包含異戊二烯衍生物的燃料組合物的制作方法

專利名稱：包含異戊二烯衍生物的燃料組合物的制作方法
包含異戊二烯衍生物的燃料組合物
相關申請的交叉引用
本申請要求2010年6月17日提交的第61/356，017號美國臨時申請和2010年12 月22日提交的第61/426，481號美國臨時申請的優先權，這兩個臨時申請以引用方式整體并入本文。
發明背景
可再生運輸燃料的開發是二十一世紀的重要挑戰之一。目前的市場以酵母發酵蔗糖和淀粉得到的乙醇為主，其次是由甘油三酯得到的生物柴油(脂肪酸酯)。乙醇的能量密度比烴類低，作為液體燃料具有局限性。另外，乙醇由于具有親水性和腐蝕性，不能在常規的基礎設施中運輸。將可再生碳源(生物質、糖類、油類)轉化為烴類燃料的工藝可提供引人注目的生物乙醇替代品。
異戊二烯(2-甲基-1，3-丁二烯)是一種關鍵工業化工品，主要用于生產合成橡膠。目前，異戊二烯是從石化來源衍生，要么通過裂解石腦油和其他石油醚級分直接衍生，要么通過化學合成間接衍生(參見例如H. Pommer和A. Nurrenbach, “職化合物的工業合成”(Industrial Synthesis of Terpene Compounds),《純粹與應用化學》(Pure App1. Chem.)，1975，43，527-551 ；H. M. Weitz 和 Ε. Loser, “異戊二烯” (Isoprene)，載于《烏爾曼工業化學百科全書》(U1 lmann; s Encyclopedia of Industrial Chemistry),第七版，電子版，Wiley-VCH Verlag GMBH 出版社，魏因海姆(Weinheim), 2005 ;以及 H. M. Lybarger, “異戍二烯”(Isoprene),載于《柯克-奧斯莫化工大全》(Kirk-Othmer Encyclopedia ofChemical Technology)第 4 版,威利出版社(Wiley),紐約,(1995), 14,934-952)。通常使所得的粗異 戊二烯流(stream)經歷充分的純化過程，以除去眾多的在化學上相似的雜質，其中許多雜質會干擾后續進行的異戊二烯向聚合物和其他化學品的轉化。
相比之下，衍自生物來源的異戊二烯含有極少的烴類雜質，相反含有許多氧化的化合物如乙醇、乙醛和丙酮。這些化合物中有許多可容易地通過使其與水接觸或者使其經過氧化鋁或其他吸附劑而除去。
由于為獲得高純度異戊二烯需要進行充分的純化和花費大量的成本，衍自石油工藝的異戊二烯未能成為可行的原料以供進一步加工生產燃料。期望有這樣的成本效益好的方法它借助于生物異戊二烯組合物的高純度和/或獨特雜質譜(profile)，將生物法生產的異戊二烯轉化為有價值的化工產品，特別是燃料。
本文引用的所有專利、專利申請、文獻和文章都以引用方式整體并入本文。發明內容
本發明主要提供用于從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的組合物和方法。更具體而言，本發明提供用于應用原料與化學反應的獨特組合將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯轉化為燃料成分的組合物和方法。
因此，在一個方面，本發明提供通過如下方式將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物的方法(a)使生物異戊二烯組合物接觸烯烴復分解催化劑以產生一種或多種烯烴產物，然后對所述一種或多種烯烴產物進行催化氫化以形成一種或多種烷烴燃料成分；(b)對生物異戊二烯組合物進行部分氫化以產生異戊烯，然后用異鏈烷烴將異戊烯進行烷基化以形成高辛烷烷基化物燃料成分；或者 (C)對生物異戊二烯組合物進行部分氫化以產生異戊烯，然后使異戊烯接觸烯烴復分解催化劑以產生一種或多種烯烴產物，然后對所述一種或多種烯烴產物進行催化氫化以形成一種或多種烷烴燃料成分。在一個實施例中，生物異戊二烯組合物中至少約95%的異戊二烯被轉化為非異戊二烯化合物。在另一個實施例中，生物異戊二烯組合物包含或含有大于約 2mg的異戊二烯，并且以組合物中所有C5烴類的總重量計包含或含有大于或約99. 94重量％的異戊二烯。在另一個實施例中，烯烴復分解催化劑包含或涉及至少一種金屬配合物。 在另一個實施例中，金屬配合物為錸配合物、釕配合物、銠配合物、鋨配合物、鎢配合物、鑰配合物或鈦配合物。在另一個實施例中，烯烴產物包含高級(> C5)烯烴或低級(< C5)烯烴或這兩者。在另一個實施例中，得自異戊二烯復分解的所述一種或多種烯烴產物包含一種或多種選自乙烯、異丁烯和含6、8和12個碳原子的烯烴(例如二甲基己三烯)的烯烴。 在另一個實施例中，對生物異戊二烯組合物進行部分氫化的步驟包括使生物異戊二烯組合物接觸氫氣和用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑。在另一個實施例中，用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑包含鈀催化劑。在其他實施例中，用異鏈烷烴將異戊烯進行烷基化的步驟包括使異戊烯在酸催化劑存在下接觸異鏈烷烴。在另一個實施例中，酸催化劑為氫氟酸、硫酸、氟磺酸或全鹵代烷基磺酸。在其他實施例中，異鏈烷烴為丙烷、異丁烷或異戊烷。在一些實施例中，用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑不同。在一些實施例中，用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑相同。在一些實施例中，得自異戊烯復分解的烯烴產物包含一種或多種選自乙烯和含6、8和12個碳原子的烯烴(例如二甲基己烯)的烯烴。
在另一個方面，本發明提供用于從生物異戊二烯組合 物生產燃料成分的系統，所述系統包含生物異戊二烯組合物以及(a) (i) 一種或多種用于催化生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(ii) 一種能夠將烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑；或者(b) (i) 一種能夠將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，和(ii) 一種用于對衍自生物異戊二烯組合物的異戊烯進行烷基化以產生燃料成分的異鏈烷烴；或(c) (i) 一種能夠將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，( ) 一種或多種用于催化由生物異戊二烯組合物部分氫化而產生的異戊烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(iii) 一種能夠將該烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑；其中生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。在一個實施例中，生物異戊二烯組合物包含大于約2mg的異戊二烯，并且以組合物中所有C5烴類的總重量計包含大于或約99. 94重量％的異戊二烯。在其他實施例中，用于催化異戊二烯的復分解的催化劑包含錸配合物、釕配合物、銠配合物、鋨配合物、鎢配合物、鑰配合物或鈦配合物。在其他實施例中，烯烴產物包含高級(> C5)烯烴或低級(< C5)烯烴或這兩者。在其他實施例中， 烯烴產物包含一種或多種選自乙烯、異丁烯、二甲基己三烯和含6、8和12個碳原子的環狀烯烴的烯烴。在其他實施例中，用于催化所述一種或多種烯烴產物以形成一種或多種烷烴燃料成分的催化劑包含選自以下的催化劑鈀催化劑、鎳催化劑、鈷催化劑、釕催化劑和銠催化劑。在其他實施例中，能夠對生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品包含氫氣和用于催化異戊烯的部分氫化的催化劑。在其他實施例中，用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑包含鈀催化劑。在其他實施例中，用于將異戊烯進行烷基化的異鏈烷烴為丙烷、異丁烷或異戊烷。在其他實施例中，所述系統還包含用于將異戊烯進行烷基化的酸催化劑。在其他實施例中，用于將異戊烯進行烷基化的催化劑為氫氟酸、硫酸、氟磺酸或全鹵代烷基磺酸。在一些實施例中，用于催化異戊烯的復分解的催化劑包含錸配合物、釕配合物、銠配合物、鋨配合物、鎢配合物、鑰配合物或鈦配合物。在一些實施例中，用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑不同。在一些實施例中，用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑相同。在其他實施例中，烯烴產物包含高級(>C5)烯烴或低級 (<C5)烯烴或這兩者。在一些實施例中，來自異戊烯復分解的烯烴產物包含一種或多種選自乙烯和含6、8和12個碳原子的烯烴(例如二甲基己烯)的烯烴。在另一個方面，本發明提供由本文所述的任何方法生產的燃料成分。在其他實施例中，燃料成分的δ 13C值大于-22%。或者在-32%。至-24%。的范圍內。
在另一個方面，本發明提供包含由本文所述的任何方法生產的燃料成分的燃料組合物。在一個實施例中，燃料組合物基本上不含異戊二烯。在其他實施例中，燃料組合物的 δ 13C值大于-22%。或者在_32%。至_24%。的范圍內。
在另一個方面，本發明提供用于從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法，所述方法包括(i)使生物異戊二烯組合物接觸酸催化劑以產生一種或多種包含較高分子量烯烴產物(例如C16-C50烯烴)和較低分子量烯烴產物(例如C5-C15烯烴)的混合烯烴產物(例如C5-C50烯烴)；(ii)將較高分子量烯烴產物(例如C16-C50烯烴)轉化為較低分子量烯烴產物(例如C5-C15烯烴)；以及(iii)對較低分子量烯烴產物(例如C5-C15烯烴)進行氫化以產生飽和烴(例如C5-C15烷烴)燃料成分；其中生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。在一個實施例中，將較高分子量烯烴產物(例如C16-C50烯烴)轉化為較低分子量烯烴產物(例如C5-C15烯烴) 的步驟包括熱裂解、蒸汽裂解或復分解。
在另一個方面，本發明提供用于生產燃料成分的系統，所述系統包括(a)包含生物異戊二烯組合物的發酵系統；以及(b) (i) 一種或多種用于催化生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(ii) 一種能夠將烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑，其中生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。
在另一個方面，本發明提供用于生產燃料成分的系統，所述系統包括(a)包含生物異戊二烯組合物的發酵系統；以及(c) (i) 一種能夠將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，和(ii) 一種用于對衍自生物異戊二烯組合物的異戊烯進行烷基化以產生燃料成分的異鏈烷烴，其中生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。
在另一個方面，本發明提供用于生產燃料成分的系統，所述系統包括(a)包含生物異戊二烯組合物的發酵系統；以及(d) (i) 一種能夠將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，( ) 一種或多種用于催化由生物異戊二烯組合物部分氫化而產生的異戊烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(iii) 一種能夠將該烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑，其中生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。
在另一個方面，對于任何上述系統，發酵系統是連續發酵系統。在另一個方面，發酵系統選自分批發酵、補料-分批發酵、連續發酵和帶再循環過程的連續發酵。在又另一個方面，在本文所述的任何系統中，生物異戊二烯組合物的至少99%是在氣相中。


圖1顯示幾種在結構上與異戊二烯相似且還可充當聚合催化劑毒物的雜質的結構。
圖2顯示使用復分解催化劑將異戊二烯轉化為乙烯、二甲基己三烯和高級低聚體的反應方案。
圖3顯示使用連續復分解反應器將生物異戊二烯組合物流轉化為C7-C15燃料產物流的工藝流程圖。
圖4顯示由Amberlystl5酸性樹脂催化生物異戊二烯組合物中的異戊二烯低聚化而衍生的產物的GC/MS總離子色譜圖。
圖5顯示將異戊烯類物質轉化為燃料和燃料中間體的反應方案。
圖6顯示生物異戊二烯組合物的GC/FID色譜圖。測得材料的純度為99. 7%。
圖7顯示衍自生物異戊二烯組合物的異戊二烯的完全氫化產物的GC/FID色譜圖。 異戊烷(2-甲基丁烷)在12. 502分鐘洗脫出，2-甲基-1- 丁烯在13. 052分鐘洗脫出，異戊二烯在13. 354分鐘洗脫出，2-甲基-2- 丁烯在13. 826分鐘洗脫出。
圖8顯示部分氫化的生物異戊二烯組合物的GC/FID色譜圖。化合物I (RT = 12. 30min) = 3-甲基-1- 丁烯，化合物 2 (RT = 12. 70min) = 2-甲基丁烷，化合物 3 (RT =13. 23min) =2-甲基-1-丁烯,化合物 4 (RT = 13. 53min)=異戍二烯,化合物 5 (RT = 14. Olmin) = 2-甲基 ~2~ 丁烯)。
圖9顯示衍自生物異戊二烯組合物的異戊二烯的選擇性氫化產物的GC/MS色譜圖。異戊烷(2-甲基丁烷)在1. 601分鐘洗脫出，2-甲基-1-丁烯在1. 643分鐘洗脫出，2-甲基-2- 丁烯在1. 698分鐘洗脫出。
圖10的總離子色譜圖顯示異戍二烯回流通過Amberlystl5酸性樹脂床后發生低聚化而衍生得到的產物。異戊二烯二聚體(10碳)在大約5至7. 5分鐘之間洗脫出，異戊二烯三聚體(15碳)在9至10. 5分鐘之間洗脫出，異戊二烯四聚體(20碳)在11至13分鐘之間洗脫出。高級異戊二烯低聚體(> 25碳)在13分鐘后洗脫出。
圖11顯示使用低聚化反應器將C5流轉化為C10/C15產物流的工藝流程圖。C5流含有來自生物異戊二烯組合物的異戊二烯和/或來自生物異戊二烯組合物的異戊二烯的 C5衍生物。
圖12顯示異戊二烯(2-甲基-1，3- 丁二烯)的烯烴復分解產物的GC/MS色譜圖。 各產物的質譜在表6中列出。
圖13A顯示2-甲基-1-丁烯的烯烴復分解產物的GC/MS色譜圖。4. 994分鐘的峰為甲苯雜質。5. 210分鐘和5. 258分鐘的峰為復分解產物(參見圖13B和13B)。
圖13B顯示圖13A中所示的色譜圖中在5. 200分鐘至5. 215分鐘之間洗脫的峰的質譜。使用NIST2. 0GC/MS庫鑒定出該峰為3，4- 二甲基-3-己烯的異構體。
圖13C顯示圖13A中所示的色譜圖中在5. 250分鐘至5. 265分鐘之間洗脫的峰的質譜。使用NIST2. 0GC/MS庫鑒定出該峰為3，4- 二甲基-3-己烯的異構體。
圖14A顯示3-甲基-1- 丁烯的烯烴復分解產物的GC/MS色譜圖。4. 305分鐘的峰為復分解產物(參見圖14B)。
圖14B顯示圖14A中所示的色譜圖中在4. 291分鐘至4. 318分鐘之間洗脫的峰的質譜。使用NIST2. 0GC/MS庫鑒定出該峰為2，5-二甲基-3-己烯。
圖15A顯示由異戍二烯(O. 2% v/v)和Amberlystl5酸性樹脂的氣相反應衍生的產物的GC/MS色譜圖。3-甲基-2-丁酮在3. 734分鐘洗脫出，異丙基甲苯(傘花烴)在 7. 284分鐘洗脫出。異戊二烯三聚體在9. 5分鐘至10. 5分鐘之間洗脫出。3. 286分鐘、4. 035 分鐘、7. 390分鐘和7. 720分鐘的峰是DCM注射溶劑中的污染物。
圖15B顯示由異戍二烯(2% v/v)和Amberlystl5酸性樹脂的氣相反應衍生的產物的GC/MS色譜圖。3-甲基-3-丁酮在3. 734分鐘洗脫出，異丙基甲苯(傘花烴)在7. 284 分鐘洗脫出。異戊二烯三聚體在9. 5分鐘至10. 5分鐘之間洗脫出，異戊二烯四聚體在11. 5 分鐘至13分鐘之間洗脫出。3. 286分鐘、4. 035分鐘和7. 720分鐘的峰是DCM注射溶劑中的污染物。
圖15C顯示由異戍二烯(10% v/v)和Amberlystl5酸性樹脂的氣相反應衍生的產物的GC/MS色譜圖。3-甲基-3-丁酮在3. 732分鐘洗脫出，異丙基甲苯(傘花烴)在7. 283 分鐘洗脫出。異戊二烯三聚體在9分鐘至11分鐘之間洗脫出，異戊二烯四聚體在11分鐘至13 分鐘之間洗脫出。3. 286分鐘和4. 035分鐘的峰是DCM注射溶劑中的污染物。
圖16顯示異戍二烯蒸氣(10% v/v)和Amberlystl5酸性樹脂在20mL頂空小瓶中反應a) 12小時(由“10% v/v異戊二烯，12”表示)和b) 20分鐘(由“10% v/v異戊二烯，20”表示)所獲得的產物的比較。
