JP3920924B2 - ポリヒドロキシアルカノエートの水中分散系 - Google Patents

Description

本発明は、ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）の水中分散系に係わる。
１９９５年２月９日付英国特許出願第９５０２５２２．７号などの本出願の同時係属出願中に本発明者は、界面活性剤を含有するＰＨＡのラテックスを開示しており、前記界面活性剤は通常、その一方の末端にかまたは当該末端近傍にただ１個の親水性基を有するただ１個の疎水性基から成る通常の種類の界面活性剤である。このようなラテックスはきわめて実用的であるが、その安定性及び製造しやすさには望ましい改善の余地が有る。
本発明によれば、本発明の第一の形態であるＰＨＡ粒子の水中分散系は立体安定化を特徴とする。
安定化は、ＰＨＡ粒子の表面に少なくとも１種の水溶性コポリマー分散剤を存在させることによって実現し得る。コポリマー分散剤は、
Ａ． ＰＨＡ相容性単位、及び
Ｂ． 親水性単位
の２タイプの単位を含めた複数−少なくとも２個、典型的には少なくとも１０個でかつ例えば数百個以下−の反復単位を有することを特徴とする。
タイプＡの単位は例えば脂肪族炭化水素（例えば付加重合体中に見出される）、芳香族炭化水素または（タイプＡの単位から成る対応するポリマーを非水溶性とするのに十分な鎖長の）ポリオキシアルキレン、特にポリ−１，２−プロピレンオキシド、または例えば１２−ヒドロキシステアリン酸重縮合物もしくはアルキド樹脂などの頭−尾または頭−頭／尾−尾型のポリエステルであり得る。好ましくは、タイプＡの単位はエステル化カルボキシ基またはエステル化もしくはエーテル化ヒドロキシ基、またはこれらの基の両方などの置換基を有し、なぜならこのような置換基はＰＨＡとの相容性を高めるからである。前記置換基の特定例を後段に開示する。
タイプＢの単位はアニオン性単位、例えばカルボキシレート、スルフェート、スルホネート、ホスフェートもしくはホスホネート； カチオン性単位、例えばアンモニウム、特に第四アンモニウム； または非イオン性単位、例えばポリアルキレンオキシド、特にポリエチレンオキシド、ポリグリセロール、ソルビタン、グリコシドもしくはアミンオキシドであり得る。分散剤は、イオンカテゴリーの化学組成が２種以上の親水性基を有し得る。きわめて適当な親水性基はポリエチレンオキシ、特に通常の水溶性界面活性剤に典型的な１０〜１００エチレンオキシド単位長のポリエチレンオキシである。
分散剤は、タイプＡにもタイプＢにも属さない単位を低比率、例えば２０モル％未満の比率で有し得る。
タイプＡの単位とタイプＢの単位とのバランスは、水への溶解度が２０℃において典型的には少なくとも１％ ｗ／ｗとなるようなものであるべきである。好ましくは、タイプＢの単位のモル数は少なく、例えばコポリマー鎖の単位の総モル数の１／３未満であり、その際タイプＢの単位がポリエチレンオキシであるとすると、該単位の水溶性部分は対応して十分な長さを有するべきである。分散剤のＨＬＢ数（ＨＬＢは「親水性−親油性バランス比率」を意味する記号である）は１０〜１５が適当である。通常、分散剤は、特にＰＨＡ粒子が後述する程度に非晶質である場合は非イオン性乳化剤類に由来することが好ましい。
ＰＨＡは特に、比較的高レベル、例えば３０％を越え、特に５０〜９０％に達するレベルでの結晶化が可能である。前記のような結晶化が可能ではあるものの、ＰＨＡは好ましくは後述する程度に非晶質である。ＰＨＡは典型的には、式１
−Ｏ−Ｃ_mＨ_n−ＣＯ−
