JP6230617B2 - 生物学的に誘導されたカルボン酸エステルからの水素化生成物 - Google Patents

Description

優先権主張
本出願は、２０１２年１２月２０日に出願された米国特許仮出願第６１／７３９，７８４号の優先権の利益を主張するものであり、その内容は本明細書中に組み込まれるものとする。

本発明は、特定の化学物質を生成するためのプロセスに関する。特に、本発明は、カルボン酸のエステルから水素化生成物を生成するための方法に関する。

有用で重要な化学的化合物として、１，４−ブタンジオール（BDO）およびγ−ブチロラクトン（GBL）が、多くの工業および商業用途で利用されている。例えば、ＢＤＯは、ポリエーテルジオール、ウレタンポリマーおよびポリエステルポリマーなどの一般的な工業および市販製品に使用される中間体であり、または可塑剤、印刷インキのキャリア溶媒および洗浄剤として使用される。ＧＢＬは、ピロリドンの製造における化学的中間体として大いに使用される。溶解性が高いという特性から、ＧＢＬの他の使用法としては、染み抜き剤、ペンキ剥離剤、強力接着剤リムーバーまたはエレクトロニクスおよびハイテクノロジー産業における回路基板用の洗浄剤が挙げられる。その他の用途としては、除草剤の生産が挙げられ、さらに医薬品の生産における加工助剤としての用途が挙げられる。

ＢＤＯの従来の工業的合成では、１９３０年代にＩＧ ＦａｒｂｅｎのＷａｌｔｅｒ Ｒｅｐｐｅがもともと開発したとおり、アセチレンが２当量のホルムアルデヒドと反応して、ブタ−２−イン−１，４−ジオールとしても知られる１，４−ブチンジオールを形成する。１，４−ブチンジオールの水素化により、１，４−ブタンジオールに変換（covert）される。アセチレンの取り扱い要件により、長年にわたり、選ばれた少数の製造業者しかＢＤＯの生産を行えなかった。しかしながら、ＢＤＯおよびその誘導体（テトラヒドロフラン（THF）、GBLなど）の価値が新規のプロセスを開発するための相当な努力に拍車をかけ、その結果、無水マレイン酸／マレイン酸を経由するｎ−ブタンからのさまざまな経路とともに、ブタジエンのアセトキシル化および（プロピレンオキシド由来の）アリルアルコールのヒドロホルミル化を含む多数のさらなるプロセスがもたらされた。

Ｄａｖｙ ＭｃＫｅｅ Ｌｔｄ．，が開発したプロセスによるＢＤＯの工業的合成には、中間体のメチルエステルを経由した、ブタン由来の無水マレイン酸のＢＤＯへの変換が含まれる。特に、Ｄａｖｙプロセスは、３つの処理段階で無水マレイン酸（MAH）を１，４−ブタンジオール（BDO）、テトラヒドロフラン（THF）およびガンマブチロラクトン（GBL）に変換する。まず、溶融したＭＡＨがメタノールと混合され、発熱反応をしてマレイン酸モノメチルを形成し、知的所有権下にある酸性樹脂触媒を使用して、これがマレイン酸モノメチルからマレイン酸ジメチル（DMM）に変換される。マレイン酸ジメチルがコハク酸ジメチル（DMS）に水素化され、その後、一連の反応により、ＤＭＳがガンマブチロラクトン（GBL）に変換され、その後、ＢＤＯおよびＴＨＦに変換される。最後に、粗生成物は蒸留によって市場品質のＢＤＯおよびＴＨＦに精製される。ＭＡＨのエステル化段階に再利用するためにメタノールが回収され、水素化に再利用するためにＤＭＳおよびＧＢＬが回収される。

近年、天然ガスまたは石油化学製品由来の炭化水素原料から離れることへの関心が高まるにつれ、製造業者は再生可能で持続可能な「グリーン」材料供給源を見つけることに的をしぼってきている。多くは生物学的に誘導された炭化水素供給原料およびその関連する誘導体を、ＢＤＯを合成するための系と融合させるプロセスを開発しようと試みてきたが、どこもそれには成功していない。今のところ、生物学的に誘導された炭素供給源を生成する主な方策は、糖およびその他の植物ベースの炭水化物を発酵によってカルボン酸に変換するものである。カルボン酸は、より容易に他の化学物質に変えられる。現在、カルボン酸は、遊離酸の代わりに塩として発酵ブロスから回収されている。遊離酸を単離し、化学的転換のためのカルボン酸を調製し、未処理の酸を有用な化合物に変換するため、発酵後のいくつかの異なる工程、下流プロセシングが必要とされる。これらの工程には、コスト高、大量の副生成物つまり廃棄物の形成および容易な大量生産に対する規模の経済の限界を含むさまざまな欠点が明らかになってきた。

したがって、リンゴ酸またはコハク酸などのさまざまなカルボン酸を回収するさらに優れたさらに直接的な方法に対する要望が存在し、この方法は、生物学的に誘導された炭化水素原料と、水素化によるＢＤＯおよびその誘導体などのさまざまな生成物の生成とを組み合わせる好結果の経路を提供することができる。

本発明は、水素化生成物を生成するためのプロセスの一部に関する。本プロセスは、ａ）少なくとも１種の遊離有機酸、または有機酸の混合物、または少なくとも１種の遊離有機酸およびその有機酸の関連するアルカリもしくはアルカリ土類金属塩の混合物を含む発酵ブロスを得る工程と；ｂ）遊離有機酸を含む発酵ブロスを乾燥して粉末にする工程と；ｃ）ＣＯ_２雰囲気中、あらゆる他の外来の触媒の実質的不在下において少なくとも異なるアルコール混合物もしくは組み合わせを含むアルコールまたはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界に近い条件に相当する反応温度および圧力でこの粉末中のこの有機酸をアルコール溶媒と反応させてこの有機酸からエステルを合成する工程と；ｄ）少なくとも１種のこのエステルを水素化してそこから水素化生成物を形成する工程とを含む。対応する遊離有機酸から本方法によって生成できる水素化生成物は、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）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（NMP）、２−ピロリドンのうちの任意の１種または複数を含んでもよい。これらの水素化生成物をもたらすために使用されるエステルとしては、モノエステル、ジエステルまたはトリエステルが可能である。水素化工程のエステル供給材料は、主に発酵ブロス中にある有機酸のジエステルまたはトリエステルからなるのが好ましい。

別の観点から、本発明は、発酵系から回収され水素化に供されるカルボン酸エステルを使用した、炭素供給原料の流れを形成するためのプロセスを提供する。

エステル化反応温度は、約１５０℃〜約２５０℃の間であり、操作反応圧力は、約４００ｐｓｉ〜約３，０００ｐｓｉ（ゲージ）の間である。所望の結果に応じて、エステル化反応は、約４時間、最大約１２時間行ってもよい。

別の態様において、本発明は、農産物またはバイオマスを処理する方法に関する。本方法は、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て発酵ブロスを生成する工程と、発酵ブロスを乾燥して発酵ブロス粉末を生成する工程と、発酵ブロス粉末を第２の処理拠点に輸送する工程とを含む。第２の処理拠点は、発酵ブロス粉末から誘導可能な生成物に対して需要のあるところに近接して位置してもよく、発酵ブロス粉末は、第２の拠点で処理されてそこから生成物を生成する。

