(57)【要約】【課題】  本発明は、グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液からイオン交換樹脂によりグリセロールを除去する工程を含む乳酸の製造方法であり、本発明により簡便かつ低コストでグリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液から乳酸を分離することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液からイオン交換樹脂によりグリセロールを除去する工程を含む、乳酸の製造方法。
【請求項２】
前記イオン交換樹脂が強酸性イオン交換樹脂である、請求項１に記載の乳酸の製造方法。
【請求項３】
前記乳酸水溶液の乳酸濃度が２０重量％以上である、請求項１または２に記載の乳酸の製造方法。
【請求項４】
イオン交換樹脂によりグリセロールを除去した乳酸水溶液を蒸留する工程を含む、請求項１から３のいずれかに記載の乳酸の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の乳酸の製造方法により得られる乳酸を原料とする、ポリ乳酸の製造方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の乳酸の製造方法により得られる乳酸を直接脱水重縮合する、ポリ乳酸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乳酸水溶液中の乳酸とグリセロールを分離することによる乳酸の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
乳酸は、食品用、医薬用などといった用途の他に、生分解性プラスチックのモノマー原料として工業的用途にまで広く適用され、需要が増加している。２−ヒドロキシプロピオン酸、即ち乳酸は、微生物による発酵により生産されることが知られており、微生物はグルコースに代表される炭水化物を含有する基質を乳酸に変換する。乳酸は、カルボニルα位の炭素に結合している置換基の立体配座により、（Ｌ）−体および（Ｄ）−体の光学異性体に分類される。微生物発酵によれば、微生物を適宜選択することにより（Ｌ）−体または（Ｄ）−体の乳酸を選択的に、または（Ｌ）−体及び（Ｄ）−体の混合体（ラセミ体）の乳酸を生産することができる。【０００３】
一般に、微生物発酵による乳酸の生産は培養液中にアルカリ性物質（例えば、水酸化カルシウム）を添加することで微生物発酵に最適なｐＨに保持されながら行われる。微生物発酵により生産された酸性物質である乳酸の多くは、アルカリ性物質が添加されることで、培養液中では乳酸塩（例えば、乳酸カルシウム）として存在している。乳酸をプラスチックのモノマーとして使用する場合、一般的に発酵終了後の培養液に酸性物質（例えば、硫酸）を添加することで得られるフリー体の乳酸が好ましく用いられる。ただし、微生物発酵により得られる乳酸発酵液中には、目的物である乳酸の他、有機酸とその塩、タンパク質、アミノ酸に加え、グリセロールなどの非イオン性の化合物が不純物として含まれており、乳酸をプラスチックのモノマーとして使用する場合、乳酸とこれらの不純物を分離する必要がある。【０００４】
微生物発酵により得られる乳酸発酵液由来の乳酸水溶液から不純物を除去して乳酸を回収する方法として、例えば特許文献１には、乳酸水溶液をイオン交換処理してイオン成分を除去した後、処理液を蒸留する方法が記載されている。また、非イオン性の不純物の除去方法として、特許文献２には、乳酸水溶液に含まれる乳酸をイオン交換樹脂に吸着・溶出させることにより、該乳酸水溶液に含まれる不純物であるグリセロールを除去する方法が記載されている（ただし、特許文献２の実施例には乳酸をイオン交換樹脂に吸着・溶出させた例は記載されていない。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５０６２７４号公報
【特許文献２】特開２００６−７５１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
乳酸水溶液に含まれる不純物の中でも非イオン性のグリセロールと乳酸を分離する方法としては、前述のとおり乳酸水溶液に含まれる乳酸をイオン交換樹脂に吸着・溶出させることによって不純物であるグリセロールを除去する方法があるが、多量の乳酸をイオン交換樹脂に吸着させるためには大量のイオン交換樹脂が必要であるため、設備が大型化してしまうなどの課題が考えられた。【０００７】
