KR20170092717A - 바이오매스로부터의 폴리히드록시알카노에이트의 추출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실제 벤치 규모 평가를 바탕으로, 그러나 더욱 바람직하게는 바이오매스 품질의 보정된 화학계량분석 평가에 의해, 공정 운용 조건 및 조절이 배치별 변이에 맞추어 정량적으로 조정될 수 있는 산업 규모 배치 또는 반-연속식 배치 PHA 추출 공정에 관한 것이다. 조정은 공정 용매 및 PHA 유형에 부합하는 바이오매스 적재량 조건의 선택을 수반한다. 배치 운용 시간 및 온도는 모델화되어 있으며 모니터링되는 추출 동역학에 맞추어진다. PHA-풍부 용매 겔 형성을 조절하는 것에 의해, PHA-풍부 용매 겔화가 활용된다. 조합하자면, 강력하고 일관된 회수 생성물 품질 조절을 가능케 하면서도 동시에 전체적인 공정 경제성을 향상시키는 것을 가능케 하는 공정이 개시된다.
Description
본 개시는 일반적으로 바이오매스로부터의 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)의 추출 및 회수에 관한 것이다.
오늘날, 플라스틱은 주로 석유화학 공급원으로부터 제조된다. 그럼에도 불구하고, 천연 자원의 가용성 및 자연에서의 플라스틱 폐기물 축적에 관한 증대하는 우려는 석유화학-기재 플라스틱을 "바이오플라스틱"으로 대체하는 것을 목표로 하는 연구 및 개발의 규모가 점증하는 계기가 되고 있다. 플라스틱 물질은 그것이 생물기재이거나, 생분해성이거나 또는 이들 특성 모두를 특징으로 하는 것 중 어느 하나인 경우, 바이오플라스틱으로 정의될 수 있다.
폴리히드록시알카노에이트 (PHA)는 매우 다양한 자연 발생 미생물에서 세포내 과립으로 축적되는 일종의 생물기재 폴리에스테르를 나타낸다. PHA의 제조 방법에는 특별히 PHA 제조용으로 순수 세균 또는 식물 배양물을 번식시키는 것이 포함될 수 있다. PHA는 환경 보호 및 잔류물 관리의 필요성을 충족시키는 생물학적 폐기물 처리 공정에서 생성되는 바이오매스의 개방 혼합 배양물(open mixed culture)로부터 회수될 수도 있다.
PHA는 현재 예를 들면 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리에틸렌을 기재로 하는 오늘날의 플라스틱에서 대체 중합체로 이용될 수 있는 폴리에스테르이다. PHA는 부분적으로 그것이 이산화탄소 및 물로 완전히 생분해가능하다는 사실, 및 그것이 일반적으로 생물학적으로 상용성인 물질이라는 사실로 인하여, 통상적인 화석 연료 기재 중합체와 구별되는 특수한 적용분야에서 추가적인 효용을 갖는다. 따라서, PHA 기재의 플라스틱은 생물기재이면서 생분해성인 것 모두일 수 있는 바이오플라스틱이다. PHA의 계열 내에서, 경질의 탄성으로부터 더 고무질인 범위까지 광범위한 기계적 특성이 가능하다. 따라서, 그것은 오늘날 상업적으로 널리 사용되고 있는 많은 비-생물기재의 비-생분해성 중합체와 유사한 공학적 물질 특성을 나타낼 수 있다.
PHA는 PHA-풍부-바이오매스를 함유하는 원료로부터 발현 및 추출될 수 있다. 이러한 PHA-풍부-바이오매스 배치는 상당수의 공급원으로부터 예를 들면 정제소로 전달될 수 있다. 통상적인 공급원에는 물 및 슬러지에서 발견되는 유기 탄소 잔류물이 잔여 바이오매스에 의해 전환되어 PHA-풍부-바이오매스를 산출할 수 있는 생물학적 폐수 처리 플랜트가 포함된다. 그와 같은 PHA-풍부-바이오매스 배치는 종종 건조 중량 중 35 % 이상이나, 바람직하게는 40 % 초과, 가장 바람직하게는 50 % 초과를 폴리히드록시알카노에이트의 단일-중합체, 공-중합체 또는 공중합체 블렌드로써 함유한다. 정제소가 직면하고 있는 한 가지 과제는 전달되는 PHA-풍부-바이오매스의 배치별 가변성을 수용하는 것이다.
비제한적으로, 상기 배치별 가변성은 바이오매스 중 PHA-함량, 바이오매스-중-PHA의 열적 안정성, PHA의 유형, 바이오매스-중-PHA의 평균 분자 질량 및 비-PHA 바이오매스 품질에 관한 것일 수 있다. 예컨대, 바이오매스는 PHA 추출 공정용으로 제조되어야 한다. 예를 들어 한 실시양태에서, 바이오매스는 270 ℃를 초과하는 열 분해 온도로 측정하였을 때 바이오매스-중-PHA의 열적 안정성이 높도록 제조될 수 있다. 다른 실시양태에서, 제조는 바이오매스의 건조도 표준을 달성하는 것, 및 추출 방법 및 공정 모두와 상용성임은 물론, 최고로 가능한 회수 공정의 생산성이라는 필요성 및 관심에 부합하는 입자 크기를 갖는 건조된 바이오매스를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 중앙집중식 정제소로 전달되는 PHA-풍부-바이오매스의 배치별 품질이 가변적일 것이라는 전제하에, 중앙집중식 정제소가 광범위한 투입 원료 품질 가변성 정도를 수용하면서도 잘 조절되는 좁은 경계 내로 한정되는 품질을 갖는 생성물로서 PHA를 제조하는 것을 가능케 할 필요성이 존재한다. 그와 같은 필요성이 용이하게 해소되는 것은 아닌데, 우수한 겔 형성 및 전체적으로 최고로 가능한 공정 생산성 및 경제성을 위하여 분자 질량에 있어서 일관된 품질을 가지면서도 최대로 가능한 PHA-풍부-바이오매스 적재량을 유지하는 생성물을 배치 공정으로 전달하기 위한, 바이오매스-중-PHA의 평가 및 배치별 구체적인 PHA 회수 조건의 조정과 관련한 문제점들을 포함하고 있기 때문이다. PHA의 널리 확산된 이용을 막아왔던 통상적으로 공지되어 있는 장애는 PHA-풍부 바이오매스 제조를 위한 정제된 공급재료의 비용, 순수 배양 시스템을 위한 멸균 에너지, 아니면 바이오매스로부터의 정제된 PHA의 추출 및 회수 중 어느 하나로 인한 제조 비용이다. 폐수 및 슬러지에서 발견되는 유기 잔류물의 사용을 통하여 공급재료 비용 감소가 실현가능한 것으로 나타났다. 멸균 비용은 개방 혼합 배양물 공정에서 생태학적 선별 압력을 적용하는 기술을 통하여 회피될 수 있는 것으로 나타났다. PHA 제조 비용을 감소시키기 위한 이러한 상류의 접근법에도 불구하고, 추출 및 회수 비용에 대한 하류의 부담은 공지의 진행중인 과제로 남아있다.
추가적인 장애는 바이오매스로부터 PHA를 추출하는 것과 관련하여 발생한다. 바이오매스로부터 PHA를 추출하는 데에 가장 용이하게 적용되는 방법은 1종 이상의 용매, 더 구체적으로는 염소화된 용매를 사용하는 것에 의한 것이다. 그러나, 염소화된 용매의 사용을 피해야 하는 경우라면, 소위 PHA-저조(PHA-poor) 용매가 사용될 수 있다. PHA-저조 용매는 용매 또는 용매 혼합물로 정의될 수 있다. 이러한 PHA-저조 용매는 PHA-풍부 바이오매스와 용매가 혼합된 후 용매의 비점을 상회할 수 있거나 그렇지 않을 수 있는 경험적으로 한정가능한 온도 임계치 이상으로 가열될 경우, 바이오매스로부터 PHA를 추출하여 PHA-풍부 용액을 형성하기 시작하게 된다.
일반적으로, PHA-저조 용매를 사용하여 PHA를 추출하기 위한 온도의 범위는 100 내지 160 ℃ 사이이다. 더 많은 결정질 PHA를 용해시키는 데에는, 일반적으로 더 높은 온도가 더 적절하다. 결정화도는 바이오매스-중-PHA의 취급 이력에 의해 영향을 받을 수 있다. 잠재적인 결정화도는 또한 예를 들면 폴리(3-히드록시부티레이트) (PHB) 및 3-히드록시부티레이트의 3-히드록시발레레이트와의 공중합체 블렌드 (PHBV)를 포함한 통상적으로 제조되는 종류의 PHA를 포함한 공중합체의 유형에 의해 영향을 받을 수 있다.
승온에서의 PHA 추출의 한 가지 과제는 회수 과정에서 발생하는 중합체 분해의 정도를 방지하거나 적어도 최소화하는 것이다. WO 2012/022998A1호는 상승된 추출 온도에서 감소된 분자량 저하 동역학의 결과를 갖는 PHA 회수를 가능케 하기 위하여 바이오매스-중-PHA의 안정성이 향상되는 방법 또는 공정에 대하여 기술하고 있다. 그러나, WO 2012/022998A1호의 방법에 의해 PHA-풍부 바이오매스에서의 중합체의 안정성을 향상시키는 것이 승온에서의 추출 과정 동안 일어날 수 있는 모든 형태의 화학 반응들을 방해할 수 있는 것은 아니다. 중합체의 분해는 일반적으로 반응물 농도 및 온도에 따라 달라지는 속도로 (더 작은 정도라 할지하도) 용액 중에서 결국 발생할 수 있다. 용매 중에 용해된 중합체 및 용해된 비-PHA 바이오매스 성분 모두의 양이 중합체 사슬 절단 반응을 촉진하는 반응물 풀(pool)에 기여할 수 있다.
또한, 일부 PHA-저조 용매의 경우, PHA가 용액으로 추출된 후, PHA-풍부 용매 용액이 추출 온도로부터 냉각되면서, 중합체가 느슨한 결정질 네트워크를 형성함으로써 물리적 겔을 형성하는 경향이 있다. PHA-저조 용매를 사용한 물리적 겔의 형성 경향에 대해서는 알려져 있다 (US 특허 6,087,471호). PHA의 낮은 열적 안정성에 대한 이력상의 경험으로 인하여, 그와 같은 겔은 공정에서 더 높은 처리 온도가 회피될 수 있는 물품으로 PHA를 형성시키는 것으로 간주되어 왔다 (US 특허 4,360,488호). 그럼에도 불구하고, 물리적 겔 형성은 바이오매스로부터의 PHA 추출 방법 또는 공정의 일반적인 단점으로 간주되어 왔다. US 특허 7,226,765호는 겔 형성을 회피하거나 최소화하는, 세균 및 식물로부터 PHA를 추출하기 위한 용매 추출 공정에 대해 개시하고 있다. US 특허 6,087,471호는 또한 높은 온도 및 압력에서의 PHA 용매 추출 공정에 대해 기술하고 있는데, 이 공정 역시 공지되어 있는 바람직하지 않은 겔 형성을 회피하는 데에 최적화되어 있다. 결과적으로, PHA-풍부 용액이 냉각되고, 침전물을 형성시키며 일반적으로 PHA-풍부 겔의 형성을 회피하는 방법이 적용되는 업계의 주된 방법이 용매 추출 공정으로 기술되어 있다.
그러나, 현행 침전 방법은 다양한 문제점들의 방해를 받고 있다. 예를 들어, 침전을 달성하는 데에 사용되는 한 가지 방법은 PHA-풍부 용액에 비-용매를 첨가하는 것이다. 이와 같은 실행은 용매 재순환 및 회수를 복잡하게 할 수 있다. 물리적 겔 대신 침전을 형성하도록 설계되는 두 번째 공지의 방법은 겔 네트워크가 그렇게 용이하게 또는 집중적으로 형성될 수 없는 더 희석된 PHA-풍부 용액의 조건을 선택하는 것이다. 이와 같은 실행은 용매 소비를 증가시키고, 생성물 회수 부피 생산성을 감소시킨다. 따라서, 공지의 개선된 공정들에도 불구하고, 바이오매스로부터 PHA를 추출하기 위한 방법의 개선은 계속 요구되고 있다.
혼합 배양물로 구성되는 바이오매스 내에서 제조되는 PHA의 산업 규모 회수에 특수화된 과제에 대해서는 이전에 공지된 바 없다. 오늘날, 혼합 배양물로부터의 PHA 회수를 위한 그와 같은 산업 규모의 시설은 존재하지 않는다. PHA 축적을 위한 용량을 가지며 공정 및 폐수의 생물학적 처리의 일부로서 제조되는 활성화된 슬러지가 그와 같은 혼합 배양물의 일 예이다. 상이한 폐수 처리 시설로부터 PHA-풍부 활성화 슬러지의 배치를 받는 정제소는 생물공정 운용 조건 (예컨대 슬러지 체류 시간), 폐수 품질 및 바이오매스 내에 PHA를 축적시키는 데에 사용되는 공급재료와 같은 것에 의해 영향을 받는 공급원 의존성 특징들을 가질 수 있다.
상업적 적용분야에 PHA를 사용하는 거래와 연관되어 있는 사람들은 일반적으로 중합체 수지 특성의 배치별 가변성에 대해 불평한다. 원료로서의 유사한 공급원 중합체 수지의 상이한 배치들은 예를 들면 평균 분자량에 있어서 상당히 다를 수 있는 것이 보통이다. 전적인 것은 아니나 주로, 일관된 생성물 품질은 조절되는 회수 생성물의 평균 분자 질량 및 순도를 지칭한다. 일반적으로 생성물 품질의 가변성에 대한 조절력의 개선에 대한 필요성 또한 존재한다. 또한, PHA-풍부 혼합 배양 바이오매스를 취급하는 PHA 회수 정제소로 들어오는 재료의 배치별 가변성을 흡수하는 특수화된 과제는 이에 따라 PHA-회수 경제성에 대한 필요성을 신뢰성 있는 생성물 품질 보장의 요구와 조율하는 실행가능한 상업적 운용을 달성하는 데에 대단히 필수적인 것으로 이해된다.
여기에서, 본 개시는 혼합 배양 바이오매스로부터의 PHA의 회수 방법에 관한 것이다. 한 실시양태에서는, 과립화된 PHA-풍부 바이오매스가 제조된 후, PHA-저조 용매와 혼합된다. PHA는 PHA-저조 용매에 용해됨으로써, PHA-함유 바이오매스로부터 PHA가 추출되어 PHA-풍부 용매를 산출하는 것을 가능케 한다. 이와 같은 추출시, 온도는 15분 이상, 그러나 바람직하게는 1시간 미만, 더욱 바람직하게는 2시간 미만 동안 평균 TL15 내지 TU15 사이로 유지된다. PHA-풍부 용매는 추출 후 잔류 바이오매스로부터 분리된다. 이와 같은 분리는 겔화를 방지하기 위하여 PHA-풍부 용매의 온도 및/또는 전단 응력을 유지하면서 이루어질 수 있다. 상기 PHA-풍부 용매는 겔화 위치로 전달될 수 있다. 전달시, 겔화를 방지하기 위하여 온도 및/또는 전단 응력은 유지된다. PHA-풍부 용매는 겔화 촉진된다. 이와 같은 촉진은 PHA-풍부 용매를 겔화 온도 또는 그 미만의 온도로 냉각하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 다음에, 용매는 PHA-풍부 용매 겔로부터 가압 제거된다.
또 다른 실시양태에서는, 바이오매스가 반응기로 안내된 후, 용매와 혼합된다. 반응기에서, 용매는 바이오매스와 함께 가열된다. 용매 중에 PHA를 용해시키는 것에 의해 PHA-함유 바이오매스로부터 PHA가 추출된다. 이는 PHA-풍부 용매를 형성시킨다. 상기 PHA-풍부 용매는 도관을 통하여 반응기로부터 분리 위치로 전달된다. 도관의 제1 섹션에서, PHA-풍부 용매는 겔화를 방지하는 온도로 유지된다. 도관의 제2 섹션에서는, PHA-풍부 용매가 냉각됨으로써, PHA-풍부 용매 겔을 형성한다. PHA-분리 위치에서는, PHA-풍부 용매 겔이 기계적으로 가압됨으로써, PHA-풍부 용매 겔로부터 용매가 제거된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 0.1 mm 내지 4 mm 범위의 평균 입자 크기를 가지도록 과립화될 수 있다 (실시예 4). 이와 같은 입자 크기 범위는 더 용이한 용매-바이오매스 분리를 유지하면서도 여전히 합리적인 추출 동역학과 함께 우수한 추출 효율을 가지도록 관리하는 것 사이의 균형을 가능케 할 수 있다.
일부 실시양태에서는, 필요할 경우 PHA-저조 용매를 사용하여, 그러나 하위 PHA-추출 온도 한계 (TL-실시예 3) 미만인 온도에서 바이오매스가 추출되는 예비-추출 단계 (실시예 7)에 의해, 바이오매스-중-PHA의 화학적 안정성이 증대될 수 있다. 이와 같은 하위 PHA-추출 온도는 일반적으로 용매, PHA-유형 및 바이오매스 의존성인데, 본원에 개시되어 있는 것 (실시예 3)과 같은 방법에 의해 실제로 평가될 수 있다. 비제한적으로, 15분의 등온 추출이 무시할만한 양의 용액 중에 용해된 중합체를 산출하는 온도로서 TL15를 정의하였다. 예비-추출 용매는 바이오매스로부터 분리되며, 바이오매스가 다시 PHA-저조 용매에 배치됨으로써, PHA-함유 바이오매스로부터의 PHA가 TL15를 상회하는 온도에서 용액에 용해된다. TL (실시예 3)과 유사하게, 예로써, 본질적으로 모든 바이오매스-중-PHA가 용액으로 들어가는 15분의 등온 추출을 위한 온도로서 상위 추출 온도 (TU15)도 정의하였다. 수많은 인자들로 인하여, 온도 범위는 실시양태와 다를 수 있다. 예를 들면, PHB-풍부 바이오매스를 사용하는 일부 실시양태의 경우, 추출 온도 범위가 TL15로부터 TU15까지 119 내지 150 ℃일 수 있다는 것이 발견되었다. 파일럿 규모로 제조되며 3-히드록시부티레이트의 3-히드록시발레레이트와의 공-중합체 블렌드 (PHBV)를 함유하고, 0.71 내지 2 mm 사이의 과립 크기 범위를 갖는 상이한 바이오매스의 경우, TL15 내지 TU15의 온도 범위는 78 내지 195 ℃ 사이일 수 있다. 동일한 파일럿 시스템을 사용하는 또 다른 예에서는, 0.71 내지 2 mm 사이의 입자 크기로 과립화되어 있으며 63 내지 175 ℃의 TL15 내지 TU15 온도 범위를 갖는 3-히드록시발레레이트와의 공중합체 블렌드를 더 큰 정도로 함유하는 PHBV-풍부 바이오매스가 제조되었다. PHA 회수를 위한 시간 및/또는 온도의 추출 조건은 배치별 변화를 사용하여, 본원에서 제시되는 방법 및 실시양태에 따라 체계적으로 변경될 수 있다. 일부 실시양태에서, 추출 시간은 최소한으로 유지되는데, PHA-저조 용매에 PHA를 용해시켜 PHA-풍부 용액을 제조하기 위한 시간의 양은 본원에서 기술되는 것 (실시예 10)과 같은 1종 이상의 온라인 모니터링 기술을 사용하여 추출 단계 동안의 용매 중 PHA 농도를 예측하는 것, 그러나 바람직하게는 직접 또는 간접적으로 측정하는 것에 의해 결정된다. 예를 들어 첫 번째 경우에서, 추출 시간은 예측 모델링에 의해 임의의 주어진 온도 주기에 대하여 추정될 수 있다 (실시예 3). 일부 실시양태에서는, 실험실 유래 동역학 상수를 바탕으로 하는 이론적 모델이 정련된 후, 규모-확대된 설비의 개별적인 실행을 사용한 경우별 실험을 바탕으로 실제 더 양적으로 대표적이 되도록 보정될 수 있다 (실시예 8 및 9). 본원에서 사용될 때, 더 대표적이라는 것은 실험실 규모에서 달성되는 것만큼 우수할 수는 없는 규모 확대 공정 물질 전달 효율을 고려하는 모델 보정을 지칭한다.
일부 실시양태에서는, 추출 온도 미만의 비점을 갖는 PHA-저조 용매의 PHA-풍부 용액을 제조하는 동안의 비등을 방지하기 위하여, 일반적으로 추출 용기가 폐쇄될 수 있다. PHA-풍부 용액은 바람직하게는 겔화의 개시 없이 용액을 유지하도록 하는 온도 및/또는 혼합 전단 응력의 조건을 유지하는 것에 의해, 바이오매스로부터 분리됨으로써 시스템 외부에 PHA-풍부 용액이 배치될 수 있다 (실시예 11). 혼합하면서, 또는 혼합 없이 냉각하는 것에 의해, 유출되는 PHA-풍부 용액의 겔화는 전략적으로 위치될 수 있으며, 겔을 기계적으로 맞물리게 함으로써 용매 삼출을 강제하는 것에 의해, PHA가 나머지 겔로부터 용이하게 회수될 수 있다.
일부 실시양태에서는, PHA-풍부 바이오매스에 의한 용매 적재량 정도가 분자량 저하 속도에 영향을 줄 수 있다. 이와 같은 저하 속도는 추출시 발생하는 중합체 사슬 절단 반응의 평균 수를 기준으로 표현될 수 있다 (실시예 8). 바이오매스-중-PHA 분자량에 대한 정보 (실시예 5) 및 추출되는 중합체 품질의 기준에 있어서의 구체적인 요구사항이 주어지면, 추출시 "허용가능한" 절단의 최대 수를 초과하지 않는 운용 파라미터가 설정될 수 있다. 예를 들어 일부 실시양태에서는, 추출 공정에 대한 용매 바이오매스 적재량이 중요한 운용 파라미터이다. 이와 같은 제약은 생성물 분자량의 품질 기준을 충족하는 PHA를 회수하기 위한 목표와 관련된다. 따라서, PHA-유형 및 바이오매스의 특징이 PHA 추출의 시간 및 온도의 운용 조건에 영향을 줄 수 있기는 하지만, 바이오매스-중PHA 분자량 및 추출시 바이오매스와의 PHA의 화학적 안정성이 특정 PHA-풍부 바이오매스 배치에 적용될 수 있는 최대 PHA 용매 적재량을 결정할 수 있다. 일반적으로, 이러한 종류의 추출 공정에는 100 g-PHA/L 미만의 용매 적재량이 예상된다. 일부 실시양태에서는, 더 높은 추출 적재량을 가능케 할 목적, 아니면 회수되는 중합체 특성을 조작할 목적으로, 공정 첨가제가 다양한 공정 단계에서 도입될 수 있다 (실시예 6). 예를 들면, 중합체 분해의 감소된 최종 절단 속도로 인한 이후의 PHA-추출 단계를 위한 더 큰 용매 중 바이오매스의 적재량을 가능케 하기 위하여, 용매 가용성 비-PHA 바이오매스의 예비-추출이 사용될 수 있다 (실시예 7). 추출을 위한 증가된 바이오매스 적재량은 다시 증가된 추출 부피 생산성을 가능케 할 수 있다. 더 높은 분자량의 더 높은 PHA-풍부 용액 농도는 개선된 겔 특징을 촉진할 수 있다. 개선된 겔 특징은 겔로부터의 더 큰 용매 삼출 정도를 제공할 수 있다. 더 큰 용매 삼출은 더 큰 용매 회수 정도로 증가된 순도의 중합체를 생성시킬 수 있다. 이러한 모든 요소들은 다양한 실시양태에서 부분적으로, 그리고 조합으로써 사용됨으로써, PHA 회수 강도, 공정 경제성 및 생성물 품질 조절을 개선할 수 있다.
본원에서 기술되는 방법은 추출되는 중합체의 분자량을 선험적으로 조절하고 배치별로 추출 시간을 실시간 미세-조정하는 것을 가능케 한다. 본원에서 개시되는 대표적인 방법 및 공정들은 실제로 신뢰성 있는 생성물 품질을 보장하는 것을 돕고 공정 운용 경제성을 관리하는 데에 적용될 수 있다. 조합하면, 본 발명자들은 전체적인 용매 소비를 감소시키면서도, 회수된 중합체의 사후 정제에 대한 필요성 및 비용을 회피하거나 적어도 감소시키는 경향이 있게 되는 공정 방법을 확립하였다. 중합체 품질의 엄격한 기준을 유지하면서도 공정 단계를 최소화하고 용매 사용 및 운용 경제성을 최적화하는 것은 전체적으로 더욱 경제적으로 조정되는 공정 및 강력하고 일관된 PHA 회수 방법에 기여한다. 이는 현재 업계의 요구이기도 하다.
도 1. 광학 밀도 및 색상의 측정된 변화를 바탕으로 한, 132 ℃에서의 부탄올에 용해되는 PHB 분말의 진행.