圖17顯示用硅膠載10%磷酸處理生物異戊二烯蒸氣而衍生的產物的GC/MS色譜圖。主要產物為2-甲基-3- 丁烯-2-醇(保留時間(RT) 3. 174分鐘)和ClO —氧化物 (RT6. 8-8. 5分鐘)。存在一些三聚體衍生物(9. 5-11. 5分鐘)。沒有觀察到可檢測的四聚體。
圖18顯示用Amberlystl5酸性樹脂處理含有生物異戊二烯的發酵尾氣而衍生的產物的GC/MS離子提取色譜圖(ion extracted chromatogram),與對照進行比較。2-甲基-3- 丁烯-2-醇在3. 18分鐘洗脫出，異丙基甲苯在7. 28分鐘洗脫出。
圖19A顯示用硅膠載10% H3PO4處理含有生物異戊二烯的發酵尾氣而衍生的產物的GC/MS離子選取色譜圖，與對照進行比較。2-甲基-3- 丁烯-2-醇在3. 18分鐘洗脫出。 圖19B顯不2-甲基-3- 丁烯-2-醇的結構和質譜。
具體實施方式
本發明主要提供用于從異戊二烯生產燃料成分的方法、組合物和系統。燃料成分可通過對包含商業上有利量的高純異戊二烯(這可從生物異戊二烯組合物出發得到)的原料進行化學轉化來生產。可通過本發明的方法和系統生產的燃料成分包括但不限于衍自異戊二烯復分解的烴類、異戊二烯低聚體以及衍自異戊二烯的異戊烯類物質的烷基化物。燃料成分可用于制備各種燃料組合物。另外，由生物異戊二烯組合物的化學轉化制備的產物具有其他用途，本文中有進一步的描述。
定義
除非另外定義，否則本文所用的所有技術和科學術語均具有與本發明所屬領域普通技術人員所一般理解的含義相同的含義。盡管任何與本文所述的那些方法和材料相似或等同的方法和材料都可用于實施本發明，但在本文中描述優選的方法和材料以及可以使用的方法和材料。相應地，接下來定義的術語通過整體參照本說明書來更完整地描述。所有引用的文獻在相關部分中以引用方式并入本文。然而，不應當將對任何文獻的引用理解為承認其相對于本發明是現有技術。
本文所用的術語“燃料成分”指可用作燃料組分或燃料添加劑的化合物。
本文所用的“異戊二烯起始組合物的至少一部分”可指進行化學轉化的異戊二烯起始組合物的至少約 1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、 60%,65%,70%,75%,80%,85%,90%,91 %,92%,93%,94%,95%,96%,97%,98%, 99%,99. 5%,99. 6%,99. 7%,99. 8%,99. 9%或 100%。
本文所用的術語“高級烯烴”指在每個分子中含有比異戊二烯更多的碳原子的烯烴。例如，C6-C12烯烴和C7-C15烯烴是高級烯烴。
本文所用的術語“低級烯烴”指在每個分子中含有比異戊二烯更少數量或相同數量的碳原子的烯烴。例如C2-C4烯烴和C2-C5烯烴是低級烯烴。
術語“異戍_■稀”是指2-甲基_1，3-丁_■稀(CAS號78-79-5)。它可以是從3, 3_二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)消除焦磷酸得到的直接和最終揮發性C5烴產物，并不涉及異戊烯基二磷酸(IPP)分子與DMAPP分子的連接或聚合。除非本文中另外指明，否則術語 “異戊二烯”通常不旨在受其產生方法的限制。
如本文所用，“生物法生產的異戊二烯”或“生物異戊二烯”是通過任何生物手段產生的異戊二烯，例如通過遺傳工程細胞培養物、天然微生物、植物或動物產生的異戊二烯。
“生物異戊二烯組合物”指可通過任何生物手段產生的組合物，所述生物手段例如經工程構建用于生產異戊二烯的系統(例如細胞)。它含有異戊二烯和與異戊二烯一起共同產生的(包括雜質)和/或分離的化合物。生物異戊二烯組合物具有與石化產生的異戊二烯組合物不同的雜質譜。如本文中進一步詳述，生物異戊二烯組合物與石化異戊二烯組合物的區別在于，生物異戊二烯組合物基本上不含任何通常存在于石化異戊二烯組合物中的污染性不飽和C5烴類，如但不限于1，3-環戊二烯、反式-1，3-戊二烯、順式-1，3-戊二烯、1,4-戍二烯、1-戍炔、2-戍炔、3-甲基-1-丁炔、戍-4-烯-1-炔、反式-戍-3-烯-1-炔和順式-戊-3-烯-1-炔。如果有任何污染性不飽和C5烴類存在于本文描述的生物異戊二烯原料中，則它們的存在水平低于此類污染性不飽和C5烴類在石化異戊二烯組合物中的存在水平。因此，任何衍自本文所述生物異戊二烯組合物的燃料產物基本上不含任何此類污染性不飽和C5烴類，或者所含的此類污染性不飽和C5烴類的水平低于此類污染性不飽和C5烴類在衍自石油或化石燃料的燃料產物中的水平。另外，生物異戊二烯組合物中的硫水平低于石化異戊二烯組合物中的硫水平。衍自生物異戊二烯組合物的燃料產物含有的硫水平低于衍自化石原油的燃料產物中的硫水平。
本文所用的“發酵系統”指任何能夠生產生物異戊二烯的細胞培養系統。
本文所用的術語“低聚化”指將兩個或多個單體單元進行組合的化學過程。異戊二烯的“低聚化”產生出衍自兩個或多個異戊二烯分子的異戊二烯衍生物，如異戊二烯的線性二聚體、異戊二烯的環狀二聚體、異戊二烯的線性三聚體、異戊二烯的環狀三聚體等。
“完全氫化”(名詞或動詞)定義為通常在氫化 催化劑存在下，向前體化合物內的所有不飽和官能團(如碳-碳雙鍵)加入氫(H2)以得到完全飽和的產物化合物。例如，異戊二烯的完全氫化會形成異戊烷，從而每摩爾的異戊二烯消耗2摩爾的H2。
“部分氫化”(名詞或動詞)定義為通常在氫化催化劑存在下，向前體化合物內的至少一個但非所有不飽和官能團(如碳-碳雙鍵)加入氫(H2)。部分氫化的產物可進一步進行完全氫化以得到完全飽和的產物化合物。二烯的部分氫化形成一種或多種單烯烴。例如，異戊二烯的部分氫化可得到3個異構的異戊烯(2-甲基-1- 丁烯、2-甲基-2- 丁烯和 3-甲基-1-丁烯)，從而每摩爾的異戊二烯消耗I摩爾的H2。
“選擇性氫化”(名詞或動詞)定義為通常在氫化催化劑存在下，向前體化合物內的至少一個但非所有不飽和官能團(如碳-碳雙鍵)加入氫(H2)，由此在選定的條件下某些不飽和官能團比其他不飽和官能團優先被氫化。例如，異戊二烯的選擇性氫化可優先形成2-甲基-2- 丁烯、2-甲基-1- 丁烯、3-甲基-1- 丁烯或它們的混合物。
如本文所用，除非上下文另有明確說明，否則單數“一個”、“一種”和“該”包括復數指代。
在本說明書通篇中給出的每一個上限值旨在包括每一個下限值，就如同此類下限值在本文中明確地寫出一樣。在本說明書通篇中給出的每一個下限值將包括每一個上限值，就如同此類上限值在本文中明確地寫出一樣。在本說明書通篇中給出的每一個數值范圍將包括落入此類較寬數值范圍內的每一個較窄數值范圍，就如同此類較窄數值范圍在本文中全部明確地寫出一樣。
牛物異戊二烯組合物和系統
本發明主要提供用于從異戊二烯生產燃料成分和其他產物的方法、組合物和系統。燃料成分可通過對包含商業上有利量的高純異戊二烯(這可從生物異戊二烯組合物出發得到)的原料進行化學轉化來生產。
衍自石化來源的異戊二烯通常是不純的C5烴級分，這種材料需要充分的純化才能適用于聚合或其他化學轉化。有幾種雜質尤其成問題，因為它們與異戊二烯具有結構相似性并且可以充當聚合催化劑毒物。這類化合物包括但不限于1，3_環戊二烯、順式和反式_1，3-戍二烯、1,4-戍二烯、1-戍炔、2-戍炔、3-甲基-1- 丁炔、戍-4-烯-1-炔、反式-戊-3-烯-1-炔及順式-戊-3-烯-1-炔。參見例如圖1。如下詳述，生物法生產的異戊二烯不進行充分的純化就可基本上不含任何污染性不飽和C5烴類。生產異戊二烯的生物系統會產生出含有異戊二烯并另外含有生物系統所特有的其他雜質的組合物。這個組合物在本文中稱為“生物異戊二烯組合物”。一些生物異戊二烯組合物含有乙醇、丙酮和C5異戊烯醇。這些組分比存在于衍自石化來源的異戊二烯組合物中的異構C5烴級分更容易從異戊二烯流中去除。此外,這些雜質可在生物過程中加以控制,例如通過生產菌株的遺傳修飾、碳給料、另選的發酵條件、回收工藝的改進以及附加的或另選的純化方法來加以控制。_3] 能夠生產異戊二烯的細胞
可將微生物進行工程改造以生產異戊二烯。此外，其他聯產物也可與異戊二烯一起制備。可將細胞進行工程改造使其含有編碼異戊二烯合酶多肽的異源核酸。各種異戊二烯合酶多肽、DXP途徑多肽或DXS途徑多肽、IDI多肽、MVA途徑多肽、氫化酶多肽、氫化酶成熟或轉錄因子多肽以及核酸可在用于生產起始生物異戊二烯組合物的組合物和方法中使用。示例性的可以使用的核酸、多肽和酶在W02009/076676和W02010/003007中有描述，這兩個專利還會包括附錄，附錄中列舉示例性異戊二烯合酶、DXP途徑、MVA途徑、乙酰-CoA-乙酰轉移酶、HMG-CoA合酶、羥甲基戊二酰-Cok還原酶、甲羥戊酸激酶、磷酸甲羥戊酸激酶、二磷酸甲羥戊酸脫羧酶、異戊烯基磷酸激酶(IPK)、異戊烯基-二磷酸δ-異構酶 (IDI)多肽和核酸，以及本領域技術人員可用來制備異戊二烯生產細胞的其他多肽和核酸。 _5] 異戊二烯合酶
示例性的異戊二烯合酶核酸包括編碼具有異戊二烯合酶多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽或融合多肽的核酸。異戊二烯合酶多肽將二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP) 轉化成異戊二烯。示例性的異戊二烯合酶多肽包括具有異戊二烯合酶多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽和融合多肽。示例性的異戊二烯合酶多肽和核酸包括來自本文所述任何來源生物的天然多肽和核酸。另外，也可使用具有另外的活性的異戊二烯合酶變體。還包括衍自本文所述任何來源生物、具有至少一種異戊二烯合酶活性的變體異戊二烯合酶多肽。
可使用標準的方法，通過測量多肽在體外、在細胞提取物中或在體內將DMAPP轉化為異戊二烯的能力，來測定該多肽是否具有異戊二烯合酶多肽活性。細胞提取物中的異戊二烯合酶多肽活性可例如按以下文獻所描述進行測量=Silver等人，《生物化學雜志》 (J. Biol. Chem. ), 270 :13010-13016，1995。在一個實施例中，可將 DMAPP(西格瑪奧德里奇公司，威斯康星州(Sigma-Aldrich, WI))在氮氣流下蒸發至干,然后在IOOmM磷酸鉀緩沖液(PH8. 2)中再水化至IOOmM的濃度，于_20°C下保藏。為進行該測定，可將5 μ L的IM MgCl2UmM(250y g/ml)DMAPP,65y L 的植物提取物緩沖液(PEB) (50mM Tris-HCl, ρΗ8· O, 20mM 1%(12，5%甘油和2禮01'1')的溶液加到20mL頂空小瓶中的25 μ L的細胞提取物，并在振動下37°C培養15分鐘，該小瓶具有金屬旋蓋和涂特氟龍的硅隔膜(安捷倫科技公司 (Agilent Technologies))。反應可通過加入200 μ L的250mM EDTA進行猝滅并通過GC/MS 進行定量。
在一些實施例中，異戊二烯合酶多肽或核酸來自豆科(Fabaceae)J^MMIB 花亞科(Faboideae)。在一些實施例中，異戊二烯合酶多肽或核酸是來自以下植物的多肽或核酸山葛(Pueraria montana)(葛(kudzu)) (Sharkey等人，《植物生理學》 (Plant Physiology), 137 :700-712, 2005)、野葛(Puerarialobata)、白楊(如銀白楊 (Populus alba)、黑楊(Populus nigra)、毛果楊(Populus trichocarpa)或Populus alba xtremula(CAC35696) (Miller 等人，《植物》(Planta)，213 :483-487,2001)、山楊(如美洲山楊(Populus tremuloides) (Silver 等人,《生物化學雜志》(JBC), 270 (22) 13010-1316, 1995)或英國椽夏椽(Quercus robur) (Zimmer等人，W098/02550)。合適的異戍二烯合酶包括但不限于 Genbank 登記號 AY341431、AY316691、AY279379、AJ457070 和 AY182241 所標示的那些異戊二烯合酶。在一些實施例中，異戊二烯合酶核酸或多肽是來自白楊的天然多肽或核酸。在一些實施例中，異戊二烯合酶核酸或多肽不是來自白楊的天然多肽或核酸。
可使用的異戊二烯合酶的類型以及構建編碼異戊二烯合酶的微生物(例如兼性厭氧菌如大腸桿菌(E. coli))的方法還在國際專利申請公布W02009/076676、 W02010/003007, W02009/132220, W02010/031062, W02010/031068, W02010/031076, W02010/031077, W02010/031079, W02010/148150, W02010/005525, W02010/078457, W02010/124146、W02010/148144、TO2010/148256 及美國專利申請第 12/496，573 號、第 12/560，390 號、第 12/560，317 號、第 12/560，370 號、第 12/560，305 號和第 12/560，366 號中公開。
示例件的DXP涂徑多狀和核酸
DXS和IDI多肽是異戊二烯的生物合成的DXP途徑的一部分。1_脫氧_D_木酮糖-5-磷酸合酶(DXS)多肽將丙酮酸和D-甘油醛-3-磷酸轉化為1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸。不想受任何具體理論的約束，不過還是認為增加DXS多肽的量能增加流向DXP途徑的碳流量，從而導致更高的異戊二烯產量。
示例性的DXS多肽包括具有DXS多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽和融合多肽。可使用本領域的技術人員所知的和本文引用的參考文獻中所教導的標準方法，通過測量多肽在體外、在細胞提取物中或在體內將丙酮酸和D-甘油醛-3-磷酸轉化為1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸的能力，來測定該多肽是否具有DXS多肽活性。示例性的DXS核酸包括編碼具有DXS多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽或融合多肽的核酸。示例性的 DXS多肽和核酸包括來自本文所述的任何來源生物的天然多肽和核酸以及衍自本文所述的任何來源生物的突變多肽和核酸。
MVA 涂徑
在本發明的一些方面，在本文所述的任何組合物或方法中描述到的細胞包含編碼 MVA途徑多肽的核酸。在一些實施例中，MVA途徑多肽是內源多肽。在一些實施例中，細胞包含編碼MVA途徑多肽的內源核酸的一個或多個額外拷貝。在一些實施例中，編碼MVA途徑多肽的內源核酸有效連接到組成型啟動子。在一些實施例中，編碼MVA途徑多肽的內源核酸有效連接到組成型啟動子。在一些實施例中，編碼MVA途徑多肽的內源核酸有效連接到強啟動子。在一個具體的實施例中，將細胞進行工程改造以相對于野生型細胞過表達內源MVA途徑多肽。
在一些實施例中，MVA途徑多肽是異源多肽。在一些實施例中，細胞包含超過一個拷貝的編碼MVA途徑多肽的異源核酸。在一些實施例中，編碼MVA途徑多肽的異源核酸有效連接到組成型啟動子。在一些實施例中，編碼MVA途徑多肽的異源核酸有效連接到強啟動子。
示例性的MVA途徑多肽包括乙酰輔酶A乙酰轉移酶(AA-CoA硫解酶)多肽、3_羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合酶(HMG-CoA合酶)多肽、3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶 (HMG-CoA還原酶)多肽、甲羥戊酸激酶(MVK)多肽、磷酸甲羥戊酸激酶(PMK)多肽、二磷酸甲羥戊酸脫羧酶(MVD)多肽、磷酸甲羥戊酸脫羧酶(PMDC)多肽、異戊烯基磷酸激酶(IPK) 多肽、IDI多肽，以及具有兩種或更多種MVA途徑多肽的活性的多肽(例如，融合多肽)。具體地講，MVA途徑多肽包括具有MVA途徑多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽和融合多肽。示例性的MVA途徑核酸包括編碼具有MVA途徑多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽或融合多肽的核酸。示例性的MVA途徑多肽和核酸包括來自本文所述任何來源生物的天然多肽和核酸。另外，也可使用能提高異戊二烯產量的MVA途徑多肽變體。
在一個實施例中，使用本領域技術人員知道的標準技術，將需氧菌工程改造成具有異戊二烯合酶。在另一個實施例中，使用本領域技術人員知道的標準技術，將厭氧菌工程改造成具有異戊二烯合酶和一種或多種MVA途徑多肽。在又另一個實施例中，使用本領域技術人員知道的標準技術，將需氧菌或厭氧菌工程改造成具有異戊二烯合酶、一種或多種 MVA途徑多肽和/或一種或多種DXP途徑多肽。
