(57)【要約】【課題】α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体をモノマーとする開環重合において、得られるポリヒドロキシカルボン酸の転化率の低下を抑制し、該ポリマーの生産効率を高める。【解決手段】α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体をモノマーとする開環重合においては、該二量体モノマーが加水分解されて生成する遊離のα−ヒドロキシカルボン酸は、重合反応を阻害するため、重合速度が低下し、ポリヒドロキシカルボン酸の転化率が低下する。そこで該二量体モノマー中の遊離のα−ヒドロキシカルボン酸、および加水分解の原因となる水分の量を、重合器に供給される前の段階で分析し、これらの量に基づいて重合器の運転条件及び／あるいは該モノマーの調製条件を制御し、該ポリマーの転化率を望ましい水準に維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーを開環重合させてポリヒドロキシカルボン酸のポリマーを得る方法において、重合装置に供給される該環状二量体モノマー中に含まれる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分の量を計測して、これらの量に基づいて重合器および/又は環状二量体モノマーの供給装置の運転条件を制御することを特徴とするポリヒドロキシカルボン酸の重合方法。
【請求項２】
重合器に供給される該モノマーを、主たる管路から乾燥させたガスにより置換された容器中に該モノマーの一部を分取し、乾燥させたガスを流通させた状態で該モノマーを冷却し、冷却した該モノマーを、充分脱水した溶媒に溶解させ、該モノマー中に含まれる環状二量体から遊離したα−ヒドロキシカルボン酸および該モノマー中に含まれる水分の量を分析する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリヒドロキシカルボン酸の重合方法。
【請求項３】
前記環状二量体モノマー中に含まれる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分の量から算出された値を、あらかじめ定められた基準値と比較して、算出された値と該基準値との差異量に基づいて重合装置及び／あるいは該モノマーの供給装置の運転条件を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリヒドロキシカルボン酸の重合方法。
【請求項４】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーがラクチドであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のポリヒドロキシカルボン酸の重合方法。
【請求項５】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマー中に含まれる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸が乳酸であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のポリヒドロキシカルボン酸の重合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーを触媒及び／あるいは重合開始剤の存在下において連続的に重合させる方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
生分解性に優れたポリヒドロキシカルボン酸のポリマーを得る重合プロセスにおいては、ラクチド等のα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体と触媒及び重合開始剤を混合して１４０〜２２０℃の温度範囲にて反応させると、まず環状二量体が重合開始剤と反応して開環し、これが重合反応の起点となり、これに環状二量体が次々に付加して分子鎖が成長してポリマーが得られる。
【０００３】
このα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体の開環重合反応において、重合開始剤としては、例えば高沸点のアルコールあるいは水が使用される。また触媒としては、例えば２−エチルヘキサン酸スズのような金属化合物が使用される。
【０００４】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーは、重合により消費され、ポリマーに転化するため、生成物中の環状二量体の濃度は次第に低下する。重合器より排出されるポリマー中の未反応の環状二量体モノマーの残存量をＬ（％）とした場合に、ポリマーの転化率Ｘ（％）は次式により定義される。
Ｘ＝１００−Ｌ
重合反応が完全に進行して未反応の環状二量体モノマーがなくなると、Ｌは０％となり、転化率Ｘは１００％となる。重合反応の速度が低下すると、未反応の環状二量体モノマーの量Ｌは増大し、転化率Ｘは小さくなる。
【０００５】
転化率Ｘが小さくなると、投入したモノマー量に対して得られるポリマーの量が少なくなり、重合プロセスの効率が低下する。また、製品としてのポリマーの性状面からは、大気中の水分によりポリマー中に残存する環状二量体モノマーは加水分解されて遊離のα−ヒドロキシカルボン酸を生成し、ポリマーの性状を劣化させるだけでなく、ポリマーの分解を促進するおそれがあり、重合プロセスは望ましい転化率の水準で安定に操業する必要がある。
【０００６】
一般的には重合速度は、重合器内の温度、滞留時間、触媒及び／あるいは重合開始剤の添加量等の運転条件により影響を受ける。例えば、反応温度を高くすれば、重合速度は大きくなる。また、滞留時間を長くすれば、反応する時間が長くなり、重合反応の転化率は上昇する。さらに、触媒及び／あるいは重合開始剤の濃度を高くすれば、重合速度は大きくなり、重合反応の転化率は上昇する。
【０００７】