本方法のさらなる特徴および利点を以下の詳細な説明に開示する。当然のことながら、前述の概要ならびに以下の詳細な説明および実施例の両方は、単に本発明の代表的なものであり、特許請求される本発明を理解するための概要を提供することを意図している。

発酵ブロスから誘導された有機カルボン酸をエステル化するための反復される本プロセスの一巡ならびに得られたエステルを単離することができ、および／またはそのようなエステルから他の化合物生成することができる、さらなる下流プロセスを示す概略図である。 本プロセスの実施形態の一部による、発酵由来のコハク酸を使用したエステル生成の例ならびにＮａおよびＭｇ塩が発酵反応器に戻され再利用される、下流プロセスを示す概略図である。 本発明による、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さまざまなアルコール中における遊離コハク酸のＣＯ_２が促進するエステル化を説明する図である。 その他のポリカルボン酸のＣＯ_２が促進するエステル化を説明する図である。 発酵ブロス由来の遊離コハク酸のＣＯ_２が促進するエステル化についての温度の差異の概要を示す一連の反応図である。 本発明による遊離有機酸のＣＯ_２が促進するエステル化についての初期操作圧力の差異の概要を示す一連の反応図である。 本発明による遊離有機酸のＣＯ_２が促進するエステル化についての温度および反応時間の差異の概要を示す一連の反応図である。 コハク酸ならびにそのＭｇ^２＋およびＣａ^２＋塩の反応の結果の概要を示す一連の反応図である。

セクションＩ．−説明
Ａ．
本開示は、糖またはその他の植物ベースの炭水化物など、生物学的に誘導された炭素源から１，４ブタンジオール（BDO）、γ−ブチロラクトン（GBL）、テトラヒドロフラン（THF）およびそれらの誘導体などのさまざまな水素化生成物を生成するためのプロセスを一部記載する。このプロセスは、発酵ブロスから有機酸を回収する能力と、その酸を水素化反応のための供給原料として使用する能力とを合わせて能率的な手順にしたものである。本プロセスは、比較的効率的で費用効率の良い様式でカルボン酸をその対応するエステル（例えば、モノエステル、ジエステルまたはトリエステル）に変換する方法を含む。

特に、本プロセスは、任意選択により関連するアルカリまたはアルカリ土類金属塩（例えば、ナトリウム、カリウムもしくはマグネシウム塩）を含む、対象の遊離有機酸の混合物を含む、細胞塊および不溶性化合物が除去されたかまたはされていないかのいずれかの発酵ブロスを得る工程と；遊離有機酸を含む未処理または不純物が除去された発酵ブロスを粉末に乾燥する工程と；ＣＯ_２雰囲気中、あらゆる他の酸触媒の実質的不在下において、アルコールおよび／またはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界に近い条件に対応する反応温度および圧力で粉末中の有機酸をアルコールと反応させてエステルを合成する工程と；エステルを水素化に供して水素化生成物を形成する工程とを含む。本明細書中で使用される場合、「遊離カルボン酸」という用語は、そのｐＫａ値以下において溶液中で少なくとも５０％がそのプロトン化状態であるカルボン酸化合物を指す。本発明は、有機酸からエステルを生成するための簡単だが効率的な方策の発見を含み、これは、別の方法では、単離するために費用がかかり困難である。本明細書中で使用される場合、「実質的不在」という用語は、別の酸触媒がおおかたもしくは完全にないか、または触媒の効力に満たない僅少もしくは微量で存在するかのいずれかの状態を指す。言い換えると、他の酸触媒が存在しないか、または反応物中のカルボン酸に対して１０％、５％、３％もしくは１％重量／重量未満の量で存在する。

図１は、得られたエステルを利用できる、さらなるプロセスが組み込まれた本エステル化反応のタイプを含む、発酵ブロスから有機酸を抽出する概括的なプロセスを示す概略図である。示されるとおり、反応器の発酵ブロス１は（限外）ろ過３されて細胞塊などの生物材料が除去され、その塩、副生成物およびその他の化合物を含む有機酸が得られる。こうした材料のすべては、その後、乾燥３ａされて、未精製の混合物５を生成する。この乾燥された材料の混合物は、その後、アルコール（Ｒ−ＯＨ；Ｒ＝アルキルＣ_１〜Ｃ_１２）およびＣＯ_２を含む液体系中において高い操作反応温度および圧力で反応７させられて、モノエステルもしくはジエステルのいずれか、またはその両方の混合物が得られる。溶液中では有機酸のみが反応する。得られた混合物９がろ過１１されて、エステル１３とその他の副生成物１５とを分離する。エステルが可溶性であるのに対して、その他の副生成物の化合物は不溶性である。副生成物は、カルシウム、マグネシウムまたはナトリウムの炭酸塩を含み、それらは、回収することができ、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、大幅に費用を節減することができ、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。エステルは、その後、異なるエステル同士を分離させ、本明細書中で論じる水素化生成物（例えば、BDO、GBL、NMPなど）などのＣ_４基本骨格化合物およびバイオ燃料（例えば、エタン、エタノール、ブタン、ブタノール、プロパン、プロパノールなど）を生成するために蒸留２１、水素化２３または水素化分解処理２５のいずれかによってそれぞれ処理することができる。

本明細書中で使用される場合、「バイオ燃料」という用語は、植物、セルロースまたは農業バイオマスもしくはその誘導体などの再生可能な生物学的供給源から生成され、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、バイオ燃料は、特定の機械に動力を供給するために内燃機関の輸送用燃料中にもしくは輸送用燃料として、またはエネルギー生成用途で使用することができる材料を指す。例えば、エタノールとほとんど同じようにプロパノールおよびブタノールも、ガソリン添加剤となり得る。液化石油ガス（LPG）中のブタンおよびプロパンならびに天然ガス中のエタンは、特定の輸送システムの燃料として適合可能である。オクタノール／オクタンまたはＣ_５もしくはＣ_６より大きいアルカンのような生物学的に誘導された他の炭化水素がバイオ燃料になることもある。

発酵ブロス由来の遊離有機酸から化学的供給原料分子（例えば、BDO、GBL、THFなど）を生成するために、回収プロセスおよびエステル化方法が利用されてもよい。本発明の利点は、発酵ブロスからの従来の抽出に必要とされるような、ブロスからの酸の単離または精製をする必要なく、発酵ブロス由来の遊離有機酸を直接使用し、そこから対応するエステルを生成することができることである。

有機酸をその塩に中和または変換する特定の発酵プロセスと比較して、本プロセスは、発酵ブロスから有機酸を単離および抽出するための簡単な方策を提供する。本プロセスは、金属塩を沈殿させることができる発酵ブロスの滴定および中和ならびに原料の基礎となる化学物質を生成するための特定の精製工程の必要性を省く。遊離有機酸は、高価で複雑なクロマトグラフィーの分離カラムもしくは樹脂を使用せず蒸留またはその他の精製技術によって処理および抽出することがより容易であるエステルに変換される。例えば、従来のプロセスでは、酸を単離するためにイオン交換クロマトグラフィーを使用する必要があった。イオン交換の後に少量の塩が持ち越されるのが避けられないこともある。したがって、酸を許容される品質レベルにまで精製するために複数単位の操作が必要とされる場合もある。追加の各操作単位のために、全体的なプロセスのコストが増加する。酸のエステルを合成する本プロセスと対照的に、炭酸塩または水酸化物として塩を回収することができ、これは、発酵ブロスを再生するために使用することができ、廃棄物を最小限にすることができる。むしろ、本プロセスの利点は、合成副生成物を発酵ブロスに直接戻してさらに再利用してもよいことである。有機酸を対応するエステルに変換することによって、かかる問題を避けることができる。

