从可再生资源中纯化异戊二烯.pdf

本发明涉及用于纯化异戊二烯，例如从发酵罐废气中纯化生物异戊二烯组合物的方法和设备。所述设备包括处理所述发酵罐废气的两个塔柱，其中所述发酵罐废气包含异戊二烯和多种杂质。在所述第一塔柱中，将溶剂加入所述废气中，并从所述第二塔柱中的所述溶剂汽提所述异戊二烯。还提供了下游的进一步纯化流程。还提供了所得的纯化的异戊二烯组合物。

权利要求书一种从发酵罐废气中纯化异戊二烯的方法，包括：
将包含异戊二烯、挥发性杂质和生物副产物杂质的发酵罐废气与第一塔柱中的溶剂接触，从而形成：
富含异戊二烯的溶液，所述溶液包含所述溶剂、所述废气
中存在的大部分所述异戊二烯和大部分所述生物副产物杂质；和
蒸汽，所述蒸汽包含所述废气中存在的所述挥发性杂质的一部分；
将富含异戊二烯的溶液从第一塔柱转移至第二塔柱；和
从所述第二塔柱中的所述富含异戊二烯的溶液汽提异戊二烯，从而形成：
贫含异戊二烯的溶液，所述溶液包含所述废气中存在的所述生物副产物杂质的一部分；和
纯化的异戊二烯组合物。
根据权利要求1所述的方法，其中所述废气为生物异戊二烯组合物。
根据权利要求1或2所述的方法，其中所述挥发性杂质包含选自H2O、CO2、N2、H2、CO和O2的一种化合物。
根据权利要求3所述的方法，其中所述挥发性杂质包含H2O、CO2和N2。
根据权利要求3所述的方法，其中所述挥发性杂质包含约25至约80摩尔％的CO2、约45至约99摩尔％的N2，并任选地包含小于约50摩尔％的O2。
根据权利要求5所述的方法，其中所述挥发性杂质包含约40至约60摩尔％的CO2、约65至约99摩尔％的N2和小于约25摩尔％的O2。
根据权利要求1所述的方法，其中所述生物副产物杂质包含极性杂质。
根据权利要求1所述的方法，其中所述生物副产物杂质包含选自下列的化合物：乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯、C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)、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、甲硫醇、乙酸甲酯、1‑丙醇、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑基乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑基乙酸酯、(E)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(Z)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(E，E)‑3，7，11‑三甲基‑1，3，6，10‑十二烷四烯、(E)‑7，11‑二甲基‑3‑亚甲基‑1，6，10‑十二烷三烯、3‑己烯‑1‑醇、3‑己烯‑1‑基乙酸酯、柠檬烯、香叶醇(反式‑3，7‑二甲基‑2，6‑辛二烯‑1‑醇)和香茅醇(3，7‑二甲基‑6‑辛烯‑1‑醇)。
根据权利要求1所述的方法，其中在所述废气中，相对于所述异戊二烯的量，所述生物副产物杂质的量大于约0.01％(w/w)。
根据权利要求9所述的方法，其中在所述废气中，相对于所述异戊二烯的量，所述生物副产物杂质的量大于约0.05％(w/w)。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂为非极性高沸点溶剂。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂具有大于约177℃的沸点。
根据权利要求12所述的方法，其中所述溶剂具有大于约191℃的沸点。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂在54℃下具有小于约1.25的CO2奥斯特瓦尔德系数。
根据权利要求14所述的方法，其中所述溶剂在54℃下具有小于约1.1的CO2奥斯特瓦尔德系数。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂具有小于约50的考立丁醇值。
根据权利要求16所述的方法，其中所述溶剂具有约20至约30的考立丁醇值。
根据权利要求17所述的方法，其中所述溶剂具有约23至约27的考立丁醇值。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂具有大于约66℃的苯胺点。
根据权利要求19所述的方法，其中所述溶剂具有约79℃至约93℃的苯胺点。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂在40℃下具有小于约2.5厘沲(cSt)的运动粘度。
根据权利要求21所述的方法，其中所述溶剂在40℃下具有小于约1.75厘沲(cSt)的运动粘度。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂在25℃下具有约20至30达因/厘米的表面张力。
根据权利要求23所述的方法，其中所述溶剂在25℃下具有约23至27达因/厘米的表面张力。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂具有约125至约225的平均分子量。
根据权利要求25所述的方法，其中所述溶剂具有约140至约200的平均分子量。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂选自萜烯、石蜡、单环芳烃、多环芳烃以及它们的混合物。
根据权利要求27所述的方法，其中所述溶剂为石蜡。
根据权利要求28所述的方法，其中所述溶剂为C10‑C20蜡。
根据权利要求29所述的方法，其中所述溶剂为C12‑C14蜡或异链烷烃。
根据权利要求29所述的方法，其中所述溶剂选自IsoparTM L、IsoparTM H和IsoparTM M。
根据权利要求31所述的方法，其中所述溶剂为IsoparTM L。
根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂还包含聚合抑制剂。
根据权利要求33所述的方法，其中所述聚合抑制剂选自2，2，6，6‑四甲基哌啶1‑氧基(TEMPO)；4‑羟基‑2，2，6，6‑四甲基哌啶1‑氧基(TEMPOL)；双(1‑氧基‑2，2，6，6‑四甲基哌啶‑4‑基)癸二酸酯(桥联的TEMPO)；和叔丁基儿茶酚。
根据权利要求33所述的方法，其中相对于所述异戊二烯的浓度，所述聚合抑制剂的浓度为约0.001％至约0.1％(w/w)。
根据权利要求1所述的方法，还包括在接触所述第一塔柱中的所述溶剂之前降低所述发酵罐废气的温度。
根据权利要求1所述的方法，还包括在所述发酵罐废气与所述第一塔柱中的所述溶剂接触之前，将所述发酵罐废气转移到一个隔离装置中，从而稳定所述废气的压力。
根据权利要求1所述的方法，还包括在接触所述第一塔柱中的所述溶剂之前至少部分地冷凝所述发酵罐废气。
根据权利要求1所述的方法，其中将所述发酵罐废气与第一塔柱中的溶剂接触包括从所述第一塔柱的底部提供汽提蒸汽。
根据权利要求39所述的方法，其中将来自所述第一塔柱的料流加热至大于约66℃的温度。
根据权利要求40所述的方法，其中将来自所述第一塔柱的料流加热至大于约93℃的温度。
根据权利要求41所述的方法，其中将来自所述第一塔柱的料流加热至约93℃至约135℃范围内的温度。
根据权利要求42所述的方法，其中将来自所述第一塔柱的料流加热至约110℃至约121℃范围内的温度。
根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵罐废气与第一塔柱中溶剂的所述接触还包括向所述第一塔柱添加水蒸汽。
根据权利要求1所述的方法，其中从所述第二塔柱的所述富含异戊二烯的溶液中进行的所述异戊二烯汽提包括向所述第二塔柱添加水蒸汽。
根据权利要求1所述的方法，还包括：
纯化贫含异戊二烯的溶液，以除去大部分生物副产物杂质；和
将所述贫含异戊二烯的溶液转移到所述第一塔柱再使用。
根据权利要求46所述的方法，其中纯化所述贫含异戊二烯的溶液包括用吸附系统处理所述贫含异戊二烯的溶液。
根据权利要求47所述的方法，其中所述吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅、或分子筛。
根据权利要求46所述的方法，其中所述吸附系统包含二氧化硅。
根据权利要求46所述的方法，其中纯化所述贫含异戊二烯的溶液包括蒸馏。
根据权利要求46所述的方法，其中纯化所述贫含异戊二烯的溶液包括液‑液萃取。
根据权利要求1所述的方法，还包括在除去大部分所述生物副产物杂质之前降低所述贫含异戊二烯的溶液的温度。
根据权利要求52所述的方法，其中将所述贫含异戊二烯的溶液的温度降至低于约66℃的温度。
根据权利要求53所述的方法，其中将所述贫含异戊二烯的溶液的温度降至低于约38℃的温度。
根据权利要求54所述的方法，其中将所述贫含异戊二烯的溶液的温度降至低于约24℃的温度。
根据权利要求1所述的方法，还包括进一步纯化所述纯化的异戊二烯组合物。
根据权利要求56所述的方法，其中进一步纯化所述纯化的异戊二烯组合物包括蒸馏。
根据权利要求57所述的方法，其中在将所述纯化的异戊二烯组合物从所述第二塔柱转移到回流冷凝器之后进行所述蒸馏。
根据权利要求56所述的方法，其中进一步纯化所述纯化的异戊二烯组合物包括用吸附系统处理所述纯化的异戊二烯组合物。
根据权利要求59所述的方法，其中所述吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅或
根据权利要求60所述的方法，其中所述吸附系统包含二氧化硅。
根据权利要求1所述的方法，还包括从所述蒸汽中除去所述异戊二烯的一部分。
根据权利要求62所述的方法，其中除去所述异戊二烯的一部分包括用吸附系统处理所述蒸汽。
根据权利要求63所述的方法，其中所述吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅或
根据权利要求64所述的方法，其中所述吸附系统包含活性炭。
根据权利要求1所述的方法，其中在大于大气压的压力下向所述第一塔柱提供所述发酵罐废气。
根据权利要求1所述的方法，其中所述纯化的异戊二烯组合物具有大于约90％的纯度。
根据权利要求67所述的方法，其中所述纯化的异戊二烯组合物具有大于约95％的纯度。
根据权利要求68所述的方法，其中所述纯化的异戊二烯组合物具有大于约99％的纯度。
根据权利要求1所述的方法，其中相对于所述发酵罐废气的生物副产物杂质的量，所述纯化的异戊二烯组合物包含小于约25％的生物副产物杂质。
根据权利要求70所述的方法，其中相对于所述发酵罐废气的生物副产物杂质的量，所述纯化的异戊二烯组合物包含小于约10％的生物副产物杂质。
根据权利要求71所述的方法，其中相对于所述发酵罐废气的生物副产物杂质的量，所述纯化的异戊二烯组合物包含小于约5％的生物副产物杂质。
根据权利要求1所述的方法，其中相对于所述发酵罐废气的挥发性杂质的量，所述纯化的异戊二烯组合物包含小于约25％的挥发性杂质。
根据权利要求73所述的方法，其中相对于所述发酵罐废气的挥发性杂质的量，所述纯化的异戊二烯组合物包含小于约10％的挥发性杂质。
根据权利要求74所述的方法，其中相对于所述发酵罐废气的挥发性杂质的量，所述纯化的异戊二烯组合物包含小于约5％的挥发性杂质。
一种由根据权利要求1所述的方法制备的纯化的异戊二烯组合物。
根据权利要求59所述的方法，其中所述吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅、或分子筛，并适于吸附二甲基二硫醚。
根据权利要求56所述的方法，其中所述进一步纯化包括将所述纯化的异戊二烯组合物与水或碱和水接触。
根据权利要求78所述的方法，其中所述碱和水中的所述碱的浓度为约10重量％。
根据权利要求1所述的方法，还包括从所述贫含异戊二烯的溶液中萃取甲醇、丙酮或乙酸甲酯中的至少一种。
一种包含异戊二烯和生物副产物杂质的组合物，其中所述生物副产物杂质包含C5烃，并且其中相对于C5烃的重量，具有大于约99.94％的异戊二烯(w/w)，以及相对于所述异戊二烯的重量，具有小于约0.05％的生物副产物(w/w)。
根据权利要求81所述的组合物，其中所述生物副产物杂质包含选自下列的一种或多种化合物：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、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁‑1‑烯乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁‑1‑烯乙酸酯、(E)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(Z)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(E，E)‑3，7，11‑三甲基‑1，3，6，10‑十二烷四烯和(E)‑7，11‑二甲基‑3‑亚甲基‑1，6，10‑十二烷三烯。
根据权利要求81所述的组合物，相对于所述组合物的重量，还包含小于约5％的挥发性杂质。
根据权利要求81所述的组合物，其中相对于所述组合物的重量，所述组合物包含大于约95％的异戊二烯。

说明书从可再生资源中纯化异戊二烯
技术领域
本公开涉及异戊二烯的制备。
背景技术
异戊二烯(2‑甲基‑1，3‑丁二烯)是有广泛应用的重要有机化合物。例如，异戊二烯在许多化学组合物和聚合物的合成中用作中间体或原料。异戊二烯还是一种由多种植物和动物(包括人类)天然合成的重要生物材料。
当二十世纪六十年代早期异戊二烯的立构规整聚合在商业上变得可行时，异戊二烯便成为顺式‑1，4‑聚异戊二烯合成中使用的重要单体。通过此类立构规整聚合制备的顺式‑1，4‑聚异戊二烯在结构和特性方面与天然橡胶类似。尽管它不完全等同于天然橡胶，但它在多种应用中可以用作天然橡胶的替代品。例如，合成顺式‑1，4‑聚异戊二烯橡胶广泛用于制造汽车轮胎和其他橡胶产品。对合成顺式‑1，4‑聚异戊二烯橡胶的这种需求消耗了在全球市场中可得的大部分异戊二烯。其余的异戊二烯则用于制备其他合成橡胶、嵌段共聚物和其他化学产品。例如，用异戊二烯制备丁二烯‑异戊二烯橡胶、苯乙烯‑异戊二烯共聚物橡胶、苯乙烯‑异戊二烯‑丁二烯橡胶、苯乙烯‑异戊二烯‑苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯‑异戊二烯嵌段共聚物。
多年来，已经研究了多种用于制备异戊二烯的合成路线。例如，通过将异丁烯与甲醛在催化剂的存在下反应而进行的异戊二烯合成描述于美国专利3,146,278、美国专利3,437,711、美国专利3,621,072、美国专利3,662,016、美国专利3,972,955、美国专利4,000,209、美国专利4,014,952、美国专利4,067,923和美国专利4,511,751。美国专利3,574,780公开了另一种制备异戊二烯的方法，该方法通过使甲基叔丁基醚与空气的混合物流过混合氧化物催化剂而制备异戊二烯。甲基叔丁基醚在该催化剂作用下裂解为异丁烯和甲醇。所生成的甲醇接着被氧化成甲醛，然后甲醛与异丁烯在同一催化剂作用下反应生成异戊二烯。美国专利5,177,290公开了制备包括异戊二烯在内的二烯的方法，其包括在一定反应条件下将叔烷基醚和氧气源的反应混合物在两种功能不同的催化剂作用下反应，所述反应条件保证足以生成高收率的二烯并且使得叔烷基醚和叔烷基醚分解产物的再循环量最少。
工业应用中使用的异戊二烯通常作为石油或石脑油的热裂解副产物制备而得，或以其他方式从石化生产过程中提取。这是较为昂贵的能源密集型方法。由于全球对石化产品的需求不断增长，预期异戊二烯的成本会在长期内升至更高的水平并且它的可得性在任何情况下都会受到限制。令人担忧的是，未来从基于石化来源提供的异戊二烯将不足以满足预计的需求，并且其价格将会升至前所未有的水平。因此，需要从环保的低成本可再生资源获得异戊二烯源。