重合装置の運転にあたって、これらの各種因子を総括的に把握して重合速度を予測することは現実的には困難である。望ましい転化率の水準を維持して安定に操業を続けるためには、例えば、図２に示すように重合器出口でポリマーを分析して上式に従って転化率Ｘ（％）を算出し、これに基づいて、重合器の運転条件を制御する方法が一般的である。
【０００８】
例えば、特許文献１あるいは特許文献２に記載の方法においては、得られたポリオレフィンあるいはポリエステルの粘度を測定して、上記のポリマー転化率を評価できるパラメータを得ている。これに基づいて、例えば、モノマーの供給量を制御して重合器内のモノマーの滞留時間を調節し、ポリマー転化率を最適の値に維持できるよう工夫している。
【０００９】
しかしこの方法では、重合器の出口においてポリマーの転化率の低下についての情報をフィードバックして、重合器の運転条件を制御してポリマーの転化率を改善させるため、ポリマーの転化率の低下に関する情報をフィードバックしてから、ポリマーの転化率の改善までには少なくとも重合器の滞留時間の数倍の時間を要する。滞留時間が１０時間であれば、転化率の回復までには、例えば３０時間程度の時間を要する。この期間中は転化率の低いポリマーが生産されることになり、重合プロセスの生産性は低下することになる。
【００１０】
また、特許文献３においては、ラクチドの溶融混合物を冷却して一部結晶化させ、ラクチドに含まれる不純物を液相に濃縮してラクチドを精製する方法が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平９−７１６０５号公報
【特許文献２】特開平５−１２５１９５号公報
【特許文献３】特開平６−２５６３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体を触媒及び／あるいは重合開始剤の存在下において連続的に重合させる方法に係わり、ポリマーの転化率を好適の値に保持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーを開環重合させてポリヒドロキシカルボン酸のポリマーを得る方法において、重合装置に供給される該環状二量体モノマー中に含まれる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分の量を計測して、これらの量に基づいて重合器および/又はモノマー調製装置の運転条件を制御することを特徴とするポリヒドロキシカルボン酸の重合方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、重合器出口におけるポリヒドロキシカルボン酸の転化率の低下を最小限に抑えることができ、ポリヒドロキシカルボン酸の生産性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、生分解性にすぐれたポリエステルを製造する方法に係わり、重合器に供給される環状二量体モノマー中のα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分量を評価し、これらの量の増減に基づいて重合装置の運転条件及び／あるいは環状二量体モノマー供給装置の運転条件を制御する方法を提供するものである。
【００１６】
ポリヒドロキシカルボン酸の合成においては、第一に乳酸等のα−ヒドロキシカルボン酸を重合させる方法がある。しかしこの方法は、α−ヒドロキシカルボン酸を脱水により縮重合させるため、脱水に大きなエネルギーを消費し、あまり効率的なプロセスとはいえない。第二の方法としては、ラクチド等のα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体を開環重合させて、ポリヒドロキシカルボン酸を得る方法がある。この方法では、脱水を伴わないためエネルギーのロスが少ない。
【００１７】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体を開環重合させるプロセスにおいては、該環状二量体モノマーを得るために、（Ａ）ラクチド等のα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体を直接原料として重合器に投入する場合と、（Ｂ）上記環状二量体を、乳酸等のα−ヒドロキシカルボン酸を原料として、まず該α−ヒドロキシカルボン酸を脱水縮合させてオリゴマーとし、これを触媒を用いて解重合して、ラクチド等の環状二量体を製造し、これを重合器に投入する場合とがある。
【００１８】
重合開始剤により上記環状二量体が開環し、これに触媒の働きにより上記環状二量体が連鎖的に付加して分子鎖が成長して重合反応が進行する。重合開始剤として１−ドデカノールのようなアルコールを使用した場合には、上記環状二量体が開環してエステルが生成される。また、水を開始剤として使用した場合には、上記環状二量体は開環してカルボン酸が生成され、それぞれが重合反応の基点として機能する。
【００１９】
重合開始剤の量は重合速度に影響を与えるだけでなく、目的とするポリヒドロキシカルボン酸の分子量にも影響を与える。モノマーのモル数を重合開始剤のモル数で割った値が平均重合度の目安となる。重合させる温度は、一般的には１４０〜２２０℃の範囲に設定される。この反応は発熱反応であり、重合器を冷却をしない場合には、重合器内の温度分布は後流側ほど高くなる。ポリマーの酸化分解を抑制するためには、重合器の冷却が必要となる場合もある。
【００２０】
一般的には重合反応の速度は重合する雰囲気、すなわち重合器内の温度分布、重合器内における反応物の滞留時間、及び反応する各成分、すなわち、モノマー、触媒及び／あるいは重合開始剤の濃度によって影響を受けることはよく知られている。例えば、重合する雰囲気の温度を高くすれば、重合の転化率は高くなる。また、滞留時間を長くすれば、重合の転化率は高くなる。触媒濃度を高くすれば、同じように重合の転化率は高くなる。一方、開始剤濃度を高くすれば、得られるポリヒドロキシカルボン酸の分子量は小さくなるが、重合の転化率は高くなる傾向を示す。