Ｂ．
従来、酸触媒の存在下でカルボン酸がアルコールとともに加熱されると、エステルが生成される。酸とアルコールからエステルが形成されるメカニズムは、エステルの酸触媒加水分解の工程の逆である。この反応は、使用される条件によっていずれかの方向に進むことがある。一般的なエステル化プロセスでは、強酸が触媒として使用されない限り、カルボン酸はアルコールとは反応しない。この触媒は、通常、濃硫酸または塩化水素である。プロトン化は、カルボニル基を求電子性にし、カルボニル基が弱い求核剤であるアルコールと反応できるようにする。

おおまかに、本エステル化方法は、ＣＯ_２雰囲気中、あらゆる他の酸触媒の実質的不在下における、発酵由来の遊離有機カルボン酸とアルコールとのエステルを生成するための反応を含む。このエステル化反応は、アルコールおよび／もしくはＣＯ_２のいずれかの超臨界、臨界または臨界に近いいずれかの温度ならびに／または圧力である条件下において溶液中で行われる。そのような条件下では、ＣＯ_２が酸触媒を自己生成するか、またはその場で酸触媒として機能し、エステル化反応が終了したら、元に戻ると考えられる。エステル化に至らせ、エステル生成に影響を及ぼすのに十分なほど多量の反応性の中間体（モノアルキル炭酸）がその場で生成されていると考えられる。遊離有機酸と同様のｐＫａ（例えば、約４〜５）を有するこの中間体は、炭酸として機能し、これは、通常の強酸よりもかなり弱い。より高温で大量のエステル変換に見られる傾向としては、このプロセスの活性化のための相対的に大きなエネルギーが挙げられる。

本発明のプロセスの有利な特徴は、一部の他の技術とは異なり、アシルハロゲン化物（例えば、フッ化物、塩化物、臭化物）としての遊離カルボン酸の活性化または強い鉱酸を使用することによる活性化が必要ないことである。アシルハロゲン化物を使用すると不都合がある。その理由は、こうした化学種は、本質的に反応しやすく、安定性、廃棄物処理の問題があり、作製するのが厄介で高価になるためである。

本プロセスでは、通常の強酸の代わりに触媒として機能する二酸化炭素により、エステル化反応に強酸を投入する必要性が解消される。この特徴により、触媒的な酸を除去するために通常必要なｐＨ値の調節を回避することができ、さらに簡単で不純物の少ない合成が可能になる。アルカリもしくはアルカリ土類金属炭酸塩またはその他の塩を除去するために、単に、得られた生成物のろ過に進むことができる。不純物の少ない生成物により、精製およびその他の化学的供給原料への変換のための下流プロセシングのコストが節減されることになる。

本明細書に記載されるプロセスは、さらに環境にやさしいエステル生成の方策である。二酸化炭素は、エステル化反応の間にアルコールの存在下において、その場で酸触媒を自己生成することができると考えられるとおり、本方法は、別の酸触媒化学種を使用または添加する必要がない。言い換えると、ＣＯ_２を単独で用いた反応速度が、あらゆる他の酸触媒の実質的不在下においてエステル化に至らせることができる。繰り返すと、本プロセスは、例えば、塩化アシルとしての遊離酸の活性化または強酸による活性化（すなわち、フィッシャーエステル化）を必要としない。

一般に、本エステル化は、約１５０℃〜約２５０℃の間の操作または反応温度、約４５０ｐｓｉまたは５００ｐｓｉ〜２，５００ｐｓｉまたは３，０００ｐｓｉ（ゲージ）の間の反応圧力で、約４時間、最大約１２時間などの長時間行われる。一般に、温度は、約１７０℃または１９０℃〜約２３０℃または２４５℃の間の範囲（例えば、１７５℃、１８７℃、１９５℃もしくは２１５℃）であってもよく、操作圧力は、約９００ｐｓｉまたは９５０ｐｓｉ〜約２，２００ｐｓｉまたは２，４００ｐｓｉの間（例えば、９６０ｐｓｉ、９８０ｐｓｉ、１０２０ｐｓｉもしくは１０５０ｐｓｉ）である。あるいは、温度は、約１８０℃〜約２４５℃の間の範囲（例えば、約１８５℃または２００℃または２１０℃〜約２２０℃または２３５℃または２４０℃）であってもよく、操作圧力は、約１０００ｐｓｉ〜２，３５０ｐｓｉの間（例えば、１，１００ｐｓｉ、１，２００ｐｓｉ、１，５５０ｐｓｉ、１，７５０ｐｓｉ、１，８１０ｐｓｉまたは１，９００ｐｓｉ）である。その他の温度は、例えば、約１６０℃または１８５℃〜約２１０℃または２２５℃の範囲内であってもよく、その他の操作圧力は、例えば、約１，１５０ｐｓｉまたは１，５００ｐｓｉ〜約１，８００ｐｓｉまたは２，０００ｐｓｉの範囲内であってもよい。

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、臨界または臨界に近い条件に相当する。表１に、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）についての臨界のパラメータを例証の目的で列挙する。

臨界点（すなわち、臨界温度および／または圧力）を超える条件において、流体は、超臨界相の状態で存在し、この場合、流体は、液体と気体の間の特性を呈する。さらに具体的には、超臨界流体（SCF）は、液体のような密度ならびに気体のような輸送特性（すなわち拡散率および粘度）をもつ。このことは、こうした特性の一般的な値を、従来の液体、超臨界流体および気体の３つの流体タイプの間で比較した表２からわかる。

同様に、「臨界に近い」とは、少なくともアルコール化学種またはＣＯ_２ガスの温度または圧力のいずれかが、それらそれぞれの臨界点未満であるが、臨界点から１５０Ｋの範囲内（例えば、５０〜１００Ｋの範囲内）または２２０ｐｓｉの範囲内（例えば、３０〜１５０ｐｓｉの範囲内）である条件を指す。温度および圧力が臨界に近い、臨界または超臨界条件に達すると、試薬の溶解度が増し、これがエステル化反応を促進すると考えられる。言い換えると、ＣＯ_２ガス、アルコールおよび酸または塩化学種は、臨界に近い、臨界または超臨界条件下の方が過酷さがましな条件下よりもよりよく相互作用できる。反応は、アルコール化学種およびＣＯ_２ガスの両方が臨界に近い、臨界または超臨界条件にある必要はなく、むしろ、反応は、化学種のいずれか一方がそのような条件を満たす限り機能する。

