JP2013535227A - 有機廃棄物を処理するために用いられたバイオマスからの安定化ポリヒドロキシアルカノエートの回収方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、バイオマスでのＰＨＡの化学薬品安定性及び／又は熱安定性を向上する方法であって、このバイオマスが混合液中に含まれ、ここでこの混合液が、混合液から水を除去することと、この混合液のｐＨ調節又は選択されたｐＨ範囲内でのこの混合液のｐＨの維持の組み合わせによって処理される方法に関し、この方法は、この混合液のｐＨを６より下に低下する工程、又はこの混合液のｐＨを選択された期間６より下に維持する工程を包含し、ここでこの混合液のｐＨを６より下に調節すること又はこの混合液のｐＨを６より下に維持することが、このバイオマスにおけるＰＨＡの化学薬品安定性及び／又は熱安定性を向上させる。

Description

本発明は、バイオマスからポリヒドロキシアルカノエート類（ＰＨＡ）を産生し、回収するプロセスに関し、さらに具体的には、この回収プロセスにおいてＰＨＡを化学的かつ熱的に安定化するためのプロセスに関する。

産業廃水及び／又は都市廃水を処理する事業の一部として生じるバイオマスは、意図的に、ＰＨＡ蓄積細菌（ＰＨＡ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ ｂａｃｔｅｒｉａ）（ＰＡＢ）を混入させることができる。ＰＡＢを豊富に含むバイオマスは、易生分解性化学的酸素要求量（ｒｅａｄｉｌｙ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｍａｎｄ）（ＲＢＣＯＤ）を含んでいる有機廃棄物流とともに供給されるとき、ＰＨＡを蓄積する顕著な能力を示す。ＲＢＣＯＤは、典型的には、揮発性脂肪酸類（ＶＦＡ）から構成されるが、これに限定されない。ＰＡＢがＲＢＣＯＤとともに供給される場合、ＰＨＡは、このバイオマス中に、最終的なバイオマスの乾燥重量に対し、有意なレベルまで蓄積されるだろう。ＰＡＢを豊富に含むバイオマスを、ＰＨＡの収率が最大化されるように、ＲＢＣＯＤを豊富に含む廃水と好気性又は嫌気性の条件下で混合する。一般的には、最終的なバイオマス乾燥重量は、ＰＨＡとして４０％を十分に超えており、この場合、１キログラムの活性なバイオマス乾燥重量は、一般的に、乾燥重量キログラムの３分の２を超えるＰＨＡを蓄積することができる。この含有量のＰＨＡは、細胞質に埋め込まれた小型の細胞内顆粒としてバイオマス中のＰＡＢに分配され、これらの顆粒は、直径が最大で約０．５μｍまでの範囲に及ぶだろう。この包含物は、包含物自体のリン脂質膜で包まれており、この膜は、包含物合成のためのタンパク質を含む。ＰＨＡは、９５％より高い純度で、さらに最大では９９％までの純度でポリマーとしてバイオマスから回収することができる。この回収されたポリマーを回収ＰＨＡ樹脂と呼ぶ。ここに開示している発明の開発目的は、以下を行うことであった。
１．バイオマスからＰＨＡ樹脂を回収するための実行可能なプロセスを確立する、
２．このプロセスでバイオマスから回収したＰＨＡ質量の収率を最大化する、
３．溶媒抽出の間にＰＨＡの分子量が制御されずに低下する可能性を最小限にする、及び
４．高い熱安定性を示すＰＨＡ樹脂を抽出する手段を容易にする。

このバイオマスによって産生されるＰＨＡは、一般には、排他的ではないが、ポリ（３−ヒドロキシ酪酸）及び／又は３−ヒドロキシ酪酸と３−ヒドロキシ吉草酸とのコポリマーである。このバイオマスから回収することができるＰＨＡは、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリエチレン（ＰＥ）などのプラスチックと同様の物理的特性を示す生分解性のポリエステル又はバイオポリマーである。ＰＨＡは、プラスチックに配合されてもよいし、又はさらに中心的な基本骨格となる化合物に変換されてもよい。しかし、ＰＰ及びＰＥとは異なり、ＰＨＡは完全に生分解性である。本発明は、廃水処理プロセスについての全体的な生物精製の概念の部分的な構成部分をあらわし、限定されないが、以下の要素を含んでいてもよい（図１）。
Ｉ．ＰＨＡを有意に蓄積する既存の能力でバイオマスを産生しながら、流入液中の有機物質のいくらか又は全てを、ＲＢＣＯＤを豊富に含む廃水に変換し、この廃水から全てのＲＢＣＯＤを除去するように設計されたユニットプロセス。
ＩＩ．安定な廃水処理プロセスの操作及びＰＨＡ産生の目的のために作られたバイオマスの保持量を制御し、計量しつつ輸送するための手段。
ＩＩＩ．その廃水自体又はその場所若しくは他の場所からの廃棄物有機源に由来するＲＢＣＯＤを豊富に含む供給物を用いることによって、産生されたバイオマス中で有意なレベルまでＰＨＡを蓄積するためのユニットプロセス。
ＩＶ．例えば、このバイオマスから取り出された任意のＰＨＡ以外の材料からのエネルギー生成における利点を同時に確保しながら、熱に安定であり、温度上昇又は化学的な相互作用に起因する分解に耐性があるＰＨＡ含有バイオマス（ＰＨＡ−ｉｎ−ｂｉｏｍａｓ）を作製するためのユニットプロセス。
Ｖ．熱安定性のＰＨＡ樹脂を抽出するためのユニットプロセス。
本発明は、蓄積した後にこのＰＡＢを豊富に含むバイオマスから最終的な精製（Ｖ）を行うために必須な工程として、工程ＩＶ（すなわち、回収のためにＰＨＡ含有バイオマスを調製する工程）に集中するものであり、本発明は、ＰＨＡ回収において生成物の質の目標を満たし、かつ廃水処理及び残留廃棄物処理能力、並びに以下にさらに説明するような節約目標を同時に満足するための現実的な解決法を提供する。

ＰＨＡを豊富に含むバイオマスからのＰＨＡの回収には、有機画分及び無機画分の両方を含む他の非ＰＨＡ細胞材料（ＮＰＣＭ）から顆粒を分離するという問題がある。プラスチック配合物に対する成分として使用するためにバイオマスから回収したＰＨＡ樹脂の品質は、以下の観点で評価されるだろう。（１）純度、（２）平均分子量及びその分布、（３）熱安定性、（４）化学薬品安定性、及び（５）コポリマーの微小構造及び組成。純度とは、残存するバイオマスＮＰＣＭを指し、おそらく、精製プロセスの間に導入されるか又は持ち越される他の化合物又は元素も指すだろう。

平均分子量は、ポリマー鎖長の平均的な大きさを反映する。ほとんどの場合、ＰＨＡは、比較的広い分子量分布を有するポリマーである。Ｍ_ｎとは、数平均モル質量であり、以下のように定義される。

ここでＮ_ｉは、モル質量がＭ_ｉである分子の数である。重量平均モル質量Ｍ_ｗは以下のように定義される。

多分散性指数（ＰＤＩ）は、分子量分布の指数であって、以下のように定義される。

Ｍ_ｗは、常に、Ｍ_ｎより大きく、そのためＰＤＩは常に１より大きい。ＰＨＡ樹脂のＰＤＩは典型的には、ほぼ２であって、Ｍ_ｗは、１０，０００〜３，０００，０００Ｄａの範囲があり得る。分子量分布は、バイオマス中でＰＨＡを蓄積する方法、このＰＨＡを回収するための方法、及びこの樹脂を最終使用者の製品へとさらに処理する方法によって影響を受けることがある。

熱安定性とは、特定の大気中での温度及び時間の関数としてのポリマーの耐分解性を指す。大気は、不活性（例えば、窒素）であっても、又は反応性（例えば、空気又は酸素）であってもよい。熱安定性は、サンプルが揮発又は重量損失する特徴的な分解温度という観点で評価することができる。実際には、ポリマーの処理温度又は処理温度よりわずかに高い温度でのポリマーの安定性も関係がある。従って、熱安定性はまた、空気中又は窒素ガスのような不活性雰囲気中、関連する処理温度での処理中の分解反応速度論（つまり、分子量が減るか、及び／又は動粘性係数が低下する）によっても評価される。ここで化学薬品安定性とは、液体（溶剤、非溶剤、水性、非水性又はその混合物）と接触したときにポリマーが分解する傾向を指す。化学反応は、液体と接触したポリマーとともに、さらに移動性が高くなる化合物又は反応基が移動及び拡散する温度に起因して開始するだろう。液体環境における化学反応生成物は、さらに分解プロセスを促進することがある。

混合培養物を作製して、ＰＨＡのホモポリマー及びコポリマーを生成してもよく、このコポリマー中のモノマーの種類及び分布が、処理の特徴及び最終的な材料の特性に影響を及ぼす。例えば、酪酸又は酢酸をバイオマスに供給することは、ポリ（３−ヒドロキシ酪酸）（ＰＨＢ）の蓄積についてのＲＢＣＯＤを代表する。酢酸及びプロピオン酸のＲＢＣＯＤ混合物をバイオマスに供給することによって、３−ヒドロキシ酪酸及び３−ヒドロキシ吉草酸（ＰＨＢＶ）のコポリマーの生成を促進することができる。

ＰＨＡ樹脂中の不純物は、有機物であっても、及び／又は無機物であってもよい。純度が高いことが望ましいが、異なる不純物がポリマーの特性又は加工性に対して異なる影響を呈するという事実に起因して、ある程度の不純物は許容される場合がある。一般には、本発明者らは、絶対純度が９５％を超えるまで、理想的には９９％を超えるまでＰＨＡを回収しようと努めた。この純度は、一般には、バイオマスＮＰＣＭ中にみられる有機成分及び無機成分に関する。有機不純物としては、バイオマス由来のタンパク質、炭水化物及び脂質残留物を挙げることができる。無機不純物としては、陽イオン、例えば、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム並びに対応する陰イオン、例えば、リン酸イオン、硫酸イオン及び塩素イオンを挙げることができる。ＰＨＡ不純物は、望ましくない有機不純物又は無機不純物の存在の兆候である水分の保持に起因することもある。有機不純物は、ＰＨＡ樹脂をプラスチック及び生成物に加工する際に望ましくない色及び刺激臭を生じることがある。有機不純物は、ポリマーの化学薬品安定性にも関係がある。無機不純物は、樹脂の熱安定性をひどく損なう場合がある。蓄積プロセス後のＰＨＡを豊富に含む乾燥したバイオマスに含まれるＰＨＡは、一般には、乾燥質量の４０〜６０％の範囲であってもよい。

蓄積後の純粋なＰＨＡ及び混合培養バイオマス中でのＰＨＡの化学薬品安定性及び熱安定性は一般に悪く、過剰な分子量低下を避けるべき場合、１００℃を超える温度をバイオマス処理又はＰＨＡ回収に用いることはできない。

ＰＨＡを豊富に含む乾燥バイオマスの６０パーセントまでがＮＰＣＭであるかもしれないことを考えれば、効率的なＰＨＡ回収とともに非ＰＨＡ画分の上述のような運命を解決することが同時に必要となる場合がある。廃水の生物学的処理により生じる過剰なバイオマスを最終的に廃棄することは、地球規模の問題となっている。研究開発の著しい労力によって、廃棄されたバイオマスからエネルギー及び資源を最大限回収し、かつ確実に廃棄を要する物質をできるだけ少なくする技術開発が行われた。