そこで本発明は、グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液から乳酸を分離する場合において、簡便かつ低コストにグリセロールを低減した乳酸を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、乳酸水溶液に含まれる非イオン性の不純物であるグリセロールをイオン交換樹脂に吸着させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。【０００９】
すなわち、本発明は次の（１）〜（６）から構成される。
（１）グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液からイオン交換樹脂によりグリセロールを除去する工程を含む、乳酸の製造方法。
（２）前記イオン交換樹脂が強酸性イオン交換樹脂である、（１）に記載の乳酸の製造方法。
（３）前記乳酸水溶液の乳酸濃度が２０重量％以上である、（１）または（２）に記載の乳酸の製造方法。
（４）イオン交換樹脂によりグリセロールを除去した乳酸水溶液を蒸留する工程を含む、（１）から（３）のいずれかに記載の乳酸の製造方法。
（５）（１）から（４）のいずれかに記載の乳酸の製造方法により得られる乳酸を原料とする、ポリ乳酸の製造方法。
（６）（１）から（４）のいずれかに記載の乳酸の製造方法により得られる乳酸を直接脱水重縮合する、ポリ乳酸の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、乳酸水溶液中に不純物として含有するグリセロールを簡単な操作により効率的かつ低コストに低減することができ、融点、熱安定性に優れたポリ乳酸を製造するのに適した乳酸を製造することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の乳酸の製造方法は、グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液からイオン交換樹脂によりグリセロールを除去する工程を含むことを特徴としている。以下、本発明をより詳細に説明する。
【００１２】
本発明における「グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液」とは、乳酸を主成分として含み、不純物としてグリセロールを含む水溶液のことを意味する。グリセロールを不純物として含む限りは乳酸水溶液の由来は特に限定されず、有機合成によって得られた乳酸の水溶液であってもよく、微生物発酵により得られた乳酸発酵培養液そのものや、乳酸発酵培養液から複数の分離精製工程を経たものであってもよい。また、乳酸はイオン性物質であるため、グリセロールを不純物として含有する乳酸水溶液では、乳酸がフリー乳酸として存在する場合、乳酸塩として存在する場合またはそれらが平衡状態の場合があるが、後述の通り、乳酸がフリー体として存在している場合が本発明によるグリセロールの除去効果が高い。なお、乳酸水溶液に含まれる乳酸とグリセロールは、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）によって定量することができる。
【００１３】
イオン交換樹脂により乳酸水溶液に含まれるグリセロールを除去する工程では、上述の乳酸水溶液に含まれるグリセロールをイオン交換樹脂に吸着させることを特徴とする。イオン交換樹脂は合成樹脂の一種であり、分子構造の一部にイオン基として電離する構造を持つため、溶媒中のイオン成分とイオン交換作用を示す。従って、一般的にはイオン交換樹脂は溶液中のイオン成分を吸着する目的で使用されるが、乳酸水溶液という極性の高い溶液中の非イオン成分であるグリセロールがイオン交換樹脂に吸着することを見出したところに本発明の特徴がある。
【００１４】
本発明において使用されるイオン交換樹脂としては特に限定はなく、一般に公知のものが使用でき、具体例として、“アンバーライト”（登録商標）（ダウ・ケミカル社製）、“ダイヤイオン”（登録商標）（三菱化学株式会社製）、“デュオライト”（登録商標）（ローム・アンド・ハース社製）などが市販されている。また、イオン交換樹脂は酸性（カチオン交換樹脂）、塩基性（アニオン交換樹脂）、またはこれらの塩型のいずれでも使用できるが、強酸性イオン交換樹脂がグリセロール吸着能に優れることから好ましく、Ｈ型の強酸性イオン交換樹脂が特に好ましい。なお、これらのイオン交換樹脂はいわゆるゲル型でもポーラス型の樹脂のいずれでも使用できる。強酸性イオン交換樹脂の具体例としては、三菱化学株式会社製の“ダイヤイオン”（登録商標）ＳＫ１Ｂ、ＳＫ１ＢＨ、ＳＫ１１０、ＳＫ１１２、ＰＫ２１６、ＰＫ２１６Ｈ、ＰＫ２１８、ＰＫ２２０、ＰＫ２２８、ＰＫ２２８Ｈ、ＵＢＫ０８、ＵＢＫ１０、ＵＢＫ１２、ＵＢＫ５３０、ＵＢＫ５５０、ＵＢＫ５３５、ＵＢＫ５５５、ダウ・ケミカル社製の“アンバーライト”（登録商標）ＩＲ１２０Ｂ  Ｎａ、ＩＲ１２０  Ｈ、ＩＲ１２４  Ｎａ、２００ＣＴ  Ｎａ、２００ＣＴ  Ｈ、２５２  Ｎａ、２５２  Ｎａ、ローム・アンド・ハース社製の“デュオライト”（登録商標）Ｃ２０Ｊ、Ｃ２０ＬＦ、Ｃ２５５ＬＦＨ、Ｃ２６Ａ、Ｃ２６ＴＲＨなどが挙げられる。
