(57)【要約】本発明は、（a）C4〜C12 脂肪酸メチルエステルを、水により、酵素の存在下、メタノールの連続除去を伴って、一段階で完全にまたは部分的に加水分解し、（b）その水解物を、有機及び水／アルコール層に分離し、（c）脂肪酸及び（部分加水分解の場合は）脂肪酸メチルエステルを含む有機層から、未転化脂肪酸メチルエステルを除く、 C4〜C12 脂肪酸の製造方法に関する。反応供給原料からの直接的なメタノールの除去は、転化率を増大させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（a）C4〜C12 脂肪酸メチルエステルを、水により、酵素の存在下、メタノールを連続除去しながら、一段階で完全にまたは部分的に加水分解し、
（b）その水解物を、有機層及び水／アルコール層に分離し、
（c）脂肪酸及び（部分加水分解の場合は）脂肪酸メチルエステルを含む有機層を、未反応脂肪酸メチルエステルから分離する、
C4〜C12 脂肪酸の製造方法。
【請求項２】
加水分解を 20〜80 ℃の温度で行う請求項１に記載の方法。
【請求項３】
使用される酵素が遊離または固定形状のリパーゼ及び／またはエステラーゼである請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
使用されるリパーゼ及び／またはエステラーゼが、Alcaligenes、Aspergillus niger、Candida antarctica A、Candida antarctica B、Candida cylindracea、Chromobacterium viscosum、Rhizomucor miehei、Penicilium camenberti、Penicilium roqueforti、Porcine pancreas、Pseudomonas cepacia、Pseudomonas fluorescens、Rhizopus javanicus、Rhizopus oryzae、Thermomyces lanugenosus からなる微生物の群から選ばれる請求項１〜３に記載の方法。
【請求項５】
加水分解を 60〜99 重量％の分解率で行う請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
加水分解の間、反応器内で水分量が 30〜70 重量％の範囲で一定に保たれている請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
反応器内で加水分解の間、0〜20 重量％の範囲で水分量が設定されている請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油脂化学原料の分野に属し、対応するメチルエステルから短鎖脂肪酸を製造する生物工学的方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油脂化学では、異なった鎖長分布の脂肪酸メチルエステルが生産される。より長鎖の脂肪酸メチルエステルが蒸留により分離されるとき、初留脂肪酸メチルエステルと呼ばれるものは、非常に異なった C4〜C12 メチルエステルの混合物であり、しばしば更なるエステル交換反応に直接使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、得られた誘導体は、不純原料に帰因して、質が悪い。従って代替法として、脂肪酸メチルエステルをまず分解し、その後、放出された脂肪酸をエステル化する。化学加水分解は、酸触媒、例えば WO 94/14743 に開示されているようなアルキルベンゼンスルホン酸の存在下行われる。従ってこの方法では、プラント内で著しい腐食を生じるスルホン酸が形成され、生成物は高い金属含有物によって汚染される。加えてこれらの方法の収率は、いまだ最適ではない。更なる問題は、環境に影響を及ぼさないような、触媒の処理である。
従って本発明の目的は、メチルエステルから短鎖脂肪酸を製造する改善された方法を提供することであり、この方法は、確実に前記した従来技術の不利益を回避する。特に、脂肪酸は高純度及び高収率で得られるべきであり、この方法は、穏やかな条件で行われるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、
（a）C4〜C12 脂肪酸メチルエステルを、水により、酵素の存在下、メタノールを連続除去しながら、一段階で完全にまたは部分的に加水分解し、