ＮＰＣＭの運命は、廃水を処理するために用いられるバイオマスが過剰であるという状況では、ＰＨＡの回収にとっての制約となっている。ＮＰＣＭの残渣は、廃水処理施設で固体として取り扱われるとき、環境保護における技術水準と適合してもよく、理想的には、技術水準をさらに改善してもよい。廃水処理プラントでのスラッジ取扱いのための現在の処理溶液によって生じる欠陥及び問題を正すために、多くの技術および開発費用が向けられている。理想的には、ＰＨＡ回収のための手法は、付加価値のあるバイオポリマーを生成すべきだというだけではなく、全体的な残渣固体の管理をよりよくかつより有効に制御するという機会を与えるべきである。

精製した樹脂からプラスチックへのバイオポリマーＰＨＡの変換では、添加剤を組み合わせてもよい。これらの成分を、樹脂の処理温度又は処理温度よりわずかに高い温度で組み合わせ、混合物は押出成形され、成形してプラスチックのペレットとされる。溶融サイクルでは、材料中の最終的なＰＨＡ量が、添加剤と溶融物とを混合することに起因して低下することがある。通常は、ＰＨＡをプラスチックペレットに配合することを意図しており、次いで、これらのペレットは、再度プラスチックを加熱及び形成することを必要とする最終使用者の製品の生成において用いられる原料となる。従って、ＰＨＡ樹脂は、一般には、最終使用者の製品となる前に、少なくとも２回の加熱サイクルに耐える。あらゆる加熱サイクルのときに、プラスチック中のＰＨＡは、平均分子量が低下する。プラスチック材料の特性は、樹脂の分子量によって直接的及び間接的に影響を受ける。例えば、溶融物の粘度は、分子量とともに低下して、プラスチックの加工性は、溶融物の粘度によって影響を受けやすい。粘度が高すぎても、又は低すぎても、同様に望ましくない場合がある。にもかかわらず、溶融物中で予測可能な挙動をするポリマーが好ましく、そのため一定の熱安定性及び化学薬品安定性をもつポリマーが一般的に有益である。機械的な特性は、処理されたポリマーの最終分子量によって変わり、分子量の低下は、生成物の機械的特性に対する負の影響を意味しているだろう。

平均分子量の低下度は、ＰＨＡの熱安定性及び化学薬品安定性、溶融時間、温度、スクリュー速度、及び処理のときに加えられる剪断力を含めた要因に依存する。溶融物中のポリマーの分解は、所定の処理温度においてポリマー安定性を向上もしくは低下させる可能性のある化学的不純物又は添加剤によっても強く影響を受ける。最終材料における非ＰＨＡ画分は、抽出された樹脂に存在する元々の不純物から構成されるだろう。非ＰＨＡ画分は、添加された有機化合物及び無機化合物も構成要素であろう。

添加される化合物の目的は、以下のようにまとめることができる：
１．熱安定化剤は、最終生成物の材料特性である加工性を損なう溶融物中の望ましくないポリマー分解物を減らすことに役立つ。熱安定化剤は、無機添加剤及び有機添加剤の両方を包含していてもよく、ＰＨＡからのプラスチック生成に費用を追加する。例は、酸化亜鉛、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸バリウム及びホスホン酸である。
２．核形成剤は、溶融物からのポリマーの結晶化の開始及び速度を高め、迅速な結晶化は、最終生成物の産業上のプラスチック加工及び耐用年数にとって実際上重要である。最終的なＰＨＡのモルフォロジー（形態）が影響を受け、これにより、材料の特性が影響を受ける。例は、窒化ホウ素、滑石、パルミチン酸、オレイン酸、リノール酸、サッカリン、塩化アンモニウム、ステアリン酸塩及びホスホン酸である。
３．可塑化化合物は、ポリマーのガラス遷移を低減し、ポリマーを柔らかくして、脆弱性を低減し、それによって伸長度および衝撃強度を大きくする。これらの添加剤は、脆弱なＰＨＢ及びＰＨＢＶと同様に、短い鎖長のＰＨＡに対して役割を果たす。例は、クエン酸アセチルトリアルキル類、トリアセチン、フタレートエステル類、マレイン酸塩、セバシン酸塩、アジピン酸塩、ＰＨＡオリゴマー類、ジオール類及びトリオール類である。
４．着色剤は、プラスチックに対し、特殊な色を付与する。色の要件は、極めて厳しく、従って、加工に起因する樹脂からのどのような着色傾向も、一貫しており、かつ補償され得ることが望ましい。
５．複合材料は、充填剤の機能的役割を果たし、材料の機械的特性を増強する添加剤を含む。例えば、バイオマスＮＰＣＭは、充填剤であると考えてもよく、得られた複合体は、樹木の苗のための生分解性容器（機械的特性の要求は、それほど面倒ではない）として用いられてきた。また、天然の繊維をＰＨＡとの複合体として用いてもよく、この場合、ポリマーは、繊維の網目構造のマトリックスを提供する。このような繊維強化ＰＨＡは、ＰＨＡ単独をかなり上回る耐衝撃性を有するＰＨＡの強度を示しうる。また、複合体の材料特性がその用途の要求事項を満たすものであれば、ＰＨＡ含量を減らすことによってプラスチックの費用を安くするために、充填剤を使用してもよい。

バイオマスから回収されたＰＨＡは、良好ではない熱安定性及び化学薬品安定性を示すことが観察された。現在市場で入手可能な天然の樹脂は、溶融物中で急速に分解する。加工中の分子量低下は、溶融粘度が低くなりすぎたり、又は、最終生成物の品質に悪影響が出たりする時点までは許容することができる。しかし、このような分子量低下マージンは、加工時間内に得ることは現実的に可能でない場合がある。回収されたＰＨＡ樹脂の熱安定性は、関与する不純物を除去するためのさらなる精製によって、又は安定化剤を添加することによって改善することができる。これによって複雑化し、費用が増える。それに加え、安定化剤の中には、ＰＨＡ系プラスチック生成物が寿命を迎えるまでに起こり得る環境的な問題に起因して、責任が生じるものがある。

蓄積プロセスから回収されたバイオマスのＰＨＡ含量を増やすために、バイオマスに由来するＮＰＣＭを除去してもよい。ＮＰＣＭは、機械的手段、化学的手段、酵素による手段及び熱的手段又はそれらの組み合わせを含む処理の戦略を用いて除去することができる。最適なＮＰＣＭ除去条件は、処理期間、化学物質／酵素の濃度、加えたエネルギーの量及び温度を包含する。バイオマスのＰＨＡ含量を７０％をかなり上回るところまで高める能力があるものの、このような処理は、バイオマス中のＰＨＡの分解をある程度促進してしまうことがある。細胞の溶解及び基質中へのＰＨＡ顆粒の放出によって、他の細胞破片からのＰＨＡ包含物の分離がさらに複雑化する場合があり、生成物の収量が減ってしまうことがある。バイオマスがかなりの量可溶化することによって、有機物の炭素、窒素及びリンが溶液に放出することに起因して、下流の排水処理問題が生み出される。

ＰＨＡ含量を高めることができる場合であっても、バイオマスの調整によって、炭素、窒素及びリンが同時に放出することに起因して同様の廃棄物管理の責任が生じる。この責任は、炭素を用いてバイオガスを生成することができ、栄養分が欠乏する産業廃水を生物学的に処理するために栄養分を再利用することができるという状況では、利点に変えることができる。しかし、ポリマー回収の収率は、細胞破砕後に懸濁固体の捕捉がうまくいかず、細胞破片及びＰＨＡ顆粒の混合物が生じてしまうために、減ることがある。

バイオマスの調整によってＰＨＡ含量を高めることができる場合であっても、ＰＨＡ樹脂の生成は、最終的に常に、ある形態の溶媒抽出を要するだろう。ＰＨＡは、溶媒にＰＨＡを溶解することによってＮＰＣＭから分離される。バイオマス中でＰＨＡの熱安定性が悪いために１００℃を超える温度を避けるべきである場合、クロロホルム及びジクロロメタンのような塩素化溶媒が必要なことがある。これらの溶媒を用いてＰＨＡを抽出するときは、溶解しないＮＰＣＭを濾過した後に水又はメタノールのような非溶剤を用いて溶媒からＰＨＡを沈殿させる。用いられる塩素化溶媒及び共溶媒の組み合わせに起因して、大量の有害廃棄物が生み出される。

ＰＨＡの場合、バイオマスが、マトリックス中のＰＨＡの熱安定性及び化学安定性を改善する程度まで少なくとも調整されたならば、ＰＨＡ回収のプロセスに必要な温度は、１００℃〜１６０℃の範囲であってもよく、この温度で分子量の低下はわずかである。この温度範囲では、多数の貧溶媒がＮＰＣＭからＰＨＡを抽出することができる。これらの溶媒は、１００℃未満ではＰＨＡを溶解しない溶媒であるが、１００℃を上回ればＰＨＡを抽出するのによい溶媒である。このような溶媒の例はとりわけ、アセトン、ブタノール、プロパノール、エタノール、メタノール及び１，２プロピレンカーボネートである。しかし、これらの溶媒に溶解したＰＨＡの安定性は、溶媒の種類および異性体によって変わる。いくつかのＰＨＡは、より低温で抽出することができ、その結果、必要な溶媒及び抽出温度も、ＰＨＡによって変わる。ＰＨＢは、溶解度及び溶媒抽出に関して最悪の状況の１つを提供する。バイオマスからＰＨＡ樹脂を溶媒抽出するのに必要な高温にさらされる可能性にかかわらず、一般には、溶媒抽出前のバイオマス乾燥は、１００℃よりかなり上の温度でさらに効果的に達成されるだろう。例えば、二重ベルトの低温乾燥器は、１４０〜１８０℃の温度にバイオマスをさらすことを意味しているだろう。

抽出後のＮＰＣＭ残渣は、元々のバイオマスのうちほとんどの有機物の炭素、窒素及びリンをまだ含んでいる。この抽出残渣は、衛生的であり、生物学的技術及び熱化学技術のための適切な原料であって、骨格となる化学物質及び／又はエネルギーが得られる。化学物質抽出／エネルギー抽出の後のＮＰＣＭ又は引き続く残渣をまた、農業用の栄養及びミネラルを供給することを意図している製品配合物に直接用いてもよい。従って、ＰＨＡ回収の方法は、スラッジ管理における現時点での技術水準と比較して、廃棄物管理の問題を回避しながら、他の付加価値のある残渣を捕捉するのと並列的な方法であることもわかるだろう。

ＰＨＡを豊富に含むバイオマスからＰＨＡ回収溶液を得るための開発の労力は、以下を中心的な目的として念頭においていた。
１．化学的な添加剤の必要性を限定し、それによって、廃棄物バイオマスプロセスに関連するプロセスの複雑性及び費用を低減する、
２．樹脂抽出の前に高温のバイオマス乾燥を可能にする、
３．バイオマス中のＰＨＡが、溶媒抽出前に熱的及び化学的に安定であることを確保することによって、非塩素化溶媒でのバイオマスからの高温樹脂溶媒抽出を可能にする。
４．プラスチック配合物中での安定化剤の必要性を有意に減らすために、高温安定性であるＰＨＡの生成を容易にする、および
５．ＮＰＣＭ残渣の供給源を捕捉し、その無機物、有機物及び熱の含有量について容易に管理及び活用できる。