本エステル化反応は、それぞれ最大約２５０℃および３，０００ｐｓｉのさらに高温および高圧において最大約１０または１２時間までの反応時間で、操作される場合、反応時間が約１８〜２０時間であった以前よりも短い反応時間内で相対的に優れた選択性および純度のレベルの大量のエステル生成物を生成することができる。低い操作温度（＜１９０℃）では、ポリカルボン酸のモノエステル分子を形成するのがより一般的であるのに対し、１９０℃または１９５℃以上の温度での反応では、ポリカルボン酸がジエステルに選択的に変換されることになる。約１９０℃または１９５℃または２００℃〜約２４５℃または２５０℃のさらに高い範囲の温度を選択することによって、反応をさらに高速のジエステル変換に選択的に至らせることができる。このエステル化により、最低約５０％、望ましくは、少なくとも６５％または７０％の有機酸のジエステルが得られる。超臨界またはそれに近い操作条件で行われる反応は、さらによい結果をもたらす傾向がある。メタノールについては約２３０℃または約２４０℃およびＣＯ_２については約３１℃／１０００ｐｓｉである臨界またはそれに近い条件で操作されると、約９０％以上、一般に約９３％または９５％の変換率を達成することができる。温度および反応時間のさまざまな組み合わせの変更を整合することによって高収率を達成することができ（例えば、より高温でより短い反応時間（例えば、１０もしくは１２時間未満、４〜８時間の間）または逆の場合も同様）、これは、現在のアプローチを上回る利点であり得る。最適化すると、２５０℃、同じかまたはそれを上回るＣＯ_２圧力下で行われるエステル化により、収率は、ほぼ定量的（すなわち、収率≧９５％）、例えば、最大約９８％、９９％または９９．９％の変換になるであろう。

下記の実施例に示すとおり、反応条件の差異は、より高温および／または長い反応時間を用いると、より多くのジエステル生成物を生成することができることを示唆している。一方、前述のとおり、温度のさまざまな変更は、同じ量のエステル生成物を生成するためにエステル化反応の継続時間に影響を与える可能性がある。本方法による反応は、重大な程の副産物を形成させない。したがって、カルボン酸およびその他の出発試薬の環化を避けることができる。本方法では、高温（すなわち、＞１４５℃または＞１５０℃）で起こりうるデカルボキシライゼーションの危険性が見られない。

カルボン酸を超える量のアルコール溶媒を使用すると、非常に不純物の少ないエステル化をもたらすことができる。本合成プロセスは、最初の純度が約７０％〜７２％の非常に不純物の少ないエステル生成物を生成する。これには、高温における標準的な酸が触媒するエステル化に通常見られることがある、酢酸またはギ酸などの低分子量の酸の分子転位または環式生成物などの大量の副産物の生成がともなわない。このエステルを精製して、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って達成できる。

一般に、得られるエステル生成物は、モノエステルもしくはジエステルのいずれかであり得、または両方の混合物を形成し得る。反応を一方またはもう一方のエステル形態のいずれかに向かうエステル化に至らせるよう制御することができる。例えば、反応を選択的にジエステル分子の形成に向かうエステル化反応に至らせる操作温度および圧力を選択してもよい。同様に、単一の有機酸化学種（例えば、コハク酸）または発酵ブロスに存在するか、もしくは発酵ブロスから誘導可能であり得る複数のさまざまな種類の有機酸（例えば、酢酸、クエン酸、乳酸、リンゴ酸、マレイン酸、コハク酸）の混合物のいずれかからエステルが形成されるかどうかを制御することができる。言い換えると、本エステル化反応によりさまざまな異なる種類のカルボン酸を使用して、さまざまな異なるエステルを生成することができる。こうしたエステルは、順に、単離され、下流化学プロセスにおいてさらに修飾され、特定の実施形態において、医薬用、化粧用、食物用、餌用、ポリマー材料などに有用な化合物に変換され得る。例えば、コハク酸エステルは、ポリブチレンスクシナート（PBS）など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では、触媒（ＣＯ_２）およびエステル化試薬（アルコール）の両方が遊離有機酸の量に対して過剰に存在する。反応が高温で行われる場合、その供給元（例えば、ガスタンクまたはドライアイス）にかかわらず、反応相の間には、ＣＯ_２は気相の状態でなければならない。反応装置が組み立てられているため、耐圧反応器は、気体ＣＯ_２形成のゆっくりとした昇華を可能にするので、密閉された耐圧反応器が使用される場合は、固体のＣＯ_２の添加が効果的である。これにより、ＣＯ_２の損失を最小限にすることができる。ＣＯ_２（すなわち、ＣＯ_２含有）雰囲気中において、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％であってもよく、都合良くは、約２５％または３０％、好ましくは５０％超であってもよい。さらに良好な反応結果にするためには、ＣＯ_２の濃度を最大にするべきである。望ましいＣＯ_２の濃度は、約７５体積％または８０体積％〜約９９．９体積％であり、典型的には、約８５体積％〜約９８体積％の間である。反応器に窒素（Ｎ_２）ガスまたは空気があっても差しつかえないが、ＣＯ_２以外の気体の濃度は小さな割合（＜５０％）または僅少量のいずれかに維持されるのが好ましい。

Ｃ_１〜Ｃ_２０のＲ基を有するあらゆる液体アルコールが溶媒試薬としての機能を果たすことができる。特定の実施形態において、アルコールのＲ基は、飽和、不飽和または芳香族化学種のいずれであってもよい。異なる種類のアルコールの混合物（例えば、Ｃ_１〜Ｃ_１２）も反応に使用することができるが、個々のＲ基に応じて対応する異なるエステルの混合物を生成することになる。一般的な有用性、安価であることおよび機構的単純さを考慮すると、メタノール、エタノール、プロパノールまたはブタノールなどのアルコールがエステル化反応の試薬として好適である。あるいは、一部の実施形態において、アルコールは、Ｃ_２〜Ｃ_６−ジオールであってもよい。ジオールを用いたエステル化により、容易に重合され得るモノマーまたは低分子量のオリゴマーを生成することができる。

例えば、以下のものから選択されるさまざまな異なる有機酸を使用することができる：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。有機酸は、それらの有機酸のアルカリ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）塩を含んでもよい。有機酸は、ジカルボン酸（dicarboyxlic acid）またはトリカルボン酸であるのが望ましい。

本プロセスは、連続的またはバッチプロセスのいずれかで副生成物を発酵ブロスに戻して再利用することによって、廃棄物の量を低減することができる。我々は、本エステル化プロセスにおいて、あらゆる他の酸触媒の不在下で遊離有機酸がアルコールおよびＣＯ_２と反応させられるとき、遊離したプロトン化形態の有機酸の方が対応する塩よりもアルコール溶媒への溶解度が高いことも発見した。同様の反応条件下で行われる、試薬として遊離有機酸を使用するエステル化反応は、試薬として塩化学種を使用する反応よりも約２〜３倍の量のジエステル生成物が得られることになる。この結果は、添付の図３Ｂ（遊離酸）の反応と図５Ａ（酸性塩）の反応ならびに表４の実施例２および３（酸性塩）と、実施例５および６（遊離酸）をそれぞれ比較するとわかる。差の要因は溶解度であると考えられる。例えば、メタノールおよびエタノールに対するマグネシウム塩の溶解度は、カルシウム塩の溶解度よりも著しく高いため、カルシウム塩の反応から得られる生成物は、対応するマグネシウム塩の出発試薬から生成される生成物よりもかなり少ない。

