(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乳酸アンモニウムからアンモニアを気化させて反応系から除去し、脱水縮重合を行い、高分子量ポリ乳酸に変換する、ポリ乳酸の製造方法。
【請求項２】
脱水縮重合を、
有機溶剤を用いないで、５〜２０ｍｍＨｇの減圧度、１６０〜２２０℃の温度で行うか、あるいは、
有機溶剤を用いて、３００〜７６０ｍｍＨｇの減圧度、１１０〜１６０℃の温度で行う、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
乳酸発酵によって乳酸アンモニウムを得て、この発酵法による乳酸アンモニウムを原料として用いる、請求項１又は２項に記載の製造方法。
【請求項４】
乳酸発酵後に、電気透析により発酵液中の乳酸アンモニウムを濃縮及び培地成分と分離し、この分離された培地成分を再び乳酸発酵原料として使用する、請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
気化したアンモニアを捕集し、この捕集されたアンモニアを乳酸発酵の中和剤として循環使用する、請求項３又は４項に記載の製造方法。
【請求項６】
気化したアンモニアを乳酸によって捕捉し、この乳酸アンモニウムを原料の少なくとも一部として用いる、請求項１〜５項のうちのいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乳酸アンモニウムからラクチドを製造する方法及びポリ乳酸を製造する方法に関し、より詳しくは、乳酸アンモニウムを乳酸のフリー体に戻すことなく、ラクチドを製造する方法及びポリ乳酸を製造する方法に関する。
ラクチドは乳酸の環状二量体であり、生分解性ポリマーであるポリ乳酸の製造原料として特に有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ポリ乳酸の製造は、乳酸からの直接脱水縮合あるいはラクチドの開環重合によって行われている。
乳酸からの直接脱水縮合については、例えば、特開昭５９−９６１２３号公報、特開平６−６５３６０号公報、特開平７−３３８６１号公報等に記載されている。これら公報記載の方法は、いずれも乳酸のフリー体を出発原料とするものである。
【０００３】
また、ポリ乳酸の製造原料としてのラクチドの製造については、例えば、特開平７−１３８２５３号公報に、乳酸のオリゴマーを得て、このオリゴマーを触媒の存在下、解重合してラクチドを得る方法が記載されている。また、特表平６−５０４７６２号公報や米国特許第 5,274,127号明細書、 5,332,839号明細書、 5,319,107号明細書、 5,420,304号明細書には、乳酸から乳酸オリゴマーを経由することなく直接的にラクチドを製造する方法が記載されている。これらに記載の方法は、いずれも乳酸のフリー体を出発原料とするものである。
このように、従来、ポリ乳酸の製造はいずれの方法による場合も、乳酸のフリー体を出発原料として行われていた。
【０００４】
ところで、乳酸は、化学合成法によっても得られるが、発酵法によっても得られる。発酵法は、グルコース等の資化可能な炭素源を乳酸菌等の微生物を用いて発酵させる方法である。化学合成法で得られる乳酸はＤ体とＬ体のラセミ混合物であるのに対し、発酵法では微生物の選択により任意の光学純度の乳酸が得られる。結晶性のポリ乳酸を得るには、光学純度の高い乳酸を用いる必要がある。特に繊維、フィルムなど延伸加工する物は、結晶性のポリマーを用いることにより強度が増す。
【０００５】
この乳酸発酵の際には、生成した乳酸によって発酵液中のｐＨが低下すると微生物の活性が低下するので、水酸化ナトリウム、アンモニア水、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等で中和しながら、発酵を進めることが一般的である。