-
Hintergrund
-
(a) Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von D-Milchsäure unter Verwenden von Nebenprodukten, wie beispielsweise Reiskleie und zerkleinertem Reis, die während eines Reispolierprozesses erhalten wurden. Die in der vorliegenden Erfindung hergestellte D-Milchsäure kann als Polymilchsäurematerial, das zur Herstellung von Stereokomplexen mit Polymilchsäure wesentlich ist, verwendet werden, wobei es der hieraus hergestellten Polymilchsäure eine verbesserte Wärmebeständigkeit und eine verbesserte Schlagfestigkeit verleiht.
-
(b) Stand der Technik
-
Die Entwicklung umweltfreundlicher Energiequellen wurde verstärkt untersucht. Eine Pflanze stellt eine der umweltfreundlichen Energiequellen dar. Ein von Pflanzen stammendes Polymer, ein Biomasse-Polymer, ist ein Material, das mittels eines chemischen oder biologischen Verfahrens aus erneuerbaren Pflanzenressourcen, wie Mais, Bohnen, Zuckerrohr, Rüben, Holz oder dergleichen, hergestellt wird. Es ist bekannt, dass dieses Material besser mit Umweltaspekten, wie beispielsweise der Reduktion von Kohlenstoffdioxid, verträglich ist, als bioabbaubare Materialien. Von den Biomasse-Polymeren stellt Polymilchsäure oder Polylactid (PLA) einen linearen aliphatischen Polyester dar. Es kann aus der Fermentation von Stärke aus Mais oder Kartoffeln, oder durch Polymerisation von Zuckermonomeren, die durch Fermentation nach Verzuckerung von Pflanzenzellulose erhalten wurden, gewonnen werden. Es ist als Kohlenstoff-neutrales und umweltfreundliches thermoplastisches Polymermaterial bekannt.
-
Diese PLA-Materialien sind jedoch den allgemeinen Polymermaterialien hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften unterlegen, so dass sie nur begrenzt industriell eingesetzt werden können. Insbesondere reichen die Wärmebeständigkeit und die Schlagfestigkeit der PLA-Materialien nicht aus, um die PLA-Materialien als Materialien in der Fahrzeugherstellung einzusetzen. Ein bekanntes Verfahren zur Lösung dieses Nachteils ist, einen Stereokomplex durch Mischen von stereoisomerer Poly-L-Milchsäure (PLLA) mit stereoisomerer Poly-D-Milchsäure (PDLA) zu bilden. Bislang ist die weltweite Herstellung von PLA weitestgehend auf PLLA beschränkt und es wird nur sehr begrenzt PLDA erzeugt. Der Grund hierfür ist, dass die D- oder L-Lactide, die für die Herstellung von PDLA wesentlich sind, großtechnisch nicht effektiv herstellbar sind.
-
Die
Koreanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 10-2010-0005820 offenbart ein Verfahren zum selektiven Herstellen eines Lactids eines Typs mit gleicher optischer Aktivität aus optisch unreiner Milchsäure oder einer Alkyllactatmischung. Dieses Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, dass ein zusätzlicher Prozess für die Abtrennung der Milchsäure, die nicht mit dem selektiv synthetisierten Lactid oder Alkyllactat reagiert hat, erforderlich ist. Ferner offenbaren die
Koreanischen Patente Nr. 10-0122428 und
10-0308521 Verfahren zur selektiven Herstellung von D-Milchsäure unter Verwenden von transformierten E. coli. Bei einer großtechnischen Herstellung weist dies jedoch den Nachteil auf, dass eine genetische Vorbehandlung erforderlich ist, um transformierte E. coli zu erhalten.
-
Die in dem obigen Abschnitt „Hintergrund” offenbarten Informationen dienen lediglich dazu, ein besseres Verständnis des Hintergrunds der Erfindung zu vermitteln, und können daher Informationen enthalten, die keinen Stand der Technik bilden, wie er einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
-
Zusammenfassung der Offenbarung
-
Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Bestreben, die mit dem Stand der Technik verbundenen, vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, gemacht.
-
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist, ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von D-Milchsäure mit guter Produktivität und guter Ausbeute bereitzustellen.
