JP3734821B1 - ポリ乳酸の製造方法、及びポリ乳酸製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、
を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法である。
【選択図】 なし
Description
例えば、トウモロコシや馬鈴薯などのでんぷんを乳酸菌により発酵させて得た乳酸を脱水重合したポリ乳酸が挙げられ、農業用マルチフィルムやコンポストバッグなどに利用されている。
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程と、を含むことを特徴とする。
これにより、本発明の製造方法によれば高濃度の乳酸を得ることができ、これを用いることで、所望の分子量を有するポリ乳酸を効率良く製造することができる。上記「電気浸透」とは、膜など多孔性物質を通しての電位差による電気的に中性溶媒の移動をいう。
また、本発明のポリ乳酸の製造方法、及びポリ乳酸製造装置を用いることで、乳酸の生成からポリ乳酸の重合までを連続的に行うことが可能であり、また、設備の小型化、低価格化、操作の簡便化及び製造コストの低減を図ることも可能である。
図1〜3を用いて本発明に用いてもよい乳酸製造装置について説明する。図1は、本発明に用いてもよい乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。図1に示すように、乳酸製造装置10は、混合装置20と、発酵槽30と、乳酸貯留槽50とを備えて構成される。乳酸製造装置10は、混合装置20において混合されたコーンスターチと乳酸菌とを含む混合物を、発酵槽30にて発酵して乳酸を生成し、生成した乳酸を他の混合物から分離し、乳酸貯留槽50との間で循環して濃縮することで、高濃度の乳酸を得るものである。
次に図4〜6を用いて本発明のポリ乳酸製造装置について説明する。図4は、本発明のポリ乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。図4に示すように本発明のポリ乳酸製造装置80は、混合装置82と、重合槽90と、電気脱水槽100とを備えて構成される。ポリ乳酸製造装置80は、混合装置82において乳酸と共に触媒を混合し、該混合物を重合槽90にて加熱して脱水縮重合し、更に、電気脱水槽100において電気浸透作用によって脱水することで、所望のポリ乳酸を得ることができる。本発明のポリ乳酸製造装置80は、重合槽90と電気脱水槽100とが循環管116で連結されており、予め定められた回数や時間、重合・乾燥を繰り返すことで、所望の分子量を有するポリ乳酸を得ることができる。
1.乳酸の生成
図2及び3に示す筒状の発酵槽を有する乳酸製造装置を用いて乳酸を下記の手順に従って生成した。
コーンスターチ(30質量部)と、食塩(0.5質量部)と、水(69.5質量部)とを、混合装置を用いて150rpmで5分間攪拌し、原料懸濁液を調製した。
上記より得られた原料懸濁液を95℃で15分間蒸煮して、糊化澱粉を調製した。得られた糊化澱粉(99.4質量部)と、炭酸カルシウム(0.5質量部)と澱粉液化酵素(商品名:コクゲンT、大和化成(株)製)(0.1質量部)とを、酢酸でpH調製したのち(pH=6〜7)、混合装置にて30rpmで10分間、温度90℃で攪拌した。得られた混合物を、更に60分間、温度90℃及びpH6〜7で放置し、液化澱粉を調製した。
上記より得られた液化澱粉(99.9質量部)を70℃以下にまで冷却した後、澱粉枝切酵素(商品名:クライスターゼPL、大和化成(株)製)(0.1質量部)を加え、酢酸にてpH調製したのち(pH=5〜6)、混合装置にて50rpmで10分間、温度65℃で攪拌した。得られた混合物を、更に60分間、温度65℃及びpH5〜6で放置し、糖化澱粉を調製した。
上記より得られた糖化澱粉(99.9質量部)を45℃以下にまで冷却した後、乳酸菌(0.1質量部)を加え、混合装置Aにて150rpmで10分間、温度45℃で攪拌した。この際、混合物のpHは5〜6であった。
上記1.と同条件にて得られた糖化澱粉1kgに、乳酸菌1gを添加し、実施例1と同様の発酵槽を用いて40℃における電気浸透電極間に加える電圧と生成される乳酸の濃度との関係について測定した。この際、電気浸透電圧を0V、1.2V、2.4V及び3.6Vとしてそれぞれ測定した。結果を図7に示す。
図7は、乳酸濃度と電気浸透電圧との関係を示すグラフである。図7からわかるように、電極間に電流を流さないとき(0V)は、乳酸濃度が5.6質量%以上になることはなかったが、電気浸透電圧を1.2Vに変更した場合には、8時間後に16.3質量%にまで濃度が向上した。更に、電気浸透圧を2.4Vに変更した場合には、8時間後の乳酸濃度が24.5質量%にまで向上した。これに対し、電気浸透電圧を3.6Vに変更した場合には、得られる乳酸の濃度が14質量%程度であった。この結果、上記電気浸透電圧としては、1.2〜3.0Vの間が好ましいことがわかる。
