JP6230616B2 - 発酵培養液由来のカルボン酸の回収および使用 - Google Patents

Description

優先権の主張
本特許出願は、２０１２年１２月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／７３９，７６９号に基づく優先権を主張するものであり、当該明細書の内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。

発明の分野
本発明は、カルボン酸を製造するためのプロセスに関する。特に本発明は、発酵培養液からカルボン酸を回収するための方法に関する。

背景
カルボン酸、例えば、４個の炭素原子を有するコハク酸、リンゴ酸、マレイン酸、フマル酸等に加えてこれらの誘導体は、生分解性ポリエステル樹脂、染料および医薬品をはじめとした他の様々な化学物質の前駆体分子として、ならびに食品産業における添加剤として重要な役割を果たす。例えば、コハク酸に関しては、現在、その商業的な製造の大部分が原油を原料として行われており、これは、無水マレイン酸を接触水素化することにより無水コハク酸とした後に水和するかまたはマレイン酸を直接接触水素化に供することによって行われている。この石油化学製品からコハク酸を製造する従来法は費用がかかる上に公害問題の原因になる。近年、生物ベースの発酵プロセスによってコハク酸を製造する、よりコスト競争力が高くより環境に優しい方法の開発が多くの者によって模索されてきた。重要性の高いジカルボン酸を発酵により製造することは、再生可能な基質が使用されることに加えて、温室効果ガスであるＣＯ_２が発酵の際にコハク酸に組み込まれることから有利である。

例えば、これらの生物体由来のコハク酸（ＢＤＳＡ）プロセスは、バイオマス由来のグルコースを発酵させ、コハク酸を分離および精製することによりコハク酸を製造し、次いでこのコハク酸をプラットフォーム化合物として触媒を用いて処理することにより、例えば、１，４−ブタンジオール（ＢＤＯ）および関連製品、テトラヒドロフランおよびγ−ブチロラクトン；Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）、２−ピロリジノンまたは幅広い種類の製品の製造に使用される他の化学物質を製造しようとするものである。この種の化学物質の既存の国内市場は年間の総額で約１０億ポンド、すなわち１３億ドルを上回る。ＢＤＳＡプロセスはまた、輸入原油への依存度を低減すると共に、国内の農業市場を食料源としての市場を上回る規模に拡大すると見込まれている。

しかし、発酵培養液からのジカルボン酸の回収には、不溶な二酸の塩、典型的には不溶なカルシウム塩の生成が伴うのが通常である。発酵にリゾプス・オリゼー（Rhizopus oryzae）やアスペルギルス・オリゼー（Asperigillus oryzae）（それぞれフマル酸およびリンゴ酸を優先的に産生する）等の菌類を用いる場合、通常はＣａＣＯ_３の形態でカルシウムを発酵液に導入し、これが溶液中でＣａ（ＨＣＯ_３）_２を形成する。炭酸水素塩は、生成する二酸がｐＨを低下させる傾向にあるので、培養液のｐＨを維持するのに有効である。二酸はカルシウム塩の形態で回収される。Ｃ_４二酸等のカルシウム塩は水溶液中の溶解性が非常に低く（通常は室温で３ｇ／リットル未満）、遊離酸が必要とされる多くの用途（例えば、ブタンジオール等の派生製品を得るための化学変換）に適していない。したがって、カルシウム塩は通常は硫酸に溶解させ、それによって不溶な硫酸カルシウムを生成させている。硫酸カルシウムは遊離二酸から容易に分離することができる。硫酸カルシウムは商業的な用途がほとんどない生成物であるため、通常は固形廃棄物として埋立地または他の固形廃棄物廃棄場に廃棄される。

代替的なプロセス、例えば、国際公開第２０１０／１４７９２０号に記載されているものは、炭酸カルシウムを使用することに替えて、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）_２、ＭｇＣＯ_３、Ｍｇ（ＨＣＯ_３）_２等のマグネシウム−酸素化合物を用いて菌類の増殖に適した培地のｐＨを維持するものであった（これらは全て水溶液中で炭酸水素塩を形成する）。カルシウムではなくマグネシウムを使用することにより、発酵による酸の産生が増加することが見出された。発酵はｐＨ５〜８、より好ましくは６．０〜７．０で行われた。ｐＨは、マグネシウム−酸素化合物を添加することにより維持され、マグネシウム−酸素化合物と一緒にＣＯ_２が培地に導入され、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）のモル分率は、培地中のＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^−２およびＣＯ_２の総モル数を基準として少なくとも０．１、最も好ましくは約０．３に維持された。発酵完了後の培地の液体部分には、過半部分として、二酸が可溶なマグネシウム塩として含まれており、これを培地の固体部分（析出した塩および他の不溶物質を含む）から分離した。硫酸等の鉱酸を用いてｐＨを二酸の等電点未満に低下させると共に、培地の温度を（最も好ましくは）５℃以下に低下させることにより、溶解している酸塩を遊離酸形態に変換し、こうすることにより溶液から遊離酸形態を沈殿させた。

ここに記載されているマグネシウム塩を使用する技法は、遊離酸の生成には有用であるが、費用が高い。その理由は、まず第１に、マグネシウム−酸素化合物の費用が類似のカルシウム化合物よりもかなり高額であることと、さらには、マグネシウムの塊が発酵培地中に無機酸のマグネシウム塩の形態で残留し、これはさらなる発酵その他の目的に利用できないこととにある。さらに、回収した可溶な塩の温度を低下させて遊離酸を沈殿させる必要があり、エネルギーコストが追加される。

発酵によるリンゴ酸やコハク酸等のカルボン酸の製造は、石油化学製品をベースとするプロセスと比較して幾つか利点はあるものの、直前に述べたようにカルボン酸塩が発生するため、下流で酸およびその塩を処理および分離する際に困難が伴うことから、かなりの処理費用が発生する。従来の発酵プロセスにおいて塩が生成した場合は、酸の各当量を中和する当量の塩基が必要となる。使用される試薬の量によりコストが増大する可能性がある。さらに、遊離酸を得るために塩の対イオンを除去することが必要であり、その結果として生成する廃棄物や副生成物を除去および廃棄することが必要となる。これらの各作業単位が全てプロセス全体のコストに影響を及ぼす。

カルボン酸を塩として回収することには多くの問題が伴い、また、発酵後の下流の処理において、遊離酸を単離するため、および化学変換に用いるためのカルボン酸を調製するため、および未処理の酸を有用な化合物に変換するために、幾つかの異なる段階を経ることが必要となる。従来の発酵プロセスにおいて塩を生成する場合、酸の各当量を中和する当量の塩基が必要となる。使用される試薬の量によってコストが増大する可能性がある。さらに、遊離酸を得るために塩の対イオンを除去することが必要であり、その結果として生成する廃棄物や副生成物を除去および廃棄することが必要となる。例えば、Ｃ_４二酸のカルシウム塩は水性の培養液に対する溶解性が非常に低いため（通常は室温で３ｇ／リットル未満）、遊離酸が必要となる多くの用途（例えば、派生品を製造するための化学変換）に適していない。したがって、カルシウム塩は通常は硫酸に溶解させ、それによって不溶な硫酸カルシウムを生成させている。硫酸カルシウムは遊離二酸から容易に分離することができる。硫酸カルシウムは商業的な用途がほとんどない生成物であるため、通常は固形廃棄物として埋立地または他の固形廃棄物廃棄場に廃棄される。これらの各作業単位が全てプロセス全体のコストに影響を及ぼす。

その結果、バイオベースのカルボン酸は製造コストが高くなり過ぎて、石油化学製品の生産体制とコスト競争することができなかった（例えば、James McKinlayら、“Prospects for a Bio-based Succinate Industry,” Appl. Microbiol. Biotechnol., (2007) 76:727-740参照；この文献を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）。例えば、文献に記載されている商業的実用性が最も高いコハク酸エステルを産生する微生物を用いる場合、増殖性、変換率および生産性を最大にするためにｐＨを適切な値に保つよう発酵培養液を中和することが必要である。通常、発酵培養液のｐＨは、水酸化アンモニウムまたは他の塩基を培養液に導入することによりｐＨ７付近に維持されており、それによって二酸が対応する二酸塩に変換される。生産コスト全体の約６０％が、下流の処理、例えば、発酵培養液中の生成物の単離および精製により発生する。

