DE69516523T2 - Verfahren zur gewinnung von polyhydroxyalkansäure - Google Patents

Description

• DIE ERFINDUNG bezieht sich auf ein Verfahren für die Gewinnung von Copolymeren der Hydroxybutter- und Hydroxyvaleriansäure.
• Es wurde herausgefunden, daß es möglich ist, Polyhydroxyalkansäure, z. B. Polyhydroxybuttersäure, in Mikroorganismen, z. B. Alcaligene, und in Pflanzen herzustellen. Die Gewinnung des Polymeren, insbesondere aus Pflanzen in einem Zustand von ausreichender Reinheit, damit es als ein Kunststoffmaterial verwendbar ist, weist jedoch Schwierigkeiten auf. Von Pflanzen abgeleitetes Material, z. B. Samen und Früchte, wird hierin als pflanzliches Material bezeichnet.
• Die EP-A-0355307, entsprechend dem US-Patent Nr. 4968611, Taussnig et al., beschreibt die Verwendung von Diolen oder acetalisierten Triolen zum Isolieren von Polyestern oder Copolyestern, umfassend Hydroxybutyrateinheiten (3-NB).
• Angew. Chemie 74, 10, 1962, 342-347, Schlegel et al., beschreibt, daß Poly-3-HB (PHB) mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 10 000 in Alkoholen mit mehr als drei Kohlenstoffatomen löslich ist. Die Isolierung von PHB aus Mikroorganismen wird gelehrt durch Ausfällung aus Zellysat unter Verwendung von Chloroform.
• Überraschenderweise haben wir herausgefunden, daß es möglich ist, eine effektive Abtrennung von Polyhydroxyalkansäure aus Material, das von Organismen abgeleitet ist, welche sie enthalten, durch Auflösen der Polyhydroxyalkansäure (PHA) in einem Lösungsmittel, das ein niederes Keton, ein Dialkylether oder ein niederer Alkohol oder ein Ester davon ist, Abtrennen der auf diese Weise gebildeten Lösung von dem ungelösten Material und Gewinnung der PHA aus der Lösung durchzuführen.
• Die Erfindung umfaßt deshalb ein Verfahren, in welchem ein Copolymer von Hydroxybutter- und Hydroxyvaleriansäure aus Material gewonnen wird, das aus lebenden Organismen abgeleitet ist, welches das Auflösen des Copolymeren in einem Lösungsmittel, bei dem es sich um einen C&sub1;-C&sub1;&sub0;-Alkohol oder einen Ester hiervon handelt, Abtrennen der Lösung von dem Material und Gewinnen des Copolymeren aus der Lösung umfaßt.
• Es ist häufig wünschenswert, das pflanzliche Material vor dem Verbinden mit dem Lösungsmittel zu zerkleinern oder zu mahlen, um einen stärker innigen Kontakt der Lösung mit dem Copolymer zu gestatten.
• Wenn das Lösungsmittel mit Wasser mischbar ist, ist es bevorzugt, daß das Copolymer aus der Lösung durch Zugabe von Wasser gefällt wird. Lösungsmittel, die mit Wasser nicht mischbar sind, können ebenso verwendet werden, wobei in diesem Fall das Copolymer durch Verdampfen des Lösungsmittels oder durch Temperatur-Kreislaufführung gewonnen werden kann, durch die das Copolymer bei einer hohen Temperatur gelöst wird, und die Lösung gekühlt wird, um das Copolymer zu fällen. Das Lösungsmittel kann in dem zuletzt genannten Fall für eine weitere Extraktion des Copolymeren wiederverwendet werden, aber es ist wünschenswert, wenn dies durchgeführt wird, zumindest einen Teil des Lösungsmittels durch frisches Lösungsmittel zu ersetzen, damit übermäßiges Bilden von Verunreinigungen bei dem fortgesetzten Wiederverwenden des Lösungsmittels verhindert wird. Frisches Lösungsmittel kann durch Destillieren von reinem Lösungsmittel aus verwendetem unreinen Lösungsmittel hergestellt werden.
• Bevorzugte, mit Wasser mischbare Lösungsmittel sind niedere Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol oder ein Propanol, der passenderweise Isopropanol ist. Solche Lösungsmittel können in der Gegenwart oder Abwesenheit von Wasser verwendet werden. Beispielsweise können Ethanol/Wasser-Mischungen verwendet werden, die azeotrope Zusammensetzungen sein können, aber nicht darauf beschränkt sind.