도 2. PHB-풍부-바이오매스에 대한 온도의 함수로서의 모델화된 일차 등온 추출 동역학.
도 3. TH로부터 TL15 및 TU15인 운용 한계 온도까지 외삽 선을 사용한 모델 S자형 맞춤에 의한, PHB-풍부 바이오매스로부터의 15-분 등온 추출에 있어서의 실험 결과.
도 4. 온도의 함수로서의 경험적으로 추정되는 일차 등온 추출 속도 계수, 및 온도의 함수로서의 f15 데이터를 바탕으로 한 모델화된 값 (선).
도 5. TL15 및 TU15의 한계 온도를 사용한 운용 한정 15-분 추출 (f15)에 모델 S자 맞춤 및 데이터 해석된, PHBV-풍부-바이오매스로부터의 45-분 등온 추출 (f45)의 실험 결과.
도 6. 도 5를 참조한, 표시된 바와 같은 평균 온도 및 추출 시간을 사용한 (T > TL15) PHBV-풍부-바이오매스로부터의 모델 대 실험 추출 수율.
도 7. PHA-풍부-바이오매스의 추출에 대한 입자 크기의 영향.
도 8. 바이오매스의 제1 제분 통과 결과를 나타내는 롤-밀 마쇄 후의 PHA-풍부 바이오매스의 입자 크기 분포, 및 선택된 하위-분획의 분포.
도 9. 2.00 mm 메시를 통과하며 0.71 mm 메시에 의해 유지되는 추정 분포를 나타내는 롤-밀 마쇄 후의 PHA-풍부 바이오매스의 입자 크기 분포.
도 10. 일정한 바이오매스 적재량에서의 2-부탄올 중 PHB-풍부-바이오매스의 등온 추출 (125 ℃)에 있어서의 평균 절단 속도.
도 11. 50 g/L의 일정한 PHA-적재량에서의 2-부탄올 중 PHBV-풍부-바이오매스에 있어서의 평균 추출 온도의 함수로서의 평균 절단 속도. 시간 t50은 평균 분자 질량의 50 % 손실을 초래하는 추정 추출 시간임.
도 12. 고정된 35 % 분자 질량 손실 (t35)에 대한 50 g/L의 PHA-적재량을 바탕으로 한 허용가능한 추출 시간이 추출의 예측 수율 (f)에 영향을 줌.
도 13. 일정한 PHB-풍부-바이오매스 적재량에 있어서의 2-부탄올을 사용한 예비-세척의 90 ℃ 추출 절단 속도에 대한 영향.
도 14. 주어진 추출 시간, 온도 및 용매에서의 절단에 대한 PHA-풍부 바이오매스 PHA 적재량의 영향. 주어진 바이오매스는 적재량 (◆)에 따라 증가되는 절단의 추세를 나타냄. 그러나, 일반적으로 서로 다른 바이오매스 배치 (□)는 추출 동안 광범위한 중합체 화학 안정성의 변이를 나타냄.
도 15. 가변적인 PHB-풍부-바이오매스 및 적재량 조건을 가지나 일정한 용매 유형, 평균 추출 온도 및 추출 시간을 갖는 개별 바이오매스 배치들에 있어서의, 측정된 평균 특이적 절단 속도를 바이오매스 품질의 FTIR "핑거프린트"를 바탕으로 한 예측 평균 특이적 절단 속도에 관련시키는 PLS 모델 결과 (모델 구축 실험 데이터 (○) 및 모델 확인 데이터 (■)를 포함)의 도시.
도 16. 유입되는 배치별로 가변성인 PHA-풍부-바이오매스 품질에 비해 일관된 공정 생산성 및 생성물 품질 수준을 위한 최적화된 추출 작업 조건을 유지하기 위한 PLS 화학계량분석 모델 적용의 예.
도 17. 임의 수의 폐수 처리 플랜트 (WWTP1...WWTPn)로부터 PHA-풍부-바이오매스의 배치들 (가변적인 품질의 B1...Bn)을 수용하고, 임의 수의 상업적 시장 (소비자1...소비자n)을 위하여 다른 회수 가치 부가 화학물질과 함께 일관된 품질의 일정 등급의 생물중합체 생성물 (PHA1...PHAn)을 제조하는 중앙집중식 정제소.
도 18. 전체적으로 향상된 경제성 및 생산성을 위하여 가능한 가장 공격적인 공정 부피 적재량을 적용하면서도 회수 공정을 조정하고 정해진 품질의 PHA를 회수하기 위한 공정 및 방법의 적용. 일반적으로, 높은 바이오매스-중-PHA 평균 분자 질량은 다른 모든 것이 동일할 경우 더 높은 추출 적재량을 가능케 함.
도 19. PHA-풍부-바이오매스의 가변적인 배치별 품질의 일관되게 조절되는 품질을 갖는 PHA-풍부-용매 겔로의 전환에서의 공정 조건의 조정 적용 방법의 일부로서의 물질 및 정보의 흐름.
도 20. 측정된 용매 점도 의존성 재순환 흐름의 상대적 변화 (10 L 공정 - 실시예 1)와 추정 모델화된 PHA 추출 수율 (실시예 3) 사이 상관관계의 도시.
도 21. 측정된 용매 점도 의존성 재순환 흐름의 상대적 변화 (10 L 공정 - 실시예 1)와 근적외선 분광분석법 (NIR)에 의한 용매의 온라인 모니터링 스펙트럼으로부터 유래하는 예측 물질 유동 증가 사이의 PLS 모델을 바탕으로 한 상관관계의 도시.
도 22. 겔화에 따른 용매 광학 밀도의 증가를 바탕으로 한 PHA-풍부-용매 겔 형성 동역학의 등온 (102 ℃) 동역학의 도시.
도 23. 도 22에 도시된 겔화 개시를 바탕으로 한 등온 겔화 시간에 대한 온도의 영향의 도시.
도 24. 겔화 온도에 대한 PHA-풍부-용매 농도 및 PHA 조성 (◆-PHB, ▲ 및 ■ PHBV 공-중합체)의 영향의 도시.
도 25. 유사한 냉각 속도 (= -1.6 ℃/분)에서의 높고 (◆ - 78 ℃ 미만에서 개시) 낮은 (■ - 87 ℃까지 개시) 혼합 에너지의 영향에 따른 겔화 개시의 도시. 냉각 속도가 겔화의 발열 특성에 의해 영향을 받았음을 주목.
도 26. PHA-풍부 용매 온도의 함수로서의 광학 밀도의 회귀 분석에 의해 결정될 때의 겔화 개시의 도시.
도 27. 도 26을 참조한 주어진 PHA-풍부 용매 냉각 곡선의 겔화 개시 전의 가용 시간의 도시.
도 28. PHA-풍부-겔로부터의 용매 짜내기 및 겔 건조 고체 함량 증가에 대한 일정 압력 (16 bar)에서의 배수 속도의 영향.
도 29. PHA-풍부-겔로부터의 용매 짜내기에 대한 시간 및 압력의 영향.
도 30. 추출 공정 요소들의 개략적 도시.
도 31. 추출 공정에서의 물질 흐름의 개략적 도시.
도 2. PHB-풍부-바이오매스에 대한 온도의 함수로서의 모델화된 일차 등온 추출 동역학.
도 3. TH로부터 TL15 및 TU15인 운용 한계 온도까지 외삽 선을 사용한 모델 S자형 맞춤에 의한, PHB-풍부 바이오매스로부터의 15-분 등온 추출에 있어서의 실험 결과.
도 4. 온도의 함수로서의 경험적으로 추정되는 일차 등온 추출 속도 계수, 및 온도의 함수로서의 f15 데이터를 바탕으로 한 모델화된 값 (선).
도 5. TL15 및 TU15의 한계 온도를 사용한 운용 한정 15-분 추출 (f15)에 모델 S자 맞춤 및 데이터 해석된, PHBV-풍부-바이오매스로부터의 45-분 등온 추출 (f45)의 실험 결과.
도 6. 도 5를 참조한, 표시된 바와 같은 평균 온도 및 추출 시간을 사용한 (T > TL15) PHBV-풍부-바이오매스로부터의 모델 대 실험 추출 수율.
도 7. PHA-풍부-바이오매스의 추출에 대한 입자 크기의 영향.
도 8. 바이오매스의 제1 제분 통과 결과를 나타내는 롤-밀 마쇄 후의 PHA-풍부 바이오매스의 입자 크기 분포, 및 선택된 하위-분획의 분포.
도 9. 2.00 mm 메시를 통과하며 0.71 mm 메시에 의해 유지되는 추정 분포를 나타내는 롤-밀 마쇄 후의 PHA-풍부 바이오매스의 입자 크기 분포.
도 10. 일정한 바이오매스 적재량에서의 2-부탄올 중 PHB-풍부-바이오매스의 등온 추출 (125 ℃)에 있어서의 평균 절단 속도.
도 11. 50 g/L의 일정한 PHA-적재량에서의 2-부탄올 중 PHBV-풍부-바이오매스에 있어서의 평균 추출 온도의 함수로서의 평균 절단 속도. 시간 t50은 평균 분자 질량의 50 % 손실을 초래하는 추정 추출 시간임.
도 12. 고정된 35 % 분자 질량 손실 (t35)에 대한 50 g/L의 PHA-적재량을 바탕으로 한 허용가능한 추출 시간이 추출의 예측 수율 (f)에 영향을 줌.
도 13. 일정한 PHB-풍부-바이오매스 적재량에 있어서의 2-부탄올을 사용한 예비-세척의 90 ℃ 추출 절단 속도에 대한 영향.
도 14. 주어진 추출 시간, 온도 및 용매에서의 절단에 대한 PHA-풍부 바이오매스 PHA 적재량의 영향. 주어진 바이오매스는 적재량 (◆)에 따라 증가되는 절단의 추세를 나타냄. 그러나, 일반적으로 서로 다른 바이오매스 배치 (□)는 추출 동안 광범위한 중합체 화학 안정성의 변이를 나타냄.
도 15. 가변적인 PHB-풍부-바이오매스 및 적재량 조건을 가지나 일정한 용매 유형, 평균 추출 온도 및 추출 시간을 갖는 개별 바이오매스 배치들에 있어서의, 측정된 평균 특이적 절단 속도를 바이오매스 품질의 FTIR "핑거프린트"를 바탕으로 한 예측 평균 특이적 절단 속도에 관련시키는 PLS 모델 결과 (모델 구축 실험 데이터 (○) 및 모델 확인 데이터 (■)를 포함)의 도시.
도 16. 유입되는 배치별로 가변성인 PHA-풍부-바이오매스 품질에 비해 일관된 공정 생산성 및 생성물 품질 수준을 위한 최적화된 추출 작업 조건을 유지하기 위한 PLS 화학계량분석 모델 적용의 예.
도 17. 임의 수의 폐수 처리 플랜트 (WWTP1...WWTPn)로부터 PHA-풍부-바이오매스의 배치들 (가변적인 품질의 B1...Bn)을 수용하고, 임의 수의 상업적 시장 (소비자1...소비자n)을 위하여 다른 회수 가치 부가 화학물질과 함께 일관된 품질의 일정 등급의 생물중합체 생성물 (PHA1...PHAn)을 제조하는 중앙집중식 정제소.
도 18. 전체적으로 향상된 경제성 및 생산성을 위하여 가능한 가장 공격적인 공정 부피 적재량을 적용하면서도 회수 공정을 조정하고 정해진 품질의 PHA를 회수하기 위한 공정 및 방법의 적용. 일반적으로, 높은 바이오매스-중-PHA 평균 분자 질량은 다른 모든 것이 동일할 경우 더 높은 추출 적재량을 가능케 함.
도 19. PHA-풍부-바이오매스의 가변적인 배치별 품질의 일관되게 조절되는 품질을 갖는 PHA-풍부-용매 겔로의 전환에서의 공정 조건의 조정 적용 방법의 일부로서의 물질 및 정보의 흐름.
도 20. 측정된 용매 점도 의존성 재순환 흐름의 상대적 변화 (10 L 공정 - 실시예 1)와 추정 모델화된 PHA 추출 수율 (실시예 3) 사이 상관관계의 도시.
도 21. 측정된 용매 점도 의존성 재순환 흐름의 상대적 변화 (10 L 공정 - 실시예 1)와 근적외선 분광분석법 (NIR)에 의한 용매의 온라인 모니터링 스펙트럼으로부터 유래하는 예측 물질 유동 증가 사이의 PLS 모델을 바탕으로 한 상관관계의 도시.
도 22. 겔화에 따른 용매 광학 밀도의 증가를 바탕으로 한 PHA-풍부-용매 겔 형성 동역학의 등온 (102 ℃) 동역학의 도시.
도 23. 도 22에 도시된 겔화 개시를 바탕으로 한 등온 겔화 시간에 대한 온도의 영향의 도시.
도 24. 겔화 온도에 대한 PHA-풍부-용매 농도 및 PHA 조성 (◆-PHB, ▲ 및 ■ PHBV 공-중합체)의 영향의 도시.
도 25. 유사한 냉각 속도 (= -1.6 ℃/분)에서의 높고 (◆ - 78 ℃ 미만에서 개시) 낮은 (■ - 87 ℃까지 개시) 혼합 에너지의 영향에 따른 겔화 개시의 도시. 냉각 속도가 겔화의 발열 특성에 의해 영향을 받았음을 주목.
도 26. PHA-풍부 용매 온도의 함수로서의 광학 밀도의 회귀 분석에 의해 결정될 때의 겔화 개시의 도시.
도 27. 도 26을 참조한 주어진 PHA-풍부 용매 냉각 곡선의 겔화 개시 전의 가용 시간의 도시.
도 28. PHA-풍부-겔로부터의 용매 짜내기 및 겔 건조 고체 함량 증가에 대한 일정 압력 (16 bar)에서의 배수 속도의 영향.
도 29. PHA-풍부-겔로부터의 용매 짜내기에 대한 시간 및 압력의 영향.
도 30. 추출 공정 요소들의 개략적 도시.
도 31. 추출 공정에서의 물질 흐름의 개략적 도시.
본 개시는 특히 바이오매스로부터의 PHA의 회수 방법을 제공한다. PHA-풍부 바이오매스는 예를 들면 생물학적 폐수 처리 공정으로부터 수득될 수 있다.
일부 실시양태에서는, 바이오매스로부터 PHA를 추출하기 전에 향상된 PHA의 화학적 안정성을 위하여 바이오매스가 컨디셔닝될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 더 큰 부피 생산성이라는 장점을 동반하는 배치 공정으로 가는 더 큰 양의 적재량을 가능케 하는 수단으로서, PHA-풍부 바이오매스의 예비-처리 (하기에서 추가 논의되며 실시예 7에 예시되어 있는 바와 같음)가 적용될 수 있다. 따라서, 경우에 따라 공정 경제성을 유지하면서도 여전히 순도 및 평균 분자 질량의 정해진 품질 기준 내에서 일관되게 생성물을 전달하기 위해서는, 회수 공정 운용 조건이 예비-처리 방법의 선택을 수반할 수 있다. 예를 들면, PHA-저조 용매 임계 온도 미만인 온도에서 용매와 바이오매스를 혼합하는 것, 및 PHA 추출 전에 바이오매스로부터 해당 불순물들을 함유하는 용매를 제거하는 것에 의해, 비-PHA 용매 가용성 화합물들이 바이오매스로부터 제거될 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 본원에서 논의되는 PHA 회수 방법을 이용하기 전에, 혼합 배양물 바이오매스에 PHA가 축적되고, 열적으로 안정화된 후, 건조된다.
본원에서 사용될 때, "건조된" 또는 "건조하는 것"이라는 용어는 부분적인 것인지 또는 완전한 것인지에 무관한 물의 제거를 의미한다. 예를 들어, 생물학적 처리 공정으로부터 오는 PHA-풍부 바이오매스는 건조된 바이오매스 고체 대비 35 % w/w 이상, 그러나 바람직하게는 50 % w/w 초과의 PHA를 함유할 수 있으며, 또한 건조된 바이오매스 고체는 바이오매스 대비 10 % w/w 미만, 바람직하게는 2 % w/w 미만의 물을 함유할 수 있다.
식물 및 미생물로부터 PHA를 회수하기 위한 용매 추출 공정에 대해서는 업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, U.S. 특허 제6,087,471호는 비-할로겐화 PHA-저조 용매를 사용한 바이오매스로부터의 PHA의 회수 방법에 대해 개시하고 있다. 이들 및 기타 방법들은 추출 후 PHA-풍부 용액으로부터의 PHA 침전을 촉진하는 조건을 확립하는 것을 통하여, 궁극적인 PHA의 회수를 제공한다. 침전은 겔화와는 반대되는데, 겔 형성이 바람직하지 않은 것으로 기술되어 있는 바와 같이, 개시되어 있는 해당 침전 방법들은 PHA-풍부 용액이 안정한 PHA-용매 겔을 형성하는 것을 회피하는 것을 목표로 하고 있기 때문이다. 놀랍게도, 본 발명자들은 PHA 용매 추출 및 회수 공정 동안의 겔 형성 동역학의 온도 및 전단 의존성을 활용하는 것 (실시예 11)에 의해, PHA-풍부 겔 형성으로 인한 공지의 바이오매스-용매 분리 문제가 극복될 수 있다는 것을 발견하였다. PHA가 바이오매스로부터 추출되어 물리적 겔로서 추가적으로 처리되어야 하는 경우라면, 과제는 탁월한 품질의 겔 혈성을 확보하는 것이다. 겔 품질은 더 높은 PHA 분자량 및 증가된 겔 중 중합체 농도에 의해 향상된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 추출 공정에 대한 증가된 PHA-풍부-바이오매스 적재량은 일반적으로 추출 동안의 중합체 분해의 속도를 증가시키는 경향이 있다. 따라서, 겔 품질의 한 가지 핵심 측면을 개선하도록 추출 공정을 조정하는 것은 중합체 평균 분자량이라는 두 번째 핵심 파라미터로부터 이탈되는 경향이 있다. 본원에서 논의되는 방법 및 공정은 최소한으로 허용가능한 정제된 PHA 생성물 분자량에 도달하도록 제약되는 최대한으로 허용가능한 추출 공정에 대한 PHA-풍부-바이오매스 적재량을 고려하는 것에 관한 것이다.
생성물 품질 및 생성물 회수의 용이성을 위해서는, 더 높은 중합체 분자 질량 및 겔 중 농도가 더 바람직하다. 더 큰 겔 중 중합체 농도는 더 높은 추출 PHA 농도로 이어지는, 회수 공정에 대한 더 큰 PHA-풍부-바이오매스 적재량을 의미한다. 그러나, 반응기에 대한 바이오매스 적재량을 증가시키는 것은 추출 동안의 분자량 손실 속도의 증가를 의미하기도 한다. 너무 많은 분자량 손실은 회수를 위한 겔 특성에 불리할 수 있으며, 플라스틱으로 처리되는 PHA의 최종 기계적 특성에 불리할 수 있다. 더 낮은 회수 중합체 분자량은 또한 생성물 적용 범위 및 경제적 가치를 상당히 감소시키게 된다. 문제는 최적의 전체 공정 경제성은 물론, 회수 공정 성능 (겔 특성) 및 생성물 품질 (순도 및 분자 질량)에 있어서의 최적을 위한 기술적 공정 요구사항을 위한 추출에 대한 부피 적재량에서의 최고로 가능한 생산성을 달성하도록 회수 공정을 조정하는 것이다.
PHA-저조 용매는 추출 동안의 PHA의 화학적 안정성을 향상시키는 방식으로 이용될 수 있다 (실시예 7). 향상된 화학적 안정성에 의해, 배치 당 더 높은 농도의 PHA가 추출되면서도, 여전히 유사하거나 더 큰 평균 분자량을 갖는 중합체가 산출될 수 있다. 본원 실시예 (실시예 1, 2, 3 및 8)에서 논의되는 방법에 기초하여, 용매 적재량 조건이 결정될 수 있으며, 추출 시간이 최적으로 유지될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시양태는 일반적으로 100 ℃를 상회하는 온도에서 용매를 사용하고 PHA-풍부-용매-겔로서의 회수된 PHA의 포획을 사용하는, PHA-풍부-바이오매스로부터의 배치 PHA 회수 공정을 포함한다. 이러한 실시양태는 최적화된 배치별 부피 공정 생산성을 갖는 일관된 생성물 품질을 확보하기 위한 방법을 적용한다. PHA-풍부-바이오매스가 공중합체의 블렌드를 함유하는 경우, PHA-저조 용매를 사용한 추출에 적용되는 조건은 블렌드에서 용해시키기가 가장 어려운 유형의 공중합체를 회수하는 데에 적절한 온도 및 추출 시간을 충족해야 한다. 따라서, 본원에서 개시되는 공정 및 방법은 바이오매스 중 PHA 중합체의 유형이 특성상 비균질한 PHA-풍부 바이오매스로부터 PHA를 회수하기 위한 최적의 조건을 확립 및 적용하기 위한 실시양태에 관한 것이기도 하다.
더 높은 중합체 농도를 가지며 더 높은 분자량의 중합체를 포함하는 겔은 더 용이하게 추가 처리되는 것으로 알려져 있으며, 더 높은 PHA 분자량은 향상된 품질 (가치)을 갖는 최종 생성물을 제공한다. 따라서, 본 개시는 용매 회수의 단순성을 위하여 단일-비-염소화 PHA-저조 용매 (또는 용매 혼합물)를 사용하는 것, 향상된 생산성을 위하여 PHA-풍부 추출 용액 농도를 증가시키는 것, 및 더 우수한 최종 생성물 회수를 위하여 바람직한 겔화 특징을 달성하는 것에 의한, 개선된 PHA 회수 방법에 관한 것이다. 본원에서 개시되는 실시양태는 PHA-풍부-바이오매스 품질의 배치별 가변성을 수용할 수 있어야 하는 예상 업계 상업적 실시에 대한 적정한 관심을 갖는 공정 방법을 적용하는 것에 동시에 촛점을 맞추고 있다. 한 실시양태에서는, 일관된 추출 생성물 품질을 보장하게 되는 최적의 추출 조건을 결정하기 위하여 PHA-풍부-바이오매스 품질을 평가하는 방법이 적용된다.
바람직한 한 실시양태에는 PHA-풍부 혼합 배양 바이오매스로부터의 PHA의 조절되는 추출용으로 조건이 확립되어 있는 방법 또는 공정이 포함된다. 추출은 비-할로겐화 용매를 사용하여 수행된다. 용매에 대한 최대 바이오매스 적재량은 높은 부피 생산성을 달성하는 과제와 최소한이거나 적어도 허용가능한 수준인 PHA의 평균 분자량 감소가 발생하도록 하는 것을 조율하는 개시되는 접근법을 기준으로 선택된다. 바람직한 한 실시양태는 PHA-용매 겔의 형성에 바람직하도록, 그리고 겔 형성이 바람직하지 않지 않은 정도가 아니라 오히려 중합체 회수 공정 및 최종 생성물 품질에 유리하게 조절되도록 공정 및 운용 조건이 선택되는 전략을 사용한다.
PHA-용매 겔 형성 동역학은 예를 들면 온도, 혼합 강도, 용매 선택, PHA 농도, PHA 분자량, 및 추출되는 공-중합체 또는 공-중합체 블렌드의 유형에 대하여 의존성이다 (실시예 11). 적어도 한 실시양태의 목적은 PHA-풍부 용매 용액 겔화 개시의 시간 지연을 이용하는 것이다. 배치 PHA-추출 공정으로부터의 반-연속식 PHA-회수 공정을 가능케 하기 위하여, PHA-풍부 바이오매스 추출 후 겔화 전에, 비-용해 바이오매스 잔류 고체가 PHA-풍부 용액으로부터 분리될 수 있으며, 겔 형성이 배치될 수 있다. 한 실시양태에서는, PHA-풍부 용액을 제조하기 위하여 다수의 배치 추출 반응기가 사용될 수 있는데, 여기서 상기 다수의 배치 추출 반응기는 겔화 및/또는 용매의 삼출이 배열되는 통상적인 PHA-회수 공정으로 가는 단계에서 PHA-풍부 용액을 제공한다. 다수의 배치 추출 반응기는 순차적으로 겔화되며, 이후 삼출되는 용액을 산출한다. 폐열의 효과적인 포획 및 사용, 그리고 통상적인 최종 PHA 회수 공정으로 가는 다수 배치 추출 공정으로부터의 PHA-풍부 용액의 추가적인 처리는 더욱 효율적인 PHA 회수 및 감소된 전체적 회수 PHA 킬로그램 당 공정 비용으로 이어진다. 또한, 상이한 추출 배치들로부터의 겔들이 블렌딩됨으로써, 용융 온도의 충분히 아래이어서 분자량 저하가 없는 공정에서 바람직하게 잘 혼합된 공-중합체 배합물의 제조를 촉진할 수 있다.