可使用的MVA途徑多肽和/或DXP途徑多肽的類型以及構建編碼MVA途徑多肽和/ 或DXP途徑多肽的微生物(例如兼性厭氧菌如大腸桿菌(E. coli))的方法還在國際專利申請公布 W02009/076676、W02010/003007、W02009/132220、W02010/031062、W02010/031068、 W02010/031076, W02010/031077, W02010/031079, W02010/148150, W02010/005525, W02010/078457、W02010/124146、W02010/148144、W02010/148256 及美國專利申請第 12/496，573 號、第 12/560，390 號、第 12/560，317 號、第 12/560，370 號、第 12/560，305 號和第12/560，366號中公開。
本領域技術人員可容易地選擇和/或使用合適的啟動子來優化異戊二烯合酶或和一種或多種MVA途徑多肽和/或一種或多種DXP途徑多肽在厭氧菌中的表達。類似地， 本領域技術人員可容易地選擇和/或使用合適的載體(或轉移媒介)來優化異戊二烯合酶或和一種或多種MVA途徑多肽和/或一種或多種DXP途徑多肽在厭氧菌中的表達。在一些實施例中，載體含有選擇性標記。選擇性標記的例子包括但不限于抗生素抗性核酸(例如， 卡那霉素、氨芐青霉素、羧芐青霉素、慶大霉素、潮霉素、腐草霉素、博菜霉素、新霉素或氯霉素)和/或賦予宿主細胞代謝優勢(如營養優勢)的核酸。在一些實施例中，異戊二烯合酶或MVA途徑核酸在沒有選擇性標記的情況下整合到細胞的染色體中。
在一些實施例中，載體是穿梭載體，其能夠在兩種或多種不同的宿主物種中增殖。 示例性的穿梭載體能夠在大腸桿菌和/或枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)中以及在專性厭氧菌如梭菌屬(Clostridium)中復制。在使用本領域公知的技術將異戊二烯合 酶或 MVA途徑核酸插入到穿梭載體中之后，可將穿梭載體引入到大腸桿菌宿主細胞中以進行該載體的擴增和選擇。然后可分離該載體并引入到專性厭氧菌細胞中以進行異戊二烯合酶或 MVA途徑多肽的表達。
示例件的IDI多肽和核酸
異戊烯基二磷酸異構酶多肽(異戊烯基二磷酸-δ -異構酶或IDI)催化異戊烯基二磷酸(IPP)和二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)的互變(如，將IPP轉化為DMAPP和/或將 DMAPP轉化為IPP)。不想受任何具體理論的約束，不過還是認為增加細胞中IDI多肽的量能增加被轉化為DMAPP的IPP的量(和轉化速率)，DMAPP進而被轉化為異戊二烯。示例性的IDI多肽包括具有IDI多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽和融合多肽。可使用標準的方法，通過測量多肽在體外、在細胞提取物中或在體內使IPP和DMAPP互變的能力，來測定該多肽是否具有IDI多肽活性。示例性的IDI核酸包括編碼具有IDI多肽的至少一種活性的多肽、多肽片段、肽或融合多肽的核酸。示例性的IDI多肽和核酸包括來自本文所述的任何來源生物的天然多肽和核酸以及衍自本文所述的任何來源生物的突變多肽和核酸。
來源牛物
異戊二烯合酶和/或MVA途徑核酸(以及它們編碼的多肽)和/或DXP途徑核酸 (以及它們編碼的多肽)可從任何天然含有異戊二烯合酶和/或MVA途徑核酸和/或DXP 途徑核酸的生物獲得。如上所述，異戊二烯由多種生物(例如細菌、酵母、植物和動物)天然形成。一些生物含有產生異戊二烯的MVA途徑。異戊二烯合酶核酸可例如從任何含有異戊二烯合酶的生物獲得。MVA途徑核酸可例如從任何含有MVA途徑的生物獲得。DXP途徑核酸可例如從任何含有DXP途徑的生物獲得。
可使用的異戊二烯合酶、MVA途徑多肽和/或DXP途徑多肽以及其他多肽(包括編碼本文所述的任何多肽的核酸)的示例性來源還在國際專利申請公布W02009/076676、 W02010/003007, W02009/132220, W02010/031062, W02010/031068, W02010/031076, W02010/031077, W02010/031079, W02010/148150, W02010/005525, W02010/078457, W02010/124146、W02010/148144、TO2010/148256 及美國專利申請第 12/496，573 號、第 12/560，390 號、第 12/560，317 號、第 12/560，370 號、第 12/560，305 號和第 12/560，366 號中描述。
宿豐細朐
可使用各種類型的宿主細胞來生產作為生物異戊二烯組合物的一部分的異戊二烯。在一些實施例中，宿主細胞是酵母，如酵母菌屬(Saccharomyces sp.)、裂殖酵母屬 (Schizosaccharomyces sp.)、畢赤酵母屬(Pichia sp.)或假絲酵母屬(Candida sp.)。
在一些實施例中，宿主細胞是細菌，如茅孢桿菌屬(Bacillus)的菌株如地衣茅孢桿菌(B.1ichenformis)或枯草茅孢桿菌(B. subtilis)、泛菌屬(Pantoea)的菌株如朽1檬泛菌(P. citrea)、假單胞菌屬(Pseudomonas)的菌株如產堿假單胞菌(P. alcaligenes)、 鏈霉菌屬(Streptomyces)的菌株如變鉛青鏈霉菌(S.1ividans)或銹赤鏈霉菌 (S. rubiginosus)、埃希氏菌屬(Escherichia)的菌株如大腸桿菌(E. coli)、腸桿菌屬 (Enterobacter)的菌株、鏈球菌屬(Streptococcus)的菌株或古細菌(Archaea)的菌株如馬氏甲燒八疊球菌(Me thanosarcinamazei)。
本文所用的“芽孢桿菌屬”包括本領域技術人員已知的“芽孢桿菌屬”內的所有種，包括但不限于例如枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌(B.1icheniformis)、遲緩茅孢桿菌、短芽孢桿菌(B. brevis)、嗜熱脂肪茅孢桿菌(B. stearothermophilus)、嗜堿茅孢桿菌(B. alkalophilus)、解淀粉芽孢桿菌、克勞氏芽孢桿菌(B. clausii)、耐鹽芽孢桿菌 (B. halodurans)、巨大芽孢桿菌(B. megaterium)、凝結茅孢桿菌(B. coagulans)、環狀芽孢桿菌(B. circulans)、燦爛茅抱桿菌(B.1autus)和蘇云金茅抱桿菌(B. thuringiensis)。 應該認識到，還在繼續對芽孢桿菌屬進行分類學整理。因此，意在使該屬包括已經重新分類的種，包括但不限于諸如現在命名為“嗜熱脂肪地茅孢桿菌(Geobacillus stearothermophilus) ”的嗜熱脂肪茅孢桿菌之類的生物體。在存在氧氣的情況下抗性內生孢子的產生被視為芽孢桿菌屬的定義性特征，但該特性還適用于最近命名的脂環酸芽孢桿菌屬(Alicyclobacillus)、雙芽孢桿菌屬(Amphibacillus)、解硫胺素芽孢桿菌屬(Aneurinibacillus)、厭氧茅孢桿菌屬(Anoxybacillus)、短芽孢桿菌屬 (Brevibacillus)、線茅抱桿菌屬(Filobacillus)、薄壁芽抱桿菌屬(Gracilibacillus)、 嗜鹽茅孢桿菌屬(Halobacillus)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)、鹽芽孢桿菌屬 (Salibacillus)、熱芽抱桿菌屬(Thermobacillus)、服芽抱桿菌屬(Ureibacillus)和枝芽抱桿菌屬(Virgibacillus)。
在一些實施例中，宿主細胞是革蘭氏陽性細菌。非限制性例子包括鏈霉菌屬的菌株(例如變鉛青鏈霉菌(S.1ividans)、天藍色鏈霉菌(S. coelicolor)或灰色鏈霉菌 (S. griseus)和芽孢桿菌(Bacillus)。在一些實施例中，來源生物是革蘭氏陰性細菌如大腸桿菌或假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)。
在一些實施例中，宿主細胞是植物，例如豆科(Fabaceae)如蝶形花亞科 (Faboideae)的植物。在一些實施例中，來源生物是葛、白楊(如Populus alba x tremula CAC35696)、山楊(如美洲山楊(Populus tremuloides))或夏橡(Quercus robur) 0
在一些實施例中，宿主細胞是藻類，如綠藻、紅藻、灰胞藻門(glaucophyte)、 chlorarachniophyte、鞭毛蟲、色藻界(chromista)或溝鞭藻類。
在一些實施例中，宿主細胞是藍細菌，如根據形態學分類為以下任何一組的藍細菌色球藻目(Chroococcales)、寬球藻目(Pleurocapsales)、_藻目(Oscillatoriales)、 念珠藻目(Nostocales)或真枝藻目(Stigonematales)。
在一些實施例中，宿主細胞是厭氧生物。這些生物可包括但不限于專性厭氧菌、兼性厭氧菌和耐氧性厭氧菌。這種生物可以是以上所列生物中的任何一種、細菌、酵母等。在一個實施例中，專性厭氧菌可以是選自以下細菌的任一者或組合揚氏梭菌(Clostridium I jungdahlii)、自產乙酉享梭菌(Clostridium autoethanogenum)、Eurobacterium limosum、 Clostridiumcarboxydivoransλ產生消化鏈球菌(Peptostreptococcus productus)和食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)。在其他方面，宿主細胞可以是醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、 熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)、深紅紅螺菌(Rhodospirillum rubrum)、 Desulfitobacterium hafniense、Aecetoanaerobium notera、Thermoanaerobacter kivui 或 Acetobacte rium woodi。
在一些實施例中，細胞是梭菌屬細菌細胞。在一些實施例中，細胞選自揚氏梭菌、醋酸梭菌、丙酮丁醇梭菌、Clostridium carboxidivorans和自產乙醇梭菌。在一些實施例中，細胞是醋桿菌屬細菌(Acetobacterium)細胞。在一些實施例中，細胞是Acetobacterium woodi。在一些實施例中，細胞是產乙酸菌細胞。在一些實施例中， 產乙酸菌選自揚氏梭菌、醋酸梭菌、熱醋穆爾氏菌、深紅紅螺菌、Desulfitobacterium hafniense、Clostridium carboxidivorans、Aecetoanaerobium notera、食甲基丁酸桿菌、Thermoanaerobacter kivu1、粘液真桿菌(Eubacterium limosum)、產生消化鏈球菌、 Desulfococcus oleovorans、 Syntrophobacter fumaroxidans、 deltaproteobacterium MLMS—1、Treponema primitia ZAS-K Treponema primitiaZAS—2、Carboxydothermus hydrogenoformans、Sporomsa termitida、又艮難梭菌(Clostridium difficile)、 Alkaliphilus metalliredigens 和 Acetobacterium woodi。
在一些實施例中，宿主細胞是光合作用細胞。在其他實施例中，宿主細胞是非光合作用細胞。
轉化方法
可使用標準技術將編碼異戊二烯合酶和/或MVA途徑多肽和/或DXP途徑多肽的核酸插入到任何宿主細胞中，以進行所編碼的異戊二烯合酶和/或MVA途徑多肽的表達。通用的轉化技術是本領域知道的(參見例如《分子生物學實驗手冊》(Current Protocols in Molecular Biology) (F. M. Ausubel 等人(編輯)，第 9 章，1987 ；Sambrook 等人，《分子克隆實驗手冊》(Molecular Cloning A Laboratory Manual),第2版,冷泉港出版社(Cold Spring Harbor)，1989 ；以及 Campbell 等人，《當代遺傳學》(Curr. Genet.)，16 :53-56, 1989 ;或者《梭菌手冊》(“Handbook on Clostridia”)(P. Durre編輯，2004)。對于專性厭氧宿主細胞如梭菌屬，可使用電穿孔(如由Davis等人(2005)描述，以及在實例III和IV 中描述)作為有效的技術。引入的核酸可整合到染色體DNA中或維持為染色體外復制型序列。
用于在能產生異戊二烯的細胞的培養物中生產異戊二烯的技術在以下專利申請中描述TO2009/076676、TO2010/003007、TO2009/132220、TO2010/031062、W02010/031068、 W02010/031076, W02010/031077, W02010/031079, W02010/148150, W02010/005525, W02010/078457、W02010/124146、W02010/148144、W02010/148256 以及美國專利申請第 12/496，573 號、第 12/560，390 號、第 12/560，317 號、第 12/560，370 號、第 12/560，305 號和第12/560，366號，出于教導通過這種工藝生產和回收異戊二烯的技術的目的，將這些專利申請的教導內容以引用方式并入本文。無論如何，W02009/076676、W02010/003007、 W02010/031079, W02010/031062, W02010/031077, W02010/031068, W02010/031076, W02010/078457.US2009/0203102A1 和 US2010/0003716A1 教導了用于使細胞培養物中異戊二烯產量提高的組合物和方法。美國專利公開文本第2009/0203102號和美國專利公開文本第2010/0196977號還教導了用于從培養的細胞共同產生異戊二烯和氫氣的組合物和方法。具體而言，這些組合物和方法能提高異戊二烯的生產速率和提高異戊二烯的總生產量。
如上討論，可通過將編碼異戊二烯合酶多肽(例如植物異戊二烯合酶多肽)的異源核酸引入到細胞中，來大大提高細胞的異戊二烯生產量。異戊二烯合酶多肽將二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)轉化為異戊二烯。
另外，可通過提高由含有異源異戊二烯合酶核酸的細胞表達的1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶(DXS)多肽和/或異戊烯基二磷酸異構酶(IDI)多肽的量，來提升所述細胞的異戊二烯產量。
還可使用鐵硫簇相互作用氧化還原多肽(iron-sulfur cluster-1nteracting redox polypeptide)來提高 DXP 途徑多肽(如 HDS (GcpE 或 IspG)或 HDR 多肽(IspH 或 LytB)所顯示的活性。不想受具體理論的約束，不過還是認為一種或多種內源或異源鐵硫相互作用氧化還原核酸或多肽的表達的提高能改進含有鐵硫簇的DXP途徑多肽(如HDS或 HDR)的形成速率和量，和/或使含有鐵硫簇的DXP途徑多肽(如HDS或HDR)穩定。這進而通過提高DXP途徑中的HMBPP和/或DMAPP的合成和減少cMEPP和HMBPP庫(pool)來增加細胞中流向異戊二烯合成的碳流。
牛長條件
任何組合物或方法的細胞(例如需氧的或厭氧的)應在有助于異戊二烯的最優產量的條件下生長。優化的考慮因素包括細胞培養基、氧水平以及有利于去耦的條件(這種條件使得異戊二烯生產優先于細胞生長)(參見例如W02010/003007，將其并入本文以教導優化，包括細胞培養基、氧水平以及有利于去耦的條件)。對于需氧細胞，應使用能提供最優充氧以便細胞能夠生產異戊二烯的細胞培養條件。
應考慮針對易燃性的安全預防措施，如在能使系統的易燃性減至最低的氧氣范圍進行培養。根據異戊二烯的易燃性特征在安全操作水平內進行異戊二烯生產，能簡化商業設施的設計和建造，極大改善安全操作的能力，限制火災發生的潛在可能性。易燃性區域 (flammabiIity envelope)由易燃性下限(LFL)、易燃性上限(UFL)、極限氧濃度(LOC)和極限溫度表征。要使系統易燃，必須有最低限度數量的燃料(如異戊二烯)存在于最低限度數量的氧化劑(通常為氧氣)中。LFL是為了維持燃燒而必須存在的異戊二烯最低量，而UFL 是可存在的異戊二烯最大量。超過這個極限，混合物富含燃料而氧氣分數過低，從而得不到易燃的混合物。LOC表示為了得到易燃的混合物而 同時必須存在的氧氣的最低分數。極限溫度基于異戊二烯的閃點，是異戊二烯的燃燒可蔓延的最低溫度。這些極限具體取決于異戊二烯的濃度、氧化劑的類型和濃度、系統中存在的惰性物質、系統的溫度和壓力。處于易燃性區域的界限內的組合物會使燃燒蔓延，因此在工藝設備的設計和操作上都需要額外的安全預防措施。具體而言，進行異戊二烯生產的最佳范圍是在安全區內，即異戊二烯濃度的不易燃范圍。在一個這種方面，本發明涉及在異戊二烯濃度的不易燃范圍內(在異戊二烯的易燃性區域之外)生產異戊二烯的方法。參見例如W02010/003007，將其并入本文以教導易燃性范圍。