二酸を単離するための他の様々な手法がここ何年かの間に提案されている。これらの技法は、限外濾過、水酸化カルシウムまたはアンモニアによる沈殿、電気透析、液液抽出、イオン交換クロマトグラフィーによる収着を用いることを含むものであった（Tanja Kurzrockら、“Recovery of SccinicAcid from Fermentation Broth” Review, Biotechnology Letter, (2010) 32:331-339参照；この文献を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）。低ｐＨの発酵反応器で実施することを含む代替的な手法も提案されている。これは、最小量の塩で発酵を行う手法と機能的に類似したものになる（例えば、Carol A. Roa Engelら、“Development of a Low-pH Fermentation Strategy for Fumaric Acid Production by Rhizopus oryzae,” Enzyme and Microbial Technology, Vol. 48, Issue 1, pp. 39-47, 5 January 2011参照；この文献を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）。

例えば、図１は、発酵培養液から有機酸を抽出するための公知のプロセスの概略図を示すものである。グルコース、コーンスティープリカーまたは他の糖類およびＣａＣＯ_３を発酵反応器１に導入し、微生物発酵２を行う。有機酸および他の副生成物の混合物３を含む液状の発酵培養液を抽出および濾過４に供する。培養液をＨ_２ＳＯ_４等の強酸で中和５することによりＣａＳＯ_４が生成する。次いで反応混合物を濾過６することにより細胞塊およびＣａＳＯ_４７を除去する。これは再利用できない廃棄物であるため、埋立地に廃棄されるかまたは石膏を使用する用途に用いられる。残留している有機酸、グリセロールおよび他の副生成物８を回収して、米国特許第８，１８３，０２２号に記載されているように、炭素源として発酵反応器に戻すことができる。この内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。生成物は結晶化やイオン交換９等の様々な技法で分離することができる。有機酸は、例えば、カーボンベッド上で精製１０することができる。

バイオベースの化学物質を環境に優しい形で製造する方法として記載されている代替的な手法には、乳酸カルシウム、酢酸ナトリウム、安息香酸ナトリウム、サリチル酸ナトリウム等のカルボン酸のアルカリ金属塩を、二酸化炭素およびアルコールを用いて直接エステル化することにより、アルキルモノエステルを合成することが含まれる（Prashant P. Barveら、“Preparation of Pure Methyl Esters From Corresponding Alkali metal Salt of Carboxylic Acids Using Carbon Dioxide and Methanol” Ind. Eng. Chem. Res., 15 Sept. 2011参照）。しかし、このエステル化プロセスは用途が限られており、また、多価カルボン酸の回収については記載されていない。

これらの技法はある程度の成果を挙げているものの、発酵由来のジカルボン酸または多価カルボン酸を、簡素かつ費用対効果の高い方法で発酵培養液から回収することができる直接的な経路を提供することはできない。それどころか、これらの発酵技法を用いると、発酵培養液中で化学変換に用いるためのカルボン酸を調製するため、および未処理の酸を有用な化合物に変換するための幾つかの異なる段階を経ることが必要となる場合が多い。

遊離カルボン酸の生成に伴う廃棄物および費用を低減すると共に、回収率を改善するために、リンゴ酸やコハク酸等の様々なカルボン酸を回収するより適切でより直接的な方法であって、生物体由来の原料の下流における化学変換をより簡単にする上首尾な経路を提供することができる方法が必要とされている。このような効率的で環境負荷の少ないプロセス(green process)が考案されれば歓迎されるであろう。

発明の概要
本発明の一部は、発酵培養液由来のカルボン酸を回収および使用するためのプロセスであって、比較的効率的かつ費用対効果の高い方法でカルボン酸をその１種以上の対応するエステル（すなわち、モノエステル、ジエステルまたはトリエステル）に変換することによるプロセスに関するものである。特に本発明のプロセスは、少なくとも１種の遊離カルボン酸またはカルボン酸の混合物または少なくとも１種の遊離カルボン酸およびこのカルボン酸に付随するアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩（例えば、ナトリウム、カリウムまたはマグネシウム塩）を含む発酵培養液（細胞塊および不溶性化合物は除去されていてもいなくてもよい）を得る工程と；遊離カルボン酸を含む未精製または清澄化された発酵培養液を粉末に乾燥させる工程と；粉末中のカルボン酸と、アルコールとを、ＣＯ_２雰囲気中、他の酸触媒の実質的な不在下に、少なくともアルコールまたはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界近傍条件に相当する反応温度または圧力で反応させる工程であって、これにより、粉末中のカルボン酸から対応する１種または複数種のエステルを合成する工程を含む。これに続く工程において、エステルを変換して対応する遊離酸形態に戻すことができる。合成の副生成物は元のまたは新しい発酵培養液に直接戻して再利用することができる。

エステル化反応温度は約１５０℃〜約２５０℃であり、運転反応圧力は約４００ｐｓｉ〜ｄ約３，０００ｐｓｉ（ゲージ圧）である。所望の結果に応じて、反応を約４時間（約１２時間まで）実施することができる。

他の態様においては、本発明は、発酵由来の多価カルボン酸をエステル化するための方法に関する。本エステル化方法は：発酵培養液由来の１種以上の遊離カルボン酸の溶液を提供し、この遊離カルボン酸と、アルコールとを、ＣＯ_２雰囲気中、他の酸触媒の実質的な不在下に反応させる工程と；少なくともアルコールまたはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界近傍条件に相当する運転反応温度または反応圧力を選択する工程であって、これにより、遊離カルボン酸に対応するエステルを得る工程とを含む。反応温度および圧力条件は、カルボン酸が多価カルボン酸であった場合は、モノエステル分子よりもジエステル分子が生成する方向に反応を優先的に進めるものである。反応温度は約１５０℃〜約２５０℃であり、反応圧力は約４００ｐｓｉ〜約３，０００ｐｓｉである。所望の結果に応じて、反応を約１２時間まで実施することができる。

他の態様において、本発明は、農産物またはバイオマスを処理するための方法に関する。この方法は、農産物またはバイオマスから炭水化物を得る工程と、炭水化物を発酵させる工程であって、これにより発酵培養液を生成する工程と、発酵培養液を乾燥させる工程であって、これにより発酵培養液の粉末を生成する工程と、発酵培養液の粉末を第２の処理用地に輸送する工程とを含む。第２の処理用地は、発酵培養液粉末から得ることができる製品の需要元により近接した場所に配置することができ、発酵培養液粉末を、その第２の用地で処理または変換に供することにより、製品を製造することができる。

本発明の方法のさらなる特徴および利点を次の詳細な説明において開示する。上述の概要ならびに後述の詳細な説明および実施例はどちらも単に本発明を代表するものであり、特許請求される本発明を理解するための概説を提供することを目的としたものであると理解される。

従来実施されている発酵培養液混合物からの有機酸の抽出および下流の処理を例示する概略図である。 発酵培養液由来の有機カルボン酸をエステル化するための本発明のプロセスならびに結果として得られるエステルおよび／またはこの種のエステルから生成する他の化合物を単離することができるさらなる下流の処理の手順を例示する概略図である。 本発明のプロセスの他の実施形態に従う、発酵由来のコハク酸を用いたエステルの製造ならびにＮａおよびＭｇ塩を発酵反応器に戻して再利用する下流のプロセスの例を示す概略図である。 本発明に従い、遊離コハク酸の、様々なアルコール中における、ＣＯ_２を利用したエステル化を例示する図であり、遊離コハク酸は、対応するジメチル、ジエチルまたはジブチルエステルに変換される。 他の多価カルボン酸のＣＯ_２を利用したエステル化を例示する図である。 発酵培養液由来の遊離コハク酸のＣＯ_２を利用したエステル化において、温度を変化させて実施した一連の反応をまとめた図を示すものである。 本発明による遊離カルボン酸のＣＯ_２を利用したエステル化において、初期運転圧力を変化させて実施した一連の反応をまとめた図を示すものである。 本発明による遊離カルボン酸のＣＯ_２を利用したエステル化において、温度および反応時間を変化させて実施した一連の反応をまとめた図を示すものである。 コハク酸ならびにそのＭｇ^２＋およびＣａ^２＋塩を用いて実施した一連の反応の結果をまとめた図を示すものである。