【００１５】
乳酸水溶液をイオン交換樹脂と接触させる方法としては、バッチ方式（攪拌槽式）およびカラム方式（固定床流通方式）のいずれの方式も採用することができるが、操作性が良いことから、カラム方式が好ましい。イオン交換樹脂カラムによるイオン交換処理の場合の乳酸水溶液の流速は特に制限はないが、通常、イオン交換樹脂の単位体積当たりの空間速度（ＳＶ）が０．１〜２０ｈｒ−１となるようにすればよい。また、イオン交換樹脂カラムと乳酸水溶液の接触温度は特に限定はなく、常温で好適に使用できる。
【００１６】
なお、グリセロール除去に使用したイオン交換樹脂は水による洗浄により再生することができる。通常、イオン成分を吸着したイオン交換樹脂の再生には酸、アルカリといった薬液による洗浄が必要であるが、非イオン成分であるグリセロールが吸着したイオン交換樹脂は極性の高い水で洗浄して再生できることから、イオン交換樹脂再生に必要な薬液コストを低減できる。樹脂再生に使用する水に特に限定はないが、イオン成分を多く含んだ水を使用した場合、該イオン成分によってイオン交換樹脂表面の官能基にイオン成分が吸着し、グリセロール吸着効果が低下するため、イオン交換水を用いた洗浄が好ましく適用できる。
【００１７】
イオン交換樹脂の工程に供する乳酸水溶液が微生物発酵による乳酸発酵培養液である場合、一般に培養時のｐＨ調整のためにアルカリ性物質が添加されるため、乳酸発酵培養液中の乳酸は乳酸塩として存在する。その場合、乳酸水溶液をイオン交換樹脂で処理する工程に先立つ前処理として、乳酸発酵培養液中の乳酸塩をフリー乳酸に変換することが好ましい。乳酸塩の具体例としては、乳酸リチウム、乳酸ナトリウム、乳酸カリウム、乳酸カルシウム、乳酸マグネシウム、乳酸アルミニウムまたは乳酸アンモニウムあるいはこれらの混合物が挙げられる。乳酸が乳酸塩として存在する乳酸発酵培養液をイオン交換樹脂で処理すると、乳酸塩をフリー乳酸とすることにイオン交換樹脂表面の官能基が優先的に使用され、それによりグリセロール吸着効果が低下するため、あらかじめフリー化した乳酸の水溶液をイオン交換樹脂で処理することで、グリセロール除去効果を高めることができる。
【００１８】
乳酸塩からフリー乳酸を得る方法としては、酸性物質を添加する方法を採用できる。酸性物質は特に限定はなく、硫酸、塩酸、炭酸、リン酸、硝酸などを用いることができるが、後述の難溶性塩を形成する観点から硫酸を用いることが好ましい。乳酸塩水溶液に酸性物質を添加してフリーの乳酸水溶液に変換するとともに、乳酸塩の陽イオン成分を難溶性塩として除去することが好ましい。乳酸塩水溶液に酸性物質を添加し、該溶液中の陽イオン成分を難溶性塩として沈殿、濾別等により固液分離することで、乳酸塩由来の陽イオンが除去されたフリーの乳酸水溶液を得ることができる。なお、難溶性塩の固液分離の方法に特に限定はなく、定性濾紙による濾過や遠心分離など、当業者にとって公知の方法を適用できる。
【００１９】
また、乳酸水溶液をイオン交換樹脂で処理する前に、溶存している塩を除去する工程に供してもよい。乳酸水溶液に溶存している塩を除去することで、イオン交換樹脂の工程でのグリセロール吸着効果を高めることができる。乳酸水溶液中の溶存塩の除去方法に特に限定はなく、イオン交換処理や膜濾過処理などが適用される。なお、ここでいうイオン交換処理とは、乳酸水溶液中のイオン成分（無機塩等）を除去するものであり、本発明でのイオン交換樹脂で乳酸水溶液の不純物であるグリセロールを除去することとは目的が異なる。
【００２０】
膜濾過処理とは、乳酸を透過し、塩類を阻止する膜であれば特に限定はないが、ナノ濾過膜が好適である。ナノ濾過膜とは、ナノフィルター（ナノフィルトレーション膜、ＮＦ膜）とも呼ばれるものであり、「一価のイオンは透過し、二価のイオンを阻止する膜」と一般に定義される膜である。数ナノメートル程度の微小空隙を有していると考えられる膜で、主として、水中の微小粒子や分子、イオン、塩類等を阻止するために用いられる。ナノ濾過膜の素材としては、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができるが、前記１種類の素材で構成される膜に限定されず、複数の膜素材を含む膜であってもよい。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。複合膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載の、ポリスルホンを膜素材とする支持膜にポリアミドの機能層からなるナノ濾過膜を構成させた複合膜を用いることができる。
【００２１】