한 실시양태에서, 잔류 바이오매스는 반응기에서의 여과에 의해 PHA-풍부 용액으로부터 분리될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 잔류 바이오매스는 반응기 외부의 트랩(trap)에서 바이오매스를 포획하는 것에 의해 PHA-풍부 용액으로부터 분리될 수 있다.
바람직한 한 실시양태에서는, PHA 추출 후 용매의 적정한 온도 및/또는 혼합 강도를 유지하는 것에 의해, 겔화까지의 시간이 조절된다. 적정한 시간 및 온도는 본원의 실시예에서 개시되는 바와 같은 간단한 실험실 시험에 의해 확립될 수 있다. 겔화까지의 시간은 부분적으로 PHA-풍부 용액 농도에 대하여 의존성이다. 추출 공정에 대한 PHA-적재량을 최대화하는 것이 방법의 목적이기 때문에, PHA-적재량 및 겔화 시간의 인자는 조화되어야 한다.
공정에 대한 PHA-적재량은 바이오매스 중 모든 추출가능한 PHA가 결국 용액 중으로 들어가는 경우 달성되게 되는 PHA의 이론적 농도이다. 추출가능한 PHA는 예를 들면 TGA (열 중량 분석), FTIR (푸리에 변환 적외선 분광분석법), 기체 크로마토그래피, 및/또는 표준화된 추출 방법 (실시예 1 및 실시예 3)을 바탕으로 하는 방법들에 의해 정량될 수 있다. 최대 허용가능 PHA-적재량은 삼출되어 최종적으로 적정한 분자량 이상 및 적정한 순도 이상의 중합체를 산출할 수 있는 강력한 PHA-용매 겔 내에서의 높은 추출 수율과 높은 생성물 분자량이라는 목적을 달성하는 것의 조화가 된다.
이와 같은 문맥에서의 적정성은 생성물 적용분야 의존성이다. 일반적으로, 90 % 초과, 바람직하게는 95 % 초과, 가장 바람직하게는 98 % 초과의 추출 중합체이면, 광범위한 적용분야에서 적정한 것으로 간주될 수 있다. 마찬가지로, 350 kDa 초과, 바람직하게는 400 kDa 초과, 더욱 바람직하게는 500 kDa 초과, 가장 바람직하게는 700 kDa 초과의 중량 평균 분자 질량이면, 광범위한 잠재적 적용분야에 적합할 수 있다. 본원에서 개시되는 방법은 예측가능성 생성물 분자량에 도달하는 데에 적합한 추출 운용 파라미터들의 선택을 가능케 하며, 그에 따라 PHA 회수 공정의 운용에 있어서 유입 원료 가변성을 흡수함으로써, 특수화된 생성물 적용분야용으로 잘 한정된 품질 범위 이내인 생성물을 전달하는 것을 가능케 한다.
또한, 회수된 PHA는 270 ℃ 초과, 그러나 바람직하게는 280 ℃ 초과, 더욱 더 바람직하게는 285 ℃ 초과의 열 분해 온도로 나타나는 바와 같은 높은 열적 안정성을 갖는 것이 바람직하다 (실시예 1). 바이오매스-중-PHA 또는 회수된 PHA의 열적 안정성은 일반적으로 열중량 분석 (TGA)에 의해 평가될 수 있다. 회수된 중합체의 열적 안정성은 물질이 5분 초과, 바람직하게는 15분 초과의 1 log 용융 안정성 (180 ℃)을 나타내는 레올로지 측정과 관련하여 이해될 수도 있다 (예를 들면 WO 2012/022998A1호 참조).
적합한 추출 공정 PHA-적재량 조건의 선택에 영향을 주는 연관 인자는 하기와 같다:
ㆍ 추출 후 바이오매스에 남아 있는 최소량의 PHA 잔류물을 의미하는, 향상된 추출 수율을 위한 더 낮은 PHA-적재량.
ㆍ 추출시의 분자량 감소의 감소된 동역학을 위한 더 낮은 PHA-적재량.
ㆍ 강력한 겔 형성을 위한 더 높은 PHA-적재량.
ㆍ 더 큰 공정 부피 생산성을 위한 더 높은 PHA-적재량.
ㆍ 더 낮은 PHA-적재량은 더 높은 생성물 분자량으로 인하여 도움이 되며 더 높은 PHA-적재량은 더 큰 PHA-용매 겔 농도로 인하여 도움이 되는, 최적의 겔 용매 삼출 특성을 위한 더 낮은 PHA-적재량 및 더 높은 PHA-적재량 모두.
따라서, PHA-적재량의 최적 조건은 충분히 높고 낮은 조화로 제약된다. 이와 같은 조화점은 PHA-풍부 바이오매스의 공급원, 및 추출되어야 하는 공-중합체 또는 공-중합체 블렌드의 유형에 따라 가변적이다. 경우별 기준 최적 회수 조건을 확립하기 위한 방법 또는 공정의 예는 실시예 9에 예시되어 있다.
PHA-풍부 용액이 비-가용성 바이오매스 분획으로부터 분리될 때까지 겔화가 발생하지 않도록 유지되는 온도를 사용하여 잔류 바이오매스로부터 PHA-풍부 용액이 분리되는 바람직한 한 실시양태가 제공된다. 한 실시양태에서는, 냉각 메커니즘이 인접 추출 반응기에서 용매를 예열하는 데에 사용될 수 있는 열 교환에 의한다. 일단 겔화가 이루어지고 나면, 용매를 짜내고 PHA 및 재사용가능 용매 양자를 회수하는 데에는 기계적 분리가 사용될 수 있다 (실시예 11 및 12). 이상적으로는, 용매 회수에 사용되는 에너지를 최소화하기 위하여, 가능한 한 높은 온도에서 용매가 회수되어야 한다.
그럼에도 불구하고, 전단력을 적용하는 것 (낮은 중합체 농도에서), 더 극성이나 혼화성인 용매를 첨가하는 것, 또는 냉각된 추출 용매를 사용한 PHA-풍부 용액의 빠른 희석에 의해, 추출 후 PHA-저조-용매에서의 PHA의 침전이 달성될 수 있는 것으로 보고되어 있다. 그러나, 겔 형성을 회피하기 위하여 부가되는 이들 모든 실시양태는 공정 복합성 및 비용을 증대시킨다.
ㆍ 더 극성이나 혼화성인 용매를 첨가하는 것은 용매 소비를 상당히 증가시키고, 생성물 회수를 더 까다롭게 만들며, 용매 회수 및 재사용을 위한 에너지 수요에서의 추가적인 자본 및 운용 비용을 부과함.
ㆍ 더 극성인 용매를 도입하는 것은 공동-추출된 용매 가용성 비-PHA 바이오매스 잔류물의 공동-침전을 촉진함으로써 일반적으로 더 저조한 생성물 품질을 초래할 수 있음.
ㆍ 높은 전단력을 바탕으로 하는 침전은 일반적으로 낮은 PHA 농도를 사용함으로써, 저조한 공정 부피 생산성, 및 과도한 용매 및 에너지 소비를 수반함.
PHA 회수와 관련된 본 발명자들의 발견에서, 단일 PHA-저조 용매 회수 공정의 겔화 특징의 최적화와 함께 허용가능한 PHA-적재량을 최대화하는 방법과의 조합은 전체적인 우수한 공정 성능, 및 최종 생성물 품질의 사전-능동 조절을 위한 수단 모두에 기여한다.
열적으로 안정화되고 (예를 들면 WO 2012/022998A1호 참조) 이후 PHA-저조 용매에서의 해당 추출 방법을 통하여 회수되며 조절되는 겔화에 의해 포획되는 바이오매스-중-PHA는 비교적 순수할 것으로 (>95 % 순도) 기대된다. 당연히, 이와 같은 겔화 방식에서 회수되는 PHA는 항상 하류에서 열적 방법 또는 추가적인 용매 세정 또는 블렌딩 전략을 이용하는 것에 의해 추가 처리됨으로써, 더욱 더 높은 순도의 PHA 또는 바람직한 가치-부가 컴파운딩된 중합체 원료가 수득될 수 있다.
비제한적으로 화학적 스캐빈저, 핵형성제, 안정화 화학물질, 가소제, 관능화제 및 충전재를 포함한 배합 중합체 원료들의 형성을 위한 화학 첨가제들이 첨가되어 PHA-풍부-용액에 혼합될 수 있으며, 추출 동안, 추출 및 바이오매스 분리 후, 및/또는 겔화 공정 동안, 또는 심지어는 후에 매트릭스에 포획될 수 있다 (실시예 6). 따라서, PHA의 겔화는 추가적인 개선되고 가치 부가된 원료 및/또는 바이오플라스틱으로의 중합체의 처리를 예상할 때, 거기에 장점을 부여한다. 이를 위하여, 그리고 실제 예로써, 폴리카르보디이미드 종류의 화합물이 추출 후, 그러나 겔화 전에 상승된 용매 온도에서 PHA-풍부-용액과 조합될 경우 사슬 연장 반응을 유도할 수 있다는 것이 발견되었다. 이와 같은 실행은 PHA-저조 용매 추출 후 물질 특성을 증대시키거나 상쇄시키는 데에 사용될 수 있다.
회수되는 PHA의 분자량 및 PHA 블렌드 전체의 분자량 분포는 중합체의 물리적 특성에 영향을 주는 주요 품질 인자이다. 일반적으로, 더 높은 분자량이 더 바람직하다. 반응기에서의 PHA 추출 시간을 감소시키는 것은 추출 공정 동안 발생할 수 있는 PHA 평균 분자 질량의 감소를 최소화한다. 따라서, 추출 시간을 그것이 필요로 하는 만큼을 넘지 않도록 유지하는 것은 PHA-풍부 용액으로부터 원하는 더 높은 평균 분자량의 PHA를 회수하는 능력을 증가시킨다. 용매 중 추출 PHA의 농도를 예측, 더욱 바람직하게는 직접 모니터링하는 것에 의해, 추출 시간이 가능한 한 짧게 유지되는 것을 보장하는 것이 가능하다 (실시예 10). 예측은 추출될 바이오매스의 실제 특성화에 의해 이루어질 수 있다 (실시예 3). 추출 공정 추세의 직접적인 모니터링은 추출 공정 동안 분광분석법 또는 PHA-풍부 용액의 점도와 같은 검출 방법을 사용하여 용매 품질을 모니터링하는 것에 의할 수 있다 (실시예 10).
필수 추출 시간 및 추출 수율은 건조된 바이오매스의 입자 크기에 의해 영향을 받는다. 추출 공정은 바이오매스로부터의 제한되는 물질 수송이다 (실시예 2 및 3). 일반적으로, 더 작은 입자가 용매 추출 동역학 및 생성물 수율을 향상시키게 되는 것으로 나타난다. 물질 전달 동역학은 일반적으로 경계면 표면적의 증가 (작은 입자 크기)에 의해 향상된다. 동시에, 더 큰 입자 크기에서는, PHA-풍부-용액으로부터의 비-용해 바이오매스의 추출 후 분리가 간단해진다. 바이오매스 입자가 너무 큰 경우, 추출이 바이오매스 입자의 코어로 진행되지 않는다는 것이 발견되었다 (실시예 4). 또한, 더 큰 입자는 감소된 물질 전달 동역학, 더 긴 추출 시간, 및 결과적으로 증가된 분자량 손실 정도와 함께, 작은 접촉 표면적을 의미한다. 용매 침투 깊이는 2 mm 수준이라는 것이 발견되었다.
0.71 내지 2 mm 사이의 입자 크기 분포를 가짐으로써 주 크기 분획이 1.4 mm이었던 실제 실험에서, PHA-풍부 용매로부터 추출된 바이오매스 과립을 용이하게 분리하는 능력과 함께 추출 수율과 동역학 사이의 우수한 조화가 나타났다. 0.71 내지 2 mm와 2 내지 3.15 mm의 구별되는 과립 크기 분포를 비교하는 2개의 서로 다른 바이오매스 배치를 사용한 반복 실험에서의 동일한 추출 조건에 대한 직접 비교에서는, 더 큰 과립 분포에서 23 %까지의 추출 효율 손실이 관찰되었다. 따라서, 1 mm 수준의 주 과립 입자 크기가 이와 같은 바이오매스로부터의 PHA 회수의 산업적 실행에 최적인 것으로 생각된다.
0.71 내지 2 mm 사이의 입자 크기 분포를 갖는 과립화된 바이오매스가 되도록 건조된 PHA-풍부 바이오매스를 분쇄하는 실제 작업에서, 0.5 mm 필터 메시가 추출 후 대부분의 바이오매스를 보유하게 된다는 것이 발견되었다. 실험 실시예 실시양태에서는, 0.1 mm가 추출 동안 존재하거나 형성된 바이오매스 미세질을 포획하는 데에 추가적으로 이용되었다. 바이오매스에서의 용매 침투의 발견으로 볼 때, 추출 시스템에서의 바이오매스 입자는 공칭 직경이 4 mm 미만이어야 한다. 실제로, 0.5 mm를 초과하며 2 mm 미만인 입자 크기 분포를 갖는 과립화된 바이오매스가 추출 성능과 PHA-풍부 용매 분리의 실제적인 용이성 사이의 우수한 조화를 제공한다는 것이 발견되었다. 1 mm 가량의 주 과립 입자 크기를 유지하는 것에 의해, 0.1 mm를 초과하는 바이오매스 입자 미세질의 형성 또는 부수적인 존재는 바이오매스 덩어리가 용매로부터 분리된 후 PHA-풍부 용매 스트림으로부터 용이하게 스크리닝될 수 있었다.
따라서, 이상적으로는 1 mm 수준의 주 분획 및 0.1 mm를 초과하는 미세질을 포함하는 4 mm 미만의 바이오매스 과립 입자 크기 분포가 잔류 바이오매스 분리의 실제적인 단순성, 추출 시간에 있어서의 공정 효율, 및 조합 적재량 잠재력이라는 상반되는 최적화 고려사항들 사이의 조화에 부합한다는 것이 발견되었다. 이와 같은 방식으로, 효과적인 추출 시간은 5시간 미만, 그러나 바람직하게는 2시간 미만, 더욱 더 바람직하게는 1시간 미만이 될 수 있었다.
통상의 기술자라면, 바이오매스 입자와 용매 총괄 부피 사이 경계면에서의 용매-바이오매스 경계 층이 이론적으로는 가능한 한 얇아야 한다는 것을 알고 있을 것이다. 평균 분자량 저하 동역학이 농도 의존성이기 때문에, 입자-용매 경계면의 국소적으로 농축된 PHA-풍부 용액은 가능한 한 빠르게 총괄 용액으로 수송되어 희석되어야 한다. 따라서, 추출 동안에는 혼합하는 것이 바람직하다. 추출 반응기에서 바이오매스와 관련하여 추출 용매를 혼합하는 것은 추출 수율을 향상시키고, 추출 동역학을 증가시키며, 그에 따라 추출 동안의 중합체 분해를 완화할 수 있다. 중합체 추출 및 분해 동역학의 잠재력 한계는 표준화된 실험실 규모 실험에서 평가될 수 있다 (실시예 3).
실제로, 혼합 에너지는 바람직하게는 바이오매스 입자를 파괴시키지 않으면서 전체 용매 부피를 통하여 바이오매스 입자-용매 경계면으로부터 추출 분리되는 PHA의 약하지만 상대적으로 빠른 분산 및 희석을 유지하는 데에 적용된다. 너무 공격적인 기계적 혼합 조건은 바이오매스 과립을 단순 여과 스크린을 통하여서도 용이하게 파괴되는 미세 분말로 감소시키며, 이는 바람직하지 않은 최종 생성물 오염으로 이어진다는 것이 발견되었다. 따라서, 한 실시양태에서, 용매는 용매 부피 내에서 자유롭게 과립을 혼합하기 보다는, 충진된 과립 바이오매스 상을 통한 유동화 상 상향식 또는 압력 구배 구동 용매 유동 방식으로 필터 상을 통하여 펌핑될 수 있다.
PHA-저조 용매에서의 PHA 추출의 동역학은 온도에 의해 영향을 받는다. 주어진 PHA-저조 용매에서 주어진 바이오매스로부터 주어진 PHA를 용해시키는 데에 있어서의 온도의 영향은 간단한 실험실 절차에 의해 용이하게 결정될 수 있다 (실시예 3). 이와 같은 절차는 높은 접촉 표면적을 제공하고 주어진 바이오매스 중 주어진 PHA와 더 특수하게 관련된 최대 물질 전달 동역학을 초래할 목적으로, 미세하게 분쇄된 바이오매스에 적용된다. 상기 절차는 또한 결과적인 추출 동역학에 대한 입자 크기 분포의 실제적인 영향을 정량하기 위한 수단으로서 과립화된 바이오매스에 적용될 수 있다. 이와 같은 절차는 그 아래에서는 수분 내지 한 시간의 몇 분의 1인 시간 규모 동안 있다 하더라도 상대적으로 무시할만한 PHA의 추출이 일어날 것으로 예상되게 되는 하위 온도 한계 (TL)를 표시해준다. 동시에, 수분 내지 한 시간의 몇 분의 1인 수준의 시간 규모에서 상당한 PHA가 추출될 것으로 예상되게 되는 상위 온도 한계 (TU)가 정의될 수도 있다. 상기 절차는 TL 값을 상회하는 온도의 함수로서의 경험적으로 유도되는 추출 동역학 상수를 제공한다. 예를 들어 일차 추출 동역학의 모델 가설을 바탕으로 하여 추출 동역학의 온도 의존성이 추정될 수 있으며, 이러한 모델 계산으로부터 TL15 및 TU15가 유도될 수 있다. TL15는 15분 이내에는 무시할만한 추출이 일어나게 되는 하위 온도이며, TU15는 15분 이내에 상당한 PHA 추출이 일어나게 되는 상위 온도이다. 과립화된 입자 크기 분포의 차이, 바이오매스 특징, 및/또는 바이오매스 중 PHA의 유형 차이로 인하여, TL15 및 TU15는 모든 PHA-바이오매스 배치에 대하여 동일한 것은 아니다. 이루어지는 해석 및 실제 가설, 그리고 다른 그와 같은 해석 및 모델 세부사항의 가능성에도 불구하고, 본 발명의 방법은 혼합-배양 PHA-풍부 바이오매스에 대하여 이전에 개시된 바 있는 것들을 넘어 상회하는 증대된 추출 공정 조건의 정의를 제공한다. PHA 추출 온도는 배치별로 달라질 수 있다. 이에 따라, 평균 TL15 내지 TU15 사이의 필수 추출 온도를 갖는 PHA-회수 공정이 정의된다. PHA-풍부 바이오매스가 TL15를 초과하는 PHA-저조 용매 온도에 노출된다는 관점에서, 추출 시간 및 평균 추출 온도가 정의된다.
추출 반응기에 대한 가열 시간-온도 경향의 온도 및 지식을 사용하는 추출 동역학의 한정된 의존성을 바탕으로, 예상 추출 진행 시간이 예측될 수 있다 (실시예 3). 이러한 예측은 추출 공정을 위한 실제 상위 시간 한계를 배치하는 데에 사용될 수 있다. 이론적 모델 예측은 실제 조정 및 보정 인자들을 사용하여 조정됨으로써, 특수 규모 증대 추출 시설에서 구현되는 성능 경계 또는 물질 전달 한계를 반영할 수 있다. 추출 공정 동안의 PHA의 수 평균 분자 질량 손실은 평균 중합체 사슬 절단 수의 관점에서 기록될 수 있다:
<수학식 EQ-1>
(식 중,
Ns = 추출 시간 (t)의 함수로서의 사슬 절단 수
Mn = 추출 시간 (t)의 함수로서의 수 평균 분자 질량임).
예를 들어, 주어진 평균 추출 온도에서의 1-시간의 추출 과정에 걸쳐 원래의 수 평균 분자 질량이 800 kDa로부터 100 kDa로 감소되는 경우라면, 1-시간 절단 수는 그 주어진 온도에서 7이다. 모든 중합체 사슬은 그 주어진 온도에서 1시간 동안 평균 7회 절단된다. 다분산도 지수가 추출 동안 평균 분자 질량 손실에 따라 대략 일정한 경우라면, 절단 수는 중량 평균 분자 질량 (Mw)의 데이터를 대신 사용하여 계산될 수도 있다:
<수학식 EQ-2>
주어진 온도에서의 단위 시간 당 절단 수는 하기의 평균 온도 특이적 절단 속도를 암시한다:
<수학식 EQ-3>
(식 중, 
는 구체적인 시간 동안 주어진 온도와 관련하여 확립된 추정 평균 절단 속도임). 더 큰 절단 수는 주어진 시스템에서의 더 큰 중합체의 양에 해당하게 되기 때문에, 실험들 사이의 절단 계수의 비교는 절단 밀도 또는 특이적 절단 속도(specific scission rate)를 바탕으로 참조될 수 있다. 하기의 평균 특이적 절단 속도 또는 
는 추출 공정에서의 중합체의 질량 또는 농도 당 절단 수를 지칭한다:
<수학식 EQ-4>
(식 중, Xp는 추출 공정에 도입되는 중합체의 질량임). 비제한적으로, 그리고 실용적인 참조로써, 적재된 PHA 질량의 100 %가 추출될 수 있는 경우의 이론적 PHA 최대 농도를 바탕으로 한 평균 특이적 절단 속도를 계산하였다. 다른 말로 하면, 실시예 8의 Xp는 추출 공정에 대한 PHA-적재량을 지칭한다. 주어진 적재량, 온도 및 추출 시간에서, 
가 더 클수록, 중합체 분자량 손실은 더 많아지게 된다. 실제로, 응용 화학계량분석 방법을 바탕으로 주어진 추출 온도에서 바이오매스 적재량의 함수로서 
를 정의하는 것이 가능하다는 것이 발견되었다 (실시예 8):
<수학식 EQ-5>
(식 중, Xn은 추출 공정에 적재되는 바이오매스의 비-PHA 분율임). 따라서, 주어진 추출 온도 및 용매에 대하여 보정된 시스템에서는 (실시예 8), 적재량 의존성 특이적 절단 속도가 기술될 수 있다. 회수 공정 동안의 중합체의 절단 속도의 평가가 PHA 공정 회수 운용 파라미터의 배치 특이적인 조정을 사용하여 배치별 PHA-풍부 바이오매스 품질 가변성을 수용하는 데에 있어서 핵심이 된다는 것이 발견되었다.
바이오매스-중-PHA 분자량 분포 (실시예 5) 및 추출 시간에 대한 추가적인 정보를 사용하여, 회수된 중합체가 분자량과 관련하여 정해진 생성물 품질 하위 한계를 넘어 유지될 것으로 예상되는 바이오매스 용매 적재량 한계가 정의될 수 있다 (실시예 9). 바이오매스 적재량 제약은 적용될 최종 PHA 용매 적재량과 비교될 수 있는데, 이는 겔화에 의한 생성물 회수를 위한 실제적인 공정 제약과 관련되기 때문이다.
증가된 PHA 용매 적재량이 적절한 경우, 최종 생성물 품질의 과도한 희생 없이 전체적인 바이오매스 용매 적재량의 증가를 가능케 하는 추가적인 조치들이 이루어질 수 있다. 비제한적으로, 그와 같은 조치에는 예비-처리 (실시예 7), 후-처리 (실시예 6), 및/또는 화학 첨가제의 적용 (실시예 6)이 포함될 수 있다. 추가적인 조치는 추가적인 비용을 초래할 가능성이 있기 때문에, 일반적으로 중합체 회수 공정 경제학에서는, 추가적인 예비-처리 조치가 적절하거나 향상된 회수 중합체 생성물 가치로 인한 더 큰 보상에 의해 상쇄될 수 있는지를 배치별 기준으로 명시적으로 정당화하는 것을 가능케 하는 수단을 갖는 것이 상업적으로 유리할 것으로 보인다. 본원에서 실시예에 의해 개시되는 방법 및 공정이 바이오매스 품질, 중합체 유형, 중합체 분자량 및 바이오매스 중합체 함량에 있어서의 관찰되는 배치별 가변성의 의도적인 수용에 의해 최종 생성물 품질을 보장하기 위한 그와 같은 경우별 중합체 회수 공정 조정을 가능케 한다는 것이 발견되었다.
추출 공정을 위한 용매에의 바이오매스의 적재는 다량의 PHA-바이오매스 (Xp) 및 비-PHA-바이오매스 (Xn)를 도입한다. 주어진 PHA-풍부 바이오매스에 있어서, 목적은 정해진 수 평균 분자 질량과 동일하거나 그것을 상회하는 생성물을 전달하도록, 추출 사슬 절단 수를 제한하는 제약을 수반하여, 추출 공정에서 가능한 한 많은 양의 PHA를 용매에 적재하는 것이다. 주어진 바이오매스 적재량에 있어서, 회수되는 생성물 분자량 분포를 결정하는 사슬 절단 수는 하기에 따라 달라진다는 것이 발견되었다:
ㆍ PHA 적재량 (Xp),
ㆍ 비-PHA 바이오매스 적재량 (Xn),
ㆍ 비-PHA 바이오매스 적재량과 관련된 불순물의 유형 및 양,
ㆍ TL15를 초과하는 평균 추출 온도,
ㆍ PHA-저조 용매의 유형, 및
ㆍ 추출 시간.