【００２１】
通常は上記の条件を最適化して所望の転化率を達成しうる条件で重合器が運転される。しかし、上記以外にも重合反応の速度に影響を与える因子は存在しうる。例えば、重合反応の生成物の一部が重合槽度を低下させる可能性がある。また、触媒阻害成分等の働きにより、重合反応の速度が低下する可能性もある。
【００２２】
ラクチドをモノマーとしてバッチ試験により重合速度に及ぼす、重合温度、反応時間、触媒濃度、重合開始剤濃度の影響を評価した結果、これらの因子だけでは、重合速度に及ぼす影響を完全には説明できないことが明らかとなった。その例としては、（１）冬季と夏季で重合速度に大きな違いがあること、（２）ラクチドの保管状況により重合速度が異なること、等が挙げられる。
【００２３】
上記（１）に関しては、試験開始時の実験室雰囲気の温度と湿度を計測して、ラクチド原料は０〜５℃にて冷蔵保管しているものを、試験の度ごとに所定の量を秤量して容器に充填し重合させた。触媒として２−エチルヘキサン酸スズを１０ｐｐｍ、重合開始剤として１−ドデカノールを７００ｐｐｍ添加して、まず１７０℃で５時間、続いて１９０℃で５時間反応させ、得られたポリマーを分析してポリマー中のラクチドの残存量を熱重量分析により分析し、転化率を計測し反応速度を算出した。その結果、図３に示すように試験当日の実験室雰囲気の露点が高くなると、すなわち雰囲気中の湿分が多くなると、重合速度は低下した。この原因としては、ラクチドを冷蔵保管から取り出して所定量を秤量して、重合試験に入る操作の際に、雰囲気中の湿分が冷たいラクチド表面に析出し、これが乳酸に転化し、この乳酸が重合反応を阻害する可能性があると考えた。
【００２４】
上記（２）に関しては、冷蔵保管する期間の異なるラクチド、及び室温で保管したラクチドについて、上と同じ条件で重合させて、得られたポリマーを分析してポリマー中のラクチドの残存量を分析し、転化率を計測し、反応速度を算出した。その結果、冷蔵庫での保管期間が長くなるほど重合速度は低下する傾向を示し、室温で保管したラクチドは冷蔵保管したものに比べて重合速度は低下した。これも上記と同じく、保管期間中にラクチドに付着した水分が乳酸に転化し、これが重合反応を阻害しているものと考えた。
【００２５】
特許文献３には、ポリヒドロキシカルボン酸の重合において遊離のヒドロキシカルボン酸が重合反応に影響を与えるとの記載がある。しかし、遊離のヒドロキシカルボン酸が重合速度に及ぼす影響に関しては、定性的な記載に留まり、遊離のヒドロキシカルボン酸の量が重合反応に影響を与えない上限値を記載しているに過ぎない。
【００２６】
そこで、乳酸が重合速度に及ぼす影響を定量的に解明するために、ラクチド中の乳酸量を分析できるか検討した。ラクチドは乳酸が２分子環状に縮合して生成したものであり、分子構造は類似している。従って、有機化合物の分析に一般的に使用される赤外吸収スペクトル（ＩＲ）、核磁気共鳴スペクトル（ＮＭＲ）といった手法では、両者の分別には困難が伴う。さらに乳酸は存在していたとしても数百ｐｐｍ程度の低濃度であり、乳酸を定量するためには固体であるラクチドから乳酸を溶解等の方法により分離することが重要である。しかしラクチドは水により容易に加水分解されて乳酸を生成するので、水で溶解させて分析することはできない。
【００２７】
そこで、他の溶媒系について各種検討した。ラクチド及び乳酸はいずれも極性をもつ分子であり、これらを溶解させるには、トルエン等の非極性溶媒は利用できない。極性を持つ有機溶媒の代表であるアルコールは、ラクチド及び乳酸いずれともエステルを生成する可能性があり、分析に利用することは難しい。そこで、非プロトン性極性溶媒と呼ばれる一群の溶媒に着目した。これらの溶媒は解離可能なＨ原子を持たないため、ラクチド及び乳酸とはエステルを生成せず、分子内に極性基をもつため、極性を持つラクチド及び乳酸を溶解させることができる。代表的な例は、酢酸エチル等のエステル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、スルホラン、１，４−ジオキサン等である。これらの溶媒は使用に当っては充分に水分を除去しておくことが必要である。
【００２８】
非プロトン性極性溶媒にラクチド及び乳酸を溶解させることのもう一つのメリットは、ラクチド及び乳酸をそのままの分子形状で溶解させることができれば、乳酸は酸基を持つのに対して、ラクチドは酸基を持たないため、両者は互いに異なった性状を示すことになり、ラクチドから分別して定量できることである。例えば、乳酸のみを塩基と反応させることにより、中和滴定に類するような方法により分析することができる。
【００２９】
この場合には当然ながら、中和滴定に使用する塩基としても、水溶液系で使用される水酸化ナトリウムのような化合物ではなく、上記の非プロトン性極性溶媒に溶解させることができる溶媒、例えば、アニリン、ピリジン、キノリン、アルキルアミン等を使用しなければならない。これらの塩基も使用に当っては充分に水分を除去しておくことが必要である。
【００３０】
すなわち、まずラクチドを、酢酸エチル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、スルホラン、１，４−ジオキサン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド等に溶解させる。塩基としては、所定量のアニリン、ピリジン、キノリン、アルキルアミン等を酢酸エチルＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、スルホラン、ジオキサン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド等に溶解させた溶液を使用する。塩基溶液の濃度は、例えば酢酸を溶解させた酢酸エチル標準溶液により、あらかじめ滴定して該塩基の濃度を検定しておく。乳酸を含むラクチド溶液を、該塩基の溶液により滴定し、滴定に要した該塩基の量から乳酸の濃度を算出し、この濃度に基づいて、ラクチド中の乳酸の量を求めることができる。滴定の終点を検出するためには、例えば、指示薬の変色を使用することができる。あるいは、ラクチド溶液の電気伝導度の変化を利用することもできる。