発明の詳細な説明
第Ｉ項−説明
本発明のプロセスは、発酵由来のカルボン酸の従来の抽出を修正したものである。図１に示すプロセスと比較すると、本手法には幾つかの利点がある。例えば、従来法とは異なり、発酵培養液を中和する必要がない。本開示の他の態様においては、図２は、本エステル化反応と、結果として得られるエステルを利用することができるさらなるプロセスとを統合した形態を含む、発酵培養液からカルボン酸を抽出する一般的なプロセスを示す略図である。図に示すように、反応器からの発酵培養液１を（限外）濾過３することにより細胞塊等の生体物質を除去することによってカルボン酸（その塩、副生成物および他の化合物を含む）を得る。次いでこれらの物質を全て乾燥３ａさせることにより、高純度化前の混合物５を得る。次いでこの乾燥物の混合物を液体系中でアルコール（Ｒ−ＯＨ；Ｒ＝Ｃ_１〜Ｃ_１２アルキル）およびＣＯ_２と高い反応温度および圧力で反応７させることにより、モノエステルもしくはジエステルのいずれかまたは両者の混合物を得る。溶液中で反応するのはカルボン酸のみである。結果として得られた混合物９を濾過１１することによりエステル１３および他の副生成物１５を分離する。エステルは可溶であり、一方、他の副生成物は不溶である。副生成物にはカルシウム、マグネシウムまたはナトリウムの炭酸塩が含まれ、これらは回収して発酵反応器１９に戻して再利用１７することができる。この再利用により、コストが大幅に削減できると共に、発酵および抽出プロセス全体の効率を改善することができる。次いでエステルを、蒸留２１、水素化２３または水素化分解処理２５のいずれかで処理することにより、それぞれ、エステルの分離、水素化物（例えば、ＢＤＯ、ＧＢＬ、ＮＭＰ等）等のＣ_４プラットフォーム化合物の生成およびバイオ燃料（例えば、エタン、エタノール、ブタン、ブタノール、プロパン、プロパノール等）の生成を行うことができる。

本明細書において用いられる「バイオ燃料」という語は、植物バイオマス、セルロース系バイオマスもしくは農業バイオマスまたはこれらの誘導体等の再生可能な生物資源から製造される、燃料として使用される気体、液体または固体物質を指す。特に、バイオ燃料とは、内燃機関の特定の機構を作動させる運輸燃料中にもしくは運輸燃料として使用することができるか、またはエネルギー発生用途に使用することができる材料を指す。例えば、プロパノールおよびブタノールはガソリン添加剤として用いることができ、エタノールと大差はない。液化石油ガス（ＬＰＧ）に含まれるブタンおよびプロパンならびに天然ガスに含まれるエタンは特定の輸送機構の燃料に適合させることができる。他の生物学的に誘導される炭化水素（オクタノール／オクタンまたはＣ_５もしくはＣ_６よりも高級なアルカン等）もバイオ燃料とすることができる。

Ａ．
本開示の一部は、発酵培養液由来のカルボン酸を回収および使用するためのプロセスに関するものである。本発明のプロセスは、遊離カルボン酸をエステル化する方法を含む。本明細書において用いられる「遊離カルボン酸」という語は、そのｐＫａ値以下の溶液中で少なくとも５０％がそのプロトン化された状態にあるカルボン酸化合物を指す。本発明は、他の形態では単離が困難で費用がかかる有機酸からエステルを生成する、簡素かつ有効な方法の発見を含む。

回収プロセスおよびエステル化方法は、発酵培養液由来の遊離カルボン酸から化学原料分子を製造するために用いることができる。本発明の利点は、従来の培養液からの抽出には必須であった、発酵培養液からの酸の単離も精製も必要とせずに、発酵培養液中の遊離カルボン酸を直接使用して、そこから対応するエステルを生成できることにある。本発明のプロセスは、カルボン酸を中和するかまたはその塩に変換する特定の発酵プロセスよりも容易に、発酵培養液からカルボン酸を単離および抽出する方法を提供する。本プロセスにより、発酵培養液から金属塩を析出させることができる滴定および中和が不要になると共に、貯蔵用プラットフォーム化合物を製造するための特定の精製段階が不要となる。遊離カルボン酸はエステルに変換され、このエステルは、高価で複雑なクロマトグラフィー分離用カラムまたは樹脂を使用することなく、蒸留または他の精製技法によってより容易に処理および抽出される。例えば、従来のプロセスにおいては、酸を単離するためにはイオン交換クロマトグラフィーの使用が必要となるであろう。イオン交換後も少量の塩が持ち越されることは避けられないであろう。したがって、許容可能な品質水準に到達するまで酸を精製するには複数の作業単位が必要となる可能性がある。作業単位を追加する毎にプロセス全体の費用が増大する。さらに、酸からエステルを合成する際に、塩を炭酸塩または水酸化物として回収することができ、これは発酵培養液の再生に使用することができるので、廃棄物が最小限に抑えられる。有機酸をその対応するエステルに変換することにより、この種の問題を回避することができる。

従来、エステルは、カルボン酸を酸触媒の存在下にアルコールと一緒に加熱することによって生成する。エステルが酸およびアルコールから生成する機構は、酸を触媒としてエステルが加水分解する工程の逆である。この反応は、用いた条件に応じてどちらの方向にも進行し得る。通常のエステル化プロセスにおいては、触媒として強酸が用いられない限り、カルボン酸はアルコールと反応しない。通常、触媒は濃硫酸または塩化水素である。プロトン化によりカルボニル基の求電子性が強くなり、弱い求核試薬であるアルコールと反応することが可能になる。

一般には、本エステル化方法は、発酵由来の遊離有機カルボン酸とアルコールとを、主として二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む雰囲気中、他の酸触媒の実質的な不在下に反応させることによってエステルを生成することを含む。エステル化反応は、アルコールおよび／またはＣＯ_２の少なくとも一方の超臨界、臨界または臨界近傍のいずれかの温度および／または圧力条件下の溶液中で行われる。このような条件下において、ＣＯ_２は酸触媒を自然発生させるかまたはその場で酸触媒として機能し、エステル化反応が完了した後は元に戻ると本発明者らは考えている。エステル化を進めて、エステル生成に影響を与えるのに十分に多い量の反応性中間体（モノアルキル炭酸）がその場で生成すると考えられている。この中間体は、遊離カルボン酸と同程度のｐＫａ（例えば、約４〜５）を有し、通常の強酸よりもはるかに弱い炭酸として機能する。温度が高い方がエステルの転化率が高くなる傾向が観測されており、これは、このプロセスの活性化エネルギーが比較的高いことを例証するものである。本明細書において用いられる「実質的な不在下」という語は、酸触媒がほとんどもしくは全く存在しないかまたは触媒作用を示す量よりも少ない極小量もしくは微量で存在する状態を指す。換言すれば、他の酸触媒は全く存在しないかまたは反応物中のカルボン酸に対し１０％、５％、３％もしくは１％（重量／重量）未満の量で存在する。

本発明のプロセスの有利な特徴は、一部の他の技法と異なり、遊離カルボン酸をハロゲン化（例えば、フッ化、塩化、臭化）アシルとして活性化することまたは強鉱酸を使用することが不要になることにある。ハロゲン化アシルは、本来反応性が高く、安定性や廃棄物処理に関わる問題があり、製造が煩雑で費用がかかる可能性があるため使用が難しい。