在一個實施例中，對于在40°C和I大氣壓下的異戊二烯、02、N2和CO2混合物，測出 LOC為9. 5體積％。加入最高達30%的CO2并沒有顯著影響異戊二烯、O2和N2混合物的易燃性特征。干燥的和水飽和的異戊二烯、O2和N2系統之間在易燃性特征上僅表現出微小的變化。極限溫度為約_54°C。約_54°C以下的溫度太低，以至于不能使異戊二烯的燃燒蔓延。
在一些實施例中，異戊二烯的LFL在約1. 5體積％至約2. O體積％的范圍內，異戊二烯的UFL在約2. O體積％至約12. O體積％的范圍內，取決于系統中氧氣的量。在一些實施例中，LOC為約9. 5體積％氧氣。在一些實施例中，當溫度在約25°C至約55°C之間(如約40°C )并且壓力在約I大氣壓至3大氣壓之間時，異戊二烯的LFL在約1. 5體積％至約 2. O體積％之間，異戊二烯的UFL在約2. O體積％至約12. O體積％之間，LOC為約9. 5體積％氧氣。
在一些實施例中，在小于約9. 5體積％的氧氣(也即，低于要使異戊二烯混合物易燃而需要的L0C)的存在下生產異戊二烯。在一些在大于或約9.5體積％氧氣的存在下生產異戊二烯的實施例中，異戊二烯濃度低于LFL(如低于約1. 5體積％ )。例如，可通過用惰性氣體稀釋異戊二烯組合物來使異戊二烯的量保持低于LFL (例如通過連續地或定期地加入惰性氣體如氮氣以保持異戊二烯組合物低于LFL)。在一些在大于或約9. 5體積％氧氣的存在下生產異戊二烯的實施例中，異戊二烯濃度高于UFL(如高于約12體積％ )。例如，可通過使用能以高于UFL的濃度生產異戊二烯的系統(如本文所述的任何細胞培養系統)，使異戊二烯的量保持高于UFL。如果需要，可使用相對低水平的氧氣，使得UFL也相對低。在這個情況中，需要較低的異戊二烯濃度來保持高于UFL。
在一些在大于或約9. 5體積％氧氣的存在下生產異戊二烯的實施例中，異戊二烯濃度在易燃性區域內(例如在LFL和UFL之間)。在一些實施例中，當異戊二烯濃度可能處于易燃性區域內時，進行一個或多個步驟以減少火災或爆炸的可能性。例如，可避免一種或多種著火來源(如任何可能產生火花的材料)。在一些實施例中，進行一個或多個步驟以減少異戊二烯的濃度保持在易燃性區域內的時間長度。在一些實施例中，使用傳感器來檢測異戊二烯的濃度何時接近易燃性區域或處于易燃性區域內。如果需要，可在細胞培養過程中的一個或多個時間點測量異戊二烯的濃度，并且如果異戊二烯的濃度接近易燃性區域或處于易燃性區域內的話，可使用標準的方法調整細胞培養條件和/或惰性氣體的量。在具體的實施例中，可調整細胞培養條件(如發酵條件)以使異戊二烯的濃度降低到低于LFL 或使異戊二烯的濃度增加到高于UFL。在一些實施例中，可通過用惰性氣體稀釋異戊二烯組合物來使異戊二烯的量保持低于LFL(例如通過連續地或定期地加入惰性氣體以保持異戊二烯組合物低于LFL)。
在一些實施例中，異戊二烯以外的易燃性揮發物(如一種或多種糖)的量比生產出的異戊二烯的量少至少約2、5、10、50、75或100倍。在一些實施例中，異戊二烯氣體以外的氣相部分包含約O %至約100% (體積)氧氣，如約O %至約10 %、約10%至約20%、約 20%至約30%、約30%至約40%、約40%至約50%、約50%至約60%、約60%至約70%、 約70%至約80%、約90%至約90%或約90%至約100% (體積)氧氣。在一些實施例中， 異戊二烯氣體以外的氣相部分包含約0%至約99% (體積)氮氣，如約0%至約10%、約 10%至約20%、約20%至約30%、約30%至約40%、約40%至約50%、約50%至約60%、 約60%至約70%、約70%至約80%、約90%至約90%或約90%至約99% (體積)氮氣。
在一些實施例中，異戊二烯氣體以外的氣相部分包含約1%至約50% (體積)C02， 如約1%至約10%、約10%至約20%、約20%至約30%、約30%至約40%或約40%至約 50% (體積)C02。
在一些實施例中，異戊二烯組合物還含有乙醇。例如，乙醇可用于異戊二烯的萃取蒸餾，從而得到同時包含乙醇和異戊二烯的組合物(如中間產物流)。理想地，乙醇的量在乙醇的易燃性區域之外。在標準條件如約I大氣壓和約60F下，乙醇的LOC為約8. 7體積％， 乙醇的LFL為約3. 3體積％ (“NFPA69爆炸預防系統標準”(NFPA69Standard on Explosiom Preven tion Systems)，2008年版，以引用方式將其整體并入本文，尤其針對LOC值、LFL值和UFL值)。在一些實施例中，包含異戊二烯和乙醇的組合物是在小于要使乙醇混合物易燃而需要的LOC(如小于約8. 7%體積％ )的存在下生產的。在包含異戊二烯和乙醇的組合物是在大于或約為要使乙醇混合物易燃而需要的LOC的存在下生產的一些實施例中，乙醇濃度低于LFL (如小于約3. 3體積％ )。
在各個實施例中，氧化劑的量(如氧氣)低于系統中的任何燃料(如異戊二烯或乙醇)的L0C。在各個實施例中，氧化劑的量(如氧氣)小于異戊二烯或乙醇的LOC的約 60、40、30、20、10或5%。在各個實施例中，氧化劑的量(如氧氣)小于異戊二烯或乙醇的 LOC達至少2、4、5個或更多個絕對百分點(體積％)。在具體的實施例中，氧氣的量比異戊二烯或乙醇的LOC小至少2個絕對百分點(體積％ )(例如當異戊二烯的LOC為9. 5體積％ 時，氧氣濃度小于7. 5體積％ )。在各個實施例中，燃料(如異戊二烯或乙醇)的量小于或約為該燃料的LFL的25、20、15、10或5%。
對于兼性厭氧菌細胞，這些細胞能夠在基本上不含氧氣的發酵系統中復制和/或生產異戊二烯。
使用可再生資源來生產異戊二烯。可再生資源指不是化石燃料的資源。通常，可再生資源衍自活著的生物，或者衍自隨著其被消耗可得到補充的最近活著的生物。可再生資源可通過自然生態循環或健全的管理措施得到更替。非限制性例子包括生物質(例如柳枝稷、大麻、玉米、白楊、柳樹、高粱、甘蔗)、樹木和其他植物。可再生資源(或者可再生碳源)的非限制性例子包括干酪乳清透過液(permeate)、玉米漿、糖用甜菜糖蜜、大麥麥芽以及來自前述任一者的組分。示例性的可再生碳源還包括生物質(如玉米、柳枝稷、甘蔗)中存在的葡萄糖、己糖、戊糖和木糖，發酵過程的細胞廢物以及研磨大豆、玉米或小麥產生的蛋白質副產物。在一些實例中，生物質碳源為木質纖維素、半纖維素或纖維素材料，例如但不限于草、小麥、小麥秸桿、蔗渣、軟木漿、玉米、玉米芯或殼、玉米籽粒、玉米籽粒纖維、玉米秸桿、柳枝稷、稻殼產物或濕磨或干磨谷物(如，玉米、高粱、裸麥、黑小麥、大麥、小麥和/或酒糟)的副產物。示例性纖維質材料包括木材、紙材和紙漿廢物、草本植物和果肉。在一些實例中，碳源包括任何植物部分，例如莖、谷粒、根或塊莖。在一些實例中，以下任一植物的全部或部分用作碳源玉米、小麥、裸麥、高粱、黑小麥、大米、小米、大麥、木薯、豆類(例如黃豆和豌豆)、馬鈴薯、紅薯、香蕉、甘蔗和/或木薯。在一些實例中，碳源為生物質水解產物，例如包括木糖和葡萄糖或包括蔗糖和葡萄糖的生物質水解產物。
其他可使用的發酵系統和培養條件的例子在W02009/076676、W02010/003007、 W02009/132220, W02010/031062, W02010/031068, W02010/031076, W02010/031077, W02010/031079, W02010/148150, W02010/005525, W02010/078457, W02010/124146, W02010/148144.W02010/148256 以及美國專利申請第 12/496，573 號、第 12/560，390 號、第 12/560，317 號、第 12/560，370 號、第 12/560，305 號和第 12/560，366 號中有描述。
生物反應器
多種不同類型的反應器可用于從任何可再生資源生產異戊二烯。有眾多不同類型的發酵工藝在商業上使用。可設計生物反應器以優化細胞的保留時間、液體的停留時間和任何氣體(例如合成氣)的噴射速率。
在各個實施例中，使用任何已知的發酵方式來培養細胞，如分批發酵、補料-分批發酵、連續發酵和帶再 循環過程的連續發酵。在一些實施例中，使用分批發酵方法。傳統的分批發酵是封閉系統，其中培養基組成在發酵開始時設定，并且在發酵過程中不進行人為改變。因此，在發酵開始時，用所需的宿主細胞接種細胞培養基，并在不向系統添加任何物質的情況下進行發酵。然而，通常“分批”發酵是針對添加碳源而言的分批，而通常會嘗試控制諸如PH和氧氣濃度的因素。在分批系統中，直到發酵停止以前，系統的代謝物和生物質組成都不斷改變。在分批培養中，細胞慢慢通過靜息遲滯期進入高速對數生長期，并最終到達生長速率降低或停止的穩定期。在一些實例中，對數期中的細胞負責異戊二烯生產的大部分。在一些實例中，穩定期中的細胞生產異戊二烯。
在一些實施例中，使用標準分批系統的變型，如補料分批系統。補料分批發酵工藝包括典型的分批系統，例外的是隨著發酵的進行以增量的形式添加碳源(例如合成氣、葡萄糖)。在分解代謝物阻遏傾向于抑制細胞的代謝時和在需要在細胞培養基中具有有限量的碳源的情況下，補料分批系統是有用的。補料-分批發酵可以在碳源(例如合成氣、葡萄糖、果糖)處于有限量或過量的情況下進行。補料分批系統中實際碳源濃度的測量是困難的，因此根據諸如pH、溶氧、尾氣(如CO2)分壓的可測量因素的變化進行估計。分批發酵和分批補料發酵是通用的并為本領域所熟知，其例子可在如下文獻中找到=Brock,《生物技術工業微生物學教材》(Biotechnology A Textbook of Industrial Microbiology),第二版，1989, Sinauer Associates, Inc.出版社。
在一些實施例中，使用連續發酵方法。連續發酵是開放系統，其中限定的發酵培養基被連續地添加到生物反應器，并同時移取等量的經調理的培養基進行加工。連續發酵通常以恒定的高密度維持培養物，其中細胞主要處于對數生長期。
連續發酵使得可以調節影響細胞生長或異戊二烯生產的一個因素或多個因素。例如，一種方法以固定的速率維持限制性營養物如碳源或氮源水平，同時讓所有其他參數調節。在其他系統中，可連續地改變多個影響生長的因素，同時保持細胞濃度(例如通過培養基濁度測量的濃度)恒定。連續系統旨在維持穩態生長條件。因此，使由于移取培養基導致的細胞損失與發酵中的細胞生長速率保持平衡。調節連續發酵工藝的營養物和生長因子的方法以及使產物形成速率最大化的技術是工業微生物學領域公知的，有多種方法在以下文獻中詳述Brock,《生物技術工業微生物學教材》(Biotechnology A Textbook of Industrial Microbiology),第二版，1989, Sinauer Associates, Inc.出版社，將其以引用方式整體并入本文，特別是針對細胞培養和發酵條件。
連續發酵方法的一種變型是帶再循環的連續方法(continuous with recycle method) 0這個系統與連續生物反應器相似，差別在于通過細胞量(cell mass)分離裝置將隨同液體內容物一起去除的細胞返回到生物反應器。使用錯流過濾裝置、離心機、沉降罐、 木片、水凝膠和/或中空纖維來進行細胞量分離或保留。這個工藝通常用來提高連續生物反應器系統的生產率，并且對于厭氧菌可能特別有用-厭氧菌可能比需氧菌生長更慢且濃度更低。
在一個實施例中，可使用膜生物反應器進行本文所述的細胞的生長和/或發酵， 特別是如果預期細胞生長緩慢的話。可將膜過濾器如錯流過濾器或切向流過濾器與生產異戊二烯氣體的液體發酵生物反應器一起共同操作。通過將發酵與本來會被棄去的選定發酵液組分的再循環相結合，這種膜生物反應器能增加異戊二烯氣體的發酵產量。MBR過濾發酵液并將非透過性組分(過濾器“截留液”)返回至反應器，從而有效地增加細胞、細胞碎片和其他發酵液固形物的反應器濃度，同時維持細胞的比生產率。這能顯著改善異戊二烯的滴度、總產量和體積生產率，從而使得投資和運行成本更低。參見例如PCT/US2010/0161913， 將其以引用方式整體并入，特別是為了其關于各種用于通過再循環截留液來改進異戊二烯產量的參數的教導內容。
濾液(或“透過液”)不返回反應器，從而使反應器體積有利地減小，這類似于收集發酵液排出物(broth draw-off)。然而,與發酵液排出物不同的是,收集的透過液為澄清的液體，其在普通容器中保藏后可通過過濾容易地進行滅菌。因此，該透過液可以容易地作為營養物和/或水再循環來源進行再利用。可將含有可溶性廢培養基的透過液添加至同一發酵或另一發酵以提高異戊二烯產量。
牛物異戊二烯組合物的示例件牛產
在一些實施例中，將細胞在培養基中在允許細胞生產異戊二烯的條件下進行培養。
所謂“最高絕對生產率”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，尾氣中異戊二烯的最大絕對量。所謂“最高絕對生產率時間點”是指在發酵運行的過程中，尾氣中異戊二烯的絕對量處于培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中的最大值的時間點。在一些實施例中，在最高絕對生產率時間點測量異戊二烯量。在一些實施例中，細胞的最高絕對生產率為大約本文公開的任何異戊二烯量。
所謂“最高比生產率”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，每個細胞所生產的異戊二烯最大量。所謂“最高比生產率時間點”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，每個細胞所生產的異戊二烯量處于最大值的時間點。最高比生產率通過將總生產率除以細胞的量來確定，細胞的量通過600nm處的光密度(OD6tltl)來測定。在一些實施例中，在最高比生產率時間點測量異戊二烯量。在一些實施例中，細胞的最高比生產率為大約本文公開的任何每細胞異戊二烯量。
所謂“最高體積生產率”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，每體積發酵液(包括細胞和細胞培養基的體積)所生產的異戊二烯最大量。所謂“最高比體積生產率時間點”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，每體積發酵液所生產的異戊二烯量處于最大值的時間點。最高比體積生產率通過將總生產率除以發酵液體積和時間量來確定。在一些實施例中，在最高比體積生產率時間點測量異戊二烯的量。在一些實施例中，細胞的最高比體積生產率為大約本文公開的任何每體積每時間異戊二烯量。
所謂“最高濃度”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，所生產的異戊二烯最大量。所謂“最高濃度時間點”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，每個細胞所生產的異戊二烯量處于最大值的時間點。在一些實施例中，在最高濃度時間點測量異戊二烯的量。在一些實施例中，細胞的最高濃度為大約本文公開的任何異戊二烯量。
所謂“平均體積生產率”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，每體積發酵液(包括細胞和細胞培養基的體積)所生產的異戊二烯平均量。平均體積生產率通過將總生產率除以發酵液體積和時間量來確定。在一些實施例中，細胞的平均比體積生產率為大約本文公開的任何每體積每時間異戊二烯量。
所謂“累積總生產率”是指在培養細胞持續特定的一段時間(例如在特定的發酵運行中培養細胞)過程中，所生 產的異戊二烯的累積總量。在一些實施例中，測量異戊二烯的累積總量。在一些實施例中，細胞的累積總生產率為大約本文公開的任何異戊二烯量。
本文所用的“相對檢測器響應”指檢測器對一種化合物(如異戊二烯)的響應(如 GC/MS色譜圖中的峰面積)與檢測器對一種或多種化合物(如所有C5烴類)的響應(如 GC/MS色譜圖中的峰面積)之比。檢測器響應可如本文所述進行測量，如用配有Agilent HP-5MS GC 柱(30mX250 μ m ；0. 25 μ m膜厚)的 Agilent6890GC/MS 系統進行的 GC/MS 分析。 如果需要，可使用每種化合物的響應系數將相對檢測器響應換算為重量百分比。這個響應系數是給定量的特定化合物產生多少信號的度量(也即，檢測器對特定化合物有多靈敏)。 當檢測器對被比較的各化合物具有不同的靈敏度時，這個響應系數可用作校正系數來將相對檢測器響應換算為重量百分比。作為另一種選擇，可通過假定被比較的各化合物的響應系數是相同的，來估計重量百分比。因此，可將重量百分比假定為與相對檢測器響應大約相同。
