提取过程中材料流动的示意图)。将选定质量的颗粒状生物质(10)与选定体积的PHA贫乏溶剂(20)在提取系统(30)中混合。提取系统可包括能够实时监测提取进程的联机传感器。在提取系统(30)中，应用高于TL15的升高的温度持续确定的时间，期间可将富集PHA的溶剂和生物质颗粒(31)的混合物分离(40)成剩余的用过的颗粒(41)和富集PHA的溶剂(42)。可收集用过的颗粒(50)，该材料可进一步处理以产生能量和化学品(50)。将富集PHA的溶剂置于胶凝的位置(60)，配置胶凝的材料(61)，使得可机械接触(70)。从70回收PHA (71)，可收集PHA (80)，并进一步处理。选定的化学添加剂和/或其它胶凝的PHA批料可在42、60、61、70和/或71处混合，以操控聚合物性质或预期提供有利于生物塑料配制的调合添加剂。从机械接触凝胶(70)回收的用过的溶剂(72)被运送到溶剂回收过程(90)，从中收集(100)残余物(92)。包括脂质和脂肪酸的这些残余物可进一步处理并稳定。回收纯化的溶剂(91)，在后续分批提取运行中再利用(20)。

Claims (59)

1. 一种从混合培养物生物质中回收PHA的方法，所述方法包括：
a) 制备颗粒状富集PHA的生物质；
b) 将颗粒状富集PHA的生物质和PHA贫乏溶剂混合；
c) 通过在高于限制性提取温度(TL15)的温度下将PHA溶于PHA贫乏溶剂中，从富集PHA的生物质中以提取PHA产生富集PHA的溶剂；
d) 在提取中，保持PHA贫乏溶剂的温度平均介于TL15和TU15之间持续大于15分钟、优选小于1小时、最优选小于2小时的一段时间；
e) 在从富集PHA的生物质中提取PHA后，从残余生物质中分离富集PHA的溶剂，同时保持温度在胶凝温度以上；
f) 将富集PHA的溶剂转移到胶凝的位置，同时保持足以防止胶凝的富集PHA的溶剂的温度/或剪切应力；
g) 在混合或不混合的情况下，通过使富集PHA的溶剂冷却至胶凝温度或低于胶凝温度的温度，来提高富集PHA的溶剂在过程中的预定位置处胶凝；和
h) 从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂。
2. 权利要求1的方法，其中制备其粒径分布标称介于0.1和4 mm之间、但优选主要分数介于0.5和2 mm之间的生物质颗粒。
3. 权利要求1的方法，其中在系统中回收PHA，所述方法包括根据化学计量模型校准选择加载到系统中的生物质，使得回收的PHA重量平均分子量为至少350 kDa、优选大于500 kDa和最优选大于700 kDa。
4. 权利要求1的方法，其中在提取系统中提取PHA，所述方法包括根据实验室规模试验选择加载到提取系统中的生物质以测定比断开速率，并使得回收的PHA重量平均分子量为至少350 kDa、优选大于500 kDa和最优选大于700 kDa。
5. 权利要求1的方法，包括回收反应器中的PHA，其中所述方法包括加载到反应器中的生物质，其达到大于20 g-PHA/L、但优选大于30 g-PHA/L和最优选大于40 g-PHA/L的最小的富集PHA的溶液浓度。
6. 权利要求1的方法，其中从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂产生纯度大于90%的PHA。
7. 权利要求1的方法，其中从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂产生纯度大于95%的PHA。
8. 权利要求1的方法，其中从富集PHA的溶剂凝胶中压出溶剂产生纯度大于98%的PHA。
9. 权利要求1的方法，所述方法包括在生物废水或过程用水处理过程中产生混合培养的生物质。
10. 权利要求1的方法，其中所述含PHA的生物质是热稳定的，其含PHA的生物质热分解温度大于270℃，但最优选大于280℃。
11. 权利要求1的方法，所述方法包括将富集PHA的生物质干燥至其中干燥的含PHA的生物质的含水量小于10%，但优选小于2% w/w水/生物质。