本プロセスにおいては、通常の強酸に替えて二酸化炭素を触媒として機能させることにより、強酸をエステル化反応に導入することが不要になる。この特徴により、通常は触媒として使用された酸を除去するために必要となるｐＨ値の調整を回避することができるので、より簡素かつより夾雑物の少ない(clean)合成が可能になる。結果として得られる生成物からアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属炭酸塩または他の塩を除去するための濾過に単純に進むことができる。より夾雑物の少ない生成物が得られることにより、精製および他の化学原料に変換するための下流の処理における費用が節減されるであろう。

本明細書に記載するプロセスは、エステルを製造するためのより環境に優しい方法である。アルコールの存在下におけるエステル化反応の最中に二酸化炭素が酸触媒を自然発生させることができると考えられているので、本方法は、他の酸触媒の使用または追加が不要である。換言すれば、ＣＯ_２単独の場合の反応速度論では、他の酸触媒の実質的な不在下でエステル化を誘発することができる。繰り返しになるが、本プロセスは、遊離酸の活性化（例えば、塩化アシルとして、または強酸による（すなわち、フィッシャーエステル化））が不要である。

一般に、エステル化は、約１５０℃〜約２５０℃の運転すなわち反応温度、約４００ｐｓｉ〜２，５００ｐｓｉの反応圧力で、約１２時間までの長時間、例えば４時間行われる。通常、温度は約１７０℃または１９０℃〜約２３０℃または２４５℃の範囲（例えば、１７５℃、１８７℃、１９５℃または２１５℃）とすることができ、運転圧力は約９００ｐｓｉまたは９５０ｐｓｉ〜約２，２００ｐｓｉまたは２，４００ｐｓｉの範囲にある（例えば、９６０ｐｓｉ、９８０ｐｓｉ、１０２０ｐｓｉまたは１０５０ｐｓｉ）。あるいは、温度は、約１８０℃〜約２４５℃の範囲（例えば、約１８５℃または２００℃または２１０℃〜約２２０℃または２３５℃または２４０℃）、運転圧力は約１０００ｐｓｉ〜２，３５０ｐｓｉの範囲（例えば、１，１００ｐｓｉ、１，２００ｐｓｉ、１，５５０ｐｓｉ、１，７５０ｐｓｉ、１，８１０ｐｓｉまたは１，９００ｐｓｉ）とすることができる。他の温度、例えば、約１６０℃または１８５℃〜約２１０℃または２２５℃もこの範囲に包含することができ、他の運転圧力、例えば、約１，１５０ｐｓｉまたは１，５００ｐｓｉ〜約１，８００ｐｓｉまたは２，０００ｐｓｉもこの範囲に包含することができる。

これらの反応温度および圧力は、アルコールまたはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界近傍条件に相当する。表１に、例示を目的として、一部の一般的な溶媒（すなわち、メタノール、エタノール、１−プロパノール、１−ブタノール、水およびＣＯ_２）の臨界パラメータを示す。

臨界点（すなわち臨界温度および／または圧力）を超える条件下では、流体は超臨界相中に存在し、ここでは液体および気体の中間の性質を示す。より具体的には、超臨界流体は、液体様の密度および気体様の輸送特性（すなわち、拡散係数および粘度）を示す。このことは表２から分かる。表２においては、これらの特性の典型的な値を３種の流体形態、すなわち従来の液体、超臨界流体および気体の間で比較する。

同様に、「臨界近傍」は、少なくともアルコール種またはＣＯ_２ガスの温度または圧力のいずれかが、それぞれの臨界点を下回ってはいるが、臨界点から１５０Ｋ以内（例えば、５０〜１００Ｋ以内）または２２０ｐｓｉ以内（例えば、３０〜１５０ｐｓｉ以内）にある状態を指す。温度および圧力が臨界近傍、臨界または超臨界条件に到達すると、試薬の溶解性は向上し、それによってエステル化反応が促進されると考えられている。換言すれば、ＣＯ_２ガス、アルコールおよび酸種は、臨界近傍、臨界または超臨界条件下の方が、それよりも温和な条件下よりも高度に相互作用することができる。この反応には、アルコール種およびＣＯ_２ガスが両方共臨界近傍、臨界または超臨界条件にあることは必要ではなく、これらの種のどちらか一方でもこのような条件を満たしていれば反応を起こすことができる。

本エステル化反応をそれぞれ約２５０℃までおよび２，５００ｐｓｉまたは３，０００ｐｓｉまでのより高い温度およびより高い圧力で、約１０または１２時間までの反応時間で実施した場合、エステル生成物を比較的高い選択性かつ高い純度で、従来よりも短い反応時間（従来は約１８〜２０時間であった）で多量に生成させることができる。より低い運転温度（＜１９０℃）においては、多価カルボン酸のモノエステル分子の生成がより支配的であり、一方、１９０℃または１９５℃以上の温度で反応させると、多価カルボン酸は優先的にジエステルに変換されるであろう。約１９０℃または１９５℃または２００℃〜約２４５℃または２５０℃のより高い範囲の温度を選択することにより、ジエステルに転化する割合がより多くなる反応を優先的に誘発させることができる。このエステル化により最低でも約５０％、望ましくは少なくとも６５％または７０％のカルボン酸のジエステルを得ることができる。反応を超臨界または超臨界近傍の運転条件で実施した方が良好な結果が得られる傾向がある。臨界または臨界近傍条件である約２３０℃または約２４０℃（メタノールの場合）および約３１℃／１０００ｐｓｉ（ＣＯ_２の場合）で運転する場合、転化率を約９０％以上、通常は約９３％または９５％に到達させることができる。異なる温度および反応時間の組合せ（例えば、より高い温度およびより短い反応時間（例えば、１０または１２時間未満、４〜８時間）またはその逆）を調整することにより高収率を達成することができ、現行の手法よりも有利となる可能性がある。最適化を行うと、２５０℃において、同一またはより高いＣＯ_２圧力のいずれかでエステル化を実施することにより、定量に近い（すなわち、収率≧９５％）、例えば、約９８％、９９％または９９．９％までの転化率が達成されるであろう。

添付の実施例から分かるように、反応条件を変化させ、より高い温度および／またはより長い反応時間を用いることによってより多くのジエステル生成物を生成させることができることが示唆される。しかしながら、上に述べたように、異なる温度に組み換えると、同量のエステル生成物を生成するためのエステル化反応に要する時間が影響を受ける可能性がある。本方法に従う反応は、多量の副生成物の生成を誘導しない。したがって、カルボン酸および他の出発試薬の環化を回避することができる。高温（すなわち、＞１４５℃または＞１５０℃）において脱炭酸が起こり得る可能性は本方法においては認められない。

アルコール溶媒をカルボン酸に対し過剰量で用いると、非常に夾雑物の少ないエステル化を行うことができる。本合成プロセスは、高温において酸を触媒とする標準的なエステル化で通常認められる可能性がある低分子量酸（酢酸やギ酸）等の副生成物を多量に生成したり、分子の転位が起こったり、環状生成物を生成することなく、非常に夾雑物の少ないエステル生成物を約７０％〜７２％の初期純度で生成する。このエステルを高純度化することにより約９０〜９８％の純度を達成することができる。精製は、例えば、結晶化、クロマトグラフィーまたは蒸留により達成することができる。

結果として得られるエステル生成物は、通常、モノエステルまたはジエステルのどちらかにすることもできるし、または両者の混合物を形成することもできる。反応を制御して、エステル化がある１種のエステル形態または他の形態のどちらかの方向に進行するように誘導することができる。例えば、エステル化反応をジエステル分子が優先的に生成する方向に誘導するように運転温度および圧力を選択することができる。同様に、発酵培養液中に存在し得るかまたは発酵培養液から得ることができるカルボン酸の中で、単一種のカルボン酸（例えば、コハク酸）からエステルを生成させるかまたは異なる複数種のカルボン酸の混合物（例えば、酢酸、クエン酸、乳酸、リンゴ酸、マレイン酸、コハク酸）からエステルを生成させるかを操作することができる。換言すれば、本エステル化反応に従い様々な異なるエステルを生成するために、様々な異なる種類のカルボン酸を使用することができる。今度は、これらのエステルを単離し、下流の化学プロセスにおいてさらに改質し、特定の実施形態においては、医薬品材料、化粧品材料、食品材料、供給原料、ポリマー材料、バイオ燃料等の有用な化合物に変換することができる。例えば、コハク酸エステルは、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）等のポリマーに変換することができる。