ナノ濾過膜は一般にスパイラル型の膜エレメントとして使用されるが、本発明で用いるナノ濾過膜も、スパイラル型の膜エレメントとして好ましく使用される。好ましいナノ濾過膜エレメントの具体例としては、ＧＥ  Ｏｓｍｏｎｉｃｓ社製の“ＧＥｓｅｐａ”（登録商標）、アルファラバル社製のＮＦ９９またはＮＦ９９ＨＦ、フィルムテック社製のＮＦ−４５、ＮＦ−９０、ＮＦ−２００またはＮＦ−４００、東レ株式会社製のＵＴＣ６０を含む同社製ナノ濾過膜エレメントＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０が挙げられる。
【００２２】
イオン交換樹脂の工程に供される乳酸水溶液の乳酸濃度に特に制限はないが、乳酸水溶液の乳酸濃度が２０重量％未満の場合は、極性の高い水の影響により、イオン交換樹脂のグリセロール吸着を抑制してしまうため、濃縮操作により乳酸濃度を２０重量％以上に濃縮後にイオン交換樹脂で処理することが好ましい。また、乳酸水溶液の乳酸濃度が９０重量％を超える場合、乳酸水溶液の粘性が高くなり、イオン交換樹脂工程での乳酸水溶液の流動性や操作性が低下するため、乳酸濃度を９０重量％以下としてイオン交換樹脂処理することが好ましい。
【００２３】
なお、乳酸水溶液を濃縮する方法は、エバポレーターに代表される濃縮装置で加熱、減圧により水を蒸発させたり、逆浸透膜により乳酸濃度を高めることができるが、濃縮に要するエネルギーを低減できることから、逆浸透膜による濃縮方法が好ましい。ここでいう逆浸透膜とは、非処理水の浸透圧以上の圧力差を駆動力にイオンや低分子量分子を濾別できる濾過膜である。なお、逆浸透膜による乳酸水溶液の濃縮では、乳酸水溶液中の水分を逆浸透膜の透過側に透過させることにより、非透過側に乳酸濃度を高めた乳酸水溶液を得ることができる。
【００２４】
乳酸水溶液の濃縮のための逆浸透膜の膜素材としては、一般に市販されている酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができるが、該１種類の素材で構成される膜に限定されず、複数の膜素材を含む膜であってもよい。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。また、逆浸透膜の膜形態としては、平膜型、スパイラル型、中空糸型など適宜の形態のものが使用できる。
【００２５】
逆浸透膜の具体例としては、東レ株式会社製のポリアミド系逆浸透膜ＵＴＣ−７０、ＳＵ−７１０、ＳＵ−７２０、ＳＵ−７２０Ｆ、ＳＵ−７１０Ｌ、ＳＵ−７２０Ｌ、ＳＵ−７２０ＬＦ、ＳＵ−７２０Ｒ、ＳＵ−７１０Ｐ、ＳＵ−７２０Ｐ、ＳＵ−８１０、ＳＵ−８２０、ＳＵ−８２０Ｌ、ＳＵ−８２０ＦＡ、ＳＵ−６１０、ＳＵ−６２０、ＴＭ８００、ＴＭ８００Ｃ、ＴＭ８００Ａ、ＴＭ８００Ｈ、ＴＭ８００Ｅ、ＴＭ８００Ｌ、東レ株式会社製の酢酸セルロース系逆浸透膜ＳＣ−Ｌ１００Ｒ、ＳＣ−Ｌ２００Ｒ、ＳＣ−１１００、ＳＣ−１２００、ＳＣ−２１００、ＳＣ−２２００、ＳＣ−３１００、ＳＣ−３２００、ＳＣ−８１００、ＳＣ−８２００、日東電工株式会社製のＮＴＲ−７５９ＨＲ、ＮＴＲ−７２９ＨＦ、ＮＴＲ−７０ＳＷＣ、ＥＳ１０−Ｄ、ＥＳ２０−Ｄ、ＥＳ２０−Ｕ、ＥＳ１５−Ｄ、ＥＳ１５−Ｕ、ＬＦ１０−Ｄ、アルファラバル製のＲＯ９８ｐＨｔ、ＲＯ９９、ＨＲ９８ＰＰ、ＣＥ４０４０Ｃ−３０Ｄ、ＮＦ９９、ＮＦ９９ＨＦ、ＧＥ製のＧＥ  Ｓｅｐａ、ＯＳＭＯ  ＢＥＶ  ＮＦ  Ｓｅｒｉｅｓ、ＨＬ    Ｓｅｒｉｅｓ、Ｄｕｒａｓｌｉｃｋ  Ｓｅｒｉｅｓ、ＭＵＮＩ  ＮＦ  Ｓｅｒｉｅｓ、ＣＫ  Ｓｅｒｉｅｓ、ＤＫ  Ｓｅｒｉｅｓ、Ｓｅａｓｏｆｔ  Ｓｅｒｉｅｓ、Ｄｕｒａｔｈｅｒｍ  ＨＷＳ  Ｓｅｒｉｅｓ、ＫＯＣＨ製のＳｅｌＲＯ  Ｓｅｒｉｅｓ、Ｆｉｌｍｔｅｃ製のＢＷ３０−４０４０、ＴＷ３０−４０４０、ＸＬＥ−４０４０、ＬＰ−４０４０、ＬＥ−４０４０、ＳＷ３０−４０４０、ＳＷ３０ＨＲＬＥ−４０４０、ＮＦ４５、ＮＦ９０、ＮＦ２００、ＮＦ４００などが挙げられる。
【００２６】
また、本発明ではイオン交換樹脂の工程で得られた乳酸水溶液をさらに蒸留する工程に供することで、グリセロールをより低減した高純度の乳酸が得られる。蒸留工程に供する乳酸水溶液の乳酸濃度に特に制限はなく、イオン交換樹脂処理で得られる乳酸水溶液をそのまま蒸留してもよく、さらにエバポレーターや前述の逆浸透膜による濃縮工程に供してから蒸留を行ってもよい。ただし、溶液中の乳酸濃度が低すぎると蒸留設備が大きくなり、濃度が高すぎるとオリゴマー化して収率が低下するおそれがあるため、５０〜９５重量％、より好ましくは６０〜９０重量％であれば好適に蒸留を行うことができる。また、蒸留工程は、１Ｐａ以上大気圧（常圧、約１０１ｋＰａ）以下の減圧下で行われる。１０Ｐａ以上３０ｋＰａ以下の減圧下で行えば、蒸留温度を低減できることからより好ましい。減圧下で行う場合の蒸留温度は、２０℃以上２００℃以下で行われるが、１８０℃以上で蒸留を行った場合、不純物の影響により、乳酸がラセミ化するおそれがあるため、５０℃以上１８０℃以下、より好ましくは６０℃以上１５０℃以下であれば、好適に乳酸の蒸留を行うことができる。なお、乳酸は構造上、脱水条件（加熱、減圧）によりオリゴマー化しやすいため、可能な限り滞留時間を低減させることが好ましい。したがって、蒸留装置として、落下フィルム蒸発装置、拭き取りフィルム蒸発装置などの薄膜蒸発装置を用いることで短時間の蒸留を達成できるため、乳酸の回収率を向上できることから好ましい。