例えば、Applied Microbiology and Biotechnology, Vol.34, 573-578 (1991)には４Ｍ  ＮａＯＨによる中和、Journal of Chemical Engineering Japan, Vol.28, 198-203 (1995) には３Ｍ  ＮａＯＨによる中和、Applied Microbiology and Biotechnology, Vol.43, 585-589 (1995)には５Ｍ  ＮａＯＨによる中和、Bio Industry, Vol.5, 16-22 (1988) にはＮａＯＨによる中和、醗酵工学，Vol.67, 525-529 (1989)には６％アンモニア水による中和、Applied and Environmental Microbiology, Vol.52, 314-319 (1986)には３Ｎ  ＮＨ4 ＯＨ、３Ｎ  ＮａＯＨ、ＣａＣＯ3 による中和、Biotechnology Letters, Vol.17, 543-546 (1995) には２０％Ｎａ2 ＣＯ3 による中和が記載されている。従って、乳酸発酵法において生成した乳酸は、乳酸のアンモニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩等として得られる。
【０００６】
このため、従来ラクチドやポリ乳酸を製造するには、発酵法で得られた乳酸塩を乳酸フリー体に変換する操作が必要であった。この操作は、例えば、発酵に伴い、水酸化カルシウムや炭酸カルシウムで中和し、これを濃縮し乳酸カルシウムを沈殿させ、これを硫酸で処理してフリー体に変換するという操作である。
その結果、ポリ乳酸の価格が高くなり、生分解性プラスチックとして優れた性質を有するポリ乳酸の普及を拒む一因となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、乳酸塩を乳酸のフリー体に戻すことなくそのままポリ乳酸製造の原料として用い、安価にポリ乳酸を製造する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討した結果、乳酸塩として乳酸のアンモニウム塩を用い、アンモニアを気化させて反応系から除去することによって、上記目的を達成できることを見出だし、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のポリ乳酸の直接製造方法は、乳酸アンモニウムからアンモニアを気化させて反応系から除去し、脱水縮重合を行い、高分子量ポリ乳酸に変換する方法である。
【００１０】
上記方法においては、アンモニアを気化させて反応系から除去することが特徴である。  本発明において、乳酸発酵によって乳酸アンモニウムを得て、この発酵法による乳酸アンモニウムを原料として用いることが好ましい。
【００１１】
以下、本発明について詳しく説明する。
乳酸には、Ｌ−乳酸とＤ−乳酸の光学異性体があるが、ラクチド製造方法及び本発明のポリ乳酸製造方法においては、どちらの異性体のアンモニウム塩又は混合物を用いても良い。用いたアンモニウム塩のＬ／Ｄ比に応じて、得られるラクチドのＬ−ラクチド／メソ−ラクチド／Ｄ−ラクチドの比率が決定され、また、得られるポリ乳酸中のＬ−乳酸単位／Ｄ−乳酸単位の比率が決定される。Ｌ−乳酸単位又はＤ−乳酸単位のみを含むポリ乳酸は、結晶化し高融点が得られる。
まず、第一のラクチド製造方法について説明する。この方法は、次式のように乳酸アンモニウムからアンモニアを気化させて反応系から除去すると共に脱水して環状二量化させラクチドを直接的に生成させ、生成したラクチドを留出させる方法である。
【００１２】
【化１】
0003855359.tif 000002
【００１３】
なお、この第一のラクチド製造方法や、以下に述べる第二のラクチド製造方法及び乳酸アンモニウムからの直接ポリ乳酸製造方法においては、反応は乳酸とアンモニアとから形成されるラクタミド（ＣＨ3 ＣＨ（ＯＨ）ＣＯＮＨ2 ）を経由する場合もあり得る。
【００１４】
この方法は、濃度５０〜９０重量％程度の乳酸アンモニウムの水溶液を、例えば１０ｍｍＨｇ程度の減圧下、１６０〜２００℃に加熱することにより達成される。このような減圧度、加熱条件で乳酸アンモニウムのアンモニアが気化され反応系外に除去され、二分子脱水反応が起こり、ラクチドが生成する。この反応においては生成したラクチドも気化するので、ラクチドを精留する必要がある。
【００１５】
この反応における原料は、乳酸のアンモニウム塩であることが必須である。他の乳酸塩、すなわち、ナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩等では、上記条件でこれらの塩基を反応系外に除去することができず、環化エステル化反応が起こらないからである。