本発明は、ポリカルボン酸をエステル化するための方法を含む。本エステル化方法は、ＣＯ_２雰囲気中、あらゆる他の酸触媒の不在下において１種または複数の遊離有機酸の溶液をアルコールとともに準備し反応させる工程と；アルコールおよび／またはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界に近い条件に相当する操作反応温度または反応圧力を選択してエステルを得る工程とを含む。有機酸がポリカルボン酸である場合、この反応温度および圧力条件は、少なくともジエステル分子がモノエステル分子より多く形成される方へ選択的に反応を至らせる。回収プロセスと同様に、操作反応温度は、約１５０℃〜約２５０℃の間であり、操作反応圧力は、約４００ｐｓｉ〜約２，５００ｐｓｉの間である。所望の結果に応じて、最大約１２時間反応を行ってもよい。

Ｃ．
上記のエステル化プロセスを、炭素鎖供給原料の発酵に基づく生成に組み込んで、再生可能な原料由来のカルボン酸からエステルを形成するさらに簡便な方法を提供することができる。本発明は、生物学的に誘導されたカルボン酸が、簡単で費用効率の良いプロセスで発酵ブロスから回収され、エステルに変換され、その後、水素化プロセスに供されてＢＤＯ、ＧＢＬ、ＴＨＦおよびそれらの誘導体を生成することができる直接的な経路を提供する。

蒸留プロセスにより、アルコールを飛ばすことによってエステルを濃縮することができ、その後、エステル合成から生じた副生成物をろ過することができる。混ざった酸エステル生成物の混合物を、異なるエステル化学種の沸点に従って、さらに蒸留することにより、さまざまな個々のエステルを分離させることができる。例えば、表３は、本発明によるエステル生成物の混合物中に存在する可能性のある一般的なエステルのサンプルについての沸点を提供する。

残りの溶液中のエステルを回収した後の材料は、容易に使用可能な形態であり、エステル混合物を蒸留して、異なるエステル化学種とあらゆる残りのアルコールを分離させることができる。エステルが回収されたら、モノエステルをキレート剤へ変換するための前駆体として使用することができ、ジエステルを溶媒として使用することができる。

対応するエステルの形態で発酵から有機酸を回収することの利点は、エステルの下流プロセシングで消費されるエネルギーが遊離酸を水素化するよりも少なくてすむことである。本エステル化プロセスの別の利点は、他のアプローチと比較した場合、発酵由来のＣ_４化学的基本骨格の有機酸を精製するのは本プロセスの方が単純で簡単だとわかるであろう。本エステル化プロセスは、その他の不溶性材料からエステルを分離するための労力を簡素化し、かつ分離する必要のある塩の量も最小限にする。組み込まれたプロセスでは、有機酸のｐＫａ未満のｐＨにおいて操作される低ｐＨ発酵において生成される遊離酸および塩の組み合わせを、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を少なくすることができる。

図２は、反復される本エステル化プロセスの一巡を組み込んだ下流プロセシングの概略図を示す。特に、図２は、コハク酸または発酵ブロス由来の任意の他の種類の有機酸を使用し、これが抽出され、過剰なＣＯ_２の存在下でアルコールと反応させられてエステルを生成する例を示す。本プロセスの一巡によると、グルコース、コーンスティープリカーまたは他の糖およびＭｇ（ＯＨ）_２／ＮａＯＨが発酵反応器１に投入され、発酵２されて、カルボン酸が生成される。有機酸、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）ならびにその他の副生成物の混合物を含む発酵ブロス液４は、細胞塊８およびその他の不溶性物質を除去するためにろ過６される。この発酵は、高いｐＨ（例えば、ｐＨ約７または８）で開始し、発酵の過程で、ｐＨ値が約２〜３に低下する低いｐＨ値で行われる。塩および遊離酸が、例えば、塩と酸が約９：１ｗ／ｗ〜７：３ｗ／ｗの範囲の割合で存在する混合物を生成することになる。発酵ブロスは、有機酸のｐＫａ未満のｐＨ値（例えば、ｐＨ５）で発酵反応器から取り出される。一般に、発酵ブロスのｐＨ値は、約１．５〜約４．５の間の範囲である。

ブロス抽出物は、その後、乾燥１０され粉末にされる。乾燥の際、混合された酸ろ液は、可能な限り水分を除去しなければならない。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行われてもよい。一般のエステル化の場合と同様に、相対的に水分含有量が低いことが望ましく、そうでないと、可逆反応がジカルボン酸に戻る加水分解に向かうことになる。本プロセスでは、最大の残留水分含有量が約５重量％に維持されなければならない。水を３重量％未満含むサンプルでエステル収率が最大約９８または９９％にまで増加することが予想される。

乾燥粉末（平均水分含有量が約１ｗｔ．％〜５ｗｔ．％の間、望ましくは、≦３ｗｔ．％）は、その後、アルキル化剤として働くアルコール１４と、過剰なＣＯ_２中、約１８０℃〜約２５０℃の間の温度で約４時間以上反応１２させられて有機酸をエステル化する。この例では、コハク酸がメタノールおよびＣＯ_２中で反応させられて、コハク酸ジメチルを生成する。遊離有機酸とともに、発酵ブロス中にあったあらゆる残りの遊離アミノ酸もエステル化される。

カルボン酸エステルが生成され、収集された後、そのエステルを水素化プロセスに供給することができる。米国特許第７，４９８，４５０Ｂ２号（ジカルボン酸（dicarbocilic acids）および／または無水物の均質な水素化に関する）、同第６，４３３，１９３Ｂ号もしくは同第５，９６９，１６４号（無水マレイン酸の水素化によるテトラヒドロフランおよびγ−ブチロラクトンの生成のためのプロセスに関する）；米国特許第４，５８４，４１９Ａ号（Ｃ_４二酸のジ（Ｃ_１〜Ｃ_３アルキル）エステルの水素化を含む、ブタン−１，４−ジオールの生成のためのプロセスに関する）；英国特許出願第ＧＢ２２０７９１４Ａ号（マレイン酸エステルおよびフマル酸エステル（fumerate）からのブタン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の生成のためのプロセスに関する）；国際特許出願第ＷＯ８８００９３７Ａ号（マレイン酸ジアルキルの水素化によるブタン−１，４−ジオールおよびγ−ブチロラクトンの共生成のためのプロセスに関する）もしくは同第ＷＯ８２／０３８５４号（カルボン酸エステルの水素化分解のためのプロセスに関する）またはＳ．Ｖａｒａｄａｒａｊａｎらの論文「Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｕｐｇｒａｄｉｎｇ ｏｆ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ−Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ａｃｉｄｓ」、ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬ． ＰＲＯＧ． １９９９年、１５、８４５〜８５４ページに記載されるものなどの、さまざまな異なる方法、系およびそれらの変更により水素化が行われてもよく、上記開示のそれぞれの内容は、参照によってその全体を本明細書に組み込んだものとする。

図２に示される例のとおり、上で定義された反応温度および圧力パラメータに従ってメタノールと反応させた場合、コハク酸はエステル化されて（主生成物として）コハク酸ジメチル、ＮａＨＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３／Ｍｇ（ＨＣＯ_３）_２および過剰なメタノール１６を生成した。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。ＣａＳＯ_４とは異なり、炭酸塩は反応器１に戻して、連続的プロセスまたは新しいバッチプロセスのいずれかに再利用２２されてもよい。コハク酸ジメチルおよびメタノールは、さらに互いから分離２４され、メタノール１４は再利用２６される。その後、コハク酸ジメチル２８は、水素化３０されて、例えば、１，４−ブタンジオール（1,4-butane-ldiol）（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）を含むさまざまな異なる化学的生成物３２にされてもよい。