本発明は、バイオマスが混合液中に含まれる場合に、バイオマス中のＰＨＡの安定性を高める方法を伴う。この方法は、混合液のｐＨを６未満に下げることによって、又は混合液のｐＨを６未満に所定期間維持することによって、混合液を処理することによりこの混合液中のバイオマスと関連するイオンを可溶化することを包含する。その後、混合液を脱水すること及びバイオマス中のＰＨＡから少なくともいくつかのイオンを効果的に分離することで、バイオマス中のＰＨＡの安定性が高まる。

本発明はまた、混合液から水を除去することと、混合液のｐＨを調整すること、または混合液のｐＨを所定のｐＨ範囲に維持することとを組み合わせることによって混合液を処理する、混合液に含まれるバイオマス中のＰＨＡの化学薬品安定性及び／又は熱安定性を高める方法を伴う。さらに詳細には、この方法は、混合液のｐＨを６未満に下げること、又は混合液のｐＨを６未満に所定期間維持することを包含する。混合液のｐＨを６未満に調整すること、又は混合液のｐＨを６未満に維持することによって、バイオマス中のＰＨＡの化学薬品安定性及び／又は熱安定性が高まる。

ＰＨＡの生成のためのプロセスフロー図。 バイオマスからＰＨＡを回収するためのプロセスフロー図。 ＰＨＡ蓄積の間の乾燥ＡＳ−Ｓバイオマスに関するＴＧＡ。 乾燥ＡＳ−Ｓバイオマスに関する相対的重量低下率。 正規化したＰＨＡ含有バイオマス重量低下率、及びバイオマスのｐＨ調整が分解温度に及ぼす効果。 バイオマス無機画分及びバイオマスのｐＨ調整が、ＡＳ−Ｓ ＰＨＡ蓄積のときにＰＨＡ含有バイオマスの分解温度に及ぼす効果。 ＰＨＡ貯蔵と同時に無機物を蓄積する場合について、８個組で行ったＡＳ−Ｓ ＰＨＡ蓄積のときのＰＨＡ含有バイオマスの分解温度。 ＰＨＡ蓄積の前、ＰＨＡ蓄積の後、及び酸性化（バイオマスのｐＨ調整）の後のバイオマスの相対的な無機質量画分。 ＡＳ−ＳバイオマスのためのＰＨＡ含有バイオマス分解温度と相関関係があるバイオマスカルシウム含量。 ＡＳ−Ｓバイオマスについて、２５０℃でのＰＨＡ含有バイオマスの画分の分解と相関関係があるバイオマスカルシウム含量。 ＡＳ−Ｆ ＰＨＡ蓄積の間のＰＨＡ含有バイオマス及びバイオマス無機画分。 ＡＳ−Ｆ ＰＨＡ蓄積に関してバイオマス無機画分を変えることに対する、ＰＨＡ含有バイオマスの分解温度。 対照の乾燥したＡＳ−Ｆ、及び混合液（ＭＬ）酸性化後からの、ＰＨＡ分子量に及ぼす溶媒抽出の効果。 対照について、及び混合液（ＭＬ）酸性化後の、ＡＳ−ＦのＰＨＡ含有バイオマス及び得られたＰＨＡ樹脂についての非ＰＨＡ残留質量画分及び分解温度に及ぼす溶媒抽出の効果。 ＰＣ−Ｆ凍結乾燥バイオマス及び事前に調整したバイオマスに関するＰＨＡ含有バイオマスの正規化済みＴＧＡ分解率。 バイオマス無機画分及びＰＨＡ含有バイオマスの分解温度に及ぼすＰＣ−Ｆの事前調整の効果。 ＰＨＡ含有バイオマスの画分の分解及びＰＣ−Ｆバイオマスの分解温度に及ぼすＰＣ−Ｆ事前調整の効果。 事前調整の洗浄の有無によるＰＣ−Ｆバイオマスからの相対的なＰＨＡ分子量に及ぼす溶媒抽出の効果。 ＰＨＡ含有ＰＣ−Ｆバイオマス（ＰＨＡ−ｉｎ−ＰＣ−Ｆ ｂｉｏｍａｓｓ）及びＰＨＡ樹脂に関する非ＰＨＡ残留質量画分及び分解温度に及ぼす、溶媒抽出の溶媒及び事前調整の効果。 ＰＨＡ画分の分解ｆ_ｄ ^２５０に対する分解温度Ｔ_５及びＴ_ｄを考慮したＰＨＡ樹脂の熱安定性。 ＰＨＡ樹脂分解率に対する、ＰＣ−Ｆのアセトン抽出と組み合わせた酸性水リンスの影響。 ＡＳ−Ｓを用いて混合培養物（ＭＣ−ＰＨＡ−ＡＫ）から生成したＰＨＡ樹脂、及び純粋な培養発酵プロセス由来の市販等級のＰＨＡ樹脂（ＰＣ−ＰＨＡ−１及び２）の非ＰＨＡ含量の比較。 ＡＳ−Ｓを用いる混合培養物（ＭＣ−ＰＨＡ−ＡＫ）由来のＰＨＡ樹脂、及び純粋な培養発酵プロセス由来の市販等級のＰＨＡ樹脂（ＰＣ−ＰＨＡ−１及び２）の推定の無機元素含量。 カルシウム含量の関数としてのＰＨＡ樹脂の熱安定性。 脱イオン水及び酸性水によるＰＣ−ＰＨＡ−１の洗浄及び再乾燥の効果。 非ＰＨＡ含量及びＰＨＡ樹脂熱分解温度に及ぼすＰＣ−ＰＨＡ−１洗浄の効果。 導入されたイオンが、ＰＨＡ樹脂熱分解温度に及ぼす影響。 ポリマーのレオロジーによるＡＳ−Ｓ由来のＰＨＡ樹脂の溶融粘度。 ＡＳ−Ｓ由来の混合培養ＰＨＡ樹脂及び市販等級の純粋培養物に由来するＰＨＡ樹脂の１−ｌｏｇ溶融安定性。 純粋培養源及び混合培養源の両方に由来するＰＨＡ樹脂サンプルの推定のＴＧＡ純度及び溶融安定性の散布図。 純粋培養源及び混合培養源の両方に由来するＰＨＡ樹脂サンプルについて、Ｔ_５と１−ｌｏｇ溶融安定性との間の関係。 純粋培養源及び混合培養源の両方に由来するＰＨＡ樹脂サンプルについて、２５０℃での相対重量損失と１−ｌｏｇの溶融安定性との間の関係。

純粋培養及び混合培養のバイオマス中のＰＨＡが示す熱安定性は劣っている場合がある。市販のＰＨＡ樹脂はまた、任意の安定化剤が存在しない状態では、示す熱安定性が劣っていることも公知である。ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性、及び純粋な樹脂の形態のＰＨＡは、カルシウム、マグネシウム及びナトリウムのような残留するＩ族およびＩＩ族の金属の存在によって有意に影響されることが理解される。

樹脂中のＰＨＡの熱安定性は、一般的にはＰＨＡが溶融状態である間に安定化剤を加えることによってある程度まで克服できる。従って、安定化剤は、平均分子量の低下を犠牲にして添加される。さらに、安定化剤は、ＰＨＡ樹脂マトリクスと均一に相互作用しない場合もあり、これが今度は材料特性に影響する。従って、ＰＨＡ樹脂の元々の熱安定性が高いほど、混合されたマトリクスの全体的な特性が優れることになる。

或いは、ＰＨＡ樹脂の熱安定性は、酸性化した塩素化溶媒中での酸洗浄による費用及びその労力を通じて残留金属含量を減らすことによって改善することができることが報告されている。精製した樹脂としてのＰＨＡの熱安定性が劣っていれば、ポリマーの加工性は損なわれる場合がある。ＰＨＡ樹脂の熱安定性が相殺されようと（安定化剤）又は改善されようと（酸−塩素化溶媒による処理）、これらの改善法では、環境に優しい技術の原料としてＰＨＡの魅力を損なう費用及び廃棄物の追加が必要となる。さらに樹脂精製のための適切な抽出溶媒の種類が制限される可能性があることは、最終樹脂の顕著な分子量低下を起こさず、乾燥及び溶媒抽出に１００℃を超える温度を加えることが可能であるような、ＰＨＡを豊富に含むバイオマスが望ましいことを意味しており、従って、バイオマス中のＰＨＡの熱安定性及び化学薬品安定性は、バイオマスの乾燥及び樹脂の溶媒抽出の前に改善される必要がある。

ＰＨＡの蓄積後の混合培養バイオマスを処理するための溶液は、一連の処理工程に関係する（図２）。いくつかの処理工程は、実質的に時間及び／又は場所の隔てられた別個の及び別々の作業の一部として行われることが当然であろう。これらのプロセス工程のいくつかを行うために、別個のユニットプロセス（リアクター）が必要な場合があるが、この一連の他の工程が、同じユニットプロセス又はリアクター内で容易に統合され組み合わされてもよい。このプロセスに入れられるのは、ＰＨＡの乾燥重量が４０％を超える蓄積された後の新しいバイオマスである。このバイオマスマトリクスのＰＨＡが示す化学薬品安定性及び熱安定性は悪い。このバイオマスは、貯蔵されたＰＨＡを解重合する傾向がある酵素系でまだ活性なままである。図１のプロセスＶから出てくるのは、５重量％未満の水分と、化学薬品安定性及び熱安定性が有意に改善されたＰＨＡとを含有する同じバイオマスである。このバイオマスは、ＰＨＡの特性を損なうことなく１００℃を超える温度で溶媒によって抽出することができる。溶媒抽出後の生成物は、ＰＨＡ樹脂、ＮＰＣＭ及びリサイクル可能な溶媒である。

工程の順序は以下のとおりである。
１．蓄積後の一次バイオマス脱水：
できる限り処理した廃水を排出する。蓄積後、２〜１０ｇ／ＬのＴＳＳを含む混合液（そのＴＳＳのＰＨＡは、乾燥重量として４０％を超える）が典型的には予想されるだろう。この混合液のｐＨは典型的には、７を超えるが、１０未満である。蓄積プロセスによって、炭素除去における生物学的処理が得られる。その後のバイオマスの取扱いでは、ｐＨ調節が必要であり、そのため緩衝能力を減じるためにできるだけ多く液体を除去することが有利である。好気性のバイオマス代謝に起因するＰＨＡ損失を最小にするためには嫌気性条件が有益である。定着した（ｓｅｔｔｌｅｄ）バイオマスは、ポリマー含量に対するなんら有意な影響なしに最大１２時間まで貯蔵された。この最初の脱水によって、１％を超えるが１０％未満に乾燥した固体を得ることが予想される。化合物の添加を用いてバイオマス凝集を補助してもよい。脱水工程への空気の取り込みは、回避されなければならないが、不可避である場合、空気取り込みの量及び期間は最小限にすべきである。

２．混合液のｐＨ低下。
一方でバイオマス中のＰＨＡの熱安定性及び化学薬品安定性も高めつつ、微生物活性を阻害するために、混合液ｐＨを２〜５に調節する。ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性の改善は、標準的な方法による熱重量分析（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ）（ＴＧＡ）によって評価することができる。バイオマス乾燥及び引き続く溶媒抽出が両方とも１００℃を超える温度の場合、熱安定性を高めることが好ましい。熱安定性は、バイオマスの無機物含量と、かつ最も顕著には、カルシウムのような陽イオンと正の相関関係がある。