【００１６】
次に、第二のラクチド製造方法について説明する。この方法は、次式のように乳酸アンモニウムからアンモニアを気化させて反応系から除去すると共に脱水して乳酸オリゴマーを得て、この乳酸オリゴマーを解重合して環状二量化させラクチドを生成させ、生成したラクチドを留出させる方法である。
【００１７】
【化２】
0003855359.tif 000003
【００１８】
この方法は、濃度１０〜９０重量％程度の乳酸アンモニウムの水溶液を、例えば２００〜７６０ｍｍＨｇ程度の減圧下、１３０〜１８０℃に加熱還流し、乳酸オリゴマーを得る工程と、この乳酸オリゴマーを触媒存在下に解重合して環状二量化させラクチドを生成させ、このラクチドを留去する工程により達成される。
【００１９】
乳酸オリゴマー合成工程の上記のような減圧度、加熱条件で、乳酸アンモニウムのアンモニアが気化され反応系外に除去され、脱水反応が起こり、乳酸オリゴマーが生成する。
【００２０】
この反応における原料も、乳酸のアンモニウム塩であることが必須である。揮発性のアンモニアを反応系外に除去することによって、エステル化反応が起こる。
【００２１】
また、還流では段階に別けて徐々に昇温することが好ましい。例えば、第１段１３５±３℃、第２段１５０±３℃、第３段１６０±３℃とすることが好ましい。このような還流により、重量平均分子量約１０００〜３０００となり、ラクチドとの沸点の差異が大きくなり、分離が容易となる。還流工程はさらに多段階に行ってもよく、あるいは連続的に徐々に昇温を行い、還流しなくなるまで加熱を行ってもよい。
【００２２】
次に、このようにして得られた乳酸オリゴマーを解重合して環状二量化させラクチドを生成させる。解重合は、乳酸オリゴマーを解重合触媒の存在下、処理すべき乳酸オリゴマーの溶融温度以上の温度に加熱すると共に、前記温度におけるラクチドの蒸気圧以下の圧力に減圧して、生成したラクチドを留去することによる。通常、１０〜５０ｍｍＨｇの減圧下、１９０〜２００℃とすることが好ましい。高真空度の装置を用いることによりラクチドの収率が向上する。
【００２３】
解重合触媒としては、周期律表ＩＡ族、IVＡ族、IVＢ族およびＶＡ族からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属または金属化合物からなる触媒を用いることができる。
【００２４】
IVＡ族に属するものとしては、例えば、有機スズ系の触媒（例えば、乳酸スズ、酒石酸スズ、ジカプリル酸スズ、ジラウリル酸スズ、ジパルミチン酸スズ、ジステアリン酸スズ、ジオレイン酸スズ、α−ナフエト酸スズ、β−ナフエト酸スズ、オクチル酸スズ等）の他、粉末スズ等が挙げられる。
ＩＡ族に属するものとしては、例えば、アルカリ金属の水酸化物（例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等）、アルカリ金属と弱酸の塩（例えば、乳酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、オクチル酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、乳酸カリウム、酢酸カリウム、炭酸カリウム、オクチル酸カリウム等）、アルカリ金属のアルコキシド（例えば、ナトリウムメトキシド、カリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムエトキシド等）等が挙げられる。
IVＢ族に属するものとしては、例えば、テトラプロピルチタネート等のチタン系化合物、ジルコニウムイソプロポキシド等のジルコニウム系化合物等が挙げられる。
ＶＡ族に属するものとしては、例えば、三酸化アンチモン等のアンチモン系化合物等が挙げられる。
【００２５】
これらはいずれも従来公知のポリ乳酸の重合用触媒であるが、これらの中でも、スズまたはスズ化合物からなる触媒が活性の点から特に好ましい。
【００２６】
本発明において、上記触媒は、処理すべき乳酸オリゴマーの１０-4〜１．０重量％の量で用いることが好ましい。より好ましい量は、０．００１〜０．０１重量％の量である。
【００２７】