在一些實施例中，培養中的細胞所產生的異戊二烯大于或約為1、10、25、50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1，000,1,250,1,500,1,750,2,000,2,500、 3，000,4, 000,5, 000,10, 000,12, 500,20, 000,30, 000,40, 000,50, 000,75, 000,100, 000、 125，000,150, 000,188, 000納摩爾或更高納摩爾異戊二烯/克細胞濕重/小時(nmole/ gwcm/hr)。在一些實施例中，異戍二烯的量在約2至約200，OOOnmoIe/gwcm/hr之間，如約2 至約 100nmole/gwem/hr 之間，約 100 至約 500nmole/gwem/hr 之間，約 150 至約 500nmole/ gwcm/hr 之間，約 500 至約 1，OOOnmo I e/gwcm/hr 之間，約 1，000 至約 2，OOOnmo I e/gwcm/hr 之間，或約 2，000 至約 5，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 5，000 至約 10，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間， 約 10，000 至約 50，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 50，000 至約 100，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間， 約 100，000 至約 150，OOOnmoIe/gweni/hr 之間，或約 150，000 至約 200，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間。在一些實施例中，異戍二烯的量在約20至約5，000nmole/gwc;m/h;r之間，約100至約 5, OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 200 至約 2，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 200 至約 1，OOOnmole/ gwc;m/hr 之間，約 300 至約 1，OOOnmole/gwail/hr 之間，或約 400 至約 1，OOOnmole/gwail/hr 之間， 約 1，000 至約 5，OOOnmole/gwcm/hr 之間，約 2，000 至約 20，OOOnmole/gwcm/hr 之間，約 5，000 至約 50，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 10，000 至約 100，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 20，000 至約 150，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 20，000 至約 200，OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，約 50，000 至約 500, OOOnmoIe/gwcm/hr 之間，或約 100，000 至約 1，000, OOOnmoIe/gwcm/hr 之間。
以nmole/gw /hr為單位表示的異戊二烯的量可如美國專利第5，849，970號中所公開進行測量，該專利以引用方式整體本文，特別是針對異戊二烯產量的測量。例如， 使用標準的氣相色譜系統，如具有正辛燒/多孔娃膠珠C柱(Alltech Associates, Inc. 公司，伊利諾伊州迪爾菲爾德(Deerfield，111.))并連接到RGD2氧化汞還原氣體檢測器 (Trace Analytical公司，加州門洛帕克(Menlo Park, CA))的等溫下(85°C )操作的系統，分析2mL的頂空(例如來自在密封小瓶中于32°C、200rpm下振動培養大約3小時的培養物(如2mL培養物)的頂空)中的異戊二烯(參見例如Greenberg等人，《大氣環境》 (Atmos. Environ.), 27A :2689-2692,1993 ；Silver 等人，《植物生理學》(Plant Physiol.)， 97 :1588-1591,1991 ;將這兩篇文獻各自以引用方式整體并入本文，特別是針對異戊二烯產量的測量)。通過標準的異戊二烯濃度校準曲線將氣相色譜面積單位換算為納摩爾異戊二烯。在一些實施例中，通過獲得細胞培養物樣品的A6tltl值，然后將該A6tltl值根據具有已知 A_值的細胞培養物的濕重的校準曲線換算為細胞克數，來計算細胞濕重克數值。在一些實施例中，通過假SA_值為I的一升發酵液(包括細胞培養基和細胞)具有I克的細胞濕重來估計細胞克數。還將該值除以該培養物已溫育的小時數，如三小時。
作為用于化學轉化為燃料成分的原料的示例性異戊二烯組合物
使用異戊二烯起始組合物作為制備燃料成分的起點。為了效率，重要的是使用商業上有利量的高純異戊二烯作為起點。在一個方面，商業上有利量的高純異戊二烯存在于生物異戊二烯組合物中。在一些實施例中，生物異戊二烯組合物具有大于或約2、5、10、 20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900 或 IOOOmg 的異戊二烯。在一些實施例中，生物異戊二烯組合物具有大于或約1、10、100、1000、10，000、100，000、 1，000, OOOKg或更多的異戊二烯。在一些實施例中，起始組合物的揮發性有機部分的大于或約 20、25、30、40、50、60、70、80、90 或 95% (w/w)為異戊二烯。
在一些實施例中，以起始生物異戊二烯組合物中所有C5烴類的總重量計，該起始組合物具有大于或約98. O、98. 5、99. O、99. 5或100重量％的異戊二烯。在一些實施例中，以起始生物異戊二烯組合物中所有C5烴類的總重量計，該起始組合物具有大于或約99. 90、 99. 92,99. 94,99. 96,99. 98或100重量％的異戊二烯。在一些實施例中，以起始組合物中所有C5烴類的檢測器響應計，該起始組合物的異戊二烯相對檢測器響應大于或約為98. O、98.5、99. O、99. 5或100%。在一些實施例中，以起始組合物中所有C5烴類的檢測器響應計， 該起始組合物的異戊二烯相對檢測器響應大于或約為99. 90,99. 91,99. 92,99. 93,99. 94、99.95,99. 96,99. 97,99. 98,99. 99或100%。在一些實施例中，以起始生物異戊二烯組合物中所有C5烴類的總重量計，該起始組合物包含約98. O至約98. 5、約98. 5至約99. O、約99. O 至約99. 5、約99. 5至約99. 8、約99. 8至100重量％的異戊二烯。在一些實施例中，以起始生物異戊二烯組合物中所有C5烴類的總重量計，該起始組合物包含約99. 90至約99. 92、約 99. 92至約99. 94、約99. 94至約99. 96、約99. 96至約99. 98、約99. 98至100重量％的異戊二烯。
在一些實施例中，以起始生物異戊二烯組合物中所有C5烴類的總重量計，該起始組合物包含小于或約 2. 0,1. 5,1. 0,0. 5,0. 2,0. 12,0. 10,0. 08,0. 06,0. 04,0. 02,0. 01、 O. 005,0. 001,0. 0005,0. 0001,0. 00005 或 O. 00001 重量％ 的異戊二烯以外的 C5 烴類(如 1，3-環戊二烯、順式-1，3-戊二烯、反式-1，3-戊二烯、1，4-戊二烯、1-戊炔、2-戊炔、1-戊烯、2-甲基-1- 丁烯、3-甲基-1- 丁炔、戊-4-烯-1-炔、反式-戊-3-烯-1-炔或順式-戊-3-烯-1-炔)。在一些實施例中，以起始組合物中所有C5烴類的檢測器響應計，該起始組合物的異戊二烯以外的C5烴類的相對檢測器響應小于或約為2. 0,1. 5,1. O、 O. 5,0. 2,0. 12,0. 10,0. 08,0. 06,0. 04,0. 02,0. 01,0. 005,0. 001, 0. 0005,0. 0001,0. 00005 或O. 00001%。在一些實施例中，以起始組合物中所有C5烴類的檢測器響應計，該起始組合物的1，3_環戊二烯、順式-1，3-戊二烯、反式-1，3-戊二烯、I，4-戊二烯、1-戊炔、2-戊炔、1-戊烯、2-甲基-1- 丁烯、3-甲基-1- 丁炔、戊-4-烯-1-炔、反式-戊-3-烯-1-炔或順式-戊-3-烯-1-炔的相對檢測器響應小于或約為2. O、1. 5、1. 0,0. 5,0. 2,0. 12,0. 10、 O. 08,0. 06,0. 04,0. 02,0. 01,0. 005,0. 001,0. 0005,0. 0001,0. 00005 或 O. 00001 %。在一些實施例中，以起始生物異戊二烯組合物中所有C5烴類的總重量計，該起始組合物包含約 O. 02至約O. 04重量％、約O. 04至約O. 06重量％、約O. 06至O. 08重量％、約O. 08至O. 10 重量％或約O. 10至約O. 12重量％的異戊二烯以外的C5烴類(如1，3-環戊二烯、順式-1， 3-戍二烯、反式-1，3_戍二烯、1,4-戍二烯、1-戍炔、2-戍炔、1-戍烯、2-甲基-1- 丁烯、 3-甲基-1- 丁炔、戊-4-烯-1-炔、反式-戊-3-烯-1-炔或順式-戊-3-烯-1-炔)。
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含小于或約50、40、30、20、10、5、1、 O. 5、0· 1、0· 05、0· 01或O. 005 μ g/L的異戊二烯以外的烴(如1，3-環戊二烯、順式_1，3-戊二烯、反式_1，3-戍二烯、1,4-戍二烯、1-戍炔、2-戍炔、1-戍烯、2-甲基-1- 丁烯、3-甲基-1- 丁炔、戊-4-烯-1-炔、反式-戊-3-烯-1-炔或順式-戊-3-烯-1-炔)。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含約O. 005至約50，如約O. 01至約10、約O. 01至約 5、約O. 01至約1、約O. 01至約O. 5或約O. 01至約O. 005 μ g/L的異戊二烯以外的烴。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含小于或約50、40、30、20、10、5、1、0. 5,0. 1,0. 05、O.01或O. 005 μ g/L的蛋白質或脂肪酸(如與天然橡膠天然相關的蛋白質或脂肪酸)。
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含小于或約10、5、1、0. 8、0. 5、0.1、O. 05、0. 01或O. 005ppm的α -乙炔、戊間二烯、乙腈或1，3-環戊二烯。在一些實施例中， 起始生物異戊二烯組合物包含小于或約5、1、0. 5,0. 1,0. 05,0. 01或O. 005ppm的硫或丙二烯。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含小于或約30、20、15、10、5、1、0. 5,0.1、 O. 05,0. 01或O. 005ppm的所有乙炔(如1_戊炔、2-戊炔、3-甲基_1_ 丁炔、戊_4_烯-1-炔、 反式-戊-3-烯-1-炔和順式-戊-3-烯-1-炔)。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含小于或約 2000，1000,500,200,100，50，40，30，20，10,5,1,0. 5,0. 1,0. 05,0. 01 或0.005ppm的異戊二烯二聚體，如環狀異戊二烯二聚體(例如由兩個異戊二烯單元的二聚化衍生的環狀ClO化合物)。
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、異丁烯醛、甲基乙烯基甲酮、3-甲基呋喃、2-甲基-2-乙烯基環氧乙烷、順式-和反式-3-甲基-1， 3-戊二烯、C5異戊烯醇(如3-甲基-3- 丁烯-1-醇或3-甲基-2- 丁烯-1-醇)，或者前述物質中的任何兩者或多者。在具體的實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含大于或約 O. 005,0. 01,0. 05,0. 1,0. 5、1、5、10、20、30、40、60、80、100 或 120 μ g/L 的乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、異丁烯醛、甲基乙烯基酮、3-甲基呋喃、2-甲基-2-乙烯基環氧乙烷、順式-和反式-3-甲基-1，3-戊二烯、C5異戊烯醇(如3-甲基-3- 丁烯-1-醇或3-甲基-2- 丁烯-1-醇)，或者前述物質中的任何兩者或多者。在一些實施例中，生物異戊二烯組合物包含約O. 005至約120，如約O. 01至約80、約O. 01至約60、約O. 01至約40、約O. 01至約30、 約O. 01至約20、約O. 01至約10、約O.1至約80、約O.1至約60、約O.1至約40、約5至約 80、約5至約60或約5至約40 μ g/L的乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、異丁烯醛、甲基乙烯基酮、 3-甲基呋喃、2-甲基-2-乙烯基環氧乙燒、順式-和反式-3-甲基-1, 3-戍二烯、C5異戍烯醇，或者前述物質中的任何兩者或多者。
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含以下組分中的一者或多者2_庚酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2，4，5-三甲基吡啶、2，3，5-三甲基吡嗪、香茅醛、乙醛、甲硫醇、 乙酸甲酯、1-丙醇、雙乙酰、2- 丁酮、2-甲基-3- 丁烯-2-醇、乙酸乙酯、2-甲基-1-丙醇、 3-甲基-1-丁醛、3-甲基-2-丁酮、1-丁醇、2-戊酮、3-甲基-1-丁醇、異丁酸乙酯、3-甲基-2- 丁烯醛、乙酸丁酯、乙酸-3-甲基丁酯、乙酸-3-甲基-3- 丁烯-1-醇酯、乙酸-3-甲基-2- 丁烯-1-醇酯、3-己烯-1-醇、乙酸-3-己烯-1-醇酯、檸檬烯、香葉醇(反式_3， 7-二甲基-2，6-辛二烯-1-醇)、香茅醇(3，7-二甲基-6-辛烯-1-醇)、(E)_3，7_ 二甲基-1，3，6-辛三烯、(Z) -3，7- 二甲基-1，3，6-辛三烯、2，3-環庚烯醇吡啶或線性異戊二烯聚合物(如由多個異戊二烯單元的聚合衍生的線性異戊二烯二聚體或線性異戊二烯三聚體)。在各個實施例中，這些組分中的一者的量相對于異戊二烯的量按重量百分比單位計 (即，該組分的重量除以異戊二烯的重量乘以100)大于或約為O. 01,0. 02,0. 05,0. 1,0. 5、1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100或 110% (w/w)。在一些實施例中，該第二化合物的相對檢測器響應與異戊二烯的檢測器響應相比大于或約為O. 01、0. 02、0. 05、0. 1、0. 5、1、5、 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100或110%。在各個實施例中，這些組分中的一者的量相對于異戊二烯的量按重量百分比單位計(即，該組分的重量除以異戊二烯的重量乘以100) 為約O. 01至約105% (w/w)，如約O. 01至約90、約O. 01至約80、約O. 01至約50、約O. 01 至約20、約O. 01至約10、約O. 02至約50、約O. 05至約50、約O.1至約50或O.1至約20% (w/w)ο
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物的至少一部分處于氣相。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物的至少一部分處于液相(如冷凝液)。在一些實施例中，起始生物異戊二 烯組合物的至少一部分處于固相。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物的至少一部分被吸收到固相載體，如包含二氧化硅和/或活性炭的載體。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物與一種或多種溶劑混合。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物與一種或多種氣體混合。
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含以下一者或多者醇、醛、酮或酯 (如本文所述的醇、醛、酮或酯中的任一者)。在一些實施例中，生物異戊二烯組合物包含 (i)醇和醛，( )醇和酮，(iii)醛和酮，或(iv)醇、醛和酮。在一些實施例中，任何異戊二烯組合物還包含酯。
