KR20150096713A - 생물학적으로 유래된 카르복실산 에스테르로부터의 수소화 생성물 - Google Patents

생물학적으로 유래된 카르복실산 에스테르로부터의 수소화 생성물 Download PDF

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Abstract

저비용 고효율 발효 시스템에서의 유기산의 생성은 바이오매스로부터의 화학물질 생성에 대한 새로운 경로를 이용할 수 있게 한다. 발효 공정으로부터 직접 회수된 카르복실산 에스테르를 수반하는 수소화 생성물을 생성하는 공정이 기재된다.

Description

생물학적으로 유래된 카르복실산 에스테르로부터의 수소화 생성물{HYDROGENATION PRODUCTS FROM BIOLOGICALLY-DERIVED CARBOXYLIC-ACID ESTERS}
우선권 주장
본 출원은 2012년 12월 20일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/739,784호로부터 우선권의 이득을 주장하며, 이의 내용은 본 명세서에 포함되어 있다.
기술분야
본 발명은 특정 화학물질을 생성하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 카르복실산의 에스테르로부터 수소화 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다.
가치있고 중요한 화학적 화합물로서 1,4-부탄디올(BDO) 및 γ-부티로락톤(GBL)이 많은 산업적 및 상업적 용도에서 이용되고 있다. 예를 들어, BDO는, 통상의 산업적 및 상업적 생성물, 예컨대 폴리에테르 디올, 우레탄 중합체, 및 폴리에스테르 중합체에서 사용되거나 또는 가소제, 인쇄용 잉크 중 담체 용매, 및 세정제로서 사용되는 중간체이다. GBL의 중요한 용도는 피롤리돈의 제조에서 화학적 중간체로서의 용도이다. GBL의 강한 용해력(solvency) 특성으로 인한 이의 기타 다른 용도에는 전자공학 및 첨단기술 산업에서의 얼룩 제거제, 페인트 스트립퍼, 수퍼-글루 제거제, 또는 회로 기판용 세정제가 포함된다. 기타 다른 응용에는 제초체 생성 및 의약품 생성에서의 가공 보조제로서의 응용이 포함된다.
BDO의 종래의 산업적 합성에서는, 1930년대에 IG Farben사의 월터 레페(Walter Reppe)에 의해 원래 개발된 바와 같이, 아세틸렌이 포름알데하이드의 2 개의 등가물과 반응하여 1,4-부틴디올(부트-2-인-1,4-디올로도 알려짐)을 형성한다. 1,4-부틴디올은 수소화에 의해 1,4-부탄디올로 전환된다. 아세틸렌의 취급 요건은 수 년 동안 선정된 몇몇 제조업체만이 BOD의 생성을 실행할 수 있었다는 것을 의미하였다. 그러나, BDO 및 그의 유도체(테트라하이드로푸란(THF), GBL 등)의 가치는 새로운 공정 개발에 상당한 노력을 쏟아붓게 하였는데, 그 결과 n-부탄으로부터 말레산 무수물/말레산을 거치는 다양한 경로와 함께, 부타디엔 아세톡실화 및 (프로필렌 옥사이드로부터의) 알릴 알코올 하이드로포르밀화를 포함하는 다수의 부가 공정을 얻었다.
Davy McKee Ltd.사에 의해 개발된 공정에 따른 BDO의 산업적 합성은 부탄-유도 말레산 무수물을 중간체 메틸 에스테르를 거쳐 BDO로 전환시키는 것을 수반한다. 특히, 다비(Davy) 공정은 3 개의 공정 단계에서 말레산 무수물(MAH)을 1,4-부탄디올(BDO), 테트라하이드로푸란(THF) 및 감마 부티로락톤(GBL)으로 전환시킨다. 먼저, 용융된 MAH를 메탄올과 혼합하고 발열 반응하여 모노-메틸 말레에이트를 형성하고, 독점적인 산성 수지 촉매를 사용하여, 이를 모노메틸 말레에이트로부터 디메틸 말레에이트(DMM)로 전환시킨다. 이를 디메틸 석시네이트(DMS)로 수소화하고, 이어서 일련의 반응에 의해 DMS를 감마 부티로락톤(GBL)으로, 그리고 이어서 BDO 및 THF로 전환시킨다. 마지막으로, 조 생성물(crude product)을 증류에 의해 시판 품질의 BDO 및 THF로 정제하며; 메탄올은 MAH 에스테르화 단계로의 재순환을 위해 회수하고, 이와 함께 DMS 및 GBL은 수소화로의 재순환을 위해 회수한다.
최근 수 년, 천연 가스 또는 석유화학-유래 탄화수소 공급원으로부터 멀어지려는 쪽으로 관심이 증가함에 따라, 제조업체는 재생가능하고 지속가능한 "그린" 재료 공급원을 찾는 데 집중하였다. 생물학적으로 유래된 탄화수소 공급원을 BDO 및 그의 연관 유도체를 합성하기 위한 시스템과 결합시키는 공정을 개발하기 위한 많은 시도가 있어 왔지만, 어떠한 것도 그렇게 하는 데 성공하지 못했다. 현재, 생물학적으로 유래된 탄소 자원을 만드는 주된 방법은, 발효에 의해 당 및 기타 다른 식물-기반 탄수화물을 카르복실산으로 전환시키는 것이었다. 카르복실산은 기타 다른 화학물질로 더 용이하게 변환된다. 현재, 카르복실산은 발효 브로쓰(fermentation broth)로부터 유리 산(free acid)으로서 회수되는 대신 염으로서 회수된다. 발효후 하류 가공에서의 몇몇 상이한 단계들은 유리 산을 단리시키고, 화학적 변환을 위해 카르복실산을 준비시키며, 이러한 원료 산을 유용한 화합물로 전환시킬 것을 필요로 한다. 이들 단계는 고비용, 상당량의 부산물 폐기물(byproduct-waste)의 생성, 및 용이한 대량 생성을 위한 규모의 경제적 한계를 포함하는 다양한 불리한 점(disadvantage)을 나타내어 왔다.
그러므로, 다양한 카르복실산, 예컨대 말산 또는 석신산을 회수하고, 생물학적으로 유래된 탄화수소 공급원을 수소화에 의해 다양한 생성물, 예컨대 BDO 및 그의 유도체의 생성과 조합하기 위한 성공적인 경로를 제공할 수 있는 더 우수하고 더 직접적인 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 부분적으로 수소화 생성물을 생성하는 공정에 관한 것이다. 본 공정은 a) 적어도 하나의 유리 유기산, 또는 유기산들의 혼합물, 또는 적어도 하나의 유리 유기산 및 상기 유기산의 연관 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염을 함유하는 발효 브로쓰를 수득하는 단계; b) 유리 유기산을 함유하는 발효 브로쓰를 분말로 건조시키는 단계; c) 임의의 기타 다른 외부 촉매의 실질적인 부재 하에 CO2 분위기 하에서 적어도 상기 알코올(상이한 알코올들의 혼합물 또는 조합을 포함함) 또는 CO2에 대한 초임계, 임계 또는 근임계(near critical) 조건에 상응하는 반응 온도 및 압력에서, 상기 분말 상태의 상기 유기산을 알코올 용매와 반응시켜 상기 유기산으로부터 에스테르들을 합성하는 단계; 및 d) 상기 에스테르들 중 적어도 하나를 수소화하여 수소화 생성물을 형성하는 단계를 수반한다. 상응하는 유리 유기산으로부터 본 방법에 의해 만들 수 있는 수소화 생성물은, 예를 들어 1,4-부탄디올(BDO), 테트라하이드로푸란(THF), γ-부티로락톤(GBL), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 2-피롤리돈 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 수소화 생성물을 제공하는 데 사용되는 에스테르는 모노에스테르, 디에스테르, 또는 트리에스테르일 수 있다. 바람직하게, 수소화 단계로의 에스테르 공급물은 발효 브로쓰 내의 유기산의 디에스테르 또는 트리에스테르로 주로 구성된다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 수소화를 거치게 되는 발효 시스템으로부터 회수된 카르복실산 에스테르를 사용하여 탄소 공급원료 스트림을 생성하기 위한 공정을 제공한다.
에스테르화 반응 온도는 약 150℃ 내지 약 250℃이고, 작동 반응 압력은 약 400 psi 내지 약 3,000 psi(게이지)이다. 원하는 결과에 따라, 에스테르화 반응은 약 4시간, 최대 약 12시간 동안 진행될 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 농업 생성물 또는 바이오매스를 가공하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 농업 생성물 또는 바이오매스로부터 탄수화물을 수득하는 단계, 탄수화물을 발효시켜 발효 브로쓰를 생성하는 단계, 발효 브로쓰를 건조시켜 발효 브로쓰 분말을 생성하는 단계, 및 발효 브로쓰 분말을 제2 가공 현장으로 수송하는 단계를 포함한다. 제2 가공 현장은 발효 브로쓰 분말로부터 유도가능한 생성물에 대한 수요 근원지에 더 가까이 위치될 수 있으며, 발효 브로쓰 분말은 제2 현장에서 가공되어 그로부터 생성물을 생성할 수 있다.
본 방법의 추가 특징 및 이점이 하기의 상세한 설명에서 개시될 것이다. 전술된 개요와 하기의 상세한 설명 및 실시예 둘 모두는 단지 본 발명을 대표할 뿐이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 이해하기 위한 개관을 제공하고자 하는 것으로 이해된다.