-
In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von D-Milchsäure, welches umfasst: Erzeugen einer Reisaufschlämmung durch Zerkleinern von Nebenprodukten, die aus einem Reispolierprozess erhalten wurden; Erzeugen einer ersten Mischungslösung durch Zugeben von α-Amylase zu der Reisaufschlämmung und Durchführen einer Enzymreaktion; Erzeugen einer zweiten Mischungslösung durch Zugeben von Amyloglucosidase zur ersten Mischungslösung und Durchführen einer Enzymreaktion; Stoppen der Enzymaktivität der zweiten Mischungslösung und Abtrennen des Hydrolysats davon; und Animpfen des Hydrolysats mit Sporolactobacillus inulinus und Durchführen einer Fermentation.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von D-Milchsäure können etwa 100 g D-Milchsäure sofort pro 1000 g Nebenprodukten, die bei einem Reispolierprozess erhalten wurden, hergestellt werden. Die auf diese Weise hergestellte D-Milchsäure kann als Material für die Herstellung von Poly-D-Milchsäure verwendet werden, die dann als Material für Materialien synthetischer Gegenstände, optisch aktive Herbizide oder dergleichen und insbesondere für die Herstellung von Stereokomplexen aus Polymilchsäure verwendet werden kann.
-
Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Im Folgenden wird nun auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die beispielhaft in den beigefügten Figuren veranschaulicht und im Folgenden beschrieben sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, sollte verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf die beispielhaft angegebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen abdecken, die im eigentlichen Sinn und Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, enthalten sein können.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von D-Milchsäure, wobei Nebenprodukte (z. B. Reiskleie und zerkleinerter Reis), die bei einem Reispolierprozess erhalten wurden, unter Verwenden von α-Amylase und von Amyloglucosidase verzuckert und dann unter Verwenden des Mikroorganismus Sporolactobacillus inulinus fermentiert werden.
-
Die vorstehend angegebene Aufschlämmung der Reisnebenprodukte wird durch Zerkleinern der Reisnebenprodukte Reiskleie und zerkleinerter Reis zu einem feinen Pulver und anschließendem Mischen mit Leitungswasser hergestellt.
-
Der in der vorliegenden Erfindung zu verwendende Reis ist nicht auf bestimmte Arten beschränkt; es kann vielmehr jede Reisart, einschließlich ,Akibari',,Saechucheong',,Odae', ,Hitomebore' und ,Junam' verwendet werden. Reisnebenprodukte und Wasser werden bevorzugt in einem Volumenverhältnis von 1:2 gemischt. Nach Herstellung der Reisnebenproduktaufschlämmung wird der pH auf einen Wert von 5,5–6,0 eingestellt, α-Amylase zugesetzt und eine Verzuckerung mittels einer Enzymreaktion durchgeführt, um eine erste Mischungslösung herzustellen. Wenn der pH kleiner als 5,5 oder größer als 6,0 ist, kann die hydrolytische Aktivität der α-Amylase verschlechtert sein und es ist daher bevorzugt, dass der vorstehend angegebene Bereich eingehalten wird.
-
Bezüglich der α-Amylase ist bevorzugt, dass die Einheit (U) der Aktivität im Bereich von 18.000–23.000 U/cc liegt. Vorzugsweise werden 12–14 U pro 1 g Reisnebenprodukte zugegeben. Wenn weniger als 12 U α-Amylase zugegeben werden, kann die Enzymaktivität nicht ausreichen. Wenn hingegen mehr als 14 U α-Amylase zugesetzt werden, spart dies keine Kosten ein. Es ist daher bevorzugt, dass der vorstehend angegebene Bereich eingehalten wird.
-
Die Verzuckerung durch die α-Amylase wird bevorzugt in 50–70 Minuten bei 90–100°C durchgeführt. Wenn die Verzuckerung bei einer Temperatur von unterhalb 90°C durchgeführt wird, wird die Effizienz der Verzuckerung abnehmen. Wenn die Verzuckerung indessen bei einer Temperatur von oberhalb 100°C durchgeführt wird, wird die Effizienz der Verzuckerung infolge der Wärmeverformung abnehmen. Wenn die Verzuckerung für weniger als 50 Minuten ausgeführt wird, kann dies ferner in einer nicht ausreichenden Verzuckerung resultieren. Wenn die Verzuckerung hingegen für mehr als 70 Minuten durchgeführt wird, kann die Effizienz der Verzuckerung nicht verbessert werden. Es ist daher bevorzugt, dass der vorstehend angegebene Bereich eingehalten wird.
-
Die erste Mischungslösung, die unter Verwenden der α-Amylase hergestellt wurde, wird auf 60°C oder weniger abgekühlt, auf einen pH von 4,0–4,5 eingestellt, mit Amyloglucosidase versetzt und mittels einer Enzymreaktion verzuckert, um die zweite Mischungslösung zu erhalten. Vorzugsweise wird Amyloglucosidase mit einer Einheit (U) der Aktivität in einem Bereich von 15.000–20.000 U/cc verwendet. Die Amyloglucosidase wird in einem Bereich von 110–130 U pro 1 g Reisnebenprodukte zugegeben. Wenn weniger als 110 U zugegeben werden, kann die Enzymaktivität nicht ausreichen. Wenn hingegen mehr als 130 U zugegeben werden, spart dies keine Kosten ein. Es ist daher bevorzugt, dass der vorstehend angegebene Bereich eingehalten wird.