일반적으로, 주어진 바이오매스 적재량 및 일정한 추출 온도의 경우, 일정한 절단 속도가 관찰된다. 다른 말로 하면, 일정한 온도에서의 절단 수는 시간에 따라 선형으로 증가된다:
<수학식 EQ-6>
그러나, 절단 수에 대한 비-PHA 바이오매스 적재량의 영향이 바이오매스 배치마다 달라질 수 있다는 것이 발견되었다. 비-PHA 바이오매스 화학물질 함량은 추출 동안의 중합체의 화학물질 안정성에 기여한다. 비-PHA 바이오매스 조성물의 복잡성 및 가변 가능성은 기여 화학물질 요소의 평가를 까다롭게 한다. 이와 같은 복잡성 및 가변성에도 불구하고, 주어진 용매 및 추출 온도에 대하여 절단 의존성을 보정하는 것이 가능하다는 것이 발견되었다. 화학계량분석 방법을 바탕으로, 주어진 바이오매스 및 추출 온도에 있어서의 평균 특이적 절단 속도가 보정 실험에 의해 예측가능하다. 따라서, 다양한 생산 공급원으로부터 전달되는 PHA-풍부 바이오매스에서 PHA를 회수하는 중앙집중식 시설을 위한 제조 시나리오에서, 추출을 위한 적재량 조건은 일관되고 최적인 공정 효율 및 생성물 품질을 유지하도록 경우별로 조정될 수 있다. 일반적으로, PHA-저조 용매 중 PHA의 분해 동역학은 추출 반응기에서 PHA-바이오매스가 적재된 비-PHA 바이오매스의 농도에 따라 증가된다. 동시에, 바이오매스로부터의 추출 및 PHA-풍부 용매 분리 후의 안정한 겔의 유익한 형성을 보장하도록, 충분한 PHA가 추출되어야 한다. 30 g-PHA/L 가량의 PHA 농도에서 겔 형성이 더욱 신뢰성 있게 되나, 40 g-PHA/L을 초과하는 PHA-겔 농도가 더욱 바람직하다는 것이 발견되었다. 겔로부터의 용매 짜내기의 용이성은 일반적으로 더 높은 PHA-겔 농도 및 더 높은 PHA 분자량에 의해 향상된다는 것이 발견되었다. 더 높은 겔 농도는 가압 전에 겔로부터 용매를 증발시키는 것에 의해 달성될 수도 있다.
본 발명의 실시양태에는 추출 공정 동안 사용되는 특정 바이오매스 및 특정 용매에 대하여 적정한 PHA 추출 시간을 결정하는 것이 포함된다. 본원에서 사용될 때, "추출 시간"이라는 구는 PHA-함유 바이오매스가 TL15 추출 온도 또는 그것을 초과하는 온도에서 PHA-저조 용매 중에 유지되는 시간의 양을 지칭한다. 이와 같은 "추출 시간"은 PHA가 PHA-저조 용매에 용해되어 PHA-풍부 용액을 생성시키게 되는 데에 걸리는 시간이다.
두 번째 파라미터는 공정 동안의 "회수 시간"이다. "회수 시간"은 겔화의 개시 전에 폐 바이오매스 고체로부터 PHA-풍부 용액을 분리하는 데에 가용한 시간이다. 회수 시간의 공정 기준을 평가하기 위해서는, 시간 경과에 따른 주어진 온도에서의 용매와 PHA 조성물의 특정 조합의 겔 형성 동역학을 평가하는 일련의 소-규모 시험들이 수행될 수 있다. 예를 들어 (실시예 11), PHA-풍부 2-부탄올의 겔화 개시는 125 ℃로부터 102 ℃로의 PHA-풍부 2-부탄올의 냉각 후 일정 시간 동안 지연됨으로써, PHA-풍부 2-부탄올이 잔류 바이오매스로부터 분리되고 추출 반응기로부터 제거될 수 있는 시간 범위를 제공할 수 있다. 또한, 전단 응력의 적용이 없는 것에 비해 더 낮고 더 좁게 정해진 온도로 겔화점을 억제하기 위하여, PHA-풍부 용매에 대한 전단 응력의 적용이 적용될 수 있다는 것이 발견되었다.
사람들은 용매 중 PHA-풍부 바이오매스 적재량을 가능한 한 많이 증가시키고자 한다. 회수 PHA 분자량 평균의 품질 기준 아래로 내려가지 않기 위해서는, 적재량 정도가 바이오매스-중-PHA의 평균 분자량, 및 회수 공정에서 허용가능한 것으로 정해진 평균 절단 수에 의해 제약될 수 있다. 더 큰 적재량은 겔이 더 높은 용이하게 짜내기가능한 용매 정도를 나타내는 것을 촉진하는 중합체-겔 농도를 향상시킨다. 적재량이 충분하게 높지 않은 경우, 용매는 용매를 짜내기 전에 겔로부터 증발될 수 있다. 동시에, 용매 중 PHA 농도의 증가는 겔 형성의 동역학에 영향을 준다. 공정 제어는 겔화 개시 전에 비-PHA 비-용해 바이오매스 분리를 수용할 필요가 있다. 예를 들면 (실시예 11), 주어진 2-부탄올 중 PHA의 혼합물에 대하여 겔화 온도에 대한 PHA 농도의 효과가 용이하게 결정될 수 있다. 본 발명의 한 실시양태에서, PHA-풍부 용액의 PHA-적재량은 용매 리터 당 30 내지 100 그램 PHA 사이이다. PHA-풍부 용액 중 증가된 PHA 수준은 일반적으로 주어진 온도에서 이후 겔화에 앞서 용매 분리를 달성하기 위한 회수 시간을 감소시킨다.
겔화가 적용되는 온도는 바람직하게는 PHA-풍부 용액의 비점 미만이면서도 가능한 한 높다. 이후의 용매 재순환 및 증발을 바탕으로 한 회수를 위하여 공정 에너지 효율을 향상시키기 위하여, 용매 냉각 정도를 감소시키는 것이 사용될 수 있다. 다음 추출을 위한 새로운 용매는 조절되는 겔화를 목적으로 추출되는 열에 의해 사전-가온될 수 있다.
PHA-풍부 용액을 수득하기 위하여 추출 시간을 조절하는 데에는, 1종 이상의 온라인 모니터링 기술이 사용될 수 있다. 한 실시양태에서, PHA 추출 경향은 점도의 함수로서 결정된다 (실시예 10). 용매 용액에서의 중합체 농도 및 중합체 분자량의 변화는 용매 점도에 영향을 주는데, 그것은 예를 들면 추출 동안의 재순환 펌핑에서의 혼합 토크 또는 물질 유동 변화의 경향에 의해 모니터링될 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 근적외선 (NIR) 분광분석법을 사용하여 추출 단계 동안 PHA-풍부 용액 형성의 진행이 모니터링될 수 있다 (실시예 10). 용매 예비-추출 점도 또는 NIR 스펙트럼을 참조하는 측정치 추세는 농도 의존성 용매 점도 또는 스펙트럼 변화의 절대적인 보정에 대한 필요성 없이 추출 공정을 표시해주는 것으로 밝혀졌다. 용매 증기압에 대한 PHA 추출의 관찰되는 영향과 같은 다른 간접적인 모니터링 방법들이 추출의 진행을 나타내는 데에 적용될 수 있다.
본원에서 논의되는 바람직한 실시양태에서 사용하는 데에 적합한 용매에는 PHA-저조 용매 또는 용매 혼합물이 포함된다. 본원에서 사용될 때, "PHA-저조 용매"라는 구는 일반적으로 경험적으로 한정가능한 온도 한계 (예컨대 TL15) 미만에서는 무시할만한 용해 동역학을 나타내는 용매 또는 용매 혼합물을 의미한다 (실시예 3). 2-부탄올에서, TL15는 PHB에 대하여 공칭 119 ℃이며, 3HV가 더 풍부한 PHBV의 공-중합체에 대하여 100 ℃ 미만이다. 공-중합체 블렌드를 함유하는 바이오매스는 존재하는 공-중합체 블렌드의 각 개별 분획에 상응하는 다수의 한계 온도를 나타낼 수 있다. 그와 같은 블렌드 분획들은 추출 공정에서 순차적으로 또는 함께 추출될 수 있다. 다수의 개별적인 공-중합체 유형들이 바이오매스에 존재하는 경우, 추출 시간 및 온도는 최고 TL15를 갖는 블렌드 중 PHA-유형에 맞게 조정될 수 있다.
PHA-저조 용매에서의 PHA의 용해도가 용해도에 관한 기존의 확립된 이론에 의해서는 용이하게 예측될 수 없다는 것이 발견되었다. 이러한 용매들은 소정 방식으로 중합체 사슬 상호작용을 약하게 하는 가소제로 작용하는 것에 의해 중합체 융점 미만인 온도에서 중합체가 효과적으로 용액 중에 용융되도록 하는 것으로 추측할 수 있다. 다른 이온, 또는 이론적 예측 모델의 미래의 개발 가능성에도 불구하고, PHA-저조 용매로써의 용매 또는 용매 혼합물의 적합성은 경험적으로는 용이하게 평가될 수 있다. 본 발명자들 자신의 실제 경험 및 문헌을 바탕으로, PHA-저조 용매는 일반적으로 지방족 알콜, 케톤, 에스테르 및/또는 방향족 탄화수소로 이루어진 군에서 발견될 것으로 예상된다.
용해도 이론이 우수한 PHA-저조 용매로써의 용매의 적합성을 적정하게 예측하지 못한다는 것이 발견되기는 하였지만, 본 발명자들은 PHA-저조 용매로서의 용매 또는 혼합물의 적합성을 스크리닝하기 위한 시험관 규모에서의 간단한 실제 시험 방법을 성공적으로 적용하였다. 실제 경험 및 문헌을 바탕으로, PHA-저조 용매는 지방족 알콜, 케톤, 에스테르 및/또는 방향족 탄화수소로 이루어진 군에서 발견될 수 있을 것으로 예상될 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 용매는 냉각시 PHA-풍부 용액이 겔을 형성하고 바이오매스의 비-PHA 성분들은 용액 중에 남아있도록 PHA-풍부 바이오매스의 비-PHA 성분들을 용해시킨다. 따라서, 용해된 비-PHA 바이오매스 성분들은 용매와 함께 추출되는 겔화 PHA로부터 분리될 수 있다. 바람직한 PHA-저조 용매는 약 100 ℃ 내지 약 160 ℃ 범위의 온도에서 용매 리터 당 30 그램 이상의 PHB를 용해시킬 수 있으며 또한 바람직하게는 60 ℃를 초과하는 온도로 냉각될 경우 용매-겔을 형성하는 것들이다. 비제한적으로 케톤, 예컨대 아세톤, 메틸 에틸 케톤 (MEK) 및 메틸 이소부틸 케톤 (MIBK), 알콜 예컨대 프로판올, 부탄올 및 펜탄올 그리고 이들의 이성질체, 톨루엔, 및 프로필렌 카르보네이트를 포함하여, 공지 "PHA-저조 용매"의 증대되는 목록이 문헌에 기록되고 있다. PHA-저조 용매의 겔화 특징에 대해서는 덜 잘 공지되어 있기는 하지만, 부탄올 및 톨루엔은 두 가지 우수한 예가 된다. 상기 언급된 바람직한 본 발명 실시양태들 중 1종 이상의 조합 역시 고려되며, 본 개시에 의해 포괄된다. 그와 같은 조합은 통상의 관련 기술자라면 용이하게 알 수 있다. 또한, 하기하는 실시예들은 단순히 예시적인 것으로써, 어떠한 방식으로도 청구범위의 영역을 제한하는 것으로 간주되어서는 아니되는데, 실시예 및 그의 다른 등가물들은 통상의 기술자에게 명백할 것이기 때문이다. 이에 따라, 한 실시양태는 혼합 배양 바이오매스로부터의 PHA의 회수 방법에 관한 것이다. 과립화된 PHA-풍부 바이오매스가 제조된다. 상기 PHA-풍부 바이오매스는 PHA-저조 용매와 혼합된다. PHA-풍부 바이오매스로부터 PHA가 추출됨으로써, PHA-풍부 용매가 생성된다. 이와 같은 추출은 한계 추출 온도 (TL15)를 초과하는 온도로 PHA-저조 용매 중에 PHA를 용해시키는 것에 의해 이루어진다. PHA-저조 용매의 온도는 추출 동안 TL15와 TU15 사이에 있도록 유지된다. 유지되는 온도 및 추출은 15분 초과 내지 바람직하게는 1시간 미만, 그러나 가장 바람직하게는 2시간 미만의 시간 동안 이루어진다. PHA-풍부 바이오매스로부터 PHA가 추출된 후에는, PHA-풍부 용매가 잔류 바이오매스로부터 분리된다. 이와 같은 분리 동안, 온도는 겔화 온도를 상회하여 유지되도록 유지된다. PHA-풍부 용매는 겔화 위치로 전달된다. 전달시, PHA-풍부 용매의 온도 및/또는 전단 응력은 겔화를 방지하기에 충분한 방식으로 유지된다. PHA-풍부 용매가 예정된 위치에 있는 경우, 겔화 온도 또는 그 미만의 온도로 그것이 냉각됨으로써, PHA-풍부 용매 겔화가 촉진된다. 이와 같은 냉각은 혼합하면서, 또는 혼합 없이 이루어질 수 있다. 다음에, 용매는 PHA-풍부 용매 겔로부터 가압 제거된다.
일부 실시양태에서는, 바이오매스 과립이 제조되며, 그것은 0.1 내지 4 mm 사이의 공칭 입자 크기 분포를 갖는다. 바람직한 실시양태에서는, 바이오매스 과립이 제조되며, 그것은 0.5 내지 2 mm 사이의 주 분획을 갖는 입자 크기 분포를 갖는다.
일부 실시양태에서, PHA는 시스템에서 회수된다. 이러한 방법은 화학계량분석 모델 보정을 바탕으로 하여 회수되는 PHA 중량 평균 분자 질량이 350 kDa 이상이 되도록 시스템에 대한 바이오매스 적재량이 선택되는 추가적인 단계를 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 회수되는 PHA 중량 평균 분자 질량은 500 kDa 초과이다. 또 다른 바람직한 실시양태에서, 회수되는 PHA 중량 평균 분자 질량은 700 kDa 초과이다.
추출 시스템을 이용하는 방법에서, 방법은 회수되는 PHA 중량 평균 분자 질량이 350 kDa 이상이 되도록 하는 특이적 절단 속도를 결정하기 위한 벤치 규모 시험을 바탕으로 하여 추출 시스템에 대한 바이오매스 적재량을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방법의 바람직한 실시양태에서, 회수되는 PHA 중량 평균 분자 질량은 500 kDa 초과이다. 또 다른 바람직한 실시양태에서, PHA 중량 평균 분자 질량은 700 kDa 초과이다.
일부 실시양태에서, PHA는 반응기에서 회수된다. 이와 같은 실시양태는 20 g-PHA/L 초과의 최소 PHA-풍부 용액 농도를 달성하기 위한 반응기에 대한 바이오매스 적재량을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 상기 최소 PHA-풍부 용액 농도는 30 g-PHA/L 초과이다. 더욱 바람직한 실시양태에서, 상기 PHA-풍부 용액 농도는 40 g-PHA/L 초과이다.
본원에서 논의되는 방법의 일부 실시양태에서는, PHA-풍부 용매 겔로부터 용매를 가압 제거함으로써, 90 %를 초과하는 순도를 갖는 PHA를 생성시킨다. 바람직한 실시양태에서는, PHA-풍부 용매 겔로부터 용매를 가압 제거함으로써, 95 %를 초과하는 순도를 갖는 PHA를 생성시킨다. 더욱 바람직한 실시양태에서는, PHA-풍부 용매 겔로부터 용매를 가압 제거함으로써, 98 %를 초과하는 순도를 갖는 PHA를 생성시킨다.
일부 실시양태에서는, 생물학적 폐수 또는 공정수 처리 과정에서 혼합 배양 바이오매스가 제조된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스-중-PHA는 270 ℃를 초과하는 바이오매스-중-PHA 열 분해 온도를 가짐으로써, 열적으로 안정하다. 바람직한 실시양태에서, 상기 바이오매스-중-PHA 열 분해 온도는 280 ℃를 초과한다.
일부 실시양태에서는, PHA-함유 바이오매스가 건조된다. 건조된 PHA-함유 바이오매스의 수분 함량은 10 % 미만이다. 바람직한 실시양태에서, 건조된 PHA-함유 바이오매스의 수분 함량은 2 % w/w 수분/바이오매스 미만이다. 일부 실시양태에서, 건조된 PHA-함유 바이오매스는 35 % w/w PHA/건조 바이오매스 이상이다. 바람직한 실시양태에서, 건조된 PHA-함유 바이오매스는 50 % w/w PHA/건조 바이오매스 이상이다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 용매를 사용한 예비-추출 공정에 적용되는데, 여기서 용매는 TL15 미만의 온도로 유지된다.
일부 실시양태에서는, 분자량 안정화제 및/또는 중합체 컴파운딩제, 예컨대 화학적 스캐빈저, 항산화제, 핵형성제, 가소제 및/또는 반응성 중합체 개질제를 포함한 화학 첨가제들이 PHA-풍부 용매의 형성 전 또는 후에 PHA-저조 용매에 첨가된다.
일부 실시양태에서는, 분자량 안정화제 및/또는 중합체 컴파운딩제, 예컨대 화학적 스캐빈저, 항산화제, 핵형성제, 가소제 및/또는 반응성 중합체 개질제를 포함한 화학 첨가제들이 용매 함량을 감소시키기 위하여 겔을 기계적으로 맞물리게 하기 전 및/또는 동안에 겔화된 물질에 첨가되어 블렌딩된다.
일부 실시양태에서는, 용매 함량을 감소시키기 위하여 조합된 겔들을 기계적으로 맞물리게 하기 전 및/또는 동안에 하나를 초과하는 겔화된 PHA 풍부 용매 배치가 조합된 겔화 물질에 블렌딩된다.
바이오매스는 PHA-풍부 용매로부터 분리될 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오매스는 추출 반응기에서의 여과에 의해 PHA-풍부 용매로부터 분리된다. 다른 실시양태에서, 바이오매스는 추출 반응기 외부의 트랩에서 적어도 바이오매스의 분획을 포획하는 것에 의해 PHA-풍부 용매로부터 분리된다.
일부 실시양태에서, 겔 가압은 5 내지 30 bar 사이의 압력을 사용하여 겔을 기계적으로 맞물리게 하는 것에 의해 달성된다.
일부 실시양태는 추출 반응기에서 바이오매스를 통하여 용매를 순환시키는 것을 추가적으로 포함할 수 있다. 추출 반응기에서 바이오매스를 통하여 용매를 순환시키는 과정 동안, 바이오매스 중 PHA는 순환 용매 중에 용해된다.
일부 실시양태는 추출 반응기에서 용매 중에 바이오매스를 순환시키는 것을 추가적으로 포함할 수 있다. 추출 반응기에서 용매 중에 바이오매스를 순환시키는 과정 동안, 바이오매스 중 PHA는 순환 용매 중에 용해된다.
일부 실시양태에서는, 하나 초과의 배치 추출 반응기에 대하여 공통적인 PHA-풍부 용매 겔의 위치가 제공된다.
일부 실시양태에서는, PHA-저조 용매가 지방족 알콜, 케톤, 에스테르 및/또는 방향족 탄화수소로 이루어진 군에 속하는 1종 이상의 용매이다.
일부 실시양태에서는, 비-용해 바이오매스가 PHA-풍부 용매로부터 분리된다. 이와 같은 바이오매스는 소각 또는 열분해 공정에 적용된다. 일부 다른 실시양태에서는, 상기 소각 또는 열분해 공정에서 인이 회수된다.
일부 실시양태에서는, 추출, 및 PHA-풍부 용매 겔로부터의 용매의 분리 후 용매 회수의 일부로서 지질 및 지방산과 같은 다른 화학 생성물들이 회수된다.
본원의 개시는 PHA-함유 바이오매스로부터의 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)의 회수 방법에 대한 또 다른 실시양태와 관련된다. 바이오매스는 반응기로 안내된다. 반응기에서는, 용매가 바이오매스와 혼합된다. 상기 용매 및 바이오매스는 반응기에서 가열된다. PHA는 PHA-함유 바이오매스로부터 추출된다. 추출은 용매에 PHA를 용해시켜 PHA-풍부 용매를 형성시키는 것에 의해 이루어진다. PHA 풍부 용매는 반응기로부터 PHA 분리기로 전달되며, 거기에서 PHA-풍부 용매로부터 PHA가 분리된다. PHA-풍부 용매가 PHA 분리기로 전달되는 동안, PHA-풍부 용매는 PHA-풍부 용매가 겔화 상태를 취하는 것을 방지하는 온도로 유지된다. 다음에, PHA-풍부 용매는 냉각됨으로써 PHA-풍부 용매 겔을 형성한다. 상기 PHA-풍부 용매 겔은 PHA 분리기 위치에서 기계적으로 가압됨으로써, PHA-풍부 용매 겔로부터 용매가 제거되도록 한다.
일부 실시양태에서, 바이오매스와 혼합되는 용매는 PHA-저조 용매이다.
일부 실시양태에서, 바이오매스 및 용매는 PHA-함유 바이오매스로부터의 PHA의 추출 동안 반응기에서 한계 추출 온도 (TL15)를 초과하는 온도로 가열된다.
일부 실시양태에서, PHA 추출 공정이 유지되는 동안, 반응기에서의 용매의 온도는 15분을 초과하는 시간 동안 평균 TL15 내지 상위 온도 (TU15) 사이의 온도로 유지된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 반응기로 안내되기 전에 바이오매스 과립을 형성하기 위하여 분쇄된다. 다음에, 과립은 반응기로 안내되어 용매와 접촉된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 과립으로 형성된다. 과립은 보통 0.1 내지 4 mm 사이의 입자-크기 분포를 갖는다.
일부 실시양태는 20 g-PHA/L 이상의 PHA 농도를 갖는 PHA-풍부 용매를 생성시킨다.
일부 실시양태에서, PHA 용매 겔을 기계적으로 가압하는 것은 90 % 초과의 순도를 갖는 PHA를 생성시킨다.
일부 실시양태에서, 반응기로 안내되는 바이오매스 중 PHA는 열적으로 안정하다. 상기 바이오매스 중 PHA는 270 ℃ 초과의 열 분해 온도를 포함한다.
일부 실시양태에서, PHA-풍부 용매는 비-용해 바이오매스로부터 분리된다. PHA 용매의 온도는 이와 같은 분리 공정 동안 겔화를 방지하기에 충분하도록 유지된다.
일부 실시양태에서, PHA-풍부 용매는 도관의 제1 섹션에 배치된 열 교환기를 통하여 안내된다. PHA-풍부 용매는 열 교환기로부터 PHA-풍부 용매로의 열 전달에 의해 가열된다. 다른 실시양태에서, PHA-풍부 용매는 도관의 제2 섹션에서 열 교환기를 통하여 안내된 다음, 도관의 제2 섹션의 열 교환기와 PHA-풍부 용매 사이의 열 전달에 의해 냉각된다.
일부 실시양태에서, PHA-풍부 용매 겔은 PHA-풍부 용매 겔로부터 PHA를 분리하여 PHA 케이크를 형성시키기 위하여 기계적으로 가압된다.
일부 실시양태에서, 상기 PHA 케이크는 건조기로 안내된다. 다음에, PHA 케이크는 건조된다.
일부 실시양태에서, PHA-풍부 용매 겔은 PHA-풍부 용매 겔로부터 폐 용매를 방출시키기 위하여 기계적으로 가압된다. 상기 폐 용매는 증발 공정에 폐 용매를 적용하는 것에 의해 정제된다. 용매 증기가 생성된다. 다음에, 상기 용매 증기는 응축되어 정제된 용매를 형성한다.
일부 실시양태에서는, 추출 용매의 정제 및 회수의 일부로서 지질 및 지방산과 같은 화학 생성물이 회수된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 PHA-풍부 용매로부터 분리된다. 분리된 바이오매스는 소각 또는 열분해 공정에 적용된다. 다른 실시양태에서는, 소각 또는 열분해 후 잔류 물질로부터 인이 회수된다.
일부 실시양태에서, 용매는 반응기에서 바이오매스를 통하여 순환된다. 반응기에서 바이오매스를 통하여 용매를 순환시키는 과정 동안, 바이오매스 중 PHA는 순환 용매 중에 용해된다.
일부 실시양태에서, PHA-저조 용매는 지방족 알콜, 케톤, 에스테르 및/또는 방향족 탄화수소로 이루어진 군에 속하는 용매들 중 1종 이상이다.