本プロセスの別の利点は、発酵生成物用の作物の輸送および処理を簡素化することができることである。例えば、乾燥した発酵ブロス粉末を用いると、湿ったまたは液体の原料を用いた作業に関連する問題から解放される。乾燥した発酵ブロス粉末は、発酵ブロスの作製または供給元と異なる場所に経済的に出荷することができる。これにより、エステル合成の反応を発酵ブロスの供給元とは異なる離れた場所で行うことができ、最終的な処理施設を置くことができる場所を地理的に広げることができる。

したがって、農産物またはバイオマスを処理するための方法に本明細書に記載されるエステル化プロセスを組み込むことができることも想定される。本方法は、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て発酵ブロスを生成する工程と、発酵ブロスを乾燥して、発酵ブロス粉末を生成する工程と、発酵ブロス粉末を第２の処理拠点に輸送する工程とを含む。この第２の拠点は、ブロス粉末から誘導可能な生成物に対して需要のあるところに近接して位置してもよく、ブロス粉末は、第２の拠点でエステル化および／または別の方法で処理されて、それから生成物を生成できる。

セクションＩＩ．−実施例
Ａ．
本エステル化方法に従って整えられた実施例は、遊離カルボン酸を発酵ブロスから単離するためのプロセスに組み込まれる。本方法は、概して以下の工程を含む：ａ）粗製発酵ブロスをろ過して、細胞塊およびその他の生物学的細片を発酵ブロスから除去する工程；ｂ）発酵ブロスを乾燥する工程；ｃ）乾燥した発酵ブロスを、約１５０℃、最大でアルコールおよび／またはＣＯ_２試薬の臨界に近いまたは臨界温度までの温度で、アルコールおよび／またはＣＯ_２試薬の臨界に近いまたは臨界圧力下において過剰なメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）またはエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）と反応させて、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工程；ｄ）反応生成物をろ過して、副生成物を除去する工程；ならびにｅ）エステルを蒸留することによって精製する工程。

発酵ブロスろ液を乾燥して、混ざった有機化合物の粉末を生成するためにすべてまたはほぼすべての水を除去した。噴霧乾燥機またはドラム式乾燥機を使用して、混ざった有機酸を含む未処理溶液をエアロゾル化して、乾燥して粉末にした。この乾燥粉末をアルコール溶媒に懸濁させる。この粉末を、本明細書に記載される条件に従ってアルコールと反応させて、モノエステルまたはジエステルのいずれかにエステル化する。

以下の実施例のそれぞれを、必要な変更を加えた、示されるとおりの反応温度、圧力、時間および／または酸化学種の差異以外は、以下の一般的なプロトコルに従って行った。フリーズドライしたコハク酸発酵ブロス（オフホワイトの粉末）１０グラムおよびメタノール３００ｇを、被覆され、Ｐａｒｒ反応器に固定された１Ｌのステンレス鋼容器に投入した。１１００ｒｐｍで機械的に撹拌しながら、反応容器の内部の頭隙をＮ_２でパージし、その後、ＣＯ_２によりまず４００ｐｓｉまで圧力をかけ、１８０℃に５時間加熱した。内部圧力を１８０℃において約１６５０ｐｓｉになるように確認した。反応時間後、室温になり、圧力が解放されるまで反応器本体を水浴で冷却した。異成分からなるその混合物を、その後、ろ過し、固体を、真空下において一晩乾燥した。その固体材料および溶液のサンプルは、ガスクロマトグラフィー／質量分析法（GC/MS）を使用した定量的分析であった。コハク酸ジメチルの収率は３１．９％と測定され、反応で消費される利用可能なコハク酸マグネシウムは９５％を超えた。この生成物の残部は、対応するモノエステルを残部の大部分として含んでおり、約６０％〜約６５％の範囲であった。

添付の図および表に示される反応が示すとおり、特定の温度および圧力パラメータを変更および選択することで、反応を選択的により多くのジエステル化合物が得られるようにさせる。本プロセスの特定の例では、エステル化反応により、５０％超、一般に、７０％または８０％超のコハク酸ジアルキル（di-akyl）またはリンゴ酸ジアルキル（di-akyl）が得られた。前述のとおり、未反応の材料および望ましくない生成物は、発酵反応器に戻して再利用される。続くモノエステルおよびジエステルの分離を結晶化によって達成した。

図３は、さまざまなアルコール中における遊離コハク酸のＣＯ_２が促進するエステル化の概要を示す一連のエステル化反応を示す。図３Ａは、４００ｐｓｉのＣＯ_２ガス中、１５０℃で５時間、メタノールと反応するコハク酸を示し、コハク酸ジメチルの収率が約３７％に達した。図３Ｂの反応では操作温度を１８０℃まで上げ、その他のすべてのパラメータは図３Ａと同じに保つと、コハク酸ジメチルの収量が２倍以上増加して約８１．２％になる。

図３Ｃは、１８０℃、本操作条件下におけるエタノール中での遊離コハク酸の反応を表わし、これは、約６０．８％の良好な収率でコハク酸ジエチルを形成する。図３Ｄでは、遊離コハク酸を１８０℃、操作条件下でｎ−ブタノール中において反応させ、これは、約５２．２％の収率でコハク酸ジブチルを形成する。これらの例は、異なる種類のアルコールを考慮して本エステル化反応の汎用性を実証するものである。

図４は、その他の種類のカルボンポリ酸のＣＯ_２が促進するエステル化の例を示す。図４Ａおよび４Ｂでは、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代えた。クエン酸トリメチルの収率が約２０．１％と妥当であり、これは、ＣＯ_２が促進するプロトコルは、トリカルボン酸に適用できることを実証するものである。リンゴ酸のジメチル類似体の収率は、約８４．３％と良好であった。したがって、新規のエステル化方法は、その他の酸を用いた一般的な使用に対しても実施可能である。

表４は、図５、６および７に示すとおりの本開示のエステル化方法に従って行われたいくつかの反応の結果の概要を示す。反応が行われた操作条件：Ａ）温度、Ｂ）圧力およびＣ）反応時間の差異に関して実施例の各セットを並べてある。各実施例において、基質として発酵ブロス由来のコハク酸を使用する。遊離酸および塩を含む、ろ過し不純物を除去したブロスを乾燥した後、メタノールおよびＣＯ_２と溶液中で反応させる（この反応は加熱されると、反応容器内の実際の操作温度および圧力が、本明細書中で提示した初期温度および圧力を上回ることがある）。

セットＡの３つの実施例では、４００ｐｓｉの初期ＣＯ_２圧力で５時間、以下の異なる温度下で反応を行った：実施例Ａ−１は１８０℃、実施例Ａ−２は２１０℃および実施例Ａ−３は２３０℃。酸のその対応するジエステルへの変換率は、操作温度が高くなるほど増加した。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ける温度変化の影響を示す。図５Ａでは、コハク酸のエステル化が約１８０℃の温度で５時間を超えて行われる。この反応は、約１３．９％のコハク酸ジメチルの収率をもたらした。図５Ｂは、反応時間は一定に維持するが、温度を約２１０℃にまで上げた場合の図５Ａと同じ反応を示し、これにより約４２．９％がもたらされる。図５Ｃは２３０℃における反応を示し、約７２．４％をもたらす。これにより、温度が上昇すると、反応速度が酸およびアルキル化剤のより完全な反応に向かわせ、ジアルキルエステルの収率を上げることが示唆される。臨界またはそれに近い温度および／または圧力条件で行われる反応により、少なくとも９５％、おそらく≧９７％または９８％の変換がもたらされる可能性がある。