도 1은 발효 브로쓰로부터 유래된 유기 카르복실산을 에스테르화하기 위한 본 공정, 및 생성된 에스테르를 단리하고/단리하거나 그러한 에스테르로부터 기타 다른 화합물들을 생성할 수 있는 추가 하류 공정들의 반복 실시(iteration)를 예시하는 개략도이다.
도 2는 발효로부터 유래된 석신산을 사용하는 에스테르 생성의 일 예를 나타내고, 본 공정의 구현예의 일부에 따라 Na 및 Mg 염이 발효 반응기 내로 다시 재순환되는 하류 공정을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다양한 알코올 중에서의 유리 석신산의 CO2-보조 에스테르화를 예시하는 도식이며, 이들은 상응하는 디메틸, 디에틸, 또는 디부틸 에스테르로 전환된다.
도 4는 기타 다른 폴리카르복실산들의 CO2-보조 에스테르화를 예시하는 도식이다.
도 5는 발효 브로쓰로부터 유래된 유리 석신산의 CO2-보조 에스테르화에 대한 온도 변동을 요약한 일련의 반응 도식을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 유리 유기산의 CO2-보조 에스테르화에 대한 초기 작동 압력 변동을 요약한 일련의 반응 도식을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 유리 유기산의 CO2-보조 에스테르화에 대한 온도, 및 반응 시간 변동을 요약한 일련의 반응 도식을 나타낸다.
도 8은 석신산 및 그의 Mg2+ 및 Ca2+ 염의 반응의 결과를 요약한 일련의 반응 도식을 나타낸다.
섹션 I. - 설명
A.
부분적으로, 본 개시 내용은 생물학적으로 유래된 탄소 공급원, 예컨대 당 또는 기타 다른 식물-기반 탄수화물로부터 1,4 부탄디올(BDO), γ-부티로락톤(GBL), 테트라하이드로푸란(THF), 및 이들의 유도체와 같은 다양한 수소화 생성물을 만드는 공정을 기재한다. 본 공정은 발효 브로쓰로부터 유기산을 회수하는 능력과 수소화 반응을 위한 공급원료로서 그러한 산을 사용하는 능력을 간소화한 절차에서 결합시킨다. 본 공정은 카르복실산을 비교적 효율적이고 비용 효과적인 방식으로 그의 상응하는 에스테르(예를 들어, 모노에스테르, 디에스테르, 또는 트리에스테르)로 전환시키는 방법을 포함한다.
특히, 본 공정은, 선택적으로 연관 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염(예를 들어, 나트륨, 칼륨, 또는 마그네슘 염)과 함께, 관심 있는 유리 유기산의 혼합물을 함유하는, 세포 덩어리(cell mass) 및 불용성 화합물이 제거되었거나 그렇지 않은 발효 브로쓰를 수득하는 단계; 유리 유기산을 함유하는 원상태(raw) 또는 청징화된(clarified) 발효 브로쓰를 분말로 건조시키는 단계; 임의의 기타 다른 산 촉매의 실질적인 부재 하에 CO2 분위기 하에서 알코올 및/또는 CO2에 대한 초임계, 임계 또는 근임계 조건에 상응하는 반응 온도 및 압력에서, 분말 상태의 유기산을 알코올과 반응시켜 에스테르를 합성하는 단계; 및 에스테르에 수소화를 거치게 하여 수소화 생성물을 형성하는 단계를 수반한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "유리 카르복실산"은, pKa 값 이하에서, 용액 상태일 때 50% 이상이 양성자화된 상태로 존재하는 카르복실산 화합물을 지칭한다. 본 발명은, 달리 단리하는 데 비용이 많이 들고 어려운 유기산으로부터 에스테르를 생성하는 간단하지만 효과적인 방법의 발견을 수반한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "실질적인 부재"는 다른 산 촉매가 거의 또는 완전히 부재하거나, 또는 촉매 효능 미만의 최소량(de minimis) 또는 미량으로 존재하는 조건을 지칭한다. 다시 말해서, 기타 다른 산 촉매는 존재하지 않거나, 반응시에 카르복실산에 대해 10%, 5%, 3%, 또는 1% 중량/중량 미만의 수준으로 존재한다.
도 1은 발효 브로쓰로부터 유기산을 추출하는 일반 공정을 나타낸 개략도이며, 이는 생성된 에스테르를 이용할 수 있는 추가 공정들과 통합된 본 에스테르화 반응의 일 변형을 포함한다. 나타낸 바와 같이, 반응기로부터의 발효 브로쓰(1)를 (한외)여과하여(3) 세포 덩어리와 같은 바이오물질을 제거하고, 유기산(그의 염을 포함함), 부산물 및 기타 다른 화합물들을 수득한다. 이어서, 이들 물질 모두를 건조시켜서(3a) 미정제 혼합물(5)을 만든다. 이어서, 재료들의 건조된 이 혼합물을 알코올(R-OH; R = C1-C12 알킬) 및 CO2와 액체 시스템 내에서 상승된 작동 반응 온도 및 압력에서 반응시켜서(7) 모노에스테르 또는 디에스테르, 또는 둘 모두의 혼합물을 수득한다. 단지 유기산은 용액 상태에서만 반응한다. 생성된 혼합물(9)을 여과하여(11) 에스테르(13) 및 기타 다른 부산물들(15)을 분리한다. 에스테르는 가용성이지만, 기타 다른 부산물 화합물들은 불용성이다. 부산물은 칼슘, 마그네슘, 또는 나트륨의 탄산염을 포함하며, 이는 발효 반응기(19) 내로 다시 회수되고 재순환될 수 있다(17). 이러한 재순환은 상당한 비용 절약으로 이어질 수 있으며, 전체 발효 및 추출 공정의 효율을 개선한다. 이어서, 이들 에스테르를 각각 증류(21), 수소화(23), 또는 가수소분해(hydrogenolysis) 처리(25)에 의해 가공하여 상이한 에스테르들을 분리하고, 본 명세서에 논의된 수소화 생성물(예를 들어, BDO, GBL, NMP 등)과 같은 C4 플랫폼 화합물, 및 바이오연료(예를 들어, 에탄, 에탄올, 부탄, 부탄올, 프로판, 프로판올 등)를 생성할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "바이오연료"는 식물, 셀룰로스 물질, 또는 농업 바이오매스 또는 이들의 유도체와 같은 재생가능한 생물학적 자원으로부터 생성되는, 연료로서 사용되는 가스상(gaseous), 액체, 또는 고체 물질을 지칭한다. 특히, 바이오연료는, 특정의 기계, 또는 에너지 발생 응용에 동력을 공급하기 위해, 내연 기관에서 수송 연료에 또는 수송 연료로서 사용될 수 있는 재료를 지칭한다. 예를 들어, 프로판올 및 부탄올은 에탄올과 거의 동일한 가솔린 첨가제일 수 있다. 액화 석유 가스(LPG) 내의 부탄 및 프로판, 그리고 천연 가스 내의 에탄은 특정 수송 시스템에서 연료로서 적합할 수 있다. 옥탄올/옥탄, 또는 C5 또는 C6보다 더 무거운 알칸과 같은 기타 다른 생물학적으로 유래된 탄화수소가 또한 바이오연료일 수 있다.
이러한 회수 공정 및 에스테르화 방법은 발효 브로쓰로부터 유래된 유리 유기산으로부터 화학 공급원료 분자(예를 들어, BDO, GBL, THF 등)를 생성하는 데 적용될 수 있다. 본 발명의 이점은, 브로쓰로부터의 종래의 추출에서 필요한 바와 같이 발효 브로쓰로부터 유리 유기산을 단리하거나 정제할 필요성 없이, 발효 브로쓰로부터 직접 유리 유기산을 사용하고 그로부터 상응하는 에스테르를 생성할 수 있다는 것이다.
유기산을 그의 염으로 중화 또는 전환시키는 특정의 발효 공정과 비교하여, 본 공정은 발효 브로쓰로부터 유기산을 단리 및 추출하는 더 용이한 방법을 제공한다. 본 공정은 발효 브로쓰의 적정 및 중화(이는 금속 염을 침전시킬 수 있음), 그리고 스톡 플랫폼 화학물질(stock platform chemical)을 생성하기 위한 특정의 정제 단계에 대한 필요성을 없애준다. 유리 유기산은 에스테르로 전환되는데, 이러한 에스테르는 고가의 복잡한 크로마토그래피 분리 컬럼 또는 수지의 사용 없이 증류 또는 기타 다른 정제 기법에 의해 가공 및 추출하기가 더 간단하다. 예를 들어, 종래 공정에서는, 산을 단리하기 위해 이온 교환 크로마토그래피를 사용하는 것이 필요할 것이다. 소량의 염이 이온 교환 후에 불가피하게 캐리-오버(carry-over)될 수 있다. 그러므로, 산을 허용가능한 품질 수준으로 정제하기 위해 다수의 작동 유닛을 필요로 할 수 있다. 각각의 추가된 작동 유닛에 의해, 전체 공정의 비용이 증가한다. 본 공정과 대조적으로, 산의 에스테르의 합성시에, 탄산염 또는 수산화물염으로서 염을 회수할 수 있는데, 이는 발효 브로쓰를 재생성하는 데 사용될 수 있으며 폐기물을 최소화할 수 있다. 오히려, 본 공정의 이점은 합성 부산물을 발효 브로쓰 내로 직접 다시 추가로 재순환할 수 있다는 것이다. 유기산을 그의 상응하는 에스테르로 전환시킴으로써, 그러한 문제들을 피할 수 있다.
B.