일부 실시양태에서, 반응기에 대한 바이오매스 적재량은 PHA 적재량이 20-100 g-PHA/L 사이가 되도록 조정된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 과립으로 형성되며, 상기 과립은 반응기에 바이오매스를 도입하기 전에 보통 0.1 내지 4 mm 사이의 입자 크기 분포를 갖는다. 다음에, 바이오매스는 반응기에서 PHA-저조 용매와 혼합된다. 반응기로 안내된 바이오매스 중 PHA는 열적으로 안정하며, 270 ℃ 초과의 열 분해 온도를 포함한다. PHA-함유 바이오매스로부터 PHA를 추출한 후에는, PHA-풍부 용매가 바이오매스로부터 분리된다. 분리 공정 동안, PHA 용매의 온도는 겔화를 방지하기에 충분하도록 유지된다.
일부 실시양태에서는, PHA-풍부 바이오매스로부터 PHA를 추출하는 단계 동안 PHA 추출의 동역학을 모니터링하기 위한 온라인 모니터링 방법이 제공된다. 다른 실시양태에서, 상기 온라인 모니터링 방법은 선택된 시간 동안 PHA-저조 용매의 점도 변화를 측정하는 것을 포함한다. 추가적인 실시양태에서, 그와 같은 온라인 모니터링 방법은 선택된 시간 동안 PHA-저조 용매 점도의 온도 보상 변화를 측정하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 온라인 모니터링 방법은 근적외선 분광분석법 (NIR)에 의해 PHA-저조 용매를 모니터링하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 온라인 모니터링 방법은 추출 용기에서의 온도의 함수로서의 압력 추세를 모니터링하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, PHA-함유 바이오매스로부터 PHA를 추출하는 단계는 PHA 추출의 동역학 및 진행을 모니터링하기 위한 온라인 모니터링 방법을 제공하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 온라인 모니터링 방법은 선택된 시간 동안 PHA-저조 용매의 점도 변화를 측정하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 점도의 변화를 측정하는 것은 선택된 시간 동안 PHA-저조 용매 점도의 온도 보상 변화를 측정하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 온라인 모니터링 방법은 근적외선 분광분석법 (NIR)에 의해 PHA-저조 용매를 모니터링하는 것을 포함한다. 다른 실시양태에서, 온라인 모니터링 방법은 반응기에서의 온도의 함수로서의 압력 추세를 모니터링하는 것을 포함한다.
[
실시예
]
실시예 1 - 통상적인 분석 방법 및 재료
열 중량 분석 (TGA)
2 내지 10 mg 사이의 미세하게 분쇄된 건조 PHA-풍부-바이오매스 샘플을 칭량하고, 불활성 질소 분위기하에서 실온으로부터 550 ℃로 가열하였다. 샘플 온도를 10 ℃의 속도로 105 ℃까지 상승시키고, 중량을 105 ℃에서 10분 동안 평형화시켰다. 105 ℃에서 샘플로부터의 수분 손실을 평가하였다. 온도를 다시 10 ℃의 속도로 상승시키고, 550 ℃까지 중량 손실을 기록하였다. 공기 중 550 ℃에서 30분 동안 샘플을 유지하면서, 중량 손실로부터 샘플의 회분 함량을 평가하였다. 바이오매스 중 중합체 및 추출된 PHA 수지 모두를 이와 같은 표준화된 방법에 의해 정량 평가하였다. 온도의 함수로서의 중량 손실 및 중량 손실 속도 변화를 고려하였다. 이러한 추세는 바이오매스-중-PHA의 열 분해 온도 (Td), 추출 후의 PHA Td, 바이오매스의 PHA 함량, 및 추출되는 PHA 순도에 대한 정보를 주었다. 측정은 TA 인스트루먼츠(Instruments) 사의 Q500에서 수행하였다. 회수된 PHA 및 바이오매스-중-PHA의 열적 안정성 기준 (분해 온도)은 이와 같은 TGA 방법을 참조하여 이루어진다.
FTIR 분광분석법에 의한 바이오매스 특성화
미세하게 분쇄된 건조 PHA-풍부-바이오매스 및 2 내지 10 mg 사이의 PHA 샘플을 푸리에 변환 적외선 분광분석법 (FTIR)에 의해 특성화하였다. FTIR 스펙트럼을 수집하고, PHA 존재의 결정, 및 바이오매스-중-PHA의 화학 안정성에 영향을 주는 불순물의 구별을 위하여, 스펙트럼 함량의 다변량 통계법 (부분적 최소 자승법 및 주 성분 분석)을 사용하여 추가적으로 분석하였다. 사용된 장비는 감쇠 전반사 (ATR) 다이아몬드가 장착된 브루커 알파(Bruker Alpha) FTIR 분광계였다. 사용된 FTIR 해상도는 400-4000 cm-1의 파수 범위에서 4 cm-1이었으며, 분위기 보상을 위하여 유사하게 수득되는 바탕 스캔과 함께 측정 당 24 스캔을 수행하였다. 샘플을 ATR에 적재한 다음, 각 샘플을 3반복으로 혼합 및 재스캐닝하였다. 브루커 OPUS 소프트웨어를 사용하여 데이터를 수집한 다음, OPUS, 아니면 MATLAB용으로 저작된 숫자 또는 통계 분석 도구에서 데이터를 처리하였다.
크기 배제 크로마토그래피 (SEC)
크기 배제 크로마토그래피 (SEC)에 의해 추출된 중합체의 분자량 분포 (폴리스티렌 표준 참조)를 결정하였다. SEC는 펌프 (비스코텍(Viscotek) VE 1122), 이중 굴절계/점도계-검출기 (비스코텍 모델 250) 및 직렬로 연결된 3개의 선형 컬럼 (쇼덱스(Shodex) KF-805, 쇼덱스 KF-804 및 쇼덱스 KF 802.5)을 사용하여 수행하였다. 검출기 온도는 37 ℃로 조절한 반면, 측정은 다르게 실온에서 수행하였다. 운반체 용매는 클로로포름 (머크 프로 애널리시스(Merck pro analysis) >99 %)이었으며, 유량은 1 mL/분이었다. 샘플 주입 부피는 200 μl이었다. 각각 650, 96, 30.3 및 3.18 kg/mol의 알려져 있는 분자량 평균을 갖는 4개의 상이한 폴리스티렌 표준들을 참조하여 분자량을 보정하였다. 표준의 보정 및 샘플의 평가에는 굴절 지수 (RI)를 사용하였다. PHA의 샘플을 100 ℃에서 10분 동안 5 mg/mL의 농도로 클로로포름에 용해시켰다. 샘플 주입 전에, 중합체 용액을 사전-여과하였다 (세공 크기 0.45 ㎛의 폴 라이프 사이언시즈 아크로디스크(PALL Life Sciences Acrodisc)® CR 25 mm 주사기 필터). 용리 부피의 함수로서의 log화된 RI로부터, 중량 평균 분자 질량 (Mw), 수 평균 분자 질량 (Mn) 및 다분산도 지수 (PDI)와 관련하여 PHA 분자량을 특성화하였다.
레올로지에 의한 역학 점도 측정
0.5-0.6 g의 중합체 샘플을 실온에서 25 mm 직경의 디스크로 프레싱하였다. 상기 중합체 디스크를 레올로지측정기 (TA 인스트루먼트 AR 2000 또는 디스커버리(Discovery) HR-2)에 탑재하고, 8분의 최초 용융 시간 후 180, 185 또는 190 ℃에서 40분의 시간 주기로 역학 점도를 측정하였다. 시간 주기 동안, 10 Hz의 주파수의 일정한 2 % 변형률이 유지되었다. 온도는 질소 기체 냉각을 사용하여 일정하게 유지되었다.
Paㆍs로 나타내는 중합체 역학 점도 (
)의 log 추세를 사용하여 4분의 용융 시간에서의 
을 추정하고, 이 값을 중량 평균 분자 질량 (Mw)에 대하여 선형으로 보정하였다. 용융이 비-뉴턴식인 것으로 간주될 수 있는 한, 이와 같은 보정은 유효한 것으로 밝혀졌다:
<수학식 EQ-E1.1>
상기 파라미터 m 및 b는 PHA의 유형 및 레올로지 측정 조건 (온도, 주파수 및 변형률)에 따라 달라지는 상수이다. 제시되는 실시예에서 제조되는 PHA의 경우, m은 155.64이었으며, b는 185729이었다. 이러한 파라미터 값들은 대표적인 샘플에서의 SEC 데이터를 바탕으로 한 회귀 분석으로부터 계산되었다. 
의 감소는 Mw의 감소와 동등하였다. 레올로지 측정 동안, 시간 경과에 따른 용융물 중 중합체의 
의 감소는 Mw 감소와 관련되었다. 상수 m 및 b가 동일할 것으로 예상되는 주어진 중합체의 경우, 
의 차이는 중합체 Mw의 차이와 비례하는 것으로 나타낸다.
1-리터 PHA-풍부 바이오매스 추출
건조되고 (<5 % 수분 w/w) 분쇄된 (공칭 0.71-2.00 mm, 0.71-3.15 mm, 또는 2.00-3.15 mm 입자 크기 분포) PHA-풍부 바이오매스를 실온에서 교반하면서 PHA-저조 용매가 1 리터 충전되어 있는 압력 용기 (부치글라스 우스터 베르소클레이브(Buchiglas Uster Versoclave) 유형 3E/1.0)에 침지되어 있는 직조 메시 바구니 (0.5 mm 메시)에 적재하였다. 본 실시예에서는 통상적으로 2-부탄올 (시그마-알드리치 리에이전트플러스(Sigma-Aldrich ReagentPlus))을 참조 추출 PHA-저조 용매로 사용하였다. 추출을 위한 PHA의 적재는 측정된 바이오매스 PHA 함량과 관련하여 수행하였다. 바이오매스-중-PHA 함량은 TGA에 의해 평가하였다. 통상적으로, 바이오매스-중-PHA의 용기 적재량은 100 g-PHA/L까지의 용매에 대한 선택된 이론적인 최대 PHA-적재 농도에 도달하기 위한 수준에 상응한다. 압력 용기를 밀봉하고, 가능한 한 빠른 시간 이내에 용기 온도를 선택된 목표 최대 온도에 도달하도록 설정하였다. 침지된 바이오매스를 포함하는 용매는 일정하게 혼합하면서 수분 내지 수시간 수준의 예정된 시간 동안 정해진 추출 온도 한계 TL15를 초과하는 평균 온도에서 유지하였다. 온도, 가열 전력, 반응기 압력, 혼합 속도, 및 혼합 토크는 추출 공정 과정에서 log화하였다.
예정된 추출 시간에, PHA-풍부 용매를 증기압에 의해 방출시키면서, 바이오매스는 거의 전체를 다공성 바구니 내에 유지시켰다. 유출 라인에서는, 추가적인 인라인 필터 (0.1 mm 메시)가 존재하거나 아니면 추출 공정 동안 형성될 수 있는 더 작은 바이오매스 입자를 제거하였다. 고온 PHA-풍부 용매를 비커에 배치시키고, 실온으로 유지하면서, 혼합을 수반하여, 또는 혼합 없이 용매가 겔화되도록 하였다. 겔화 후, 실린더 기판에 대한 조정가능한 접촉 클리어런스(clearance)를 사용하여 유지되는 잘 밀봉된 실린더에서, 물질의 물리적 가압에 의해 중합체로부터 용매를 짜내었다. 실린더 기저의 클리어런스는 짜내지는 용매가 배수될 수 있는 충분한 개구부를 제공하기 위한 수단을 제공한다. 가압으로써, 대부분의 용매가 분리된다. 물 또는 용매 중에서 가압된 PHA 케이크를 균질화하는 것에 의해, 임의의 추가적인 중합체의 세척을 달성하였는데, 이 경우 세척된 필터 케이크는 여과에 의해 수집되었다. 상기 필터 케이크는 70 ℃에서 건조하였다 (바인더 FD 시리즈 231).
10-리터 PHA-풍부 바이오매스 추출
건조되고 (<5 % 수분 w/w) 분쇄된 (공칭 0.71-2.00 mm, 0.71-3.15 mm, 또는 2.00-3.15 mm 입자 크기 분포) PHA 함유 바이오매스를 2-부탄올 (시그마-알드리치 리에이전트플러스) 10 L를 함유하는 압력 용기 (부치글라스 우스터 킬로클레이브 유형 3E/12 lt.)에 위치된 직조 메시 바구니 (0.5 mm 메시)에 적재하였다. 바이오매스는 통상적으로 100 g-PHA/L까지 범위의 선택된 최대 이론적 PHA-풍부 용매 농도를 달성하도록 적재하였다. 반응기에서는, 일정한 펌핑 속도로 작동되는 양성 치환 펌프 (라이트(Wright) 펌프 TRA 10 시리즈)에 의해 구동되는 외부 재순환 루프에 의해, 용매를 일정하게 바이오매스로 통과시켰다. 추출 내내, 펌핑 속도 및 액체 점도에 따라 달라지는 최종 부피 유량을 모니터링하였다 (엔드레스+하우써 프로라인 프로매스(Endress+Hausser Proline Promass) 80P). 액체 점도는 용매 온도, 중합체 농도 및 중합체 분자 질량에 따라 달라졌다.
증기압을 유지하고 비등을 방지하기 위하여, 추출 동안 압력 용기는 폐쇄하였다. 온도를 선택된 최대치까지 상승시키면서 추출의 진행을 모니터링하고 log화하였다. 2-부탄올을 사용하여, 120 내지 160 ℃ 사이 범위의 최대 온도로 PHB의 추출을 달성하였다. 용기 온도, 가열 전력, 압력 및 재순환 부피 유량은 log화하였다. 재순환 루프에서는 용매 중 PHA의 FT-NIR 모니터링 (IN1237P 섬유 광학 프로브가 구비된 브루커 옵틱스 매트릭스(Bruker Optics Matrix)-F FT-NIR)을 수행하였다.
추출시, 바이오매스는 메시 바구니 내에 유지하면서, PHA-풍부 용매를 용기로부터 배출시켰다. 배출되는 용매는 인라인 트랩 (0.5 mm 메시)을 통하여 수집 용기에 배치하였다. 혼합하면서, 또는 혼합 없이 내용물이 물리적 겔을 형성할 때까지 PHA-풍부 용매를 냉각하였다.
겔화 후, 기계적 힘을 사용하여 겔로부터 용매를 짜내었다. 짜내지는 용매는 실린더와 저부 기저판 사이의 클리어런스를 조정하는 것에 의해 유출되었다. 압력하에 중합체 케이크와 함께 실린더 기저에서 용매를 삼출시키고, 용매를 수집한 후, 증발에 의해 재사용하기 위하여 재순환시켰다. 가압된 중합체 케이크는 용매 또는 물을 사용하여 균질화 및 세정될 수 있었다. 세정된 중합체는 원심분리 또는 여과에 의해 수확하였다. 최종적으로, 70 ℃에서의 증발에 의해 중합체를 건조시켰다.
실시예 2 - PHA 용해의 동역학
벤치마크로서 PHA-저조 용매에서의 폴리(3-히드록시부티레이트) (PHB)의 고유 용해 속도를 결정하는 것은 실제적인 관심사였다. PHB는 "최악 경우의 시나리오"로 나타났다. PHB의 더 높은 결정성 경향으로 인하여, 특히 PHA-저조 용매에서는 용해시키기가 더 어려운 것으로 나타났다. 온도의 함수로서의 미세한 순수 PHB 분말 (>98 % 순도)의 용해 추세를 조사하였다. PHB 분말을 12 mL 시험관에 칭량 투입하고, 5 mL 분취량의 2-부탄올과 조합하여 50 g-PHB/L의 용액을 형성시켰다. 테플론 라이닝된 스크류 캡을 사용하여 시험관을 밀봉하고, 선택된 온도에서 등온 가열 블록에 도입하였다. 시험관 내용물을 3분마다 보르텍싱하여 혼합하고, 혼합 직후, 용액 광학 밀도 및 색상을 측정하였다. 용액 색상의 상대적 변화를 사용하여 용액에서의 PHB 용해의 진행을 나타내었다 (도 1, 광학 밀도 및 색상의 측정된 변화를 바탕으로 한, 132 ℃에서의 부탄올에 용해되는 PHB 분말의 진행). 용액은 유백색의 분말 용매 현탁액으로 시작하여, 반투명한 중합체 풍부 용매 용액으로 종료되었다.
상대적으로 좁은 온도 범위 (130 내지 135 ℃) 동안, 용해 과정의 특성 및 동역학에 있어서의 상당한 변화가 초래되었다. 일반적으로, PHA의 용해는 일차 동역학에 따르는 것으로 관찰되었다 (도 1). 그러나, 130 ℃에서 나타난 용해 과정에서의 구별되는 지연은 132 ℃에서는 더 이상 분명하지 않았다. 그와 같은 용해의 지연은 중합체 결정성을 약하게 하는 용매 침윤의 과정과 관련되어 있을 것으로 해석될 수 있다. 추정 일차 용해 동역학은 132 내지 135 ℃의 움직임에서는 0.3 내지 3.7 분-1의 크기 수준까지 증가하였다. 이러한 데이터의 추세는 또한 105 ℃를 초과하는 온도가 2-부탄올과 같은 PHA-저조 용매에 대한 PHB 용해의 임의의 기준을 달성하는 데에 바람직할 것임을 암시하였다.
이와 같은 방식으로, 임의의 특정 PHA-저조 용매를 사용하여 임의의 특정 PHA 단독중합체 또는 공중합체를 추출하는 실제 한계가 평가될 수 있다. 용해 동역학의 이동을 초래하는 임계 온도 수준이 결정될 수 있다. 바이오매스-중-PHA의 결정성, 중합체 결정화 가능성, PHA 분자량 및 과립 입자 크기 분포 모두가 특정 회수 과정을 위한 추출 온도-시간-농도 조건에 영향을 줄 수 있다.
궁극적으로, 너무 높은 용매 중 PHA 농도의 경우, 관련되는 증가된 용액 점도가 실제적인 공정 한계를 야기할 수 있다. 추출 온도, 시간 및 PHA 농도를 증가시키는 것은 중합체 분해를 증가시킬 수 있기 때문에, 높은 추출 수율과 허용가능한 회수 중합체 품질 기준 사이의 절충을 얻기 위한 조건들이 선택될 필요가 있을 것으로 예상되었다.
실시예 3 - PHA 추출의 동역학
바이오매스로부터의 PHA 추출의 동역학은 중합체 용해 속도로 인하여, 및/또는 바이오매스에서의 용매의 물질 수송 속도 및 바이오매스로부터의 중합체의 물질 수송 속도로 인하여 제한될 수 있다. 추출의 동역학을 더 잘 이해하기 위하여, 미세하게 분쇄된 바이오매스를 사용하여 일정 범위의 온도에 걸쳐 이상적인 추출 조건을 조사하였다. 미세하게 분쇄된 PHB-풍부 바이오매스의 샘플 (공칭 150 mg)을 12 mL 시험관에 칭량 투입하였다. 바이오매스 중 PHB의 질량 분율을 열중량 분석 (TGA)에 의해 추정하였다. 바이오매스의 공칭 PHB 함량은 50 % w/w이었다. 바이오매스를 10 mL의 2-부탄올과 조합하고, 테플론 라이닝된 스크류 캡을 사용하여 시험관을 밀봉하였다. 이러한 시험에서, 용매에 대한 이론적 최대 PHA 적재량은 대략 7 g/L이었다. 이와 같은 모델 시험관-규모 벤치마킹 실험 시스템에서의 PHA-풍부 용매로부터의 용이한 바이오매스 분리를 촉진하기 위한 감소된 겔 형성 촉진 경향을 위하여, 이러한 시험에서는 상대적으로 낮은 PHA 적재량을 사용하였다.
등온 가열 블록 내에서 밀봉된 시험관을 사용하여 125 내지 140 ℃의 선택된 온도로, 고정된 시간 동안 등온 추출을 수행하였다. 15, 30 또는 45분 중 어느 하나인 고정된 추출 시간 동안, 5분마다 시험관 내용물을 보르텍싱하여 혼합하였다. 각 추출 시간 종료시, 시험관을 3분 동안 냉각시켜 잔류 바이오매스가 침강되도록 하고, 스크류 캡을 제거하기 전에 겔 형성의 개시 없이 과잉압력이 충분히 감소되도록 하였다. 잔류 바이오매스를 시험관에 남기면서, 대부분 (약 95 %)의 고온 용매를 조심스럽게 깨끗한 페트리 접시로 따라내었다. 시험관 내 잔류 용매를 증발시키고 이와 같은 용매 증발로 인한 중량 손실을 평가하는 것에 의해, 시험관 내에 용해된 PHA와 함께 잔류하는 잔류 용매의 부피를 산정하였다. 페트리 접시에 포획된 건조된 추출 물질의 질량을 칭량하고, TGA에 의해 추출된 물질 중 PHA의 분율을 결정하였다. 물질 수지 원리(mass balance principle)에 따라, 바이오매스로부터의 PHA의 추출 분율이 재현가능하게 추정될 수 있었다.
반복 실험으로, 일차 동역학 모델에 따라 PHA 추출 추세를 관찰하였다 (도 2 - PHB-풍부-바이오매스에 대한 온도의 함수로서의 모델화된 일차 등온 추출 동역학). 벨기에와 스웨덴에서 가동중인 개별적인 서로 다른 파일럿 플랜트에서 유래하는 PHB-풍부 바이오매스들을 시험하였다. 그와 같은 일 파일럿 플랜트에서, 바이오매스는 시 폐수의 유기 물질 처리로 인하여 생성되었다 (벨기에). 다른 파일럿 플랜트에서, 바이오매스는 식품 처리 산업에서 배출되는 유기 물질의 처리로 인하여 생성되었다 (스웨덴). 이러한 공급원으로부터의 바이오매스를 WO 2011/070544A2호에 기술되어 있는 원리를 적용하는 축적 과정에서의 아세트산의 조절되는 공급에 의해 PHB가 풍부하게 되도록 하였다. PHB는 최악 경우의 시나리오로서 선택되었는데, PHB가 일반적으로 PHA-저조 용매에 용해되는 것에 대하여 더 내성이기 때문이다. PHB의 이와 같은 특별한 문제는 바이오매스-중-PHA의 더 높은 결정성 경향으로 인한 것일 수 있다. 탁월한 바이오매스-중-PHA 열 안정성 (Td = 285 ℃)은 이러한 용매 추출 실험 전에 WO 2012/022998A1호에 기술되어 있는 방법을 적용하는 것에 의해 달성된다.
실시예 1의 PHB 용해 동역학과 달리, 미세하게 분쇄된 PHB-풍부 바이오매스로부터의 추출 속도는 거의 2배 크기로 더 느렸다. 135 ℃에서, 일차 추출 속도 상수는 대략 0.05 분-1이었다 (도 4 - 온도의 함수로서의 경험적으로 추정되는 일차 등온 추출 속도 계수, 및 온도의 함수로서의 f15의 데이터를 바탕으로 한 모델화된 값 (선)). 이에 따라, 바이오매스로부터의 용액으로의 중합체의 물질 수송은 PHB 단독만을 용해시키는 것에 비해 추출 공정에 대하여 속도 제한성이다 (실시예 2). 또한, 추출 동역학은 온도 의존성인 것으로 관찰되었다. 바이오매스 중 중합체-풍부 용매의 온도 의존성인 점도가 특히 더 낮은 온도 및 더 높은 농도에서 다공성인 바이오매스 구조로부터의 중합체의 수송을 방해하게 되는 것으로 생각할 수 있다. 이러한 데이터의 물리적 해석의 수에 대한 가능성에도 불구하고, 증가되는 온도는 일반적으로 추출 속도를 향상시킨다.
주어진 PHB-풍부 바이오매스에 있어서, 15분의 고정된 추출 시간 동안 추출되는 PHB의 분율은 125 내지 140 ℃의 실험 범위에서 온도의 함수로서의 추세를 따랐다. 이와 같은 구체적인 평가의 목적상, 15분이 적합한 시간 길이인 것으로 밝혀졌는데, 15분까지, 시험된 온도 범위에서 전부는 아니라도 일부 중합체가 일반적으로 추출되었기 때문이다. 다른 바이오매스, 입자 크기 분포 및/또는 바이오매스 중 PHA-유형의 경우, 하기에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이 다른 평가 시간이 더 적합할 수 있다. 관찰되는 추세를 경험적으로 S자형 함수로서 모델화하였는데 (도 3 - TH로부터 TL15 및 TU15인 운용 한계 온도까지 외삽 선을 사용한 모델 S자형 맞춤에 의한, PHB-풍부 바이오매스로부터의 15-분 등온 추출에 있어서의 실험 결과), 15분 후 온도에 따라 중가되는 추출 중합체 범위 추세를 기술하고 있다:
<수학식 EQ-E3.1>
(식 중,
f15 = 온도 (T)의 함수로서의 15분 후 추출가능 중합체의 분율,
k15 = 15분 추출 속도 온도 계수,
TH = 0.50과 동일한 f15를 위한 온도임).