（b）その水解物を、有機層及び水／アルコール層に分離し、
（c）脂肪酸及び（部分加水分解の場合は）脂肪酸メチルエステルを含む有機層を、未反応脂肪酸メチルエステルから分離する、
C4〜C12 脂肪酸の製造方法に関する。
【０００５】
意外なことに、メタノールの連続除去を伴う酵素加水分解は、望ましくない副生物を含まない脂肪酸を導くことが見出された。高収率が達成され、この方法は、穏やかな条件下で行え、環境適合性の全ての要求を満たす触媒を使用する。
加水分解法の間、メタノールを加水分解反応器から連続的に直接除去するなら、より早い反応が一段法で達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
加水分解
脂肪酸メチルエステルは、20〜80 ℃の穏やかな温度範囲で、好ましくは 30〜70 ℃で、特に好ましくは 35〜60 ℃で、減圧下にメタノールを連続除去しながら好ましく加水分解される。好ましい温度は、使用される酵素の活性最適条件によって予め決められる。通常、リパーゼ及び／またはエステラーゼは、遊離または固定形状で使用される。適当な酵素の典型例は、Alcaligenes、Aspergillus niger、Candida antarctica A、Candida antarctica B、Candida cylindracea、Chromobacterium viscosum、Rhizomucor miehei、Penicilium camenberti、Penicilium roqueforti、Porcine pancreas、Pseudomonas cepacia、Pseudomonas fluorescens、Rhizopus javanicus、Rhizopus oryzae、Thermomyces lanugenosus からなる群から選ばれる微生物のリパーゼ及び／またはエステラーゼである（実施例１参照）が、これらに限定されない。
好ましくは、微生物 Alcaligenes、Candida、Chromobacterium、Rhizomucor、Pseudomonas、Rhizopus 及び Thermomyces からのリパーゼ及びエステラーゼである。
【０００７】
酵素は、希懸濁液または水性濃縮液として一般に使用される。リパーゼ／エステラーゼは、担体上に固定された形状でも使用され、繰り返しバッチで再利用され得る。
【０００８】
適当な加水分解法は、水の補給によって、通常は反応器内で 30〜70 重量％の範囲の一定水分量に設定されているバッチ処理である。通常、反応は 30〜50 ℃の温度で、100 mbar より低い圧力、好ましくは 50〜70 mbar で行われる（実施例２、３、４及び６）。
【０００９】
また好ましくは、水を連続供給し、メタノール／水を連続除去するバッチ処理を実施する加水分解法である。通常、この処理における反応器内の水分量は低い（0〜20 重量％）。反応は通常、50〜70 ℃の温度で、100 mbar より低い圧力、好ましくは50〜70 mbar で行われる（実施例７及び８）。
【００１０】
メタノール除去が加水分解反応から空間的に及び／または時間的に分離された方法は、うまく実施できない。このように不利な方法は、JP05317063 に開示されている。
あまり好ましくない方法の例は、別個の反応容器内でのメタノール除去（実施例９）及び分縮器または例えば流下薄膜型蒸発缶によるメタノール除去（実施例１０）であり、これらの方法では、有機層及び水層が加水分解反応器に連続的に循環される。時間的なメタノール除去及び加水分解の分離の一例は、実施例１１及び１２に示す。このプランに従った多段法では、短鎖脂肪酸の収率は低い。
【００１１】
後処理
加水分解後、水／アルコール層を有機層から分離し、後者を後処理する、即ち、未反応メチルエステルを有用な生成物から除去する。
加水分解時間によって、異なった分解率が得られる。例えば 60 重量％までの転化率範囲では、反応は早く完了し得るので、脂肪酸及び脂肪酸メチルエステルは、蒸留によって続いて分離されなければならない。しかしながら、90 重量％以上まで、好ましくは 95 重量％以上で完了し得るが、99 重量％まで続けることもでき、後者の場合、連続分離は必要ではない。