종래적으로는, 산 촉매의 존재 하에 카르복실산을 알코올과 함께 가열할 때 에스테르가 생성된다. 산과 알코올로부터의 에스테르의 형성에 대한 메커니즘은 에스테르의 산-촉매 가수분해에 대한 단계들의 반대과정이다. 이 반응은 사용되는 조건에 따라 어느 방향으로도 진행될 수 있다. 통상적인 에스테르화 공정에서는, 강산이 촉매로서 사용되지 않는다면 카르복실산이 알코올과 반응하지 않는다. 촉매는 통상 진한 황산 또는 염화수소이다. 양성자화는 카르보닐 기를 더 친전자성이게 하고, 그것을 약한 친핵체인 알코올과 반응할 수 있게 한다.
일반적으로 말해서, 본 에스테르화 방법은 임의의 기타 다른 산 촉매의 실질적인 부재 하에 CO2 분위기 내에서 발효-유래 유리 유기 카르복실산과 알코올을 반응시켜 에스테르를 생성하는 것을 수반한다. 에스테르화 반응은 알코올 및/또는 CO2에 대한 초임계, 임계 또는 근임계 온도 및/또는 압력의 조건 하에서 용액 상태에서 수행된다. 그러한 조건 하에서, CO2는 산 촉매로서 동일계 내에서(in situ) 자기-생성(self-generate)되거나 기능하고, 에스테르화 반응이 완료된 후에 다시 재생성되는 것으로 여겨진다. 에스테르화를 유도하고 에스테르 생성을 일으키기에 충분히 많은 양으로 반응 중간체(모노알킬카르본산)가 동일계내에서 만들어지고 있는 것으로 여겨진다. 유리 유기산과 유사한 pKa(예를 들어, 약 4 내지 5)를 갖는 이 중간체는 탄산으로서 기능하는데, 이는 통상의 강산보다 훨씬 더 약하다. 더 높은 온도에서 더 큰 에스테르 전환율이 관찰되는 경향은 이 공정을 위한 활성화의 비교적 큰 에너지를 제시한다.
본 발명의 공정의 유리한 특징은 아실 할라이드(예를 들어, 플루오라이드, 클로라이드, 브로마이드)로서의 또는 강한 광산(mineral acid)을 사용함에 의한 유리 카르복실산의 활성화가 일부 기타 다른 기법들과는 달리 불필요하다는 것이다. 아실 할라이드는 사용이 불편한데, 그 이유는 이러한 종들은 고유적으로 반응성이고, 안정성, 폐기물 처리에 대한 문제를 가지며, 만드는 것이 번잡하고 비용이 많이 들 수 있기 때문이다.
본 공정에서, 통상의 강산 대신에 촉매로서 기능하는 이산화탄소는 에스테르화 반응으로의 강산의 도입에 대한 필요성을 없애준다. 이러한 특징은, 촉매 산을 제거하기 위하여 pH 값을 조정해야 할 통상의 필요성을 피할 수 있어서, 더 간단하고 청정한 합성을 가능하게 한다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 탄산염 또는 기타 다른 염을 제거하기 위하여 생성된 생성물을 여과하는 것을 간단하게 진행할 수 있다. 더 청정한 생성물은 정제 및 기타 다른 화학 공급원료로의 전환을 위한 하류 가공에서 비용을 절약할 것이다.
본 명세서에 기재된 공정은 더 환경적으로 무해한 에스테르 제조 방법이다. 이산화탄소는 에스테르화 반응 동안 알코올의 존재 하에 동일계내에서 산 촉매를 자기-생성할 수 있는 것으로 여겨지기 때문에, 본 방법은 또 다른 산 촉매종의 사용 또는 첨가를 필요로 하지 않는다. 다시 말해서, CO2 단독에 의한 반응 속도(reaction kinetics)는 임의의 기타 다른 산 촉매의 실질적인 부재 하에 에스테르화를 유도할 수 있다. 반복 실시하기 위하여, 본 공정은, 예를 들어 아실 클로라이드로서의 또는 강산에 의한(즉, 피셔(Fischer) 에스테르화) 유리 산의 활성화를 필요로 하지 않는다.
일반적으로, 에스테르화는 장기간 동안, 예컨대 약 4 시간, 최대 약 12 시간 동안 약 150℃ 내지 약 250℃의 작동 또는 반응 온도에서, 약 450 psi 또는 500 psi 내지 2,500 psi 또는 3,000 psi(게이지)의 반응 압력에서 수행된다. 통상적으로, 온도는 약 170℃ 또는 190℃ 내지 약 230℃ 또는 245℃의 범위(예를 들어, 175℃, 187℃, 195℃ 또는 215℃)일 수 있으며, 작동 압력은 약 900 psi 또는 950 psi 내지 약 2,200 psi 또는 2,400 psi(예를 들어, 960 psi, 980 psi, 1020 psi 또는 1050 psi)이다. 대안적으로, 온도는 약 180℃ 내지 약 245℃(예를 들어, 약 185℃ 또는 200℃ 또는 210℃ 내지 약 220℃ 또는 235℃ 또는 240℃)의 범위일 수 있으며, 작동 압력은 약 1000 psi 내지 2,350 psi(예를 들어, 1,100 psi, 1,200 psi, 1,550 psi, 1,750 psi, 1,810 psi, 또는 1,900 psi)이다. 기타 다른 온도는, 예를 들어 약 160℃ 또는 185℃ 내지 약 210℃ 또는 225℃의 범위일 수 있으며, 기타 다른 작동 압력은, 예를 들어 약 1,150 psi 또는 1,500 psi 내지 약 1,800 psi 또는 2,000 psi의 범위일 수 있다.
이들 반응 온도 및 압력은 알코올(들) 또는 CO2에 대한 초임계, 임계 또는 근임계 조건에 상응한다. 표 1은 예시 목적을 위해 일부 통상의 용매(즉, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 1-부탄올, 물, 및 CO2)에 대한 임계 파라미터를 열거한다.
선택된 물질에 대한 임계 데이터(문헌[Yaws, C. L., Chemical Properties Handbook. In McGraw-Hill: 1999; pp 1-29])
물질명 분자량 임계 온도(K)/℃ 임계 압력(bar)/psi 임계 밀도(g/cm3)
메탄올 32.042 512.58 / 239.43 80.96 / 1174.2255 0.2720
에탄올 46.069 516.25 / 243.10 63.84 / 925.9209 0.2760
1-프로판올 60.095 537.4 / 264.25 51.02 / 739.9839 0.2754
1-부탄올 74.122 563.0 ± 0.3/ 289.85 45.0 ± 4.0 / 652.671 0.3710
물 18.015 647.13 / 373.98 220.55 / 3198.8071 0.3220
이산화탄소 44.010 304.19 / 31.04 73.82 / 1070.6685 0.4682
임계점(즉, 임계 온도 및/또는 압력)을 초과하는 조건에서, 유체는 초임계상(supercritical phase)으로 존재하는데, 여기서 유체는 액체와 기체의 특성 사이의 특성을 나타낸다. 더 구체적으로는, 초임계 유체(SCF)는 액체-유사 밀도 및 기체-유사 수송 특성(즉, 확산도(diffusivity) 및 점도)을 갖는다. 이는 표 2에서 알 수 있는데, 여기에는 종래의 액체, 초임계 유체, 및 기체의 3 가지 유체 유형 사이에서 이들 특성의 통상적인 값이 비교되어 있다.
액체, 초임계 유체, 및 기체의 통상적인 물리적 특성 값의 비교
특성 밀도 SCF 기체
밀도(g/mL) 1 0.3 10-3
확산도(cm2/s) 5x10-6 10-3 0.1
점도(Pa·s) 10-3 10-4 10-5
마찬가지로, "근임계"는 적어도 알코올 종 또는 CO2 가스의 온도 또는 압력이 그들 각각의 임계점인 150 K 미만 이내(예를 들어, 50 K 내지 100 K), 또는 220 psi 미만 이내(예를 들어, 30 psi 내지150 psi)에 있는 조건을 지칭한다. 온도 및 압력이 근임계, 임계 또는 초임계 조건에 도달함에 따라, 반응제(reagent)들의 용해성이 향상되며, 이는 에스테르화 반응을 촉진시키는 것으로 여겨진다. 다시 말해서, CO2 가스, 알코올, 및 산 또는 염 종은 덜 엄격한 조건 하에서보다 근임계, 임계 또는 초임계 조건 하에서 더 잘 상호작용할 수 있다. 이 반응은 알코올 종 및 CO2 가스 둘 모두가 근임계, 임계 또는 초임계 조건에 있을 것을 필요로 하지 않으며; 오히려, 이 반응은 이들 종 중 어느 하나라도 그러한 조건을 만족시키는 한 작동된다.