추출 공정을 위한 2개의 실제 운용 온도를 정의하기 위하여, TH에서의 모델화된 f15 S자 및 그로부터 외삽된 선의 기울기를 사용하였다. 추출 온도 한계 TL15는 그 아래에서는 15분 후 무시할만한 중합체가 바이오매스로부터 추출될 것으로 예상되게 되는 (f15(TL) = 0) 온도로 정의된다. 또한, 15분 후, 대부분의 중합체가 추출될 수 있는 (f15(TU) = 1) 상위 한계 온도 TU15를 정의하였다.
서로 다른 바이오매스 샘플을 사용한 13개의 서로 다른 실험으로부터의 모두 동일 유형의 PHA (PHB)를 포함하는 서로 다른 PHA-풍부 바이오매스 배치들의 배치별 가변성의 예시로써, 15분 PHB 추출 시험은 119±6 ℃의 평균 TL15를 암시하였다. 실험 가변성의 구성요소는 바이오매스 중 PHA의 상태의 차이로 인한 것으로 여겨졌다. 예를 들어, 중합체 결정화도는 PHA-저조 용매를 사용한 추출 공정에 영향을 주게 되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로, 용매가 바이오매스-중-중합체를 침윤하는 데에 걸리는 시간은 공중합체 블렌드 조성, 평균 분자량, 셀내 과립 밀도 및 크기 분포, 그리고 바이오매스 입자 크기 분포와 같은 인자들에 의해 추가적으로 영향을 받을 것으로 예상될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본원에서 기술되는 절차는 경우에 따라 산업 규모 PHA 추출 실행을 사용한 바이오매스의 추출 동역학에 실용적으로 특성화 및 적합화하기 위한 수단을 제공한다. PHB-풍부-바이오매스를 사용한 13개의 서로 다른 실험의 상기 실시예에서는, 150±7 ℃의 TU15가 추정되었다.
등온 조건하에서의 일차 추출 속도의 관찰을 바탕으로, 예를 들면 고정 시간 등온 추출 데이터로부터 중합체 일차 추출 속도 계수를 추정하였다 (도 4):
<수학식 EQ-E3.2>
(식 중,
ke = 추정 일차 온도 의존성 추출 속도 상수 (1/분),
t = 등온 추출 특징에 사용되는 분으로 나타낸 시간,
ft = 시간 t에서의 추출 수율임).
그럼에도 불구하고, 다른 유사한 접근법 또는 다른 기간이 바이오매스로부터의 PHA 추출 동역학에 대한 온도의 영향을 추정하는 데에 사용될 수 있다. 더 큰 규모의 추출 공정에서, 바이오매스는 용매를 가열하는 데에 이용될 수 있는 시간 길이의 결과로서의 온도 범위에 노출될 수도 있다. 추출 온도 이력에 대한 지식으로 볼 때, 추출 진행은 하기와 같이 추정될 수 있다:
<수학식 EQ-E3.3>
(식 중,
f = 추출된 PHA의 분율 (0 < f < 1),
ke = 온도 의존성 일차 추출 속도 상수임).
이와 같은 예측 모델은 추정 및 산업 규모 추출 동역학 사이의 차이를 보상하도록 추가적으로 적합화될 수 있다. 예측 및 실제 동역학의 차이는 예를 들면 산업 규모 공정에 있어서의 이상적이지 않은 혼합 및 물질 전달에 기인하는 것일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본원에서 기술되는 방법 및 모델은 추출의 온도 조건, 용매, PHA 유형, 바이오매스 과립 입자 크기 분포, 및 과립 특성 (밀도)에 부합하는 공정 제어를 위한 추출 시간 한계를 추정하고 적합화하기 위한 수단을 제공한다.
추출을 위한 공정 파라미터가 바이오매스 중 PHA의 유형에 따라 상당히 달라질 수 있다는 것은 알려져 있다. 중합체가 더 낮은 평균 추출 온도 및/또는 더 짧은 시간으로 회수될 수 있는 경우, 불필요한 더 높은 온도 또는 더 긴 추출 시간에 PHA를 노출시키는 것은 불리할 수도 있다. PHA-풍부 바이오매스는 균질하거나 비균질한 PHB 및/또는 PHBV의 블렌드를 함유할 수 있다. 이를 위하여, 70 내지 140 ℃ 범위의 선택된 온도에 걸쳐 개별적으로 상이하게 제조된 PHBV-풍부 바이오매스의 15분 추출 거동을 조사하였다. 추출 동역학은 S자 모델에 따랐으나, 2개 이상의 개별적인 추출가능 PHA 분획의 영역을 가졌다. 일 경우에서는, 대략 76 %의 PHA가 53 ℃의 TL15 및 86 ℃의 TU15로 특성화되었다. 나머지 24 %의 PHA는 98 ℃의 TL15 및 135 ℃의 TU15를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 두 번째 PHBV-풍부 바이오매스 역시 모두 S자 모델로 유지되는 2개 이상의 개별적인 분획을 나타내었다. 이와 같은 두 번째 경우에서는, 대략 80 %의 PHA가 58 ℃의 TL15 및 86 ℃의 TU15로 표시되었다. 나머지 20 %의 PHA는 91 ℃의 TL15 및 135 ℃의 TU15를 가졌다. 따라서, 특정 바이오매스는 독립적인 온도 의존성 추출 동역학에 따르는 개별적인 PHA 분획들을 함유할 수 있다. 이에 따르면, 상기 예측 모델은 개별적인 서로 다른 균질하게 추출가능한 분획의 영역들을 갖는 PHA-풍부 바이오매스로 일반화될 수 있다:
<수학식 EQ-E3.4>
(식 중,
fi = 추출 PHA의 i번째 분획 (0 < fi < ai),
kei = i번째 분획의 일차 추출 속도 상수임).
바이오매스로부터 모든 중합체를 추출하는 것이 목적인 경우라면, PHA 회수 조건 및 시간은 바이오매스 중 PHA 블렌드의 추출 분획에 맞추어 가장 어렵게 조정될 필요가 있게 된다. 다른 말로 하면, 최고의 TL15 및 TU15 쌍이 적용되게 된다. 예시적인 예로써, 평균 43 중량-%의 3-히드록시발레레이트 (3HV)를 포함하는 (GC에 의해 측정) 공중합체 폴리(3-히드록시부티레이트-co-3-히드록시발레레이트) 또는 PHBV를 함유하는 PHA-풍부 바이오매스 (본원에서는 CFS16으로 식별)을 제조하였다. 상기 바이오매스를 0.71 내지 2.00 mm 사이의 입자 크기 분포를 가지도록 과립화하였다. 간단한 시험관 실험실 규모 실험 시리즈를 바탕으로, 45분의 고정 추출 시간을 바탕으로 한 온도의 함수로서의 이와 같은 과립에 대한 등온 추출 수율을 결정하였다 (f45). 수율 데이터 (도 5 - TL15 및 TU15의 한계 온도를 사용한 운용 한정 15-분 추출 (f15)에 모델 S자 맞춤 및 데이터 해석된, PHBV-풍부-바이오매스로부터의 45-분 등온 추출 (f45)의 실험 결과)를 수학식 E3.1에 따라 맞춤으로써, 45-분 하위 및 상위 온도 임계치 (TL45 및 TH45)가 결정될 수 있었다. 일차 추출 동역학 (수학식 E3.2 및 E3.3)을 가정할 때, f45의 맞춤 곡선은 15분의 고정된 추출 시간을 바탕으로 하여 (f15) 온도의 함수로서 추출 수율을 예측하는 것으로 해석될 수 있었다. f15의 모델 곡선으로부터, 이제 참조 온도 임계치 (TL15 및 TH15)가 추정될 수 있었다 (도 5).
1 L 추출 공정 (실시예 1)을 사용한 실제 시험으로써, 추출 시간이 가변적인 일련의 배치에서 62.7 ℃의 TL15를 초과하는 평균 추출 온도로 PHBV를 추출하였다. 상기 실험 추출을 추정 일차 추출 동역학 상수를 바탕으로 한 (도 5) 예측 값과 비교하였다 (도 6 - 도 5를 참조한, 표시된 바와 같은 평균 온도 및 추출 시간을 사용한 (T > TL15) PHBV-풍부-바이오매스로부터의 모델 대 실험 추출 수율). 실험 데이터는 전체적으로 예측 값을 따랐으나, 차이도 존재하였다. 모델 예측은 더 낮은 온도에서는 수율을 하향 추정하였으며, 더 높은 온도에서는 수율을 과잉 추정하였다. 평가 (도 5)는 전체로서의 바이오매스 중 PHA의 값을 제공하였다. 그러나, CFS16에서의 PHBV의 열적 특성화는 이와 같은 공-중합체 블렌드가 온도 범위 초과에서 용융된다는 것을 암시함으로써, PHBV 공-중합체의 블렌드임을 암시하였다. 대부분의 중합체는 120 ℃ 미만에서 용융되나, 중합체 분획은 160 내지 170 ℃ 사이에서 용융된다. 블렌드 중 저용융 공-중합체 분획이 더 높은 용융 분획에 비해 더 용이하게 추출가능하다.
실시예 4 - 추출 성능에 대한 바이오매스 입자 크기의 영향
축적 과정 후 바이오매스가 대략 15 % 초과, 바람직하게는 20 % 초과의 건조 고체 함량까지 탈수될 경우, 그것은 도우와 같은 성형가능 고체의 농밀도를 가질 수 있다. 경험상, 반-건조 바이오매스는 상이한 형상 및 크기의 입자로 성형, 기계작업 또는 압출 및 건조될 수 있다. 건조된 입자는 또한 정해진 입자 분포 범위로 기계적으로 파괴될 수 있다. 이러한 건조 바이오매스 입자는 일반적으로 취성이나, 추출 공정 동안 그의 기본 형태를 유지할 수 있다. 추출 공정 동안 입자가 겪는 기계적 힘이 너무 공격적이지 않은 한, 기본 입자 형태는 유지된다.
미세 바이오매스 입자는 추출 후 회수된 중합체 중에서 종료되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, PHA-풍부 용매로부터의 바이오매스 분리가 더 효과적일수록, 막 추출된 생성물 품질은 더 우수해지게 된다. PHA-풍부 용매로부터의 잔류 바이오매스의 물리적 분리를 단순화하기 위해서는, 더 큰 입자 크기가 바람직하다는 것이 발견되었는데, 이는 일반적으로 0.1 mm초과, 그러나 바람직하게는 0.5 mm초과의 입자 크기를 의미한다. 그러나, 실시예 2에 나타낸 결과로 볼 때, 바이오매스로부터의 중합체의 물질 수송은 속도 제한성이며, 온도에 의해 영향을 받는다는 것이 이해된다. 이에 따라, 불필요하게 너무 큰 입자 역시 추출 공정에는 바람직하지 않은 것으로 보였다. 따라서, 하기에서 기술되는 바와 같은 바람직한 실시양태에서, 평균 입자 크기는 4 mm 미만, 그러나 바람직하게는 2 mm 미만일 수 있다.
0.5 mm를 초과하는 바이오매스 입자 크기는 PHA-풍부 용매 배출 동안의 필터 스크린 분리라는 간단한 방법을 사용하여 PHA-풍부 용매로부터 용이하게 분리될 수 있다는 것이 발견되었다. 용매 비점이 추출 온도 미만인 경우라면, 폐쇄된 추출 시스템에서 형성되는 증기압이 고체 잔류물을 뒤에 남기면서 필터 스크린을 통하여 PHA-풍부 용매를 이동시키는 데에 효과적인 것으로 밝혀졌다. 0.5 mm를 초과하는 입자 치수가 폐 바이오매스로부터 PHA-풍부 용매를 분리하는 공정 작업을 단순화하게 되기는 하지만, 문제는 입자 크기가 얼마나 클 수 있느냐 하는 것이었다. 물질 수송을 용이하게 하는 것 (더 작은 바이오매스 입자)과 PHA-풍부 용매 분리의 용이성 (큰 바이오매스 입자)의 조화가 도움이 된다. 이를 위하여, 과도하게 큰 바이오매스 입자 (공칭 5 mm)를 사용하여 2-부탄올 중에서 대략 낮은 온도 (1시간 동안 125 ℃)에서 추출을 수행하였다. 미세 PHB-풍부 바이오매스 분말에서의 동역학 속도 상수 (실시예 3)로 볼 때, 입자로부터의 중합체 수송이 방해받지 않는 경우, 125 ℃에서 1시간 후 대략 50 %의 추출을 달성할 것으로 예측하였다.
이러한 더 큰 입자가 차후 절단될 경우 (도 7 - PHA-풍부-바이오매스의 추출에 대한 입자 크기의 영향), 변색으로 인하여 단면을 통해 용매 침투 깊이가 가시가능하였다. 침투 깊이는 가변적이었는데, 그와 같은 변이는 부분적으로 물질 다공성의 국소적인 차이로 인한 것일 수 있다. 그러나, 침투 깊이는 일반적으로는 1 mm 이상, 통상적으로는 1.5 mm 미만이었으며, 2 mm를 결코 넘지 않았다 (도 7).
추출 범위의 공간적 차이를 확인하기 위하여, 변색된 표면 및 코어의 샘플을 별도로 TGA에 의해 분석하였다. 바이오매스 중 PHA의 원래의 함량과 대비하여 추출 정도를 추정하였다. 예측과 동일하게, 외부 입자 표면에 대한 추출 정도는 입자의 유기 중량 대비 49 %인 것으로 밝혀졌다. 더 진한 입자 코어에서는 측정가능한 PHA 추출이 존재하지 않았다. 그러나, 코어의 약간이긴 하지만 상당한 무기 함량 감소는 추출 공정 동안의 이러한 더 큰 입자의 코어로부터의 일부 매우 부차적인 정도의 물질 용해를 암시하였다.
과립화된 바이오매스의 주어진 개별 입자 분포를 갖는 PHA 풍부 바이오매스에서의 직접적인 측정에 의해, 입자 크기 분포의 영향을 추가적으로 조사하였다. 가변적인 크기의 대형 건조 바이오매스 조각들을 3-롤 밀 마쇄기를 통하여 공급하였다. 공급 섹션의 롤 밀 실린더 (길이 150 mm 및 직경 38 mm)를 3.0 mm 이격시켜 위치시키고, 제3 마쇄 실린더를 1.5 mm의 공칭 클리어런스를 제공하는 위치로 조정하였다. 이와 같은 장치를 통하여 바이오매스를 마쇄한 후, 3.15, 2.00, 1.60, 1.00, 0.85 및 0.71 mm의 감소하는 메시 크기를 갖는 6개의 체 트레이가 구비된 레슈(Retsch) AS 200 기본 체 진탕기에 의해 바이오매스 입자 크기 분포를 평가하였다.
물질 수지를 고려하여, 과립화된 바이오매스가 상기 밀을 통과한 다음 3.15 mm 메시에 의해 스크리닝되는 입자 크기 분포가 개산될 수 있었는데, 대략 1.8 mm의 D50, 및 0.2 내지 3.4 mm의 입자 크기 분포를 나타내었다 (도 8 - 바이오매스의 제1 제분 통과 결과를 나타내는 롤-밀 마쇄 후의 PHA-풍부 바이오매스의 입자 크기 분포, 및 선택된 하위-분획의 분포). 2.00 mm 체를 통과하며 0.71 체에 의해 유지되는 그와 같은 마쇄된 바이오매스에서 추출을 수행하였다. 여기서, 공칭 D50은 약 1.3 mm이었으며, 추정 입자 크기는 0.7 내지 2.0 mm 범위였다 (도 9 - 2.00 mm 메시를 통과하며 0.71 mm 메시에 의해 유지되는 추정 분포를 나타내는 롤-밀 마쇄 후의 PHA-풍부 바이오매스의 입자 크기 분포). 비교를 위하여, 3.15 mm 체를 통과하며 2.00 mm 체에 의해 유지되는 마쇄된 바이오매스를 사용하여 동일한 추출을 수행하였다. 여기서, 공칭 D50은 대략 2.7 mm이었으며, 추정 입자 크기 분포는 2.0 내지 3.4 mm 사이였다. 이와 같은 한 실시예에서, 78 ℃의 TL15를 갖는 39 %의 PHA를 함유하는 PHA-풍부 바이오매스를 129 ℃의 평균 온도에서 TL15를 초과하여 41분 동안 추출하였다. 동일한 바이오매스에서의 1.3 내지 2.7 mm 입자 크기 분포의 추정 D50을 사용한 PHA 회수 수율은 대략 87 내지 67 %였다. 두 번째 실시예에서는, TL15을 초과하는 평균 125 ℃의 온도에서 약 43분 동안, 63 ℃의 TL15를 갖는 43 %의 PHA를 함유하는 PHA-풍부 바이오매스를 추출하였다. 동일한 바이오매스에 있어서의 1.3 내지 2.7 mm 입자 크기 분포의 추정 D50을 사용한 수율은 대략 81 내지 68 %이었다. 따라서, 입자 크기 분포는 공정 성능에 중요하며, 이러한 결과는 2 mm 미만인 D50을 갖는 과립화된 바이오매스를 제조함에 있어서의 상당한 이익을 암시한다. 이러한 결과로부터, 추출 수율 (물질 수송)과 생성물 (PHA-풍부 용매) 분리를 고려하는 조화를 위한 바이오매스 입자 크기의 실제 한계가 발견되었다. 주 입자 크기 분포는 0.1 내지 4 mm 사이, 그러나 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 mm 사이이어야 한다.
실시예 5 - 바이오매스-중-PHA 분자량 결정
이와 같은 바람직한 실시양태는 예정된 회수 생성물 품질을 일관되게 수득하도록 조정된 배치별 용매-시간-온도-적재량 조건을 사용하는 공정에서 바이오매스로부터 PHA를 추출할 수 있을 필요성을 제기한다. 중합체의 화학적 안정성은 용매에 대한 총 바이오매스 적재량에 민감성인 것으로 밝혀졌다. 용매에 대한 바이오매스 적재량은 바이오매스-중-PHA 적재량 및 비-PHA-바이오매스 적재량의 관점으로 분할될 수 있다. PHA의 농도 및 비-PHA 바이오매스 성분의 농도 모두가 추출 동안의 중합체 절단 속도에 영향을 줄 수 있다. 특정 총 바이오매스 적재량을 위한 용매-시간-온도-적재량의 조건은 추출 동안의 중합체의 특정 절단 속도로 이어지게 된다. 추출 공정 종료까지의 절단 수는 얼마나 많은 중합체 사슬이 평균적으로 절단되게 되는지를 결정한다. 평균 중합체 사슬 절단 수는 중합체 분자 질량을 최초의 값으로부터 감소시키는 것으로 해석된다. 따라서, 바이오매스-중-PHA의 최초 분자량 분포는 회수되는 중합체가 정해진 생성물 분자 질량 품질 표준을 일관되게 충족할 수 있으려면 얼마나 많은 절단이 이루어질 수 있는지만을 결정한다.
예를 들면, 처리될 중합체가 200 kDa의 수 평균 분자 질량을 초과해야 한다고 소비자에 의해 특정된 경우의 특정 중합체 적용분야 경우를 생각해 보라. 바이오매스-중-PHA가 300 kDa의 평균 분자 질량을 갖는 경우라면, 수학식 EQ-1에 따라, 추출 공정은 0.5를 초과하는 절단 수로 이어져서는 아니 된다. 바이오매스-중-PHA 수 평균 분자 질량이 400 kDa인 경우라면, 추출에 있어서의 최대 허용 절단은 1.0이 되게 된다. 다른 모든 인자들이 동일하다면, 후자의 경우가 추출 공정에 대한 더 큰 바이오매스 적재량을 가능케 하면서도 동일한 최종 생성물 품질을 달성한다. 적합하게 선택된 바이오매스 적재량에 맞추어 선택되는 시간-온도-용매의 추출 조건이 생성물 품질을 좌우한다.
이에 따라, 바이오매스-중-PHA 분자량의 개략적인 추정은 적절한 바이오매스 적재량 조건의 선택에 있어서 유용한 정보이다. 그와 같은 평가를 위한 다수의 가능한 전략들의 가능성을 제한하는 것은 아니지만, 본원에서는 바이오매스-중-PHA 분자량 평가의 개략적인 참조 방법을 위한 대표적인 접근법이 제시된다. 이러한 방법은 감소된 분자 질량 손실을 부과하는 것으로 알려져 있는 조건하에서 PHA를 추출하거나, 또는 바이오매스-중-PHA 분자 질량 평균을 추정하도록 분자 질량 손실이 계산될 수 있는 것 중 어느 하나를 의도하는 프로토콜이다. 예를 들면, PHA는 아세톤, 및 10 g-PHA/L 이하의 공칭 PHA 적재량을 사용하여 시험관 규모로 분말화된 바이오매스로부터 추출된다. 추출은 15분마다 1회 이상인 시험관의 보르텍싱 혼합을 동반하는 가열 블록에서 125 ℃로의 1시간 동안이다. 설정 추출 시간에 도달한 후, 시험관 (통상적으로 각각 10 mL의 용액을 포함하는 6개의 시험관)은 50 mL 비커로 PHA-풍부 용액을 따라내기 전에 실온에서 3분 동안 냉각된다. 중합체가 침전될 때까지 탈이온수를 적가한 다음, 진공 여과에 의해 중합체가 용액으로부터 수확된 후, 70 ℃에서 건조된다. 샘플 품질은 TGA 및 유변학에 의해 확인된다. 분자량은 유변학 및/또는 크기 배제 크로마토그래피의 표준 방법에 의해 정량된다.
대안으로서, 15분 동안의 140 ℃의 추출 온도, 및 10 g-PHA/L 이하의 공칭 PHA 적재량과 함께, 부탄올이 사용된다. 중합체-풍부 용액은 실시예 3의 방법에 따라 경사분리된다. 생성물 품질 및 분자량은 상기한 바와 같이 평가된다.
더 낮은 바이오매스 적재량과 함께 더 낮은 온도 또는 더 낮은 시간 중 어느 하나를 유지하는 것의 조합은 바이오매스 중 중합체 분자량의 추정치를 제공하는 참조 물질로 이어진다. 중합체의 일부 분자량 손실이 그와 같은 표준 추출 방법에서도 발생할 수 있다는 것은 알려져 있다. 따라서, 추정은 개괄적인데, 이와 같은 평가의 일부로서의 분자량 손실이 추출 공정을 위한 허용가능한 최대 바이오매스 적재량의 하향추정으로 이어지는 경향이 있게 되기 때문이다. 더 정확한 방법은 추출 시간 또는 적재량 중 어느 하나를 가변시키면서 시험관 규모로 일련의 추출을 수행하는 것이다. 매 경우, 분자량을 평가하고, 시간 (또는 적재량)의 함수로서의 추세를 바탕으로, 0시간의 외삽 지점 (또는 무시할만한 적재량)에 의한 추세로부터 바이오매스-중-PHA 평균 분자 질량이 추정될 수 있다. 표준 추출 방법이 바이오매스-중-PHA 중량 평균 분자 질량을 561 kDa인 것으로 예측한 한 실시예에서 (도 10 - 일정한 바이오매스 적재량에서의 2-부탄올 중 PHB-풍부-바이오매스의 등온 추출 (125 ℃)에 있어서의 평균 절단 속도), 일정한 적재량 및 1 내지 9시간의 가변적인 추출 시간을 사용한 일련의 조절 추세는 591 kDa의 바이오매스-중-PHA Mw를 암시하였다. 이러한 결과 역시 주어진 바이오매스 적재량에 있어서의 등온 조건하에서의 반복적으로 관찰되는 일정한 절단 속도를 예시하는 기능을 한다. 실시예 3에서 제시되는 CFS16을 참조하면 (도 5), 바이오매스-중-PHA Mw는 611 kDa인 것으로 추정되었다. 따라서, 수행된 실제 추출 시험 (도 6)으로부터, 50 g/L의 추출 PHA-적재량의 경우에 대하여 생성물 분자량을 결정하고, 온도의 함수로서의 절단 속도를 추정하였다 (도 11 - 50 g/L의 일정한 PHA-적재량에서의 2-부탄올 중 PHBV-풍부-바이오매스에 있어서의 평균 추출 온도의 함수로서의 평균 절단 속도. 시간 t50은 평균 분자 질량의 50 % 손실을 초래하는 추정 추출 시간임). 온도의 함수로서의 절단 속도로 인하여, 주어진 특정 목표 생성물 분자량에서 가용한 추출 시간이 온도의 함수로서 감소하게 될 것으로 예측할 수 있다. 도 11은 평균 분자 질량의 50 % 손실 (분으로 나타낸 t50)을 위한 일정한 최종 절단에 따른 가용한 추출 시간의 지수적 감소를 예시한다.