【００２７】
前記乳酸を重合して得られるポリ乳酸には、Ｌ−乳酸単位またはＤ−乳酸単位のホモポリマーや、ポリ−Ｌ−乳酸単位からなるセグメントとポリ−Ｄ−乳酸単位からなるセグメントにより構成されるポリ乳酸ブロック共重合体や、乳酸以外の他のモノマーとの共重合体が含まれる。共重合体である場合、乳酸以外の他のモノマー単位としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ヘプタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、ノナンジオール、デカンジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ビスフェノールＡ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールおよびポリテトラメチレングリコールなどのグリコール化合物、シュウ酸、アジピン酸、セバシン酸、アゼライン酸、ドデカンジオン酸、マロン酸、グルタル酸、シクロヘキサンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、フタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ビス（ｐ−カルボキシフェニル）メタン、アントラセンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ナトリウムスルホイソフタル酸、テトラブチルホスホニウムイソフタル酸などのジカルボン酸、グリコール酸、ヒドロキシプロピオン酸、ヒドロキシ酪酸、ヒドロキシ吉相酸、ヒドロキシカプロン酸、ヒドロキシ安息香酸などのヒドロキシカルボン酸、カプロラクトン、バレロラクトン、プロピオラクトン、ウンデカラクトン、１，５−オキセパン−２−オンなどのラクトン類を挙げることができる。上記他の共重合成分の共重合量は、全単量体成分に対し、０〜３０モル％であることが好ましく、０〜１０モル％であることがより好ましい。
【００２８】
前記ポリ乳酸の製造方法は特に限定されず、一般のポリ乳酸の製造方法を利用することができる。具体的には、乳酸を原料として、一旦、環状２量体であるラクチドを生成せしめ、その後、開環重合を行う２段階のラクチド法と、当該原料を溶媒中で直接脱水重縮合を行う一段階の直接重合法などが知られており、いずれの製法を利用してもよい。
【００２９】
ラクチド法および直接重合法においては、重合反応に触媒を用いることにより、重合時間を短縮することができる。触媒としては、例えば、錫、亜鉛、鉛、チタン、ビスマス、ジルコニウム、ゲルマニウム、アンチモン、アルミニウムなどの金属及びその誘導体が挙げられる。誘導体としては、金属アルコキシド、カルボン酸塩、炭酸塩、酸化物、ハロゲン化物が好ましい。具体的には、塩化錫、酢酸錫、オクチル酸錫、塩化亜鉛、酸化鉛、炭酸鉛、塩化チタン、アルコキシチタン、酸化ゲルマニウム、酸化ジルコニウムなどが挙げられ、これらの中でも錫化合物が好ましく、酢酸錫またはオクチル酸錫がより好ましい。
【００３０】
重合反応は、上記触媒の存在下、触媒種によっても異なるが通常１００〜２００℃の温度で行うことができる。また、重合反応に伴って生成する水を除くために、重合反応は減圧条件下で行われることが望ましく、好ましくは７ｋＰａ以下、より好ましくは１．５ｋＰａ以下である。
【００３１】
また、重合反応時には水酸基またはアミノ基を分子内に２個以上含有する化合物を重合開始剤として用いてもよい。ここで、重合開始剤として用いる水酸基またはアミノ基を分子内に２個以上含有する化合物としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール、ソルビトール、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（ヒドロキシプロピルメタクリレート）などの多価アルコール、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ブタンジアミン、ヘキサンジアミン、ジエチレントリアミン、メラミンなどの多価アミンなどが挙げられ、なかでも、多価アルコールがより好ましい。