本エステル化プロセスにおいては、触媒（ＣＯ_２）もエステル化試薬（アルコール）も遊離カルボン酸の量に対し大過剰で存在する。反応は高温で行われるので、ＣＯ_２は、反応段階においては、起源が何であるか（例えば、ガスタンクまたはドライアイス）に関わらず、気相中に存在するはずである。密閉した高圧反応器が使用される場合、反応装置を組み立てた後に気体のＣＯ_２を徐々に昇華させることができるので、固体のＣＯ_２を追加することも戦略の一つである。こうすることによりＣＯ_２の損失を最小限に抑えることができる。ＣＯ_２（すなわちＣＯ_２含有）雰囲気中における反応雰囲気中のＣＯ_２の濃度は、少なくとも１０体積％または１５体積％、有利には約２５％または３０％、好ましくは５０％超とすることができる。より良好な反応結果を得るためには、ＣＯ_２濃度を最大限にすべきである。望ましいＣＯ_２の濃度は約７５％または８０％〜約９９．９体積％、通常は約８５％〜約９８％である。窒素（Ｎ_２）ガスまたは空気は反応器中に存在しても許容されるが、好ましくは、ＣＯ_２以外の気体の濃度は、半分未満（＜５０％）または極小量のいずれかに維持される。

Ｃ_１〜Ｃ_２０のＲ基を有する任意の液体アルコールが溶媒試薬または第１アルコール種の役割を果たすことができる。Ｒ基は、飽和、不飽和または芳香族とすることができる。異なる種類のアルコールの混合物（例えば、Ｃ_１〜Ｃ_１２）を反応に使用することもできるが、具体的なＲ基に応じて対応する異なるエステルの混合物が生成するであろう。Ｃ_１〜Ｃ_６アルキル基を有する特定の低級アルコール種は、広く入手できること、安価であることおよびエステル化反応の機構の単純さという観点で、ＣＯ_２を用いる第１エステル化の試薬として好ましい。さらに、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコールが好ましい。その理由は、これらが比較的構造が単純である等の要素を有し、また、本反応が、これらのアルコール種の超臨界、臨界または臨界近傍温度および圧力に対しより容易に制御できるためである。別法として、幾つかの実施形態においては、アルコールとしてＣ_２〜Ｃ_６ジオールを用いることもできる。ジオールを用いたエステル化を行うことにより、容易に重合させることができるモノマーまたは低分子量オリゴマーを生成することができる。

様々な異なるカルボン酸、例えば：ａ）モノカルボン酸：ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、デカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、およびＣ_１５〜Ｃ_１８脂肪酸；ｂ）ジカルボン酸：フマル酸、イタコン酸、リンゴ酸、コハク酸、マレイン酸、マロン酸、グルタル酸、グルカル酸、シュウ酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、グルタコン酸、オルトフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸；またはｃ）トリカルボン酸：クエン酸、イソクエン酸、アコニット酸、トリカルバリル酸およびトリメシン酸からなる群から選択されるもの使用することができる。カルボン酸には、これらのカルボン酸に付随するアルカリ金属またはアルカリ土類金属（例えば、ナトリウム、カリウムまたはマグネシウム）塩の混合物も含まれる。望ましくは、前記酸は、ジカルボン酸またはトリカルボン酸である。

Ｂ．
本発明のエステル化プロセスは、発酵をベースとする炭素鎖原料の製造に統合することができ、これは、再生可能資源由来のカルボン酸からエステルを生成するより好都合な方法を提供するものである。本プロセスは、連続式またはバッチ式プロセスのいずれかで副生成物を発酵培養液に戻して再利用することによって廃棄物の量を削減することができる。本発明者らは、本エステル化プロセスにおいて、遊離カルボン酸とアルコールおよびＣＯ_２とを他の酸触媒の不在下に反応させる場合、カルボン酸のアルコール溶媒に対する溶解性は、プロトン化された遊離形態の方が、その対応する塩よりも高いことも見出した。類似の条件下で反応を実施した場合、遊離カルボン酸を試薬として用いたエステル化反応は、塩を試薬として用いた反応よりも、エステル生成物の量が約２〜３倍多くなるであろう。この結果は、添付の図４Ｂ（遊離酸）の反応を図６Ａ（酸塩）の反応と比較し、表４の実施例２および３（酸塩）を実施例５および６（遊離酸）とそれぞれ比較すると理解することができる。この差の要因は溶解性にあると考えられている。例えば、マグネシウム塩はメタノール中およびエタノール中での溶解性がカルシウム塩よりもはるかに高いので、カルシウム塩の反応により生成する生成物は対応するマグネシウム塩を出発試薬として用いた場合よりもはるかに少なくなる。

蒸留プロセスによりアルコールを追い出すことによってエステルを濃縮することができ、次いで、エステル合成によって生じた副生成物を濾過する。さらに混合酸エステル生成物の混合物を異なるエステル種の沸点に従い蒸留することにより様々な個々のエステルを分離することが可能になる。例えば、表３に本発明によるエステル生成物混合物中に存在し得る一般的なエステルの試料の沸点を示す。

残留溶液中のエステルを回収した後は、この材料はそのまま使用できる形態にあり、また、異なるエステル種および残留アルコールを分離するためにエステル混合物を蒸留することもできる。エステルを回収したら、モノエステルはキレート剤に変換される前駆体として使用することができ、ジエステルは溶媒として使用することができる。

発酵由来のカルボン酸を対応するエステルの形態で回収することの利点は、下流の処理において、エステルは、遊離酸よりも水素化のエネルギー消費量が少ないことにある。本エステル化プロセスの他の利点は、本プロセスが、Ｃ_４化学プラットフォームを得るために発酵由来のカルボン酸を高純度化する他の手法と比較して、より簡素かつより容易であることが分かることである。本プロセスにより、エステルを他の不溶な物質から分離する作業が簡素化することに加えて、分離すべき塩の量が最小限になる。統合されたプロセスにおいては、低ｐＨ発酵（この発酵は、カルボン酸のｐＫａ未満のｐＨで行われる）において製造された遊離酸および塩の組合せを直接エステル化することが可能になる。本プロセスは、現在の回収アプローチよりもエネルギー消費が少ないものであり得る。

図２に示した一般的なプロセスの概念を、より詳細に説明する。図３は、本エステル化プロセスの手順を組み込んだ下流の処理の略図を示すものである。具体的には、図３は、発酵培養液由来のコハク酸または他の種類のカルボン酸を抽出し、これを用いて過剰のＣＯ_２の存在下にアルコールと反応させることによりエステルを生成する例を示すものである。本プロセスのこの手順によれば、グルコース、コーンスティープリカーまたは他の糖類およびＭｇ（ＯＨ）_２／ＮａＯＨを発酵反応器１に導入し、発酵２させることによりカルボン酸が生成する。カルボン酸、塩（例えば、コハク酸およびそのナトリウムまたはマグネシウム塩）および他の副生成物の混合物を含む発酵培養液４を濾過６することにより細胞塊８および他の不溶物を除去する。発酵は低ｐＨ値で行う（より高いｐＨ（例えば、ｐＨ約７または８）から開始し、発酵の最中にｐＨ値が約２〜３に低下する）。存在する遊離酸および塩の混合物（例えば、塩対酸の比率は約９：１（ｗ／ｗ）〜７：３（ｗ／ｗ））が生成するであろう。発酵培養液を発酵反応器からカルボン酸のｐＫａ（例えば、ｐＨ５）未満のｐＨ値で回収する。通常、発酵培養液のｐＨ値は、約１．５〜約４．５の範囲にある。