ＰＨＡ化学薬品安定性の改善は、例えば、アセトン中、１２５℃で２時間標準化された抽出を行った後の分子量の低下によって評価することができる。バイオマス中のＰＨＡが化学的に安定であることなく熱的に安定であることが可能であり、かつ熱安定性の改善が最小限でありながら化学薬品安定性を達成することが可能である。熱安定性又は化学薬品安定性は、単独でも高温での乾燥及び溶媒抽出の際の分子量低下度を低減するが、熱安定性及び化学薬品安定性を組み合わせると、最高の結果が得られる。

ｐＨの低下は、限界的なバイオマス可溶化という副次的な影響をもたらす。例えば、Ｈ_２ＳＯ_４によってｐＨ２まで酸性化すると、１００ｍｇＣＯＤ／ｇＴＳＳ及び５ｍｇＮ／ｇＴＳＳという程度まで放出されると予想されるだろう。バイオマスからのＣＯＤ及び窒素の可溶化は、（可能性が高いのは）細胞外タンパク質及び多糖類の放出に関係がある。一般には、バイオマスからの窒素放出は、炭素放出に比例する。５未満のｐＨにおいては、液体マトリックスの緩衝能は無視できるようになる。しかし、バイオマスは、５未満、かつ２を超えるｐＨに関しては有意でかつ一定の緩衝能を発揮することが観察された。ｐＨ２付近では、バイオマスの緩衝能は劇的に増大する。本発明者らは、バイオマス中のＰＨＡの熱安定化及び化学的安定化の目的が、２より大きく５未満のｐＨで十分に達成され得ることを観察した。必要なｐＨは、混合液マトリックスの性質及び蓄積供給物次第で事例ごとに変わるだろう。ｐＨの調節は運用費用を追加してしまうので、ｐＨ調節は、必要最低限であるべきである。ＴＧＡ測定によって、任意のＰＨＡ含有バイオマスの安定化が達成されたか否かを決定する手段が得られる。

混合液のｐＨを下げると、無機物の炭素が炭酸に強制的に変わるため、二酸化炭素ガスの放出を含む場合がある。このような二酸化炭素の泡は、溶存ガスを浮遊させること、及びｐＨ調節後の混合液からのバイオマスの分離に利用できる。バイオマスの酸化又は機械的な分散を酸性ｐＨ調節とともに用いる場合、懸濁した固体の脱水特性が悪くなることがわかった。

バイオマス中のＰＨＡの熱安定性がある程度改善された化合物を増やすという同様の結果は、穏和な酸化によって達成することができる。特定的でない酸化剤の例としては、次亜塩素酸塩、過酸化水素及びオゾンが挙げられる。次亜塩素酸塩のみを用いたバイオマスの穏和な酸化は、熱安定性を同じ程度まで改善しない場合があるが、その場合であっても、熱溶媒抽出のためのＰＨＡ安定性の満足な改善が得られるようである。ＴＧＡ測定によって、次亜塩素酸塩処理が、バイオマス中のＰＨＡの熱分解の開始の境界となる温度を高めることが示される。バイオマスの穏和な酸化は、ＰＨＡの化学薬品安定性を高める。このような穏和な酸化をｐＨ調節と組み合わせると、バイオマスからのＰＨＡの溶媒抽出のための熱安定性及び化学薬品安定性にとって良好な結果となり得る。しかし、バイオマスの酸化はまた、かなりの量の有機物の炭素及び窒素を溶液中に溶解させる。バイオマスからのＣＯＤストリッピング（取り出し）の利点は、懸濁した固体中のＰＨＡ含量が増えることである。ＣＯＤ及び窒素の放出の不利な点は、これによって廃水処理の懸念が生じることである。酸化剤は、バイオマスだけではなく、ポリマーも分解することがある。

３．ｐＨ低下後の二次的なバイオマス増粘及び脱水：
このバイオマスをさらに、例えば、溶存ガスの浮遊を含む種々の手段によって脱水する。このガスは、一部は、酸性化によって形成される二酸化炭素の泡に起因するものであろう。浮遊によってバイオマスの分離を達成するために、分散空気も添加してもよい。さらに、バイオマス脱水を改善するために、分離中に化合物を添加してもよい。混合液のｐＨを下げた後、バイオマスの代謝活性が低下し、それによって、バイオマス中のＰＨＡは、溶解した空気の浮遊又は他の形態の空気取り込みの間に代謝による分解を受けにくくなる。バイオマスを、好ましくは２０％を超えて乾燥した固体にまで脱水する。溶解した空気の浮遊によって、４％を超えて乾燥した固体が達成されることがあり、そのため追加の手段、例えば、遠心分離が必要であろう。バイオマスの水含量を下げる他の方法を、溶存空気の浮遊及び／又は遠心分離の代わりに適用してもよい。

ＣＯＤの可溶化は、酸化剤、酵素、界面活性剤、分散、均質化及び／又はバイオマスの熱処理によって増強することができる。この段階でのバイオマスの化学的、熱的又は機械的な処理は、限定するものではないが、以下を含む理由のために興味深い場合がある。（１）バイオマス中のＰＨＡ含量を向上させること、（２）ＶＦＡ又はバイオガス生成のためのＣＯＤの供給、（３）生物学的廃水処理のための窒素の供給、又は（４）懸濁した固体の脱水における改善。同時に、これらの処理は、攻撃性が強すぎて、ＰＨＡの損失を生じる可能性があるという危険性がある。資源（化合物及びエネルギー）を入れることは、ＰＨＡ及びＮＣＰＭの管理という両方の観点から正当化されることがある。混合した培養系に関して場合に応じて、用量、時間及び温度を含む条件の最適化が必要になる可能性がある。

４．バイオマスの乾燥又は水置換。
高温溶媒抽出のための最適条件を達成するためには、バイオマスを乾燥しなければならず、又は水を置換しなければならない。乾燥後の最終水分含量は好ましくは、５％を超えてはならない。ＰＨＡ含有バイオマスの安定性を達成するための上述の調整で、１００℃を十分に超える乾燥温度の使用が可能になる。

５．溶媒抽出。
ＰＨＡを、１００℃を超える温度で、ＰＨＢについては、好ましくは１２０℃を超える温度で、非塩素系有機溶媒によってＮＰＣＭから抽出してもよい。抽出した後、ＰＨＡ沈殿の前または後に、ＰＨＡをＮＰＣＭから分離する。抽出溶媒によっては、ＰＨＡ樹脂の沈殿は、第二溶媒の添加を必要とすることがある。溶媒をＮＰＣＭ及びＰＨＡから分離する。この溶媒を回収し、蒸留によって再利用することができる。ＰＨＡを乾燥する。ＮＰＣＭ及び溶媒は関連の残滓とともに、回収されてもよいし、及び／又は加熱要求のための燃料として部分的に用いられてもよい。

バイオマス中のＰＨＡの十分な調整（安定化）が達成されたならば、抽出後のＰＨＡ樹脂は、バイオマスの調整をしない場合と比較してその分子量のかなりを保持するはずであり、ＰＨＡは、ＴＧＡによって、又は動的レオロジー測定による分子量低下率によって評価される場合、安定であるはずである。

ＰＨＡ含有バイオマス及びＰＨＡ樹脂の安定性評価
熱重量分析（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ）（ＴＧＡ）
乾燥したＰＨＡを豊富に含むバイオマス又はＰＨＡ樹脂サンプルを２〜５ｍｇ秤量し、空気中又は窒素ガスのような不活性ガス環境で加熱する。サンプルの温度を１０５℃に上げ、重量を平衡状態にする。サンプルからの水分の消失を、１０５℃で重量を平衡状態にした後に評価する。温度を上げ、一定温度上昇（傾斜）条件下、又は一定温度（等温）条件下のいずれかで重量低下を記録する。プロセス評価のために、及びこの開示で提示された結果について、標準化したＴＧＡ測定プロトコールを採用した。このＴＧＡプロトコールは、サンプルのバイオマスを、窒素雰囲気下、（１０５℃で水分を除去した後に）連続して温度を１０℃／分で最大３５０℃まで上昇させ、その後に、最終温度が６００℃になるまで空気雰囲気下で上昇させることを含む。バイオマス中のポリマー及び抽出されたＰＨＡ樹脂の両方とも、この標準化された方法によって評価することができる。温度の関数としてのこの重量低下及び重量低下率の変化が検討された。

ＰＨＡ含有バイオマス及びＰＨＡ樹脂についての、温度の関数としてのサンプルの重量損失率トレンドにおけるピークは、一般には２００〜３００℃の範囲で観察される。ＰＨＡ質量分解に関連するこのピークの領域は、抽出され、正規化され、かつこのピークについての異なる特徴的な温度関連属性が規定される。分解温度（Ｔ_ｄ）とは、上で規定した標準化されたＴＧＡプロトコールを使用した場合の最大ＰＨＡ重量損失率の時点での温度であると定義される。総ピーク領域の特徴的な画分を示す温度、例えば、５（Ｔ_５）、２５（Ｔ_２５）、５０（Ｔ_５０）、７５（Ｔ_７５）及び９５（Ｔ_９５）パーセンタイルも定義することができる。当業者はまた、２５０℃でのＰＨＡ分解画分（ｆ_ｄ ^２５０）のような特定の温度に対してピーク面積画分を比較することができる。Ｔ_５、Ｔ_２５などの用語は、上で規定した標準化されたＴＧＡ測定プロトコールに基づいて定義される。従って、Ｔ_５を決定するには、例えば、サンプルバイオマスについて、標準化されたＴＧＡ測定プロトコールを行う。同じことがＴ_ｄを決定するためにもあてはまる。

レオロジーによる動粘性係数測定
提示されるＴＧＡデータと同様に、本開示で報告されるデータについては、標準化された動粘性係数測定方法が適用されている。乾燥し、抽出したＰＨＡサンプル０．６ｇを１８０℃で２分間、最大圧力１０ｂａｒで加圧した。このサンプルを、２５ｍｍの直径を有する１ｍｍ厚の円板形の型に溶融加圧した。加圧後、サンプルを、円板形の型から取り出して、過剰な蒸発性材料を除去した。得られたＰＨＡ円板状サンプルを、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＡＲ ２０００のようなレオメータに入れ、動粘性係数を、１８０℃で最大４０分までの温度掃引測定で測定した。この温度掃引の間、２％の歪み振幅及び１０Ｈｚの周波数を両方とも一定に保持した。窒素ガスで冷却しつつ、温度を一定に維持した。

Ｐａ・ｓで表される動粘性係数（｜η^＊｜）は、溶融が非ニュートン性である限り、重量平均分子量（Ｍ_ｗ）と直線的に関連し得る：
Ｍ_ｗ＝ｍ・｜η^＊｜＋ｂ
ここで、ｍ及びｂは、ＰＨＡの種類及びレオロジー測定の条件（温度、頻度及びひずみ）に依存して変わり得る比例定数である。｜η^＊｜の減少は、Ｍ_Ｗの減少と同等である。定数ｍ及びｂが同じであることが予想される所定のポリマーについては、｜η^＊｜の差は、ポリマーＭ_Ｗの差と比例した値を示す。

平均分子量分布の評価
一定の所定温度かつあらかじめ決めておいた抽出時間で、有機溶媒を用いて乾燥バイオマスからＰＨＡを抽出した。この抽出したポリマーを沈殿させ、標準化された方法によって溶媒から分離した。バイオマスの前処理及び抽出方法が分子量低下に及ぼす影響は、以下のようないくつかの関係する参照項目から決定できる：（１）異なる暴露時間についての同じ抽出方法に関する一次減衰係数、（２）標準化された抽出方法に関連する変化、又は（３）抽出温度の変化に伴う分子量低下に関連する熱感受性。