〔式中ｍは１〜１３であり、ｎは２ｍまたは（ｍが１である場合を除き）２ｍ−２である〕の単位を有する。典型的には、Ｃ_mＨ_nは２〜５個の炭素原子をポリマー鎖中に有し、その他の炭素原子（存在する場合）は側鎖中に有する。きわめて適当なポリエステルではｍは３または４、ｎは２ｍであり、特に、酸素に隣接する炭素においてＣ₁及びＣ₂側鎖とそれぞれ共重合したｍ＝３及びｍ＝４の単位が存在する。特定のポリエステルはｍ＝３の単位を大量に、特に少なくとも７０モル％の量で有し、残りはｍ＝４の単位から成る。ポリマーの分子量は、例えば５００００を越え、特に１０００００を越えて２×１０⁶までである。
ｍ＝３の単位しか有しない式（１）のＰＨＡはＰＨＢと呼称し得る。ｍ＝３及びｍ＝４の単位を有するＰＨＡは、コポリマーのポリヒドロキシ−ブチレート−コ−バレレート（ｖａｌｅｒａｔｅ）（ＰＨＢＶ）である。ＰＨＢＶは好ましくは、ｍ＝４の単位を４〜２５％有する。所期のＰＨＡ生成物はｍの値の異なる２種以上のＰＨＡのブレンドであり得るので、本発明の方法では対応する懸濁液混合物を用い得る。或る特定例は、
（ａ） 実質的に式１の単位から成り、その際２〜５モル％の単位はｍ＝４で、残りはｍ＝３であるＰＨＡ、及び
（ｂ） 実質的に式１の単位から成り、その際５〜３０モル％の単位はｍ＝４で、残りはｍ＝３であるＰＨＡ
を含有する。このようなブレンドにおける様々なＰＨＡの比率は、ｍ＝４の単位の平均含量を４〜２５モル％とするものが好ましい。
ＰＨＡは化学合成の産物であり得るが、とりわけ微生物学的プロセスの産物である。前記プロセスでは微生物に、正常な増殖の間にＰＨＡを貯蔵させ得、または細胞増殖に必要な１種以上の栄養素の不在下での培養によりＰＨＡの貯蔵を行なわせ得る。微生物は野生型であっても突然変異体であってもよく、あるいはまた必要な遺伝物質を導入されたものであってもよい。あるいは他の場合には、必要な遺伝物質を真核細胞に移入して微生物学的プロセスを実施することも可能である。微生物学的に産生されたＰＨＡは（Ｒ）−立体特異的である。
適当な微生物学的プロセスの例を次に示す。
ｍ＝３であるか、または一部ｍ＝３、一部ｍ＝４である式１物質の場合： ヨーロッパ特許出願公開第６９４９７号（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ ｅｕｔｒｏｐｈｕｓ）
ｍ＝３である式１物質の場合： 米国特許第４，１０１，５３３号（Ａ． ｅｕｔｒｏｐｈｕｓ）、ＥＰ−１−１４４０１７（Ａ． ｌａｔｕｓ）
ｍ＝７〜１３である式１物質の場合： ヨーロッパ特許出願公開第０３９２６８７号（様々なＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属種）
タイプＡの単位の、非晶質状態に有るＰＨＡとの相容性は、ＰＨＡの溶解度パラメーターに通常のパラフィン鎖界面活性剤の溶解度パラメーターより近似する溶解度パラメーターに対応すると考えられる。８０℃を越える温度において分散剤のタイプＡ以外の単位がかなりの非水溶性をもたらす場合も有る。そのような分散剤では、ポリマー水分子とポリエチレンオキシド鎖との相互浸透に起因して親水性基が上記のような挙動を示すと考えられるが、このような構造は更に高い温度では「消失（ｍｅｌｔ ｏｕｔ）」するとも考えられる。
ＰＨＡ粒子には、分散剤以外の界面活性剤などの物質から成る部分層を保有させることが可能である。液相は粒子に吸収されたもの以外にも界面活性剤を含有し得る。液相に水溶性モノマーまたはオリゴマー化合物、例えばグリコール及びポリオールなどのヒドロトロープ化合物を含有させてもよい。
本発明は、特に次のうちのいずれかによって分散系を製造する方法を提供する。
ａ）分散剤の溶液中の液状ＰＨＡに剪断応力を付与すること。
ｂ）ＰＨＡを低水溶性液体に溶解させ、得られた溶液を分散剤の水溶液中に乳濁させ、前記液体を除去すること。低水溶性液体が揮発性であるとその除去には特に都合が好く、なぜならその場合当該液体を蒸発または拡散によって除去できるからである。