【００３２】
前記重合開始剤の添加量は、特に限定されるものではないが、使用する原料（Ｌ−乳酸、Ｄ−乳酸、Ｌ，Ｌ−ラクチドまたはＤ，Ｄ−ラクチド）１００重量部に対して０．００１〜５重量部が好ましく、０．０１〜３重量部がより好ましい。
【００３３】
また、直接重合法によりポリ乳酸を製造する場合に使用する溶媒としては、重合に影響を及ぼさなければ特に制限は無く、水や有機溶媒を用いることができる。有機溶媒の場合、例えば、芳香族炭化水素類が挙げられる。芳香族炭化水素類としては、例えば、トルエン、キシレン、ナフタレン、クロロベンゼン、ジフェニルエーテルなどが挙げられる。また、直接重合法によりポリ乳酸を製造する場合、縮合反応で生成する水を系外に排出することにより、重合を促進することができる。系外に排出する方法としては、減圧条件下で重合を行うことが好ましく、具体的には、７ｋＰａ以下、より好ましくは１．５ｋＰａ以下である。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００３５】
実施例１〜４  イオン交換樹脂によるグリセロールの吸着除去試験
９０重量％の乳酸水溶液（和光純薬工業株式会社製）１００ｇに純水３５０ｇを添加して２０重量％乳酸水溶液を調製し、１２０℃の油浴で５時間加熱還流して水溶液中の乳酸オリゴマーを加水分解し、乳酸モノマーの水溶液とした。続いて、ロータリーエバポレーターを用いて乳酸水溶液を濃縮後、グリセロールを乳酸に対して５重量％となるように添加して、グリセロールを含有する７５重量％乳酸水溶液を調製した。この乳酸水溶液２０ｇに対してそれぞれＨ型強酸性イオン交換樹脂“ダイヤイオン”（登録商標）ＳＫ１ＢＨ（三菱化学株式会社製）２ｇ（実施例１）、Ｎａ型強酸性イオン交換樹脂“ダイヤイオン”（登録商標）ＳＫ１Ｂ（三菱化学株式会社製）２ｇ（実施例２）、ＣＬ型強塩基性イオン交換樹脂“アンバーライト”（登録商標）ＩＲ４１０ＪＣＬ（ダウ・ケミカル社製）２ｇ（実施例３）、ＯＨ型弱塩基性イオン交換樹脂“ダイヤイオン”（登録商標）ＷＡ２０（三菱化学株式会社製）２ｇ（実施例４）を添加し、室温で２時間、３００ｒｐｍで攪拌した。イオン交換樹脂処理前後の乳酸水溶液中のグリセロール濃度を高速液体クロマトグラフィーで測定し、グリセロール吸着除去率を以下の式１の方法で算出した。
グリセロール吸着除去率（％）＝１００×（イオン交換樹脂処理前のグリセロール濃度（ｇ／Ｌ）−イオン交換樹脂処理後のグリセロール濃度（ｇ／Ｌ））／イオン交換樹脂処理前のグリセロール濃度（ｇ／Ｌ）・・・（式１）。【００３６】
なお、乳酸水溶液中のグリセロール濃度は、高速液体クロマトグラフィー（株式会社島津製作所製）により以下の条件で測定した。結果を表１に示す。
カラム：ＳｈｏｄｅｘＮＨ２Ｐ−５０  ４Ｅ（昭和電工株式会社製）、移動相：アセトニトリル：水＝３：１、流速：０．６ｍＬ／ｍｉｎ、検出方法：示差屈折率検出器（ＲＩ）、カラム温度：３０℃
比較例１  活性炭によるグリセロール吸着除去試験
９０重量％の乳酸水溶液（和光純薬工業株式会社製）１００ｇに純水３５０ｇを添加して２０重量％乳酸水溶液を調製し、１２０℃の油浴で５時間加熱還流して水溶液中の乳酸オリゴマーを加水分解し、乳酸モノマーの水溶液とした。続いて、ロータリーエバポレーターを用いて乳酸水溶液を濃縮後、グリセロールを乳酸に対して５重量％となるように添加して、グリセロールを含有する７５重量％乳酸水溶液を調製した。この乳酸水溶液２０ｇに対して活性炭白鷺Ａ（日本エンバイロケミカルズ株式会社製）０．１ｇを添加し、室温で２時間、３００ｒｐｍで攪拌した。続いて、定性濾紙Ｎｏ．２（アドバンテック製）で活性炭を濾別し、活性炭処理した乳酸水溶液を得た。活性炭処理によるグリセロール吸着除去率は実施例１〜４と同様の手順で算出した。結果を表１に示す。【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すとおり、グリセロールを含有する乳酸水溶液をイオン交換樹脂で処理することで、グリセロールを低減した乳酸水溶液が得られることが示され、特に強酸性イオン交換樹脂のグリセロール除去効果が高いことがわかった。【００３９】
実施例５〜９  イオン交換樹脂によるグリセロール除去における乳酸濃度依存性試験