본 에스테르화 반응이, 최대 약 10 시간 또는 12 시간의 반응 시간 동안, 각각 최대 약 250℃ 및 3,000 psi의 더 높은 온도 및 더 큰 압력에서 작동된다면, 약 18 시간 내지 20 시간이었던 앞에서보다 더 짧은 반응 시간 이내에 비교적 더 큰 선택도 및 순도 수준으로 상당량의 에스테르 생성물을 생성할 수 있다. 더 낮은 작동 온도(190℃ 미만)에서는, 폴리카르복실산의 모노에스테르 분자의 형성이 더 우세하며, 반면 190℃ 또는 195℃ 이상의 온도에서의 반응은 우선적으로 폴리카르복실산을 디에스테르로 전환시킬 것이다. 약 190℃ 또는 195℃ 또는 200℃ 내지 약 245℃ 또는 250℃의 더 높은 범위의 온도를 선택함으로써, 우선적으로 더 높은 디에스테르 전환율로 반응을 유도할 수 있다. 에스테르화는 유기산의 디에스테르를 최소 약 50%, 바람직하게는 65% 또는 70% 이상으로 산출할 수 있다. 초임계 작동 조건에서 또는 그 부근에서 실행되는 반응은 더 우수한 결과를 생성하는 경향이 있다. 메탄올에 대해서는 약 230℃ 또는 약 240℃의, 그리고 CO2에 대해서는 약 31?/1000 psi의 임계 조건에서 또는 그 부근에서 작동되는 경우, 약 90% 또는 더 우수한 전환율, 통상적으로는 약 93% 또는 95%의 전환율을 달성할 수 있다. 온도 및 반응 시간의 상이한 조합들의 순열(permutation)을 조정함으로써(예를 들어, 더 높은 온도 및 더 짧은 반응 시간(예를 들어, 10 시간 또는 12 시간 미만, 4 시간 내지 8 시간) 또는 그 반대로), 고수율을 달성할 수 있는데, 이는 현재의 접근법에 비하여 이점일 수 있다. 최적화 상태로, 동일한 또는 더 큰 CO2 압력 하 250?에서 에스테르화가 수행되는 경우, 수율은 거의 정량적(즉, 95% 수율 이상)일 것이며, 예를 들어 최대 약 98%, 99%, 또는 99.9% 전환율일 것이다.
수반되는 실시예가 나타낼 바와 같이, 반응 조건의 변동은 더 높은 온도 및/또는 장기간의 반응 시간에 의해 더 많은 디에스테르 생성물을 생성할 수 있음을 시사한다. 그러나, 앞서 언급된 바와 같이, 온도에서의 상이한 순열은 동일한 양의 에스테르 생성물을 생성하는 데 걸리는 에스테르화 반응의 지속시간에 영향을 줄 수 있다. 본 방법에 따른 반응은 상당한 정도의 부산물 형성으로 이어지지 않으며; 그러므로 카르복실산 및 기타 다른 출발 반응제들의 환화(cyclization)를 피할 수 있다. 본 방법에서는 고온(즉, 145℃ 초과 또는 150℃ 초과)에서의 탈카르복실화의 잠재적인 위험이 관찰되지 않는다.
카르복실산에 대해 과량으로 알코올 용매의 양을 사용하여, 매우 청정한 에스테르화를 생성할 수 있다. 본 합성 공정은, 보통 고온에서의 표준 산 촉매 에스테르화에서 발견될 수 있는 상당량의 부산물, 예컨대 저분자량 산(아세트산 또는 포름산) 분자내 전위(molecular rearrangement) 또는 환형 생성물을 생성하지 않고서, 약 70% 내지 72%의 초기 순도로 매우 청정한 에스테르 생성물을 생성한다. 에스테르는 약 90% 내지 98%의 순도를 달성하기 위해 정제될 수 있다. 정제는, 예를 들어 결정화, 크로마토그래피 또는 증류에 의해 달성될 수 있다.
통상적으로, 생성된 에스테르 생성물은 모노에스테르 또는 디에스테르일 수 있거나, 또는 둘 모두의 혼합물을 형성할 수 있다. 이 반응은 한 에스테르 형태 또는 또 다른 에스테르 형태를 향해 에스테르화를 유도하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 우선적으로 디에스테르 분자의 형성을 향해 에스테르화 반응을 유도하는 작동 온도 및 압력을 선택할 수 있다. 마찬가지로, 에스테르가, 발효 브로쓰로부터 존재하고 유도될 수 있는 단일 유기산 종(예를 들어, 석신산)으로부터 형성되는지 또는 다수의 상이한 종류의 유기산들(예를 들어, 아세트산, 시트르산, 락트산, 말산, 말레산, 석신산)의 혼합물로부터 형성되는지를 제어할 수 있다. 다시 말해서, 본 에스테르화 반응에 따라 각종 상이한 종류의 카르복실산을 사용하여 각종 상이한 에스테르를 생성할 수 있다. 결국, 이들 에스테르는 단리되고, 하류 화학 공정에서 추가로 개질되며, 특정 구현예에서는, 제약, 화장품, 식품, 사료, 중합체 재료와 같은 유용한 화합물로 전환될 수 있다. 예를 들어, 석신산 에스테르는 폴리부틸렌 석시네이트(PBS)와 같은 중합체로 전환될 수 있다.
본 에스테르화 공정에서, 촉매(CO2) 및 에스테르화 반응제(알코올) 둘 모두는 유리 유기산의 양에 대해 크게 과량으로 존재한다. CO2는, 그의 기원(예를 들어, 가스 탱크 또는 드라이아이스)과 관계없이, 반응상(reaction phase) 동안 기상(gas phase) 중에 있어야 하는데, 그 이유는 반응이 고온에서 수행되기 때문이다. 반응 장치가 조립되는 경우 가스상 CO2 형성의 승화를 느리게 하는 것이 가능하기 때문에, 밀봉된 압력 반응기가 사용되는 경우에 고체 CO2의 첨가가 전략상 중요하다. 이는 CO2 손실을 최소화할 수 있다. CO2(즉, CO2-함유) 분위기에서, 반응 분위기 중의 CO2의 농도는 적어도 10% 또는 15%(부피 기준), 유리하게는 약 25% 또는 30%, 바람직하게는 50% 초과일 수 있다. 더 우수한 반응 결과를 위해, CO2의 농도는 최대화되어야 한다. CO2의 바람직한 농도는 약 75% 또는 80% 내지 약 99.9%(부피 기준), 통상적으로 약 85% 내지 약 98%이다. 질소(N2) 가스 또는 공기는 반응기에서 허용되지만, 바람직하게는 CO2 이외의 가스의 농도는 미소한 백분율(50% 미만) 또는 최소량으로 유지된다.
C1-C20의 R 기를 갖는 임의의 액체 알코올이 용매 반응제로서의 역할을 할 수 있다. 특정 구현예에서, 알코올의 R 기는 포화, 불포화, 또는 방향족 종일 수 있다. 상이한 종류의 알코올들(예를 들어, C1-C12)의 혼합물이 또한 이 반응에 사용될 수 있지만, 이는 특정 R 기에 따라 상이한 에스테르들의 상응하는 혼합물을 생성할 것이다. 메탄올, 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올과 같은 알코올이 그들의 통상의 입수가능성, 저가, 및 에스테르화 반응에서의 메커니즘상 단순성의 관점에서 반응제로서 바람직하다. 대안적으로, 일부 구현예에서, 알코올은 또한 C2-C6-디올일 수 있다. 디올에 의한 에스테르화는 용이하게 중합될 수 있는 단량체 또는 저분자량 올리고머를 생성할 수 있다.
각종 상이한 유기산이 사용될 수 있으며, 예를 들어 하기로부터 선택된다: a) 모노카르복실산: 포름산, 아세트산, 프로피온산, 락트산, 부티르산, 이소부티르산, 발레산, 헥산산, 헵탄산, 데칸산, 라우르산, 미리스트산, 및 C15-C18 지방산; b) 디카르복실산: 푸마르산, 이타콘산, 말산, 석신산, 말레산, 말론산, 글루타르산, 글루카르산, 옥살산, 아디프산, 피멜산, 수베르산, 아젤라산, 세바스산, 도데칸이산, 글루타콘산, 오르토-프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산; 또는 c) 트리카르복실산: 시트르산, 이소시트르산, 아코니트산, 트리카르브알릴산(tricarballylic acid) 및 트리메스산. 유기산은 이러한 유기산의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(예를 들어, 나트륨, 칼륨, 또는 마그네슘) 염을 포함할 수 있다. 바람직하게, 유기산은 디카르복실산 또는 트리카르복실산이다.
이 공정은 연속 또는 배치 공정으로 부산물을 발효 브로쓰 내로 다시 재순환함으로써 폐기물의 양을 감소시킬 수 있다. 본 발명자들은 또한, 본 에스테르화 공정에서, 유리 유기산이 임의의 기타 다른 산 촉매의 부재 하에서 알코올 및 CO2와 반응할 때, 유기산의 유리 양성자화 형태가 그의 상응하는 염보다 알코올 용매 중에 더 큰 용해도를 갖는다는 것을 알아내었다. 유사한 반응 조건 하에서 실행되는 경우, 반응제로서 유리 유기산을 사용하는 에스테르화 반응은 반응제로서 염 종을 사용하는 반응보다 약 2 내지 3배 더 많은 양의 디에스테르 생성물을 산출할 것이다. 첨부된 도 3B(유리 산)의 반응을 도 5A(산 염)의 반응과 비교할 때, 그리고 표 4에서 실시예 2 및 실시예 3(산 염)을 각각 실시예 5 및 실시예 6(유리 산)과 비교할 때 이러한 결과가 관찰될 수 있다. 용해도는 차이에 대한 인자인 것으로 여겨진다. 예를 들어, 메탄올 및 에탄올 중에서의 마그네슘 염의 용해도는 칼슘 염의 용해도보다 상당히 더 우수하기 때문에, 칼슘 염의 반응으로부터의 생성물 수율은 상응하는 마그네슘 염의 출발 반응제로부터 생성된 것보다 훨씬 더 낮다.