ｃ）ＰＨＡを含有する微生物バイオマスを製造し、バイオマスを可溶化し、非ＰＨＡ物質を可溶化し、得られたＰＨＡ粒子に分散剤を適用すること。
上記いずれの方法においても、ＰＨＡを通常の界面活性剤の溶液中に分散させた分散液を分散剤で処理し、それによって前記界面活性剤を分散剤によって置き換えることが可能である。
分散系中のＰＨＡ粒子は平均で、好ましくは３０％ ｗ／ｗ未満、更に好ましくは２０％ ｗ／ｗ未満、特に１％ ｗ／ｗ未満しか結晶質でない。個々の粒子は最大限に結晶しているか、または結晶化度０％であると考えられる。即ち、結晶化度（％）は最大限に結晶した粒子の重量比率である。分散剤の有効性は、分散剤のタイプＡ単位と非晶質ＰＨＡとの粒子表面または深部での混合に起因し得ると考えられる。ＰＨＡ粒子と分散剤との接触は、好ましくは５℃より高い、例えば１０〜５０℃の温度で実現させる。
上記諸方法において、ＰＨＡ粒子の分散剤との接触時間は上述の結晶化レベルに左右される。即ち、特に方法（ｃ）では、粒子は脱水されていない未処理状態（ｎｅｖｅｒ−ｄｒｉｅｄｖｉｒｇｉｎ ｓｔａｔｅ）に有るべきである。
特定の分散剤中に、酸素連結炭化水素基を少なくとも１個有する単位が存在する場合が有る。酸素連結部はエステルまたはエーテルであり得る。エステルの例に、
（ａ）アクリル酸（「アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）」の意味は後段に定義）、マレイン酸、フマル酸及びイタコン酸のＣ₁〜₁₈アルコール及びフェノールとのエステル、
（ｂ）アリルアルコールまたは概念的ビニルアルコールのＣ₁〜₁₈カルボン酸とのエステル
が有る。エーテル基の例には、アリルアルコールまたは概念的ビニルアルコールのＣ₁〜₁₈アルコール及びフェノールとのエーテルが有る。上記アルコール及びカルボン酸は直鎖状、分枝鎖状または環状であり得るが、置換されている場合、使用比率においてポリマーに水溶性を付与する基は有しない。
上段に示したエステル化のためのアルコール及びカルボン酸並びにエーテル化のためのアルコールは好ましくはいずれも、２個以上で好ましくは９個以下の炭素原子を有する。
タイプＡの単位は外にも、例えばエチレン、プロピレン、スチレン、ハロゲン化ビニル、ハロゲン化ビニリデン、ビニルメチルエーテル、ビニルアセタール、炭酸ビニル、アクリルニトリルまたはメチルエステル（「アクリル」の意味は後段に定義）、及び共役オレフィンのうちの１種以上の残基であり得る。
本明細書中に用いた「アクリル」という語の意味は、一般式

〔式中Ｒ₁は水素、Ｃ₁〜₁₂アルキル（特にメチル）、シクロアルキル、アリール、ハロゲンまたはシアノであり、Ｒ₂はＣ₁〜₁₈炭化水素基である〕によって定義される。対応するニトリル単位が存在する場合、当該ニトリル単位のＲ₁には上記と類似の規定が適用される。
本発明はその第二の形態において、
（ａ） ＰＨＡの粒子及び非ＰＨＡ細胞物質（ＮＰＣＭ）を含有するバイオマスを製造するステップ、
（ｂ） ＮＰＣＭを可溶化するステップ、
（ｃ） ＰＨＡ粒子を本明細書中に規定した分散剤の水溶液中に懸濁させるステップ
によってＰＨＡラテックスを製造する方法を提供する。
ステップ（ｂ）は、例えば
（i） 熱衝撃、
（ii） ヒドロラーゼによる糖ペプチドの可溶化、
（iii） プロテアーゼによるタンパク質の可溶化、
（iv） 核酸の可溶化、
（v） タンパク質への界面活性剤の作用、
（vi） ハイポクロライトによる酸化、
（vii） 過酸化物による酸化
のうちの一つ以上を含む方法によって実施し得る。
場合によっては方法（i）及び（iii）、及び／または方法（ii）及び（iv）の後に行なう方法（vii）及び（v）が好ましい。