未反応メチルエステルは、好ましくは充填物を含む蒸留塔内で除去され、この場合、塔の濃縮部と除去部の間での原料供給が有利であることが分かった。70〜100 ℃の温度範囲で、10〜50 mbar の減圧で、メチルエステルを塔頂から取り出し、反応に再循環し得る。より短鎖の脂肪酸及び低沸点不純物は、ポンプで吸引され、排出空気に送られるが、この理由から下流凝縮が望ましい。得られた脂肪酸は、少なくとも 95 重量％の純度である。
【実施例１】
【００１２】
短鎖脂肪酸メチルエステルの加水分解に適したリパーゼの選択
各バッチ毎に、密閉型反応器に C8 脂肪酸メチルエステル（カプリル酸メチル）4 g 及び水 6 g を入れた 15 バッチに、撹拌棒を入れ、室温で、並列に多重撹拌プレート上で撹拌する。バッチに、それぞれ工業用リパーゼまたはエステラーゼを、以下の表に従って添加する。2 時間及び 24 時間の反応後、それぞれからサンプルを取り出す。脂肪酸メチルエステル及び酵素加水分解された脂肪酸を含む有機層を分離し、分析する。
【００１３】
【表１】
2005524759.tif 000002
【００１４】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表２】
2005524759.tif 000003
【００１５】
試験した全てのリパーゼ及びエステラーゼが、短鎖脂肪酸メチルエステルに対して加水分解活性を示した。スクリーニング後、好ましいのは、微生物 Alcaligenes、Candida、Chromobacterium、Rhizomucor、Pseudomonas、Rhizopus 及び Thermomyces からのリパーゼ及びエステラーゼである。
【実施例２】
【００１６】
メタノールの連続除去を伴った短鎖脂肪酸メチルエステルの分解
付属ズルツァー塔を備えた、サーモスタットジャケット付き反応器に、水 2800 g、脂肪酸メチルエステル 1200 g 及び Lipolase（Thermomyces lipase、Novozymes 社製）40 ml を入れる。反応は、35 ℃の反応器温度、60 mbar の減圧で行う。塔頂での還流／除去比は 12：2 に設定する。撹拌速度は 300 rpm に設定する。
5 時間後、Lipolase 40 ml 及び水 500 ml を添加する。
【００１７】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表３】
2005524759.tif 000004
【００１８】
留出物中、存在する、従って反応平衡から除去される留出物の量を決定する。
【表４】
2005524759.tif 000005
反応バッチの水層中に、反応終了後、0.2 ％未満のメタノールが確認された。
【実施例３】
【００１９】
メタノールの連続除去を伴った短鎖脂肪酸メチルエステルの分解
付属ズルツァー塔を備えた、サーモスタットジャケット付き反応器に、水 2800 g、脂肪酸メチルエステル 1200 g 及び Novozym（Candida antarctica B lipase、Novozymes 社製）40 ml を入れる。反応は、35 ℃の反応器温度、60 mbar の減圧で行う。塔頂での還流／除去比は 12：2 に設定する。撹拌速度は 300 rpm に設定する。
24 時間後、水 300 g を添加する。
【００２０】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表５】
2005524759.tif 000006
【実施例４】
【００２１】
固定化リパーゼを用いるメタノールの連続除去を伴った短鎖脂肪酸メチルエステルの分解
付属分縮器を有する加熱されたフラスコに、水 350 g、脂肪酸メチルエステル 350 g 及び固定化 Novozym（Candida antarctica B lipase、Novozymes 社製、ポリプロピレン担体に吸着されており、工業グレードの液体製剤で、担体 1 g あたり 200 mg の酵素担持）35 g を入れる。反応は、35 ℃の反応器温度、60 mbar の減圧で行う。水を連続的に約 0.75 ml/min でバッチに添加するので、時間の経過を通して反応容積は一定のままである。
【００２２】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表６】
2005524759.tif 000007
【実施例５】
【００２３】
短鎖脂肪酸メチルエステルの分解における固定化リパーゼの安定性試験