最近用可再生资源进行异戊二烯的制备已取得了若干进展(请参见，例如，国际专利申请公布No.WO2009/076676)用这些制备技术生产的异戊二烯组合物通常包含数量不等的作为发酵流程一部分的杂质。例如，发酵可以生成挥发性成分，如来自发酵培养基的水蒸气、作为呼吸产物的二氧化碳和有氧代谢中的残余氧气，以及其他有机生物副产物。氧气可能会引发不需要的异戊二烯化学反应，从而降低收率并生成不期望的反应产物。二氧化碳是异戊二烯转化和应用的后续催化反应的已知抑制剂，例如抑制异戊二烯转化为聚合物‑如二聚物、三聚物，直至如同合成橡胶之类的很长链的聚合物。水蒸气和其他残余生物副产物对于使用异戊二烯的许多应用而言也是不期望的。因此，期望获得用可再生资源制备的异戊二烯组合物的纯化技术和方法。
本文提及的所有出版物、专利、专利申请和公布的专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文中。
发明内容
本发明专门地提供了纯化可再生资源或类似物中的异戊二烯的方法和设备以及所得的纯化异戊二烯组合物。
在一个方面，提供了纯化发酵罐废气中的异戊二烯的方法，其中废气包含异戊二烯、挥发性杂质和生物副产物杂质，该方法包括：将发酵罐废气与包括第一(吸收‑汽提‑蒸馏)塔柱的设备中的溶剂接触，从而形成：富含异戊二烯的溶液，该溶液包含溶剂、大部分异戊二烯和大部分生物副产物杂质；和包含大部分挥发性杂质的蒸汽；将富含异戊二烯的溶液从第一塔柱转移至第二塔柱；并且从第二塔柱中的富含异戊二烯的溶液中蒸出异戊二烯，从而形成：贫含异戊二烯的溶液，该溶液包含大部分生物副产物杂质；及纯化了的的异戊二烯组合物。在一些实施例中，废气为生物异戊二烯组合物。
在这些实施例的任一个中，挥发性杂质包含选自H2O、CO2、N2、H2、CO和O2的化合物。在一些实施例中，挥发性杂质包含H2O、CO2和N2。在一些实施例中，挥发性杂质包含约25至约80摩尔％的CO2、约45至约99摩尔％的N2，并任选地包含小于约50摩尔％的O2。在一些实施例中，挥发性杂质包含约40至约60摩尔％的CO2、约65至约99摩尔％的N2，并任选地包含小于约25摩尔％的O2。
在这些实施例的任一个中，生物副产物杂质包含极性杂质、非极性杂质或半极性杂质。在一些实施例中，生物副产物杂质包含选自以下的一种、两种、三种或更多种化合物：乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯、C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)、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、甲硫醇、乙酸甲酯、1‑丙醇、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑基乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑基乙酸酯、(E)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(Z)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(E，E)‑3，7，11‑三甲基‑1，3，6，10‑十二烷四烯和(E)‑7，11‑二甲基‑3‑亚甲基‑1，6，10‑十二烷三烯、3‑己烯‑1‑醇、3‑己烯‑1‑基乙酸酯、柠檬烯、香叶醇(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‑甲基‑1，3‑戊二烯、(Z)‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯。在一些实施例中，在发酵的废气中，生物副产物的量相对于异戊二烯的量的比率大于约0.01％(w/w)、或大于约0.05％(w/w)。
在这些实施例的任一个中，溶剂为非极性高沸点溶剂。在一些实施例中，溶剂具有大于约177℃(350°F)或大于约191℃(375°F)的沸点。在一些实施例中，溶剂在54℃(130°F)下具有小于约1.25或小于约1.1的CO2Ostwald系数。在一些实施例中，溶剂具有小于约50、或约20至约30、或约23至约27的考立丁醇值。一些实施例中，溶剂具有大于约66℃(150°F)、或约79℃(175°F)至约93℃(200°F)的苯胺点。在一些实施例中，溶剂在40℃下具有小于约2.5厘沲(cSt)或小于约1.75厘沲(cSt)的运动粘度。在一些实施例中，溶剂在25℃下具有约20至30达因/厘米、或约23至27达因/厘米的表面张力。在一些实施例中，溶剂具有约125至约225、或约140至约200的平均分子量。在一些实施例中，溶剂选自萜烯、石蜡、单环芳烃、多环芳烃或它们的混合物。在一些实施例中，溶剂为石蜡(如C10‑C20石蜡，如C12‑C14石蜡)。在一些实施例中，溶剂为异链烷烃，如C12‑C14异链烷烃。在一些实施例中，溶剂选自基本上类似于IsoparTML、IsoparTM H和IsoparTM M的溶剂。在一些实施例中，溶剂选自IsoparTM L、IsoparTM H和IsoparTM M。在一些实施例中，溶剂基本上类似于IsoparTM L。在一些实施例中，溶剂为IsoparTM L。在一些实施例中，溶剂还包含聚合抑制剂。在一些实施例中，聚合抑制剂选自2，2，6，6‑四甲基哌啶1‑氧基(TEMPO)；4‑羟基‑2，2，6，6‑四甲基哌啶1‑氧基(TEMPOL)；双(1‑氧基‑2，2，6，6‑四甲基哌啶‑4‑基)癸二酸酯(桥联的TEMPO)；和叔丁基儿茶酚。在一些实施例中，相对于异戊二烯的浓度，聚合抑制剂的浓度为约0.001％至约0.1％(w/w)。
在这些实施例的任一个中，在接触第一塔柱中的溶剂之前降低发酵罐废气的温度。
在这些实施例的任一个中，在发酵罐废气与第一塔柱中的溶剂接触之前将发酵罐废气转移至能够稳定废气压力的分离装置。
在这些实施例的任一个中，使发酵罐废气在接触第一塔柱中的溶剂之前至少部分地冷凝。
在这些实施例的任一个中，使发酵罐废气与第一塔柱中的溶剂接触的步骤包括冷却送入的溶剂。在将贫溶剂流送入第一塔柱之前将其冷却，如冷却至4℃(40°F)。
在一些实施例中，使第一(或第二)塔柱的底部流出的料流再沸腾至大于约66℃(150°F)，或大于约91℃(200°F)。在一些实施例中，底部料流从约93℃(200°F)再沸腾至约135℃(275°F)，或从约110℃(230°F)再沸腾至约121℃(250°F)。再沸腾步骤将从富含异戊二烯的溶剂中汽提挥发性杂质CO2。
在这些实施例的任一个中，使发酵罐废气与第一塔柱中的溶剂接触的步骤还包括作为一种替代形式将蒸汽加入第一塔柱中，以使底部料流再沸腾，这在某些操作条件下是必需的。
在这些实施例的任一个中，从第二塔柱中的富含异戊二烯的溶液中蒸出异戊二烯的步骤包括作为一种替代形式将蒸汽添加至第二塔柱中，以便进行再沸腾。
在这些实施例的任一个中，该方法还包括将纯化了的贫含异戊二烯的溶液转移到第一塔柱以重新使用。在一些实施例中，该方法还包括：纯化贫含异戊二烯的溶液，以除去大部分生物副产物杂质；以及将纯化的贫含异戊二烯的溶液转移到第一塔柱以重新使用。在一些实施例中，纯化贫含异戊二烯的溶液包括用吸附系统处理贫含异戊二烯的溶液。在一些实施例中，吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅或(得自BASF)。在一些实施例中，吸附系统包含二氧化硅。在一些实施例中，纯化贫含异戊二烯的溶液的手段包括蒸馏。在一些实施例中，纯化贫含异戊二烯的溶液的手段包括液‑液萃取。
在这些实施例的任一个中，在除去大部分生物副产物杂质之前降低贫含异戊二烯的溶液的温度。在一些实施例中，将贫含异戊二烯的溶液的温度降至小于约66℃(150°F)、或降至小于约38℃(100°F)、或降至小于约24℃(75°F)。
在这些实施例的任一个中，该方法包括对纯化了的的异戊二烯组合物进行进一步纯化。在一些实施例中，纯化异戊二烯的手段包括蒸馏(如在将纯化的异戊二烯组合物从第二塔柱转移至回流冷凝器之后)。在一些实施例中，对纯化了的的异戊二烯组合物进行进一步纯化包括用吸附系统处理纯化了的的异戊二烯组合物。在一些实施例中，吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅或在一些实施例中，吸附系统包含二氧化硅。
在这些实施例的任一个中，该方法还包括从蒸汽中除去小部分的异戊二烯(如果存在)。在一些实施例中，除去小部分的异戊二烯(如果存在)包括用吸附系统处理蒸汽。在一些实施例中，吸附系统包含活性炭、氧化铝、二氧化硅或在一些实施例中，吸附系统包含活性炭。
在这些实施例的任一个中，在大于大气压的压力下向第一塔柱提供发酵罐废气。
在这些实施例的任一个中，纯化的异戊二烯组合物具有大于约90％、或大于约95％、或大于约99％的纯度。
在这些实施例的任一个中，相对于发酵罐废气的生物副产物杂质，纯化的异戊二烯组合物包含小于约25％、或小于约10％、或小于约5％的生物副产物杂质。
在这些实施例的任一个中，相对于发酵罐废气的挥发性杂质，纯化的异戊二烯组合物包含小于约2.5％的水以及小于0.25％、或小于约0.10％、或小于约0.05％的CO2、O2和N2杂质。
在另一方面，提供了可用本文所述方法的任一种制备的纯化异戊二烯组合物。在一些实施例中，提供了用本文所述方法的任一种制备的纯化异戊二烯组合物。
在另一方面，提供了异戊二烯组合物。在一些实施例中，该组合物包含异戊二烯和生物副产物杂质，其中生物副产物杂质包含C5烃，并且相对于C5烃的重量具有大于约99.94％的异戊二烯(w/w)，相对于异戊二烯的重量具有小于约0.05％的生物副产物(w/w)。在一些实施例中，生物副产物包含一种或多种上文所列的化合物，所述化合物包括选自以下的那些：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、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁‑1‑烯乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁‑1‑烯乙酸酯、(E)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(Z)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯和2，3‑环庚烯醇吡啶。在一些实施例中，相对于组合物的重量，组合物包含小于约5％的挥发性杂质。在一些实施例中，相对于组合物的重量，组合物包含大于约95％的异戊二烯。
附图说明
图1为如本文所述纯化异戊二烯的方法和相关设备的示意图。
图2为异戊二烯吸收效率的曲线图。
图3为异戊二烯/溶剂组合物的分析。
图4示出了图3的细节。
图5为从溶液中回收的异戊二烯的曲线图。
图6为进一步纯化异戊二烯的方法和相关设备的示意图。
图7为异戊二烯中的杂质的曲线图。
图8为二甲基二硫醚杂质的浓度随时间变化的曲线图。
图9为二甲基二硫醚浓度随时间变化的另一个曲线图。
具体实施方式
本公开专门地提供了用于从可再生资源中纯化异戊二烯的方法和设备。这些方法可以使用一个或多个蒸馏塔柱除去由于发酵而产生的挥发性和/或生物副产物杂质。
我们已确定了使用溶剂(如非极性溶剂)并采用可提供具有显著提高的纯度的异戊二烯的吸收和汽提方法纯化由可再生资源生成的发酵罐废气中的异戊二烯的方法。本文所述的纯化异戊二烯组合物尤其适用于传统上使用石油基异戊二烯的应用，如聚合，并用作多种所需化学组合物的合成原料。
因此，在一个方面，提供了从发酵罐废气中纯化异戊二烯的方法，该方法包括：使发酵罐废气与吸收塔柱中的溶剂接触，从而形成：富含异戊二烯的溶液，该溶液包含溶剂和大部分异戊二烯；和包含大部分挥发性杂质的蒸汽。在一些实施例中，该方法还包括：从第二塔柱中的富含异戊二烯的溶液蒸出异戊二烯，从而形成：贫含异戊二烯的溶液，该溶液包含大部分生物副产物杂质；和纯化了的的异戊二烯组合物。另外还提供了纯化的异戊二烯组合物。
除非本文另外指明，否则本文所用的所有技术和科学术语都具有与本发明所涉及领域中的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
如本文所用，除非上下文明确指明，否则单数术语“一”、“一个”、“所述”包括复数含义。
本说明书中给出的每个上限值旨在包括所有较它为低的限值，一如此类限值被明确写出一样。本说明书中给出的每个下限值将包括所有较它为高的限值，一如此类限值被明确写出一样。本说明书中给出的每个数值范围将包括属于此类较宽数值范围的每个较窄数值范围，一同此类较窄数值范围全部明确写出于本文一样。
术语“异戊二烯”是指2‑甲基‑1，3‑丁二烯(CAS#78‑79‑5)。异戊二烯可以作为通过从3，3‑二甲基烯丙基焦磷酸酯(DMAPP)中除去焦磷酸酯而获得的直接和最终挥发性C5烃产物来制备，并且不涉及一个或多个IPP分子与一个或多个DMAPP分子的连接或聚合。除非本文另外指明，否则术语“异戊二烯”一般并不旨在限于它的制备方法。
如本文所用，“生物制备的异戊二烯”或“生物异戊二烯”是指用任何生物方法制备的异戊二烯，如用遗传工程细胞培养物、天然微生物、植物或动物制备。与由石化来源制备的异戊二烯相比，生物异戊二烯组合物通常包含更少的烃杂质，并且通常只需要很少的处理就可以具有聚合等级的性质。生物异戊二烯组合物还具有与石化制备的异戊二烯组合物不同的杂质分布。
尽管可以通过分馏石油获得异戊二烯，但该材料的纯化昂贵而且耗时。C5烃流的石油裂解仅生成约15％的异戊二烯。也可以用多种微生物、植物和动物物种自然生成异戊二烯。具体地讲，已经发现了两种进行异戊二烯生物合成的途径：甲羟戊酸(MVA)途径和非甲羟戊酸(DXP)途径。生物反应器中的遗传工程细胞培养物已能够以更高效率、更大数量、更高纯度和/或专一的杂质分布来制备异戊二烯，如国际专利申请公布No.WO2009/076676；美国专利申请No.12/496,573、12/560,390、12/560,317、12/560,370、12/560,305和12/560,366；以及美国临时专利申请No.61/187,930、61/187,934和61/187,959中所述。
粗制生物异戊二烯组合物与衍生自石油的异戊二烯(在本文中称为“石油异戊二烯”)组合物不同，生物异戊二烯组合物基本上不含通常存在于石油异戊二烯组合物中的任何造成污染的不饱和C5烃，例如但不限于1，3‑环戊二烯、反式‑1，3‑戊二烯、顺式‑1，3‑戊二烯、1，4‑戊二烯、1‑戊炔、2‑戊炔、3‑甲基‑1‑丁炔、戊‑4‑烯‑1‑炔、反式‑戊‑3‑烯‑1‑炔和顺式‑戊‑3‑烯‑1‑炔。如果本文所述的生物异戊二烯原料组合物中存在任何造成污染的不饱和C5烃，那么它们的含量也要比在石油异戊二烯组合物中的含量低。但与高度纯化的石油异戊二烯相比，粗制生物异戊二烯也可能具有更高含量的某些C5烃。考虑到它们与异戊二烯具有结构相似性并且可以充当聚合反应催化剂的毒物，这些杂质中的若干问题尤为突出。如下文所述，生物制备的异戊二烯组合物不必进行昂贵的纯化就可以基本上不含任何造成污染的不饱和C5烃。
此外，用碳指纹技术可以区别生物异戊二烯与石油异戊二烯。在一个方面，生物异戊二烯具有比石油异戊二烯更高的放射性碳‑14(14C)含量或更高的14C/12C比率。生物异戊二烯由可再生的碳源制备而成，因此生物异戊二烯中的14C含量或14C/12C比率与当前大气环境中相同。另一方面，石油异戊二烯衍生自几千至几百万年前沉积的化石燃料，因此由于放射性衰变，14C含量或14C/12C比率有所降低。如本文所详述，与衍生自石油异戊二烯的燃料产物相比，衍生自生物异戊二烯的燃料产物具有更高的14C含量或14C/12C比率。在一个实施例中，本文所述的衍生自生物异戊二烯的燃料产物具有与大气环境中类似的14C含量或14C/12C比率。在另一方面，可以用稳定碳同位素比率(13C/12C)分析性地区分生物异戊二烯与石油异戊二烯，该比率可以报告为用符号δ13C表示的“Δ值”。例如，对于通过从石油精炼厂萃取蒸馏C5料流而获得的异戊二烯而言，δ13C为约‑22‰至约‑24‰。此范围通常适用于衍生自石油的轻质不饱和烃，衍生自石油基异戊二烯的产物通常包含具有相同δ13C的异戊二烯单元。通过对具有极少量其他含碳营养素(如酵母提取物)的玉米衍生葡萄糖(δ13C‑10.73‰)进行发酵而制备的生物异戊二烯可生成能聚合为具有‑14.66‰至‑14.85‰的δ13C的聚异戊二烯的异戊二烯。由此类生物异戊二烯制备的产物预期具有比衍生自石油基异戊二烯较高的δ13C值。