分散剤が必要な作業温度において十分水溶性であれば、当該分散剤を（v）において、可溶化のための界面活性剤として用い得る。そうでない場合は可溶化に通常の界面活性剤を用い、その後分散剤による置き換えまたは補充を行なうことが可能である。
本発明はその第三の形態において、溶媒処理または融解処理に適した乾燥ＰＨＡを製造する方法を提供し、この方法は
（ａ） 水中にＰＨＡ含有細胞のバイオマスを製造するステップ、
（ｂ） ５０％ ｗ／ｗのＮＰＣＭを、ＰＨＡラテックス製造方法のステップ（ｂ）に関して先に特定した方法のうちの一つ以上によって可溶化し、除去するステップ、
（ｃ） 得られた不純なＰＨＡの水性分散液を本明細書中に規定した分散剤によって安定化するステップ、
（ｄ） 前記分散液を、例えば少なくともＰＨＡ ２００ｇ／ｌまで濃縮するステップ、
（ｅ） 前記のように濃縮した分散液に対して、ＮＰＣＭ可溶化及び除去ステップを更に実施するステップ
を含む。
ステップ（ｄ）及び（ｅ）は、ＰＨＡのケークまたはペレットを分離し、これを再度分散させることにより実施し得る。
分散剤を含有する本発明の分散系は、濃縮したものであってもなくても、先に触れた本出願の同時係属出願中に述べられている紙及び板紙などの感水性物質の被覆などの用途に直接用いることができる。あるいは他の場合には、本発明の分散系を、場合によっては８０℃を越える温度での粒子凝集ステップを経て固体ＰＨＡに変換することも可能である。
実施例１
次のステップによって粗なＰＨＡラテックスを製造した。
１． 窒素源、ホスフェート源及び他の通常の栄養素並びに微量元素を含有する水性培地中のグルコース基質上でＡｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ ｅｕｔｒｏｐｈｕｓを、ホスフェートが尽きるまで増殖させるステップ。
２． ７６．６：２３．４（モル％）のＰＨＢＶの蓄積を、蓄積速度が低下するまでの追加のグルコースを添加し、かつプロピオン酸ナトリウム及び微量のホスフェートも添加することによって実現するステップ。
３． １５０℃での熱衝撃ステップ。
４． タンパク質分解酵素での処理によってＮＰＣＭを可溶化するステップ。
粗なラテックスを更に次のように処理した。
（ａ）１３４．３ｇ／ｋｇの固体（ＰＨＡ ９０％）及び３８．６ｇの溶解性物質を含有する粗なラテックスの試料を次のように調製した。
Ａ： 添加物無し。
Ｂ： ０．５％ ｗ／ｗの分散剤ＣＧ６添加。この分散剤は３２％ ｗ／ｗの活性物質を含有する、水／プロピレングリコール中のアクリルグラフトコポリマーから成る製剤で、約１１〜１２のＨＬＢ数を有し、Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ＰＬＣから商品名ＨＹＰＥＲＭＥＲ^▲Ｒ▼ ＣＧ６の下に入手可能である。
Ｃ、Ｄ、Ｅ： ０．９９％、３．０％及び４．９７％の分散剤ＣＧ６をそれぞれ添加。
（パーセンテージはＰＨＡに基づき計算）。
各試料を４３００ｒｐｍで３０分間遠心した。上清を捨て、ペレットを脱イオン水中に再懸濁させた。得られた懸濁液の粒径分布を測定した。次に、凝集しなかった試料を再び遠心し、かつ再懸濁させて、固体から分散剤が流失したかどうかを調べた。凝集しなかった試料の粒径分布を表１に示す。

分散剤の添加は、たとえ０．５％でも遠心ペレットの再分散性に著しい影響を及ぼした。凝集を完全に防止した最低用量は３％であった。２回目に遠心及び再懸濁を行なった時は３％ペレットも５％ペレットも凝集した。このことは、１回目の再懸濁時に溶解性物質が１０〜２０倍に稀釈され、その結果分散剤濃度が０．１５〜０．５％に低下したからであると説明できる。２回目の遠心後に得られた粒径は、元の物質に０．５％の分散剤を添加した場合に得られたものに類似する。このことは、遠心洗浄終了の度に分散剤を「補充（ｔｏｐｐｉｎｇ ｕｐ）」しなければならないこと、または再懸濁は適当な濃度が０．５％ ｗ／ｗである分散剤溶液中に実現するべきであることを示唆している。