본 발명은 폴리카르복실산을 에스테르화하는 방법을 포함한다. 본 에스테르화 방법은 임의의 기타 다른 산 촉매의 존재 없이 CO2 분위기 중에서 하나 이상의 유리 유기산과 알코올의 용액을 제공하고 반응시키는 단계; 및 에스테르를 수득하기 위해 알코올 및/또는 CO2에 대한 초임계, 임계, 또는 근임계 조건에 상응하는 작동 반응 온도 및 반응 압력을 선택하는 단계를 포함한다. 반응 온도 및 압력 조건은, 유기산이 폴리카르복실산인 경우, 우선적으로는 적어도 모노에스테르 분자에 비하여 디에스테르 분자를 형성하는 쪽으로 반응을 유도한다. 회수 공정에서와 마찬가지로, 작동 반응 온도는 약 150℃ 내지 약 250℃이고, 작동 반응 압력은 약 400 psi 내지 약 2,500 psi이다. 원하는 결과에 따라, 이 반응은 최대 약 12 시간 동안 진행될 수 있다.
C.
상기 기재된 에스테르화 공정은 탄소 사슬 공급원료의 발효-기반 생성에 통합되어서, 재생가능한 공급원으로부터 유래된 카르복실산으로부터 에스테르화를 생성하는 더 편리한 방법을 제공할 수 있다. 본 발명은 생물학적으로 유래된 카르복실산이 발효 브로쓰로부터 간단하고 비용-효과적인 공정으로 회수되며, 에스테르로 전환되고, 이어서 수소화 공정을 거치게 하여 BDO, GBL, THF 및 이들의 유도체를 생성할 수 있는 직접적인 경로를 제공한다.
증류 공정을 통해, 알코올을 축출함으로써 에스테르를 농축시키고, 이어서 에스테르 합성으로부터 생성된 부산물을 여과할 수 있다. 상이한 에스테르 종들의 비점에 따른 혼합된-산 에스테르 생성물 혼합물의 추가 증류는 다양한 개별 에스테르들을 분리할 수 있게 한다. 예를 들어, 표 3은 본 발명에 따른 에스테르 생성물 혼합물에 존재할 수 있는 통상의 에스테르들의 샘플에 대한 비점을 제공한다.
일부 통상의 에스테르들에 대한 비점
에스테르 종 비점(℃) 에스테르 종 비점(℃)
메틸-아세테이트 56.9 에틸-아세테이트 77.1
메틸-포르메이트 32 에틸-포르메이트 54.0
메틸-락테이트 145 에틸-락테이트 151 내지 155
디메틸-말레이트 104 내지 108(1 mmHg) 디에틸-말레이트 281.6
디메틸-석시네이트 200 디에틸-석시네이트 217-218
트리메틸-시트레이트 176(16 mmHg) 트리에틸-시트레이트 235(150 mmHg)
남아 있는 용액 중에서 에스테르를 회수한 후에, 물질들은 용이하게 사용가능한 형태이며, 에스테르 혼합물을 증류하여 상이한 에스테르 종들과 임의의 남아 있는 알코올을 분리할 수 있다. 일단 에스테르를 회수하면, 킬레이트화제로의 전환을 위한 전구체로서 모노에스테르를, 그리고 용매로서 디에스테르를 사용할 수 있다.
발효로부터 유기산을 그의 상응하는 에스테르의 형태로 회수하는 것의 이점은 에스테르의 하류 가공이 유리 산의 수소화보다 덜 에너지 집중적이라는 것이다. 본 에스테르화 공정의 또 다른 이점은, 본 공정이 다른 접근과 비교하여, 발효로부터 C4 화학물질 플랫폼을 위한 유기산을 정제하는 데 더 간단하고 더 용이할 것이라는 점이다. 이는 기타 다른 불용성 물질들로부터 에스테르를 분리하는 데 드는 수고를 간소화시킬 뿐만 아니라 분리할 필요가 있는 염의 양을 최소화한다. 통합 공정에서는, 저-pH 발효(여기서, 발효는 유기산의 pKa 미만의 pH에서 작동됨)에서 생성되는 유리산과 염의 배합물을 직접 에스테르화할 수 있게 한다. 이 공정은 현재의 회수 접근보다 덜 에너지 집약적일 수 있다.
도 2는 본 에스테르화 공정의 반복 실시를 포함시킨 하류 가공의 개략도를 나타낸다. 특히, 도 2는 발효 브로쓰로부터 유래된 석신산 또는 임의의 기타 다른 종류의 유기산을 사용하는 일 예를 묘사하는데, 이를 추출하고, 과량의 CO2의 존재 하에서 알코올과 반응시켜 에스테르를 생성한다. 본 공정의 이러한 반복 실시에 따르면, 글루코스, 옥수수 침지액(corn steep liquor), 또는 기타 다른 당, 및 Mg(OH)2/NaOH를 발효 반응기(1) 내로 도입시키고 발효시켜(2) 카르복실산을 생성한다. 유기산, 염(예를 들어, 석신산 및 그의 나트륨 또는 마그네슘 염), 및 기타 다른 부산물의 혼합물을 함유하는 발효 브로쓰 액체(4)를 여과하여(6) 세포 덩어리(8) 및 기타 다른 불용성 물질을 제거한다. 발효는 낮은 pH 값에서 실행되는데; 더 높은 pH(예를 들어, pH 약 7 또는 8)에서 출발하고, 발효 과정 동안, pH 값은 약 2 내지 3까지 떨어진다. 예를 들어 약 9:1 중량/중량 내지 7:3 중량/중량의 염 대 유리 산의 비 범위로 존재하는 염 및 유리 산의 혼합물을 생성할 것이다. 발효 브로쓰는 유기산의 pKa 미만의 pH 값(예를 들어, pH 5)에서 발효 반응기로부터 회수된다. 통상적으로, 발효 브로쓰는 약 1.5 내지 약 4.5 범위의 pH 값이다.
이어서, 브로쓰 추출물을 분말로 건조시킨다(10). 건조시킬 때, 혼합된 산 여과액은 가능한 한 많은 물을 제거해야 한다. 건조 단계는, 예를 들어 분무 건조, 드럼 건조, 또는 저온건조(cryodesiccation)에 의해 달성될 수 있다. 일반적인 에스테르화와 마찬가지로, 비교적 낮은 물 함량이 요구되는데, 그렇지 않으면 가역 반응은 디카르복실산으로 다시 가수분해시키려는 경향이 있을 것이다. 본 공정에서는, 약 5 중량%의 최대 잔류 수분 함량이 유지되어야 한다. 3 중량% 미만의 물을 함유하는 샘플에 대해 최대 약 98% 또는 99%의 에스테르 수율의 증가가 예측될 것이다.
이어서, 건조된 분말(평균 수분 함량 약 1 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 3 중량% 이하)을 약 4 시간 이상의 지속시간 동안 약 180℃ 내지 약 250℃의 온도에서 과량의 CO2 중에서 알킬화제로서의 역할을 하는 알코올(14)과 반응시켜(12) 유기산을 에스테르화한다. 이 예에서는, 석신산을 메탄올 및 CO2 중에서 반응시켜 디메틸 석시네이트를 생성한다. 유리 유기산과 함께, 발효 브로쓰 중에 존재하던 임의의 남아 있는 유리 아미노산이 또한 에스테르화된다.
일단 카르복실산 에스테르가 생성되고 수집되면, 이어서 에스테르를 수소화 공정에 공급할 수 있다. 수소화는 미국 특허 제7,498,450호 B2(디카르복실산 및/또는 디카르복실산 무수물의 균질 수소화(homogenous hydrogenation)에 관한 것임), 제6,433,193호 B, 또는 제5,969,164호(말레산 무수물의 수소화에 의한 테트라하이드로푸란 및 γ-부티로락톤의 생성 공정에 관한 것임); 미국 특허 번호 제4,584,419호 A(C4 이산의 디(C1 내지 C3 알킬) 에스테르의 수소화를 수반하는 부탄-1,4-디올의 생성 공정에 관한 것임); 영국 특허 출원 번호 GB 제2207914호 A(말레에이트 및 푸머레이트로부터의 부탄 1,4-디올, γ-부티로락톤, 및 테트라하이드로푸란의 혼합물의 제조 공정에 관한 것임); 국제 특허 출원 번호 WO 제8800937호 A(디알킬 말레에이트의 수소화에 의한 부탄-1,4-디올 및 γ-부티로락톤의 공동생성(co-production) 공정에 관한 것임) 또는 WO 제82/03854호(카르복실산 에스테르의 가수소분해 공정에 관한 것임), 또는 문헌[S. Varadarajan et al., "Catalytic Upgrading of Fermentation-Derived Organic Acids," Biotechnol. Prog. 1999, 15, 845-854]에 기재된 바와 같은 각종 상이한 방법, 시스템 및 그들의 순열에 따라 수행될 수 있으며, 상기 개시 문헌 각각의 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
그 예가 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 정의된 반응 온도 및 압력 파라미터에 따라 메탄올과 반응할 때, 석신산은 에스테르화하여 디메틸 석시네이트(주요 생성물), NaHCO3, MgCO3/Mg(HCO3)2 및 과량의 메탄올(16)을 생성하였다. 디메틸 석시네이트 및 메탄올(18)을 NaHCO3 및 MgCO3(20)로부터 분리한다. CaSO4와 달리 탄산염은 연속 공정을 위하여 또는 새로운 배치 공정으로 반응기(1) 내로 다시 재순환될 수 있다(22). 디메틸 석시네이트와 메탄올은 서로 추가로 분리되고(24), 메탄올(14)은 재순환된다(26). 이어서, 디메틸 석시네이트(28)는 각종 상이한 화학 생성물(32)로 수소화될 수 있으며(30), 이러한 화학 생성물은, 예를 들어 1,4-부탄-디올(BDO), 테트라하이드로푸란(THF), γ-부티로락톤(GBL), 또는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 포함한다.