抽出したポリマーの分子量分布（ポリスチレン標準をリファレンスとする）を、サイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）によって決定した。ＳＥＣは、ポンプ（Ｖｉｓｃｏｔｅｋ ＶＥ １ １２２）、二重屈折計／粘度計−検出器（Ｖｉｓｃｏｔｅｋ Ｍｏｄｅｌ ２５０）及び連続して結合された３つの直線状カラム（Ｓｈｏｄｅｘ ＫＦ−８０５、Ｓｈｏｄｅｘ ＫＦ−８０４及びＳｈｏｄｅｘ ＫＦ８０２．５）を用いて行った。検出器の温度は、３７℃であったが、この試験は室温で行った。用いた溶媒は、流速１ｍＬ／分のクロロホルム（Ｍｅｒｃｋプロ分析＞９９％）であった。注入容積は、１００μｌであった。

分子量は、それぞれ１，８００、６５０、９６及び３０．３ｋｇ／ｍｏｌという既知の平均分子量を有する４つの異なるポリスチレン標準を参照して較正した。屈折率を測定する検出器を用いて、標準及びサンプルのシグナルを検査した。

ＳＥＣによって検査したサンプルを、５ｍｇ／ｍＬの濃度になるように１００℃で１０分かけてクロロホルムに溶解した。カラム中にサンプルを注入する前に、ポリマー溶液を濾過した（ＰＡＬＬ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ａｃｒｏｄｉｓｃ（登録商標）ＣＲ２５ｍｍ Ｓｙｒｉｎｇｅ Ｆｉｌｔｅｒ（０．４５μｍの細孔サイズを有する））。各々のサンプル由来のＰＨＡについての分子量に分けた分布から、Ｍ_ｗ、Ｍ_ｎ及びＰＤＩの特徴的な量を算出する。

実験による概念の裏付けおよび立証
バイオマスの供給源及びバイオマス中のＰＨＡ蓄積
ＰＨＡを蓄積するバイオマスの３つの別個の供給源を考慮した。栄養を制限した条件下で、ＲＢＣＯＤの選択された供給源をバイオマスに供給することによって、ＰＨＡを蓄積した。栄養とは、非ＰＨＡバイオマス成長のための任意の要素を指し、有機物の炭素は含まれない。例えば、微生物増殖のための窒素及び／又はリンの必要性に関する栄養制限を用いてバイオマス中のＰＨＡ貯蔵反応を刺激した。

このバイオマス源は以下のとおりであった：
●スウェーデンのパイロットプラント規模の施設で酪農業の産業廃水処理に用いられる活性化スラッジ（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ）（ＡＳ）（ＡＳ−Ｓ）。ＡＳ−Ｓサンプルを受領し、ＰＨＡ蓄積実験は、２年にわたるパイロットプラントの運営、及び５年のベンチスケールのプロセス開発で、このバイオマスについて定められたとおりに行われた。このパイロットプラントは、連続バッチリアクター（反応器）（ＳＢＲ）で構成されていた。このＳＢＲは、１２時間サイクルで操作される４００Ｌの作業容積を有していた。ＳＢＲ中のバイオマスの滞留は、重力沈降によった。名目上の廃水の水理学的滞留時間（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）（ＨＲＴ）は１日であって、プロセスは、１〜８日の種々の年齢のスラッジ（固体保持時間又はＳＲＴ）で行われた。１〜２ｇ−ＲＢＣＯＤ／Ｌ／ｄの有機物保持速度を適用し、廃水処理プロセス中で微生物増殖が制限されないように、栄養物を必要に応じて供給した。活性化されたスラッジバイオマスは、ＰＨＡを含まない乾燥バイオマス重量の最大でほぼ１００％という有意なＰＨＡ蓄積能力を示した。
●フランスにおいてフルスケールでの都市廃水の処理に用いられる活性化スラッジ（ＡＳ）（ＡＳ−Ｆ）。ＡＳ−Ｆのサンプルを受領し、ＰＨＡ蓄積実験は、このバイオマスに対して実験室で（５００ｍＬ）及びパイロットスケールで（１００Ｌ）行った。
このバイオマスを生成する都市廃水処理プラントは、フルスケールで２００，０００人規模になるように設計されたものである。このプラントは、２６，７５０ｋｇＣＯＤ／ｄという都会の有機廃水汚染の処理を管理する。高度に保持された活性化スラッジのユニットプロセスは、流入液の廃水から容易に生分解可能な有機含量を除去して、これによって１日あたり約２２．２トンの廃棄物の活性化スラッジ（ＷＡＳ）が生じる。この活性化スラッジバイオマスは、ＰＨＡを含まないバイオマス乾燥重量の最大約６７％までのＰＨＡ蓄積能力を示す。
●Ｃｕｐｈａｖｉｄｕｓ ｎｅｃａｔｏｒの純粋培養（ＰＣ）バイオマスをフランスで培養及び生成し（ＰＣ−Ｆ）、ＰＨＡ蓄積後に乾燥されたＰＣバイオマスサンプルとして提供した。Ｃｕｐｈａｖｉｄｕｓ ｎｅｃａｔｏｒとは、ＰＨＡ産生のための純粋培養研究で長年にわたって用いられてきた、グラム陰性の原核生物である。この純粋培養は、ＰＨＡを含まない乾燥バイオマス重量の最大でほぼ４００％になる過度のＰＨＡ蓄積能力を示す。

ＰＨＡは、バイオマス中で好気的に蓄積された。スウェーデン及びフランスのＡＳバイオマス（ＡＳ−Ｓ及びＡＳ−Ｆ）は、発酵された酪農業の廃水又は産業廃水のいずれかを基質として用いて１００Ｌの流入バッチ反応器（リアクター）中でＰＨＡが蓄積された。両方の基質ともＶＦＡが豊富である。同時に、両供給源について栄養含量が少ないということは、このバイオマスがこれらの廃水とともに供給された場合、微生物の増殖が栄養によって制限されることを意味する。従って、廃水ＶＦＡは、バイオマス中でＰＨＡ蓄積のためにＲＢＣＯＤとして用いられ、かつ蓄積応答の間の微生物増殖反応は抑制された。蓄積サイクルは、５〜２４時間にわたり、かつバイオマス中のＰＨＡの最終レベルは、蓄積後の乾燥バイオマスの３０〜６０％におよんだ。蓄積サイクル後、通気を中断し、バイオマスを重力によって沈降させた。蓄積の終了時点でのリアクター中の残留ＶＦＡ量は無視できた。上側にある処理済みの廃水をデカントした。重力によって沈降した増粘したバイオマスは、ＰＨＡ含有バイオマスの安定性及びこのＰＨＡを豊富に含むバイオマスからのＰＨＡ樹脂回収の評価のための出発原料であった。

ＰＣ−Ｆは、実験室規模でＲＢＣＯＤ供給源として酪酸を供給されたバッチであった。蓄積の終わりの時点で、バイオマスを遠心分離して、上清をデカントした。ＰＨＡを豊富に含むＣ．ｎｅｃａｔｏｒの増粘バイオマスを直接凍結乾燥した。凍結乾燥したバイオマスを、この純粋培養のＰＨＡを豊富に含むバイオマスにおいてＰＨＡ安定性を考慮するための出発材料として用いた。

ＰＨＡ含有バイオマス及びバイオマスの無機画分の熱安定性
バイオマスサンプルのＴＧＡは、バイオマス無機画分、並びにバイオマス中のＰＨＡの量及び熱安定性の情報を与える。バイオマスの無機画分は、６００℃のオーブン温度に達した後、サンプルの残った重量から推定した（図３）。無機画分又はバイオマス灰分（ｂｉｏｍａｓｓ−ａｓｈ）という用語は、空気中でサンプルを最大６００℃にした後に残っている推定のＴＧＡサンプル残留物を指して用いる。灰分含量を推定した後、サンプルの重量から推定の灰分含量を引いたもの、すなわち推定の有機サンプル重量をさらに考慮した。ＴＧＡは、相対的なサンプルの有機物重量が徐々に減っていき、漸近的に相対重量ゼロになって終わることを示す。バイオマス中のＰＨＡの量及び質は、温度の関数として質量低下率から評価できる（図４及び図５）。１０℃／分という勾配の、本発明者らのＴＧＡの標準方法に従って、バイオマス中のＰＨＡは、２００〜３００℃で一般には生じる、重量低下率の特徴的なピークによって特定される。ＰＨＡピークについての温度が高いほど、バイオマス中でＰＨＡの熱安定性は高い。本開示の目的に関して、ＰＨＡ含有バイオマスの分解温度（Ｔ_ｄ）とは、分解がこの温度より低い温度で開始しその後に続く場合であっても、バイオマス中のＰＨＡについて最大の重量損失率となる温度で定義される。特徴的なＰＨＡ分解温度はまた、５（Ｔ_５）、２５（Ｔ_２５）、５０（Ｔ_５０）、７５（Ｔ_７５）及び９５（Ｔ_９５）パーセンタイルのような、バイオマス中のＰＨＡの分解のパーセンタイルによって定義することができる。いくつかの場合には、２５０℃のような固定温度（ｆ_ｄ ^２５０）での分画的ＰＨＡ分解を特定することも有益である。バイオマスの有機物含量の傾向から、当業者は、有機バイオマスのＰＨＡ画分及び非ＰＨＡ有機画分、並びにＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性を観察する。

蓄積の間のバイオマス中のＰＨＡの熱安定性は、そのバイオマスに関連する無機物の量に対して負の相関関係がある。一般には、バイオマス中の無機物の量が少なくなると、ＰＨＡの熱安定性はさらに高くなった。バイオマスの無機画分は、最終的な脱水及び乾燥の前に混合液のｐＨを下げることによって有意に減少した（図６）。

ＡＳ−Ｓを用い、繰り返し蓄積実験を行った。酪酸に富んだ化学的な産業廃水、又は酪酸及び酢酸に富んだ酪農業の産業廃水のいずれかを用いてバイオマス中でＰＨＡを蓄積させた。ＰＨＡ蓄積の間のｐＨは制御しなかったが、一般には、ｐＨ７．５〜ｐＨ９の範囲内であった。それぞれのＰＨＡ蓄積の終わりに、バイオマスサンプルを遠心分離して、上清をデカントした。残りの濃縮ペレットを７０℃で乾燥した。ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性は、一貫しておらず、各実行でさまざまに変化したことが観察された。ＰＨＡ蓄積（ｇ−ＶＳＳ）と並行して、各々の実験について異なる程度で、このバイオマスはまた、無機物の量の増加と関係していたことが観察された。蓄積実験の終わりのＰＨＡ含有バイオマス（ＰＨＡ−ｉｎ−ｂｉｏｍａｓｓ）の熱安定性は、このバイオマスによる同時の無機物同化（ｇ−ａｓｈ）のレベルと負に相関した。１つの異常値によって、無機物の量だけでなく、無機物の種類もさらに考慮する必要があることが示唆された（図７）。

バイオマス無機画分への注目
ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性に対するバイオマス中の灰分含量の役割をよりよく理解するために、別の蓄積実験からのバイオマスのサンプルを、元素分析に送った。バイオマスの脱水サンプル及び乾燥サンプルとして、ＰＨＡ蓄積の前（２サンプル）、ＰＨＡ蓄積の後（３サンプル）、及び最終脱水の前に混合液を酸性化した後（３サンプル）に採取したサンプルを選択した。