安定性試験のため、予めポリプロピレン担体に吸着されている Candida antarctica B lipase（Novozym 525、Novozymes 社製）を使用する。試験は、室温、50 ℃、60 ℃及び 70 ℃で行う。このため、固定化リパーゼを、反応平衡に達するまで、短鎖脂肪酸メチルエステル（C6〜C10 脂肪酸の混合物、50 重量％）及び水（50 重量％）の混合物中で撹拌する。一定間隔で（表の結果参照）、固定化酵素を濾取し、新たな脂肪酸メチルエステル及び水と混合する。それぞれの加水分解率を決定する。
【００２４】
反応の転化率は、反応の 4 時間後、酸価の決定により調べた。
【表７】
2005524759.tif 000008
酵素の半減期は、50 ℃で約 12 週間、60 ℃で約 10 週間、70 ℃で約 1 週間、室温で 16 週間超である。
【実施例６】
【００２５】
実験スケールで固定化リパーゼを用いた繰り返しバッチでの短鎖脂肪酸メチルエステルの加水分解
付属の全体冷却器を有する、完全な留出物除去ができる、サーモスタットジャケット付き反応器に、水 25 kg、脂肪酸メチルエステル Edenor Me C6-10 20 kg 及び固定化 Novozym（Candida antarctica B lipase、Novozymes 社製、ポリプロピレン担体に吸着されており、工業グレードの液体製剤で、担体 1 g あたり 200 mg の酵素担持）2.5 kg を入れる。反応は、45 ℃の反応器内部温度、60 mbar の減圧で行う。撹拌速度は 150 rpm に設定する。前記の条件でメタノール／水留出物を製造するので、反応器内の容積は時間の経過に伴い一定であるように、水を連続的にバッチに添加しなければならない。反応完了後、反応混合物を容器から取り出し、反応器内の固定化酵素を内蔵スクリーンで濾過する。
【００２６】
各バッチの転化率は、12 時間後に比較する。反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表８】
2005524759.tif 000009
選択したパラメーターでは、40 バッチ後でさえ、固定化酵素は、転化率に関係なく活性の損失を示さなかった。
【実施例７】
【００２７】
水及びメタノールを除去した場合の短鎖脂肪酸メチルエステルの連続加水分解
加熱可能なフラスコに、脂肪酸メチルエステル 200 g、水 20 g 及びポリプロピレンに固定化した Candida antarctica B lipase 10 g を入れる。付属蒸留ブリッジを使用し、60 mbar、60 ℃で反応を行う。水を連続的に 0.25 ml/min の流速でフラスコに注入する。二バッチ目では、水を 0.5 ml/min の流速で注入する。フラスコ内の水分率は、反応期間全体を通して 20 ％より少ない。
【００２８】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表９】
2005524759.tif 000010
【実施例８】
【００２９】
水及びメタノールを除去した場合の短鎖脂肪酸メチルエステルの連続加水分解
加熱可能なフラスコに、脂肪酸メチルエステル 200 g、水 20 g 及びポリプロピレンに固定化した Candida antarctica B lipase 10 g を入れる。付属蒸留ブリッジを使用し、60 mbar、70 ℃で反応を行う。水を連続的にフラスコに 0.75 ml/min の流速で注入する。フラスコ内の水分率は、反応期間全体を通して 20 ％より少ない。
【００３０】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表１０】
2005524759.tif 000011
【実施例９】
【００３１】
分解工程とメタノール除去とを分離した場合の短鎖脂肪酸メチルエステルの連続分解
加熱可能なフラスコに、脂肪酸メチルエステル 350 ml、水 350 ml 及び固定化 Candida antarctica B lipase 35 g を入れる。加水分解反応は 35 ℃で行う。反応混合物は、120 ℃に加熱された第二フラスコに連続的に注入する。740 mbar の減圧で、メタノールをこのフラスコから連続的に除去する。第二フラスコの反応混合物は、同じ流速で反応フラスコに還流する。水を反応フラスコに添加するので、一定の反応容積が保たれる。
【００３２】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表１１】