另外，生物异戊二烯组合物与石油异戊二烯组合物的不同之处还在于生物异戊二烯组合物包含在石油异戊二烯组合物中不存在或含量低得多的其他生物副产物，例如包含极性杂质，如醇、醛、酮等。生物副产物可以包括但不限于乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯、C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)、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、甲硫醇、乙酸甲酯、1‑丙醇、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑基乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑基乙酸酯、(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‑环庚烯醇吡啶、3‑己烯‑1‑醇、3‑己烯‑1‑基乙酸酯、柠檬烯、香叶醇(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)或线性异戊二烯聚合物(如衍生自多个异戊二烯单元聚合反应的线性异戊二烯二聚体或线性异戊二烯三聚体)。如本文所述，生物异戊二烯组合物可以另外包含发酵期间获得的相当量的一种或多种挥发性杂质(如O2、N2、H2O、CO2)。可取的是如本文的方法中所述从生物异戊二烯中除去这些化合物中的一种或多种(如极性化合物和/或挥发性杂质)。
除非根据上下文另有定义，否则“大部分”意指大于50％(按重量计)的含量。例如，大部分异戊二烯是指大于50％的所提及的异戊二烯。在一些实施例中，大部分是按重量计大于60％、70％、75％、80％、90％、95％或99％。
如本文所用，“纯化的异戊二烯组合物”是指与发酵罐废气中存在的一种或多种组分的至少一部分(如，挥发性杂质和/或生物副产物杂质的一部分)分离了的的异戊二烯组合物。纯化的异戊二烯组合物可以任何相或相的混合物形式存在，例如完全气相(如，具有一种或多种其他组分的异戊二烯气体)、完全液相(如，具有0、1、2或更多种组分的含异戊二烯的溶液)、固相或它们的混合物。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物为至少约20重量％，不含除异戊二烯之外的组分。在多个实施例中，纯化的异戊二烯组合物的纯度按重量计为至少或约25％、30％、40％、50％、60％、70％、75％、80％、90％、95％、98％或99％。可以用任何合适的方法分析纯度，如，柱层析、HPLC分析或GC‑MS分析。
如本文所用，“生物副产物”或“生物副产物杂质”是指除异戊二烯和甲烷之外、与生物发酵流程相关并在提及的发酵罐废气中与异戊二烯一起获得的一种或多种有机化合物。
如本文所用，“挥发性杂质”是指在提及的发酵罐废气中发现的、在标准大气条件下为气态的甲烷和/或一种或多种无机化合物。
除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语都是本发明所属领域的技术人员通常所理解的意思。Singleton，et al.，Dictionary of Microbiology and Molecular Biology，2nd ed.，John Wiley and Sons，New York(1994)(Singleton等人，微生物学和分子生物学词典，第二版，John Wiley and Sons出版社，纽约(1994年))，和Hale & Marham，The Harper Collins Dictionary of Biology，Harper Perennial，N.Y.(1991)(Hale Marham，生物学辞典，Harper Perennial出版社，纽约(1991年))为技术人员提供了本文所用许多术语的通用词典。应当理解，本发明并不限于所述的具体方法、规程和试剂，它们可以有所不同。本领域的技术人员还将了解，也可以用类似于或等同于本文所述方法和材料的任何方法和材料实施或测试本发明。
本文提供的标题并不排除本发明的其它各个方面或实施例，这些方面或实施例都可以藉对说明书做整体参考而获致。
如本文所用，除非另外明确指明，否则术语“一”、“一个”等是指一个或多个。
对本文中的“约”值或参数的参考包括(并描述)涉及该值或参数自身的实施例。例如，涉及“约X”的描述包括“X”的描述。数值范围包括限定该范围的端值在内。
应当理解，本文所述的本发明的方面和实施例还包括“包含”、“由其组成”和“基本上由其组成”的各个方面和实施例。
异戊二烯纯化
本文提供了富集和/或纯化异戊二烯的方法。在一些实施例中，异戊二烯来自发酵罐废气。在一个方面，提供了从发酵罐废气中纯化异戊二烯的方法，其中废气包含异戊二烯和挥发性杂质。在一个实施例中，提供了从发酵罐废气中纯化异戊二烯的方法，其中废气包含异戊二烯和挥发性杂质，该方法包括：使发酵罐废气与吸收塔柱中的溶剂接触，从而形成：富含异戊二烯的溶液，该溶液包含溶剂和大部分异戊二烯；和包含大部分挥发性杂质的蒸汽。
在一个方面，提供了从包含异戊二烯和生物副产物杂质的溶液中纯化异戊二烯的方法。在一个实施例中，提供了从包含异戊二烯和生物副产物杂质的溶液中纯化异戊二烯的方法，该方法包括：从塔柱中的溶液蒸出异戊二烯，从而形成：贫含异戊二烯的溶液，该溶液包含大部分生物副产物杂质；及纯化了的的异戊二烯组合物。
在一个方面，提供了从发酵罐废气中纯化异戊二烯的方法，其中废气包含异戊二烯、挥发性杂质和生物副产物杂质，该方法包括：(a)使发酵罐废气与第一塔柱中的溶液接触，从而形成：富含异戊二烯的溶液，该溶液包含溶剂、大部分异戊二烯和大部分生物副产物杂质；和包含大部分挥发性杂质的蒸汽；(b)使富含异戊二烯的溶液从第一塔柱转移至第二塔柱；以及(c)从第二塔柱中的富含异戊二烯的溶液蒸出异戊二烯，从而形成：贫含异戊二烯的溶液，该溶液包含大部分生物副产物杂质；及纯化了的的异戊二烯组合物。
图1示出了纯化异戊二烯的示例性方法和示例性设备。可用本领域的任何方法从可再生资源(如碳源)生成包含异戊二烯的发酵罐废气，例如美国临时专利申请No.61/187,944中所述，该专利申请的内容以引用方式并入本文中，尤其是与生成包含异戊二烯的发酵罐废气的方法相关的内容。一个或多个单独的发酵罐12(如，1、2、3、4、5、6、7、8或更多个串联和/或并联的发酵罐)中生成的发酵罐废气可引导至第一塔柱14。如下文所述，发酵罐废气可以被引导通过分离装置16和/或由压缩装置压缩，如压缩系统18。另外，发酵罐废气的温度可以任选地在任何时间降低，例如，以便在与溶剂(有助于溶解一种或多种废气组分，如异戊二烯)接触之前形成冷凝物或部分冷凝物。发酵罐废气可以在塔柱14处与溶剂(如，本文所述的任何溶剂，例如非极性高沸点溶剂)接触(如，被吸收)。将溶剂(尤其是非极性高沸点溶剂)中更不容易吸收的挥发性杂质与剩余的溶剂/发酵罐废气混合物分离，得到包含大部分挥发性杂质的蒸汽(如，从端口20处离开)，以及具有大部分异戊二烯和大部分生物副产物杂质的富含异戊二烯的溶液(如，在端口22处)。气提蒸汽流可以由有助于将挥发性杂质与剩余溶液分离的任何合适装置(如，第一塔柱中发酵罐废气进料点下方的蒸汽喷射或重沸器装置23)提供。蒸汽可以被引导通过塔柱(在任何合适的位置处，如图1所示)，以提供有助于去除挥发性杂质的吹扫蒸汽相。
具有大部分异戊二烯和大部分生物副产物杂质的富含异戊二烯的溶液(如，端口22处)可以引导至第二塔柱24。第二塔柱可以是与第一塔柱14(如图1所示)分离的，也可以是包括第一和第二塔柱的统一塔柱的一部分(如，串联塔柱，其中溶剂从一端处或附近进入第一塔柱，并从相对端处或附近离开第二塔柱)。异戊二烯可以从第二塔柱的富含异戊二烯的溶液中气提，得到纯化的异戊二烯组合物(如，端口26处)和包含大部分生物副产物杂质的贫含异戊二烯的溶液(如，端口28处)。可以向第二塔柱中添加蒸汽，有助于从剩余的溶液中气提异戊二烯。蒸汽可以被引导通过塔柱(在任何合适的位置处，如富含异戊二烯的溶液的进入点的相对端和/或贫含异戊二烯的溶液的离开端附近，如图1所示)。
如本文所述，塔柱可以是常规塔柱并且可以具有任何合适的尺寸。示例性塔柱类型可从包括Koch Modular Process Systems公司(新泽西州帕拉默斯)(Koch Modular Process Systems(Paramus，NJ))、福陆公司(德克萨斯州欧文)(Fluor Corporation(Irving，TX))、美国库尼公司(北卡罗来纳州芒特霍利)(Kuhni USA(Mount Holly，NC))在内的制造商处商购获得。通常，将塔柱设计为可使蒸汽/液体接触最大化，以实现所需的效率。通过在塔柱中填充填料或沿着塔柱以规则间距隔开的塔板可实现这一点。合适的填料包括基于金属、玻璃、聚合物和陶瓷材料的无规和结构化填料类型。示例性的无规填料类型包括拉西环、鲍尔环、A‑PAK环、鞍形环、Pro‑Pak、Heli‑Pak、陶瓷鞍和结构化填料包括丝网和穿孔金属板型材料。专业生产塔柱填料的制造商包括ACS Separations & Mass‑Transfer Products(德克萨斯州休斯敦(Houston，TX))、Johnson Bros.Metal Forming Co.(伊利诺伊州伯克利(Berkeley，IL))和Koch Glitsch，Inc.Knight Div.(俄亥俄州东坎顿(East Canton，OH))。汽提柱的效率以理论塔板高度和柱中塔板的总数表示。通常，理论塔板越多，柱的效率越高。实验室用柱可购自Ace Glass(新泽西州瓦恩兰(Vineland，NJ))、西格玛奥德里奇公司(密苏里州圣路易斯)(Sigma‑Aldrich(St.Louis，MO))和Chemglass(新泽西州瓦恩兰(Vineland，NJ))。合适的玻璃柱类型包括Vigreux、Snyder、Hemple和穿孔板型柱。塔柱可以包括填料或包含设计用于最大化蒸汽/液体接触的特征。实验室用涤气器(部件号CG‑1830‑10)得自Chemglass，它由填充的玻璃柱、溶剂贮存器和溶剂再循环泵组成。
来自第二塔柱24的纯化异戊二烯组合物(如，在端口26处离开)可以用任何合适的装置(如，使用回流冷凝器34和/或吸附系统36，如二氧化硅吸附系统)进一步纯化。回流可以减少异戊二烯产物中的溶剂组份。贫含异戊二烯的溶液可以循环返回至第一塔柱以重新使用(如，如图1所示，在端口30处)。贫含异戊二烯的溶液在循环至第一塔柱14之前可以用任何合适的装置(如，液‑液萃取和/或吸附系统32，如二氧化硅吸附系统)进行纯化，以减少生物副产物的量。另外，在循环至第一塔柱14之前(即，任选地纯化异戊二烯溶液之前、同时和/或之后)可以用任何合适的装置降低贫含异戊二烯的溶液的温度。图1示出了在纯化贫含异戊二烯的溶液(在这种情况下，使用冷却剂降温)之前在端口40处降低贫含异戊二烯的溶液的温度的实例。
在一个实施例中，冷却装置直接连接到系统32的下游，以提供额外的冷却。另外，在溶液冷却并返回第一塔柱14顶部之前，可以对来自第二塔柱24的贫含异戊二烯的溶剂进行相分离，以除去水；该相分离装置可以直接连接在端口40下面。另外，来自冷凝器34的冷凝水和异戊二烯可以用直接连接到冷凝器34下游的类似相分离装置进行类似的相分离，以除去水。因此，只有异戊二烯相返回第二塔柱。在每种情况下，来自相分离装置的水为废液流。
包含大部分挥发性杂质的蒸汽(如，在图1中的端口20处离开的蒸汽)可以包含小部分异戊二烯(即，未保留在富含异戊二烯的溶液中的残余异戊二烯)。残余的异戊二烯可以用任何合适的装置(如，吸附系统38，如活性炭吸附系统)从包含大部分挥发性杂质的蒸汽中收集，并且在一些情况下，如图1所示，残余的异戊二烯可以与纯化的异戊二烯组合物混合(如，在额外的纯化之前、期间或之后，如类似于系统36的吸附系统)。图1还示出了可选的捕集装置42(如，热氧化剂和/或CO2捕集系统)，它能够减少从蒸汽释放到大气中的不可取的组分(如，CO2)的量。
发酵罐废气
本文方法可用的制备包含异戊二烯的发酵罐废气的技术描述于，例如，国际专利申请公布No.WO2009/076676；美国专利申请No.12/496,573、12/560,390、12/560,317、12/560,370、12/560,305和12/560,366；以及美国临时专利申请No.61/187,930、61/187,934和61/187,959中所述。具体地讲，这些组合物和方法提高了异戊二烯的生产速率并增加制备的异戊二烯的量。
如下文所详述，可以用培养物中的细胞制备发酵罐废气。在一些实施例中，培养物中的细胞能够生成每小时每克细胞湿重大于约400纳摩尔的异戊二烯(nmol/gwcm/hr)。在一些实施例中，细胞具有(i)编码异戊二烯合成酶多肽并(ii)可操作地连接至启动子的异源核酸。在一些实施例中，细胞在培养基中培养，培养基包含碳源，例如但不限于碳水化合物、甘油、二羟基丙酮、一碳源、油、动物脂、动物油、脂肪酸、脂质、磷脂、甘油脂、单甘油酯、甘油二酯、甘油三酯、可再生的碳源、多肽(如，微生物或植物蛋白质或肽)、酵母提取物、来自酵母提取物的组分，或上述两种或更多种的任何组合。在一些实施例中，细胞在限制的葡萄糖条件下进行培养。
适于细菌培养物的维持和生长的材料和方法是本领域所熟知的。示例性的技术可以参见Manual of Methods for General Bacteriology Gerhardt et al.，eds)，American Society for Microbiology，Washington，D.C.(1994)(普通细菌学方法手册，Gerhardt等人编，美国微生物学会，华盛顿，1994年)或Brock in Biotechnology：A Textbook of Industrial Microbiology，Second Edition(1989)Sinauer Associates，Inc.，Sunderland，MA(生物技术：工业微生物学教材，第二版(1989年)，Sinauer Associates，Inc.出版社，马萨诸塞州桑德兰)，其全文各自以引用方式并入本文中，尤其是与细胞培养技术相关的内容。
可采用标准细胞培养条件培养细胞(请参见，例如，国际专利公布WO 2004/033646和其中引用的参考文献，其全文各自以引用方式并入，尤其是与细胞培养和发酵条件相关的内容)。细胞在合适的温度、气体混合物和pH条件下生长和维持(如约20至约37℃，约6％至约84％的CO2和介于约5至约9之间的pH)。在一些实施例中，细胞在35℃下在合适的细胞培养基中生长。在一些实施例中，如，在大约28℃下、在震荡培养或发酵罐的合适培养基中培养培养物，直到获得所需的异戊二烯生产量。在一些实施例中，用于发酵的pH范围介于约pH 5.0至约pH 9.0之间(如约pH 6.0至约pH 8.0、或约6.5至约7.0)。反应可以根据宿主细胞的要求在有氧、缺氧或无氧条件下进行。给定丝状真菌的示例性培养条件是本领域已知的，并且可参见科学文献和/或得自真菌来源，如美国典型培养物保藏中心和真菌遗传学资源中心。
在多个实施例中，用任何已知的发酵模式培养细胞，如分批、分批补料或连续工艺。在一些实施例中，使用分批发酵法。传统的分批发酵在封闭系统中进行，其中培养基组合物在发酵开始时设定，并且在发酵过程中不进行人为改变。因此，在发酵开始时，为细胞培养基接种所需的宿主细胞，并在不向系统添加任何物质的情况下令其进行发酵。然而，通常“分批”发酵是针对添加碳源而言的分批，常在控制因素如pH和氧气浓度下进行尝试。在分批系统中，系统的代谢物和生物质组成不断改变，直到发酵停止时。在分批培养中，细胞逐渐通过静态迟滞期进入高速对数生长期，并最终到达生长速率降低或停止的稳定期。在一些实施例中，对数期中的细胞负责大部分异戊二烯生产。在一些实施例中，稳定期中的细胞生产异戊二烯。
在一些实施例中，培养物中的细胞能够将细胞培养基中超过约0.002％的碳转化成异戊二烯。在一些实施例中，细胞具有(i)编码异戊二烯合成酶多肽并(ii)可操作地连接至启动子的异源核酸。在一些实施例中，细胞在培养基中培养，培养基包含碳源，例如但不限于碳水化合物、甘油、二羟基丙酮、一碳源、油、动物脂、动物油、脂肪酸、脂质、磷脂、甘油脂、单甘油酯、甘油二酯、甘油三酯、可再生的碳源、多肽(如，微生物或植物蛋白质或肽)、酵母提取物、来自酵母提取物的组分，或上述两种或更多种的任何组合。在一些实施例中，细胞在限制的葡萄糖条件下进行培养。