セットＢおよび図６では、１８０℃の初期温度で５時間エステル化反応を行い、初期ＣＯ_２ガス圧力を以下のように変えた：実施例Ｂ−１は４００ｐｓｉ、実施例Ｂ−２は５００ｐｓｉおよび実施例Ｂ−３は６００ｐｓｉ。酸のその対応するジエステルへの変換率は中程度であり、収量は、統計学的に有意差を示さなかった。反応器中の初期ＣＯ_２ガス圧力は、酸のそのジエステルへの変換に大きな影響を及ぼさなかったが、反応の間の反応器中の操作圧力が収率への影響を示す。

セットＣおよび図７では、一定の圧力および温度でエステル化反応を行ったが、反応時間を変えた。実施例Ｃ−１は５時間、実施例Ｃ−２は２時間および実施例Ｃ−３は０．５時間。図８に示した実施例は、反応時間を長くする程、多量のジエステルが酸から変換されたことを示している。

図８は、濃度が約４％ｗ／ｗのコハク酸塩を使用したＣＯ_２が促進するエステル化反応の第１のセットを示し、これを表５において実施例１〜３として提示する。実施例１および２では、コハク酸およびそのマグネシウム（Ｍｇ^２＋）塩を、それぞれメタノールおよびエタノール中、２１０℃および１８０℃において５時間の反応時間で反応させた。これらの反応は、それぞれ約３３％のコハク酸ジメチルおよび約１％のコハク酸ジエチルを生成した。メタノールは、エタノールよりもコハク酸塩を溶解する能力が優れている。コハク酸マグネシウムのメタノールに対する溶解度は妥当な程度であるが、エタノールに対する溶解度は高温であっても限られたものである。したがって、コハク酸ジエチルの収率はごくわずかであった。実施例３は、コハク酸カルシウム（Ｃａ^２＋）を使用した１８０℃における５時間超の反応を示す。この反応は、約１．３３％の対応するコハク酸ジメチルしか得られない。実施例２および３の変換率が比較的低いことも、対応するアルカリ土類塩間の溶解度の差を強調するものである。コハク酸カルシウム塩は、高温であってもメタノールに不溶性である。ＣＯ_２実験に使用されたメタノールと塩のモル比は、メタノールとコハク酸マグネシウムについておよそ１１０：１であった。同様に、メタノールとその他のカルボン酸についての比は約１００：１であった。

本方法によるエステル化反応の他の実施例の結果を表５に示す。実施例１、２および３は、コハク酸の塩と比較してコハク酸の基質溶解度の重要性を実証するものである。実施例４〜７は、同様の様式で遊離コハク酸をメタノール、エタノールおよび１−ブタノール中で反応させた反応の第２のセットである。実施例８および９は、クエン酸およびリンゴ酸などのその他の有機酸を用いた反応が、それぞれ約２０％および８６％の比較的良好な収率を達成できることを示している。

遊離コハク酸はメタノール、エタノール、ブタノールおよび最大でオクタノール（Ｃ_８アルコール）を含むその他のアルコールに完全に溶解できるため、容易にアルコールと反応する。実施例６および７では、エタノールおよび１−ブタノール中で反応させられたコハク酸は、それぞれ６０．８％および５２．２％の変換がもたらされる。

特定の溶媒に対するカルボン酸塩の溶解度は、エステル化プロセスに影響を与える可能性がある。酸官能基がないカルボン酸塩よりも遊離酸の溶解度が高いことにより反応性が高くなる。したがって、２つの反応セットを比較すると、対応するエステルの収率が対照サンプルよりも著しく高くなる傾向がある。実施例４〜７の反応は、実施例１〜３の反応よりも著しく多い量の対応するジエステルをもたらした。この操作温度および圧力条件ではエステル化反応を触媒するのにカルボン酸自体で十分な可能性もある。本方法によるエステル化を好結果にするために基質溶解度を調節することができる。

Ｂ．
実施例：水素化
上で引用した参考文献に記載されるプロセスの１つと同様のプロセスを使用して、上記のエステル化プロセスから収集したカルボン酸エステルの直接的な水素化を行うことができる。例えば、コハク酸ジアルキルのＢＤＯ、ＧＢＬおよびＴＨＦへの水素化に金属銅触媒を使用することができる。以下に水素化プロセスの例を記載する。

銅塩を以下の担体（すべて−１６＋３０メッシュ）に湿式含浸することによって銅触媒を調製した： シリカ−アルミナ（９３％シリカ、７％アルミナ Sigma Chemicals）ならびに２つのクロマトグラフィー用シリカ（Phase Separations, Inc.）ＸＯＡ−４００およびＸＯＢ−０３０。所望の担持量になるよう硝酸銅を含む溶液１０ミリリットルを担体１０ｇに添加した。スラリーを室温で２時間撹拌し、その後、真空下において６０℃〜７０℃で２時間乾燥した。乾燥した固体を、その後、空気中、５００℃の炉で１１〜１２時間焼成して酸化銅を得た。その触媒材料を、その後、反応器に入れ、純粋な水素中、その場で２００℃、２００ｐｓｉｇにおいて３時間還元した。触媒担体を、反応の前後に窒素ＢＥＴ表面積法および水銀圧入法によって特徴づけた。担体の酸性度測定は、滴定剤としてｎ−ブチルアミンを使用し、指示薬としてｐ−ジメチルアミンアゾベンゼン（ｐＫａ＝３．９）を用いて無水ベンゼン中で行った。

３１６ステンレス鋼製の長さ１６７ｍｍ×内径５ｍｍ（i.d.）の円錐型密閉反応器（Autoclave Engineers, Inc.）に、石英フリットに担持された触媒１グラムを充填した。反応器は、ＯｍｅｇａシリーズのＣＮ−２０１０プログラマブル温度制御器によって制御されるクラムシェル型炉に囲まれたものとした。反応器の上部に３０ｗｔ％のメタノール溶液としてコハク酸ジメチルをＢｉｏｒａｄ ＨＰＬＣポンプを使用して供給した。反応器の上部に標準的なタンクおよび高圧調整器から水素ガスも供給した；反応器の排出口のガス流速を監視するためにロータメーターを使用した。液体の供給速度を０．０５ｍＬ／分に固定し、水素の速度を４００ｍＬ−ＳＴＰ／分に設定して毎時重量空間速度（WHSV）をＤＭＳ ０．９ｇ／ｇ触媒／ｈ、Ｈ_２／コハク酸エステル比を２００：１とした。

濃縮可能な生成物を、氷浴に浸した片口の１０ｍＬのＷｈｉｔｅｙサンプルシリンダーに収集した。３方弁を使用して反応生成物の方向を２つのサンプルシリンダーのいずれかに向けた：反応の間、濃縮可能な生成物を一定の時間、捕集装置に収集した後、その捕集装置を取り除き、計量し、その内容物を分析のために取り出した。収集シリンダーから出たガスはラプチャーディスクアセンブリを通過させ、背圧弁を使用して大気圧まで低下させた。ガスクロマトグラフィーを使用した分析のために気体生成物をガス袋に収集して、濃縮可能でない生成物形成を定量化した。