（ｂ）３６８ｇ／ｋｇの固体を含有する初期粘度８〜１５ｍｐａｓの粗なラテックスの試料を、３％ ｗ／ｗの様々な界面活性剤及び分散剤を用いて調製し、Ｂｏｈｌｉｎ Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒシステムにおいて２５℃、剪断速度１４６０／秒で１時間までの間試験した。表２に示した時点で、各試料の粘度の甚だしい上昇が観察された。

通常の界面活性剤を存在させるとそのほとんどが不在時よりはるかに短時間での粘度上昇を惹起するが、分散剤は粘度を安定させることが明らかである。
（ｃ）粗なラテックスの試料を８０℃で１０時間、過酸化水素及び界面活性剤Ｓｙｎｐｅｒｏｎｉｃ Ａ２０^▲Ｒ▼（Ｃ₁₃アルキル２０モルエチレンオキシド； １９ｇ／ｌ）と共に温浸し、冷却した。試験試料を、４０％ ｗ／ｖのＮｙｃｏｄｅｎｚ^▲Ｒ▼と共に１５０００ｒｐｍで１５分間遠心することにより結晶化度について評価した。結晶質画分は観察されなかった。別の三つの試料をＮｙｃｏｄｅｎｚを用いずに遠心し、得られた固体ペレットを水中に再懸濁させるべく試みた。結果を表３に示す。

分散剤ＣＧ６をたとえ０．５％ ｗ／ｖでも存在させれば、遠心条件が厳しすぎないかぎり非晶質ラテックス粒子の再懸濁が可能となることは明らかである。表３中に示した第二の試験の条件と第三の試験の条件との中間の条件が、場合によってはより高いＣＧ６濃度（表１参照）下に最適であり得る。
実施例２
ＰＨＡラテックスを次のステップによって製造した。
１． 粉末状の結晶質ＰＨＶＢ（モル比７６．６：２３．４）をクロロホルムに溶解させて５％ ｗ／ｗ溶液を製造した。
２． 前記溶液をＳａｒｋｏｓｙｌ^▲Ｒ▼（ナトリウムＮ−ラウロイルサルコシネート）の水溶液（１％ ｗ／ｖ）中に乳濁させた。
３． 窒素流下での攪拌によりクロロホルムを除去して、平均直径０．５６μｍの非晶質固体粒子のラテックスを得た。このラテックスを固体含量６％ ｗ／ｖに濃縮し、過剰なＳａｒｋｏｓｙｌを透析濾過（ｄｉａ−ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）によって除去した。その後、ラテックスを蒸発によって固体含量４０％ ｗ／ｖに濃縮した。
試料２Ａ（ＣＧ６無添加）及び２Ｂ（ＰＨＶＢを５％ ｗ／ｖのＣＧ６で被覆）をＢｏｈｌｉｎ Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒシステムにおいて２１℃、３０００ｒｐｍで、剪断可能性について試験した。凝集までの時間は、
２Ａ： ５００秒
２Ｂ： ３６００秒より長時間
であった。
分散剤ＣＧ６が未処理ラテックスに有効であるのと同様に、乳化して用いるべく濃縮した（ｅｍｕｌｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ｒｏｕｔｅ）ラテックスに対しても有効であることは明らかである。

Claims (17)

1. 水及びポリヒドロキシアルカノエート粒子の分散に適した量の少なくとも１種の水溶性コポリマー分散剤中の前記粒子を含む組成物であって、前記分散剤が複数の反復単位を有し、それらの反復単位は少なくとも１個のポリヒドロキシアルカノエート相容性単位及び少なくとも１個の親水性単位を含み、ポリヒドロキシアルカノエート相容性単位は脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素またはポリオキシアルキレンであり、親水性単位はアニオン性、カチオン性または非イオン性である組成物。
2. ポリヒドロキシアルカノエートが式
   −Ｏ−Ｃ_mＨ_n−ＣＯ−