次に、乳酸アンモニウムを直接ポリ乳酸に変換する方法について説明する。このポリ乳酸の製造方法では、次式のように乳酸アンモニウムからアンモニアを気化させて反応系から除去し、脱水縮重合を行い、高分子量ポリ乳酸に変換する。
【００２８】
【化３】
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【００２９】
この方法では、濃度５０〜９０重量％程度の乳酸アンモニウムの水溶液を、例えば１０ｍｍＨｇ程度の減圧下、２００℃に加熱濃縮し、実質的に水不存在の状態として、アンモニアを気化して反応系外に除去し、縮重合反応を行う。縮重合反応の減圧、温度条件としては、５〜２０ｍｍＨｇ程度の減圧度、１６０〜２２０℃程度の温度である。また、この反応をベンゼン、トルエン、キシレン、ジフェニルエーテル等の有機溶剤中で行っても良い。その場合の条件としては、３００〜７６０ｍｍＨｇ程度の減圧度、１１０〜１６０℃程度の温度である。
この反応により、重量平均分子量２０００〜５０００、有機溶剤を用いることにより５万〜１０万程度の高分子量ポリ乳酸が得られる。
【００３０】
上記第一及び第二のラクチド製造方法や、乳酸アンモニウムからの直接ポリ乳酸製造方法において、乳酸発酵によって乳酸アンモニウムを得て、この発酵法による乳酸アンモニウムを原料として用いることが好ましい。従ってこの乳酸発酵の際には、アンモニア水を中和剤として用いる。
【００３１】
乳酸発酵は、グルコース、マルトース、フラクトース、ラクトース等の糖質を、ラクトバチルス( Lactobacillus ) やストレプトコッカス( Streptococcus ) 等の微生物を用いて嫌気的に発酵させれば良い。用いる微生物の菌株によって、Ｌ−乳酸、Ｄ−乳酸、ラセミ体ＤＬ−乳酸が得られるので、ポリ乳酸の使用目的によって菌株を選べば良い。
【００３２】
本方法においては、アンモニア水で中和された乳酸発酵液をそのまま原料として用いても良いし、遠心分離による微生物除去、活性炭処理、溶媒抽出、電気透析、膜濾過など従来公知の方法により前処理を行っても良い。
【００３３】
乳酸発酵後に、電気透析により発酵液中の乳酸アンモニウムを濃縮及び培地成分と分離し、この分離された培地成分を再び乳酸発酵原料として使用することも好ましい。電気透析を行えば、ラクチドの収率が向上すると同時に、未利用培地成分（糖質、タンパク、アミノ酸、ビタミン、微量金属元素）を有効に再使用することができる。発酵乳酸アンモニウムを電気透析により逐次分離し、乳酸アンモニウムから分離された培地成分を循環使用する方法については、Applied and Environmental Microbiology, Vol.52, 314-319 (1986)に記載があり、本方法においても、これに準じて操作することができる。
【００３４】
また、本方法においては、気化したアンモニアを捕集し、この捕集されたアンモニアを乳酸発酵の中和剤として循環使用することも好ましい。上述のように、通常、反応は減圧下で行われるので、気化したアンモニアはコールドトラップやスクラバー又は冷却水中にガスを通過させることにより捕捉することができる。これらの方法で捕捉されなかったアンモニアガスは、さらに−４℃程度のスクラバーやバブリング状態での水中通過によって捕捉することができる。このように捕集されたアンモニア水を乳酸発酵の中和剤として循環使用することができる。
【００３５】
電気透析による未利用培地成分の再使用、及び捕集アンモニアの循環使用を行う場合の工程概略を図１に示す。この態様により、培地成分及び捕集アンモニアを有効に再利用することができる。
【００３６】
また、気化したアンモニアを硫酸、塩酸、乳酸等の酸中を通過させることによって捕捉することも可能である。特に乳酸で捕捉すれば、乳酸アンモニウムが得られるので、この乳酸アンモニウムを原料の少なくとも一部として用いることができ好ましい。
【００３７】
本方法により得られたラクチドを公知の方法により開環重合させ、ポリ乳酸又はポリ乳酸共重合体を製造することができる。
【００３８】
上記ラクチド製造方法、及び本発明の乳酸アンモニウムからの直接ポリ乳酸製造方法では、乳酸アンモニウムをそのまま原料として用いるので、従来法のように乳酸塩を乳酸のフリー体に変換する操作が不要である。そのため、ラクチド製造やポリ乳酸製造における工程が削減され、より安価にラクチド及びポリ乳酸を製造することができる。