【００３１】
具体的には以下の手順により分析した。まず試料として、冷蔵保管期間の異なる幾種類かのラクチドを用意して、それぞれを２ｇずつ採取し、これを１０ｃｍ３の酢酸エチルに溶解させた。塩基としてはアニリンをＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに溶解させて、１０ｍｍｏｌ／ｄｍ３の塩基溶液を調製した。塩基溶液の濃度は、所定量を溶解させた酢酸の酢酸エチル溶液により検定した。ラクチドは容易に加水分解を受けるために、それぞれの溶媒及び塩基であるアニリン中に水分が含まれることは避けなければならない。
【００３２】
指示薬としてブロモクレゾールグリーンとメチルレッドの混合物（重量比３：２）を使用した。この指示薬は黄色の酸性色から緑色の塩基性色に変色し、滴定の終点を示す。この滴定に要した塩基の量から液中の酸濃度を算出し、これからラクチド中の遊離酸の濃度（ｍｅｑ／ｋｇ）を算出し、この遊離酸がすべて乳酸であると仮定して、ラクチド中の乳酸の量（ｐｐｍ）を求めた。
【００３３】
上記の冷蔵保管期間の異なる幾種類かのラクチドを、触媒として２−エチルヘキサン酸スズを、重合開始剤として１−ドデカノールをそれぞれ添加して、まず１７０℃で５時間、続いて１９０℃で５時間反応させた。得られたポリマーを分析してポリマー中のラクチドの残存量を分析し、転化率を計測し、この転化率から重合速度を算出し、中和滴定により得られた乳酸の量との相関を調べた。その結果、図４に示すようにラクチド中の乳酸量が多くなるに従って重合速度は低下した。
【００３４】
これまでの知見では、水分は上述したように開始剤としての機能も持っており、微量であれば重合反応を促進する効果があるとされてきた。しかし、水分はラクチドを容易に加水分解して乳酸を生成するので、もしある量以上の水分がラクチド中に存在すれば、いずれ乳酸へと添加し、図４に示すように重合速度を低下させる。従って、水分の量も計測して乳酸量に加えて評価すれば、より正確な重合速度の評価が可能となる。
【００３５】
該モノマー中に含まれる水分の分析方法は、例えばカールフィッシャー法により分析することができる。上述の方法により採取したモノマーは、カール・フィッシャー試薬に溶解させて、電量滴定、あるいは容量滴定によりラクチド中に含まれる水分の量（ｐｐｍ）として算出することができる。水分の定量法は他にも公知の方法があり、該環状二量体中に含まれる水分の分析法はこれに限定されるものではない。
【００３６】
乳酸が重合反応に及ぼす影響に関しては、詳細は不明であるが、特許文献３には乳酸量がある閾値を越えるとポリマーの分子量を低下させるとの記載がある。しかし、図４に示すように、乳酸の量が増えるに従って重合速度は低下する傾向を示す。この結果は、例えば、乳酸が触媒である２−エチルヘキサン酸スズを分解し、これにより重合反応が阻害されると考えるのが妥当である。２−エチルヘキサン酸スズは水の直接の作用によっては加水分解しないが、乳酸水溶液と接触すると、直ちに加水分解あるいはエステル交換により分解する。すなわち、ラクチド中に乳酸が混在した場合、２−エチルヘキサン酸スズ触媒は分解して、重合反応に対する活性を失い、重合速度は低下すると考えられる。
【００３７】
また、乳酸が重合開始剤である１−ドデカノールと反応してエステルを生成するため、１−ドデカノールによるラクチドの開環反応が阻害され、重合反応の起点となるラクチドの開環化合物の量が少なくなる。これによりラクチドの開環重合反応が阻害された可能性もある。これらの現象は他のα−ヒドロキシカルボン酸、例えばグリコール酸等においても同様であると考えられる。
【００３８】
これまで、重合温度、滞留時間、触媒及び／あるいは重合開始剤の添加量だけからでは説明しきれなかった重合速度の変化は、ラクチド中に乳酸が混入することで重合速度が低下することにより説明が可能となる。すなわち、バッチ試験において何らかの原因、例えば、ラクチドの保管期間、ラクチドの保管温度、ラクチド取り扱い時の雰囲気条件、あるいは、バッチ試験装置系内への水分の混入等の影響によりラクチド中の乳酸の量が増大して、重合速度が低下したと考えることができる。
【００３９】
連続重合反応の制御という観点に立ってみれば、重合反応に使用するα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体中においてα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体から遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び不純物として含まれる水分量を計測すれば、重合反応の速度の変化を予測することが可能となる。すなわち、もし重合反応に使用するα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体中の遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分量が増えた場合には、重合速度は低下するので、以下のような方法により重合器内の反応速度の低下を防ぎ、重合器出口における反応率を維持することができる。
(a)重合温度を高める。
(b)重合器内の温度分布を大きくする。
（ｃ）原料の供給量を減らして重合器内の滞留時間を長くする。
（ｄ）触媒の添加量を増やす、あるいは重合開始剤の添加量を増やす。
【００４０】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体は容易に加水分解して、二分子のα−ヒドロキシカルボン酸を生成する。加水分解の反応速度は温度が上昇すれば大きくなる。そのため、該環状二量体を重合器に供給する前に採取するに当たっては、加熱されて溶融状態にある該環状二量体を、湿分を含む大気雰囲気中に取り出すことになるので、より一層の注意が必要である。