バイオマスの相対的な無機組成は一貫性があり、カルシウム及びリンが主要成分であり、続いて、カリウム、鉄及びマグネシウムとなっていた（図８）。銅、亜鉛及びアルミニウムが続き、約１％という相対含有量に相当する相対量であった。マグネシウム、バリウム、ストロンチウム、コバルト、ニッケル、クロム及びモリブデンは、画分の相対量で、１％の微量成分であった。Ｉ族及びＩＩ族の金属、例えば、Ｃａ^＋２、Ｍｇ^＋２、及びＮａ^＋１は、ＰＨＡの熱安定性に影響することが文献的に公知の元素である。ＰＨＡの熱安定性はまた、金属Ｚｎ^＋２、Ｓｎ^＋２又はＡＩ^＋３によってほとんど影響されないことが以前に示された。蓄積前のバイオマスの評価された相対的なカルシウム含量は、最も変動しやすかった。しかし、ＰＨＡの蓄積は、無機含量のうち、カルシウム及びリン成分が相対的に顕著に増加するという一貫した傾向と関係があるようであった。同様に、最終的な脱水及び乾燥の前ｉＰＨＡ蓄積後の混合液を酸性化すると、バイオマスの灰分含量のうちの相対カルシウム含量の有意な低下を促進することが観察された。

少なくとも水化学の観点から、蓄積プロセス中のカルシウム増加というこれらの観察は、理解できる。蓄積プロセスは、水中のＲＢＣＯＤをＰＨＡ及び二酸化炭素に変換する。ｐＨが大きくなるにつれて、生成した二酸化炭素の大部分が、溶液中で炭酸塩として保持される。炭酸カルシウム無機物形成の傾向は、カルシウム及び／又は炭酸塩の濃度が増加するにつれて増加する。アルカリ性のｐＨは、無機物形成を促進するが、酸性ｐＨは、ミネラル溶解度を増加させる。リン酸カルシウムを含むカルシウムの他の無機物はまた、ｐＨ低下とともに溶解度が増大するという同様の傾向で形成されることがある。マグネシウムのような他の陽イオンは、カルシウムと同様に挙動するだろう。

バイオマスのカルシウム含量は、リン、カリウム、マグネシウム、マンガン、バリウム及びストロンチウムに対して強い相関関係があった。カルシウムは、バイオマス灰分含量の主要分であるが、ＰＨＡ熱安定性に影響し得る元素としても公知であるので、測定されたバイオマスカルシウム含量とＰＨＡ含有バイオマス熱安定性との間の見かけ上の関係（図９及び図１０）を考慮した。この傾向は、これらのサンプルについて４０〜５０％の範囲にあるバイオマスＰＨＡ含量における相違に対して敏感であるようには見えなかった。バイオマス中のカルシウム無機物含量の減少は、バイオマス中のＰＨＡ分解を示す温度範囲が大きくなっていくことと関係があった。この効果は、進行していくようには見えず、限界値へと向けて少なくなるように見えた。ＰＨＡ含有バイオマスの分解は、低い方の温度範囲である２１０〜２３０℃から２７０〜２９０℃の温度範囲までシフトした（図９）。２５０℃でのＰＨＡ含有バイオマス分解の程度は、１００から１０％未満まで低下した（図１０）。

１００℃を超える温度で有機溶媒を用いてバイオマスからＰＨＡが抽出され、バイオマス中のＰＨＡの熱分解を避けるべきであるならば、ＰＨＡ含有バイオマスの高い熱安定性が必要である。繰り返し蓄積実験におけるＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性は、Ｔ_ｄが２２０〜２６０℃におよび、さまざまであった。最終的なバイオマスの脱水及び乾燥の前に混合液を酸性化すると、Ｔ_ｄが２８０℃を超える一定レベルまで上昇した。必要な酸性化の程度は、２７０℃より大きい、ただし好ましくは２８０℃を超えるＰＨＡ含有バイオマスの分解温度を有する乾燥バイオマスを生じるようなｐＨ低下として操作上定義することができる。

溶媒抽出前のＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性の役割
ＰＨＡ熱安定性を高めるためにバイオマスを調整する重要性は、ＡＳ−Ｆバイオマスで行われた蓄積実験によって同様に示された（図１１、図１２、及び図１３）。７０℃で乾燥したバイオマスサンプルを、ＰＨＡ蓄積前、ＰＨＡ蓄積及び脱水後に採取し（対照のサンプル）、ここではｐＨは７と９との間であり、かつＰＨＡ蓄積後、ｐＨは３に調節し、引き続く濃縮工程は、溶存ガス浮遊及び最大１５０ｇ／Ｌまでの遠心分離を含んでいた。蓄積の間、バイオマス無機画分は、徐々に減少し、酸性化によってさらに減少し、これによって、ＰＨＡ含有バイオマス分解温度が最も有意に上昇した。

より高いＰＨＡ含有バイオマス熱安定性を達成することができなかったとき、アセトン又は１，２−プロピレンカーボネート溶媒（非塩素系溶媒）系のいずれかを用いる１２５℃で２時間の抽出の間に顕著な分子量低下が生じた。ある程度の分子量低下が、４０℃でジクロロメタン抽出したときにも観察された。対照、及び酸性化した混合液（ＭＬ）抽出について、ＰＨＡ樹脂純度は、それぞれ９６及び９３パーセント（ジクロロメタン）、９６及び９７パーセント（アセトン）、並びに９７及び９５パーセント（プロピレンカーボネート）であった。ＰＨＡ樹脂の多分散性は、１．８±０．２であった。この実験で試験した全てのそれぞれの抽出溶媒では、混合液（ＭＬ）の酸性化によるバイオマスの事前調整によって、優れた結果が得られた（図１３）。ポリマー抽出の収率は、抽出時間を長くすると増やすことができ、分子量低下は、一次速度則に従うことが観察された。従って、抽出の収率と分子量低下との間の二律背反は、時に避けられない場合がある。このような二律背反は、抽出前のＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性の改善によって低減することができる。

しかし、分子量低下（図１３）は、抽出されたＰＨＡ樹脂のＴ_ｄに影響しなかった（図１４）。混合液（ｍｉｘｅｄ ｌｉｑｕｏｒ）（ＭＬ）の酸性化は、ＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄをさらに上昇させ、アセトン抽出によって、さらに改善された熱安定性を有するＰＨＡ樹脂が得られた（図１４）。対照的に、ジクロロメタン及びプロピレンカーボネートによる抽出は、ＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄとより類似したＰＨＡ樹脂熱安定性を与えた。抽出後のＰＨＡ樹脂についてのＴ_ｄは、ＴＧＡにより導出された非ＰＨＡ残渣質量画分とは相関関係がなかった。

従って、ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性を改善するためのバイオマスの調整によって、バイオマス乾燥及び溶媒抽出の間の分子量の低下度を低減することができる。さらに、ＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄの改善をもたらす事前調整は、抽出後のＰＨＡ樹脂にそのまま移行される。さらに、アセトンは、ＰＨＡ抽出溶媒として、出発物質であるＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄを上回りかつ超えてＰＨＡ樹脂の熱安定性をさらに改善するという注目すべき属性を示した。抽出されたＰＨＡ樹脂の純度は、結果となるＴ_ｄを示すものではなかった。

改善されたＰＨＡ樹脂溶融安定性の指標であることが発見された、抽出されたＰＨＡ樹脂の評価のためのＴＧＡパラメーターは、２５０℃のＰＨＡ分解画分（ｆ_ｄ ^２５０）、及び５％ＰＨＡ樹脂分解の温度（Ｔ_５）である。Ｔ_５は高いほど、ｆ_ｄ ^２５０は低いほどよく、ＰＨＡ樹脂溶融安定性についての質が向上した。アセトン抽出によって、両方の場合とも一貫して低いＰＨＡ樹脂ｆ_ｄ ^２５０が得られた。ＰＨＡ含有バイオマス熱安定性の事前調整及び用いられる溶媒の種類は、得られたＰＨＡ樹脂の処理品質に影響を及ぼすことがある。

純粋培養バイオマスに対する試験原理
ＰＨＡ生成プロセスを、廃水処理施設でスラッジ管理作業と組み合わせて行った。しかし、それにもかかわらず、本発明者らは、本開示の原理が、ＰＨＡ生成のための純粋培養発酵のプロセスに基づいたＰＨＡ生成についても同様に関係があるか否かを解明することを望んだ。この目的を達成するために、ＰＣ−Ｆのサンプルを遠心分離によって脱水し、ＰＨＡ蓄積後に直接凍結乾燥した。ＰＣ−Ｆバイオマスの有機画分は、重量あたりほぼ８１％ＰＨＡであった。バイオマス中のＰＨＡを調整する原理を、既に乾燥したバイオマスから出発した場合にも試験した。

ＰＣ−Ｆは、３つの画分、すなわち、リファレンス、脱イオン水による洗浄（リンス）、及び酸性水による洗浄に分けた。リファレンスは、受領したままのＰＣ−Ｆバイオマスをどんな形の事前調整も行わずに評価し、抽出したものであった。洗浄は、１グラムのバイオマスあたり４５ｍＬの洗浄溶液（それぞれ、脱イオン水又は０．００１Ｎの塩酸）を組み合わせること、及び室温で２５分連続混合することによって達成した。最終的に、洗浄後、それらのバイオマス画分を遠心分離によって脱水して、その後上清をデカントして、得られたバイオマスを７０℃で乾燥した。

ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性をＴＧＡによって検査した（図１５）。ＰＣ−Ｆバイオマスを洗浄することで、ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性の有意な改善が促進された。この改善は、最終的なバイオマス脱水及び乾燥の前の、混合液の酸性化についてのＡＳ−Ｓ及びＡＳ−Ｆに対する結果と同様の結果である。ＡＳ−Ｓ及びＡＳ−Ｆについてと同様、ＰＣ−Ｆの酸性洗浄が、ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性を最も改善した。ＰＨＡ含有バイオマスの分解温度（Ｔ_ｄ）の改善の程度は、ＡＳバイオマスで達成されたほど大きくなかった。ＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄは、ＡＳ−Ｓ及びＡＳ−Ｆについて２８０℃に近い温度が達成され、一方、ＰＣ−Ｆは、酸性洗浄後、ほぼ２７０℃のＴｄを達成した（図１５及び図１６）。この相違は、ＡＳ−Ｓ及びＡＳ−Ｆでの試行に対するような蓄積直後の事前調整ではなく、既に乾燥したバイオマスを調整したことによって影響を受けたのかもしれない。にもかかわらず、ＰＨＡ含有バイオマスの２５０℃での分解の程度は、ＡＳと同様であり、酸性に調整した後は１０％未満であった（図１７）。溶媒抽出前のＰＣ−Ｆの事前調整は、同様に、バイオマスの無機画分を減少させ（図１６）、ＰＨＡ有機画分は、８３％までわずかに増加した。ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性の基本的な観察及び操作の原理は、ＰＨＡ樹脂の純粋な培養溶媒抽出に関しても再現され、等しく有用であることが見出された。