また、本方法では中性の乳酸アンモニウムを原料として用いるので、反応容器や各種配管にチタン製やガラス製等の耐酸性のものが必要ではなくなった。従って、乳酸フリー体を原料としていたために耐酸性の反応容器や各種配管を必要としていた従来法に比べ、製造設備の投資が少なくて済み経済的である。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
［実施例１］（参考例）
Ｐｕｒａｃ社製Ｌ−乳酸（ＰＨ９０グレード）５００ｇを２５％アンモニア水でｐＨ７．０に中和し、ロータリーエバポレーターで濃縮することにより、濃度９０重量％の乳酸アンモニウム水溶液を得た。この乳酸アンモニウム水溶液を液温度１３５℃に加熱し、常圧で単蒸留を行い、１２０分間濃縮した。ついで、減圧下（１３〜７ｔｏｒｒ）、液温度２００℃に設定して乳酸成分を還流させ水を系外に取り出すことにより、乳酸オリゴマーを得た。ついで、オクチル酸スズ１．０ｇを投入し、減圧下（１０〜２５ｔｏｒｒ）、液温度２００℃でラクチドを留出させた。ラクチド４５０ｇが得られた。
【００４０】
［実施例２］（参考例）
グルコース１０％、ポリペプトン２％及び酵母エキス２％を含有する培養液を蒸気滅菌し、ストレプトコッカス  フェカリス( Streptococcus faecalis )を１２０ｒｐｍで攪拌し、３７℃で２０時間培養した。ｐＨメーターによりｐＨを測定し、ペリスタリックポンプにより２５％アンモニア水を添加し、ｐＨを７．０に維持するようにした。この発酵液をＨＰＬＣで測定したところ、乳酸アンモニウムの濃度は９．３重量％であり、Ｌ体の光学純度は９９％であった。
【００４１】
この溶液１０００ｍｌをロータリーエバポレーターにより、オイルバス温度７０℃、アスピレーターによる減圧度２００ｍｍＨｇの条件で濃縮した。トラップは液体窒素で冷却した。トラップされた液体中のアンモニア濃度をネスラー試薬により定量したところ、発酵の中和に用いたアンモニアの８５％が回収されていた。乳酸濃度が８０重量％になるまで濃縮し、得られた内の１００ｇを原料とした。
【００４２】
これを第１段で１３５℃、第２段で１５０℃、第３段で１６０℃で還流を行い、次に２００℃、１０ｍｍＨｇの条件で留出させた。トラップされたアンモニアは、発酵中に加えられた量の５％であった。この操作で、８０ｇのラクチドが得られた。
【００４３】
［実施例３］
Dean Stark trap を備えた反応器中に、ｍ−キシレン４００ｍｌ、９０％Ｌ−乳酸アンモニウム５０ｇ、トリフルオロメタンスルホン酸０．２ｇを仕込み、１４０℃で３時間、共沸脱水を行った。Dean Stark trap 中にトラップされた水を系外に除去した後、Dean Stark trap を５０ｇのモレキュラーシーブ３Ａが充填された管に取り替えて、留出した溶媒がモレキュラーシーブ層中を通過して、反応器内に戻るようにした後、更に１４０℃で４５時間、共沸脱水を行った。モレキュラーシーブ通過後の溶媒の含水量は２ｐｐｍであった。
【００４４】
反応液を液量が約１／２になるまで濃縮し、塩化メチレン２５０ｍｌを加えた。これをメタノール１０００ｍｌ中に注ぎ、結晶を析出させた。この結晶を濾取し、適量のメタノールで洗浄し、減圧乾燥した。このようにして、重量平均分子量７０，０００の白色のポリ乳酸１７．５ｇを得た。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の乳酸アンモニウムからの直接ポリ乳酸製造方法によれば、上述のように、乳酸アンモニウムをそのまま原料として用いるので、従来法に比べ製造工程が削減される。従って、本発明によれば、より安価にポリ乳酸を製造することができる。
【００４６】
その上、中性の乳酸アンモニウムを原料として用いるので、反応容器や各種配管にチタン製やガラス製等の耐酸性のものが必要ではなくなり、従来法に比べ製造設備の投資が少なくて済み経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法の好ましい工程概略の一例を示す図である。
【図１】
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