濃縮可能な生成物を、収集に続いて計量し、炎イオン化検出器およびＳｕｐｅｌｃｏ ＳＰＢ−１大孔径（０．５ｍｍ）キャピラリーカラムを備えたＶａｒｉａｎ３３００ガスクロマトグラフ（５０〜２００℃＠ １２℃／分、保持＠２００℃）において分析した。生成物濃度の計算を容易にするために内部標準として乳酸メチルを使用した。

実施例：水素化分解
上記の発酵抽出物から得られたエステルを、その後、触媒（例えば、還元されたＣｕＯ／ＺｎＯ）により水素化分解し、これにより、高い変換（＞９８％）および選択性（例えば、国際特許出願第ＷＯ８２／０３８５４号）が得られるはずである。

あるいは、米国特許第４，５８４，４１９号に記載されるプロセスなどのプロセスに従って処理することもできる。この反応には、２３１℃に維持されたオイルジャケットを備えたステンレス鋼を使用した。水素は、圧力調整器および流量制御器（図示せず）を経由させてラインを通して多数の鋼球を含む気化器の底の先端に導入した。エステルを、液体としてラインを通して気化器へ計量して供給した。結果として生じたエステルと水素の蒸気状の混合物を、予熱コイルを通過させて反応器に送った。反応器は、ガラス球の層を含むものとし、その上に触媒床を置いた。反応器の残りの部分をガラス球で満たし、凝縮器（図示せず）、その後、減圧弁に至る流出管に反応器の上端を取り付けた。湿式ガスメーターを使用して流出ガスの流速を凝縮器より下流で測定した。

粒状の亜クロム酸銅触媒３０ｍｌを反応器に投入し、その後、４２バールで窒素パージした。油浴の温度を摂氏２３１度まで上げた。その後、４２バールにおいてＨ_２が２％含まれるＮ_２の気体混合物を８時間触媒に通し、続いてＨ_２が１０％含まれるＮ_２（４２バールのまま）を、さらに１６時間通し、その後、純粋なＨ_２（また４２バールで）を追加で１２時間通した。

次に、コハク酸ジエチルを、０．２／ｈｒの毎時液空間速度に対応する速度で気化器に導入した。蒸気状の混合物中の水素ガス：エステルのモル比は３１３：１であった。砂浴の温度を２３１℃に維持した。Ｃｈｒｏｍｏｓｏｒｂ ＰＡＷ上に１０％のコハク酸ジエチレングリコールを含む長さが１．８２メートルで内径が３．１８ｍｍのステンレス鋼カラム、３０ｍｌ／分のヘリウムガスの流速および炎イオン化検出器を使用したガスクロマトグラフィーによって凝縮物を分析した。ピーク積分器を有するチャート式記録計を計器に取り付け、組成がわかっているマレイン酸ジエチル、コハク酸ジアルキル、ブチロラクトン、ブタン−１，４−ジオール、テトラヒドロフランおよび水の混合物を使用して測定した。流出ガスのサンプルも取り、同じ技術を使用したガスクロマトグラフィーによって分析した。観察された保持時間と問題の材料の真正の試料の保持時間の比較ならびに質量分析によってピークの同一性を確認した。反応混合物中に以下の化合物を検出した：コハク酸ジエチル、ブチロラクトン、ブタン−１，４−ジオール、テトラヒドロフランおよび水。２−エトキシテトラヒドロフランおよび２−エトキシブタン−１，４−ジオールを含む微量の重要度が低い副生成物も反応混合物中から検出された。得られた結果から、テトラヒドロフランが５２．２モル％の選択性、ｎ−ブタノールが１１．６モル％の選択性、ガンマ−ブチロラクトンが２６．１モル％の選択性およびブタン−１，４−ジオールが１０．１モル％の選択性でコハク酸ジエチルが円滑に生成物に変換され、残部は、重要度が低い副生成物であったことは明らかである。

本発明について、例によって概括的および詳細に記載してきた。当業者であれば、本発明は、必ずしも具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲、または本発明の範囲内で使用され得る現在既知のもしくは開発されることになるその他の同等の構成要素を含むそれらの均等物によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく変更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から逸脱しない限り、そうした変更は、本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (22)

1. 水素化生成物を生成するためのプロセスであって、ａ）少なくとも１種の遊離有機酸を含み、ｐＨが５未満である、発酵ブロスを得る工程と、ｂ）前記発酵ブロスを乾燥して粉末にする工程と、ｃ）ＣＯ_２雰囲気中、あらゆる他の外来の酸触媒の不在下において少なくともアルコールまたはＣＯ_２の超臨界、臨界または臨界に近い条件に相当する反応温度および圧力で前記粉末中の前記有機酸を前記アルコールと反応させてエステルを合成する工程と、ｄ）前記エステルを水素化して水素化生成物を形成する工程とを含む、プロセス。
2. 前記水素化生成物が、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）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（NMP）、２−ピロリドンのいずれかを含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 乾燥する工程の前またはエステル合成の後のいずれかに、前記発酵ブロスをろ過して細胞塊および不溶性化合物を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
4. 前記発酵ブロスをろ過してエステル合成から生じた不溶性副生成物を除去する工程と、前記エステルを濃縮する工程とをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 前記発酵ブロスが、連続的発酵プロセスの一部であり、前記不溶性化合物を前記発酵ブロスに戻して再利用する工程をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセス。
6. 前記発酵ブロスが、バッチ発酵プロセスの一部であり、前記不溶性化合物を第２の発酵反応器に再利用する工程をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 前記有機酸が、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、トリカルバリル酸ならびにトリメシン酸からなる群から選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 前記有機酸が、ポリカルボン酸である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 前記ポリカルボン酸が、少なくともジカルボン酸またはトリカルボン酸である、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記合成されるエステルが、主として少なくともジエステルである、請求項９に記載のプロセス。
11. 前記反応温度および圧力が、１５０℃〜２５０℃の間の温度、４００ｐｓｉ〜３，０００ｐｓｉの間の範囲の圧力である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプロセス。
12. 前記遊離有機酸をアシルハロゲン化物として活性化しない、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 前記発酵ブロスのｐＨが、１．５〜４．５の間の範囲である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記乾燥する工程が、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１〜１３のいずれか一項に記載のプロセス。
15. 前記有機酸が二酸であり、前記エステルの前記合成が、最低５０％の前記有機酸のジエステルへの変換をもたらす、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のプロセス。
16. 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。
17. 前記精製する工程が、結晶化、クロマトグラフィーおよび蒸留からなる群から選択されるものによる、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記アルコールがＣ_１〜Ｃ_２０のＲ基を有し、飽和、不飽和脂肪族または芳香族化学種のいずれかである、請求項１に記載のプロセス。
19. 前記水素化生成物をさらなる水素化または水素化分解に供してバイオ燃料化合物を生成する工程をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
20. 前記乾燥した発酵ブロス粉末が、前記発酵ブロス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。
21. 前記エステル合成が、前記発酵ブロスの供給元とは異なる離れた場所で行われる、請求項１に記載のプロセス。
22. 前記有機酸が少なくともＣ_４二酸であり、前記合成されるエステルが少なくともジエステルであり、前記水素化生成物が１，４−ブタンジオールである、請求項１に記載のプロセス。

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