【００４１】
重合器へ該モノマーを供給する配管に、バルブ付きの枝管を取り付け、これに継手を介して試料採取容器を取り付ける。試料採取容器の中は乾燥させたガスによりパージできる構造とし、該モノマー試料を採取するに際しては、あらかじめ該容器内を乾燥させたガスにより充分パージしておく。
【００４２】
枝管のバルブを開けて該モノマーを採取した後は、枝管のバルブを閉め、乾燥させたガスによるパージを続けながら、採取したモノマーを冷却する。モノマーの冷却を促進するために、該容器を冷媒に浸漬して冷却するのも良い。冷却したモノマーは秤量して一定量の脱水した非プロトン性極性溶媒、及び水分分析のための溶媒、例えばカール・フィッシャー試薬を添加して溶解させる。
【００４３】
溶解させたモノマーは分析装置に送り、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体より遊離したα−ヒドロキシカルボン酸及び水分の量を分析する。遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量は、例えば、上述したように有機溶媒に溶解させた塩基を用いて中和滴定により求めることができる。滴定の終点は指示薬の変色により検知することができる。また、供試液の電気伝導度の変化により検出することもできる。さらには、基準となる電極の電位の変化によっても検出が可能である。あるいは滴定ではなく、スペクトルによる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の検出も可能であり、環状二量体より遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の分析法は上述の方法に限定されるものではない。
【００４４】
α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーを溶解させる溶媒は該モノマーの溶解度が高いことが必要である。これにより分析の対象となるα−ヒドロキシカルボン酸の濃度を高くすることができ、分析の精度が向上する。塩基を溶解させる溶媒としては、該モノマーを溶解させるのに使用した溶媒と同じものを使用することもできる。
【００４５】
これらの溶媒としては、例えば、１，４−ジオキサン、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジエチル、酢酸メチル、酢酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、４−ブチロラクトン、リン酸トリメチル、ヘキサメチルリン酸トリアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、アセトニトリル、スルホラン、ジメチルスルホキシド等を使用することができる。
【００４６】
塩基としては、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、モノエチルアミン、ブチルアミン等のアルキルアミン類、ピロール類、ピリジン類、アニリン類、キノリン類等を使用することができる。使用する溶媒への溶解性を考慮して選択することが重要である。
【００４７】
上述した乳酸をアニリンで滴定する方法では、滴定には指示薬としてブロモクレゾールグリーンとメチルレッドの混合物を使用した。この指示薬は、水溶液系ではｐＨ４〜ｐＨ６の範囲に変色域を持つ。同じｐＨ領域に変色域を持つ他の指示薬を使用することも可能である。他のヒドロキシカルボン酸、例えばグリコール酸を滴定する場合、あるいは他の塩基、例えばブチルアミンで滴定する場合には、それぞれに適合した変色域を持つ指示薬を使用する。
【００４８】
滴定の終点を検出する方法としては、指示薬以外にも例えば、試料溶液の電気伝導度が滴定前後で変化する現象を利用することができる。また、試料溶液の電位が滴定前後で変化する現象を利用することができる。
【００４９】
遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量と水分量をどのような関数系で制御に反映させるかに関しては、各種の方法が利用できる。両者の単純な合計値でよい場合もあれば、どちらかにある重みを持たせた積算値を使用する場合もある。またこれらの計測値がある基準値を越えた場合に重合器やモノマー調製装置の運転条件の制御に入る場合にも、これらの計測値と基準値との差異量に比例して、重合器の運転条件の変動幅を設定する方法もある。また、計測値と基準値との差異量に対応してステップ状に重合器の運転条件を変化させる場合もある。
【００５０】
重合器の運転条件の制御対象に関しても、触媒及び重合開始剤の添加量を変更することを優先する場合もあれば、滞留時間の変更を優先することもできる。もちろん、重合器の温度あるいは温度分布の変更を優先する方法もある。さらには、重合器を二段で構成している場合には、前段の重合器の温度条件を優先して変更する場合もあれば、後段の重合器の温度条件を優先して変更する場合もある。さらには両方の重合器の温度条件を同様に変更することも可能である。
【００５１】
一方、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体中の遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び／あるいは水分量が増えた場合には、プロセスの上流側、すなわちα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体を供給する側に何らかの異常が発生した結果でもあるので、その原因を究明して、遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分の量を所定の水準にまで低下させることが必要である。
【００５２】