在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含以下一者或多者甲醇、乙醛、乙醇、甲硫醇、1-丁醇、3-甲基-1-丙醇、丙酮、乙酸、2-丁酮、2-甲基-1-丁醇或吲哚。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含Ippm或更多的以下一者或多者甲醇、乙醛、乙醇、甲硫醇、1-丁醇、3-甲基-1-丙醇、丙酮、乙酸、2-丁酮、2-甲基-1-丁醇或吲哚。在一些實施例中，以下一者或多者甲醇、乙醛、乙醇、甲硫醇、1-丁醇、3-甲基-1-丙醇、丙酮、乙酸、2-丁酮、2-甲基-1-丁醇或吲哚在起始生物異戊二烯組合物(如純化前的尾氣)中的濃度為約I至約10，000ppm。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物(如進行了一個或多個純化步驟后的尾氣)包含以下一者或多者甲醇、乙醛、乙醇、甲硫醇、1-丁醇、3-甲基-1-丙醇、丙酮、乙酸、2-丁酮、2-甲基-1-丁醇或吲哚，其濃度為約I至約lOOppm，例如約I至約lOppm、約10至約20ppm、約20至約30ppm、約30至約40ppm、約40至約50ppm、約 50至約60ppm、約60至約70ppm、約70至約80ppm、約80至約90ppm或約90至約lOOppm。 在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物含有小于Ippm的甲硫醇(為強力催化劑毒物， 且為最終燃料產物中的硫的來源)。來自細胞培養物的揮發性有機化合物(如細胞培養物的頂空中的揮發性有機化合物)可用標準方法進行分析，所述標準方法例如本文描述的那些，或者其他的標準方法，如質子轉移反應質譜(參見例如Bunge等人，《應用與環境微生物學》(Applied and Environmental Microbiology), 74 (7) :2179-2186, 2008 ;將其以引用方式整體并入本文，特別是針對揮發性有機化合物的分析)。
本發明還設想到使用衍自能共生產異戊二烯和氫氣的生物來源(如細胞培養物) 的起始生物異戊二烯組合物。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含的異戊二烯和氫氣的比例，在從至少一摩爾百分比的異戊二烯每三摩爾百分比的氫氣到至少一摩爾百分比的異戊二烯每四摩爾百分比的氫氣的范圍內。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含的異戊二烯和氫氣的比例，在從至少一摩爾百分比的氫氣每三摩爾百分比的異戊二烯到至少一摩爾百分比的氫氣每四摩爾百分比的異戊二烯的范圍內。在一些實施例中，起始生物異戊二烯組合物包含的異戊二烯和氫氣的摩爾比為約1-9、2-8、3-7、4-6、5-5、 6-4、7-3、8-2或9-1。在一些實施例中，組合物還包含1_11摩爾百分比的異戊二烯和4_44 摩爾百分比的氫氣。在一些實施例中，組合物還包含氧氣、二氧化碳或氮氣。在一些實施例中，組合物還包含0-21摩爾百分比的氧氣、18-44摩爾百分比的二氧化碳和0-78摩爾百分比的氮氣。在一些實施例中，組合物還包含1.0X10_4摩爾百分比或更少的非甲烷揮發性雜質。在一些實施例中，非甲燒揮發性雜質包含以下一者或多者2_庚酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2，4，5-三甲基吡啶、2，3，5-三甲基吡嗪、香茅醛、乙醛、甲硫醇、乙酸甲酯、1-丙醇、雙乙酰、2-丁酮、2-甲基-3-丁烯-2-醇、乙酸乙酯、2-甲基-1-丙醇、3-甲基-1-丁醛、3-甲基-2- 丁酮、1- 丁醇、2-戊酮、3-甲基-1- 丁醇、異丁酸乙酯、3-甲基-2- 丁烯醛、乙酸丁酯、乙酸-3-甲基丁酯、乙酸-3-甲基-3- 丁烯-1-醇酯、乙酸-3-甲基-2- 丁烯-1-醇酯、3-己烯-1-醇、乙酸-3-己烯-1-醇酯、檸檬烯、香葉醇(反式_3，7- 二甲基-2，6-辛二烯-1-醇)、香茅醇(3，7-二甲基-6-辛烯-1-醇)、(E)-3，7-二甲基-1，3，6-辛三烯、 (Z)-3，7-二甲基-1，3，6-辛三烯、2，3_環庚烯醇吡啶或線性異戊二烯聚合物(如由多個異戊二烯單元的聚合衍生的線性異戊二烯二聚體或線性異戊二烯三聚體)。在一些實施例中，非甲烷揮發性雜質包含以下一者或多者異戊二烯組合物包含以下一者或多者醇、醛或酮(例如本文所述的醇、醛或酮中的任一者)。在一些實施例中，異戊二烯組合物包含(i) 醇和醛，(ii)醇和酮，(iii)醛和酮，或(iv)醇、醛和酮。在一些實施例中，非甲烷揮發性雜質包含以下一者或多者甲醇、乙醛、乙醇、甲硫醇、1-丁醇、3-甲基-1-丙醇、丙酮、乙酸、2-丁酮、2-甲基-1- 丁醇或吲哚。
通監
用于純化來自發酵罐尾氣的生物異戊二烯組合物的可用方法和設備在PCT/ US2010/060552中描述，將該專利以引用方式整體并入本文。
來自發酵罐尾氣的生物異戊二烯組合物可含有生物異戊二烯及揮發性雜質和生物副產物雜質。在一些實施例中，用包括以下步驟的方法純化來自發酵罐尾氣的生物異戊二烯組合物(a)使發酵罐尾氣與第一塔柱中的溶劑接觸，以形成包含該溶劑、大部分異戊二烯和大部分生物副產物雜質的富含異戊二烯的溶液；以及包含大部分揮發性雜質的蒸氣；(b)將富含異戊二烯的溶液從第一塔柱轉移至第二塔柱；以及(C)從第二塔柱中的富含異戊二烯的溶液中抽提出異戊二烯，以形成包含大部分生物副產物雜質的低含異戊二烯的溶液以及純化的異戊二烯組合物。
異戊二烯的示例性化學轉化
現有的用于將衍自石油的異戊二烯化學轉化為燃料成分的方法，當用于將生物衍生的異戊二烯轉化為燃料成分時，對于實現最高的收率和最理想的產物混合物而言可能不是最佳的。衍自本文所述的生物資源的異戊二烯與衍自石油的異戊二烯相比具有不同的組合物和雜質譜(profile)，因此這種異戊二烯向燃料成分的轉化的最佳收率、產物混合物和產物雜質譜可能與用于衍自石油的異戊二烯的那些最佳收率、產物混合物和產物雜質譜不同。此外，由于衍自石油的異戊二烯的雜質譜，如異戊二烯之外的C5化合物的大量存在，衍自石油的異戊二烯通常必須先進行純化才能進行進一步的化學轉化。異戊二烯的純化要花費時間和額外的資源，粗混合物中的一些異戊二烯可能在該處理過程中失去，從而導致所需燃料成分的總收率較低。另外，異戊二烯是高度反應性化合物，并且在許多反應條件下往往會形成膠質物和聚合物。本文描述的化學轉化中的大部分通常是在液相中進行，或者使用非均相催化來進行，其中催化劑固定在固相載體上，而其他原料在液相中。在一些實施例中，化學轉化可在液相或氣相中進行。
本發明提供借助于生物異戊二烯組合物的易得性和獨特雜質譜從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法和組合物。對石油基異戊二烯組合物中存在的烴雜質敏感的化學反應，可用生物異戊二烯組合物在不進行充分的純化的情況下進行。生物異戊二烯組合物可用于能容忍不經純化的生物異戊二烯組合物中存在的氧化化合物的反應中，以生產燃料成分或燃料成分中間體。在一些情況下，氧化化合物的存在能增強異戊二烯的反應性和 /或提高從異戊二烯起始的反應的收率。
雖然目前異戊二烯在工業上主要用于生產合成橡膠，但異戊二烯是一種反應性共軛二烯，會發生各種化學轉化而形成氧化物和更高分子量的烴類。例如，鈀(O)配合物(Pd (acac) 2-Ph3P和Pd (OAc) 2_Ph3P)能催化異戊二烯在醇溶劑中發生二聚化和調聚反應，以產生線性異戊二烯二聚體(例如2，7_ 二甲基-1，3，7-辛三烯)和甲氧基二甲基辛二烯(Zakharkin, L.1.和 Babich, S. A.,《俄羅斯化學公報》(Russ. Chem. Bull.), (1976)，ppl967-1968)。Adams, J. Μ.和 Clapp, T. V.( “粘土和粘土礦物” (Clay and Clay Minerals), (1986)，34 (3)，287-294)報道了異戊二烯在二價和三價過渡金屬交換的蒙脫土(例如Cr3+-蒙脫土)上反應產生異戊二烯二聚體和與甲醇的加合物。鎳 (O)-氨基氧膦(Ni (O)-aminophosphinite)系統催化的異戍二烯線性二聚化產生出區域選擇性尾對尾線性二聚體，伴隨有競爭性環二聚化反應(Denis, Philippe ；Croizy, Jean Francois ；Mortreux, Andre ；Petit, Francis,《分子催化雜志》(Journal of Molecular Catalysis), (1991),68(2),159-75。Denis, Philippe ;Jean, Andre ;Croizy, Jean Francois ；Mortreux, Andre ；Petit, Francis,《美國化學學會志》(Journal of the American Chemical Society), (1990), 112 (3), 1292-4)。對新的手性氨基氧膦配體(例如(+) -MeCH2CHMeCH (NH2) CH2OPPh2作為異戊二烯線性二聚化中的均相催化劑(導致50 %以上的轉化率)進行了研究(Masotti, Henriette ；Peiffer, Gilbert ；Siv, Chan ；Courbis, Pierre ；Sergent, Michelle ；Phan Tan Luu, Roger,《比利時化學會通報》(Bulletin des Societes Chimiques Beiges), (1991),100(I),63-77)。
異戊二烯在作為聚合抑制劑的二硝基甲酚存在下在110_250°C下的熱二聚化產生出高收率的二聚體和極少的聚合物(美國專利第4，973，787號)。鎳催化的異戊二烯二聚化產生出由80% 1，5_ 二甲基-1，5-環辛二烯和20% 1，6_ 二甲基-1，5-環辛二烯組成的二甲基-1, 5_ 環辛二烯混合物(Doppelt, Pascal ；Baum, Thomas H. ；Ricard, Louis,《無機化學》(Inorganic Chemistry), (1996), 35 (5), 1286-91)。用催化量的 Cp*Ru( η4_ 異戍二烯)C1和AgOTf將異戍二烯轉化為二甲基環辛二烯(Itoh, Kenji ；Masuda, Katsuyuki ； Fukahori, Takahiko ；Nakano, Katsumasa ；Aoki, Katsuyuki ；Nagashima, Hideo,《有機金屬》(Organometallics)，(1994)，13 (3)，1020-9)。JP59065026A (1984)報道了通過異戊二烯在包含羧酸鐵或β_ 二酮化合物、有機鋁或鎂化合物和具有給電子基團的2，2' -二吡啶基衍生物的催化劑存在下進行環狀二聚化來制備1，6_ 二甲基-1，5-環辛二烯。二甲基環辛二烯通過異戊二烯在含有羧酸鎳或β - 二酮、有機鋁或有機鎂化合物和取代的亞磷酸三苯酯的3組分催化劑上進行環狀二聚化來制備(JP58055434A，1983)。I，5-二甲基-1， 5-環辛二烯是通過異戊二烯在含有三價鐵鹽、有機鋁化合物和活化劑的均相催化劑存在下 (SU615056A1,1978),在含有乙酸丙麗鎮、亞憐酸三芳基酷和perhydroalumophenolene的均相催化劑存在下(SU493455A1，1975)，在含有羧酸鎳或鎳與1_羥基_3_羰基化合物的羧酸鹽或螯合物、三烷基鋁、三烷基鎂或活性有機鎂化合物(從共軛二烯和鎂獲得)、亞磷酸三芳基酯和叔胺的混合物的催化劑存在下(JP48064049A，1973)，或者在由環烷酸鎳、Et3Al 和磷酸鄰三甲苯酯組成的催化劑存在下(Suga,K. ；ffatanabe, S. ；Fujita, T. ；Shimada, T.,《以色列化學雜志》(Israel Journal of Chemistry), (1972), 10 (I), 15-18),在 100-300。 下進行環二聚化來制備。美國專利第3，954，665號公開了異戊二烯在[(η 3_C6H5)NiBr]2 或[Μ(Ν0)2Χ]2(Μ =鐵、鈷；X=氯、碘、溴)與羰基鐵、羰基鈷或羰基鎳的反應產物存在下進行的二聚化。歐洲專利第2411號(1981)公開了異戊二烯在Fe(NO)2Cl-雙(1，5_環辛二烯) 鎳催化劑上在-5°至+20°下進行環二聚化產生1-甲基-和2-甲基-4-異丙烯基-1-環己稀和1,4_和2,4_ 二甲基_4_乙稀基-1-環己稀。美國專利第4,189, 403號公開了通過使異戊二烯與三(取代烴基)亞磷酸鹽、亞砷酸鹽或亞銻酸鹽和VIII族金屬(O)化合物(例如乙酰丙酮鎳)的混合催化劑接觸來制備I，5-二甲基-1，5-環辛二烯和I，4-二甲基-4-乙烯基-1-環己烯。Jackstell, R. ；Grotevendt, A. ；Michalik, D. ；ElFirdoussi, L. ;Beller，M. J.，《有機金屬化學》(Organometallic Chem.)，(2007) 692 (21)，4737-4744 引述了使用!B /碳烯催化劑進行異戍二烯二聚化。Bowen7L. ；Charernsuk7M. ；ffass,D. F., 《化學通訊》(Chem. Commun.)，(2007) 2835-2837描述了使用鉻N，N_雙(二芳基膦基)胺催化劑來生產異戊二烯的線性和環狀三聚體。報道了異戊二烯在鎳催化劑存在下進行二聚化以產生順式-2-異丙烯基-1-甲基乙烯基環丁燒(Billups, ff. E. ；Cross, J. H. ；Smith, C. V.,《美國化學學會志》(Journal of the American Chemical Society), (1973)，95 (10)，3438-9)。由環燒酸鎮和異戍二烯鎂在各種作為電子供體的亞磷酸鹽存在下催化異戊二烯[78-79-5]低聚化產生出含有二甲基環辛二烯[39881-79-3]的環狀二聚體；特別是1，1，1_三(羥甲基)丙烷亞磷酸鹽[39865-19-5]選擇性產生出三甲基環十二碳三烯[39881-80-6] (Suga, Kyoichi ； ffatanabe, Shoji ；Fujita, Tsutomu ； Shimada, Takashi,《應用化學與生物技術雜志》 (Journal of Applied Chemistry&Biotechnology),(1973),23(2),131-8)Off02006/051011 公開了通過異戊二烯在包含Ni和/或T1、一種或多種有機金屬化合物和VA族化合物的催化劑系統存在下進行三聚化制備可用于香料香精的三甲基環十二碳三烯，并且該反應在含羥基的溶劑中進行。本文所述的化學轉化的產物還可用于香料、香精和其他精細化工品(例如殺蟲劑、表面活性劑、潤滑劑等)。參見例如Monteiro等人，《催化主題》(Topics in Catalysis),第 27 卷,第 1-4 期,2004 年 2 月。Ligabue, R.A. ；Dupont, J. ；de Souza, R.F.，Alegre, R. S.，《分子催化雜志 A :化工》(J. Mo1. Cat. A Chem.), (2001),169(1-2),11-17描述了使用亞硝酰鐵催化劑在離子液體中將異戊二烯選擇性二聚化成為六元二聚體。Huchette, D. ；Nicole, J. ;Petit, F.,《四面體通訊》(Tetrahedron Letters), (1979),(12)，1035-8描述了電化學法產生亞硝酰鐵催化劑并隨后用于使異戊二烯二聚化成為環己烯二聚體。Zakharkin, L.1. ；Zhigareva, G. G. ;Pryanishnikov, A. P.,《俄羅斯普通化學雜志》(Zhurnal Obshchei Khimii)，(1987)，57 (11)，2551-6 描述了異戊二烯在鎳鐵復合催化劑上進行的環低聚化。
反應條件的優化
衍自本文所述的生物來源的異戊二烯作為生產燃料成分的原料可以比石油基異戊二烯有利。生物衍生的異戊二烯不含高水平的非異戊二烯C5雜質，因此可不先進行純化就可進行化學轉化。衍自石油的異戊二烯中的某些雜質(如乙炔)會使一些用于生產燃料產物的催化劑(如復分解催化劑)中毒。由于這類雜質在生物衍生的異戊二烯中少量存在或不存在，因此在進行化學轉化之前不需要將它們分離出來。此外，生物衍生的異戊二烯中某些雜質(如醇類和其他氧化物)的存在可有利于本文描述的化學轉化中的一些，如酸催化的二聚化。
在本發明的一個方面，可對本文描述的任何化學轉化進行優化以用于衍自生物來源的異戊二烯。可對反應條件進行優化，以得到高收率的所需產物，以得到特定的產物混合物，以得到具有特定物理性質的燃料成分或者以在產物中得到特定的雜質譜。在一些實施例中，使用篩選過程對反應條件進行優化，其中使生物法生產的異戊二烯經歷反應條件的矩陣，其中各個反應參數沿著該矩陣的不同軸改變。可改變的反應參數包括但不限于反應時間、溫度、壓力、催化劑特性、溶劑、共催化劑特性、各反應物相互間比例、蒸氣壓力、催化劑類型和各產物相互間比例。在一個具體的實施例中，動力學對熱力學控制(kinetic vs. thermodynamic control)是可變的反應參數。在另一個具體的實施例中,氣相對液相 (gas vs. liquid phase)是可變的反應參數。可通過使用本文所述的任何分析方法,針對所作的具體優化篩選的目標，對矩陣中每組反應條件的產物進行分析，來確定最佳的反應條件。篩選可在迭代過程中進行，在該過程中，可通過連續幾輪篩選縮小所需的反應條件。在一些實施例中，使用生物衍生的異戊二烯進行的特定化學轉化的最佳條件，與對衍自石油的異戊二烯進行的同一化學轉化的條件不同。可能合乎需要的或者可提供優化過程的起點的特定化學轉化，在下文中作更詳細的描述。
異戊二烯復分解