在一些实施例中，培养物中的细胞包含编码异戊二烯合成酶多肽的异源核酸。在一些实施例中，细胞具有(i)编码异戊二烯合成酶多肽并(ii)可操作地连接至启动子的异源核酸。在一些实施例中，细胞在培养基中培养，培养基包含碳源，例如但不限于碳水化合物、甘油、二羟基丙酮、一碳源、油、动物脂、动物油、脂肪酸、脂质、磷脂、甘油脂、单甘油酯、甘油二酯、甘油三酯、可再生的碳源、多肽(如，微生物或植物蛋白质或肽)、酵母提取物、来自酵母提取物的组分，或上述两种或更多种的任何组合。在一些实施例中，细胞在限制的葡萄糖条件下进行培养。
在一些实施例中，培养物中的细胞在稳定期内产生的异戊二烯的量(例如产生的异戊二烯的总量或每升肉汤每小时每OD600产生的异戊二烯的量)大于或为生长期相同时间内产生的异戊二烯的量的约2或更多倍。在一些实施例中，培养物中的细胞只能在稳定期产生异戊二烯。在一些实施例中，培养物中的细胞在生长期和稳定期均能产生异戊二烯。在多个实施例中，培养物中的细胞在稳定期产生的异戊二烯的量大于或为生长期相同时间内产生的异戊二烯的量的约2、3、4、5、10、20、30、40、50或更多倍。
在一些实施例中，培养物中的细胞来自包括反应器室的系统，其中细胞能够产生大于约400、500、600、700、800、900、1,000、1,250、1,500、1,750、2,000、2,500、3,000、4,000、5,000或更多nmol/gwcm/hr的异戊二烯。在一些实施例中，系统不是封闭系统。在一些实施例中，从系统中移除异戊二烯的至少一部分。在一些实施例中，系统包括包含异戊二烯的气相。在多个实施例中，气相包含本文所述组合物中的任一种。
在一些实施例中，培养物中的细胞产生大于或为约400、500、600、700、800、900、1,000、1,250、1,500、1,750、2,000、2,500、3,000、4,000、5,000或更多nmol/gwcm/hr的异戊二烯。在一些实施例中，培养物中的细胞将细胞培养基中大于或约0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.12、0.14、0.16、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6％或更多的碳转化为异戊二烯。在一些实施例中，培养物中的细胞产生每小时每克细胞湿重大于或约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、100,000或更多纳克的异戊二烯(ng/gwcm/h)。在一些实施例中，培养物中的细胞产生的异戊二烯的累计滴度(总量)大于或为约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、50,000、100,000或更多毫克异戊二烯/升肉汤(mg/L肉汤，其中肉汤的体积包括细胞和细胞培养基的体积)。其他示例性的异戊二烯生产速率和异戊二烯生产总量在本文中公开。
在任一方面的一些实施例中，培养物中的细胞还包含编码IDI多肽的异源核酸。在一些实施例中，细胞还包含编码IDI多肽的内源核酸的拷贝插入。在一些实施例中，细胞还包含编码DXS多肽的异源核酸。在一些实施例中，细胞还包含编码DXS多肽的异源核酸的拷贝插入。在一些实施例中，细胞还包含编码IDI多肽和DXS多肽的一种或多种核酸。在一些实施例中，一种核酸编码异戊二烯合成酶多肽、IDI多肽和DXS多肽。在一些实施例中，一种载体编码异戊二烯合成酶多肽、IDI多肽和DXS多肽。在一些实施例中，载体包含选择性标记物，如抗生素抗性核酸。
在一些实施例中，异源异戊二烯合成酶核酸可操作地连接至T7启动子，如培养基或高拷贝质粒中包含的T7启动子。在一些实施例中，异源异戊二烯合成酶核酸可操作地连接至Trc启动子，如培养基或高拷贝质粒中包含的Trc启动子。在一些实施例中，异源异戊二烯合成酶核酸可操作地连接至Lac启动子，如低拷贝质粒中包含的Lac启动子。在一些实施例中，异源异戊二烯合成酶核酸可操作地连接至内源启动子，如内源碱性丝氨酸蛋白酶启动子。在一些实施例中，异源异戊二烯合成酶核酸整合到没有选择标记的细胞的染色体中。
在一些实施例中，在稳定期比生长期更活跃的启动子或因子的控制下设置一个或多个MVA途径、IDI、DXP或异戊二烯合成酶核酸。例如，可以在稳定期sigma因子，如RpoS的控制下设置一个或多个MVA途径、IDI、DXP或异戊二烯合成酶核酸。在一些实施例中，在可于稳定期中诱导的启动子的控制下设置一个或多个MVA途径、IDI、DXP或异戊二烯合成酶核酸，如可由在稳定期具有活性的响应调节子诱导的启动子。
在一些实施例中，培养物中的细胞的至少一部分保持异源异戊二烯合成酶核酸在连续培养(如未经稀释的连续培养)中进行至少或约5、10、20、40、50、60、65或更多次细胞分裂。在一些实施例中，包含异戊二烯合成酶、IDI或DXS核酸的核酸还包含选择性标记物，如抗生素抗性核酸。
在一些实施例中，培养物中的细胞还包含编码MVA途径多肽(例如来自酿酒酵母(Saccharomyces cerevisia)或粪肠球菌(Enterococcus faecalis)的MVA途径多肽)的异源核酸。在一些实施例中，细胞还包含编码MVA途径多肽(如来自酿酒酵母或粪肠球菌的MVA途径多肽)的内源核酸的拷贝插入。在一些实施例中，细胞包含异戊二烯合成酶、DXS和MVA途径核酸。在一些实施例中，细胞包含异戊二烯合成酶核酸、DXS核酸、IDI核酸和MVA途径核酸(除IDI核酸之外)。
在一些实施例中，异戊二烯合成酶多肽为来自植物，如葛属(Pueraria)(如，山葛(Pueraria montana)或野葛(Pueraria lobata))的天然多肽。
在一些实施例中，培养物中的细胞为细菌细胞，如革兰氏阳性菌细胞(如，芽孢杆菌属(Bacillus)细胞，例如枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)细胞，或链霉菌属(Streptomyces)细胞，例如变铅青链霉菌(Streptomyces lividans)、天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)或灰色链霉菌(Streptomyces griseus)细胞)。在一些实施例中，培养物中的细胞为革兰氏阴性菌细胞(如，埃希氏菌属(Escherichia)细胞，例如大肠杆菌(Escherichia coli)细胞，或泛菌属(Pantoea)细胞，例如柠檬泛菌(Pantoea citrea)细胞)。在一些实施例中，培养物中的细胞为真菌细胞，如丝状真菌细胞(如，木霉属(Trichoderma)细胞，例如里氏木霉(Trichoderma reesei)细胞，或曲霉属(Aspergillus)细胞，例如米曲霉(Aspergillus oryzae)和黑曲霉(Aspergillus niger))或酵母细胞(如，耶氏酵母属(Yarrowia)细胞，例如解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)细胞)。
在一些实施例中，微生物多肽碳源包括来自酵母或细菌的一种或多种多肽。在一些实施例中，植物多肽碳源包括来自大豆、玉米、低芥酸菜籽、麻风树、棕榈树、花生、向日葵、椰子、芥菜、油菜籽、棉籽、棕榈仁、橄榄、红花、芝麻或亚麻籽的一种或多种多肽。
如前文所述，本文所述的发酵罐废气可以来源于可再生资源(如碳源、生物和/或植物)。示例性可再生资源描述于，例如，美国临时专利申请No.61/187,944(其内容以引用方式并入本文)中，并包括干酪乳清渗透液、玉米浸出液、糖用甜菜糖蜜、大麦麦芽及上述各物的任何组分。示例性可再生碳源也包括存在于生物质：诸如玉米、柳枝稷、甘蔗、发酵流程的细胞废物以及研磨大豆、玉米或小麦产生的蛋白质副产物之中的乙酸酯、葡萄糖、己糖、戊糖和木糖。在一些实施例中，生物质碳源为木质纤维素、半纤维素或纤维素材料，例如但不限于草、小麦、小麦秸秆、蔗渣、软木浆、玉米、玉米芯或壳、玉米籽粒、玉米籽粒纤维、玉米秸秆、软枝草、稻壳产物或湿磨或干磨谷物(如，玉米、高粱、裸麦、黑小麦、大麦、小麦和/或酒糟)的副产物。示例性纤维质材料包括木材、纸材和纸浆废物、草本植物和果肉。在一些实施例中，碳源包括任何植物部分，例如茎、谷粒、根或块茎。在一些实施例中，以下任一植物的全部或部分用作碳源：玉米、小麦、裸麦、高粱、黑小麦、大米、小米、大麦、木薯、豆类(例如黄豆和豌豆)、马铃薯、红薯、香蕉、甘蔗和/或木薯。在一些实施例中，碳源为生物质水解产物，例如包括木糖和葡萄糖或包括蔗糖和葡萄糖的生物质水解产物。
在本文所述方法的一些实施例中，发酵罐废气来源于可再生资源。在一些实施例中，发酵罐废气包含生物异戊二烯。在一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃的重量相比，发酵罐废气包含按重量计大于或约98.0、98.5、99.0、99.5或100％的异戊二烯。在一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃的重量相比，发酵罐废气包含按重量计大于或约99.90、99.92、99.94、99.96、99.98或100％的异戊二烯。在一些实施例中，用气相色谱法和火焰离子化检测器(GC/FID)分析时，与发酵罐废气中的所有C5烃的检测器响应相比，发酵罐废气中的异戊二烯产生大于或约98.0、98.5、99.0、99.5或100％的相对检测器响应。在一些实施例中，用类似方法分析时，与发酵罐废气中的所有C5烃的检测器响应相比，发酵罐废气中的异戊二烯产生大于或约99.90、99.91、99.92、99.93、99.94、99.95、99.96、99.97、99.98、99.99或100％的相对检测器响应。在一些实施例中，发酵罐废气包含按重量计介于约98.0至约98.5之间、约98.5至约99.0之间、约99.0％的C5烃。在一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃的重量相比，发酵罐废气包含按重量计介于约99.90至约99.92、约99.92至约99.94、约99.94至约99.96、约99.96至约99.98、约99.98至100％之间的异戊二烯。
在本文所述方法的一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃的重量相比，发酵罐废气包含按重量计小于或约2.0、1.5、1.0、0.5、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0.00001％的非异戊二烯的C5烃(如1，3‑环戊二烯、顺式‑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、2‑甲基‑2‑丁烯、3‑甲基‑1‑丁炔、戊‑4‑烯‑1‑炔、反式‑戊‑3‑烯‑1‑炔或顺式‑戊‑3‑烯‑1‑炔)。在一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃的检测器响应相比，发酵罐废气中的非异戊二烯的C5烃具有小于或约2.0、1.5、1.0、0.5、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0.00001％的相对检测器响应。在一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃的检测器响应相比，发酵罐废气中的1，3‑环戊二烯、顺式‑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‑炔或顺式‑戊‑3‑烯‑1‑炔具有小于或约2.0、1.5、1.0、0.5、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0.00001％的相对检测器响应。在一些实施例中，与发酵罐废气中的所有C5烃类的总重量相比，高纯度异戊二烯的起始组合物包含按重量计介于约0.02至约0.04％、约0.04至约0.06％、约0.06至0.08％、约0.08至0.10％或约0.10至约0.12％之间的非异戊二烯的C5烃(例如1，3‑环戊二烯、顺式‑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‑炔或顺式‑戊‑3‑烯‑1‑炔)。
在本发明所述方法的一些实施例中，就发酵罐废气中抑制异戊二烯聚合的任何化合物而言，发酵罐废气包含小于或约50、40、30、20、10、5、1、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005μg/L的该种抑制异戊二烯聚合的化合物。在一些实施例中，就发酵罐废气中抑制异戊二烯聚合的任何化合物而言，发酵罐废气包含介于约0.005至约50之间、例如约0.01至约10、约0.01至约5、约0.01至约1、约0.01至约0.5或约0.01至约0.005μg/L的该种抑制异戊二烯聚合的化合物。在一些实施例中，发酵罐废气包含小于或约50、40、30、20、10、5、1、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005μg/L的非异戊二烯的烃(例如1，3‑环戊二烯、顺式‑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‑炔或顺式‑戊‑3‑烯‑1‑炔)。在一些实施例中，发酵罐废气包含介于约0.005至约50之间，例如约0.01至约10、约0.01至约5、约0.01至约1、约0.01至约0.5或约0.01至约0.005μg/L的非异戊二烯的烃。在一些实施例中，发酵罐废气包含小于或约50、40、30、20、10、5、1、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005μg/L的蛋白质或脂肪酸(例如与天然橡胶天然相关的蛋白质或脂肪酸)。
在本发明所述方法的一些实施例中，发酵罐废气包含小于或约10、5、1、0.8、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005ppm的α‑炔烃、戊间二烯、乙腈或1，3‑环戊二烯。在一些实施例中，发酵罐废气包含小于或约5、1、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005ppm的硫或丙二烯。在一些实施例中，发酵罐废气包含小于或约30、20、15、10、5、1、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005ppm的所有炔烃(如1‑戊炔、2‑戊炔、3‑甲基‑1‑丁炔、戊‑4‑烯‑1‑炔、反式‑戊‑3‑烯‑1‑炔和顺式‑戊‑3‑烯‑1‑炔)。在一些实施例中，发酵罐废气包含小于或约2000、1000、500、200、100、50、40、30、20、10、5、1、0.5、0.1、0.05、0.01或0.005ppm的异戊二烯二聚物，例如环状异戊二烯二聚物(如，来源于两个异戊二烯单元的二聚化反应的环状C10化合物)。
废气生物副产物杂质
发酵罐废气的生物副产物可以包含本文所述化合物中的任一种或任何组合。在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含一种或多种极性化合物。可通过本领域已知的方法确定极性，例如，通过测量对水的溶解度、氢键电位、介电常数和/或油/水分配系数。在一些实施例中，生物副产物的一种或多种化合物具有大于异戊二烯极性的总极性，如其在25℃(77°F)下具有大于2.1的介电常数的测量结果所示。在一些实施例中，大于约20％、30％、50％、60％、70％、80％、90％或95％(w/w)中任一个值的生物副产物包含总极性大于异戊二烯极性的一种或多种化合物。在一些实施例中，生物副产物中的一种或多种化合物在20℃下具有大于约2、或大于约3、或大于约5、或大于约7.5、或大于约10的介电常数。在一些实施例中，大于约20％、30％、50％、60％、70％、80％、90％或95％(w/w)中任一个值的生物副产物包含在20℃下介电常数大于约2、或大于约3、或大于约5、或大于约7.5、或大于约10的一种或多种化合物。