-
Die Verzuckerung durch die Amyloglucosidase wird bevorzugt für 25–35 Stunden bei 55–60°C durchgeführt. Wenn die Verzuckerung bei einer Temperatur von unterhalb 55°C durchgeführt wird, kann die Verzuckerung nicht ausreichen. Wenn die Verzuckerung hingegen bei einer Temperatur von oberhalb 60°C durchgeführt wird, wird dies indessen die Effizienz der Verzuckerung aufgrund von Wärmeverformung verringern. Wenn die Verzuckerung ferner für weniger als 25 Stunden durchgeführt wird, kann dies in einer nicht ausreichenden Verzuckerung resultieren. Wenn die Verzuckerung hingegen für mehr als 35 Stunden durchgeführt wird, kann die Effizienz der Verzuckerung nicht verbessert werden. Es ist daher bevorzugt, dass der vorstehend angegebene Bereich eingehalten wird.
-
Nach Beendigung der Verzuckerung durch die Amyloglucosidase wird die zweite Mischungslösung auf 100°C oder mehr erwärmt und dort wenigstens 10 Minuten gehalten, um die Enzymaktivität zu stoppen. Dann wird die zweite Mischungslösung auf Raumtemperatur abgekühlt und das Hydrolysat und die übrige Feststoffaufschlämmung werden mittels Ultrazentrifugation abgetrennt. Die Zuckerkonzentration des Hydrolysats liegt zuletzt bevorzugt in einem Bereich von 80–130 g/l. Wenn die Zuckerkonzentration der Reisnebenprodukte weniger als 80 g/l beträgt, können zum Erhöhen der Zuckerkonzentration Stärketeilchen zugesetzt werden.
-
Dann wird das vorstehend angegebene Hydrolysat mit Sporolactobacillus inulinus angeimpft, um eine Fermentation der D-Milchsäure durchzuführen. Um Mikroorganismen, die während des Verzuckerungsprozesses eingedrungen sind, vor dem Animpfen mit Sporolactobacillus inulinus zu entfernen ist, hierbei bevorzugt, das Hydrolysat, zum Beispiel durch 20-minütige Exposition bei 120°C, zu sterilisieren.
-
Für den Sporolactobacillus inulinus wird eine Impfkultur verwendet, in der Sporolactobacillus inulinus in einem Medium kultiviert wird, das 24–36 Stunden bei 40–45 C gehalten wurde. Bevorzugt liegt die Menge an Impfkultur zum Animpfen des Hydrolysats in einem Bereich von 5–10 Volumen-%. Wenn die Animpfmenge weniger als 5 Volumen-% beträgt, wird dies den Fermentationsprozess verlangsamen. Wenn die Animpfmenge hingegen mehr als 10 Volumen-% beträgt, wird dies keine Kosten sparen. Die Fermentationsreaktion wird unter anaeroben Bedingungen mit einer Sauerstoffkonzentration von 0,1–0,2 Volumen-% bei 40–45°C durchgeführt, um D-Milchsäure zu erzeugen. Wenn die Reaktionstemperatur oberhalb von 45°C oder unterhalb von 40°C liegt, wird sich die resultierende Ausbeute verringern.
-
Als pH-Bedingung für die Mischungslösung wird der pH-Wert vorzugsweise in einem Bereich von 4,0–5,0 gehalten. Wenn der pH kleiner als 4,0 oder größer als 5,0 ist, wird dies zu einer Abnahme der Produktausbeute führen. Es ist daher bevorzugt, dass der vorstehend angegebene Bereich eingehalten wird.
-
Die unter Verwenden von Sporolactobacillus inulinus hergestellte D-Milchsäure kann mittels Flüssigchromatographie abgetrennt und anschließend wiedergewonnen werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der D-Milchsäure können etwa 100 g D-Milchsäure pro 1000 g Reisnebenprodukte erzeugt werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit der vorliegenden Erfindung liegt bei etwa 1,3 g/l·h, wodurch eine ausgezeichnete Produktivität bereitgestellt wird. Die auf diese Weise hergestellte D-Milchsäure kann als Monomere für Poly-D-Milchsäure verwendet werden.