雖然異戊二烯可進行多種化學反應，并且烯烴復分解在有機化合物的合成中得到了廣泛使用，但異戊二烯的烯烴復分解的例子卻一直少見。Woerlee等人，《應用催化》 (Applied Catalysis)，10 (1984) 219-229 報道了 Re207/Al203_Sn (CH3) 4 復分解催化劑在室溫下將共軛二烯轉化為烯烴、三烯和四烯，但評論說具有異丙烯基的共軛二烯是惰性的。因此，本發明的一個方面提供使用烯烴復分解從生物異戊二烯組合物(例如氣相)生產燃料成分的方法和組合物，通過烯烴復分解，異戊二烯經碳-碳雙鍵的切割和再形成被轉化為烯烴的混合物。可對反應條件、催化劑、共催化劑、促進劑和溶劑進行系統性優化，以得到烯烴產物混合物的所需組成或分子量分布。例如，為生產在來自異戊二烯復分解的烯烴混合物完全氫化后適合在柴油機燃料中使用的燃料成分，所需的烯烴混合物為C10-C20烯烴混合物。當復分解反應達到平衡或穩態混合物時，可將烯烴混合物中的不需要的級分與需要的級分分離，并進行進一步的復分解以使分子量重新分布。在連續工藝中，可將所分離的不需要的級分循環回到容器中進行異戊二烯復分解。例如，在生產適合 在柴油燃料中使用的燃料成分的方法中，例如通過分餾將不需要的< ClO和> C20烯烴級分與需要的C10-C20 烯烴級分分離，并在連續工藝中進行另一復分解反應或者循環回到異戊二烯復分解混合物中。
在一些實施例中，本發明提供從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法，所述方法包括通過使生物異戊二烯組合物與烯烴復分解催化劑接觸來將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分化學轉化為非異戊二烯化合物，然后將烯烴產物進行催化氫化以形成烷烴燃料成分。在一些實施例中，異戊二烯發生復分解以形成一種或多種高級或低級烯烴，如乙烯、異丁烯、二甲基己烯以及其他帶支鏈的和環狀的烯烴化合物(圖2)。在一些情況下，復分解混合物中的主要產物是環狀烯烴。這種反應通常由金屬復合物催化，所述金屬復合物例如含有Mo、Ru、W、Re、Os、Ir、T1、V、Cr、Co、Nb、Rh或Ta的氯化物、氧化物或其他化合物。典型的復分解共催化劑是EtAlCl2、R3AlCl2、R3Al和R4Sn (R = Ph、Me、Et或Bu)。典型的復分解促進劑是02、EtOH和PhOH。在一個具體的實施例中，復分解催化劑是Schlock 碳烯配合物或Grubbs類催化劑。其他復分解催化劑也得到描述，其中許多已被證實具有良好的產業適用性，如W03/Si02、含有集成復分解單元(integrated metathesis unit)的石腦油蒸汽裂化劑、Re207/Al203、以氧化鋁為載體的鑰酸鹽復分解催化劑、高度活性釕配合物(例如[RuCl2 ( = CHPh) (H2IPr) (PCy3) ]、Grubbs 催化劑)、WCl6 基催化劑、RuC13/HC1、用 Et2AlCU丙醇和SiCl4的混合物活化的四[三(十二烷基)銨]八-鑰酸鹽、以及多相氧化錸催化劑。(參見例如J. C. Mol.，《分子催化雜志A :化工》(J. Mol. Catalysis A =Chemical)， 213(2004)39-45)。在一個具體的實施例中，復分解通過Shell高級烯烴工藝(SHOP)進行，該工藝在極性溶劑(優選1，4_ 丁二醇)中采用均相鎳膦催化劑(優選在90-100°C和 100-110巴下)。還描述了用亞芐基釕(Grubbs類)催化劑進行共軛二烯的復分解的例子。 對共軛雙鍵之一采取位阻保護或電子保護導致了一個雙鍵或另一個雙鍵的選擇性反應。 (參見T. W. Funk等人，《有機化學通訊》(Org. Lett.)，7 (2005) 187-190)。對異戊二烯復分解的產物進行氫化可得到適合在燃料組合物中使用的化合物。
在一些實施例中，本發明提供通過烯烴復分解將生物異戊二烯組合物轉化為燃料成分的連續工藝，該工藝包括(i)在復分解反應器中使生物異戊二烯組合物接觸烯烴復分解催化劑以形成烯烴混合物；(ii)將烯烴混合物進行分級分離成第一輕級分和包含 C7-C50烯烴的第一重級分；(iii)將第一輕級分返回到復分解反應器進行進一步復分解； (iv)將第一重級分進行分級分離成第二輕級分和第二重級分；(V)將第二重級分返回到復分解反應器進行進一步歧化反應；和(vi)將第二輕級分進行氫化以生產燃料成分。復分解反應器中形成的烯烴混合物可以是包含C2-C50烯烴的產物的統計學分布。第一次分級分離可在第一蒸餾柱中進行，其中柱頂級分為包含諸如C2-C6烯烴或< C7烯烴的輕組分的第一輕級分。這些輕組分包括乙烯、丙烯、異丁烯、異戊二烯和其他輕烯烴。來自第一蒸餾柱的第一重級分可進入第二分級分離柱，在該柱中，C7至C15范圍內的所需的線性和環狀組分在柱頂級分中移取。 在一些實施例中，第二輕級分由C7-C15烯烴組成。在一些實施例中，第二重級分包含C16-C50烯烴。第二輕級分中的烯烴可進行后續的加氫處理或氫化以生產燃料成分。來自第二蒸餾柱的第二重級分可循環回到復分解反應器，在其中它們進行烯烴歧化反應，得到C2至C50范圍的產物分布，這些產物然后如上所述通過蒸餾進行分級分離。該方法的一個實施例在圖3中所示的流程圖示出。
可通過由乙烯或乙烯和其他輕烯烴(< C5)的混合物組成的任選的輕烯烴共進料 (co-feed)，對復分解反應器中生產的產物的總體分布進行調節。輕烯烴共進料與生物異戊二烯進料之比可在1: 100至2 :1的范圍內。較高的烯烴共進料與生物異戊二烯進料之比往往會降低產物的平均分子量，并減少從復分解反應器出現的不需要的重級分的量。輕烯烴共進料還可有助于防止復分解反應器中形成不揮發性膠質物和聚合物(> C50)，這類物質會使復分解催化劑失活(參見Oziomek,美國專利申請5446102)。
酸催化的低聚化
異戊二烯在酸催化劑存在下容易發生低聚化，產生一批復雜的化合物，包括二聚體、三聚體、高級低聚體、芳族產物和高分子產物。圖4及實例部分顯示了當用Amberlystl5 酸性樹脂在甲苯中處理異戊二烯時復雜產物混合物的一個例子。對反應進行動力學控制可有利于某些產物，例如低級低聚體，盡管膠質物形成和粘結是已知導致催化劑失活的問題。 異戊二烯的直接低聚化工藝需要對所需的產物具有合理的選擇性。
因此，本發明提供通過對生物異戊二烯組合物進行酸催化的低聚化來生產燃料成分的方法，按這種方法，生物異戊二烯組合物中存在的氧化化合物(如醇類)能提高對所需產物的選擇性。(參見例如Marchionna,《現代催化》(Catalysis Today), 65 (2001) 397-403, 399)。可對所用的反應條件、催化劑和溶劑進行優化以有效地生產所需分子量的燃料成分。 例如，提供短的反應時間的條件往往有利于具有相對較低分子量的動力學產物，如適合于汽車中所使用的“汽油”或燃料的C7至C15烴類。可通過將最初例如通過熱裂解、蒸氣裂解或烯烴復分解生產的較高分子量烯烴低聚體再循環，來進一步改進轉化生物異戊二烯成為較低分子量的烴類的效率。通過從反應器中連續移取所需的產物，平衡會被移向所需的產物。在一些實施例中，用適當的烯烴復分解催化劑(如錸催化劑或其他金屬配合物，如含有Mo、Ru、W、Re、Os、Ir、T1、V、Cr、Co、Nb、Rh或Ta的氯化物、氧化物或其他化合物)處理較高分子量烯烴以生產較低分子量烯烴，后者可與初始的較低分子量烯烴進行組合作進一步的加工(如完全氫化)以產生飽和的烷烴燃料成分，或者可被輸送到酸催化的低聚化反應中。
在一個方面，本發明提供從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法，所述方法包括(i)使生物異戊二烯組合物接觸酸催化劑以產生含有較高分子量烯烴產物(例如 C16-C50烯烴)和較低分子量烯烴產物(例如C5-C15烯烴)的混合烯烴產物(例如C5-C50 烯烴)；(ii)將較高分子量烯烴產物轉化為較低分子量烯烴；和(iii)將較低分子量烯烴產物(例如C5-C15烯烴)進行氫化以產生作為燃料成分的飽和烴類(例如C5-C15烷烴)。 優選地，生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分被化學轉化為非異戊二烯化合物。在一些實施例中，步驟(i)是使用合適的催化劑并在有利于低級低聚體的形成的動力學控制的條件下進行。在一些實施例中，步驟(ii)是通過能將高級低聚體轉化為較低分子量烯烴的烯烴復分解反應來進行。氫化步驟(iii)可使用多種氫化催化劑來進行，所述氫化催化劑例如多相鈀催化劑，包括碳載鈀(Pd/C)、氧化鋁載鈀(Pd/Al203)或二氧化硅載鈀(Pd/ SiO2) ，鈀含量相對于載體材料為O. 1%鈀至20%鈀(w/w)。
用于異戊二烯的聚合的催化劑和條件已得到很好的研究，某些條件已證實能提高聚合(參見 Sadahito A.和 Shokyoku K.，《化學評論》(Chem. Rev.)，2009，109，5245-5287)。 因此，在一些實施例中，在生物異戊二烯組合物的酸催化低聚化中應避免往往會使碳陽離子穩定化從而促進活性碳陽離子聚合的條件。
異鏈烷烴對異戊烯類物質的烷基化
異戊二烯的部分氫化產生出異戊烯類物質的混合物，它們可被轉化為其他有價值的產品如燃料。但是，從異戊二烯衍生的異戊烯類物質生產燃料在商業上尚未可行，部分由于衍自石油的異戊二烯組合物需要進行充分的純化。因此，本發明的一個方面提供從生物異戊二烯組合物不經充分的純化就生產燃料成分的方法，該方法的做法是，將生物異戊二烯組合物進行部分氫化以形成一種或多種異戊烯類物質，并將所產生的異戊烯類物質通過進一步的化學轉化(如二聚化、與醇類反應和由異鏈烷烴進行烷基化)轉化為燃料成分 (圖 5)。
在一些實施例中，該從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法包括通過將生物異戊二烯組合物進行部分氫化以產生異戊烯來將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物，然后用異鏈烷烴將異戊烯進行烷基化以形成烷基化物燃料成分。在一些實施例中，異鏈烷烴和衍自生物法生產的異戊二烯的烯烴可進行烷基化以制備高辛烷的烷基化物。
烷基化的方法是現成的，已由煉油廠大規模采用。原料可包括烯烴如丙烯、2_ 丁烯、異丁烯和異戊烯類物質。異鏈烷烴可包括丙烷、異丁烷和異戊烷。在一些實施例中，異戊烯烷基化中使用的異戊烷是通過完全氫化從來自生物異戊二烯組合物的生物異戊二烯衍生。在一些實施例中，催化劑是氫氟酸。毒性較低的催化劑也已有描述，如與聚合物組分混合的酸組分(如硫酸、氟磺酸、全鹵代烷基磺酸和離子液體，或者Bronsted和/或路易斯酸的混合物)。(參見例如US2010/0094072) AS6，429，349B1描述了由異丁烯和異戊烷與酸催化劑的混合物對C3-C5烯烴進行烷基化以形成具有相對較低Reid蒸氣壓(RVP)的高辛烷的烷基化物。適合于這個轉化的酸催化劑包括氫氟酸、硫酸、齒化硫酸和齒化磺酸。K. Kranz 描述了用異丁烯在強酸催化劑(如氫氟酸或硫酸)存在下對C3-C5烯烴進行烷基化(“烷基化化學機理、操作變量和烯經相互作用”(Alkylation Chemistry Mechanisms,operating variables, and olefin interactions), STRATCO 公司，堪薩斯州利伍德(Leawood KS), 2003年5月)Kranz描述了多個影響烷基化的產物質量和操作成本的因素1)維持高的異丁烯濃度能減少會導致辛烷減低的烯烴-烯烴聚合的可能性；2)保持溫度在50°C附近以使聚合(這可由高溫導致)減至最低并使酸從烷基化物的沉淀速率減慢(這可由低溫導致) 得到避免；和3)維持高硫酸濃度(如90%以上的硫酸)以使聚合和紅油產生減至最低。 (另參見J. R. Peterson等人改進的戍烯燒基化經濟學”(Improved Amylene Alkylation Economics)，STRATCO, Inc公司，1999)用異戊烷對C3-C5烯烴進行烷基化也已有描述并證實能得到高辛燒的產品。(參見D. C. Graves,“異丁烯和異戍燒的燒基化選擇”(Alkylation Options for Isobutylene and Isopentane), STRATCO 公司，堪薩斯州利伍德(Leawood KS),2001 年 11 月)ο Cruz 等人,《活性和功能聚合物》(Reactive&Functional Polymers), 65 :149-160(2005)描述了醇類對異戊烯類物質的二聚化的作用并公開了二異戊烯類物質的燃料性質。US2010/0094072描述了用于烯烴烷基化的 改進的催化劑。US2009/0099400 描述了使用固體磷酸催化劑對烯烴進行二聚化。如同本文引用的任何參考文獻一樣，將所有這些參考文獻為了其教導內容將其整體并入本文，特別是為了以上所述的各方面。
異戊烯復分解
可將由生物異戊二烯的部分氫化產生的異戊烯類物質通過復分解然后氫化來轉化為燃料成分。
在一些實施例中，本發明提供從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法，所述方法包括通過對生物異戊二烯組合物進行部分氫化以產生一種或多種異戊烯產物來將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物，使所述一種或多種異戊烯產物接觸烯烴復分解催化劑以產生一種或多種烯烴產物，然后將所述一種或多種烯烴產物進行催化氫化以形成一種或多種烷烴燃料成分。在一些實施例中，異戊烯發生復分解以形成一種或多種高級或低級烯烴，如乙烯和/或二甲基己烯(例如3， 4_ 二甲基己烯)。這種反應通常由金屬配合物催化，如含有Mo、Ru、W、Re、Os、Ir、T1、V、 Cr、Co、Nb、Rh或Ta的氯化物、氧化物或其他化合物。典型的復分解共催化劑是EtAlCl2、R3AlCl2' R3Al和R4Sn (R = Ph、Me、Et或Bu)。典型的復分解促進劑是02、乙醇和苯酚。在一個具體的實施例中，復分解催化劑是Schrock碳烯配合物或Grubbs類催化劑。其他復分解催化劑也得到描述，其中許多已被證實具有良好的產業適用性，如W03/Si02、含有集成復分解單元(integrated metathesis unit)的石腦油蒸汽裂化劑、Re207/Al203、以氧化招為載體的鑰酸鹽復分解催化劑、高度活性釕配合物(例如[RuC12( = CHPh) (H2IPr) (PCy3)]、 Grubbs催化劑)、WCl6基催化劑、RuC13/HC1、用Et2AlCU丙醇和SiCl4的混合物活化的四 [三(十二烷基)銨]八-鑰酸鹽、以及多相氧化錸催化劑。(參見例如J. C. Mol.，《分子催化雜志 A :化工》(J. Mol. Catalysis A =Chemical), 213 (2004) 39-45) 在一個具體的實施例中，復分解通過Shell高級烯烴工藝(SHOP)進行，該工藝在極性溶劑(優選1，4_ 丁二醇)中采用均相鎳膦催化劑(優選在90-100°C和100-110巴下)。還描述了用亞芐基釕 (Grubbs類)催化劑進行共軛二烯的復分解的例子。對共軛雙鍵之一采取位阻保護或電子保護導致了一個雙鍵或另一個雙鍵的選擇性反應。(參見T. ff. Funk等人，《有機化學通訊》 (Org. Lett. 7 (2005) 187-190)。對異戊烯復分解的產物進行氫化可得到適合在燃料組合物中使用的化合物。
生物異戊二烯尾氣的使用
在本發明的一個方面，從直接來自生物異戊二烯生產的尾氣的異戊二烯生產燃料成分。因此，燃料成分從處于氣相的生物異戊二烯組合物生產。直接從尾氣中的生物異戊二烯生產燃料，可以不需要在將異戊二烯進行本文描述的任何化學轉化之前對其進行回收和 /或純化，從而減少生產燃料成分所需的步驟的數目，并且防止在異戊二烯的化學轉化之前對其進行回收 和/或純化時可能發生的異戊二烯原料的損失。因此，在一些實施例中，本文所述的任何對異戊二烯的化學轉化可在氣相中進行。此外，可對化學轉化進行優化，以在尾氣中可能存在的其他化合物或雜質(CO2或氧化物)的存在下，以工業上有用的收率將異戊二烯轉化為所需的燃料成分。在許多情況下，針對尾氣中的異戊二烯的化學轉化的最佳條件，將與針對純化的異戊二烯的化學轉化的最佳條件不同。在一些實施例中，用于將尾氣中的異戊二烯轉化為燃料成分的催化劑和其他反應物處于固相、液相或氣相。
在一些實施例中，氣態異戊二烯起始組合物在接觸催化劑時發生化學反應以產生異戊二烯衍生物。催化劑可選自陽離子催化劑、陰離子催化劑、絡合催化劑、游離基催化劑或其他催化劑類別。在一些實施例中，氣態異戊二烯起始組合物用傳統的烴陽離子催化進行低聚化或反應，所述烴陽離子催化例如是用來將異丁烯轉化為異辛烷的催化，如硫酸、磷酸和其他無機酸、磺酸、氟磺酸、沸石和酸性粘土。在其他實施例中，異戊二烯起始組合物用傳統的烴陽離子催化與其他烯烴進行二聚化或反應。參見例如H. M. Lybarger, “異戊二烯”(Isoprene),載于《柯克-奧斯莫化工大全》(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology)第4版，威利出版社(Wiley)，紐約，(1995)，14，934-952。液體形式和固體形式的酸催化劑都可以使用。在一個實施例中，使用固體形式。固體酸性樹脂的例子包括 Amberlystl5、35、XE586、XNlOlO (Rohm和Haas)以及類似的酸性離子交換樹脂。酸性分子篩是其他可以使用的催化劑，包括中孔酸性分子篩如ZSM-5、鎂堿沸石、ZSM-22和ZSM-23。 另外的酸催化劑包括吸附到無機載體上的無機酸，例如硅膠載磷酸。