• Wenn das pflanzliche Material Öl enthält, ist es bevorzugt, daß das Öl aus dem pflanzlichen Material extrahiert wird, bevor es gemäß dieser Erfindung behandelt wird. Dies kann durchgeführt werden durch Pressen des pflanzlichen Materials, um das Öl herauszupressen, und/oder durch sein Extrahieren mit einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel, das passend ein Alkan oder ein Cycloalkan ist, welches z. B. 4 bis und vorzugsweise 5 bis 8 Kohlenstoffatome enthält. Das mit Wasser nicht mischbare Lösungsmittel ist vorzugsweise eines, das keine wesentlichen Mengen des Copolymeren auflöst.
• Wenn gewünscht, kann das Öl und das Copolymer zusammen aus dem pflanzlichen Material extrahiert werden durch ihr Auflösen in einem Lösungsmittel, Abtrennen der Feststoffe von dem ungelösten pflanzlichen Material und Abtrennen des Copolymeren von der Lösung, z. B. durch Abkühlen, um es zu fällen, oder durch Zugabe einer Flüssigkeit, die seine Löslichkeit in dem Lösungsmittel herabsetzt, z. B. Wasser.
• Die Solventextraktion wird vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb 100ºC und bevorzugt oberhalb 120ºC durchgeführt. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Temperatur nicht wesentlich 150ºC überschreiten sollte, um eine Depolymerisation des Copolymeren zu vermeiden. Passend sollte ein Verhältnis von 1,5 : 1 bis 10 : 1 von Lösungsmittel (ml) zu Feststoff (Gramm) angewendet werden, damit eine einfache Handhabung der Mischung aus dem pflanzlichen Material und dem Lösungsmittel und eine effektive Gewinnung des Copolymeren gewährleistet wird. Das Copolymer kann durch Kühlung der Lösung gewonnen werden, z. B. auf 20-80ºC und bevorzugt auf 30 bis 50º, oder durch Verdampfen des Lösungsmittels. Wird ein mit Wasser mischbares Lösungsmittel eingesetzt, kann die Lösung auf unter 100ºC abgekühlt, z. B. auf eine Temperatur in dem Bereich 40 bis 90, und Wasser zu der Lösung zugefügt werden, z. B. 10 bis 50% und vorzugsweise 25 bis 35 Vol.-%, um die Fällung zu bewirken. Je höher im allgemeinen das Molekulargewicht der Monomereinheiten in dem Copolymer ist, desto niedriger sind die zur Durchführung des Löseschrittes notwendigen Temperaturen. Unter den Lösungsmitteln mit geringer Mischbarkeit mit Wasser, die verwendet werden können, sind die höheren Alkohole eingeschlossen, z. B. C&sub4;- bis C&sub1;&sub0;- Alkohole, z. B. Butanol, und Amylalkoholester, die C&sub4; bis C&sub1;&sub0;-Kohlenstoffatome enthalten, z. B. Ethylacevat und Amylacetat.
• Basierend auf dem Hildebrand-Ausdruck für die Quadratwurzel der kohäsiven Energiedichte ("The Solubility of Non Electrolytes", Hildebrand, J. H. Scott, R. L. (1950)), dem Löslichkeitsparameter, wird herausgefunden, daß im allgemeinen Lösungsmittel mit Löslichkeitsparametern zwischen 15 und 30 J1/2/cm3/2 für Poly-3-hydroxybutyrat/Poly-3- hydroxyvalerat-Copolymere bevorzugt sind.
• Durch Zugabe von Wasser gefälltes Copolymer kann in Form eines Gels auftreten. Dieses kann zusammengepreßt werden, um das Lösungsmittel und/oder Wasser herauszutreiben, wobei Flocken von Copolymer zurückgelassen werden.
• Es ist bevorzugt, daß das pflanzliche Material wesentliche Mengen an Copolymer enthalten sollte, z. B. 10 bis 60 Gew.-% an Copolymer.
• Es ist bevorzugt, daß das nach der Extraktion des Copolymeren und Reduktion dessen Lösungsmittelgehaltes verbleibende Pflanzenmaterial an Tiere verfüttert wird. Es ist deshalb bevorzugt, daß das in dieser Erfindung verwendete Lösungsmittel in der Tierfütterung akzeptabel sein sollte, so daß Rückstände der Lösungsmittel in diesem toleriert werden können. Es ist jedoch bevorzugt, daß im wesentlichen das gesamte Lösungsmittel aus dem pflanzlichen Rückstand entfernt wird.