在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含以下化合物的一种或多种：醇、醛或酮(例如本文所述的醇、醛或酮中的任一种)。在一些实施例中，发酵罐废气包括(i)醇和醛，(ii)醇和酮，(iii)醛和酮，(iv)醇、醛和酮或(v)酯。
发酵罐废气的生物副产物可以包含以下化合物中的任一种或者一种或多种的任何组合：乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、3‑甲基呋喃、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯、C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)、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、甲硫醇、乙酸甲酯、1‑丙醇、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑基乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑基乙酸酯、(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‑环庚烯醇吡啶、3‑己烯‑1‑醇、3‑己烯‑1‑基乙酸酯、柠檬烯、香叶醇(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)。
在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含以下化合物中的任一种或者一种或多种的任何组合：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、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑基乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑基乙酸酯、(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‑环庚烯醇吡啶或线性异戊二烯聚合物(例如来源于多个异戊二烯单元的聚合的线性异戊二烯二聚体或线性异戊二烯三聚体)。在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含以下化合物中的一种或多种：乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯、C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)。
在本发明所述方法的一些实施例中，发酵罐废气包含大于或约0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、60、80、100或120μg/L的生物副产物(如，包含选自乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯和C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)的一种或多种化合物的生物副产物)。在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含大于或约0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、60、80、100或120μg/L的一种或多种化合物(如，选自乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯以及C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)的一种或多种化合物)。在一些实施例中，发酵罐废气包含介于约0.005至约120之间，例如约0.01至约80、约0.01至约60、约0.01至约40、约0.01至约30、约0.01至约20、约0.01至约10、约0.1至约80、约0.1至约60、约0.1至约40、约5至约80、约5至约60或约5至约40μg/L的生物副产物(如，包含选自乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯以及C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)的一种或多种化合物的生物副产物)。在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含介于约0.005至约120之间，例如约0.01至约80、约0.01至约60、约0.01至约40、约0.01至约30、约0.01至约20、约0.01至约10、约0.1至约80、约0.1至约60、约0.1至约40、约5至约80、约5至约60或约5至约40μg/L的一种或多种化合物(如，选自乙醇、丙酮、甲醇、乙醛、甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮、3‑甲基呋喃、2‑甲基‑2‑乙烯基环氧乙烷、顺式‑和反式‑3‑甲基‑1，3‑戊二烯以及C5异戊烯醇(如3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇或3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇)的一种或多种化合物)。
在本文所述方法的多个实施例中，相对于异戊二烯的量，生物副产物的量和/或生物副产物中一种或多种化合物的量以重量百分比为单位(即，生物副产物的重量除以异戊二烯的重量乘以100)大于或为约0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100或110％(w/w)。在一些实施例中，与异戊二烯的检测器响应相比，生物副产物和/或生物副产物中一种或多种化合物的相对检测器响应大于或为约0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100)或110％。在多个实施例中，相对于异戊二烯的量，生物副产物的量和/或生物副产物中一种或多种化合物的量以重量百分比为单位(即，生物副产物的重量或一种或多种化合物的重量除以异戊二烯的重量乘以100)介于约0.01至约105％(w/w)之间，例如约0.01至约90、约0.01至约80、约0.01至约50、约0.01至约20、约0.01至约10、约0.02至约50、约0.05至约50、约0.1至约50或0.1至约20％(w/w)。
在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物包含以下化合物中的一种或多种：甲醇、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。在一些实施例中，发酵罐废气包含1ppm或更多的以下化合物中的一种或多种：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。在一些实施例中，发酵罐废气的生物副产物和/或生物副产物中的一种或多种化合物(如，以下化合物中的一种或多种：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)的浓度介于约1至约10,000ppm之间。在一些实施例中，发酵罐废气包含以下化合物中的一种或多种：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，其浓度介于约1至约100ppm之间，例如约1至约10ppm、约10至约20ppm、约20至约30ppm、约30至约40ppm、约40至约50ppm、约50至约60ppm、约60至约70ppm、约70至约80ppm、约80至约90ppm或约90至约100ppm。在一些实施例中，发酵罐废气中的生物副产物的浓度介于约1至约100ppm之间，例如约1至约10ppm、约10至约20ppm、约20至约30ppm、约30至约40ppm、约40至约50ppm、约50至约60ppm、约60至约70ppm、约70至约80ppm、约80至约90ppm或约90至约100ppm。细胞培养物中的生物副产物(例如细胞培养物顶空中的挥发性有机化合物)可以使用标准方法进行分析，如本文所述的那些标准方法或其他标准方法，如质子转移反应质谱法(请参见，例如，Bunge et al.，Applied and Environmental Microbiology，74(7)：2179‑2186，2008(Bunge等人，应用与环境微生物学，第74卷第7期第2179‑2186页，2008年)，其全文以引用方式并入本文，尤其是与挥发性有机化合物的分析相关的内容)。
废气中的挥发性杂质
在异戊二烯发酵过程中可实现合适生产规模和安全操作(如，根据其易燃性特性)的多种组分的最佳范围描述于，例如，美国临时专利申请No.61/187,944中，其内容据此以引用方式并入本文。因此，发酵废气可以包含挥发性杂质(如，包含水蒸气、CO2、N2和O2的挥发性杂质)。在用于商业用途之前需要从异戊二烯中除去该挥发性杂质。因此，在一个方面，通过本文所述的方法减少或除去异戊二烯发酵罐废气中的挥发性杂质。
在一些实施例中，发酵罐废气中的挥发性杂质包括选自以下化合物的一种、两种或更多种：H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和O2。在一些实施例中，挥发性杂质包含H2O、CO2和N2。在一些实施例中，挥发性杂质包含H2O、CO2、N2和O2。在一些实施例中，挥发性杂质包含在标准温度和压力下的无机气体。
在一些实施例中，发酵罐废气含有含量比异戊二烯的量小至少约2、5、10、50、75或100倍的挥发性杂质(如，其中挥发性杂质包含化合物，例如H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和/或O2)。在一些实施例中，发酵罐废气的挥发性杂质包含含量比异戊二烯的量小至少约2、5、10、50、75或100倍的一种或多种化合物(如，H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和/或O2)。在一些实施例中，非异戊二烯的废气部分包含介于约0％至约100％(体积)之间的氧气，例如介于约0％至约10％、约10％至约20％、约20％至约30％、约30％至约40％、约40％至约50％、约50％至约60％、约60％至约70％、约70％至约80％、约80％至约90％或约90％至约100％(体积)之间的氧气。在一些实施例中，非异戊二烯的废气部分包含介于约0％至约99％(体积)的氮气，例如介于约0％至约10％、约10％至约20％、约20％至约30％、约30％至约40％、约40％至约50％、约50％至约60％、约60％至约70％、约70％至约80％、约80％至约90％或约90％至约99％(体积)之间的氮气。在一些实施例中，非异戊二烯的废气部分包含介于约0％至约99％(体积)之间的H2O，例如介于约0％至约10％、约10％至约20％、约20％至约30％、约30％至约40％、约40％至约50％、约50％至约60％、约60％至约70％、约70％至约80％、约80％至约90％或约90％至约99％(体积)之间的H2O。在一些实施例中，非异戊二烯的废气部分包含介于约1％至约50％(体积)之间的CO2，例如介于约1％至约10％、约10％至约20％、约20％至约30％、约30％至约40％或约40％至约50％(体积)之间的CO2。
在一些实施例中，发酵罐废气的挥发性杂质包含约10至约90、或约20至约80、或约40至约60、或约10至约20、或约20至约30、或约30至约40、或约40至约50、或约50至约60、或约60至约70、或约70至约80、或约80至90、或约90至约99摩尔％的N2。在一些实施例中，挥发性杂质包含约10至约90、或约20至约80、或约40至约60、或约10至约20、或约20至约30、或约30至约40、或约40至约50、或约50至约60、或约60至约70、或约70至约80或约90、或约90至约99摩尔％的二氧化碳。在一些实施例中，挥发性杂质包含约10至约90、或约20至约80、或约40至约60、或约10至约20、或约20至约30、或约30至约40、或约40至约50、或约50至约60、或约60至约70、或约70至约80或约90、或约90至约99摩尔％的一氧化碳。在一些实施例中，挥发性杂质包含约10至约90、或约20至约80、或约40至约60、或约10至约20、或约20至约30、或约30至约40、或约40至约50、或约50至约60、或约60至约70、或约70至约80或约90、或约90至约99、或小于50、或小于40、或小于30、或小于20、或小于10、或小于5、或0、或大于80、或大于90、或大于95摩尔％的O2。在一些实施例中，挥发性杂质包含约10至约90、或约20至约80、或约40至约60、或约10至约20、或约20至约30、或约30至约40、或约40至约50、或约50至约60、或约60至约70、或约70至约80或约90、或约90至约99摩尔％的氢。在一些实施例中，挥发性杂质包含小于约50、或小于约40、或小于约30、或小于约20、或小于约10、或小于约5、或小于约3mol％的甲烷。
在一些实施例中，发酵罐废气的挥发性杂质包含约25至约80摩尔％的CO2、约45至约99摩尔％的N2，并任选地包含小于约50摩尔％的O2。在一些实施例中，挥发性杂质包含约40至约60摩尔％的CO2、约65至约99摩尔％的N2，并任选地包含小于约25摩尔％的O2。
尽管来源于可再生资源的发酵罐废气通过发酵以气相形式存在，但如本文所述，废气可以任何相或相的混合物的形式存在，例如完全气相、部分气相和部分液相(如冷凝物)或完全液相。在一些实施例中，来源于可再生资源的发酵罐废气的至少一部分为气相。在一些实施例中，来源于可再生资源的发酵罐废气的至少一部分为液相(如冷凝物)。在一些实施例中，来源于可再生资源的发酵罐废气的至少一部分为固相。在一些实施例中，发酵罐废气在用于本文所述方法之前经历一个或多个纯化步骤。在一些实施例中，发酵罐废气在用于本文所述方法之前未经历纯化。在一些实施例中，来源于可再生资源的发酵罐废气的至少一部分在用于本文所述方法之前被吸附到固体载体上，例如包括二氧化硅和/或活性炭的载体。在一些实施例中，发酵罐废气在用于本文所述方法之前与一种或多种溶剂混合。在一些实施例中，发酵罐废气在用于本文所述方法之前与一种或多种气体混合。
在本文所述方法的一些实施例中，在接触第一塔柱中的溶剂之前，降低发酵罐废气的温度。降低发酵罐废气的温度可以有助于一种或多种废气组分(如异戊二烯)溶解于溶剂(如，高沸点疏水性溶剂)中。可通过任何合适的方法(如，使用冷却剂)降低温度。在一些实施例中，降低发酵罐废气的温度会导致发酵罐废气部分或完全冷凝。在一些实施例中，将发酵罐废气的温度降至小于发酵罐中废气温度(℃)的约95％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％中的任一个。在一些实施例中，将发酵罐废气的温度降至低于约150℃、125℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、45℃、40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、5℃或0℃中的任一个。在一些实施例中，将发酵罐废气的温度降至约0℃至约150℃、约0℃至约125℃、约0℃至约100℃、约0℃至约75℃、约0℃至约30℃、约0℃至约20℃、约0℃至约10℃、约0℃至约7.5℃、或约5℃中的任一个。