예를 들면, 생성물 분자량이 400 kDa 이상이어야 하는 경우를 생각해보라. 50 g/L PHA-적재량에 있어서의 온도의 함수로서의 절단 속도를 바탕으로, 평균 분자 질량의 35 % 손실에 가용한 시간, 및 관련 예측 추출 수율이 추정될 수 있다 (도 12 - 고정된 35 % 분자 질량 손실 (t35)에 대한 50 g/L의 PHA-적재량을 바탕으로 한 허용가능한 추출 시간이 추출의 예측 수율 (f)에 영향을 줌). 예측은 확인될 수 있으며, 실제 시험으로부터 모델이 개선될 수 있다. 더 높은 평균 온도를 위한 더 짧은 허용가능 추출 시간은 가장 높은 가능한 추출 수율을 위한 충분한 시간을 제공하지 않을 수 있다. 그러나, PHA-적재량을 낮추는 것은 일반적으로 절단 속도를 감소시키며, 이는 동일한 평균 추출 온도에 있어서의 더 긴 허용가능한 추출 시간을 가능케 한다.
실시예 6 - 추출 공정에 첨가제를 도입하는 것
생산성을 향상시키고/거나 최종 생성물 품질을 조작하기 위하여 화학 첨가제가 공정에 도입될 수 있다. 첨가제는 고온의 용매가 바이오매스와 접촉되어 있을 때에 추출 공정에 투입될 수 있다. 대안적으로, 첨가제는 바이오매스 분리 후, 그러나 겔화 전에, PHA-풍부 용매에 도입될 수도 있다. 겔화 동안 또는 후의 혼합물에의 첨가제의 블렌딩이 화학적 첨가를 위한 세 번째 기회가 된다. 화학적 첨가의 기본적인 동기는 가변적일 수 있다. 비제한적으로, 본원에서는 예시용으로 수많은 예가 제공된다.
추출 공정에의 바이오매스의 적재는 허용가능한 절단 수에 의해 제약될 수 있다. 무작위 사슬 절단의 반응을 차폐하는 작용을 하는 화학적 첨가제는 더 높은 바이오매스 적재량을 가능케 하는 잠재적 가치가 있다. 예를 들어, 중합체의 절단 속도는 양이온의 존재에 의해 영향을 받는다. 따라서, 양이온을 봉쇄하는 바이오매스 첨가제는 사슬 절단 반응을 차폐하는 것을 도울 수 있다. 유사하게, 수분은 절단 속도를 증가시킨다. 바이오매스는 흡습성인데, 통상적으로 건조 후의 바이오매스가 저장시 2 내지 5 % 수준의 수분 함량으로 평형화된다는 것이 관찰되었다. 추출 직전의 바이오매스의 예비-건조가 절단 속도를 25 % 만큼 크게 효과적으로 감소시킨다는 것이 발견되었다. 따라서, 추출 공정 동안 물의 존재 또는 생성으로 인한 영향을 제한하기 위한 한 가지 전략은 추출 동안 바이오매스와 함께 수분 스캐빈저를 포함시키는 것일 수 있다.
바이오매스 분리 후 PHA-풍부 용매에 중합체 첨가제를 도입하는 것의 한 가지 장점은 해당 첨가제가 매트릭스 중에 빠르게, 그리고 균질하게 분산될 수 있는 용이성과 관련된다. 그와 같은 첨가제를 용융 처리 동안 조합하는 것이 대안이 될 수 있으나, 용융 처리는 높은 온도, 및 블렌딩에서의 바람직하지 않은 정도의 물질 분해 위험성을 포함한다. PHA의 블렌드는 PHA-풍부 용액으로서, 또는 서로 다른 추출 배치로부터의 서로 다른 공-중합체의 겔로서 조합될 수 있다. 추출 후, 그러나 겔화 전에 반응성 화합물을 도입하고, 거기에 유익한 화학 반응들을 도입하는 것에 의해 중합체가 개질될 수도 있다. 예를 들면, 폴리카르보디이미드를 사용하여 이와 같은 원리가 입증되었다. 폴리카르보디이미드는 독일 소재 레인 케미에(Rhein Chemie)에 의해 스타박솔(Stabaxol)® P라는 상표명으로 제공되고 있다. 스타박솔® P는 분말 형태였으며, 13 %의 N=C=N 함량과 함께 대략 3000 g/mol의 중량 평균 분자 질량을 가졌다. 폴리카르보디이미드는 카르복실 기와 반응하는 고도로 불포화된 기 -N=C=N-를 포함한다. PLA 시스템에서의 사슬 연장제로서의 이와 같은 첨가제의 사용이 잘 입증되어 있다.
스타박솔® P의 존재하에, 그리고 그의 존재 없이, 바이오매스로부터의 PHB의 추출을 수행하였다. 30 g-PHA/L의 이론적 추출 PHA-풍부 용매 용액을 생성시키기 위하여, 중량 기준 44 %의 PHB를 함유하는 바이오매스를 2-부탄올과 조합하였다. 폴리카르보디이미드를 사용하는 경우로써, 2 중량%의 스타박솔® P를 사용하였는데, 여기서 중량%는 추출 PHA 적재량에 대비된 것이었다. 125 ℃의 등온 조건하에서 1 내지 9시간의 선택된 시간 동안 바이오매스로부터 PHB를 추출하였다. 추출 효율은 공칭 83 %이었으며, 시간과 관계 없이, 이와 같은 특정 바이오매스로부터의 중합체 추출에 있어서의 관찰되는 효과적인 정도 한계가 이와 같은 추출 온도의 첫 번째 시간 이내에 이미 달성되었을 나타내었다.
또한, 스타박솔® P의 존재가 0.06 내지 0.08 시간-1에 걸쳐 32 %까지 절단 속도를 증가시킨다는 것이 관찰되었다. 유도되는 증가된 절단 속도에도 불구하고, 폴리카르보디이미드의 존재하에 추출되는 중합체는 사슬 연장을 촉진할 것으로 예측되었다. 추출되는 PHB는 대조의 예측 분자량 (591 kDa)에 비해 657 kDa의 상당히 더 높은 최초 중량 평균 분자량을 갖는 것으로 추정되었다. 따라서, 폴리카르보디이미드 기재 첨가제는 승온에서 PHA-저조 추출 용매 중 PHA와 유익한 방식으로 빠르게 반응하게 된다. 그러나, 연장된 시간 동안 승온에서 반응성 혼합물이 유지될 경우, 이러한 장점은 연장되지 않을 수 있다. 따라서, 폴리카르보디이미드를 중합체 풍부 용매 용액과 조합하기에 가장 적절한 시점은 용매로부터 바이오매스를 분리한 후, 겔화를 위한 용매 냉각 직전일 수 있다.
실시예 7 - 비-PHA 바이오매스의 공동-추출 및 용매 예비세척
PHA-저조 용매는 비제한적으로 정해진 한계 추출 온도인 TL15 온도 위에서 PHA를 추출하게 된다. 또한, 비-PHA 바이오매스가 추출되게 된다. PHA-풍부 바이오매스의 배치에서 수행된 반복 시험관 추출 실험으로 비-PHA 바이오매스 추출을 평가하였다. 이러한 PHA-풍부 바이오매스 배치는 시 또는 산업 폐수 중 어느 하나를 처리하는 것으로부터 유래하였다. 미세하게 분쇄된 PHB-풍부 바이오매스의 샘플 (공칭 150 mg)을 12 mL 시험관에 칭량 투입하였다. 열중량 분석 (TGA)에 의해 바이오매스 중 PHA의 질량 분율을 추정하였다. 바이오매스의 공칭 PHA 함량은 50 % w/w이었다. 바이오매스를 10 mL의 2-부탄올과 조합하고, 시험관을 테플론 라이닝된 스크류 캡으로 밀봉하였다. 용매에 대한 이론적 최대 PHA 적재량은 대략 7 g/L이었다. 본 모델의 소-규모 시험관 실험 시스템에서는, PHA-풍부 용매로부터의 용이한 바이오매스 분리를 촉진하기 위한 감소된 겔 형성 추진 경향을 위해, 매우 낮은 PHA 적재량을 해당 추출 시험에 사용하였다. 선택된 온도 (125, 132, 135, 137 및 140 ℃) 및 선택된 시간 (15, 30 및 45분)에서 PHA-풍부 바이오매스를 추출하였다. TGA에 의해 추출 중합체의 순도를 평가하고, 물질 수지를 고려하여 추출되는 비-PHA 바이오매스의 분율도 추정하였다.
또한, 30 내지 70 g/L 범위의 더 많은 PHA 적재량을 사용하여, 각각 1 및 10 L 부피에서, 벤치 및 파일럿 규모에서의 추출 시험을 수행하였다. 이러한 실험을 위하여, 알려져 있는 중량의 바이오매스를 추출 반응기에 도입하고, 119 ℃의 추정 공칭 바이오매스-중-PHA TL15 내지 145 ℃ 미만의 피크 온도에 걸쳐 29분 (1 L) 및 33분 (10 L) 동안 바이오매스로부터 중합체를 추출하였다. 추출-시간-평균 온도는 138 ℃ (1 L) 및 135 ℃ (10 L)이었다. PHA-풍부 용매를 반응기로부터 배출시키고, 냉각시켜 겔화하였다. 건조된 PHA-풍부 바이오매스, 잔류 바이오매스 및 용매 겔의 대표적인 샘플들을 TGA에 의해 평가하였다. 물질 수지를 고려하여, 하기와 같이 PHA 및 비-PHA 분율을 추정하였다:
<수학식 EQ-E7.1>
<수학식 EQ-E7.2>
<수학식 EQ-E7.3>
<수학식 EQ-E7.4>
<수학식 EQ-E7.5>
<수학식 EQ-E7.6>
<수학식 EQ-E7.7>
(식 중,
X, G, R = PHA-풍부 바이오매스, 건조 겔 및 잔류 바이오매스의 질량,
Xp, Gp, Rp = PHA-풍부 바이오매스, 건조 겔 및 잔류 바이오매스 중 PHA의 질량,
Xn, Gn, Rn = PHA-풍부 바이오매스, 건조 겔 및 잔류 바이오매스 중 비-PHA의 질량,
Yp, Yn = PHA 및 비-PHA 바이오매스의 추출 수율임).
참조 바이오매스-중-PHA 중합체 분자량 결정 (실시예 5)에 대비하여 추정된 레올로지 및 평균 절단 속도에 의해, 추출 PHA의 분자량을 평가하였다.
일반적으로, 비-PHA 바이오매스의 추출되는 양은 적재 비-PHA 바이오매스의 5 내지 50 % 범위에서 상당히 가변적이라는 것이 발견되었다. 추출되는 비-PHA 바이오매스의 양은 200 ℃ 미만의 온도에서 TGA 동안 휘발되는 비-PHA 바이오매스의 분율과 상관된다는 것이 관찰되었다. 주어진 추출 시간 동안의 온도에 따라 추출되는 물질의 평균 비-PHA 함량이 증가되었기 때문에, 비-PHA 바이오매스 추출의 동역학은 온도에 의해 영향을 받았다. 비-PHA 바이오매스 추출의 가변성에도 불구하고, 비-PHA 추출 바이오매스의 총량은 놀랍게도 추출 동안의 절단 속도와는 상관되지 않았다. 그러나, 특정 바이오매스 배치를 물로 세정하는 것은 200 ℃ 미만의 온도에서 TGA 동안 휘발되는 비-PHA 바이오매스 분율 감소시켰는데, 결과적으로 이와 같은 바이오매스 분획이 추출 절단 속도에 영향을 주는 성분을 함유한다는 것을 암시하였다.
추출 동안의 PHA의 화학적 안정성에 대한 비-PHA 추출가능 물질의 영향 가능성을 더 잘 평가하기 위하여, 추출 용매를 사용한 바이오매스 예비-처리의 효과를 조사하였다. 44 %의 PHB를 함유하는 바이오매스에서 일련의 시험관 추출을 수행하였다. 이와 같은 시리즈에서는, 샘플을 먼저 45분까지 부탄올 중에서 90 ℃ (119 ℃의 경우별 추정 TL15 미만)로 선택된 기간 동안 추출하였다. 이와 같은 TL15-미만 추출 후, 부탄올을 경사분리하고, 15 g/L의 PHB 적재량을 사용하여 125 ℃에서 5시간 동안 새로운 분취량의 부탄올로 나머지 바이오매스를 추출하였다. PHA-풍부 용매를 경사분리한 후, SEC를 사용하여 분자량을 결정하였다.
가변적인 평균 분자 질량 손실 정도를 갖는 샘플들의 다분산도 지수는 대략 일정하였다 (1.76±0.06). 참조 바이오매스-중-PHA 중합체 분자량 결정 (실시예 5)과 관련하여 절단 속도를 결정하였다. 비-PHA 바이오매스의 예비-추출은 관찰되는 절단 속도의 상당한 감소를 초래하였다. 따라서, 증가되는 예비-추출 시간에 따라 중합체 화학 안정성의 상당한 향상이 달성되었다. 예비-추출이 없는 평균 절단 속도의 23 %까지의 추정 최대 감소까지가 달성되었다 (도 13 - 일정한 PHB-풍부-바이오매스 적재량에 있어서의 2-부탄올을 사용한 예비-세척의 90 ℃ 추출 절단 속도에 대한 영향). 더 큰 규모의 반복 실험으로, 절단 속도를 감소시키기 위한 용매 예비-처리의 효능을 추가적으로 평가하였다. 한 실시예에서는, 62 %의 PHB를 함유하는 바이오매스를 사용하여 1 L 부탄올 추출을 수행하였다. 추출은 50 g/L의 PHB 적재량으로 이루어졌다. 138 ℃에서의 29분 동안의 PHB 추출 전에 90 ℃에서 45분 동안 예비-추출을 사용하여 바이오매스가 처리된 경우, 추출 동안의 절단 속도는 47 %까지 감소되었다.
따라서, 총 추출가능 비-PHA 바이오매스가 전체적으로는 중합체 안정성에 영향을 주지 않기는 하지만, 그럼에도 불구하고 바이오매스가 절단 속도에는 영향을 주는 비-PHA 추출가능 화합물을 함유하고 있다는 것이 발견되었다. PHA 회수에 대한 이러한 화합물들의 영향은 PHA 추출에 앞선 PHA-풍부 바이오매스 공-중합체 블렌드에 대한 최저 TL15 미만 온도에서의 그의 별도의 선택적 추출에 의해 완화될 수 있다. 예비-처리의 추가적인 이익은 그렇지 않을 경우 추출 후 겔의 PHA와 결합하게 되는 비-PHA 물질을 제거하는 것이다. 이러한 조사에서, 유사한 수준의 샘플 순도에 도달하기 위해서는 서로 다른 바이오매스 배치의 결과로서 가변적인 겔화 후 처리 정도가 적절할 수 있다는 것이 드러났다. 또한, 중합체 화학 안정성은 적어도 부분적으로 PHA-풍부 바이오매스의 서로 다른 배치 중에 가변적인 정도로 존재할 수 있는 추출가능 화합물에 기인한다.
실시예 8 - PHA-풍부 바이오매스 적재량의 평가
실시예 5는 바이오매스-중-PHA 수 평균 분자 질량의 표준화된 평가를 위한 방법론을 기술한다. 상기 표준화된 방법은 분자량 손실이 일반적으로 무시할만한 것으로 경험되는 추출 조건 (용매-적재량-시간-온도)의 경험을 바탕으로 한다 (WO 2012/022998A1호). 그러나, 그와 같은 추출 조건은 일반적으로 매우 낮은 부피 생산성을 가지며, 그에 따라 산업 규모에서는 경제적으로 금지된다.
PHA 축적 과정에서, 사람들은 통상적으로 바이오매스-중-PHA 중량 평균 분자 질량이 500 kDa 초과, 그러나 바람직하게는 600 kDa 초과, 더욱 바람직하게는 1000 kDa 초과가 되도록 노력한다. 일반적으로는 추출 후 350 kDa 초과, 바람직하게는 400 kDa 초과, 더욱 바람직하게는 500 kDa 초과, 가장 바람직하게는 700 kDa 초과의 중량 평균 분자 질량을 갖는 중합체를 수득하면 바람직하다. 가능한 한 큰 분자량을 갖는 PHA를 제조하는 것의 일반적인 이익에도 불구하고, 분자량의 기준은 적용분야에서의 물질의 의도와 관련되게 된다. 따라서, 실제 추출 과정에 있어서의 실제 목적은 단순히 해당 사용 의도와 관련한 회수되는 중합체의 바람직한 품질 목표를 충족하는 것이다. 경제적으로 덜 실행가능한 추출 방법을 사용하여 해당 목표를 훨씬 초과하는 중합체를 회수하는 것은 의미가 없다. 과제는 추출 공정이 경제적으로 더 효과적이 되도록 하는 것이므로, 선택되는 적재량-시간-온도 및 용매 조건은 회수 공정의 과정에서 어느 정도의 분자 질량이 희생될 수 있도록 하는 것이어야 한다. 분자량 손실은 일반적으로 무작위-사슬 절단 반응이 일어나도록 촉진하는 조건에 기인한다. 무작위 사슬 절단의 동역학은 용매의 유형, 용매 온도 및 용매 중 PHA-풍부-바이오매스 적재량에 의해 영향을 받는다. PHA-풍부-바이오매스는 PHA 및 비-PHA 바이오매스를 함유한다. 일부 (추출가능 및 비-추출가능) 비-PHA 바이오매스 성분은 무작위 사슬 절단 반응에 기여하는 것으로 관찰되었다 (실시예 7).
따라서, 특정 용매 추출을 위한 시간 및 온도의 조건을 선택함에 있어서는, 회수 공정에 대한 바이오매스-중-PHA 적재량과 비-PHA 바이오매스 적재량의 조합된 효과를 고려해야 한다. 일반적으로, 다른 모든 것들이 동일하다면, 추출 공정에서의 증가된 총 바이오매스 적재량으로써 절단 속도의 증가를 예상할 수 있다는 것이 발견되었다.
실시예 7에서 발견된 바와 같은 문제는 모든 비-PHA 바이오매스가 절단 속도에 영향을 주게 되지는 않는다는 것이다. 또한, 서로 다른 PHA-풍부 바이오매스 배치가 유사한 추출 온도 및 적재량 조건하에서 서로 다른 특이적 절단 속도를 나타낼 수 있다는 것을 경험하였다. 특이적 절단 속도가 용액 중 임의의 반응성 화합물의 속도 상수 및 농도에 의해 좌우된다는 가설을 세울 수 있다. 비-PHA 바이오매스의 분획이 그와 같은 반응성 화합물을 포함할 수도 있다는 것이 관찰되었다. 이에 따라, 일차 동역학을 가정할 때, 절단 속도는 일반적으로 하기와 같이 바이오매스 적재량에 직접적으로 의존하는 것으로 기술될 수 있는 것으로 여겨졌다:
<수학식 EQ-E8.1>
(식 중,
rs = 평균 특이적 절단 속도,
ks = 온도 및 바이오매스 화학 조성에 따라 달라지는 절단 속도 상수,
Xp = 추출 용매 단위 부피 당 바이오매스-중-PHA 적재량,
Xn = 추출 용매 단위 부피 당 비-PHA 바이오매스 적재량임).
이러한 공정 및 방법을 개발함에 있어서의 목적들 중 하나는 PHA-저조 용매에서의 PHA 추출을 위한 바이오매스 적재량 조건을 어떻게 최고로 설계하여 확립함으로써 하기를 수행하느냐 하는 것이었다:
1. 더 경제적인 부피 생산성 및 일반적으로 향상된 겔화 특성을 보장하기 위하여 최고로 가능한 적재량을 찾으면서도,
2. 동시에, 선택된 바이오매스-중-PHA 및 비-PHA 바이오매스의 적재량이 특정가능한 생성물 품질 임계치와 동일하거나 그를 상회하는 추출 중합체 분자량을 산출하도록 보장하는 것.
바이오매스 화학 품질을 반영하는 측정치에 대한 ks 의존성을 정의하고자 한다. 이를 위하여, 2-부탄올을 사용한 1 L 반응기로부터의 중합체 추출을 기준으로 하여 바이오매스 적재량 대 결과적인 절단 사이의 관계를 조사하였다. 25 내지 80 g-PHA/L인 PHA-적재량 (Xp) 범위의 가변적인 적재량 조건을 사용하여, 동일하고 개별적인 서로 다른 제조 배치들로부터의 PHA-풍부-바이오매스를 추출하였다. 일부 경우에서는, 예비-추출 용매로서 물 또는 2-부탄올을 사용하는 예비-추출을 수반하여, 또는 예비-추출 없이 동일한 PHA-풍부 바이오매스를 추출하였다. 이러한 실험들에서는, 138 ℃에서의 29분의 공칭 추출 시간을 적용하였다. "Xn+Xp"의 각 바이오매스 품질을 TGA 및 FTIR (실시예 1)에 의해 정략적으로 식별하였다. 바이오매스-중-PHA 분자량은 표준화된 시험관 규모 추출 (실시예 5)로부터의 중합체 특성화를 바탕으로 결정하였다. 이와 같은 특정 예의 모든 바이오매스 샘플들은 WO 2012/022998A1호에 따라 적용되는 방법의 예측을 유지하면서 우수한 바이오매스-중-PHA 열 안정성을 나타내었다. 그러나, 절단 속도의 범위를 관찰하였는데, 이는 138 ℃에서의 29분을 사용한 1 L 추출 공정 동안의 PHA의 화학적 안정성에 있어서의 차이를 암시하였다. (도 14 - 주어진 추출 시간, 온도 및 용매에서의 절단에 대한 PHA-풍부 바이오매스 PHA 적재량의 영향. 주어진 바이오매스는 적재량 (◆)에 따라 증가되는 절단의 추세를 나타냄. 그러나, 일반적으로 서로 다른 바이오매스 배치 (□)는 추출 동안 광범위한 중합체 화학 안정성의 변이를 나타냄). 바이오매스 화학 조성의 차이가 분자 질량 손실 속도에 있어서의 관찰되는 각 차이의 주 인자일 수 있는 것으로 여겨졌다.
바이오매스 화학 조성은 FTIR 스펙트럼에서 "핑거프린트 (fingerprint)"로 포착된다. FTIR 스펙트럼은 바탕 보정되는데, 800 내지 1800 nm 사이의 흡광도를 기준으로 신호를 표준화하였다. 다음에, 각 추출에 적용되는 질량 "Xn+Xp"에 의해 스펙트럼이 설계된다. 따라서, 추출되는 모든 중합체 배치에는 구체적인 절단 속도 및 바이오매스 적재량의 FTIR 화학 "핑거프린트"에 대한 데이터가 동반된다.
이러한 데이터는 각 평균 특이적 절단 속도를 예측하기 위하여, 수학식 EQ-E8.1을 유지하면서 부분적 최소 자승 분석에 의해 바이오매스 핑거프린트와 적재량을 상관시키는 모델을 구성하는 데에 사용될 수 있다는 것이 발견되었다 (도 15 - 가변적인 PHB-풍부-바이오매스 및 적재량 조건을 가지나 일정한 용매 유형, 평균 추출 온도 및 추출 시간을 갖는 개별 바이오매스 배치들에 있어서의, 측정된 평균 특이적 절단 속도를 바이오매스 품질의 FTIR "핑거프린트"를 바탕으로 한 예측 평균 특이적 절단 속도에 관련시키는 PLS 모델 결과 (모델 구축 실험 데이터 (○) 및 모델 확인 데이터 (■)를 포함)의 도시).
비제한적으로, 그와 같은 화학계량분석 모델이 어떻게 개시되는 이러한 발견에 따라 적용될 수 있는지의 예를 도 16에 제공한다 (유입되는 배치별로 가변성인 PHA-풍부-바이오매스 품질에 비해 일관된 공정 생산성 및 생성물 품질 수준을 위한 최적화된 추출 작업 조건을 유지하기 위한 PLS 화학계량분석 모델 적용의 예). 통상의 기술자라면, 그와 같은 모델이 특정 바이오매스 적재량에 대하여 추출 공정을 보정하고 모델화된 특이적 절단 속도를 추정하기 위하여 선험적으로 바이오매스를 평가하는 능력을 제공한다는 것을 알고 있을 것이다. 적절한 적재량은 주어지는 최초 분자량 및 특이적 절단 속도에 대하여, 회수되는 PHA 평균 분자 질량이 특정 분자량 표준을 일관되게 충족하는 고도의 확실성을 가질 수 있도록 선택될 수 있다.
실시예 9 - 물질 유동 및 공정 관리 실시예
본원에서 제시되는 PHA 회수 실시양태의 실행시, 사람들은 PHA-풍부 바이오매스를 수용하고 처리하기 위한 중앙집중식 시설을 상상할 수 있다. 그와 같은 시설은 유입되는 원료가 가치-부가 물질 및 생성물로 정제되는 정제소의 일부로 간주될 수 있다 (도 17 - 임의 수의 폐수 처리 플랜트 (WWTP1...WWTPn)로부터 PHA-풍부-바이오매스의 배치들 (가변적인 품질의 B1...Bn)을 수용하고, 임의 수의 상업적 시장 (소비자1...소비자n)을 위하여 다른 회수 가치 부가 화학물질과 함께 일관된 품질의 일정 등급의 생물중합체 생성물 (PHA1...PHAn)을 제조하는 중앙집중식 정제소). 투입되는 PHA-풍부-바이오매스 배치는 비제한적으로 바이오매스-중-PHA 평균 분자 질량 및 추출 동안의 화학적 안정성을 포함하여, 가변적인 품질을 가질 것으로 예상된다.