次いで発酵液抽出物を乾燥８させて粉末にする。混合酸の濾液を乾燥させる際は可能な限り水を除去するべきである。この乾燥工程は、例えば、噴霧乾燥、ドラム乾燥または凍結乾燥によって達成することができる。一般的なエステル化と同様、水分は比較的少ないことが望ましい。そうしないと可逆反応が起こり、加水分解によってジカルボン酸に戻りやすくなるであろう。本プロセスにおいては、残留水分率の最大値を約５重量％に維持すべきである。水分含有率が３重量％未満の試料であれば、エステルの収率が約９８または９９％まで増加することが期待できるであろう。

次いで乾燥した粉末（平均水分含有率は約１重量％〜５重量％、望ましくは≦３重量％）を、アルキル化試薬の役割を果たすアルコール１４と、過剰のＣＯ_２の存在下に、約１８０℃〜約２５０℃の温度で約４時間以上反応１２させることにより、カルボン酸をエステル化する。この例においては、コハク酸をメタノールおよびＣＯ_２中で反応させることによりコハク酸ジメチルが生成する。遊離カルボン酸と一緒に、発酵培養液中に存在していた残留遊離アミノ酸もエステル化される。

エステル混合物を水素化に供することにより、様々な前駆体となる化学物質を製造することもできる。米国特許第４，５８４，４１９Ａ号（Ｃ_４ジカルボン酸のジ（Ｃ_１〜Ｃ_３アルキル）エステルの水素化を含む１，４−ブタンジオールを製造するためのプロセスに関する）；英国特許出願公開第２２０７９１４Ａ号（マレイン酸エステルおよびフマル酸エステルからブタン１，４−ジオール、γ−ブチロラクトンおよびテトラヒドロフランの混合物を製造するためのプロセスに関する）；国際公開第８８００９３７Ａ号（マレイン酸ジアルキルの水素化によりブタン−１，４−ジオールおよびγ−ブチロラクトンを同時に生成するためのプロセスに関する）または国際公開第８２／０３８５４号（カルボン酸エステルを水素化分解するためのプロセスに関する）（上述の特許の開示内容のそれぞれを本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）等に記載されている水素化プロセスを用いることにより、例えば、１，４−ブタン−ジオール（ＢＤＯ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）またはＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を含む様々な化合物を製造することができ、今度はこれらをさらに他の有用な化合物に変性することができる。

図３の実施例に例示するように、上に定義した反応温度および圧力パラメータに従いコハク酸をメタノールと反応させると、エステル化により、コハク酸ジメチル（主要生成物）、ＮａＨＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３／Ｍｇ（ＨＣＯ_３）_２および過剰のメタノール１６が生成する。コハク酸ジメチルおよびメタノール１８はＮａＨＣＯ_３およびＭｇＣＯ_３２０から分離される。炭酸塩は、ＣａＳＯ_４とは異なり、連続プロセスまたは新しいバッチを用いるバッチ式プロセスのいずれかで反応器１に戻して再利用２２することができる。さらにコハク酸ジメチルおよびメタノールは互いに分離２４され、メタノール７は再利用２６される。次いでコハク酸ジメチル２８を水素化３０することにより、例えば、１，４−ブタン−ジオール（ＢＤＯ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）またはＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を含む様々な異なる化学製品３２にすることができる。

本プロセスの他の利点は、発酵生産物を得るための作物の輸送および処理を簡素化できることにある。例えば、乾燥させた発酵培養液の粉末を用いれば、湿潤した原料や液体原料を用いて作業することに伴う問題から解放される。乾燥した発酵培養液の粉末は、発酵培養液の製造元または供給元とは異なる場所へより経済的に出荷することができる。こうすることにより、エステルを合成するための反応を、発酵培養液の供給元とは異なる離れた場所で実施することが可能になり、最終処理施設を配置する地理条件を拡張することができるであろう。

したがって、本発明者らは、本明細書に記載した本エステル化プロセスを、農産物またはバイオマスを処理するための方法に統合することができることも想定している。この方法には、農産物またはバイオマスから炭水化物を得る工程と、この炭水化物を発酵させる工程であって、これにより発酵培養液を生成する工程と、発酵培養液を乾燥させる工程であって、これにより発酵培養液の粉末を生成する工程と、発酵培養液の粉末を第２の処理用地へ輸送する工程とを含む。この第２の処理用地は、発酵液の粉末から得ることができる製品の需要元により近接した場所に配置することができ、この粉末は、第２の用地でエステル化を行うか、および／またはそれ以外の形で処理することにより、製品を製造することができる。

第ＩＩ項−実施例
遊離カルボン酸を発酵培養液から単離するためのプロセスに、本エステル化方法に従い調製を行う実施例を統合する。この方法は、概して、次の工程：ａ）発酵培養液から細胞塊および他の生物片を除去するために、未精製の発酵培養液を濾過する工程と；ｂ）発酵培養液を乾燥させる工程と；ｃ）モノエステルおよびジエステルならびに炭酸塩（ＮａＨＣＯ_３／ＭｇＣＯ_３）の混合物を生成するために、乾燥した発酵培養液を過剰のメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）またはエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）と、約１５０℃〜アルコールおよび／またはＣＯ_２試薬の臨界近傍または臨界温度までの温度および臨界近傍または臨界圧力で反応させる工程と；ｄ）副生成物を除去するために反応生成物を濾過する工程と；ｅ）エステルを蒸留することにより精製する工程とを含む。

発酵培養液の濾液を乾燥させて水分の全部またはほぼ全部を除去することにより、混合有機物の粉末を生成した。噴霧乾燥機またはドラム乾燥機を用いることにより、混合カルボン酸を含む未精製の溶液がエアゾール化して乾燥し、粉末になる。乾燥した粉末をアルコール溶媒に懸濁させる。粉末は、本明細書に記載した条件に応じてアルコールと反応し、エステル化することによりモノエステルまたはジエステルのいずれかとなる。

次に示す一般的な手順に従い下に示す各実施例を実施した。但し、ここに示す反応温度、圧力、時間および／または酸の種類に関する変化量は必要に応じて変化させた。凍結乾燥させたコハク酸発酵培養液（オフホワイト色の粉末）を１０ｇ、およびメタノール３００ｇを、Ｐａｒｒ反応装置に取り付けたジャケット付きの１Ｌ容のステンレス鋼槽に装入した。１１００ｒｐｍで機械的に撹拌しながら、反応槽内部のヘッドスペースをＮ_２で置換し、次いで最初にＣＯ_２で４００ｐｓｉに加圧し、１８０℃で５時間加熱した。内圧は１８０℃で約１６５０ｐｓｉであることが観測された。反応時間が経過した後、反応器本体を室温に到達するまで水浴で冷却し、圧力を解放した。次いで不均一混合物を濾過して固体を真空下で一夜乾燥させた。固体物質および溶液の試料をガスクロマトグラフィー／質量スペクトル（ＧＣ／ＭＳ）を用いて定量分析した。コハク酸ジメチルの収率を算出したところ３１．９％であり、利用可能なコハク酸マグネシウムの９５％超が反応で消費されていた。生成物の残余は、大半部分（約６０％〜約６５％の範囲）として、対応するモノエステルを含んでいた。

添付の図面および表に示した反応から分かるように、特定の温度および圧力パラメータを修正および選択することにより、ジエステル化合物がより多く優先的に生成するような反応が起こる。本プロセスの特定の実施例においては、エステル化反応により、５０％超、通常は７０％または８０％超のコハク酸またはマレイン酸ジアルキルが得られる。上に述べたように、未反応の材料および望ましくない生成物は発酵反応槽で再利用される。これに続くモノエステルおよびジエステルの分離は結晶化によって達成される。