   〔式中ｍは１〜１３であり、ｎは２ｍまたは２ｍ−２である〕の反復単位から成ることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
3. ポリヒドロキシアルカノエートがポリヒドロキシ−ブチレート−コ−バレレートであることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
4. ポリヒドロキシアルカノエートが微生物から製造されることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
5. ポリヒドロキシアルカノエート相容性単位が酸素連結炭化水素基を含むことを特徴とする請求項１に記載の組成物。
6. 親水性基が非イオン性であることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
7. ポリヒドロキシアルカノエート相容性単位がポリプロピレンオキシドであることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
8. 分散剤がアクリルグラフトコポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の組成物。
9. 請求項１に記載の組成物を調製する方法であって、分散剤の溶液中の液状ポリヒドロキシアルカノエートに剪断応力を付与することを含む方法。
10. 請求項１に記載の組成物を調製する方法であって、ポリヒドロキシアルカノエートを低水溶性液体に溶解させて溶液を製造すること、
    前記溶液を分散剤の水性溶液中に乳濁させること、及び
    前記溶解操作に用いた液体を除去すること
    を含む方法。
11. 溶解操作に用いる液体が揮発性であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ポリヒドロキシアルカノエートラテックスを製造する方法であって、
    ポリヒドロキシアルカノエートの粒子及び非ポリヒドロキシアルカノエート細胞物質（ＮＰＣＭ）を含有するバイオマスを製造すること、
    ＮＰＣＭを可溶化すること、
    可溶化したＮＰＣＭを除去すること、及び
    ポリヒドロキシアルカノエート粒子を分散剤の水性溶液中に懸濁させて分散液を製造することを含み、前記分散剤は複数の反復単位を有し、それらの反復単位は少なくとも１個のポリヒドロキシアルカノエート相容性単位及び少なくとも１個の親水性単位を含み、ポリヒドロキシアルカノエート相容性単位は脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素またはポリオキシアルキレンであり、親水性単位はアニオン性、カチオン性または非イオン性である方法。
13. 前記分散液を少なくともポリヒドロキシアルカノエート２００ｇ／ｌまで濃縮すること、並びに前記可溶化及び除去操作を繰り返すことを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. ポリヒドロキシアルカノエート相容性単位が酸素連結炭化水素基を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 親水性基が非イオン性であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. ポリヒドロキシアルカノエート相容性単位がポリプロピレンオキシドであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 分散剤がアクリルグラフトコポリマーであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。