原料として、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマーを直接使用する場合は、原料貯槽に該モノマーを受け入れる際には、大気雰囲気との接触を可能な限り避けるようにしなければならない。遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び／あるいは水分量が増えた場合には、該モノマー中の受入れに際して、原料貯槽内の乾燥空気の圧力をより高くして原料貯槽内への大気の混入を防がなければならない。
【００５３】
原料貯槽からラクチドを排出して、これに触媒及び重合開始剤を加えて、この混合物を所定の温度条件に設定された重合器に供給するまでの工程においては、乾燥させたパージガスの流量を増やす等の操作により、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体への水分の混入を防止しなければならない。
【００５４】
ラクチド等のα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体を、α−ヒドロキシカルボン酸を脱水縮合させてα−ヒドロキシカルボン酸のオリゴマーとし（脱水・縮合工程）、このオリゴマーを触媒を用いて解重合して環状二量体を製造する（解重合工程）場合には、脱水・縮合工程の温度及び圧力条件を最適化することで、該オリゴマーへの転換効率を上昇させ、遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量を減らすことができる。また解重合の後の溶媒によるα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体の精製工程において、溶媒組成、滞留時間等を最適化することで、遊離したα−ヒドロキシカルボン酸の量及び水分の量を低減することができる。
【００５５】
この精製された環状二量体モノマーを貯槽に保管する工程、及び該モノマーを貯槽から排出し、これに触媒及び重合開始剤を加えて、この混合物を所定の温度条件に設定された重合器に供給するまでの工程においても、乾燥させたパージガスの流量を増やすことにより、環状二量体への水分の混入を防止しなければならない。
【００５６】
本発明において、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体モノマー中に含まれる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸と水分の量を、重合器の手前において分析して、これらの量に基づいて該重合器の運転条件を制御することにより、該重合器出口におけるポリヒドロキシカルボン酸の転化率の低下を最小限に抑えることができ、ポリヒドロキシカルボン酸の生産性を高めることができる。併せて、ポリヒドロキシカルボン酸中の未反応モノマーの量が低減できるため、脱モノマー工程の負荷を低くすることができる。
【００５７】
一方、該重合器入口において、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体のモノマー中の遊離のα−ヒドロキシカルボン酸と水分の量を計測することにより、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体のモノマーを調製する工程における不具合を検知することができる。この情報に基づいて、モノマー調製工程の運転条件を制御し、該モノマー中の遊離のα−ヒドロキシカルボン酸と水分の量を基準となる水準に戻し、重合器への影響を除くことができる。
【００５８】
以下本発明を図面を引用して詳細に説明する。図１に示すように乳酸４１はモノマー調製装置１０において濃縮、縮合して低分子量のオリゴマーを製造し、該オリゴマーを触媒を用いて解重合し、ラクチドを製造する。ラクチドは触媒及び重合開始剤８を加えて、モノマー貯槽９に蓄えられる。モノマー貯槽９から採取された試料は、乳酸分析装置５５及び水分分析装置５６により分析され、得られた情報に基づいて、横型重合器１４及び縦型重合器１５の運転条件を制御する。これにより転化率の変動を受けずにポリ乳酸４２を得ることができる。モノマー調製装置１０は、乳酸濃縮装置、縮合装置、塊重合装置及び精製装置を含み、重合装置に供給できる感情ニ量体モノマーを調製するものである。
【００５９】
なお、モノマー中の、検出された乳酸及び水分の量によって、制御回路７によりモノマー調製装置１０を制御し、重合器に供給されるモノマー中の乳酸及び水分の量を低減させることもできる。以下実施例により詳細を説明する。
【００６０】
（実施例１）
前後二段の重合器によりラクチドと触媒及び重合開始剤を反応させて、開環重合によりポリ乳酸を製造する重合装置のうち、前段の横型重合器にモノマーを供給する配管部において、モノマーであるラクチド中に含有される乳酸の量と水分の量を計測するために、該モノマーを採取する方法の一例について図５により説明する。
【００６１】
図５に示すように横型重合器の手前のモノマー供給配管７８には、溶融したラクチド、触媒及び重合開始剤の混合物であるモノマー４５が流通し、該混合物は横型重合器に送液される。モノマー供給配管７８にはバルブ７１を供えた試料採取用枝管７０が設置され、この枝管には継手７９を介して試料採取容器７５が取り付けられている。モノマー試料を採取するに当たっては、該試料採取容器７５内は乾燥パージガス配管７６を経由して乾燥パージガス７７により充分置換しておく。まず試料採取容器７５のバルブ７３を閉じて乾燥パージガス７７を遮断し、試料採取容器７５のバルブ７２及びバルブ７１を開けて溶融したモノマー試料を採取する。モノマー試料の採取は任意の時間間隔で行われる。
【００６２】
モノマー試料の採取が終わると、試料採取容器のバルブ７２及びバルブ７１を閉じて、試料採取容器７５のバルブ７３を開け、乾燥パージガス７７を流通させ、採取したモノマー試料を冷却させる。試料の冷却を促進するために試料採取容器７５を冷媒に浸して冷却することもできる。試料を室温付近まで冷却すると、試料採取容器７５のバルブ７３及び７４を閉じ、継手７９をはずして試料採取容器７５を試料採取部から取り外す。