在某些實施例中，可使用有機金屬催化劑將氣相異戊二烯組合物轉化為燃料成分。例如，本文列舉的催化劑中的許多可通過吸附到載體上而變成固體形式。在一個這種實施例中，使用固體鈀催化劑來催化調聚反應，以在二氧化碳存在下從異戊二烯和水生產 ClO 和 C15 醇類(Inoue (1993)，《日本化學會誌》(Bull. Chem. Soc. Jpn.)，56 :637-638)。也可使用陰離子催化劑將異戊二烯化學轉化為衍生物。合適的陰離子催化劑的例子包括烷基鋰、堿金屬、堿酰胺鹽和其他具有PK的強堿。可以使用的陰離子催化劑包括但不限于正丁基鋰、萘基鋰(lithium naphthalenide)和萘基鈉(sodium naphthalenide)。在大多數情況中，需要高純的氣相異戊二烯組合物以避免水或其他酸性物質猝滅陰離子催化劑。不含包括乙炔和1，3_環戊二烯在內的酸性烴類的氣相異戊二烯組合物同樣能夠與陰離子催化劑反應以將異戊二烯轉化為燃料成分。
在某些實施例中，高純的異戊二烯原料是氣相生物異戊二烯組合物。在其他實施例中，異戊二烯原料是包含生物異戊二烯的發酵尾氣。在另外的實施例中，將包含生物異戊二烯的發酵尾氣進行處理以降低水蒸氣、氧氣、二氧化碳或其他生物副產物雜質的含量。在一個實施例中，通過去除原始組合物中存在的一部分永久氣體(n2、02、CO2),使得發酵尾氣的異戊二烯含量得到富集。
尾氣的濕度含量對轉化的程度和所得化合物的性質都有影響。在一些情況下，需要高溫度，例如當試圖得到氧化的衍生物時，或者為了限制從異戊二烯形成的高級低聚體的量。在其他情況下，可降低濕度以使轉化程度最大化或者使氧化的(水合的)產物減至最低。如果需要，可使用干燥劑如二氧化硅或分子篩來降低尾氣的濕度。或者，可在接觸酸性樹脂之前，通過用冷凝器將水蒸氣冷凝，來降低含異戊二烯的尾氣的濕度水平。在一些情況下，氧化的雜質(如醇類)在含異戊二烯的尾氣中的存在，可通過調節酸催化劑的反應性從而使高級低聚體、芳族化合物等的形成減至最低來改進反應的結果[Cruz (2005)，《活性和功能聚合物》(React. Func. Poly. ),65 =149-160]。在一個實施例中，使含有異戊二烯的發酵尾氣經過減濕器以除去水蒸氣，然后經過吸附劑床以除去氧化的雜質。合適的吸附劑包括二氧化娃、Selexsorb 、沸石、粘土、活性炭和其他材料。
衍自生物異戊二烯組合物的異戊二烯需要純化的程度取決于催化劑的性質和用來將異戊二烯轉化為衍生物的工藝條件。在某些實施例中，包含生物異戊二烯的發酵尾氣在進行化學催化之前經歷最低限度的處理。
在一個實施例中，將衍自生物異戊二烯組合物的氣相異戊二烯通過接觸固體酸催化劑轉化為低聚體(C10 二聚體、C15三聚體、C20四聚體等)。在另一個實施例中，包含生物異戊二烯的發酵尾氣在接觸固體酸催化劑時被轉化為含有異戊二烯的氣相組合物。反應可在含有氣相異戊二烯組合物和固體酸催化劑的小瓶或容器中進行。作為另一種選擇，可使含有異戊二烯的發酵尾氣經過含有固體酸催化劑的床或柱，從而導致一部分異戊二烯轉化為可用作燃料成分的異戊二烯衍生物。可通過任何有效的手段，包括蒸餾、膜分離、吸收 /汽提或其他分離方法，將產物與未反應的異戊二烯分離開來。
在另一個實施例中，可將氣相異戊二烯組合物通過接觸固體酸催化劑轉化為芳族化合物。例如，可將氣相異戍二烯組合物通過用Amberlystl5酸性樹脂處理轉化為間傘花烴和對傘花烴(3-異丙基甲苯和4-異丙基甲苯)，以及其他異戊二烯衍生物，包括3-甲基-2-丁酮、異戊二烯二聚體、三聚體和四聚體(參見實例5，圖15A-C)。這種方式產生的主要化合物在表I中列出。
氣相組合物中的異戊二烯的量可在O. 01% (IOOppmv)至100% v/v或其中的任何數字的范圍內。在某些實施例中，氣相異戊二烯濃度可在O. 2%至20%或O. 2%至10% v/ V或其中的任何數字的范圍內。
從異戊二烯組合物的氣相催 化獲得的各產物的比例，由異戊二烯的濃度、氣相組合物中其他組分的存在、所使用的催化劑、與催化劑的接觸時間以及其他工藝條件(例如溫度、壓力)決定。
可改變與催化劑的接觸時間以控制所產生的最終產物。一般而言，與催化劑接觸時間越短，燃料成分越短(例如C5-C10或< C5產物)，而與催化劑接觸時間越長，燃料成分越長(例如> ClO產物)。較短的接觸時間可用來生產較短的化合物，如C5化合物。在一個實施例中，較短的接觸時間可為約20秒至約12小時以及其中的任何數字。在其他實施例中，可使用至少約25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒或1、2、3、4、5、6、7、8、9、 10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50、55 分鐘或 1、2、3、4、5、6、7、8、 9、10、11、12小時的接觸時間。在其他實施例中，可使用比約12小時長的接觸時間來制備較短的燃料成分。可使用較長的接觸時間來生產較長的燃料成分。可以使用的較長接觸時間的非限制性例子包括但不限于至少約12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、 25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、 50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71 或 72 小時。例如，圖16顯示氣相異戊二烯組合物與Amberlystl5酸性樹脂進行20分鐘或12小時反應的結果。較長的接觸時間導致了 ClO芳族化合物的量相對于ClO 二聚體增加。
表1. Amberlystl5催化齊"處理氣相異戍二搖而衍牛.的化合物。
權利要求
1.一種從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法，所述方法包括通過以下方式將生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的大部分化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物 (a)使所述生物異戊二烯組合物接觸烯烴復分解催化劑以產生一種或多種烯烴產物，然后將所述一種或多種烯烴產物進行催化氫化以形成一種或多種烷烴燃料成分； (b)將所述生物異戊二烯組合物進行部分氫化以產生異戊烯，然后用異鏈烷烴將所述異戊烯進行烷基化以形成高辛烷烷基化物燃料成分；或者 (C)將所述生物異戊二烯組合物進行部分氫化以產生一種或多種異戊烯類物質，然后使所述一種或多種異戊烯類物質接觸烯烴復分解催化劑以形成一種或多種烯烴產物，再然后將所述一種或多種烯烴產物進行催化氫化以形成一種或多種烷烴燃料成分。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述生物異戊二烯組合物中至少約95%的異戊二烯被轉化為非異戊二烯化合物。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述生物異戊二烯組合物包含或含有大于約2mg的異戊二烯，并且以所述組合物中所有C5烴類的總重量計包含或含有大于99. 94重量％或約99. 94重量％的異戊二烯。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述烯烴復分解催化劑包含或涉及至少金屬配合物。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述金屬配合物是錸配合物、釕配合物、銠配合物、鋨配合物、鎢配合物、鑰配合物或鈦配合物。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述烯烴產物包含高級(>C5)烯烴或低級(< C5)烯烴或這兩者。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述一種或多種來自異戊二烯復分解的烯烴產物包含一種或多種選自以下的烯烴乙烯、異丁烯和含6、8和12個碳原子的烯烴(例如二甲基己三烯)。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述將所述生物異戊二烯組合物進行部分氫化的步驟包括使所述生物異戊二烯組合物接觸氫氣和用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑包含鈀催化劑。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述用異鏈烷烴將所述異戊烯進行烷基化的步驟包括使所述異戊烯在酸催化劑存在下接觸所述異鏈烷烴。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述酸催化劑是氫氟酸、硫酸、氟磺酸或全鹵代燒基橫酸。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述異鏈烷烴是丙烷、異丁烷或異戊烷。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與所述用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑不同。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與所述用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑相同。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述來自異戊烯復分解的烯烴產物包含一種或多種選自以下的烯烴乙烯和含6、8和12個碳原子的烯烴(例如二甲基己烯)。
16.一種用于從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的系統，所述系統包含生物異戊二烯組合物和 (a)(i) 一種或多種用于催化所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(ii) 一種能夠將所述烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑；或者 (b)(i) 一種能夠將所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，和(ii) 一種用于將所述衍自所述生物異戊二烯組合物的異戊烯進行烷基化以生產燃料成分的異鏈烷烴；或者 (c)(i) 一種能夠將所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，( ) 一種或多種用于催化所述由所述生物異戊二烯組合物部分氫化而產生的異戊烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(iii) 一種能夠將所述烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑；其中所述生物異戊二烯組合物中的所述異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述生物異戊二烯組合物包含大于約2mg的異戊二烯，并且以所述組合物中所有C5烴類的總重量計包含大于99. 94重量％或約99. 94重量％的異戊二烯。
18.根據權利要求16所述的系統，其中所述用于催化異戊二烯的復分解的催化劑包含錸配合物、釕配合物、銠配合物、鋨配合物、鎢配合物、鑰配合物或鈦配合物。
19.根據權利要求16所述的系統，其中所述烯烴產物包含高級(>C5)烯烴或低級(< C5)烯烴或這兩者。
20.根據權利要求19所述的系統，其中所述烯烴產物包含一種或多種選自以下的烯烴乙烯、異丁烯、二甲基己三烯和含6、8和12個碳原子的環狀烯烴。
21.根據權利要求19所述的系統，其中所述用于將所述一種或多種烯烴產物進行氫化以形成一種或多種烷烴燃料成分的催化劑包含選自以下的催化劑鈀催化劑、鎳催化劑、鈷催化劑、釕催化劑和銠催化劑。
22.根據權利要求19所述的系統，其中所述能夠將所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品包含氫氣和用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑。
23.根據權利要求22所述的系統，其中所述用于催化異戊二烯的部分氫化的催化劑包含鈀催化劑。
24.根據權利要求19所述的系統，其中所述用于將所述異戊烯進行烷基化的異鏈烷烴是丙烷、異丁烷或異戊烷。
25.根據權利要求19所述的系統，其中所述系統還包含用于將異戊烯進行烷基化的酸催化劑。
26.根據權利要求19所述的系統，其中所述用于將異戊烯進行烷基化的催化劑是氫氟酸、硫酸、氟磺酸或全齒代烷基磺酸。
27.根據權利要求19所述的系統，其中所述用于催化異戊烯的復分解的催化劑包含錸配合物、釕配合物、銠配合物、鋨配合物、鎢配合物、鑰配合物或鈦配合物。
28.根據權利要求19所述的系統，其中所述用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與所述用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑不同。
29.根據權利要求19所述的系統，其中所述用于異戊烯復分解的烯烴復分解催化劑與所述用于生物異戊二烯復分解的烯烴復分解催化劑相同。
30.根據權利要求19所述的系統，其中所述烯烴產物包含高級(>C5)烯烴或低級(< C5)烯烴或這兩者。
31.根據權利要求19所述的系統，其中所述來自異戊烯復分解的烯烴產物包含一種或多種選自以下的烯烴乙烯和含6、8和12個碳原子的烯烴(例如二甲基己烯)。
32.—種從生物異戊二烯組合物生產燃料成分的方法，所述方法包括 (a)使生物異戊二烯組合物接觸酸催化劑以產生C5-C50烯烴的一種或多種混合烯烴產物，其中所述混合烯烴產物包含C16-C50烯烴的較高分子量烯烴產物和C5-C15烯烴的較低分子量烯烴產物； (b)將所述C16-C50烯烴的較高分子量烯烴產物轉化為C5-C15烯烴的較低分子量烯烴產物；以及 (c)將所述C5-C15烯烴的較低分子量烯烴產物進行氫化以產生C5-C15烷烴燃料成分的飽和烴；其中所述生物異戊二烯組合物中的所述異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。
33.根據權利要求32所述的方法，其中所述將所述C16-C50烯烴的較高分子量烯烴產物轉化為C5-C15烯烴的較低分子量烯烴產物的步驟包括熱裂解、蒸汽裂解或復分解。
34.一種用于生產燃料成分的系統，所述系統包含 (a)包含生物異戊二烯組合物的發酵系統；以及 (b)(i) 一種或多種用于催化所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(ii) 一種能夠將所述烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑；或者 (c)(i) 一種能夠將所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，和(ii) 一種用于將所述衍自所述生物異戊二烯組合物的異戊烯進行烷基化以生產燃料成分的異鏈烷烴；或者 (d)(i) 一種能夠將所述生物異戊二烯組合物中的異戊二烯進行部分氫化以產生異戊烯的化學品，( ) 一種或多種用于催化所述由所述生物異戊二烯組合物部分氫化而產生的異戊烯的復分解以形成烯烴產物的催化劑，和(iii) 一種能夠將所述烯烴產物進行氫化以形成烷烴燃料成分的催化劑； 其中所述生物異戊二烯組合物中的所述異戊二烯的大部分被化學轉化為一種或多種非異戊二烯化合物。
35.根據權利要求34所述的系統，其中所述發酵系統是連續發酵系統。
36.根據權利要求34所述的系統，其中所述發酵系統選自分批發酵、補料-分批發酵、連續發酵和帶再循環過程的連續發酵。
37.根據權利要求34所述的系統，其中所述生物異戊二烯組合物的至少99%處于氣相。
38.一種通過根據權利要求1-15或32-33所述的方法中的任一個方法生產的燃料成分。
39.一種燃料成分，其中所述燃料成分的δ 13C值大于-22%。或者在-32%。至-24%。的范圍內。
40.一種燃料組合物，所述燃料組合物包含根據權利要求38所述的燃料成分。
41.根據權利要求40所述的燃料組合物，其中所述燃料組合物基本上不含異戊二烯。
42.根據權利要求40所述的燃料組合物，其中所述燃料組合物的S13C值大于-22%。或者在_32%。至_24%。的范圍內。
全文摘要
本發明提供使用來自可再生碳衍生的生物異戊二烯組合物的異戊二烯來生產多種烴燃料、燃料添加劑及精細化學用添加劑和其他用途的添加劑的方法、組合物和系統。
文檔編號C07C11/02GK103025688SQ201180036026
公開日2013年4月3日 申請日期2011年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者J·C·麥考利夫 申請人:丹尼斯科美國公司