図5に示す筒状の重合槽及び電気脱水槽を有する乳酸製造装置を用いて乳酸を下記の手順に従って生成した。
上述より得られた濃度20%の乳酸99.5質量部と触媒(酸化ルテニウムと酸化チタンとを質量比50質量%で混合したもの)0.5質量部と、を混合装置を用いて150rpmで10分間攪拌した。この際、混合物のpHは3.5〜4程度であり、温度は90℃であった。次いで得られた混合物を110〜120℃で0.5時間蒸発乾燥した。この際、乳酸の濃度はおおよそ60質量%であった。
得られた乳酸と触媒との混合物を、図5に示す重合槽と電気脱水槽とを用いて、毎分10質量%で重合槽及び電気脱水槽間を循環させながら、240分間重合・脱水を行った。この際、電気脱水槽においては電極間の電気浸透電圧4.8Vで直流電流をポリ乳酸に通じさせ、脱水を行った。また、重合槽の温度は、始めの90分間は140〜145℃とし、残りの150分間を115〜120℃とした。得られたポリ乳酸の重量平均分子量をDSCで測定したところ120,000であった。
乳酸の重合・脱水工程について、上記2.と同様の手法を用いた本発明による方式(初期乳酸温度:60質量%、電気浸透電圧4.8V、終点ポリ乳酸質量分子量:120,000、図5に示す重合槽及び電気脱水槽を使用)と、特開2003−335850公報に記載の従来の減圧脱水法による方式(初期乳酸濃度:60質量%、減圧真空度:0.08(MPa)、終点ポリ乳酸重量平均分子量:120,000)との比較を行った。結果を図8に示す。図8は、ポリ乳酸の重合反応について重合温度と重合時間との関係を示すグラフである。
20 混合装置
30 発酵槽
32 陽極
34 陰極
36 隔壁
38 濃縮部
42 排出管
44 供給管
46 循環管
50 乳酸貯留槽
52 乳酸排出管
80 ポリ乳酸製造装置
82 混合装置
90 重合槽
92 乳酸重合体排出管
100 電気脱水槽
102 陽極
104 陰極
106 隔壁
108 脱水部
110 被脱水部
112 グリセリン供給管
114 グリセリン排出管
116 循環管
120 筒状重合槽
122 乳酸供給部
124 シリンダー
126 スクリュー
128 乳酸重合体出口
134 乳酸重合体導入口
136 ポリ乳酸排出口
150 電気脱水槽
152 乳酸重合体供給口
156 円筒体
158 筒状ポリイミド膜
160 スタチックミキサー
162 被脱水部
164 脱水部
Claims (10)
- 植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部とを有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。 - 乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。 - 前記植物性澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項1又は2に記載のポリ乳酸の製造方法。
- 乳酸が導入される乳酸導入手段と、
前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、
を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とするポリ乳酸製造装置。 - 更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、
前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給することを特徴とする請求項4に記載のポリ乳酸製造装置。 - 前記発酵濃縮手段は、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えた請求項5に記載のポリ乳酸製造装置。
- 前記重合手段は、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、
前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のポリ乳酸製造装置。 - 前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載のポリ乳酸製造装置。
- 前記回転羽根が、前記電気脱水手段における前記電極の陽極を構成することを特徴とする請求項8に記載のポリ乳酸製造装置。
- 前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項5〜9のいずれか1項に記載のポリ乳酸製造装置。
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