在本文所述方法的一些实施例中，在接触第一塔柱中的溶剂之前，增大发酵罐废气的压力。可通过任何合适的装置(如本领域已知的压缩系统)增大压力。增大的压力可以有助于一种或多种废气组分(如异戊二烯)溶解于溶剂(如，高沸点疏水性溶剂)中。在一些实施例中，发酵罐废气的压力增至超过发酵罐中废气压力的约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％中的任一个(单位为PSIA‑磅/平方英寸，绝对压力)。在一些实施例中，发酵罐废气的压力增至超过约10PSIA、20PSIA、30PSIA、40PSIA、50PSIA、60PSIA、70PSIA、80PSIA、90PSIA、100PSIA、110PSIA、120PSIA、130PSIA、140PSIA或150PSIA中的任一个。在一些实施例中，发酵罐废气的压力增至约5PSIA至约150PSIA、约10PSIA至约100PSIA、约15PSIA至约75PSIA、约20PSIA至约65PSIA、约25PSIA至约60PSIA、约30PSIA至约50PSIA或约35PSIA至约45PSIA中的任一个。
分离装置
发酵罐废气在到达塔柱之前可以通过一隔离装置。该隔离装置可用于防止下游纯化流程影响发酵流程。另外，隔离装置还可用于为塔柱提供稳定的中间压力(如，用补充的循环气体流、新鲜空气和/或其他添加的气体，如氮气)。还可以用隔离装置收集起泡和夹带的液体(如培养基)，防止其到达塔柱。在本文所述任一方法的一些实施例中，在发酵罐废气与第一塔柱中的溶剂接触之前，将发酵罐废气转移至隔离装置(相同或不同的隔离装置)。在这些实施例中的某一些中，隔离装置能够稳定废气压力。
溶剂
本文所述的方法可以使用任何合适的溶剂。溶剂可以是纯溶剂或者两种或更多种溶剂的混合物。在某些情况下，溶剂能够吸收发酵罐废气中的大部分异戊二烯(或大部分异戊二烯和大部分生物副产物)，并且在相同的条件下不能吸收发酵罐废气的大部分挥发性杂质。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂能够吸收比相同条件下吸收的挥发性杂质多大于约2、5、10、20、50、100、200或500倍的异戊二烯(w/w)。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂只有较低的CO2吸收性(即，如其奥斯特瓦尔德系数所示)。因此，在一些实施例中，溶剂为低二氧化碳吸收性溶剂。如本文所用，除非另外指明，否则“低二氧化碳吸收性溶剂”意指在130°F和标准压力下奥斯特瓦尔德系数小于2的溶剂。在一些实施例中，溶剂为在54℃(130°F)和标准压力下CO2奥斯特瓦尔德系数小于约1.75、约1.5、约1.25、约1.1或约1.0中的任一个的低二氧化碳吸收性溶剂。
溶剂可具有较高的沸点。如本文所用，除非另外指明，否则“高沸点溶剂”意指在1atm下沸点高于121℃(250°F)的溶剂。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂为在1atm下沸点高于约121℃(250°F)、高于约135℃(275°F)、高于约149℃(300°F)、高于约163℃(325°F)、高于约121℃(350°F)、高于约191℃(375°F)、或高于约204℃(400°F)、或高于约177℃(420°F)、或高于约232℃(450°F)、或高于约246℃(475°F)的高沸点溶剂。在一些实施例中，溶剂在1atm下具有约121℃(250°F)至约149℃(300°F)、或135℃(275°F)至约163℃(325°F)、或约149℃(300°F)至约177℃(350°F)、或约163℃(325°F)至约149℃(375°F)、或约135℃(350°F)至约204℃(400°F)、或约191℃(375°F)至约218℃(425°F)、或约204℃(400°F)至约232℃(450°F)、或约218℃(425°F)至约246℃(475°F)的沸点。
在本文所述方法的一些实施例中，溶剂是相对非极性的。溶剂的极性可以用本领域已知的任何方法测定(如，水溶性、氢键电位、介电常数和/或油/水分配系数)。在一些实施例中，溶剂为非极性溶剂。如本文所用，除非另外指明，否则“非极性溶剂”意指在20℃下介电常数小于15的溶剂。在一些实施例中，溶剂为在20℃下介电常数小于约12、或小于约10、或小于约7.5、或小于约5、或小于约3、或小于约2、或小于约1的非极性溶剂。在一些实施例中，溶剂在标准条件下具有小于约5％、或小于约3％、或小于约2％、或小于约1％、或小于约0.5％、或小于约0.25％、或小于约0.1％、或小于约0.05％、或小于约0.025％的水中溶解度。
本文所述方法中所用的溶剂可以用本领域测得的考立丁醇值(“Kb值”)来表征。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂具有小于75、或小于50、或小于40、或小于30、或小于20、或小于10的Kb值。在一些实施例中，溶剂具有约10至约40、或约15至约35、或约20至约30、或约23至约27、或约25的Kb值。
本文所述方法中所用的溶剂可以用本领域测量的苯胺点来表征。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂具有高于约52℃(125°F)、或高于约66℃(150°F)、或高于约79℃(175°F)、或高于约91℃(200°F)的苯胺点。在一些实施例中，溶剂具有约66℃(150°F)至约121℃(250°F)、或约79℃(175°F)至约93℃(200°F)、或约82℃(180°F)至约91℃(195°F)的苯胺点。
本文所述方法中所用的溶剂可以用本领域中测量的运动粘度来表征。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂在40℃下具有小于约3、或小于约2.75、或小于约2.25、或小于约2.0、或小于约1.75、或小于约1.5、或小于约1.25厘沲(cSt)的运动粘度。
本文所述方法中所用的溶剂可以用本领域中测量的表面张力来表征。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂在25℃下具有约15至约35达因/厘米、或约17至约32达因/厘米、或约20至约30达因/厘米、或约23至约27达因/厘米、或约25达因/厘米的表面张力。
本文所述方法中所用的溶剂可以用其分子量(或在混合溶剂体系的情况下使用重均分子量)来表征。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂具有约100至约250、或约125至约225、或约140至约200、或约150至约175的平均分子量。
本文所述方法中所用的溶剂可以具有本文所述特性中的任一种或者两种或更多种的组合。例如，在一些实施例中，本文所述方法中所用的溶剂可以是非极性、高沸点溶剂(即，同时是高沸点溶剂的非极性溶剂)。在一些实施例中，本文所述方法中所用的溶剂可以是非极性、低二氧化碳吸收性溶剂；或低二氧化碳吸收性、高沸点溶剂；或非极性、低二氧化碳吸收性、高沸点溶剂。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂的特征在于具有高于约177℃(350°F)的沸点、小于约3％的水中溶解度和在54℃(130°F)下小于约1.25的CO2奥斯特瓦尔德系数。在这些实施例的某一些中，溶剂具有约125至约225的平均分子量。在本文所述方法的其他实施例中，溶剂的特征在于具有高于约191℃(375°F)的沸点、小于约1％的水中溶解度和在54℃(130°F)下小于约1.1的CO2奥斯特瓦尔德系数。在这些实施例的某一些中，溶剂具有约140至约200的平均分子量。
在本文所述方法的一些实施例中，溶剂选自萜烯、石蜡、单环芳烃、多环芳烃或它们的混合物。在一些实施例中，溶剂为石蜡(如，C10‑C20石蜡，例如C12‑C14蜡)或异链烷烃，如上所述。在一些实施例中，溶剂为萜烯。在一些实施例中，溶剂为单环芳烃。在一些实施例中，溶剂为多环芳烃。在一些实施例中，溶剂为IsoparTM溶剂(可从埃克森公司(Exxon)商购获得)或它的等同物，例如基本上类似于表1中所述任何溶剂的溶剂(如溶剂1、2、3、4、5、6、7和/或8)。在一些实施例中，溶剂具有基本上类似于表1中所述任何溶剂的任一种或多种特性(如，溶剂1、2、3、4、5、6、7和/或8)。在一些实施例中，溶剂选自IsoparTML(表1；溶剂6)、IsoparTMH(表1；溶剂4)和IsoparTMM(表1；溶剂7)。在一些实施例中，溶剂为IsoparTML(表1；溶剂6)。在一些实施例中，溶剂为IsoparTMH(表1；溶剂4)。在一些实施例中，溶剂为IsoparTMM(表1；溶剂7)。
表1

(1)：ASTM D1133；(2)ASTM D56，FTC；(3)ASTM D86，IBP；(4)ASTM D86，十点；(5)ASDM D1250；(6)ASTM D971
本文所述方法中所用的溶剂还可以包含有助于减少不需要的异戊二烯聚合的聚合抑制剂。因此，在一些实施例中，溶剂还包含聚合抑制剂(如，异戊二烯聚合抑制剂)。合适的抑制剂包括，例如，2，2，6，6‑四甲基哌啶1‑氧基(TEMPO)；4‑羟基‑2，2，6，6‑四甲基哌啶1‑氧基(TEMPOL)；双(1‑氧基‑2，2，6，6‑四甲基哌啶‑4‑基)癸二酸酯(桥联的TEMPO)；和叔丁基儿茶酚。在本文所述方法的一些实施例中，溶剂包含足以抑制异戊二烯聚合的适量聚合抑制剂(如，与没有抑制剂时相比，防止超过95％、或超过97％、或超过98％、或超过99％、或超过99.5％的异戊二烯发生聚合)。在一些实施例中，溶剂包含相对于异戊二烯而言浓度为约0.001％至约0.1％、或约0.005％至约0.075％、或约0.01％至约0.05％(w/w)的聚合抑制剂。在一些实施例中，溶剂包含相对于溶剂而言浓度为约0.001％至约0.1％、或约0.005％至约0.075％、或约0.01％至约0.05％(w/w)的聚合抑制剂。
除去挥发性气体
在一些方面，本文所述的方法包括从发酵罐废气中除去挥发性气体。在本文所述实施例的某一些中，发酵罐废气与塔柱中的溶剂接触。在这些实施例的某一些中，发酵罐废气与塔柱中的溶剂接触，从而形成：富含异戊二烯的溶液，该溶液包含溶剂和大部分异戊二烯；和包含大部分挥发性杂质的蒸汽。汽提蒸汽流可以从发酵罐废气进料点下方引入塔柱(如，第一塔柱)中，这有助于将挥发性杂质与剩余的溶液分离。可通过任何合适的方式(如，蒸汽或柱底重沸器)引入汽提蒸汽。在一些实施例中，柱底料流(如，第一塔柱处)的温度远高于进入塔柱之前的溶剂温度。在一些实施例中，柱底料流(如，第一塔柱处)的温度高出约38℃(100°F)、52℃(125°F)、66℃(150°F)、79℃(175°F)、93℃(200°F)、109℃(225°F)、121℃(250°F)、135℃(275°F)或149℃(300°F)中的任一个。在一些实施例中，柱底料流(如，在第一塔柱处)中的溶剂温度为约66℃(150°F)至约177℃(350°F)、或约79℃(175°F)至约149℃(300°F)、或约93℃(200°F)至约135℃(275°F)、或约110℃(230°F)至约121℃(250°F)、或约113℃(235°F)至约118℃(245°F)。蒸汽可以被引导通过塔柱(在任何合适的位置处，如废气入口附近和/或挥发性杂质出口的相对端附近)，以提供有助于除去挥发性杂质的吹扫蒸汽相。在一些实施例中，蒸汽被引导通过塔柱(如，通过第一塔柱)。
除去生物副产物杂质
在本文所述实施例的某一些中，将包含异戊二烯和生物副产物杂质的溶液(如，从第一塔柱转移的任何富含异戊二烯的溶液)转移至塔柱(如第二塔柱)中，在该塔柱中从溶液中汽提异戊二烯。在这些实施例的某一些中，通过汽提将得到：贫含异戊二烯的溶液，该溶液包含大部分生物副产物杂质；及纯化了的的异戊二烯组合物。在一些实施例中，第二塔柱独立于第一塔柱。在一些实施例中，第一和第二塔柱结合成同一个塔柱(如，将第一和第二塔柱的功能结合于同一个塔柱中，如联合的串联塔柱，其中溶剂进入第一塔柱端处或附近，并从第二塔柱相对端处或附近出离)。
在一些实施例中，塔柱中溶液的温度(如，第二塔柱处)为约66℃(150°F)至约177℃(350°F)、或约79℃(175°F)至约149℃(300°F)、或约93℃(200°F)至约135℃(275°F)、或约110℃(230°F)至约121℃(250°F)、或约113℃(235°F)至约118℃(245°F)。蒸汽可以被引导通过塔柱(在任何合适的位置处，如富含异戊二烯的溶液的进入点的相对端和/或贫含异戊二烯的溶液的出口附近)，以提供有助于从溶液中回收异戊二烯的吹扫蒸汽相。在一些实施例中，蒸汽被引导通过塔柱(如，通过第二塔柱)。
在一些实施例中，汽提异戊二烯包括增大塔柱(如第二塔柱)处溶液的压力。在这些实施例的某一些中，塔柱(如第二塔柱)处的包含异戊二烯和生物副产物杂质的溶液(如，从第一塔柱转移而来的任何富含异戊二烯的溶液)具有大于约5PSIA、10PSIA、20PSIA、30PSIA、40PSIA、50PSIA、60PSIA、70PSIA、80PSIA、90PSIA、100PSIA、110PSIA、120PSIA、130PSIA、140PSIA或150PSIA中的任一个的压力。在一些实施例中，该压力为约5PSIA至约150PSIA、约5PSIA至约100PSIA、约10PSIA至约75PSIA、约10PSIA至约65PSIA、约10PSIA至约60PSIA、约15PSIA至约50PSIA、约15PSIA至约45PSIA、约15PSIA至约35PSIA、或约15PSIA至约30PSIA中的任一个。
进一步的纯化
通过本文所述的任一方法所得的纯化异戊二烯组合物(如，从第二塔柱汽提的纯化异戊二烯组合物)可以用任何合适的装置进一步纯化，例如图1中提及吸附系统的36所示。例如，纯化的异戊二烯组合物可以用标准技术进行进一步纯化，如分馏、附加的气体汽提、吸附/解吸、全蒸发、异戊二烯的固相热解吸或真空解吸、用合适的溶剂进行逆流液‑液萃取，或用溶剂对固定或吸附到固相上的异戊二烯进行萃取(请参见，例如，美国专利4,703,007和美国专利4,570,029，其各自据此全文以引用方式并入本文，尤其是与异戊二烯回收和纯化方法相关的内容)。合适的溶剂包括但不限于氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸氢钾、碳酸钾、水、离子液体，如1‑乙基‑3‑甲基咪唑鎓乙酸酯、1‑乙基‑3‑甲基咪唑鎓乙基磺酸盐、醋酸胆碱、1‑丁基‑4‑甲基吡啶鎓四氟硼酸盐、1‑己基‑3‑甲基咪唑鎓氯化物、1‑乙基‑3‑甲基咪唑鎓硫氰酸盐和1‑乙基‑3‑甲基咪唑鎓硫酸氢盐。
附加气体汽提涉及以连续方式除去异戊二烯蒸汽。此类除去可通过若干种不同方式实现，包括但不限于吸附到固相上、分离到液相中或直接冷凝。在一些实施例中，在高于蒸汽露点的条件下对稀释异戊二烯蒸汽流进行薄膜富集会造成液体异戊二烯的冷凝。纯化的异戊二烯组合物的进一步纯化可能涉及一个步骤或多个步骤。
在一些实施例中，通过用吸附系统(如，包含活性炭、氧化铝、二氧化硅和/或的吸附系统)进行处理，对用本文所述任一方法得到的异戊二烯进行进一步纯化。其他合适的材料为沸石和分子筛，请参见美国专利No.4,147,848；5,035,794；和6,987,152。适用于此类系统的过滤器外壳包括石油化学行业用于除去粗烃流中存在的杂质的那些过滤器外壳。例子包括由Hilliard Corporation(纽约州埃尔迈拉(Elmira，NY))和ISC Corporation(德克萨斯州普莱诺(Plano，TX.))提供的那些。在一些实施例中，通过用包含二氧化硅的吸附系统进行处理，对用本文所述任一方法得到的异戊二烯进行进一步纯化。在一些实施例中，在任何其他任选的附加纯化之前或之后，通过蒸馏(如，回流冷凝)进一步纯化用本文所述任一方法得到的异戊二烯。在一些实施例中，通过用吸附系统和蒸馏进行处理(如，包含二氧化硅和回流冷凝的吸附系统)，进一步纯化用本文所述任一方法得到的异戊二烯。吸附通常在填充柱构造中进行，并适用于蒸汽或液态形式的异戊二烯。如果异戊二烯以蒸汽形式进料，通常将其送至塔柱的顶部；另一方面，如果以液体形式进料，通常将其送至底部。合适的吸附剂包括但不限于以下吸附剂：活性炭(如，NUCON G60、GC60、Vapor Filtration GC 4X8S、TIGG 5CC 0408)、活性氧化铝(如，Axens SAS351、SAS 830、BASF Selexsorb CD)、硅胶(Eagle Chemical 148级、140级)以及3A、5A或13X分子筛。