Beispiel 1
• Verbrauchtes Rapssamen-Schrotmehl (der nach den herkömmlichen Extraktionsmethoden für Raps-Öl, einschließlich Kochen, Zerkleinern und Hexanextraktion, zurückgelassene Rückstand) wurde mit Poly-3-hydroxybutyratpolymer-Teilchen in einem 2 : 1- Gewichtsverhältnis von Rapsmehl zu Polymer gemischt.
• 20 g der Mischung wurden durch Schütteln in 100 ml Hexanol-Lösungsmittel suspendiert und auf 140ºC erwärmt. Die Lösung wurde bei 140º 30 Minuten lang gehalten, danach wurden die Rapsmehl-Feststoffe durch Druckfiltration bei 2 bar unter Verwendung eines Metallnetz-Filtertuchs abfiltriert.
• Die Polymerlösung wurde unter Schütteln der Lösung auf 70ºC abgekühlt, wobei an diesem Punkt das Polymer ein starres, opakes Gel in dem Lösungsmittel bildete. Das Polymer wurde aus der Lösungsmittelphase durch Zusammenpressen des Polymergels zwischen in engem Abstand angeordneten rotierenden Rollen gewonnen, wobei Flocken des Polymeren größtenteils frei von Lösungsmittel hergestellt wurden. Das herausgepreßte Lösungsmittel konnte in weiteren Extraktionen direkt oder nach geeigneten Reinigungsverfahren, d. h. Verdampfung, wiederverwendet werden.
• Die sich ergebenden Polymerflocken wurden weiterhin durch Erwärmen auf 80ºC von Lösungsmittel befreit. Die sich ergebenden Polymerflocken, waren lösungsmittelfrei und umfaßten ein Polymer, das zu 99,7% rein war und ein Molekulargewicht von 650 000 aufwies.
Beispiel 2
• Transgene Arabidopsis thaliana, die 15% Polyhydroxybuttersäure enthält, wie von Poirier et al. Bio/Technology (1995) 13 142-150 beschrieben, kann wie folgt behandelt werden:
• Suspendiere durch Schütteln 20 g des getrockneten Materials in 100 ml Isopropanol und erwärme 30 Minuten lang in einem unter Druck gesetzten Behälter auf 140ºC, um die Poly-3-hydroxybuttersäure aufzulösen. Entferne nach der Polymerauflösung die Feststoffe aus der Flüssigkeit durch Filtration der Lösung. (Behalte die filtrierte Lösung von Poly-3- hydroxybutyrat in Isopropanol unter Druck, um die Verdampfung des Lösungsmittels zu vermeiden). Gewinne das Polymer aus dem Lösungsmittel durch Zugabe von mindestens 30 ml Wasser oder durch Verringerung der Lösungstemperatur auf 30 bis 60ºC, und trenne die feste Polyhydroxybuttersäure durch Filtern oder Zentrifugieren ab.

Claims (6)

1. Verfahren, bei dem ein Copolymer aus Hydroxybutter- und Hydroxyvaleriansäure aus einem von lebenden Organismen abgeleiteten Material gewonnen wird, durch Auflösen des Copolymeren bei einer Temperatur oberhalb 100ºC in einem Lösungsmittel, bei dem es sich um einen C&sub1;-C&sub1;&sub0;-Alkohol oder einen Monocarbonsäureester hiervon handelt, Abtrennen der Lösung von dem Material und Gewinnen des Copolymeren aus der Lösung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das von lebenden Organismen abgeleitete Material aus Mikroorganismen oder Pflanzen abgeleitet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Material von öltragendem Pflanzenmaterial abgeleitet ist, durch Extrahieren des Öls und Zerkleinern und/oder Mahlen dieses.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Ölextraktion zumindest teilweise durch Auflösen des Öls in einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel, in welchem die PHA im wesentlichen unlöslich ist, erzielt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Copolymer bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 150ºC gelöst und durch Kühlen der Lösung auf eine Temperatur im Bereich von 20 bis 80ºC und vorzugsweise 30 bis 50ºC oder, wenn das Lösungsmittel mit Wasser mischbar ist, Kühlen auf eine Temperatur von höchstens 100ºC oder vorzugsweise 20 bis 90ºC, und Zugeben von Wasser gewonnen wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach der Extraktion des Copolymeren und Reduktion dessen Lösungsmittelgehaltes verbleibendes Pflanzenmaterial an Tiere verfüttert wird.