ＰＨＡは、３つの異なる溶媒系（ジクロロメタン４０℃、アセトン１２５℃及び２−ブタノール１２５℃）を用いて低温（４０℃）及び高温（１２５℃）でＰＣ−Ｆバイオマスから抽出された。抽出されたポリマーを、分子量分布（図１８）についてはＳＥＣによって分析し、また、ＰＨＡ樹脂の熱安定性及び純度についてはＴＧＡによって分析した（図１９及び図２０）。最大平均分子量は、凍結乾燥したＰＣ−Ｆバイオマスを低温でジクロロメタン抽出したときに得られた。ＡＳ−Ｆバイオマス（図１３）とは対照的に、アセトン抽出は、分子量を１０％しか低下させず、バイオマスを脱イオン水で洗浄するか又は酸性水で洗浄するかのいずれに対しても非感受性であった。しかし、バイオマス洗浄が、抽出した平均分子量に及ぼす影響は、２−ブタノール抽出のときに最も明らかであった。ＰＣ−Ｆバイオマスの酸性洗浄後、２−ブタノール抽出すると、ジクロロメタンで抽出したリファレンスと同様の分子量分布を有するＰＨＡが得られた。ＰＨＡは、２−ブタノールの場合に高温での分子量低下の影響をさらに受けやすかったが、ＰＣ−Ｆバイオマスを事前調整すると、２−ブタノール抽出についてＰＨＡの安定性が高まった。全てのサンプルについての多分散性は１．８±０．３で比較的一定であった。

洗浄による事前調整は、１００℃を超える温度での溶媒抽出プロセス中、ＰＨＡの平均分子量低下を軽減する能力を示す。分子量を保持する潜在的な有益性にもかかわらず、洗浄による事前調整は、その後の処理の間の溶融における分解に対して抵抗性を有する抽出ＰＨＡを生成するのに役立つだろう。図１９は、それぞれの抽出後のＰＨＡ含有バイオマスとＰＨＡ樹脂との熱安定性の差を比較する。上記で考察されたＡＳ−Ｆプロピレンカーボネート抽出物についての結果と同様、ジクロロメタン及び２−ブタノールによる抽出は、ＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄの傾向に従った。２−ブタノール抽出におけるＰＨＡ樹脂のＴ_ｄは、抽出前の現存のＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄを反映した。ＰＨＡ含有バイオマスのＴ_ｄは、バイオマスの調整によって改善されたが、ジクロロメタン抽出の間、ＰＨＡ樹脂のＴ_ｄは、一貫して最低であった。報告されたＡＳ−Ｆ抽出の結果と一致して、アセトン抽出では、それぞれのＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性を上回ってＰＨＡ樹脂のＴ_ｄが増強された。

酸で洗浄され、アセトンで抽出されたＰＣ−Ｆは、リファレンスであるジクロロメタンで抽出したＰＣ−Ｆの２５５℃というＴ_ｄに比較して、２８３℃という最高のＴ_ｄを示した。抽出したＰＨＡ樹脂の熱安定性の改善は、抽出した生成物の純度の改善とは関係がなかった（図１９）。従って、ＰＨＡ樹脂の化学的純度は、溶融安定性のような実用上の問題を含む機能的な安定性の改善と同義ではなかった。より純度の高いＰＨＡ樹脂は、実際のプラスチック処理の観点から必ずしも優れているとはいえない。

溶融安定性の改善の指標であることが発見された抽出ＰＨＡ樹脂の分析のためのＴＧＡパラメーターは、２５０℃のＰＨＡ分解画分（ｆ_ｄ ^２５０）、及び５％ＰＨＡ樹脂分解の温度（Ｔ_５）である。Ｔ_５は高いほど、ｆ_ｄ ^２５０は低いほど、溶融安定性に関してＰＨＡ樹脂の質はよくなるだろう。図２０は、ｆ_ｄ ^２５０及びＴ_５の連関を図示しており、これは、洗浄方法及び抽出のための溶媒に依存する。ＰＣ−Ｆの酸性洗浄、再乾燥及びアセトン抽出によって、純度がアセトン又はジクロロメタンで抽出したリファレンスＰＣ−Ｆほど良くないにもかかわらず、ｆ_ｄ ^２５０及びＴ_５について最適の結果が得られた（図２１）。

従って、機能的な品質を生成物の属性として考える場合、ＰＨＡ樹脂の純度は、おそらく不純物の種類よりも小さな要因である。さらに、ＰＨＡ含有バイオマスを事前調整することが熱安定性を改善するという結果を再現したことは、加熱溶媒での抽出について分子量が保持されることと関係があるだろう。ＰＨＡ含有バイオマス熱安定性が高いほど、抽出されたＰＨＡ樹脂は、より熱安定性である傾向があるだろう。同時に、抽出に用いられる溶媒の種類は、結果に影響を及ぼすことがある。

ＰＨＡ樹脂の溶融安定性の実際上の重要性、及びその熱安定性が抽出されたＰＨＡ樹脂純度に対して十分に関連しないという観点から、本発明者らの混合培養ＰＨＡと市販の純粋な培養ＰＨＡとの間で純度をさらに検討し、一方では、ＴＧＡ分解と、ポリマー溶融レオロジーと、溶融安定性との間のデータの連関を確立するための作業もした。

無機不純物及びＰＨＡ樹脂の熱安定性
ＡＳ−Ｓ ＰＨＡ樹脂（ＭＣ−ＰＨＡ−ＡＫ）のサンプル、及び２つの別個の市販グレードのＰＨＡ樹脂（ＰＣ−ＰＨＡ−１及びＰＣ−ＰＨＡ−２）を、無機元素含量について分析した（図２２及び図２３）。ＭＣ−ＰＨＡ−ＡＫは、酪農業の廃水を処理する混合培養物に由来し、市販のＰＨＡは、純水培養（ＰＣ）発酵プロセスによって生成されていた。これらのサンプルについてのＴＧＡによる非ＰＨＡ含量は、２００℃でのサンプル重量に対する、ＰＨＡ重量低下ピーク後の３５０℃のＴＧＡ温度での残留物の画分に基づく。元素分析による非ＰＨＡ含量は、検出した元素の質量に基づく非ＰＨＡ画分を指す（図２３）。絶対純度に関して（図２２）、ＰＣ−ＰＨＡ−１は、極めて純度が高いが、他の２つのサンプルは、同等の純度であった。しかし、ＴＧＡ由来の推定の非ＰＨＡ含量は、元素分析に基づく非ＰＨＡ無機質量の合計値とは相関関係になかった。

元素分析から導出されるみかけのＰＨＡ純度に基づくと（図２３）、ＰＨＡ樹脂の純度の順序は、ＭＣ−ＰＨＡ−ＡＫ、ＰＣ−ＰＨＡ−１、ＰＣ−ＰＨＡ−２の順に変わり、定量された無機質量は、２４７、５５９及び１６４２ｍｇ／ｋｇであった。相対的な元素組成は変化したものの、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、リン、カリウム、鉄及びアルミニウムが、主な寄与因子であることが見出された。ＰＨＡサンプルのカルシウム含量の変動は、Ｎａ、Ｍｇ、Ｐ、Ｋ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｕ及びＭｎと強い正の相関関係にあった。ＰＨＡカルシウム含量もまた、ＰＨＡ樹脂熱安定性と強い負の相関関係にあった（図２４）。従って、絶対純度の順位付けと異なり、ＰＨＡ樹脂の機能的な質は、元素含量に関係があり（図２３）、カルシウムが主要な元素である。

これらの元素とＰＨＡ樹脂との会合の性質を評価するために、市販のＰＨＡを、脱イオン水又は酸性化水で洗浄し、再乾燥し、次いで、熱安定性の変化について再度試験した。ＰＣ−ＰＨＡ−１の洗浄及び乾燥は、ＰＨＡ樹脂の熱安定性を改善したが、非ＰＨＡ含量がわずかに増加した（図２５及び図２６）。安定性の改善は、酸性リンスではさらに顕著であって、これは、ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性に影響するという経験と大筋で一致する。ＰＨＡ樹脂の絶対純度は、必ずしも、熱安定性が改善していることを示さない。ＰＨＡ樹脂熱安定性に影響すると思われる元素は、きつく結合しておらず、低いｐＨでの洗浄によってポリマーから容易に解離する。カルシウム及びマグネシウムのような陽イオンの無機物は、酸の中でより可溶性となることが公知である。

陽イオンとＰＨＡとの会合が熱安定性に影響するという事実を確認するために、逆転実験（ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）（図２７）を行った。ＰＨＡ樹脂を１００℃でクロロホルムに溶解し、ＣａＣｌ_２（Ｃａ^＋２として）、ＭｇＣｌ_２（Ｍｇ^＋２として）、ＦｅＳＯ_４（Ｆｅ^＋２として）及びＮＨ_４Ｃｌ（ＮＨ_４ ^＋１として）のいずれかを０、４０、４００又は４０００ｐｐｍ（ポリマーの量に従って算出）含有するメタノールを、ポリマーの沈殿を促進する連続撹拌下でクロロホルムにゆっくり添加した。このポリマーをペトリ皿に移し、溶媒を７０℃で２４時間蒸発させた。沈殿したＰＨＡ樹脂に会合する特定のイオンをより高濃度で得るように、異なる濃度のイオン溶液を用いた。この対照実験で、ＰＨＡ樹脂に会合するようになったそれぞれのイオンが増えることは、観察されたポリマーのＴＧＡでの非ＰＨＡ含量の増加と一致していた。カルシウム及びマグネシウムは、熱安定性の低下に対して、重量基準で同様で最も顕著な影響を促進した。同時に、なんらイオンの添加のないＰＨＡ樹脂の溶解及び再沈殿の手順、は、驚くべきことに、熱安定性に対して負の影響を示した。しかし、これらの対照のサンプルについて非ＰＨＡ含量が合わせて増加していることは、汚染源を示唆していた。ＰＨＡ樹脂は見かけ上、特定のイオン汚染に対してかなり低濃度で感受性である。

ＰＨＡ樹脂の熱安定性の結果は、ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性の結果と一致した。無機物は、ＰＨＡ樹脂及びバイオマスの元素分析から観察される支配性のためにカルシウム及びマグネシウムのような陽イオンを強調するが、ポリマーの熱安定性にある役割を果たす。これらのイオンのレベルがバイオマス中で又はＰＨＡ樹脂中で低下すれば、熱安定性を増大するように働く。これらのイオンに関して、ＰＨＡを豊富に含むバイオマスの無機含量が低下すると、バイオマス乾燥及び溶媒抽出の間の分子量低下の程度を低減させることができる。ＰＨＡを豊富に含むバイオマスの熱安定性の改善は、促進される（ジクロロメタン、２−ブタノール及びプロピレンカーボネート抽出）か、又はＰＨＡ樹脂の熱安定性がさらに増強されることさえある（アセトン抽出）。従って、ＰＨＡ含有バイオマスの高い熱安定性を達成することは、等価又はさらに高い熱安定性のＰＨＡ樹脂を生成することと同等である。

熱安定性が悪いＰＨＡ樹脂が生成される場合であっても、本発明者らは、この効果を担うイオンが、ポリマーに対して強力に結合しているようではないことを発見した。これらのイオンは、少なくともある程度まで、水性洗浄液を用いてポリマーから洗い流すことができる。酸性の水性洗浄の方が強い影響を示しており、このことは、原因のイオンが、ｐＨが低いほどより可溶であるということを示唆している。洗浄したポリマーを再び乾燥してもよく、熱安定性の顕著な改善を示すだろう。高温乾燥及び溶媒抽出における分子量の保持、および例えばさらに樹脂を洗浄し再び乾燥させることの必要のような外部的な後処理の低減という利益のために、同じ効果をＰＨＡ含有バイオマスで達成することができる。

溶融安定性に関するＰＨＡ樹脂の熱安定性
追加の作業を行って、熱安定性の改善が、処理のために優れた機能的な品質を有するＰＨＡ樹脂にどのように関係があるかをさらによく理解した。機能的な品質とは、処理に必要だと思われる溶融物中のＰＨＡの安定性を指す。市販の純粋な培養由来のＰＨＡ樹脂、及び本発明者らの混合培養（活性化スラッジ）由来ＰＨＡ樹脂の多くのサンプルのレオロジーによる動粘性係数を検査した。