溶剂的再循环和纯化
在本文所述的任一方法中，从第二塔柱汽提异戊二烯之后所得的溶液(如，包含大部分生物副产物杂质的贫含异戊二烯的溶液)可以循环回到第一塔柱中重新使用。在一些实施例中，在重新使用之前(如，重新进入第一塔柱之前)要从回收溶液中除去生物副产物。在本文所述任一方法的一些实施例中，所述方法还包括纯化贫含异戊二烯的溶液，以除去大部分生物副产物杂质；以及将所得的溶剂转移到第一塔柱中重新使用。在一些实施例中，在重新使用之前纯化汽提所得溶液包括用吸附系统(如，包含活性炭、氧化铝、二氧化硅和/或的吸附系统)处理溶液。此类吸附也可以用例如填充柱进行。在一些实施例中，在重新使用之前纯化汽提所得溶液包括用基于二氧化硅的吸附系统处理溶液。在一些实施例中，在重新使用之前纯化汽提所得溶液包括液‑液萃取。在一些实施例中，在重新使用之前纯化汽提所得溶液包括通过蒸馏处理溶液。在一些实施例中，在重新使用之前纯化汽提所得溶液包括用吸附系统(如，基于二氧化硅的吸附系统)和液‑液萃取(以任何顺序)处理溶液。在一些实施例中，在重新使用之前纯化汽提所得溶液包括用吸附系统(如，基于二氧化硅的吸附系统)、液‑液萃取和蒸馏(以任何顺序)处理溶液。在这些实施例的任一个中，汽提所得溶液(如，贫含异戊二烯的溶液)可以用所述方法中的任一种(如，吸附、液‑液萃取和/或蒸馏)进行纯化，使得在纯化之后汽提所得溶液中的生物副产物的量减少超过约5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％中的任一个。在一些实施例中，在重新用于第一塔柱之前降低汽提所得溶液(如，包含大部分生物副产物杂质的贫含异戊二烯的溶液)的温度。在一些实施例中，汽提所得溶液在重新用于第一塔柱之前进行纯化和降温。在这些实施例的某一些中，在纯化之前降温。在这些实施例的某一些中，在纯化之后降温。在一些实施例中，在重新使用之前(如，重新进入第一塔柱之前)将第二塔柱的汽提所得溶液的温度(°F)降至低于所述温度的约95％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％中的任一个。在一些实施例中，将汽提所得溶液的温度降至低于约121℃(250°F)、107℃(225°F)、93℃(200°F)、79℃(175°F)、66℃(150°F)、52℃(125°F)、38℃(100°F)、24℃(75°F)、10℃(50°F)或‑4℃(25°F)中的任一个。在一些实施例中，将汽提所得溶液的温度降至约‑4℃(25°F)至约121℃(250°F)、约‑4℃(25°F)至约79℃(175°F)、约‑4℃(25°F)至约66℃(150°F)、约‑4℃(25°F)至约38℃(100°F)或约‑4℃(25°F)至约24℃(75°F)中的任一个。
从蒸汽中重新收集残余异戊二烯
在某些情况下，从第一塔柱移出的蒸汽(如，包含大部分挥发性杂质的蒸汽)还可包含所需的微量异戊二烯(如，未保留在富含异戊二烯的溶液中的残余异戊二烯)。在本文所述实施例的某一些中，包含大部分挥发性杂质的蒸汽还包含小部分的异戊二烯。在本文所述方法的实施例的任一个中，所述方法还包括从蒸汽中分离出小部分异戊二烯(如果存在)。残余的异戊二烯可以用任何合适的装置(如，吸附系统)从包含大部分挥发性杂质的蒸汽中收集以供使用。如本文针对纯化的异戊二烯组合物的进一步纯化所述，可以用任何合适的技术从蒸汽相中分离残余的异戊二烯，例如分馏、附加气体汽提、吸附/解吸、全蒸发、异戊二烯的固相热解吸或真空解吸、或用溶剂对固定或吸附到固相上的异戊二烯进行萃取(请参见，例如，美国专利4,703,007和美国专利4,570,029，其各自据此全文以引用方式并入，尤其是与异戊二烯回收和纯化方法相关的内容)。如上所述，异戊二烯蒸汽可以连续的方式分离，例如但不限于吸附到固相上、分离到液相中或直接冷凝。从蒸汽相中分离/纯化异戊二烯可能涉及一个步骤或多个步骤。在本文所述方法的实施例的任一个中，所述方法还包括用吸附系统(如，包含活性炭、氧化铝、二氧化硅和/或的吸附系统)从蒸汽中分离异戊二烯(如果存在)。在本文所述方法的实施例的任一个中，所述方法还包括用活性炭吸附系统从蒸汽中分离异戊二烯(如果存在)。
捕集装置
本文所述的方法可以任选地使用捕集装置(例如图1中的系统38)，其能够减少从蒸汽释放到大气中的不可取的组分的总量(如，CO2)。合适的装置为常用碳基吸附装置，例如用于溶剂回收并由包括AMCEC Inc.(伊利诺伊州莱尔(Lisle，Il.))和Nucon International Inc.(俄亥俄州哥伦布(Columbus，OH))的制造商提供的那些装置。
通常期望的是捕集发酵废气中未被前级流程回收的痕量异戊二烯或其他组分，以提高产品价值，并尽可能减少释放到环境中的不可取的组分(如二氧化碳)的量。痕量的异戊二烯和高分子量有机化合物可通过吸附到固体表面而有效地捕集，例如吸附到活性炭(如，请参见NUCONG60、GC60、Vapor Filtration GC 4X8S、TIGG 5CC 0408)表面。二氧化碳捕集通常在逆流涤气器/吸收器中进行，其中将洗涤流体送至液体接触器的顶部，同时将要洗涤的气体送至底部。液体接触器将具有足够的接触表面或平衡阶段，以获得期望的浓度降低程度。常用的洗涤流体包括但不限于单乙醇胺(MEA)、哌嗪、水或它们的组合(请参见，如CO2 Absorption Rate and Solubility in Monoethanolamine/Piperazine/Water，Hongyi Dang，et al.，Prepared for presentation at the First National Conference on  Carbon Sequestration，Washington，DC，May 14‑17，2001(CO2在单乙醇胺/哌嗪/水中的吸收速率和溶解度，Hongyi Dang等人，第一届全国碳固定会议论文，华盛顿，2001年5月14‑17日))。
所得组合物
在一些方面，本文所述的方法提供纯化的异戊二烯组合物，其中纯化的异戊二烯组合物为已从发酵罐废气中存在的一种或多种组分的至少一部分分离的异戊二烯组合物。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物具有大于约75％(w/w)的纯度。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物具有大于约80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％、99.5％、99.5％或99.95％(w/w)中的任一个的纯度。
在本文所述实施例的任一个中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约20％(w/w)的生物副产物杂质。在一些实施例中，相对于异戊二烯的重量，纯化的异戊二烯组合物包含小于约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％、0.05％、0.02％、0.01％或0.005％(w/w)的生物副产物杂质。在一些实施例中，相对于发酵罐废气的生物副产物杂质，纯化的异戊二烯组合物包含小于约50％(w/w)的生物副产物杂质。在一些实施例中，相对于发酵罐废气的生物副产物杂质，纯化的异戊二烯组合物包含小于约40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、7.5％、5％、2.5％、1％或0.5％(w/w)中的任一个的生物副产物杂质。
在本文所述实施例的任一个中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约20％(w/w)的挥发性杂质。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物包含小于约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％或0.05％(w/w)的挥发性杂质。在一些实施例中，相对于发酵罐废气的挥发性杂质，纯化的异戊二烯组合物包含小于约50％(w/w)的挥发性杂质。在一些实施例中，相对于发酵罐废气的挥发性杂质，纯化的异戊二烯组合物包含小于约40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、7.5％、5％、2.5％、1％或0.5％(w/w)中的任一个的挥发性杂质。
在本文所述实施例的任一个中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约20％(w/w)的选自H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和O2的一种或多种化合物。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％或0.05％(w/w)的选自H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和O2的一种或多种化合物。在一些实施例中，相对于发酵罐废气，纯化的异戊二烯组合物包含小于约50％(w/w)的选自H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和O2的一种或多种化合物。在一些实施例中，相对于发酵罐废气，纯化的异戊二烯组合物包含小于约40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、7.5％、5％、2.5％、1％或0.5％(w/w)中任一个的选自H2O、CO2、CO、N2、CH4、H2和O2的一种或多种化合物。
在本文所述实施例的任一个中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约20％(w/w)的CO2。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％或0.05％(w/w)的CO2。在一些实施例中，相对于发酵罐废气中CO2的量，纯化的异戊二烯组合物包含小于约50％(w/w)的CO2。在一些实施例中，相对于发酵罐废气中CO2的量，纯化的异戊二烯组合物包含小于约40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、7.5％、5％、2.5％、1％或0.5％(w/w)中任一个的CO2。
在本文所述实施例的任一个中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约20％(w/w)的O2。在一些实施例中，纯化的异戊二烯组合物包含不超过约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％或0.05％(w/w)的O2。在一些实施例中，相对于发酵罐废气中O2的量，纯化的异戊二烯组合物包含小于约50％(w/w)的O2。在一些实施例中，相对于发酵罐废气中O2的量，纯化的异戊二烯组合物包含小于约40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、7.5％、5％、2.5％、1％或0.5％(w/w)中任一个的O2。
异戊二烯组合物
另外还提供了纯化的异戊二烯组合物(如，包含纯化的生物异戊二烯的组合物)。在一些实施例中，提供了可用本文所述方法中的任一种制备的纯化异戊二烯组合物。在一些实施例中，提供了用本文所述方法中的任一种制备的纯化异戊二烯组合物。
在一些实施例中，提供了异戊二烯(如，生物异戊二烯)组合物，相对于异戊二烯的重量，该组合物包含小于约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％、0.05％、0.02％、0.01％或0.005％(w/w)的生物副产物杂质。在一些实施例中，提供了异戊二烯(如，生物异戊二烯)组合物，该组合物包含小于约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％或0.05％(w/w)的挥发性杂质。在一些实施例中，提供了异戊二烯(如，生物异戊二烯)组合物，相对于异戊二烯的重量，该组合物包含小于约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％、0.05％、0.02％、0.01％或0.005％(w/w)的生物副产物杂质，并且相对于组合物的重量，其包含小于约15％、12％、10％、8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.075％、0.5％、0.25％、0.1％或0.05％(w/w)的挥发性杂质。在这些实施例的任一个中，相对于组合物的重量，异戊二烯组合物包含大于约80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％、99.5％、99.5％或99.95％(w/w)中的任一个的异戊二烯。在这些实施例的任一个中，相对于所有C5烃的重量，异戊二烯组合物包含大于约99.94％、99.94％、99.95％、99.96％、99.97％、99.98％或99.99％的异戊二烯(w/w)。在这些组合物的任一种中，生物副产物杂质包含一种或多种化合物，所述化合物选自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、双乙酰、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‑正丁醛、3‑甲基‑2‑丁酮、1‑丁醇、2‑戊酮、3‑甲基‑1‑丁醇、异丁酸乙酯、3‑甲基‑2‑丁烯醛、乙酸丁酯、3‑甲基乙酸丁酯、3‑甲基‑3‑丁‑1‑烯乙酸酯、3‑甲基‑2‑丁‑1‑烯乙酸酯、(E)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯、(Z)‑3，7‑二甲基‑1，3，6‑辛三烯和2，3‑环庚烯醇吡啶或如上文所述。
在一些实施例中，提供了异戊二烯(如，生物异戊二烯)组合物，该组合物包含相对于异戊二烯的重量小于约5％(或1％、或0.5％、或0.05％、或0.005％)(w/w)的生物副产物杂质；相对于组合物的重量小于约10％(或1％、或0.1％、或0.05％)(w/w)的挥发性杂质；以及相对于组合物的重量大于约95％(或98％、或99％、或99.95％)(w/w)的异戊二烯，其中相对于所有C5烃的重量，异戊二烯组合物包含大于约99.9％(或99.95％、或99.97％、或99.99％)的异戊二烯(w/w)。在一些实施例中，提供了异戊二烯组合物，该组合物包含相对于异戊二烯的重量小于约1％(w/w)的生物副产物杂质；相对于组合物的重量小于约5％(w/w)的挥发性杂质；以及相对于组合物的重量大于约98％(w/w)的异戊二烯，其中相对于所有C5烃的重量，异戊二烯组合物包含大于约99.95％的异戊二烯(w/w)。在一些实施例中，提供了异戊二烯组合物，该组合物包含相对于异戊二烯的重量小于约1％(w/w)的生物副产物杂质；相对于组合物的重量小于约5％(或2％、或1％、或0.5％)的CO2(w/w)；以及相对于组合物的重量大于约98％(w/w)的异戊二烯，其中相对于所有C5烃的重量，异戊二烯组合物包含大于约99.95％的异戊二烯(w/w)。
在任一组合物的一些实施例中，异戊二烯的至少一部分为气相。在一些实施例中，异戊二烯的至少一部分为液相(如冷凝物)。在一些实施例中，异戊二烯的至少一部分为固相。在一些实施例中，异戊二烯的至少一部分被吸附到固体载体上，如包含二氧化硅和/或活性炭的载体上。