【００６３】
続いて採取したモノマー試料の量を秤量し、これを乾燥させた非プロトン性極性溶媒に溶解させ、同じく非プロトン性極性溶媒に溶解させ塩基により中和滴定し、モノマー試料中に含まれる遊離した乳酸の量を分析する。また秤量した試料をカール・フィッシャー試薬に溶解させ、試料中に含まれる水分の量を分析する。
【００６４】
本実施例によれば、重合器に供給される前のラクチドを大気中の水分の影響を受けることなく採取し、その中に含まれる遊離した乳酸及び水分の量を分析することができる。
【００６５】
（実施例２）
ラクチドと触媒及び重合開始剤を反応させて、開環重合によりポリ乳酸を製造する重合装置において、モノマーであるラクチド中に含有される乳酸の量と水分の量を計測し、これに基づいて重合器の運転条件を制御する方法の一例について、図６により説明する。
【００６６】
実施例１に従って採取したラクチド試料を、乳酸分析装置５５及び水分分析装置５６により分析する。積算装置５７によりえられたそれぞれの量を合計する。比較により、積算装置５７からの値と、基準値データ５８の値とを比較する。基準値データ５８の値としては、例えば、ラクチド試料中の遊離乳酸量と水分量の規格値を合計した値に、重合速度への影響が無視できる範囲の増分を加えた値とする。
【００６７】
積算装置５７からの値と、基準値データ５８の値とを比較して、もし積算装置５７からの値が基準値データ５８の値を上回れば、重合速度が低下して、ポリマーの転化率が低下するので、重合器操作端６１により横型重合器１４の運転条件を変更する。積算装置５７からの値が基準値データ５８の値と同じであるか、下回れば、重合速度は維持されるので、操作端６２により処理を停止する。
【００６８】
重合装置の運転において運転が定常状態に達した後は、この一連の操作を一定の時間間隔で実施し、重合器から排出されるポリマーの転化率が所定の水準に維持されるよう、制御を継続して運転を継続する。
【００６９】
本実施例によれば、重合器に供給されるラクチド中に含まれる乳酸の量及び水分の量の合計値に基づいて、重合器の運転を制御して、重合器から排出されるポリマーの転化率を所定の水準に維持することができる。
【００７０】
（実施例３）
前後二段の重合器によりラクチドと触媒及び重合開始剤を反応させて、開環重合によりポリ乳酸を製造する重合装置において、モノマーであるラクチド中の乳酸の量と水分の量を計測し、両者の合計値に基づいて、前段の重合器の入口温度を制御する方法について、図７により説明する。
【００７１】
触媒には２−エチルヘキサン酸スズを、開始剤には１−ドデカノールを使用する。触媒及び開始剤は、それぞれ温度を１１０℃に設定した触媒貯槽１２及び重合開始剤貯槽１３からモノマー貯槽９に導かれる。モノマー貯槽９において触媒及び重合開始剤は溶融ラクチドと混合される。触媒の濃度はラクチドに対して１０ｐｐｍ、開始剤の濃度は７００ｐｐｍである。
【００７２】
ラクチドと触媒と開始剤の混合物は、モノマー貯槽９からを試料採取部５１を経由して横型重合器１４に投入される。横型重合器１４は入口温度は１６０℃、出口温度は１８０℃に設定した。横型重合器１４には攪拌装置２が取り付けられ、攪拌機１により２ｒｐｍの速度で重合器内のラクチドと触媒と開始剤の混合物を攪拌する。横型重合器１４内の滞留時間を８時間とした。横型重合器１４を出た反応生成物（プレポリマー）は、搬送手段６を介して縦型重合器１５に投入される。縦型重合器１５は入口温度は１８０℃、出口温度は１９５℃に設定した。縦型重合器１５には攪拌装置３が取り付けられ、攪拌機１により０．５ｒｐｍの速度で重合器内のプレポリマーを攪拌する。縦型重合器１５内の滞留時間は５時間とした。
【００７３】
試料採取部５１から採取されたモノマーは分析装置に送られ、乳酸の量及び水分の量を分析した。その結果、この合計値が重量基準でラクチドに対して３００ｐｐｍとなり、基準となる値２５０ｐｐｍを５０ｐｐｍ上回ったので、前段の重合器の入口温度を５℃上昇させて１６５℃とした。横型重合器１４の入口温度設定を変更して以降５０時間の間、縦型重合器１５の出口から排出されるポリマーの転化率は、９０％±２％の値を維持することができた。
【００７４】
本実施例によれば、二段の重合器を備えたラクチドの開環重合装置において、該重合器に供給されるラクチド中の遊離乳酸及び水分の量を計測して、合計量が増えたことを検知して、前段の重合器の入口温度を上昇させたことにより、ポリマーの転化率の低下を未然に防止し、安定な水準に維持することができた。
【００７５】
（実施例４）
一段の重合器によりラクチドと触媒及び重合開始剤を反応させて、開環重合によりポリ乳酸を製造する重合装置において、モノマーであるラクチド中の乳酸の量と水分の量を計測し、両者の合計値に基づいて、前段の重合器の入口温度を制御する方法について、図８により説明する。
【００７６】
触媒には２−エチルヘキサン酸スズを、開始剤には１−ドデカノールを使用する。触媒及び開始剤は、それぞれ温度を１１０℃に設定した触媒貯槽１２及び重合開始剤貯槽１３からモノマー貯槽９に導かれる。モノマー貯槽９において触媒及び重合開始剤は溶融ラクチドと混合される。触媒の濃度はラクチドに対して２０ｐｐｍ、開始剤の濃度は７００ｐｐｍである。
【００７７】
ラクチドと触媒と開始剤の混合物は、モノマー貯槽９から試料採取部５１を経由して縦型重合器１５に投入される。縦型重合器１５の当初入口温度は１７０℃、出口温度は２１０℃と設定した。縦型重合器１５には攪拌装置３が取り付けられ、攪拌機１により１ｒｐｍの速度で重合器内のラクチドと触媒と開始剤の混合物を攪拌する。縦型重合器１５内の滞留時間は１０時間とした。
【００７８】
試料採取部５１から採取されたモノマーは分析装置に送られ、乳酸の量及び水分の量を分析した。その結果、この合計値が重量基準でラクチドに対して３００ｐｐｍとなり、基準となる値２５０ｐｐｍを５０ｐｐｍ上回ったので、重合器の入口温度を５℃上昇させて１７５℃とした。縦型重合器１５の入口温度設定を変更して以降５０時間の間、縦型重合器１５の出口から排出されるポリマーの転化率は、９０％±２％の値を維持することができた。