12. 权利要求11的方法，其中所述干燥的富集PHA的生物质为至少35% w/w PHA/干燥的生物质。
13. 权利要求11的方法，其中所述干燥的富集PHA的生物质为至少50% w/w PHA/干燥的生物质。
14. 权利要求1的方法，所述方法包括将生物质用溶剂进行预提取过程处理，其中将所述溶剂保持在低于TL15的温度下。
15. 权利要求1的方法，其中在富集PHA的溶剂形成之前或之后，将包括分子量稳定剂和/或聚合物配合剂例如化学清除剂、抗氧化剂、成核剂、增塑剂和/或反应性聚合物改性剂在内的化学添加剂加入PHA贫乏溶剂中。
16. 权利要求1的方法，其中在机械接触凝胶以减少溶剂含量之前和/或期间，加入包括分子量稳定剂和/或聚合物配合剂例如化学清除剂、抗氧化剂、成核剂、增塑剂和/或反应性聚合物改性剂在内的化学添加剂，并共混成胶凝物料。
17. 权利要求1的方法，其中在机械接触合并的凝胶以减少溶剂含量之前和/或期间，将不止一批的胶凝的富集PHA的溶剂共混成合并的胶凝物料。
18. 权利要求1的方法，其中通过在提取反应器中过滤，将生物质从富集PHA的溶剂中分离。
19. 权利要求1的方法，其中在提取反应器外面的收集器中通过俘获至少一部分生物质，将生物质从富集PHA的溶剂中分离。
20. 权利要求1的方法，其中通过以介于5和30巴之间的压力机械接触凝胶，来实现凝胶挤压。
21. 权利要求1的方法，所述方法包括使溶剂通过提取反应器中的生物质循环和在使溶剂通过提取反应器中的生物质循环的过程中，将生物质中的PHA溶于循环的溶剂中。
22. 权利要求1的方法，所述方法包括使生物质在提取反应器中的溶剂中循环和在使生物质在提取反应器中的溶剂中循环的过程中，将生物质中的PHA溶于溶剂中。
23. 权利要求1的方法，其中一个以上的分批提取反应器被共同定位的富集PHA的溶剂凝胶占用。
24. 权利要求1的方法，其中所述PHA贫乏溶剂来自选自脂肪醇、酮、酯和/或芳香烃的单种溶剂或溶剂的混合物。
25. 权利要求1的方法，所述方法包括从富集PHA的溶剂中分离非溶解生物质，并将该生物质进行焚化或热解过程处理。
26. 权利要求25的方法，所述方法包括从焚化或热解过程产生的灰分中回收磷。
27. 权利要求1的方法，所述方法包括在从富集PHA的溶剂凝胶中提取和分离溶剂后，分离并回收其它化学产品，例如脂质和脂肪酸作为溶剂回收的一部分。
28. 一种从含PHA的生物质中回收多羟基烷酸酯(PHA)的方法，所述方法包括：
将生物质引入反应器中；
在反应器中将溶剂与生物质混合；
在反应器中加热溶剂和生物质；
通过将PHA溶于溶剂中形成富集PHA的溶剂，从含PHA的生物质中提取PHA；
将富集PHA的溶剂从反应器转移到PHA分离器，在其中将PHA从富集PHA的溶剂中分离；
在将富集PHA的溶剂转移到PHA分离器中的同时，将富集PHA的溶剂保持在防止富集PHA的溶剂呈现胶凝状态的温度下；
将富集PHA的溶剂冷却形成富集PHA的溶剂凝胶；和
在PHA分离器位置上，机械挤压富集PHA的溶剂凝胶，并使溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中排出。
29. 权利要求28的方法，其中与生物质混合的溶剂是PHA贫乏溶剂。
30. 权利要求28的方法，其中在来自含PHA的生物质的PHA提取中，所述方法包括在反应器中将生物质和溶剂加热至高于限制性提取温度(TL15)的温度。
31. 权利要求28的方法，所述方法包括在提取PHA的过程中保持反应器中溶剂的温度在平均介于TL15和温度上限(TU15)之间的温度下达大于15分钟的一段时间。
32. 权利要求28的方法，其中在将生物质引入反应器中之前，研磨生物质形成生物质颗粒，并且在研磨生物质形成生物质颗粒后，将生物质颗粒引入反应器中，并使生物质颗粒与溶剂接触。
33. 权利要求28的方法，所述方法包括使生物质形成颗粒，其颗粒的粒径分布通常介于0.1和4 mm之间。