2005524759.tif 000012
加水分解反応は、反応フラスコから直接連続メタノールを除去した場合より著しく遅い。
【実施例１０】
【００３３】
分解工程とメタノール除去とを分離した場合の短鎖脂肪酸メチルエステルの連続分解
加熱可能なフラスコに、脂肪酸メチルエステル 350 ml、水 350 ml 及び固定化 Candida antarctica B lipase 35 g を入れる。加水分解反応は 45 ℃で行う。反応混合物を、110 ℃に加熱された分縮器に連続的に通す。740 mbar の減圧で、メタノールを連続的に除去し、残留した反応混合物を反応フラスコに還流する。反応容積を一定に保つため、水を添加する。
【００３４】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表１２】
2005524759.tif 000013
加水分解反応は、反応フラスコから直接連続メタノール除去した場合より著しく遅い。
【実施例１１】
【００３５】
水層交換を伴い連続メタノール除去を伴わない短鎖脂肪酸メチルエステルの多段分解
脂肪酸メチルエステル 7.5 g、水 12.5 g 及び Lipolase（Thermomyces lipase、Novozymes 社製） を容器内で、撹拌しながら室温で反応させる。18 時間、26 時間及び 41 時間後にそれぞれ、水層を有機層から分離によって除去する。各場合、層交換後、水 12.5 g 及び Lipolase 0.1 g を添加する。
【００３６】
反応の転化率は、酸価の決定により調べた。
【表１３】
2005524759.tif 000014
【実施例１２】
【００３７】
短鎖脂肪酸メチルエステルの二段分解
3 l 容の装置に、初留 C8 脂肪酸メチルエステル 540 g を撹拌しながら入れ、水 1260 g 及び Lipolase 濃縮液 16.2 ml を添加し、その混合物を 37 ℃、300 rpm で撹拌した。加水分解は、サンプリングにより追跡した。16 時間後に加水分解を中断し、得られた第一水解物を遠心分離機に移し、水／アルコール層（水、メタノール及び酵素を含む）及び有機層（形成された脂肪酸及び未反応メチルエステルを含む）に分離した。有機層は反応器に再び入れ、水 1260 g 及び新しい酵素 16.2 ml を添加した。その混合物は同じく 37 ℃で二回目の加水分解に付した。ここでもまた、反応の進行はサンプリングにより追跡した。結果を、表１４に示す。
【００３８】
【表１４】
2005524759.tif 000015
【００３９】
脂肪酸 67.1 重量％及び未反応メチルエステル 30.8 重量％を含む第二水解物を、再び水／アルコール層及び有機層に遠心分離で分離した。後者を、濃縮部と除去部の間に充填物を備えた精留塔に通し、85 ℃、20 mbar で蒸留した。6 時間後、より短鎖及び低沸点の不純物をポンプにより取り除き、C8 脂肪酸を 95 重量％以上の純度で得た。
【実施例１３】
【００４０】
短鎖脂肪酸メチルエステルを加水分解するための様々な酵素方法の比較
実施例４、７、９、１０及び１１の方法を比較する。
実施例４は、連続メタノール除去を伴い、反応器内の水分量を一定にした加水分解法を示す。
実施例７は、連続メタノール除去を伴い、水を連続的に反応容器から除去する加水分解法を示す。ここでの反応容器内の水分量は低い。
実施例９は、連続メタノール除去を伴うが、メタノール除去と加水分解反応とが空間的に分けられている加水分解法を示す。
実施例１０は、連続メタノール除去を伴うが、メタノール除去と加水分解反応とが空間的に分けられている別の加水分解法を示す。
実施例１１は、減圧下で連続的にメタノール除去を行わず、メタノールを水層分離による平衡から除去する加水分解法を示す。
【００４１】
【表１５】
2005524759.tif 000016
【００４２】
方法の比較は、反応バッチからのメタノール直接除去が最高の転化率を与えることを、明確に示している。別個の容器内での連続メタノール除去による加水分解及びメタノール除去の空間的な分離、または例えば層分離のような加水分解及びメタノール除去の時間的な分離は、満足な結果をもたらさない。
【国際調査報告】
2005524759.tif 000017
2005524759.tif 000018
2005524759.tif 000019
2005524759.tif 000020