-
Beispiele
-
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung und sollen diese nicht einschränken.
-
Beispiel
-
Reisnebenprodukte, wie Reiskleie und zerkleinerter Reis, die bei einem Reispolierprozess erzeugt wurden, wurden zu einem feinen Pulver zerkleinert und dann mit Leitungswasser in einem Volumenverhältnis von 1:2 gemischt, um eine Reisaufschlämmung herzustellen. Die Reisaufschlämmung wurde mit CaCl2 versetzt, um den pH auf 6,0 einzustellen. Die resultierende Mischung wurde mit α-Amylase (Wuxi Jieneng Bioengineering, China), einem hydrolytischen Enzym mit einer aktiven Einheit von 20.000 U/cc, mit einer Konzentration von 14 U pro 1 g Reisnebenprodukte versetzt und 60 Minuten lang auf 95°C gehalten, um die erste Mischungslösung herzustellen. Dann wurde die erste Mischungslösung auf 60°C abgekühlt, ihr pH durch Zugabe von CaCl2 auf 4,5 eingestellt, Amyloglucosidase (Wuxi Jieneng Bioengineering, China) mit einer Konzentration von 110 U pro 1 g Reisnebenprodukte zugegeben und 30 Stunden lang bei 60°C gehalten, um die zweite Mischungslösung herzustellen. Die zweite Mischungslösung wurde auf 100°C erwärmt und dort 10 Minuten gehalten, so dass die Enzymaktivität gestoppt wurde. Die zweite Mischungslösung wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt und das Hydrolysat und die übrige Feststoffaufschlämmung wurden mittels Ultrazentrifugation abgetrennt. Das auf diese Weise erhaltene Hydrolysat wurde mittels HPLC (Hochdurchsatzflüssigkeitschromatographie) analysiert und diese ergab, dass die Zuckerkonzentration 100 g/l betrug.
-
Sporolactobacillus inulinus (ATCC1553) wurde in einem Medium, das auf 40–45°C gehalten wurde und 10,0 g Pankreasextrakt von Gelatine, 8,0 g Rinderextrakt, 20,0 g Dextrose, 2,0 g Dikaliumphosphat, 1,0 g Polysorbat 80, 5,0 g Natriumacetat, 2,0 g Ammoniumcitrat, 0,2 g Magnesiumsulfat und 0,05 g Mangansulfat enthielt, 24–36 Stunden lang kultiviert, um eine Animpfkultur zu erzeugen. Das vorstehend angegebene Hydrolysat wurde 20 Minuten lang bei 120°C sterilisiert. Der pH wurde mittels CaCO3 auf 4 eingestellt, das Hydrolysat wurde mit der vorstehend angegebenen Animpfkultur mit einer Konzentration von 5 Volumen-% angeimpft und bei 42°C fermentiert, um D-Milchsäure zu erzeugen. Die Konzentrationsänderung der D-Milchsäure wurde mittels HPLC analysiert. Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt.
-
Vergleichsbeispiele 1–2
-
D-Milchsäure wurde auf die gleiche Weise wie in dem obigen Beispiel hergestellt, außer, dass entsprechend Lactobacillus bulgaricus (DSM2129) und Lactobacillus sp. RKY2 (KCTC 10353BP) in Vergleichsbeispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 2 anstelle von Sporolactobacillus inulinus (ATCC1553) verwendet wurden. [Tabelle 1]
| Dauer (h) | Konzentration der D-Milchsäure (g/l) |
| Beispiel | Vergleichsbeispiel 1 | Vergleichsbeispiel 2 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 19 | 15 | 14 |
| 20 | 22 | 17 | 18 |
| 30 | 28 | 20 | 21 |
| 40 | 46 | 29 | 30 |
| 50 | 54 | 37 | 36 |
| 60 | 70 | 45 | 44 |
-
Wie in der vorstehend angegebenen Tabelle 1 gezeigt ist, erreichte die Konzentration der D-Milchsäure aus Beispiel 1 nach 60 Stunden in Kultur 70 g/l. Diese Konzentration war viel höher als die Konzentration der D-Milchsäure, die in Vergleichsbeispiel 1 und 2 erhalten wurde. Dementsprechend wurde gezeigt, dass das vorliegende Verfahren D-Milchsäure mit hoher Ausbeute erzeugt und eine kostengünstige großtechnische Produktion von Poly-D-Milchsäuremonomeren ermöglicht.
-
Die Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen derselben beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass in diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Grundlagen und dem eigentlichen Sinn der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- KR 10-2010-0005820 [0004]
- KR 10-0122428 [0004]
- KR 10-0308521 [0004]