図４は、様々なアルコール中におけるＣＯ_２を利用した遊離コハク酸のエステル化の概要、様々なアルコール中におけるＣＯ_２を利用した遊離コハク酸のエステル化の概要を示す一連のエステル化反応を表すものである。図４Ａは、コハク酸とメタノールとを、４００ｐｓｉのＣＯ_２ガス中、１５０℃で５時間反応させることにより約３７％のコハク酸ジメチル収率が達成されることを示している。図４Ｂの反応においては運転温度を１８０℃に上昇させ、他の全てのパラメータを図４Ａと同一に維持すると、コハク酸ジメチルの収率は２倍を超える約８１．２％に上昇した。

図４Ｃは、本運転条件下における、１８０℃のエタノール中での遊離コハク酸の反応を表すものであり、コハク酸ジエチルが約６０．８％という良好な収率で得られる。図４Ｄにおいては、遊離コハク酸をｎ−ブタノール中の運転条件下において１８０℃で反応させると、コハク酸ジブチルが約５２．２％という収率で生成した。これらの例は、本エステル化反応が、異なる種類のアルコールが使用できるという観点で多様性を有することを実証するものである。

図５は、他の種類の多価カルボン酸のＣＯ_２を利用したエステル化の例を示すものである。図５Ａおよび５Ｂにおいては、コハク酸をそれぞれトリカルボン酸であるクエン酸およびリンゴ酸に置き換えている。クエン酸トリメチルの収率は約２０．１％と妥当であり、ＣＯ_２を利用した手順がトリカルボン酸にも適用できることを示している。リンゴ酸のジメチル類縁体の収率は約８４．３％と良好であった。したがって、本新規なエステル化方法は使用する酸を他の酸に拡張しても実現可能である。

表４は、図６、７および８に示すように、本開示のエステル化方法に従い実施した幾つかの反応の結果をまとめたものである。それぞれの実施例の組は、反応を実施する際に変化させた運転条件：Ａ）温度、Ｂ）圧力およびＣ）反応時間ごとに並べてある。各実施例においては、発酵培養液由来のコハク酸を基質として用いる。濾過により清澄化した遊離酸および塩を含む培養液を乾燥させ、後段でメタノールおよびＣＯ_２と溶液中で反応させる（反応物を加熱すると、反応槽内の実際の運転温度および圧力は本明細書に記載した初期温度および圧力を超えるであろう）。

Ａ組の３つの例において、本発明者らは、初期ＣＯ_２圧力を４００ｐｓｉとし、異なる温度：実施例Ａ−１は１８０℃、実施例Ａ−２は２１０℃、実施例Ａ−３は２３０℃で反応を５時間行った。本発明の酸から対応するジエステルへの転化率は運転温度が高くなるにつれ上昇した。図６は、コハク酸およびその塩の一連のエステル化反応において温度を変化させた効果を示すものである。図６Ａにおいては、コハク酸のエステル化を、約１８０℃の温度で５時間を超えて行う。この反応により約１３．９％の収率でコハク酸ジメチルが生成した。図６Ｂは、図６Ａと同一の反応を示すものであり、反応時間を一定に維持しながら温度を約２１０℃に昇温すると、収率が約４２．９％となる。図６Ｃは、２３０℃で反応を行ったことを示すものであり、収率は約７２．４％となる。これは、反応速度論により、温度が上昇するに従い、より多くの酸およびアルキル化試薬が、反応が完結する方向に誘導され、ジアルキルエステルの収率がより高くなることを示唆している。臨界または臨界近傍の温度および／または圧力条件で行った反応では、転化率は少なくとも９５％となり、≧９７％または９８％となることが見込まれる。

Ｂ組および図７においては、本発明者らは、初期温度を１８０℃とし、ＣＯ_２ガスの初期圧力を：実施例Ｂ−１は４００ｐｓｉ、実施例Ｂ−２は５００ｐｓｉ、実施例Ｂ−３は６００ｐｓｉに変化させてエステル化反応を５時間行った。酸からその対応するジエステルへの転化率は中程度であり、収率は統計学的には大きな差は見られなかった。反応器内のＣＯ_２ガスの初期圧力は、酸からそのジエステルへの転化に大きな効果を発揮しなかったが、反応中における反応器内の運転圧力は収率に影響することを示唆している。

Ｃ組および図８においては、本発明者らは、一定の圧力および温度でエステル化反応を行い、反応時間を：実施例Ｃ−１は５時間、実施例Ｃ−２は２時間、実施例Ｃ−３は０．５時間と変化させた。図８に示す実施例は、反応時間が長くなるとより多量の酸がジエステルに転化したことを示唆している。

図９は、濃度約４％（ｗ／ｗ）のコハク酸塩を用いてＣＯ_２を利用したエステル化反応を行った第１組を示している。これを表５の実施例１〜３に示す。実施例１および２においては、コハク酸およびそのマグネシウム（Ｍｇ^２＋）塩をメタノールおよびエタノール中においてそれぞれ２１０℃および１８０℃で反応時間を５時間として反応させた。この反応によりそれぞれコハク酸ジメチルが約３３％およびコハク酸ジエチルが約１％生成された。メタノールはコハク酸塩を溶解する能力がエタノールよりも高い。コハク酸マグネシウムのメタノールへの溶解性は妥当な水準であり、一方、エタノールへの溶解性は例え高温であっても限られている。そのため、コハク酸ジエチルの収率はほぼゼロとなった。実施例３は、コハク酸カルシウム（Ｃａ^２＋）を用いて１８０℃で５時間行った反応を示すものである。この反応による対応するコハク酸ジメチルの収率はわずか約１．３３％であった。実施例２および３の比較的低い転化率は、対応するアルカリ金属塩の溶解性の差を反映している。コハク酸のカルシウム塩は例え高温であってもメタノールに不溶である。ＣＯ_２実験において使用したメタノール対塩のモル比はメタノール対コハク酸マグネシウムの場合は約１１０：１とした。同様に、メタノール対他のカルボン酸の場合、この比は約１００：１とした。

表５は、本発明の方法によるエステル化反応の他の実施例の結果を列挙したものである。実施例１、２および３において、コハク酸とコハク酸の塩とを比較することにより、基質の溶解性の重要性が示される。実施例４〜７は反応の第２組であり、遊離コハク酸をメタノール、エタノールおよび１−ブタノールと類似の方法で反応させたものである。実施例８および９は、クエン酸やリンゴ酸等の他のカルボン酸との反応において、それぞれ約２０％および８６％という比較的良好な収率を達成できることを示すものである。

遊離コハク酸は、メタノール、エタノール、ブタノールおよび他のアルコール（オクタノールすなわちＣ_８アルコールまで（オクタノールを含む））に完全に溶解するため、アルコールと容易に反応する。実施例６および７において、エタノールおよび１−ブタノール中で反応させたコハク酸の転化率は、それぞれ６０．８％および５２．２％である。

カルボン酸塩の特定の溶媒への溶解性がエステル化プロセスに影響を与える可能性がある。遊離酸の溶解性の方が高いので、酸の官能性を有しないカルボン酸の塩よりも反応性が高くなる。したがって、２組の反応を比較すると、対応するエステルの収率は対照試料よりも大幅に高くなる傾向がある。実施例４〜７の反応における対応するジエステルの収量は実施例１〜３よりもはるかに高い。カルボン酸自体は、本運転温度および圧力条件下でエステル化反応を触媒するのに十分であろう。本方法に従うエステル化を上首尾に行うために基質の溶解性を調整することが可能である。

本発明を、実施例を用いて一般的におよび詳細に説明してきた。当業者らは、本発明が必ずしも具体的に開示された実施形態に制限されるわけではなく、以下に示す特許請求の範囲に定義された本発明の範囲またはその均等物（本発明の範囲内で使用することができる現時点において知られているかまたは今後開発される他の均等な構成要素を含む）から逸脱することなく修正および変形を行うことができることを理解する。したがって、変更が本発明の範囲を逸脱しない限り、その変更も本明細書に包含されると見なすべきである。

Claims (40)

