[发明专利]产生1,3‑丁二烯的方法

说明书

相关申请

本申请要求2011年6月17日提交的美国临时申请No.61/498,408的优先权。

发明领域

本申请涉及一种用于从数种不同原料中的一种或多种生产丁二烯的方法，所述原料包括生物来源的原料、可再生原料、石油化学品原料和/或天然气。

发明背景

1,3-丁二烯(下文为丁二烯)是合成橡胶包括苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)，塑料包括聚丁二烯(PB)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯腈丁二烯(NBR)和作为用于尼龙-6,6其他化学品的己二腈的原材料的一种重要单体。丁二烯通常产生为蒸汽裂化工艺(steam cracking process)中的副产物，且经由萃取从裂化设备蒸汽(cracker stream)中分离。已通过对n-丁烷的脱氢、n-丁烷的脱氢、对正丁醇或丁二醇的脱水等方法来有意地制备丁二烯。在工业上，已使用基于石油化学品的原料合成丁二烯。目前用于有意地生产丁二烯的商业实践具有几个缺点，包括生产的高成本和低产率工艺。目前，用于有意地生产丁二烯的方法依赖于石油化学品原料和能量密集性催化步骤。就此而言，生物技术提供了生物催化形式的一种备选的办法。生物催化是使用天然催化剂如酶来进行有机化合物上的化学转化。已完全或部分纯化的酶，和存在于全细胞中的酶均为生物催化中的可用催化剂。

因此，在此背景下，显然需要用于生产中间物特别是丁二烯的可持续方法，其中所述方法是基于生物催化的。生物来源的原料和石油化学品原料均为可行的生物催化工艺的起始材料。

发明概述

发明人已确定可以生成能够催化丁烯醇到丁二烯转化的酶。在发明人的令人惊讶的发现之前，并不知道能够在羟基化不饱和四碳分子中的碳原子之间引入双键的酶是存在的或能生成的。

发明人的发现尤为令人惊讶，因为由本发明的酶催化的反应与自然界中观察到的典型反应方向完全相反。即，反应是以与在自然界中观察到的逆方向。在自然界中，分子中例如不饱和脂肪酸中碳原子之间的双键倾向于变成饱和的，例如通过在双键中碳原子之一上的酶催化的亲核攻击。即，部分受胞内环境的普遍条件驱动。

如此，本发明提供将丁烯醇转化成丁二烯的酶。该转化可由本发明的单一的酶进行，或者可由本发明的两种或更多种酶连续作用进行(亦即，例如第一酶作用于四碳分子以产生第一丁烯醇，然后该第一丁烯醇受到本发明的第二酶作用以产生丁二烯)。本发明还提供从不饱和羟基化四碳分子产生丁二烯的方法，包括至少一个生物催化步骤。由本发明的酶实施的反应包括脱水(即从分子除去H₂O)。

在一些实施方案中，丁烯醇选自下组：1-丁烯-3-醇、1-丁烯-4-醇、2-丁烯-1-醇、2-丁烯-3-醇或2-丁烯-4-醇。

在一些实施方案中，丁烯醇可原位生成为相应不饱和酮或醛如1-丁烯醛(butenal)或2-丁烯醛或2-酮丁烯的烯醇化物。

在一些实施方案中，通过酶作用从选自以下的四碳分子产生丁烯醇：丁二醇(1,4-丁二醇、1,3-丁二醇、或2,3-丁二醇)或丁醇(1-丁醇或2-丁醇)或丁烯(1-丁烯或2-丁烯)。

在一些实施方案中，丁烯醇从丁烯如1-丁烯或2-丁烯产生。

由本发明的酶进行的反应将是脱水(即从分子除去H₂O)、氧化还原酶(即羟基基团替换氢)、或脱氢(即从分子除去氢)。在由本发明的酶催化的反应中，脱氢导致分子碳主链的去饱和。对于脱水步骤，酶可以是与用于将丁烯醇脱水成丁二烯的酶类别相同的酶类别，或者可以是另一种酶类别。

在一个分开的发明中，本发明提供来自酶类别4.2.1.-的酶-此类别中的酶将丁二醇转化成丁烯醇。

在一些实施方案中，丁烯醇或丁二醇可源自基于生物或非生物原料的微生物发酵工艺。例如，丁烯醇或丁二醇可源自基于生物原料(如甘油、来自生物质的合成气体(Synthesis Gas)、来自食料的糖如蔗糖或葡萄糖、或来自非食料的糖如纤维素或半纤维素来源的糖)的酶促工艺或生物工艺。或者，丁烯醇或丁二醇可源自基于非生物原料(如来自煤的合成气体、天然气、燃烧废气和城市废料、或石油化学品来源的原料如烃类)的生物工艺。另外，丁烯醇或丁二醇可源自基于石油化学品原料的非酶促工艺。

由本发明的酶实施的反应将是脱水(即从分子除去H₂O)。

在一个分开的发明中，本发明提供将丁烯转化成丁烯醇的酶。