본 공정의 또 다른 이점은 그것이 발효 생성물을 위한 작물의 수송 및 가공을 간소화할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 건조된 발효 브로쓰 분말의 사용으로, 습윤 또는 액체 스톡에 의한 작업과 연관된 문제로부터 벗어난다. 건조된 발효 브로쓰 분말이 발효 브로쓰의 제조지 또는 근원지와 상이한 장소로 더 경제적으로 수송될 수 있다. 이는 에스테르 합성을 위한 반응이 발효 브로쓰의 근원지와 상이한 원격 장소에서 실행될 수 있게 하고 최종 가공 시설이 적합할 수 있는 지리적 위치를 확장시킬 것이다.
그러므로, 본 발명자들은 또한 본 명세서에 기재된 에스테르화 공정이 농업 생성물 또는 바이오매스를 가공하기 위한 방법에 통합될 수 있는 것을 고려한다. 본 방법은 농업 생성물 또는 바이오매스로부터 탄수화물을 수득하는 단계, 탄수화물을 발효시켜 발효 브로쓰를 생성하는 단계, 발효 브로쓰를 건조시켜 발효 브로쓰 분말을 생성하는 단계, 및 발효 브로쓰 분말을 제2 가공 현장으로 수송하는 단계를 수반한다. 이러한 제2 현장은 브로쓰 분말로부터 유도가능한 생성물에 대한 수요 근원지에 더 가까이 위치될 수 있으며, 브로쓰 분말은 제2 현장에서 에스테르화하고/에스테르화하거나 달리 가공하여 그로부터 생성물을 제조할 수 있다.
섹션 II. - 실시예
A.
본 에스테르화 방법에 따라 준비된 실시예를 발효 브로쓰로부터 유리 카르복실산을 단리하기 위한 공정에 통합시킨다. 본 방법은 일반적으로 a) 조 발효 브로쓰를 여과하여, 발효 브로쓰로부터 세포 덩어리 및 기타 다른 생물학적 잔해(debris)를 제거하는 단계; b) 발효 브로쓰를 건조시키는 단계; c) 건조된 발효 브로쓰를 알코올 및/또는 CO2 반응제의 약 150℃ 온도 내지 최대 근임계 또는 임계 온도에서 그리고 근임계 또는 임계 압력 하에서 과량의 메탄올(CH3OH) 또는 에탄올(C2H5OH) 및 이산화탄소(CO2)와 반응시켜, 모노에스테르 및 디에스테르와 탄산염(NaHCO3/ MgCO3)의 혼합물을 생성하는 단계; d) 반응 생성물을 여과하여 부산물을 제거하는 단계; 및 e) 에스테르를 증류함으로써 정제하는 단계를 수반한다.
발효 브로쓰 여과액을 건조시켜 모든 또는 거의 모든 물을 제거하여 혼합된 유기물의 분말을 생성하였다. 분무 건조기 또는 드럼 건조기를 사용하여, 혼합된 유기산을 함유하는 원 용액(raw solution)을 에어로졸화(aerosolize)하여 분말로 건조시킨다. 건조된 분말을 알코올 용매 중에 현탁시킨다. 본 명세서에 기재된 조건에 따라 분말이 알코올과 반응하여 모노에스테르 또는 디에스테르로 에스테르화된다.
나타낸 바와 같은 반응 온도, 압력, 시간, 및/또는 산 종의 변동을 제외하고는, 필요한 부분만 약간 수정하여 하기의 일반 프로토콜에 따라 하기의 실시예 각각을 실행하였다. 10 g의 냉동-건조된 석신산 발효 브로쓰(황백색(off-white) 분말) 및 300 g의 메탄올을 파르(Parr) 반응기에 고정된 재킷형 1 L 스테인리스 강 용기에 장입하였다. 1100 rpm으로 기계적으로 교반하면서, 반응기 용기의 내부 헤드스페이스를 N2로 퍼지하고, 이어서 CO2를 사용하여 초기에 400 psi까지 가압하고 5 시간 동안 180℃까지 가열하였다. 내부 압력은 180℃에서 약 1650 psi인 것으로 관찰되었다. 반응 시간 후에, 반응기 본체를 수조 중에 넣어서, 실온에 도달하고 압력이 해제될 때까지 냉각시켰다. 이어서, 불균질 혼합물을 여과하고, 고형물을 진공 하에서 밤새 건조시켰다. 고형 물질 및 용액의 샘플을 가스-크로마토그래피/질량 분석(GC/MS)을 사용하여 정량적으로 분석하였다. 디메틸 석시네이트의 수율은 31.9%인 것으로 결정되었으며, 이용가능한 마그네슘 석시네이트가 95%를 초과하여 이 반응에서 소비되었다. 생성물의 나머지 잔부는 대부분으로서 상응하는 모노에스테르를 포함하였으며, 약 60% 내지 약 65%의 범위였다.
첨부 도면 및 표에 묘사된 반응에 나타낸 바와 같이, 특정 온도 및 압력 파라미터의 변경 및 선택은 반응이 우선적으로 더 많은 디에스테르 화합물을 수득하게 한다. 본 공정의 특정 실시예에서, 에스테르화 반응은 50% 초과, 통상적으로 70% 또는 80% 초과의 디-알킬 석시네이트 또는 말레이트를 생성하였다. 앞서 언급된 바와 같이, 미반응 물질 및 원치 않은 생성물은 발효 반응기 내로 재순환시킨다. 모노에스테르와 디에스테르의 후속 분리를 결정화에 의해 달성하였다.
도 3은 일련의 에스테르화 반응을 나타내는데, 이는 다양한 알코올 중에서의 유리 석신산의 CO2-보조 에스테르화를 요약한다. 도 3A는 5 시간 동안 150℃ 에서 400 psi의 CO2 가스 중에서 석신산이 메탄올과 반응한 것을 나타내며, 이 반응은 약 37% 디메틸 석시네이트의 수율을 달성하였다. 도 3B의 반응에서 작동 온도를 180℃로 증가시키고 모든 기타 다른 파라미터를 도 3A와 동일하게 유지했을 때, 디메틸 석시네이트 수율의 양은 약 81.2%까지 2 배를 초과하여 증가된다.
도 3C 에탄올 중 현재의 작동 조건 하에서의 180?에서의 유리 석신산 반응을 나타내는데, 이 반응은 약 60.8%의 우수한 수율로 디에틸 석시네이트를 생성한다. 도 3D에서는, n-부탄올 중에서 작동 조건 하 180?에서 유리 석신산을 반응시켰는데, 이 반응은 약 52.2% 수율로 디부틸 석시네이트를 생성한다. 이들 실시예는 상이한 종류의 알코올의 측면에서 본 에스테르화 반응의 다용도성을 입증한다.
도 4는 기타 다른 종류의 카르복실 폴리산의 CO2-보조 에스테르화의 실시예를 나타낸다. 도 4A 및 도 4B에서는, 석신산을 트리카르복실산인 시트르산, 및 말산으로 각각 대체하였다. 트리메틸시트레이트의 수율은 약 20.1%에서 합리적이었는데, 이는 CO2-보조 프로토콜이 트리카르복실산에 적용될 수 있음을 입증한다. 말산의 디메틸 유사체의 수율은 약 84.3%로 우수하였다. 그러므로, 에스테르화의 새로운 방법은 기타 다른 산과의 일반적인 사용에 있어서 실현가능하다.
표 4에는 도 5, 도 6, 및 도 7에 묘사된 바와 같은 본 개시 내용의 에스테르화 방법에 따라 실행한 몇몇 반응의 결과가 요약되어 있다. 실시예들의 각각의 세트는 반응을 실행한 작동 조건, 즉 A) 온도, B) 압력, 및 C) 반응 시간 의 변동의 관점에서 배열된다. 각각의 실시예에서는, 발효 브로쓰로부터의 석신산을 기재(substrate)로서 사용한다. 유리 산 및 염을 함유하는 여과된 청징화된 브로쓰를 건조시키고, 이후에 용액 상태에서 메탄올 및 CO2와 반응시킨다. (반응물을 가열함에 따라, 반응기 용기 내의 실제의 작동 온도 및 압력은 본 명세서에 제공된 초기 온도 및 압력을 초과할 것이다.)
세트 A의 3개의 실시예에서, 본 발명자들은 상이한 온도 하에서, 즉 실시예 A-1은 180℃에서, 실시예 A-2는 210℃에서, 그리고 실시예 A-3은 230℃에서 400 psi의 초기 CO2 압력에서 5 시간 동안 반응을 수행하였다. 산의 그의 상응하는 디에스테르로의 %전환율은 작동 온도가 더 높아짐에 따라 증가되었다. 도 6은 석신산 및 그의 염의 일련의 에스테르화 반응에서의 변동하는 온도의 영향을 나타낸다. 도 5A에서는, 5 시간의 기간에 걸쳐 약 180℃의 온도에서 석신산의 에스테르화를 수행한다. 이 반응은 약 13.9% 수율의 디메틸 석시네이트를 생성하였다. 도 5B는 도 5A에서와 동일한 반응을 나타내는데, 이때 반응 시간은 일정하게 유지하였지만, 온도는 약 210℃로 상승하였으며, 이는 약 42.9%를 산출한다. 도 5C는 230℃에서의 반응을 나타내며, 약 72.4%를 산출한다. 이는, 온도가 증가함에 따라, 반응 속도가 산과 알킬화제의 더 완전한 반응 및 디알킬-에스테르의 더 큰 수율을 향해 유도됨을 시사한다. 임계 온도 및/또는 압력 조건에서 또는 그 부근에서 실행된 반응은 95% 이상의 전환율을 생성할 수 있으며, 97% 또는 98% 이상의 전환율을 생성할 수 있는 가능성이 높다.