34. 权利要求28的方法，所述方法包括产生PHA浓度为至少20 g-PHA/L的富集PHA的溶剂。
35. 权利要求28的方法，其中机械挤压PHA溶剂凝胶产生纯度大于90%的PHA。
36. 权利要求28的方法，其中引入反应器中的生物质中的PHA是热稳定的，且其中生物质中的PHA包括大于270℃的热分解温度。
37. 权利要求28的方法，所述方法包括从非溶解生物质分离富集PHA的溶剂，并保持PHA溶剂的温度足以防止在分离过程中胶凝。
38. 权利要求28的方法，所述方法包括通过配置在导管的第一段的热交换器引入富集PHA的溶剂，通过将热从热交换器转移到富集PHA的溶剂中，来加热富集PHA的溶剂。
39. 权利要求38的方法，所述方法包括通过导管第二段中的热交换器引入富集PHA的溶剂，通过在导管第二段中的热交换器和富集PHA的溶剂之间交换热，来冷却富集PHA的溶剂。
40. 权利要求28的方法，所述方法包括机械挤压富集PHA的溶剂凝胶以从富集PHA的溶剂凝胶中分离PHA，并形成PHA饼。
41. 权利要求40的方法，所述方法包括将PHA饼引入干燥机中，并将PHA饼干燥。
42. 权利要求28的方法，所述方法包括机械挤压富集PHA的溶剂凝胶以将用过的溶剂从富集PHA的溶剂凝胶中排出，通过使用过的溶剂经过蒸发过程处理来纯化用过的溶剂，并产生溶剂蒸汽，所述方法还包括冷凝溶剂蒸汽形成纯化的溶剂。
43. 权利要求42的方法，所述方法包括回收化学产品例如脂质和脂肪酸作为提取溶剂纯化和回收的一部分。
44. 权利要求28的方法，所述方法包括从富集PHA的溶剂中分离生物质，并使分离的生物质经过焚化或热解过程处理。
45. 权利要求44的方法，所述方法包括在焚化或热解后从剩余的材料中回收磷。
46. 权利要求28的方法，所述方法包括使溶剂通过反应器中的生物质循环和在使溶剂通过反应器中的生物质循环的过程中将生物质中的PHA溶于循环的溶剂中。
47. 权利要求28的方法，其中所述PHA贫乏溶剂取自选自脂肪醇、酮、酯和/或芳香烃的单种溶剂或溶剂的混合物。
48. 权利要求28的方法，其中调节加载到反应器中的生物质，使得PHA加载介于20-100 g-PHA/L之间。
49. 权利要求28的方法，所述方法包括：
在反应器中将生物质与PHA贫乏溶剂混合；
在将生物质引入反应器中之前，使生物质形成颗粒，其颗粒的粒径分布通常介于0.1和4 mm之间；
其中引入反应器中的生物质中的PHA是热稳定的，并包括大于270℃的热分解温度；和
在提取来自含PHA的生物质的PHA后，从生物质中分离富集PHA的溶剂，并保持PHA溶剂的温度足以防止在分离过程中胶凝。
50. 权利要求1的方法，其中在从富集PHA的生物质中提取PHA的步骤中，提供用于监测PHA提取的动力学和进程的联机监测方法。
51. 权利要求50的方法，其中所述联机监测方法包括在选择的时间内测量PHA贫乏溶剂的粘度的变化。
52. 权利要求51的方法，所述方法包括在选择的时间内测量抵消PHA贫乏溶剂粘度的变化的温度。
53. 权利要求50的方法，其中所述联机监测方法包括通过近红外光谱法(NIR)监测PHA贫乏溶剂。
54. 权利要求50的方法，其中所述联机监测方法包括监测提取容器中压力随温度变化的趋势。
55. 权利要求28的方法，其中在提取来自含PHA的生物质的PHA的步骤中，提供用于监测PHA提取的动力学和进程的联机监测方法。
56. 权利要求55的方法，其中所述联机监测方法包括在选择的时间内测量PHA贫乏溶剂的粘度的变化。
57. 权利要求56的方法，所述方法包括在选择的时间内测量抵消PHA贫乏溶剂粘度的变化的温度。
58. 权利要求55的方法，其中所述联机监测方法包括通过近红外光谱法(NIR)监测PHA贫乏溶剂。
59. 权利要求55的方法，其中所述联机监测方法包括监测反应器中压力随温度变化的趋势。
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