溶融物中のＰＨＡ樹脂の初期の動粘性係数は、ポリマーの平均分子量に関連し得る。一定の温度及び歪みにおける、溶融物中の経時的な動粘性係数の減少は、平均分子量の低下と相関関係にある。ＡＳ−Ｓ由来のＰＨＡ樹脂についての典型的な結果を図２８に示す。機能的な質、又はＰＨＡ樹脂の溶融安定性を反映するために用いられ得る１つの数字へとこの傾向を単純化するために、１−ｌｏｇ溶融安定性を細かく測定した。１−ｌｏｇ溶融安定性とは、ここで用いられるポリマーレオロジー試験の特定の方法に準拠するＰＨＡの動粘性係数を１ケタの大きさ減らすための時間である。ＰＨＡ含有バイオマスの熱安定性を事前に調整して、続いてアセトン抽出することによって、少なくとも２つの市販のＰＨＡ樹脂に比較して、機能的に優れたＰＨＡが生成されたことが直ちに明らかになった（図２９）。

多くの異なるサンプルについて、並びに純粋及び混合培養物を含めて異なるバイオマス源からの、ＰＨＡ樹脂の溶融安定性の結果を評価した。ＰＨＡ樹脂の熱安定性について観察されたとおり、１−ｌｏｇ溶融安定性は、非ＰＨＡ物質含量のパーセントに対して一般には関連し得ない（図３０）。ＴＧＡによる非ＰＨＡ含量は、２００℃でのサンプル重量に対する、ＰＨＡ重量低下ピーク後の３５０℃のＴＧＡ温度での残留物の画分に基づく。ＰＨＡ樹脂の純度は、原料の意図される用途に関連して材料特性の課題と関連があるかもしれないが、純度は、処理のための機能的な質の絶対的な指標としては劣っているようであった。ＰＨＡ樹脂の純度が低いことは必ずしも、ポリマーの熱安定性が劣ることの指標ではない。ＰＨＡ樹脂由来を混成することによって得られたプラスチックが含むＰＨＡ成分は有意に減少している場合があり、これによって、出発するＰＨＡ樹脂が９６％純粋又は９９％純粋であるかはさらに関係がなくなる。プラスチック化合物生成にとってより関連すると思われるものは、溶融物中のＰＨＡの性能及び安定性である。

ＰＨＡ樹脂についてのＴＧＡによる結果が豊富に存在し、ＴＧＡ分析データは、動粘性係数測定よりも少ないサンプル材料で得ることが容易であるために、熱安定性の結果と１−ｌｏｇ溶融安定性との間の実験的な関連（図３１及び図３２）が確立された。これらの結果によって、Ｔ_５が２６０℃より大きい場合（好ましくは２６２℃より大きい場合）、１−ｌｏｇ溶融安定性は１５分を超える可能性がとても高いことが示唆された。１−ｌｏｇ溶融安定性に関連して、ｆ_ｄ ^２５０は、ＴＧＡデータによるＰＨＡ樹脂の質の４つのゾーンをさらに示唆した：
ゾーン１：０．１＜ｆ_ｄ ^２５０＜１．０ ０＜１−ｌｏｇ溶融安定性＜５分
ゾーン２：０．０１２＜ｆ_ｄ ^２５０＜０．１ ５＜１−ｌｏｇ溶融安定性＜１５分
ゾーン３：０．０１＜ｆ_ｄ ^２５０＜０．０１２ １５＜１−ｌｏｇ溶融安定性＜２５分
ゾーン４：０．００１＜ｆ_ｄ ^２５０＜０．０１ ２５＜１−ｌｏｇ溶融安定性＜３５分

このデータ中に観察されたばらつきは、ゾーン３と４との間では自信をもって識別することを困難とする。提示された質のゾーンに対するさらなる洗練は、ＴＧＡデータのさらに洗練された分析で可能になり得る。図３２の傾向線に関する実験データの変動は、この研究について用いられた装置でのＴＧＡ測定自体についての信号対ノイズ比についての能力のためであるかもしれない。それにもかかわらず、ＰＨＡ樹脂の機能的な質のこれらの結果では、Ｔ_５が２６０℃より大きく、かつｆ_ｄ ^２５０が０．０１１以下である場合、優れた成果が期待されることが示された。ＰＨＡ含有バイオマスのより高い熱安定性のためにＰＨＡ含有バイオマスを事前調整することは、少なくともゾーン３のＰＨＡ樹脂を確実に達成するための有効な経路である。

本発明は、当然ながら、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書に特異的に示される方法以外の方法で行ってもよい。本発明の実施形態は、あらゆる点で、例示とみなされるべきであって、制限とみなされるべきではなく、全ての変更はこの意味におさまり、そして添付の特許請求の範囲の均等範囲は、その中に包含されるものとする。

Claims (29)

1. 混合液中に含まれるバイオマス中のＰＨＡの安定性を向上させる方法であって、
   ａ．前記混合液のｐＨを６未満に下げることにより又は選択された期間前記混合液のｐＨを６未満に保つことにより、前記混合液を処理することによって、前記混合液中の前記バイオマスに会合するイオンを溶解させる工程と、
   ｂ．前記混合液を脱水し、前記バイオマス中のＰＨＡを前記イオンの少なくともいくらかから効果的に分離し、これにより前記バイオマス中のＰＨＡの安定性を向上させる工程と、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記バイオマス中のＰＨＡのＴ_ｄが２６０℃を超えるように前記混合液を処理することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記バイオマス中のＰＨＡの安定性を向上させた後に、ＰＨＡ樹脂を得るために前記バイオマスからＰＨＡを回収する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＰＨＡ樹脂のＴ_５が２６０℃を超えるように前記混合液を処理することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記混合液を脱水することが、前記バイオマスに会合するイオンを溶解させる前に前記混合液を脱水することを含み、
   前記方法はさらに、前記混合液を脱水した後に前記バイオマスを乾燥させる工程と、前記バイオマス中のＰＨＡから前記イオンの少なくともいくらかを効果的に分離する工程とを含む
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記バイオマスを、乾燥時間の全て又は選択された期間について１２０℃以上の温度で乾燥させる工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. １００℃を超える温度で、非塩素化溶媒を用いて、前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. １２０℃を超える温度で、非塩素化溶媒を用いて、前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記混合液のｐＨを２〜５に下げる工程と、前記混合液のｐＨを２〜５に下げる前に、乾燥固体重量が１％より大きくなるように前記混合液を脱水する工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記混合液のｐＨを２〜５に下げた後に、乾燥固体重量が１０％より大きくなるように前記混合液をさらに脱水する工程と、前記バイオマスからさらなる水を除去するように前記バイオマスを乾燥する工程と、をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記バイオマスを乾燥させた後に、１００℃を超える温度で、非塩素化溶媒を用いて、前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 混合液中に含まれるバイオマス中のＰＨＡの化学的及び／又は熱的安定性を向上させる方法であって、
    前記混合液は、前記混合液から水を取り除くことと、前記混合液のｐＨを調整すること又は前記混合液を選択されたｐＨ範囲内に維持することと、の組み合わせによって処理され、
    前記方法は、前記混合液の前記ｐＨを６未満に下げる工程、又は選択された期間前記混合液の前記ｐＨを６未満に維持する工程、を含み、
    前記混合液のｐＨの６未満への前記調整又は前記混合液のｐＨの６未満への前記維持は、前記バイオマス中のＰＨＡの化学的及び／又は熱的安定性を向上させる
    ことを特徴とする方法。
13. 前記混合液からの乾燥されたバイオマスが、窒素雰囲気中、１０℃／分というおおよそ一定の温度上昇でもって１０５℃〜３００℃の範囲の温度にさらされた場合、前記バイオマス中のＰＨＡの最大重量損失率が２６０℃を超える温度に存在するように、前記混合液を処理することを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記バイオマス中のＰＨＡの前記熱的安定性が分解温度を判定することにより評価されることができ、
    前記分解温度は、規定の雰囲気中でサンプルを温度範囲内で所定の速度で加熱した場合の、該温度範囲内における前記ＰＨＡの最大重量損失率が存在する温度であり、
    請求項１１に記載の方法で前記バイオマス中のＰＨＡを処理することにより、前記バイオマス中のＰＨＡの前記分解温度が２６０℃未満の温度から２６０℃を超える
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
15. ａ．前記混合液を脱水する工程と、
    ｂ．前記混合液を脱水した後に、前記混合液のｐＨを６未満に下げる工程と、
    ｃ．前記混合液のｐＨを６未満に下げた後に、前記混合液をさらに脱水するか又は前記混合液から水を取り除く工程と、
    ｄ．その後に前記バイオマスを乾燥させる工程と、
    を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
16. 前記バイオマスを、乾燥時間の全て又は選択された期間について１２０℃以上の温度で乾燥させる工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記バイオマスを乾燥させた後に、１００℃を超える温度で、非塩素化溶媒を用いて、前記バイオマスからＰＨＡを抽出してＰＨＡ樹脂を生産する工程を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
18. １００℃を超える温度で、非塩素化溶媒を用いて、前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
19. 前記混合液のｐＨを２〜５に下げる工程と、酸化又は他の方法で前記混合液内の前記バイオマスを可溶化する工程と、を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
20. 前記ＰＨＡ及びバイオマスの化学的及び／又は熱的安定性を向上させた後に、１００℃より高い温度で有機溶媒と前記バイオマスとを混合することによって前記バイオマスからＰＨＡを回収し、ＰＨＡ樹脂を製造することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
21. 前記有機溶媒から前記ＰＨＡ樹脂を沈殿させる工程と、前記沈殿したＰＨＡ樹脂を有機溶媒洗浄にさらす工程と、前記ＰＨＡ樹脂から非ＰＨＡ物質を除去する工程と、を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 有機溶媒を前記バイオマスと混合することにより前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程と、前記溶媒からＰＨＡ樹脂を沈殿させる工程と、前記ＰＨＡ樹脂をｐＨが７より小さい酸性水洗浄にさらすことと、を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
23. 前記抽出されたＰＨＡ樹脂のＴ_５が２６０℃より大きいことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
24. 前記ＰＨＡ樹脂のｆ_ｄ ^２５０が０．０１２よりも小さいことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
25. 前記バイオマスに会合する陽イオンを解離させる工程と、前記混合液中で前記陽イオンを可溶化する工程と、前記混合液の少なくともいくらかを前記バイオマスから分離することにより前記解離した陽イオンを除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
26. 前記混合液のｐＨを２以上６以下とする工程と、ＰＨＡ樹脂を製造するために前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程と、を含み、
    前記方法は、前記バイオマス中のＴ_ｄが２６０℃を超え、前記抽出されたＰＨＡ樹脂のＴ_５が２６０℃を超えるように、前記混合液を十分に酸性化及び脱水することを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
27. ＰＨＡ樹脂を製造するために前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程を含み、
    前記ＰＨＡ樹脂のＴ_５が２６０℃を超えるように、前記混合液及び前記混合液中のバイオマスは十分に処理されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
28. ＰＨＡ樹脂を製造するために前記バイオマスからＰＨＡを抽出する工程を含み、
    前記ＰＨＡ樹脂が１５分を超える１−ｌｏｇ溶融安定性を有するように、前記バイオマス中のＰＨＡは十分な処理にさらされることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
29. 前記バイオマス中のＰＨＡのＴ_ｄを２６０より大きくするために十分なように前記混合液のｐＨを下げる工程を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

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