1. 発酵培養液由来のカルボン酸を回収および使用するためのプロセスであって：ａ）少なくとも１種の遊離カルボン酸を含み、ｐＨが５未満である、発酵培養液を得る工程と；ｂ）遊離カルボン酸を含む前記発酵培養液を粉末に乾燥させる工程と；ｃ）前記粉末中の前記カルボン酸と、アルコールとを、ＣＯ_２雰囲気中、他の酸触媒の不在下に、前記アルコールまたはＣＯ_２の少なくとも一方の超臨界、臨界または臨界近傍条件に相当する反応温度または圧力のいずれか一方または両方で反応させることにより、エステルを合成する工程と、を含むプロセス。
2. 遊離カルボン酸に戻すために前記エステルを変換する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記発酵培養液が細胞塊および不溶な化合物を含み、前記細胞塊および不溶な化合物を除去するために、乾燥工程前またはエステル合成後のいずれかにおいて前記発酵培養液を濾過する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
4. 前記エステルを濃縮する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記発酵培養液が連続式発酵プロセスの一部であり、前記不溶な化合物を前記発酵培養液に戻して再利用する工程をさらに含む、請求項３に記載のプロセス。
6. 前記発酵培養液がバッチ式発酵プロセスの一部であり、前記不溶な化合物を第２の発酵反応器に戻して再利用する工程をさらに含む、請求項３に記載のプロセス。
7. 前記アルコールが、少なくとも、飽和、不飽和、環状脂肪族または芳香族であるＣ_１〜Ｃ_２０のＲ基を有する、請求項１に記載のプロセス。
8. 前記アルコールがＣ_２〜Ｃ_６ジオールである、請求項１に記載のプロセス。
9. 前記カルボン酸が：ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、デカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、およびＣ_１５〜Ｃ_１８脂肪酸、フマル酸、イタコン酸、リンゴ酸、コハク酸、マレイン酸、マロン酸、グルタル酸、グルカル酸、シュウ酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、グルタコン酸、オルトフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、クエン酸、イソクエン酸、アコニット酸、トリカルバリル酸およびトリメシン酸から選択される、請求項１に記載のプロセス。
10. 前記カルボン酸が多価カルボン酸である、請求項１に記載のプロセス。
11. 前記多価カルボン酸がジカルボン酸またはトリカルボン酸である、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記合成されたエステルが主として少なくともジエステルである、請求項１１に記載のプロセス。
13. 前記反応温度が１５０℃〜２５０℃であり、前記圧力が４００ｐｓｉ〜３，０００ｐｓｉである、請求項１に記載のプロセス。
14. 前記遊離カルボン酸が、ハロゲン化アシルを生成するためのハロゲン化物を用いた活性化に付されない、請求項１に記載のプロセス。
15. 前記発酵培養液のｐＨが１．５〜４．５の範囲にある、請求項１に記載のプロセス。
16. 前記乾燥工程が、噴霧乾燥、ドラム乾燥または凍結乾燥の少なくとも１つによる、請求項１に記載のプロセス。
17. 前記遊離カルボン酸が、少なくとも２価の酸、３価の酸または多価酸を含み、アルコールとの前記反応による、対応する前記遊離カルボン酸の対応するエステルへの前記２価の酸、３価の酸または多価酸の転化率が最低でも５０％である、請求項１に記載のプロセス。
18. 前記エステルを少なくとも９０％の純度に精製する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
19. 前記精製工程が、結晶化、クロマトグラフィーまたは蒸留の少なくとも１つによる、請求項１８に記載のプロセス。
20. １，４−ブタン−ジオール（ＢＤＯ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）またはＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）の１種から選択される化合物を生成するために、前記エステルを水素化に供する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
21. バイオ燃料化合物を生成するために、前記エステルを水素化または水素化分解に供する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
22. 前記エステルが、医薬品成分、化粧品成分、食品成分、飼料成分またはポリマー材料にさらに変換される、請求項１に記載のプロセス。
23. 前記乾燥させた発酵培養液の粉末が、前記発酵培養液の供給元とは異なる場所に出荷される、請求項１に記載のプロセス。
24. エステルを合成するための前記反応が、前記発酵培養液の供給元から離れた異なる場所で実施される、請求項１に記載のプロセス。
25. 前記乾燥させた発酵培養液の粉末が、前記発酵培養液の供給元とは異なる場所に出荷される、請求項１に記載のプロセス。
26. 前記エステル合成が、前記発酵培養液の供給元から離れた異なる場所で実施される、請求項１に記載のプロセス。
27. 多価カルボン酸のエステル化方法であって：発酵培養液からの少なくとも１種の遊離カルボン酸の溶液を提供する工程と；遊離カルボン酸の前記溶液とアルコールとを、ＣＯ_２雰囲気中、他の酸触媒の不在下に反応させる工程と；前記遊離カルボン酸に対応するエステルを生じるために、前記アルコールまたはＣＯ_２の少なくとも一方の超臨界、臨界または臨界近傍条件に相当する運転反応温度または反応圧力を選択する工程と、を含む方法であって、
    前記発酵培養液のｐＨが５未満である、方法。
28. 前記カルボン酸が多価酸である場合、前記反応温度および圧力条件が、モノエステル分子よりもジエステル分子の形成の方向に前記反応を優先的に進める、請求項２７に記載のエステル化方法。
29. 前記反応温度が１５０℃〜２５０℃であり、前記反応圧力が４００ｐｓｉ〜３，０００ｐｓｉであり、前記反応が１２時間まで実施される、請求項２７に記載のエステル化方法。
30. 前記反応温度が１８０℃〜２４５℃の範囲にあり、前記反応圧力が９５０ｐｓｉ〜２，４００ｐｓｉである、請求項２７に記載のエステル化方法。
31. 前記温度が２００℃〜２３５℃の範囲にあり、前記運転温度が１，０００ｐｓｉ〜２，３５０ｐｓｉである、請求項２７に記載のエステル化方法。
32. 前記多価カルボン酸が：フマル酸、イタコン酸、リンゴ酸、コハク酸、マレイン酸、マロン酸、グルタル酸、グルカル酸、シュウ酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸およびアゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、グルタコン酸、オルトフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、クエン酸、イソクエン酸、アコニット酸、トリカルバリル酸およびトリメシン酸から選択される、請求項２７に記載のエステル化方法。
33. 遊離カルボン酸の前記溶液が、前記カルボン酸のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩をさらに含む、請求項２７に記載のエステル化方法。
34. 前記遊離カルボン酸がジカルボン酸である、請求項２７に記載のエステル化方法。
35. 前記遊離カルボン酸が、前記カルボン酸のｐＫａよりも低いｐＨにおいて実施された発酵プロセスに由来する、請求項２７に記載のエステル化方法。
36. 前記エステルを精製する工程、および前記遊離カルボン酸を再生する工程をさらに含む、請求項２７に記載のエステル化方法。
37. 前記エステルが、医薬品成分、化粧品成分、食品成分、飼料成分、ポリマー材料またはバイオ燃料にさらに変換される、請求項２７に記載のエステル化方法。
38. 農産物またはバイオマスを処理する方法であって：前記農産物またはバイオマスから炭水化物を得る工程と；発酵培養液を生成するために、前記炭水化物を発酵させる工程と；発酵培養液の粉末を生成するために、前記発酵培養液を乾燥させる工程と；前記発酵培養液の粉末を第２の処理用地に輸送する工程と；エステルを合成するために、前記第２の処理用地で、前記乾燥させた発酵培養液中の遊離カルボン酸と、アルコールとを、ＣＯ_２雰囲気中、他の酸触媒の不在下に、少なくとも前記アルコールまたはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界近傍条件に相当する反応温度および圧力で反応させる工程と、を含む方法であって、
    前記発酵培養液のｐＨが５未満である、方法。
39. 前記第２の処理用地が、前記発酵培養液の粉末から得ることができる製品の需要元により近接した場所に位置する、請求項３８に記載の方法。
40. そこから製品を製造するために、前記合成されたエステルを変換する工程をさらに含む、請求項３８に記載の方法。

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