세트 B 및 도 6에서, 본 발명자들은 180℃의 초기 온도에서 5 시간 동안 에스테르화 반응을 수행하였으며, 초기 CO2 가스 압력을, 실시예 B-1은 400 psi에서, 실시예 B-2는 500 psi에서, 그리고 실시예 B-3에서는 600 psi에서와 같이 변동시켰다. 산의 그의 상응하는 디에스테르로의 %전환율은 보통이었으며, 총 수율은 통계학적으로 상당한 차이를 나타내지 않았다. 반응기 내의 초기 CO2 가스 압력은 산의 그의 디에스테르로의 전환에 있어서 많은 영향을 발휘하지 않았지만, 반응 동안의 반응기 내의 작동 압력은 수율에 대한 영향을 시사한다.
세트 C 및 도 7에서, 본 발명자들은 일정 압력 및 온도에서 에스테르화 반응을 실행하였지만, 반응의 지속시간을 변동시켰다. 실시예 C-1은 5 시간에서, 실시예 C-2는 2 시간에서, 그리고 실시예 C-3은 0.5 시간에서이다. 도 8에 나타낸 실시예는 반응 시간이 증가함에 따라 더 많은 양의 디에스테르가 산으로부터 전환되었음을 시사한다.
도 8은 약 4% 중량/중량의 석시네이트 염의 농축물을 사용하는 CO2-보조 에스테르화 반응의 제1 세트를 나타내며, 이는 표 5에 실시예 1 내지 실시예 3으로서 제시되어 있다. 실시예 1 및 실시예 2에서는, 석신산 및 그의 마그네슘(Mg2+) 염을 5 시간의 반응 시간 동안 210℃ 및 180℃에서 메탄올 및 에탄올 중에서 각각 반응시켰다. 이들 반응은 각각 약 33%의 디메틸 석시네이트 및 약 1%의 디에틸 석시네이트를 생성하였다. 메탄올은 에탄올보다 석시네이트 염을 용해시키는 데 있어서 더 큰 능력을 나타낸다. 마그네슘 석시네이트는 메탄올 중에서 합리적인 용해도 수준을 나타내는 반면, 이는 심지어 고온에서조차도 에탄올 중에서 제한된 용해도를 나타낸다. 그러므로, 디에틸석시네이트의 수율은 무시할 만한 정도였다. 실시예 3은 5 시간에 걸쳐 180?에서 칼슘(Ca2+) 석시네이트를 사용하는 반응을 나타낸다. 이 반응은 상응하는 디메틸석시네이트를 단지 약 1.33% 산출한다. 실시예 2 및 실시예 3에서의 비교적 낮은 전환율은 또한 상응하는 알칼리 토금속 염들 사이의 용해도 차이를 강조한다. 칼슘 석시네이트 염은, 심지어 고온에서조차도 메탄올 중에서 불용성이다. CO2 실험에서 사용된 메탄올 대 염 몰비는 메탄올 대 마그네슘 석시네이트의 경우 대략 110:1이었다. 마찬가지로, 이 비는 메탄올 대 기타 다른 카르복실산의 경우 약 100:1이었다.
반응 조건의 변동
실시예 기재 알코올 반응 시간(h) 온도(℃) 초기 CO2 압력(psi) 디에스테르로의 %전환율
A
1 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 180 400 13.9
2 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 210 400 49.2 온도 변동
3 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 230 400 72.4
B
1 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 180 400 13.9
2 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 180 500 11.4 압력 변동
3 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 180 600 9.6
C
1 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 5 180 400 13.9
2 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 2 180 400 5.4 반응 시간 변동
3 석신산 발효 브로쓰, Mg2+ 염 메탄올 0.5 180 400 ND
실시예 기재 알코올 반응 시간(h) 온도(℃) 초기 CO2 압력(psi) 디에스테르로의 %전환율 주
1 석신산, Mg 2+ 염 메탄올 5 210 400 33.4 대조군
2 석신산, Mg2+ 염 에탄올 5 180 400 1.0 제한된 용해도
3 석신산, Ca 2+ 염 메탄올 5 180 400 1.3 제한된 용해도
4 석신산 메탄올 5 150 400 37.0
5 석신산 메탄올 5 180 400 81.2
6 석신산 에탄올 5 180 400 60.8
7 석신산 1-부탄올 5 180 400 52.2
8 시트르산 메탄올 5 180 400 20.1
9 말산 메탄올 5 180 400 86.3
표 5는 본 방법에 따른 에스테르화 반응의 기타 다른 실시예로부터의 결과를 열거한다. 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3은 석시네이트의 염과 비교된 바와 같이 석신산의 기재 용해도의 중요성을 입증한다. 실시예 4 내지 실시예 7은 유리 석신산을 유사한 방식으로 메탄올, 에탄올, 및 1-부탄올 중에서 반응시킨 제2 세트의 반응들이다. 실시예 8 및 실시예 9는 기타 다른 유기산, 예컨대 시트르산 및 말산과의 반응이 각각 약 20% 및 86%의 비교적 우수한 수율을 달성할 수 있음을 나타낸다.
유리 석신산은 알코올과 용이하게 반응하는데, 그 이유는 이것이 메탄올, 에탄올, 부탄올, 및 최대 옥탄올(C8 알코올)까지의 기타 다른 알코올 중에 완전 용해되기 때문이다. 실시예 6 및 실시예 7에서, 에탄올 및 1-부탄올 중에서 반응된 석신산은 각각 60.8% 및 52.2%의 전환율을 산출한다.
특정 용매 중에서의 카르복실산 염의 용해도는 에스테르화 공정에 영향을 줄 수 있다. 유리산의 더 큰 용해도는 산 작용기가 결여되어 있는 카르복실레이트 염보다 더 큰 반응성을 가능하게 한다. 따라서, 상응하는 에스테르의 수율은 2 개의 세트의 반응들을 비교할 때 대조군 샘플보다 상당히 더 큰 경향이 있다. 실시예 4 내지 실시예 7의 반응은 실시예 1 내지 실시예 3의 반응보다 상당히 더 큰 양의 상응하는 디에스테르를 산출하였다. 카르복실산 그 자체는 현재의 작동 온도 및 압력 조건 하에서 에스테르화 반응을 촉진시키기에 충분할 수 있다. 본 방법에 따른 성공적인 에스테르화를 위해 기재 용해도를 조정할 수 있다.
B.
실시예: 수소화
상기 인용된 참고문헌에 기재된 공정들 중 하나와 같은 공정을 사용하여, 상기 기재된 에스테르화 공정으로부터 수집된 카르복실산 에스테르의 직접 수소화를 실행할 수 있다. 예를 들어, BDO, GBL, 및 THF로의 디알킬 석시네이트 에스테르의 수소화를 위해 금속 구리 촉매를 사용할 수 있다. 하기는 수소화 공정의 실례를 설명한다.
실리카-알루미나(93% 실리카, 7% 알루미나, Sigma Chemicals사) 및 2 개의 크로마토그래피용 실리카(Phase Separations, Inc.사) XOA-400 및 XOB-030의 지지체(모두 -16+30 메쉬) 상에의 구리 염의 습식 함침에 의해 구리 촉매를 제조하였다. 원하는 로딩률을 생성하도록 질산구리를 함유하는 용액 10 밀리리터를 10 g의 지지체에 첨가하였다. 이 슬러리를 2시간 동안 실온에서 교반하고, 이어서 진공 하 60℃ 내지 70℃에서 2 시간 동안 건조시켰다. 이어서, 건조된 고형물을 11 시간 내지 12 시간 동안 500℃의 노 내에서 공기 중에서 하소하여 구리 산화물을 제공하였다. 이어서, 이 촉매 재료를 반응기 내로 로딩하고 3 시간 동안 200℃ 및 200 psig에서 순수한 수소 중 동일계내에서 환원시켰다. 질소 BET 표면적 및 수은 기공률 측정에 의해 반응 전과 후에 촉매 지지체를 특성화하였다. 지시약으로서 p-디메틸아민아조벤젠(pK a = 3.9)과 함께 건조 벤젠 중에서 적정제로서 n-부틸아민을 사용하여 지지체 산도(acidity) 측정을 실시하였다.
316 스테인리스 강으로 만들어지고 167 mm 길이 × 5 mm 내경(i.d.)을 갖는 콘 클로저(cone closure) 반응기(Autoclave Engineers, Inc.사)에 석영 프릿 상에 지지된 1 g의 촉매를 장입하였다. Omega 시리즈 CN-2010 프로그램가능한 온도 제어기에 의해 제어된 클람셸형 노(clamshell furnace)로 반응기를 둘러쌌다. Biorad HPLC 펌프를 사용하여 디메틸 석시네이트를 메탄올 중 30 중량% 용액으로서 반응기 상부에 공급하였다. 수소 가스를 또한 표준 탱크 및 고압 조절기로부터 반응기 상부에 공급하였으며; 로타미터를 사용하여 반응기 출구에서 가스 유량을 모니터링하였다. 액체 공급 속도는 0.05 mL/분으로 고정하였으며, 수소 속도는 400 mL의 STP/분으로 설정하여 0.9 g의 DMS/g 촉매/h의 시간당 중량 공간 속도(weight hourly space velocity, WHSV) 및 200:1의 H2/석시네이트 비를 제공하였다.