９０重量％の乳酸水溶液（和光純薬工業株式会社製）１００ｇに純水３４５．５ｇ、グリセロール（和光純薬工業株式会社製）４．５ｇを添加して２０重量％乳酸水溶液（対乳酸グリセロール濃度５重量％）を調製し、１２０℃の油浴で５時間加熱還流して水溶液中の乳酸オリゴマーを加水分解し、乳酸モノマーの水溶液とした。続いて、ロータリーエバポレーターを用いて乳酸水溶液を９０重量％（実施例５）、７５重量％（実施例６）、５０重量％（実施例７）、２５重量％（実施例８）、１０重量％（実施例９）となるように濃縮した。それぞれの濃度の乳酸水溶液２０ｇに対してＨ型強酸性イオン交換樹脂“ダイヤイオン”（登録商標）ＳＫ１ＢＨ（三菱化学株式会社製）２ｇを添加し、室温で２時間、３００ｒｐｍで攪拌した。各サンプルにおけるグリセロール除去率は実施例１〜４と同様の方法で算出した。結果は表２に示すとおりであり、乳酸濃度が高いほど、すなわち水分濃度が低いほどグリセロール吸着除去効果が高いことが示された。【００４０】
【表２】
2013176101.tif 000003
【００４１】
実施例１０  イオン交換水で再生したイオン交換樹脂によるグリセロール除去試験
９０重量％の乳酸水溶液（和光純薬工業株式会社製）３００ｇに純水１０５０ｇを添加して２０重量％乳酸水溶液を調製し、１２０℃の油浴で５時間加熱還流して水溶液中の乳酸オリゴマーを加水分解し、乳酸モノマーの水溶液とした。続いて、ロータリーエバポレーターを用いて乳酸水溶液を濃縮後、グリセロールを乳酸に対して５重量％となるように添加して、グリセロールを含有する７５重量％乳酸水溶液を調製した。この乳酸水溶液２００ｇに対してＨ型強酸性イオン交換樹脂“ダイヤイオン”（登録商標）ＳＫ１ＢＨ（三菱化学株式会社製）２ｇを添加し、室温で２時間、３００ｒｐｍで攪拌した。次いで、吸引濾過によりイオン交換樹脂を濾別し、グリセロールが吸着したイオン交換樹脂を得た。回収したイオン交換樹脂に１０ｇのイオン交換水を添加し、室温で３０分間、３００ｒｐｍで攪拌し、デカンテーションによって洗浄液を除去する操作を２回繰り返した。洗浄したイオン交換樹脂に、乳酸に対して５重量％のグリセロールを含有する７５重量％乳酸水溶液２０ｇを新たに添加し、室温で２時間、３００ｒｐｍで攪拌した。イオン交換樹脂処理前後の乳酸水溶液中のグリセロール濃度を高速液体クロマトグラフィーで測定したところ、グリセロール除去率は４０．６％であった。【００４２】
参考例１  イオン交換樹脂によるグリセロール除去試験（イオン交換水による再生なし）
イオン交換水による洗浄を行わなかった以外は実施例１０と同様の手順でグリセロールの除去試験を実施した。イオン交換樹脂処理によるグリセロール除去率は４．７％であった。【００４３】
実施例１０、参考例１の結果から、グリセロールが吸着したイオン交換樹脂をイオン交換水で洗浄することで、イオン交換樹脂の再生が可能であることが示された。【００４４】
参考例２  バッチ発酵による乳酸の製造
微生物を用いた発酵形態として最も典型的なバッチ発酵を行い、その乳酸生産性を評価した。表１に示す乳酸発酵培地を用い、バッチ発酵試験を行った。該培地は高圧蒸気滅菌（１２１℃、１５分）して用いた。微生物としてＷＯ２００９／００４９２２号に記載のＬ−乳酸発酵酵母ＳＷ−１株を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、以下に示したＨＰＬＣを用いて評価した。
カラム：Ｓｈｉｍ−Ｐａｃｋ  ＳＰＲ−Ｈ（株式会社島津製作所製）、移動相：５ｍＭ  ｐ−トルエンスルホン酸（流速０．８ｍＬ／ｍｉｎ）、反応液：５ｍＭ  ｐ−トルエンスルホン酸、２０ｍＭ  ビストリス、０．１ｍＭ  ＥＤＴＡ・２Ｎａ（流速０．８ｍＬ／ｍｉｎ）、検出方法：電気伝導度、温度：４５℃。【００４５】
参考例２の運転条件を以下に示す。
反応槽容量（乳酸発酵培地量）：２（Ｌ）、  温度調整：３０（℃）、反応槽通気量：０．２（Ｌ／ｍｉｎ）、反応槽攪拌速度：４００（ｒｐｍ）、ｐＨ調整：１Ｎ  水酸化カルシウムによりｐＨ５に調整。【００４６】
まず、ＳＷ−１株を試験管で５ｍｌの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した（前々培養）。前々培養液を新鮮な乳酸発酵培地１００ｍｌに植菌し５００ｍｌ容坂口フラスコで２４時間振とう培養した（前培養）。温度調整、ｐＨ調整を行い、発酵培養を行った。この時の菌体増殖量は、６００ｎｍでの吸光度で１５であった。得られた乳酸発酵液（乳酸濃度３０ｇ／Ｌ、グリセロール濃度１ｇ／Ｌ）を以下の実施例で使用した。【００４７】
実施例１１  乳酸発酵液を原料とした乳酸の製造例
（酸性物質添加によるフリー乳酸の取得）
参考例２で得られた培養液４０Ｌを攪拌しながら濃硫酸（和光純薬工業株式会社製）をｐＨ２．５になるまで滴下し、析出した硫酸カルシウムを定性濾紙Ｎｏ．２（アドバンテック製）を用いて濾別し、濾液を回収した。【００４８】
（ナノ濾過膜による濾過）
濾液として回収した乳酸水溶液をナノ濾過膜モジュールＳＵ−６１０（東レ株式会社製）を用いて、操作圧力２．０ＭＰａで濾過し、透過液を回収した。【００４９】
（乳酸水溶液の濃縮）