在本文所述组合物的任一种中，组合物可包含大于约2mg的异戊二烯，例如大于或约5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900或1000mg的异戊二烯。在一些实施例中，组合物包含大于或约2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100g的异戊二烯。在一些实施例中，组合物中异戊二烯的量介于约2至约5,000mg之间，例如介于约2至约100mg、约100至约500mg、约500至约1,000mg、约1,000至约2,000mg或约2,000至约5,000mg之间。在一些实施例中，组合物中异戊二烯的量介于约20至约5,000mg、约100至约5,000mg、约200至约2,000mg、约200至约1,000mg、约300至约1,000mg或约400至约1,000mg之间。
在一些实施例中，组合物包含乙醇。在一些实施例中，组合物包含介于约75至约90重量％之间的乙醇，例如介于约75至约80重量％、约80至约85重量％、或约85至约90重量％的乙醇。在组合物包含乙醇的一些实施例中，组合物还包含介于约4至约15重量％之间的异戊二烯，例如介于约4至约8重量％、约8至约12重量％、或约12至约15重量％的异戊二烯。
其他方法和组合物在国际专利申请公布No.WO2009/076676；美国专利申请No.12/496,573、12/560,390、12/560,317、12/560,370、12/560,305和12/560,366；以及美国临时专利申请No.61/187,930、61/187,934和61/187,959中有所描述，所述专利均全文以引用方式并入本文，尤其是与制备异戊二烯的组合物和方法相关的内容。
本发明通过以下实例进行说明，这些实施例仅用于说明目的，并不被视为限制本发明的范围或可以实施本发明的方法。除非另外明确指明，否则份数和百分比均按重量计。
实例
实例1为通过吸收和汽提从发酵废气中回收异戊二烯，包括：
(1)从发酵废气中吸收异戊二烯。将包含异戊二烯、生物副产物杂质和挥发性杂质的发酵废气以4L/min的流速引入玻璃涤气器(部件号CG‑1830‑10，由ChemGlass(美国新泽西州瓦恩兰(Vineland，New Jersey，USA))提供)中。涤气器的贮存器包含以2L/min的速率回流的0.5L(埃克森美孚公司，德克萨斯州(ExxonMobil，TX))。将溶剂进行反复循环，直到与发酵废气达到平衡，这可以通过对进入涤气器装置之前的发酵废气、从涤气器装置产生的富含异戊二烯的Isopar溶剂和尾气进行GC/MS分析而确定。当送入的气体中的异戊二烯浓度与从涤气器产生的尾气浓度相同时，达到平衡。另一个指示是溶剂中的异戊二烯浓度达到稳定时。
(2)异戊二烯的汽提和冷凝。通过重新装配涤气器装置，以4L/min的速率将水蒸汽加入涤气器装置中取代发酵废气，从而从富含异戊二烯的Isopar溶剂中汽提异戊二烯。溶剂以2L/min的速率回流，从溶剂中汽提的异戊二烯蒸汽连同一定量的生物副产物杂质从涤气器装置顶部出来。
然后将用0至10℃的冷却剂冷却的Graham冷凝器或类似的玻璃冷凝器对从涤气器产生的异戊二烯蒸汽进行冷凝。通过添加150ppm叔丁基儿茶酚收集和抑制异戊二烯冷凝物。根据本领域所熟知的工艺用GC/MS确定液体异戊二烯的纯度。
下文描述了通过模拟确定的适于大规模(制造)或小规模(试验工厂或测试设备)流程的两组示例性塔柱。
下文的实例A使用板式塔柱，吸收柱14有十三块塔板，汽提柱24有十六块塔板。下文的实例B使用结构化填料塔柱，吸收柱14有十个塔段(等价于塔板)，汽提柱24有十一个塔段。目标是99.9％的异戊二烯回收率。所有这些参数和这些实例均为示例性的。


实例2是通过如上所述的实验室用涤气器，使用溶剂从发酵废气中回收异戊二烯。
将包含异戊二烯、生物副产物杂质和挥发性杂质的发酵废气以8L/min的流速引入包括吸收柱的实验室型玻璃涤气器装置(部件号CG‑1830‑10，由ChemGlass(美国新泽西州瓦恩兰(Vineland，New Jersey，USA))提供)中。通过在线质谱技术使用Hiden HPR‑20质谱仪(由英国海德公司(Hiden Analytical，United Kingdom)提供)确定的异戊二烯浓度在1.8至2.1％v/v范围内。涤气器的贮存器包含1L如上所述的异链烷烃溶剂，在下文中称为“溶剂”(由埃克森美孚化工，美国德克萨斯州休斯敦(ExxonMobil Chemical Co.，Houston，Texas，USA)提供)，该溶剂在室温(20℃)下以2L/min的速率反复循环。在此流程中，Isopar溶液中的异戊二烯浓度为约1体积％。继续执行该流程，直到与发酵废气达到平衡，这可通过对进入涤气器装置之前的发酵废气和从涤气器产生的尾气进行在线质谱分析来确定。用这些数据计算随时间(水平轴)变化的异戊二烯吸收效率(垂直轴)，如图2的曲线图所示。
通过将异戊二烯的总产量乘以该流程期间的平均吸收效率计算收集的异戊二烯的累积量，即由图2曲线之下面积的外推值来确定。异戊二烯浓度为2％v/v，废气流速为8L/min时，发酵罐在1.6小时内产生的异戊二烯的总量为大约40g，大约30％的异戊二烯被收集，得到溶剂中异戊二烯的理论浓度为10至12g/L。此流程完成之后，从涤气器中取出溶液进行后续分析、汽提和冷凝，以回收纯异戊二烯液体。
实例3为异戊二烯溶液的分析。
用顶空技术和液体GC/MS(气相色谱/质谱)两种方法分析通过上述气体吸收生成的异戊二烯溶液，以测定异戊二烯含量和主要杂质的种类。使用顶空法确定异戊二烯浓度，即将1mL异戊二烯溶液放置于20mL顶空小瓶中，并在进行100μL顶空进样之前在40℃下温育5分钟。GC/MS法用1mL/min的氦气作为载气，入口温度为230℃，分流比为100∶1。采用Zebron TM ZB‑5 GC色谱柱(30m×0.25mm×0.25Tm，由菲罗门公司，美国加利福尼亚州托伦斯(Phenomenex，Torrance，California，USA)提供)，质谱仪检测器以SIM模式运行，监测m/z为41、56、68、69、71和86的各离子。从50℃开始加热，保持2分钟，然后以20℃/min的速率升至75℃，然后以35℃/min的速率升至250℃。在最终温度250℃下保持0.75分钟，总运行时间为9分钟。在这些条件下，异戊二烯在1.68分钟时流出，溶剂L中的烃类在5.5与6.5分钟之间流出。用浓度在1mg/mL至20mg/mL范围内的异戊二烯/溶剂标准样品对该方法进行标定。用该方法确定在实例2中生成的异戊二烯/溶剂组合物的浓度为9.4g/L。
为了鉴定异戊二烯溶液中存在的生物副产物杂质，使用液相GC/MS法，以20∶1的分流比将1μL样品注入保持在250℃的GC入口，并用流速为1mL/min的氦气作为载气。使用Zebron ZB‑5GC色谱柱(30m×0.25mm×0.25um)，质谱仪检测器以扫描模式运行，监测m/z在29与350之间的离子。从50℃开始加热，保持2分钟，然后以20℃/min的速率升至320℃，最后保持2.5分钟，总运行时间为18分钟。在图3所示的这些条件下，异戊二烯在1.69分钟(水平轴)时流出，溶剂中的烃类在5.5与9分钟之间流出。除了来自溶剂的低分子量饱和烃之外，还发现了若干种生物副产物杂质(参见表2)。请注意，这些杂质中的某一些本身具有商业价值，可以用工业规模的现有纯化流程中的熟知方法进一步分离为生物副产物。
表2
  化合物  保留时间(min)  乙醇  1.59  丙酮  2.65  3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇  3.02  3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑醇  3.48  3‑甲基‑2‑丁烯‑1‑基乙酸酯  4.69
图4为图3的GC/MS图谱的左侧从1.6分钟至4.8分钟(水平轴)部分的放大图。
实例4是从异戊二烯/溶剂溶液中汽提和冷凝异戊二烯液体。
用两种方法(请参见上文)从如实例2所述生成的异戊二烯/溶剂溶液中回收异戊二烯液体：
(a)在实验室规模的流程中，通过将异戊二烯/溶剂溶液转移到配有实验室型干冰冷却的Dewar式蒸馏头(部件号CG‑1251，由ChemGlass(美国新泽西州瓦恩兰(Vineland，New Jersey，USA))提供)、气体喷射入口和搅拌棒的3颈1L圆底烧瓶中，实现从溶剂中汽提异戊二烯。冷凝器配有用于盛装液体异戊二烯产物的50mL接收瓶。将设备的出气送至填充干冰的冷塔板和起泡器，以监测气流。在油浴中将烧瓶加热至80℃，氮气以小于1L/min的速率鼓泡通过溶液。在2小时内，液体异戊二烯(约4mL)收集于容纳烧瓶中。
(b)改变上文(a)中所述的设备，将3塔段Snyder柱连接在3颈烧瓶与冷凝器之间。将油浴温度升至120℃。在这种情况下，使用水蒸汽而不是氮气，调节水蒸汽流速，使其在蒸馏柱中保持底部100℃至顶部34℃的温度梯度。在2小时内，将液体异戊二烯(约6mL)收集到容纳烧瓶中。
在此蒸馏步骤之后，使用实例3中所述的顶空GC/MS法分析溶剂，以确定从溶剂中汽提异戊二烯的程度。结果示于表3中：
表3

实例5是对使用溶剂通过吸收/汽提回收的异戊二烯液体进行分析。
用GC/FID(气相色谱法/火焰离子化检测器)和GC/MS法分析如实例4所述生成的异戊二烯液体，以估计总纯度并识别存在的生物副产物和其他杂质。用在50℃下保持15分钟的DB‑Petro色谱柱(100m×0.25mm，薄膜厚度为0.50μm，由安捷伦科技公司，美国加利福尼亚州圣克拉拉(Agilent Technologies，Santa Clara，California，USA)提供)进行GC/FID分析。该方法使用流速为1mL/min的氦气作为载气。进样口保持在200℃下，并以无分流模式操作。Agilent 5793N质量选择检测器以m/z 19至m/z250间的全扫描模式运行。图5为在该实例中从溶剂中回收的异戊二烯的GC/FID曲线图。在这些条件下，观察到异戊二烯在13.4分钟时流出，生物副产物杂质和溶剂衍生的挥发性杂质在12.6与23.0分钟之间流出。溶剂烃在27与29.5分钟之间流出。
实例6是在前述的最后纯化流程中从溶剂中除去极性生物副产物杂质。
将异戊二烯的溶剂从如上所述吸附剂的上方通过，从而除去其中存在的极性生物副产物杂质，具体地讲是用基于二氧化硅和氧化铝的吸附剂。例如，将汽提异戊二烯(请参见实例4)后获得的溶剂溶液(100mL)泵送通过Selexsorb CDX吸附剂床(10g Selexsorb CDX，得自巴斯夫公司(BASF))20分钟，并用GC/FID分析滤过的溶剂。色谱图(未示出)显示，大部分生物副产物杂质都被除去了。作为一种选择(见下文)，可以使用基于二氧化硅的吸附剂。
图6示出了吸附剂流程设备的例子(如图1中的系统36)，其中从图1上游部分输出的异戊二烯溶液最初保留在进料槽(贮存器)80中。通过流路82向贮存器80提供氮气流，以便用阀门V1保持约90PSI(磅/平方英寸，在压力调节器P处测量，为约6个大气压)的压力。阀门V2允许加压的异戊二烯溶液到达其间连接有泵90的阀门V3、V4。通过传输管路94承载的泵送溶液经由阀门V5到达封装在常规夹套100内的常规吸附床98，该吸附床为氧化铝或二氧化硅或如上所述的其他吸附剂床，如Selexsorb CDX。
第二氮气流由阀门V8和V6提供，这两个阀门之间具有用于测量气体流速的转子流量计104。该第二氮气流连接到床层98。按照常规，阀门V6处的氮气与阀门V5处的异戊二烯溶液交替地提供，以便用氮气冲洗床98中的吸附剂。通过冲洗除去被吸附剂床吸附的异戊二烯溶液中的杂质。此流程允许在吸附剂床再生过程中将杂质用冲洗氮气经由阀门V5排出。阀门V9、V10将冷却器/加热器单元108连接到床98，以将冲洗氮气和异戊二烯溶液保持在合适的温度。最后，经由传输管路110(具有第二压力调节器P)和阀门V7输出所得的纯化异戊二烯溶液。
在实验室规模的实例中，将来自生物异戊二烯组合物的异戊二烯(1mL，加入了150ppm TBC)装于GC瓶中，并用一粒CD或一粒CDX小珠(直径1/8″，即3mm，重量约90mg)处理1小时，并间或进行搅拌。产品在10分钟内颜色从白色变为淡黄色。用气相色谱法/质谱法分析各个样品。图中把几个色谱重叠在了一起，以显示杂质除去的程度。测定了极性杂质的除去程度，其结果示于表3A中。
表3A

进一步纯化异戊二烯‑液体萃取
如上所述并如图6所示，希望进一步纯化通常包含多种杂质的异戊二烯溶液。在一个实施例中，用上文提及的液体萃取方法实现了进一步的化，从而除去半极性杂质。
已经确定的是，衍生自石油的常规异戊二烯与衍生自发酵的本发明生物异戊二烯之间的显著差异是发酵型异戊二烯中存在大量就其化学性质而言是极性的生物副产物。这些杂质属于包括如上所述乙酸酯、醇、酮和酸在内的化学类别。这些杂质会干扰或抑制如上所述后续必要的异戊二烯的聚合，因此必须在下游聚合步骤之前将它们从回收的异戊二烯中除去。结合图6所述的吸附流程一般不能除去此类极性杂质。
已经发现的，将生物异戊二烯与去离子(DI)水或碱性去离子水溶液接触除去了显著量的此类杂质。多次与水或碱性水溶液接触会将杂质减至任何所要含量。在另一个实例中，表4示出了多种杂质(左边一行)、该实例中通过与等量碱性水溶液接触除去的杂质的比例(中间一行)、以及通过与等量去离子水接触除去的杂质的比例(右边一行)。
表4

因此，已经发现的，表4的第二行中的碱性水处理在很大程度上有效地除去了除2‑甲基呋喃和二甲基二硫醚之外的所有这些杂质。所述两种杂质只被除去了一小部分。不过，已经发现的是，2‑甲基呋喃不会显著抑制聚合。因此，二甲基二硫醚为主要的剩余杂质。大家都知道，二甲基二硫醚是特别强的聚合“毒药”。
执行此“苛性洗涤”流程的设备是常规设备，它包括用于容纳苛性溶液的合适容器，并且大量异戊二烯溶液被泵送到此容器中。由于异戊二烯溶液与水不相混溶，所以此容器应当配有适当的搅拌或混合设备，。因此，参照上文将异戊二烯溶液与苛性溶液“接触”足够长的时间，以便根据需要将杂质萃取到苛性溶液中。然后以常规方式将苛性溶液与纯化的异戊二烯溶液分离。此苛性洗涤流程可以是常规的分批或连续流程。此苛性洗涤流程可以在图6吸附系统的上游或下游执行。或者，如本领域所知，可以通过例如用合适的苛性化合物浸渍二氧化硅或氧化铝吸附剂，以同时进行苛性洗涤和吸附。
另外，用于除去二甲基二硫醚的有效方法是如上文结合图6所述的吸附技术。图7为生物异戊二烯中杂质随时间(水平轴)变化的曲线图，其中右侧峰示出了在沿着水平轴标示的流出时间(在实验室型吸附剂床纯化设备中)之后二甲基二硫醚的浓度。如图所示，二甲基二硫醚的初始浓度相当高，在用具有氧化铝的吸附系统处理后显著降低，而在通过二氧化硅吸附处理后进一步降低，直到几乎无法测出。
图8也涉及此吸附技术，该图示出了沿水平轴的时间，沿左侧垂直轴和相关的左侧曲线图以二氧化硅百分比的形式示出了二氧化硅中的二甲基二硫醚的比例，沿右侧垂直轴和相关的右侧曲线图示出了进料中未被二氧化硅吸收的二甲基二硫醚的百分比随时间的变化。可见，吸附过程的效果在约60分钟处开始急剧下降，因为吸附剂床已吸满(饱和)了二甲基二硫醚。按照左侧曲线图，吸附剂床在约38％的二甲基二硫醚处变得饱和。因此，需要如结合图6所述，定期冲洗(再生)吸附剂床。
另外，图9示出了吸附技术过程中在各时刻异戊二烯溶液中存在的氮、异戊二烯和二甲基二硫醚的相对浓度，显示出与图8相同的效果。该图示出了，从曲线图最低处的初始气体组合物(处理前)到曲线图上部的流程周期的终点，二甲基二硫醚基本被除去，而其他两种化合物，即溶解的氮和异戊二烯的量都基本相同。请注意，在120分钟处，当饱和了的床层允许二甲基二硫醚“冲破”时，二甲基二硫醚峰再次出现。
上述各个实例还描述和详述了上文所述的本发明的各个方面和实施例，这些实例仅旨在于对本发明进行示例性的说明，而不应将其视为以任何方式限制本发明。除非另外指明，否则温度均以摄氏度表示，压力均为或接近大气压。前述各实例和具体描述均作为示例而提供，并非为了限制本发明。本说明书中引用的所有出版物、专利申请和专利以引用方式并入本文，如同具体并单独地表明每个单独的出版物、专利申请或专利都以引用方式并入一般。具体地讲，本文引用的所有出版物均明确地以引用方式并入本文，以用于描述和公开本发明所用的组合物和方法。尽管在前文中为了清楚理解已通过示例说明和实例的方式描述了本发明的一些细节，但按照本发明的教导内容，对于本领域普通技术人员将会显而易见的是，可以在不脱离所附权利要求的精神或范围的情况下对本发明进行某些变动和修改。