응축성 생성물을 빙조 내에 침지된 편구(single-ended) 10 mL Whitey 샘플 실린더 내에 수집하였다. 3 방향 밸브를 사용하여 2 개의 샘플 실린더 중 어느 하나를 향해 반응 생성물을 전향시켰다: 반응 동안, 응축성 생성물을 일정 기간 동안 트랩 내에 수집하였으며, 그 후에 트랩을 회수하고 칭량하며 분석을 위해 내용물을 회수하였다. 수집 실린더를 빠져나가는 가스를 파열 원판 조립체(rupture disk assembly)로 통과시키고, 배압 조절기를 사용하여 대기압까지 점차적으로 낮추었다. 가스 크로마토그래피를 사용하여 분석하기 위하여 가스 생성물을 가스 백에 수집하여 비응축성 생성물의 형성을 정량화하였다.
수집 후 응축성 생성물을 칭량하고, 화염 이온화 검출기 및 Supelco SPB-1 와이드-보어(wide-bore)(0.5 mm) 모세관 컬럼(12℃/분으로 50℃ 내지 200℃, 200℃에서 유지)을 구비한 Varian 3300 가스 크로마토그래프에서 분석하였다. 생성물 농도의 계산을 용이하게 하기 위해 메틸 락테이트를 내부 표준으로서 사용하였다.
실시예: 가수소분해
이어서, 상기 기재된 발효 추출로부터 생성된 에스테르를 촉매(예를 들어, 환원된 CuO/ZnO) 위로 가수소분해하며, 이는 높은 전환율(98% 초과) 및 선택도를 얻을 것이다(예를 들어, 국제 특허 출원 번호 WO 제82/03854호).
대안적으로, 미국 특허 번호 제4,584,419호에 기재된 바와 같은 공정에 따라 진행할 수 있다. 231℃에서 유지된 오일 재킷을 갖는 스테인리스 강을 이 반응에 사용하였다. 라인을 통해 압력 조절기 및 유량 제어기(나타내지 않음)에 의해, 다수의 강구(steel ball)가 담긴 기화기의 바닥 단부로 수소를 도입하였다. 에스테르를 액체로서 라인을 통해 기화기에 계량하였다. 에스테르와 수소의 생성된 증기 혼합물을 예열 코일을 통해 반응기로 지나가게 했다. 이는 유리구 층을 포함하였으며, 이 층 위에 촉매상을 안치하였다. 반응기의 나머지는 유리구로 충전하였고, 반응기의 상단에는 출구관을 장착하였으며, 출구관은 응축기(나타내지 않음)에, 그리고 이어서 감압 밸브로 이어졌다. 출구 가스 유량을 습식 가스 계량기를 사용하여 응축기로부터 하류측에서 측정하였다.
30 ml의 과립형 아크롬산구리 촉매의 장입물을 반응기 내에 넣었으며, 이어서 반응기를 42 bar에서 질소로 퍼지하였다. 유조(oil bath)를 231℃의 온도까지 상승시켰다. 이어서, 42 bar의 N2 중 2% H2 가스상 혼합물을 8 시간 동안 촉매 위로 통과시킨 후, 추가 16 시간 동안 N2 중 10% H2(여전히 42 bar임), 그리고 이어서 추가 12 시간 동안 순수한 H2(또한 42 bar임)를 촉매 위로 통과시켰다.
이어서, 디에틸 석시네이트를 0.2/hr의 시간당 액체 공간 속도에 상응하여 기화기 내로 도입하였다. 증기 혼합물에서의 수소 가스:에스테르 몰비는 313:1이었다. 모래조(sand bath)의 온도는 231℃로 유지하였다. Chromosorb PAW 상에 10% 디에틸렌 글리콜 석시네이트가 담긴 내경 3.18 mm의 1.82 미터 길이의 스테인리스 강 컬럼, 30 ml/분의 헬륨 가스 유량 및 화염 이온화 검출기를 사용하여 가스 크로마토그래피에 의해 응축물을 분석하였다. 이 기기에는 피크 적분기를 갖는 차트식 기록계를 장착하였으며, 기지의 조성의 디에틸 말레에이트, 디알킬 석시네이트, 부티로락톤, 부탄-1,4-디올, 테트라하이드로푸란 및 물의 혼합물을 사용하여 이것을 교정하였다. 출구 가스를 또한 샘플링하고 동일한 기법을 사용하여 가스 크로마토그래피에 의해 분석하였다. 대상 재료의 정확한 시편(authentic specimen)에서 관찰된 체류 시간들을 비교함으로써, 그리고 질량 분석에 의해 피크들의 정체를 확인하였다. 디에틸 석시네이트, 부티로락톤, 부탄-1,4-디올, 테트라하이드로푸란 및 물을 반응 혼합물 중에서 검출하였다. 2-에톡시테트라하이드로푸란 및 2-에톡시부탄-1,4-디올을 포함한 미량의 소수 부산물이 또한 반응 혼합물 중에서 검출되었다. 얻어진 결과로부터, 디에틸 석시네이트는 52.2 mol%의 테트라하이드로푸란에 대한 선택도, 11.6 mol%의 n-부탄올에 대한 선택도, 26.1 mol%의 감마-부티로락톤에 대한 선택도, 및 10.1 mol%의 부탄-1,4-디올에 대한 선택도(잔부는 소수 부산물임)를 갖고서 생성물로 원활하게 전환된 것으로 나타났다.
본 발명은 일반적으로 그리고 실시예에 의해 상세하게 기재되었다. 당업자는 본 발명이 구체적으로 개시된 구현예로 반드시 제한되는 것은 아니며, 하기 청구범위, 또는 현재 알려져 있거나 개발될 기타 다른 등가 구성요소들을 포함하는 그의 등가물에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 수정 및 변형이 이루어질 수 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에서 사용될 수 있음을 이해한다. 따라서, 변경이 본 발명의 범주로부터 달리 벗어나지 않는 한, 그러한 변경은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (23)

  1. a) 적어도 하나의 유리 유기산, 또는 유기산들의 혼합물, 또는 적어도 하나의 유리 유기산 및 상기 유기산의 연관 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염을 함유하는 발효 브로쓰(fermentation broth)를 수득하는 단계;
    b) 상기 발효 브로쓰를 분말로 건조시키는 단계;
    c) 임의의 기타 다른 외부 산 촉매의 실질적인 부재 하 CO2 분위기 하에서 적어도 알코올 또는 CO2에 대한 초임계, 임계 또는 근임계(near critical) 조건에 상응하는 반응 온도 및 압력에서 상기 분말 상태의 상기 유기산을 알코올 용매와 반응시켜 에스테르를 합성하는 단계; 및
    d) 상기 에스테르를 수소화하여 수소화 생성물을 형성하는 단계
    를 포함하는, 수소화 생성물을 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소화 생성물은 1,4-부탄디올(BDO), 테트라하이드로푸란(THF), γ-부티로락톤(GBL), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 2-피롤리돈 중 어느 하나를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 건조 전 또는 에스테르 합성 후에, 상기 발효 브로쓰를 여과하여 세포 덩어리(cell mass) 및 불용성 화합물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 브로쓰를 여과하여 에스테르 합성으로부터 생성된 불용성 부산물을 제거하는 단계, 및 상기 에스테르를 농축시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 브로쓰는 연속 발효 공정의 일부이고, 상기 불용성 화합물을 상기 발효 브로쓰 내로 다시 재순환하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 브로쓰는 배치(batch) 발효 공정의 일부이고, 상기 불용성 화합물을 제2 발효 반응기 내로 재순환하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기산은 포름산, 아세트산, 프로피온산, 락트산, 부티르산, 이소부티르산, 발레산, 헥산산, 헵탄산, 데칸산, 라우르산, 미리스트산, 및 C15-C18 지방산, 푸마르산, 이타콘산, 말산, 석신산, 말레산, 말론산, 글루타르산, 글루카르산, 옥살산, 아디프산, 피멜산, 수베르산, 아젤라산, 세바스산, 도데칸이산, 글루타콘산, 오르토-프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산, 시트르산, 이소시트르산, 아코니트산, 트리카르브알릴산(tricarballylic acid), 및 트리메스산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기산은 폴리카르복실산인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리카르복실산은 적어도 디카르복실산 또는 트리카르복실산인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 합성된 에스테르는 대부분이 적어도 디에스테르인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 온도 및 압력은 약 400 psi 내지 3,000 psi 범위의 압력에서 약 150℃ 내지 약 250℃의 온도인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정은 상기 유리 유기산을 아실 할라이드로서 활성화하지 않는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 브로쓰는 pH가 5 미만인 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 브로쓰는 pH가 약 1.5 내지 약 4.5의 범위인 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 건조 단계는 분무 건조, 드럼 건조, 또는 저온건조(cryodesiccation) 중 적어도 하나에 의해 수행되는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기산은 이산(diacid)이고, 상기 에스테르의 합성은 유기산의 디에스테르로의 최소 50% 전환율을 산출하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 에스테르를 약 90% 순도 이상으로 정제하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 정제 단계는 결정화, 크로마토그래피, 및 증류로 이루어진 군으로부터 선택된 수단에 의해 수행되는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 알코올은 C1-C20의 R 기를 갖고, 포화, 불포화, 또는 방향족 종인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 공정은 상기 수소화 생성물에 추가 수소화 또는 가수소분해(hydrogenolysis)를 거치게 하여 바이오연료 화합물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 건조된 발효 브로쓰 분말은 상기 발효 브로쓰의 근원지와 상이한 장소로 수송되는 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 에스테르 합성은 상기 발효 브로쓰의 근원지와 상이한 원격 장소에서 실행되는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 유기산은 적어도 C4 이산이고, 상기 합성된 에스테르는 적어도 디에스테르이며, 상기 수소화 생성물은 1,4-부탄디올인 방법.
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