본 발명의 적어도 일부 실시양태는 공급원료 배치별 바이오매스 품질 가변성을 수용하고, 그렇게 하면서 물질 평균 분자 질량에 대한 확립된 생성물 또는 적용 기준 이내의 중합체인 PHA-풍부 용매 겔을 일관되게 회수하기 위하여 적용될 수 있다.
정제소는 생성물 품질 기준의 제약을 달성하면서도, 동시에 회수 공정의 부피 생산성을 최대화하는 것에 의해 이익이 되도록 운용된다. 회수 공정의 일부로서, 비-PHA 잔류물 (플랫폼 화학물질)이 병행 회수될 수 있으며, 이러한 플랫폼 화학물질의 화학물질 및/또는 에너지 함량 역시 활용될 수 있다. 예로써, 회수 공정은 추가적으로 지질, 생물-오일, 무기 영양소 (질소 및 인), 합성 가스 및/또는 열을 생성시키는 데에 사용될 수 있다.
한 실시양태 (도 18 - 전체적으로 향상된 경제성 및 생산성을 위하여 가능한 가장 공격적인 공정 부피 적재량을 적용하면서도 회수 공정을 조정하고 정해진 품질의 PHA를 회수하기 위한 공정 및 방법의 적용. 일반적으로, 높은 바이오매스-중-PHA 평균 분자 질량은 다른 모든 것이 동일할 경우 더 높은 추출 적재량을 가능케 함)에서는, 투입 PHA-풍부-바이오매스 배치의 품질이 분자량 및 화학적 안정성과 관련하여 평가된다 (실시예 8). 이러한 데이터로부터, 일관된 분자 질량의 품질 조절 한계 내의 겔 중 PHA 또는 건조된 수지로서의 PHA를 제조하기 위한 개시되는 추출 공정에 대한 적절한 바이오매스 적재량이 추정될 수 있다. PHA-풍부-바이오매스로부터의 개시되는 PHA-풍부-용매-겔 제조 방법은 최적의 회수 공정 부피 생산성과 함께 일관된 생성물 품질을 유지하도록 연출된다. PHA-풍부-바이오매스의 배치는 직접 평가된다 (도 19 - PHA-풍부-바이오매스의 가변적인 배치별 품질의 일관되게 조절되는 품질을 갖는 PHA-풍부-용매 겔로의 전환에서의 공정 조건의 조정 적용 방법의 일부로서의 물질 및 정보의 흐름). 그와 같은 평가는 PHA 함량, 바이오매스-중-PHA 평균 분자 질량, 바이오매스-중-PHA 화학 안정성, 임계 추출 온도 및 동역학, 그리고 추출되는 중합체 임계 겔화 시간 및 온도에 대한 정보를 제공한다 (실시예 1-5, 11). 공정 모델 데이터베이스 및 생성물 품질 기준에 대한 주어진 정보를 바탕으로, 추출에 있어서의 주어진 용매, 시간 및 온도에서의 최대 바이오매스 적재량 추정이 이루어질 수 있다 (실시예 8).
병행하여, 겔 특성 및 공정 부피 생산성의 목표를 유지하면서 필수 PHA-적재량의 추정이 이루어질 수 있다 (실시예 11). 바이오매스의 PHA 함량이 주어지면, PHA-적재량 기준이 허용가능한 PHA-풍부-바이오매스 적재량 한계와 비교될 수 있다. 허용가능한 PHA-풍부-바이오매스 적재량 한계가 충분하지 않은 경우라면, "허용가능한 공정 바이오매스 적재량"의 증가를 수득하기 위하여, PHA-풍부-바이오매스의 예비-처리, 또는 화학 첨가제를 사용한 PHA-풍부-용매의 후처리의 선택사항이 평가될 수 있다 (실시예 6, 7). 정해진 용매-농도-시간-온도 조건을 사용하여, 예상되는 생성물 품질에 대한 선험적 지식에 의해 PHA가 바이오매스로부터 추출될 수 있다. 추출 공정의 온라인 모니터링 (실시예 10)은 추출 공정 시간의 미세-조정을 가능케 하며, 겔 및 회수되는 PHA의 품질 평가는 특성화 및 공정-모델링 데이터베이스에 대한 피드백을 가능케 한다. 생성물 품질에 대한 평가로부터의 피드백 시간 동안, 개정된 모델 데이터베이스는 향상된 공정 조정, 및 더 견고하게 조절되는 생성물 품질 관리를 가능케 한다.
실시예 10 - PHA 추출 공정 온라인 모니터링
시험관 규모에서의 실험 프로토콜 (실시예 3)을 바탕으로 하여, PHA-풍부 바이오매스로부터 PHA 추출 동역학을 예측하기 위한 프로토콜이 발견되었다. 그럼에도 불구하고, 실험실 시험으로부터 유도된 주 상수를 포함하는 이론적 모델은 규모 증대된 산업 공정에서 바이오매스로부터 용매로의 PHA 물질 전달에 영향을 줄 수 있는 모든 인자들을 더 구체적으로 예측할 수는 없다. 그럼에도 불구하고, 규모 증대 공정 조절은 경우별 기준 최고의 실제적으로 가능한 추출 동역학을 달성하도록 조정될 필요가 있을 수 있다. 공정의 실제 산업화의 구체적인 실행에서는, 더 정확하게 실제 경험을 나타내도록 이론적 모델을 조정하기 위하여, 보정 인자들이 적용가능할 수 있다. 이에 따라, 온라인 공정 모니터링을 통하여 추출의 진행을 모니터링하기 위한 수단을 확립하는 것이 유리할 수 있다는 것이 발견되었다. 비제한적으로, 본원에서는 규모 증대 추출 시설에서 용이하게 사용될 수 있는 측정 원리의 실제적인 예를 제공하기 위한 두 가지 방법이 예시된다.
추출 용매 점도는 온도의 함수는 물론, 용액 중 중합체 농도 (및 중합체 분자 질량)의 함수가 되게 된다. 용매 점도는 온도에 따라 감소되며, 중합체 농도 및/또는 분자 질량에 따라 증가된다. 10 L 추출 실험 및 물질 유동 온 라인 모니터링, 그리고 일정한 치환 펌프 주파수를 통하여, 온도-보상 용매 점도 변화가 PHA 추출의 예상 동역학과 상관된다는 것이 발견되었다 (도 20 - 측정된 용매 점도 의존성 재순환 흐름의 상대적 변화 (10 L 공정 - 실시예 1)와 추정 모델화된 PHA 추출 수율 (실시예 3) 사이 상관관계의 도시). 두 번째 예에서, 용매 NIR 분광 흡수 역시 온도 및 용액 중 중합체의 양에 의존성이다. NIR 흡수 데이터가 PHA 추출의 진행을 모니터링하는 데에 사용될 수 있다는 것이 발견되었다. 추출 동안의 PHA 농도로 인한 점도 의존성 재순환 물질 유동의 변화 추세는 log화된 스펙트럼 변화를 해석하는 PLS 모델을 바탕으로 한 NIR 흡수의 측정된 추세와 상관되었다 (도 21 - 측정된 용매 점도 의존성 재순환 흐름의 상대적 변화 (10 L 공정 - 실시예 1)와 근적외선 분광분석법 (NIR)에 의한 용매의 온라인 모니터링 스펙트럼으로부터 유래하는 예측 물질 유동 증가 사이의 PLS 모델을 바탕으로 한 상관관계의 도시).
비제한적으로, 중합체 회수를 모니터링하는 데에 사용될 수 있는 것으로 발견된 다른 모니터링 파라미터에는 반응기 온도 및 압력의 추세가 포함된다. 통상의 기술자라면, 온라인 모니터링이 공정 운용 및 조절을 위한 강력한 도구를 제공한다는 것, 그리고 본원에서 제시되는 예측 모델이 실제 추출 추세의 모니터링 경험을 바탕으로 정련될 수 있다는 것을 알고 있을 것이다.
실시예 11 - 겔화 동역학의 조절 및 활용
바이오매스로부터의 PHA-풍부 용매의 분리 및 회수는 용매가 겔을 형성하기 전에 용이하게 달성될 수 있다. 본원에서 기술되는 실시양태에서, PHA를 함유하는 바이오매스는 2-부탄올과 같은 PHA-저조 용매와 함께 압력 용기에 위치된다. 압력 용기에서 용매와 조합되는 바이오매스의 총량은 PHA 적재량 30-100 g PHA/L 사이가 되도록 조정된다. 압력 용기에서 온도는 바람직하게는 평균 TL15 초과 내지 TU15 미만으로 증가됨으로써, 1 내지 10 bar의 2-부탄올 과잉압력을 생성시키는데, 2-부탄올을 99 ℃에서 비등하기 때문이다. 다음에, 15분 초과 2시간 미만, 그러나 바람직하게는 1시간 미만 동안 추출 온도(들)에서 용매를 바이오매스와 혼합함으로써, PHA 추출이 수행된다. 다음에, PHA 풍부 용매는 예를 들면 적합한 크기의 메시 스크린으로 PHA-풍부 용매를 통과시키는 것에 의해 잔류 바이오매스 현탁된 고체로부터 분리될 수 있다.
분리 전에, 용매는 추출 온도 TL15 미만으로 냉각될 수 있으나, 분리 처리 작업에 가용한 시간은 겔화 개시의 온도 의존성 동역학에 의해 영향을 받게 된다 (도 22 - 겔화에 따른 용매 광학 밀도의 증가를 바탕으로 한 PHA-풍부-용매 겔 형성 동역학의 등온 (102 ℃) 동역학의 도시). 겔화 온도는 중합체 농도, 혼합 조건, 및 추출되는 공-중합체 또는 공-중합체 블렌드의 유형에 따라 이동한다는 것이 발견되었다 (도 23 (도 22에 도시된 겔화 개시를 바탕으로 한 등온 겔화 시간에 대한 온도의 영향의 도시); 도 24 (겔화 온도에 대한 PHA-풍부-용매 농도 및 PHA 조성 (◆-PHB, ▲ 및 ■ PHBV 공-중합체)의 영향의 도시); 및 도 25 (유사한 냉각 속도 (= -1.6 ℃/분)에서의 높고 (◆ - 78 ℃ 미만에서 개시) 낮은 (■ - 87 ℃까지 개시) 혼합 에너지의 영향에 따른 겔화 개시의 도시. 냉각 속도가 겔화의 발열 특성에 의해 영향을 받았음을 주목)). 따라서, 실제 가용한 처리 시간, 혼합 조건, 그리고 잔류 바이오매스 분리 동안 및 PHA-풍부 용매가 겔화 위치에 배치되는 동안의 온도는 해당될 경우 경우별 배치별 기준으로 조정될 수 있다. 조건은 PHA 농도, 온도 또는 혼합의 함수로서의 확립된 추세로 제공된다. 비제한적으로, PHA-풍부 용매로부터 바이오매스를 분리하는 데에, 그리고 용매를 겔화 위치에 배치하는 데에 가용한 시간은 간단하게 실험실-규모 실험에 의해 배치별 기준으로 평가될 수 있다. PHA-풍부 바이오매스는 추출 용매와 함께 시험관에 적재된다. 바이오매스 중 PHA는 적합한 온도 조절 히터 블록에서 주기적으로 혼합하면서 필수 추출 시간 동안 결정된 TL15 초과로 시험관 및 내용물을 가열하는 것에 의해 추출된다. 바이오매스는 시험관에서 침강되며, 시험관의 내용물은 전체-규모 시스템의 전형적인 방식으로 늦지 않게 냉각된다. 선택된 시간 간격으로, 침강된 바이오매스 위의 PHA-풍부 용매 상청액 광학 밀도가 측정된다. 이와 같은 측정은 분광광도측정기에서는 물론, 더 간단하게는 디지털 카메라 및 표준 플래시를 사용하여서도 이루어질 수 있다 (도 26 - PHA-풍부 용매 온도의 함수로서의 광학 밀도의 회귀 분석에 의해 결정될 때의 겔화 개시의 도시). PHA-풍부 용매에 있어서의 광학 밀도의 추세가 회귀 분석에 의해 평가될 수 있으며, 겔화 온도가 확인될 수 있다. 다음에는, 냉각 곡선으로부터 겔화점에 도달하기 전의 냉각 시간이 추정될 수 있다 (도 27 - 도 26을 참조한 주어진 PHA-풍부 용매 냉각 곡선의 겔화 개시 전의 가용 시간의 도시).
일단 PHA-풍부 용매가 현탁된 잔류 바이오매스로부터 분리되고 나면, PHA-풍부 용매가 추출 반응기로부터 전달될 때 추가적인 냉각 또는 혼합 강도의 감소가 겔 형성을 촉진하게 된다. 겔은 펌핑, 압출 또는 가압될 수 있다. 용매는 예를 들면 필터 프레싱을 포함한 임의 수의 다양한 가용한 기술들을 사용하여 기계적 힘을 적용하는 것에 의해 겔 덩어리로부터 삼출될 수 있다. 겔은 매트릭스로부터 과량의 용매를 삼출하기 위하여 기계적 힘을 적용하기 전에, 또는 그의 일부로서 다른 PHA 겔과 블렌딩되고/거나 화학 첨가제와 블렌딩되는 것에 의해 처리될 수도 있다.
일반적으로, 겔 매트릭스에 적용되는 압력은 짜내지는 잔류 용매의 양에 영향을 준다. 주어진 압력에서, 용매는 케이크 형상구조, 사용되는 압력의 유형, 및 결과적인 용매 배수의 내성에 의해 강하게 영향을 받을 수 있는 속도로 짜내진다. 구체적인 프레싱의 예가 도 28 (PHA-풍부-겔로부터의 용매 짜내기 및 겔 건조 고체 함량 증가에 대한 일정 압력 (16 bar)에서의 배수 속도의 영향)에 제시되어 있다. 주어진 최종 프레싱 압력 및 특정 프레싱에서, 궁극적인 건조 고체 농도가 달성될 수 있는데 (도 29 - PHA-풍부-겔로부터의 용매 짜내기에 대한 시간 및 압력의 영향), 이러한 농도 역시 PHA의 유형과 관련된다는 것이 발견되었다. 그럼에도 불구하고, 혼합 배양 PHA-풍부 바이오매스로부터 회수된 PHBV의 반복되는 프레싱 시험에 의해, 15 내지 25 bar 사이의 프레싱 압력이 일반적으로 55 내지 75 % 사이인 최종 가압 케이크 건조 고체 함량, 및 일반적으로 99 %를 초과하는 중합체 순도를 산출할 수 있다는 것이 관찰되었다.
짜내진 용매는 수집되어 재순환될 수 있다. 용매 회수의 일부로서, 지질 및 지방산과 같은 화학 부산물들이 공동-회수될 수 있다. 농축된 겔 내의 잔류 용매는 연장된 정도의 중합체 정제를 위한 추가적인 용매 세정을 동반하거나 그것이 없는 열 처리를 통하여 제거될 수 있다.
실시예 12 - 공정 예
비제한적으로 도 30 (추출 공정 요소들의 개략적 도시)에 도시되어 있는 바와 같이, 용매 저장소(4)로부터의 펌핑(3)에 의해, 배치 추출 반응기(1)가 세척 용매로 충전된다. 상기 반응기(1)는 바이오매스가 충전된 후, 밀봉 및 가압되며, TL15를 초과하는 온도에서 PHA가 용매로 추출된다. 추출 시간은 예측 모델화를 통하여, 및/또는 점도, 광 흡수, 또는 증가하는 PHA 농도의 공정 전개 추세를 결정하기 위한 다른 유사한 기술을 바탕으로 하는 용매의 온-라인 감지를 사용한 추출 공정의 모니터링에 의해 확립된다. 추출 단계 후, 용매는 잔류 바이오매스 분리 동안 겔화 개시가 회피되는 실제 전달 기간을 가능케 하도록 필수 가열 수준이 확립되는 가열된 라인(2)을 통하여 반응기(1)로부터 배출된다(3). 잔류물 현탁된 바이오매스는 반응기에서, 또는 반응기 하류의 용매 유출 라인에 위치된 트랩에서 여과에 의해 분리된다. PHA-풍부 용매는 겔 형성을 위한 충분한 냉각을 촉진하는 열 교환기(5)를 통하여 전달되며, 겔은 5 내지 30 bar(6) 사이의 압력을 사용하여 기계적으로 가압된다. 짜내진 폐 용매는 수집되며(7), PHA 케이크는 열적인 방법(8)에 의해 건조된다. 또 다른 실시양태에서, 겔은 건조되지 않으며, 대신 추가적인 처리 및 겔 형태로의 블렌딩에 바로 사용된다.
(4)로부터의 새로운 용매는 시스템으로부터의 나머지 PHA 겔을 채우는 데에 사용될 수 있다. 폐 추출 용매(7)는 펌핑(9)되어 증발(10)에 의해 회수되며, 재순환되는 용매(11)는 용매 저장소(4)로 복귀된다. 지질 및 지방산과 같은 비-PHA 추출 바이오매스 성분은 회수 및 또한 가치부가될 수 있다. 용매 증발 또는 휘발 배출물은 포획되어(12), 응축된 후(13), 회수된다(14). (1)로부터의 제거 동안 물리적 분리에 의해 포획된 바이오매스 잔류물은 예컨대 열분해를 통한 화학물질 및 에너지 회수를 위하여 추가적으로 처리된다. 열분해의 결과로서의 인 함유 회분 내용물은 농업에서와 같은 적용분야를 위한 부산물 원료로서 추가적으로 사용될 수 있다.
상기 공정 및 방법의 구성 또는 강화, 또는 그의 산업 규모 실행 양식의 변이들이 고려될 수 있다. 한 실시양태에서, 바이오매스는 바이오매스-중-PHA 화학 안정성을 향상시키기 위하여 TL15 미만의 용매를 사용하여 예비-추출된다. 또 다른 실시양태에서, 바이오매스로부터의 물리적 분리로부터 배치되는 PHA-풍부 용매는 겔화 전, 동안 또는 후에 화학 첨가제와 조합된다. 다른 실시양태에서는, 가열된 용매 중에 바이오매스를 혼합하기 보다는, 가열된 용매가 바이오매스를 통하여 재-순환된다. 네 번째 실시양태에서, 바이오매스는 외부 챔버에 적재되며, PHA-저조 용매는 바이오매스와 접촉되기 전에 사전-가열된다. 가열된 용매는 바이오매스-함유 챔버를 통하여 (상향류 또는 하향류로) 재순환된다. 바이오매스는 상기 챔버 내에 유지된다. 다섯 번째 실시양태에서는, 겔화 및 용매-겔 분리의 공통 인프라구조를 공유하도록 다수의 배치 추출 반응기가 구성된다.
일반적인 PHA 추출 공정 물질 흐름이 도 31 (추출 공정에서의 물질 흐름의 개략적 도시)에 요약되어 있다. 선택된 질량의 과립화된 바이오매스(10)가 추출 시스템(30)에서 선택된 부피의 PHA-저조 용매(20)와 조합된다. 추출 시스템은 시간별 추출 진행의 모니터링을 가능케 하는 온-라인 센서를 포함할 수 있다. 추출 시스템(30)에서는, TL15를 초과하는 승온이 결정된 시간 동안 적용됨으로써, PHA-풍부 용매와 바이오매스 과립의 혼합물(31)이 잔류 폐 과립(41) 및 PHA-풍부 용매(42)로 분리될 수 있다(40). 폐 과립은 수집될 수 있으며(50), 해당 물질은 에너지 및 화학물질을 산출하기 위하여 추가적으로 처리될 수 있다(50). PHA-풍부 용매는 겔화 위치에 배치되며(60), 겔화된 물질은 그것이 기계적으로 맞물릴 수 있도록(70) 배치된다(61). (70)으로부터, PHA가 회수되며(71), PHA는 수집되어(80), 추가적으로 처리될 수 있다. 선택된 화학 첨가제 및/또는 다른 겔화된 PHA 배치들은 중합체 특성을 조작하기 위하여, 또는 바이오플라스틱의 배합을 위하여 컴파운딩 첨가제를 제공할 목적으로(42), (60), (61), (70) 및/또는 (71)에서 조합될 수 있다. 겔을 기계적으로 맞물리는 것(70)으로부터 회수된 폐 용매(72)는 용매 회수 공정(90)으로 전달되며, 거기에서 잔류물(92)이 수집된다(100). 지질 및 지방산을 포함하는 이러한 잔류물은 추가적으로 처리되어 가치부가될 수 있다. 정제된 용매(91)는 회수되어, 이후의 배치 추출 전개시 재-이용된다(20).
Claims (8)
- 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)를 함유하는 혼합 배양 바이오매스의 배치를 준비하는 것;
상기 배치로부터 PHA-함유 바이오매스의 샘플을 수득하고; 온도 범위에 걸쳐서 선택된 고정된 시간 동안 선택된 용매를 사용하여 상기 바이오매스로부터 PHA의 등온 추출을 수행하고, 등온 추출에 대한 데이터를 수집하고; 등온 추출로부터의 상기 데이터를 이용하여 추출 추세를 결정하고, 상기 추세를 S자형 함수에 맞추고; 상기 맞춤 함수로부터 하위 한계 추출 온도 (TL) 및 상위 한계 추출 온도 (TU)를 계산함으로써, PHA-풍부 바이오매스의 TL, 및 PHA-풍부 바이오매스의 TU를 결정하는 것;
바이오매스를 반응기로 안내하는 것;
반응기에서 바이오매스와 용매를 혼합하는 것;
반응기에서 용매 및 바이오매스를 가열하는 것;
PHA를 용매에 용해시킴으로써 선택된 시간 범위에 걸쳐서 PHA-함유 바이오매스로부터 PHA를 추출하여 PHA-풍부 용매를 형성시키는 것;
PHA-함유 바이오매스로부터 PHA를 추출하는 동안, 용매의 온도를 평균 온도가 TL과 TU 사이에 있도록 조절하는 것;
PHA-풍부 용매를 반응기로부터, PHA-풍부 용매에서 PHA가 분리되는 PHA 분리기로 이송하는 것;
PHA-풍부 용매를 PHA 분리기로 이송하는 동안, PHA-풍부 용매를 겔화 개시 온도 초과의 온도로 유지하는 것;
PHA-풍부 용매를 겔화 개시 온도 또는 그 미만으로 냉각하여 PHA-풍부 용매 겔을 형성시키는 것; 및
PHA 분리기 위치에서 PHA-풍부 용매 겔을 기계적으로 가압하고 PHA-풍부 용매 겔로부터 용매가 제거되도록 하는 것
을 포함하는, PHA-함유 바이오매스로부터의 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)의 회수 방법. - 제1항에 있어서,
바이오매스를 반응기로 안내하기 전에, 바이오매스를 분쇄하여 바이오매스 과립을 형성시키고,
바이오매스를 분쇄하여 바이오매스 과립을 형성시킨 후에, 바이오매스 과립을 반응기로 안내하고 바이오매스 과립을 용매와 접촉시키는 것인 방법. - 제1항에 있어서, PHA-풍부 용매를 겔화 개시 온도 초과의 온도로 유지하는 것이, PHA-풍부 용매를 도관의 제1 섹션에 배치된 열 교환기를 통하여 안내하는 것, 및 열 교환기로부터 PHA-풍부 용매로 열을 전달함으로써 PHA-풍부 용매를 가열하는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, PHA-풍부 용매 겔을 기계적으로 가압하는 것이 PHA-풍부 용매 겔로부터 폐 용매를 방출시키는 것이며, 상기 폐 용매를 증발 공정에 적용하고 용매 증기를 생성시킴으로써 상기 폐 용매를 정제하는 것을 포함하고,
상기 용매 증기를 응축시켜 정제된 용매를 형성시키는 것을 추가적으로 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, 반응기에서 용매 및 바이오매스를 가열한 후에, PHA-풍부 용매로부터 바이오매스를 분리하는 것, 및 분리된 바이오매스를 소각 또는 열분해 공정에 적용하는 것을 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서,
바이오매스를 반응기로 안내하기 전에, 바이오매스를 0.1 내지 4 mm 사이 D50의 입자 크기 분포를 갖는 과립으로 형성시키는 것을 포함하고, 여기서 반응기로 안내되는 바이오매스 중 PHA는 열적으로 안정하며, 270 ℃ 초과의 열 분해 온도를 포함하며,
PHA-함유 바이오매스로부터 PHA를 추출한 후에, PHA-풍부 용매를 바이오매스로부터 분리하고, 분리 공정 동안 PHA 용매의 온도를 겔화 개시 온도 초과로 유지하는 것을 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, PHA-함유 바이오매스로부터 PHA를 추출하는 단계 동안, PHA 추출의 동역학 및 진행을 모니터링하기 위한 온라인 모니터링 방법을 제공하는 방법.
- 제7항에 있어서, 온라인 모니터링 방법이, 선택된 시간 동안 상기 용매의 점도 변화 측정을 포함하는 것인 방법.
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