【００７９】
本実施例によれば、一段の重合器を備えたラクチドの開環重合装置において、該重合器に供給されるラクチド中の遊離乳酸及び水分の量を計測して、合計量が増えたことを検知して、重合器の入口温度を上昇させたことにより、ポリマーの転化率の低下を未然に防止し、安定な水準に維持することができた。
【００８０】
（実施例５）
乳酸を濃縮・縮合させて乳酸オリゴマーを製造し、このオリゴマーを解重合させてラクチドを製造し、このラクチドと触媒及び重合開始剤を反応させて、開環重合によりポリ乳酸を製造する重合装置において、重合器に供給されるラクチド中の乳酸の量と水分の量を計測し、両者の合計値に基づいて、乳酸からラクチドモノマーを製造する工程を制御する方法について説明する。
【００８１】
６０％の乳酸溶液を１２０℃まで加熱して濃縮し、９０％の濃縮乳酸を生成させる。この濃縮乳酸を１３０℃で１Ｔｏｒｒまで減圧して、脱水、縮合させて乳酸オリゴマーを得る。これに２−エチルヘキサン酸スズを触媒として添加し、２００℃で解重合させ、１Ｔｏｒｒまで減圧して揮散するラクチドを冷却器により捕集する。捕集したラクチドは加熱して溶融させ、溶融物をラクチドの融点直下まで冷却して、乳酸、オリゴマー等の不純物を分離、除去する。
【００８２】
得られたラクチドを、実施例３と同様に触媒には２−エチルヘキサン酸スズを、開始剤には１−ドデカノールを使用して開環重合させる。横型重合器１４手前の試料採取部５１から採取されたラクチドは分析装置に送られ、乳酸量及び水分量が分析される。この合計値が重量基準でラクチドに対して３００ｐｐｍとなり、基準となる値２５０ｐｐｍを５０ｐｐｍ上回ったので、溶融・析出による分離操作を２回繰り返すことにした。これにより、２０時間後にはラクチド中の乳酸量及び水分量は２６０ｐｐｍまで低下した。
【００８３】
本実施例によれば、ラクチド中の遊離乳酸及び水分の量を計測して、合計量が増えたことを検知して、ラクチドの溶融・析出による分離操作条件を変更したことにより、ラクチド中の遊離乳酸及び水分の量を低減することができた。
【００８４】
（比較例）
前後二段の重合器によりラクチドと触媒及び重合開始剤を反応させて、開環重合によりポリ乳酸を製造する重合装置において、ポリマーの転化率を計測し、これに基づいて、前段の重合器の入口温度を制御する方法について、図２により説明する。
【００８５】
乳酸４１はモノマー調製装置１０によりラクチドに転換させ、触媒として２−エチルヘキサン酸スズを、開始剤として１−ドデカノールを添加してモノマー貯槽９に導かれる。触媒の濃度はラクチドに対して２０ｐｐｍ、開始剤の濃度は７００ｐｐｍである。
【００８６】
ラクチドと触媒と開始剤の混合物は、モノマー貯槽９から横型重合器１４に投入される。横型重合器１４は当初入口温度は１６０℃、出口温度は１８０℃と設定した。横型重合器１４内の滞留時間は８時間とした。横型重合器１４を出た反応生成物（プレポリマー）は、縦型重合器１５に投入される。縦型重合器１５の当初入口温度は１８０℃、出口温度は１９５℃と設定した。縦型重合器１５内の滞留時間は５時間とした。この温度設定で、縦型重合器１５の出口から排出されたポリマー４２の一部は、分析装置５３に送られ、ポリマーの転化率が分析される。
【００８７】
ポリマーの転化率の目標値９０％に対して、排出されたポリマー４２を熱重量分析により分析した結果８５％であった。そこで横型重合器１４の入口温度を１６５℃まで上昇させた。これによりポリマーの転化率は２５時間経過後には８８％、５０時間経過後には９１％まで回復した。また、α−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体をモノマーとする開環重合において、環状二量体モノマー中に含まれる遊離したα−ヒドロキシカルボン酸及び水分の量を計測し、両者の積算値に基づいて、重合条件及び／あるいは該モノマーの調製条件を制御することにより、ポリマーの転化率を一定の水準に維持し、ポリマーの生産効率を向上させる。
【００８８】
これまでの説明は生分解性を持つポリ乳酸を対象にしてきたが、本発明は他のα−ヒドロキシカルボン酸の環状二量体、例えばグリコール酸の二量体であるグリコリド等ポリヒドロキシカルボン酸の重合にも広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明になるポリヒドロキシカルボン酸重合方法の一例を説明する線図。
【図２】公知例に示されたポリヒドロキシカルボン酸重合方法の一例を説明する線図。
【図３】ポリ乳酸の重合速度に及ぼす実験雰囲気中の露点の影響を説明する図。
【図４】ポリ乳酸の重合速度に及ぼすラクチド中の乳酸の量の影響を説明する図。
【図５】本発明の一実施例における重合器手前でのモノマー試料の採取方法を説明する。
【図６】本発明の一実施例における重合器を制御する方法を説明するフロー図。
【図７】本発明の他の実施例における二段の重合器を使用したプロセスへの適用例を説明する概略図。
【図８】本発明の他の実施例における一段の重合器を使用したプロセスへの適用例を説明する概略図。
【符号の説明】
【００９０】
１…攪拌駆動装置、２…横置き攪拌槽、３…縦置き攪拌装置、５…搬送手段、６…搬送手段、９…モノマー貯槽、１０…モノマー調製装置、１４…横型連続重合器、１５…縦型連続重合器、４１…乳酸、４２…ポリ乳酸、４５…モノマー、５１…試料採取装置、５３…ポリマー転化率測定装置、５５…乳酸分析装置、５６…水分分析装置、５７…積算装置、５８…基準値デ、タ、６１…重合器操作端、６２…操作端、７０…試料採取用枝管、７１〜７４…バルブ、７５…試料採取容器、７６…乾燥パージガス配管、７７…乾燥パージガス、７８…モノマー供給配管、７９…保温材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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