ナノ濾過膜透過液を逆浸透膜モジュールＳＵ−８１０（東レ株式会社製）を用いて濃縮し、さらに、ロータリーエバポレーター（東京理化器械株式会社製）を用いて、減圧下（５０ｈＰａ）で水を蒸発させて濃縮し、７５％乳酸水溶液を得た。グリセロールの濃度を実施例１と同様に高速液体クロマトグラフィーで分析した結果、乳酸に対するグリセロール濃度は２．０重量％であった。【００５０】
（イオン交換樹脂処理によるグリセロールの吸着除去）
濃縮した乳酸水溶液５００ｍＬをあらかじめＨ型に調製した強酸性陽イオン交換樹脂“ダイヤイオン”（登録商標）ＳＫ１Ｂ（三菱化学株式会社製）２５ｍＬを充填したカラムに２ＳＶ／ｈで供給し、流出液を回収した。イオン交換樹脂処理前後の乳酸水溶液中のグリセロールの濃度を参考例２と同様の条件で高速液体クロマトグラフィー（株式会社島津製作所製）を用いて測定した結果、乳酸に対するグリセロール濃度は１．２重量％まで減少した。以上の結果から、イオン交換樹脂で処理することで、グリセロールを効率的に低減できることがわかった。【００５１】
（減圧蒸留）
イオン交換樹脂で処理した乳酸水溶液２００ｇを１３３Ｐａ、１３０℃で減圧蒸留し、乳酸１５６ｇを得た。得られた乳酸に純水を添加して、９０重量％乳酸水溶液とした。９０重量％乳酸水溶液中のグリセロール濃度は“Ｆ−キット  グリセロール”（ロシュ・ダイアグノスティクス社製）を用いて測定した。その結果、９０重量％乳酸水溶液中のグリセロール含有量は１７ｐｐｍであった。【００５２】
比較例２  乳酸発酵液を原料とした乳酸の製造例
イオン交換樹脂処理によるグリセロールの吸着除去を行わなかった以外は、実施例１１と同様の手順で乳酸を製造し、減圧蒸留の結果、乳酸１４６ｇを得た。得られた乳酸に水を添加して、９０重量％乳酸水溶液とした。９０重量％乳酸水溶液中のグリセロール濃度は実施例１１と同様の条件で“Ｆ−キット  グリセロール”（ロシュ・ダイアグノスティクス社製）を用いて測定した結果、９０重量％乳酸水溶液中のグリセロール含有量は７２ｐｐｍであった。【００５３】
実施例１２  乳酸の重合試験、ポリ乳酸の物性評価
実施例１１で得た９０重量％乳酸水溶液を直接脱水重縮合し、得られたポリ乳酸の物性を分析した。実施例１１で得られた乳酸１５０ｇを、それぞれ撹拌装置のついた反応容器中で、８００Ｐａ、１６０℃、３．５時間加熱し、オリゴマーを得た。次いで、酢酸錫（ＩＩ）（関東化学株式会社製）０．１２ｇ、メタンスルホン酸（和光純薬工業株式会社製）０．３３ｇをオリゴマーに添加し、５００Ｐａ、１８０℃、７時間加熱し、プレポリマーを得た。次いで、プレポリマーをオーブンで１２０℃、２時間加熱して結晶化した。得られたプレポリマーを、ハンマー粉砕機を用いて粉砕し、ふるいにかけて平均粒子径０．１ｍｍの大きさの粉体を得た。固相重合工程では、１５０ｇのプレポリマーを取り、油回転ポンプを接続したオーブンに導入して、加熱減圧処理を行った。圧力は５０Ｐａ、加熱温度は１４０℃：１０時間、１５０℃：１０時間、１６０℃：２０時間とした。得られたポリ乳酸は以下の条件でＧＤＳＣ（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製）による融点分析、ＴＧ（エスアイアイ・テクノロジー製）による熱重量減少率分析を行った。【００５４】
（ポリ乳酸の融点分析）
重合したポリ乳酸の融点は、示差走査型熱量計ＤＳＣ７０２０（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製）により測定した値であり、測定条件は、試料１０ｍｇ、窒素雰囲気下、昇温速度２０℃／分で行った。【００５５】
（ポリ乳酸の熱重量減少率分析）
重合したポリ乳酸の熱重量減少率は、示差熱熱重量同時測定装置ＴＧ／ＤＴＡ７２００（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製）を用いて測定した。測定条件は、試料１０ｍｇ、窒素雰囲気下、２００℃一定、加熱時間２０分とした。乳酸の直接重合により得られたポリ乳酸の融点は１６７．３℃、熱重量減少率は４．６％であった。【００５６】
比較例３  乳酸の重合試験、ポリ乳酸の重合評価
比較例２で得た乳酸を用いた以外は実施例１２と同様の手順でポリ乳酸を重合、分析した。得られたポリ乳酸の融点は１６５．４℃、熱重量減少率は６．３％であった。【００５７】
以上の結果より、本発明によって製造されたグリセロールを低減した乳酸は、融点や熱安定性に優れたポリ乳酸の原料として有用であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の乳酸は、食品、医薬品のほか、生分解性プラスチックであるポリ乳酸のモノマー原料として好適に用いられる。また、本発明の乳酸は、融点、熱安定性に優れたポリ乳酸の原料として好適に用いられる。
【国際調査報告】
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