JP4427450B2 - 乳酸含有発酵生成物からバイオマスを凝集で分離 - Google Patents

Description

本発明は乳酸を発酵で製造する分野であり、より詳細には、ラクテートと乳酸が入っている発酵生成物からバイオマスを凝集で分離する方法に向けたものである。

乳酸、これの塩およびエステルは長年に渡って食品添加剤として用いられかついろいろな化学および薬剤用途で用いられている。乳酸はより最近になって現在のプラスチック材料の代わりとしての生分解性重合体の製造で用いられるばかりでなく生分解性が必要または望まれているいろいろな新しい用途、例えば医学移植片および徐放性薬剤などで用いられるようになってきた。従って、経済的に実行可能な改良乳酸工程の要求が更に増大している。本発明は、発酵による通常の乳酸製造工程の改良を提供するものである。

乳酸の製造は、一般に、微生物、例えば細菌、酵母菌および菌・カビなどによる発酵で行われる。発酵の基質は炭水化物に加えて適切な鉱物および蛋白質系栄養素で構成される。発酵後のバイオマスからラクテートと乳酸を含有する発酵生成物を分離する必要がある。前記乳酸含有発酵生成物は液状形態（即ち液体または溶液）である。そのバイオマスの分離は、一般に、濾過、遠心分離、凝集、凝固、浮遊またはこれらの組み合わせで行われる。これは例えば特許文献１に記述されており、それには、乳酸製造を発酵で連続的に行う方法が記述されている。バイオマスの分離は特に細菌を用いて発酵を実施した時には容易ではない。そのバイオマスの中に小さい固体状粒子が入っていることから濾過は本質的に不可能である。

特許文献２では、乳酸カルシウムもしくはマグネシウムが入っている発酵ブロス（ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｒｏｔｈ）のｐＨをアンモニアおよび二酸化炭素の添加で上昇させて乳酸アンモニウムを生じさせ、それによって炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムを沈澱させている。その炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムが細胞の材料を吸収して、それと一緒に前記材料の大部分が沈澱する。その後、フィルターまたは遠心分離を用いて固体を分離することが行われている。

有機酸含有系、より詳細にはアクリル酸アンモニウム含有系から生物学的材料を凝集させることが特許文献３に記述されている。そこではアニオン性粒状材料を添加することで凝集を起こさせている。

バイオマスを精密濾過で除去する方法が特許文献４に記述されている。
ＷＯ ０１／３８２８３ 米国特許第５，４５３，３６５号 ＷＯ ９８／５８０７２ 米国特許第５，７６６，４３９号

我々は、ラクテートと乳酸を含有する発酵ブロスからバイオマスを分離しようとする時に下記の凝集方法が非常に便利でありかつ適切であることを見いだした：
ａ）前記発酵ブロスにアルカリ化段階を受けさせ、
ｂ）１種以上の凝集剤を添加し、そして
ｃ）前記ラクテート／乳酸含有発酵ブロスからバイオマスフロック（ｂｉｏｍａｓｓ ｆｌｏｃｓ）を分離する。

本方法を用いると、細菌が基になった発酵ブロスでさえ適切に取り扱うことができる。

段階ａ）で前記発酵ブロスのｐＨを９以上、好適には１０以上にまで上昇させる。前記アルカリ化段階を発酵ブロスの温度を２５から１００℃、好適には５０から１００℃の範囲の温度に維持しながら実施し、温度を６０−８０℃にするのが最も好適である。そのようなｐＨ上昇は、アルカリ性化合物を固体としてか或は溶液または懸濁液の状態のいずれかで前記発酵ブロスに添加することで得ることができる。適切なアルカリ性化合物の例は、（水）酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、（水）酸化マグネシウム、アンモニウム化合物、例えば水酸化アンモニウム、第四級アンモニウムの水酸化物など、およびアミン、例えばモノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ポリエチレン−イミン（ＰＥＩ）、修飾を受けたＰＥＩなどである。（水）酸化カルシウムを用いると乳酸含有生成物の高い透明性が確保されることからそれの使用が好適である。

場合により、前記アルカリ化段階で得た混合物に熟成を２５−１００℃の範囲の温度で１０００時間以内、より好適には５０−１００℃で２５時間以内の時間に渡って受けさせる。この熟成段階を用いる場合、熟成時間を好適には８時間以上にする、と言うのは、そのような熟成時間にすると適切な凝集が確保されかつ前記乳酸含有発酵生成物に入っている金属およびシリカの濃度が低くなるからである。

しかしながら、そのような熟成段階を完全に省いてもアルカリ化の滞留時間を非常に短くすると極めて良好な結果が得られることを見いだした。このアルカリ化の滞留時間は、ｐＨを１０以上に上昇させた時からバイオマスフロックを分離する時の間の時間であると定義する。このアルカリ化の滞留時間を１秒から４時間の範囲にすると適切な凝集が確保され、ラクテートと乳酸を含有する最終的な発酵生成物に入っている多糖の量が非常に少なくなりかつラクテートと乳酸を含有する最終的な発酵生成物の透明性が非常に高くなることを見いだした。そのアルカリ化の滞留時間を１秒から１５分、より好適には１秒から６０秒の範囲に設定することで、より良好な結果を得た。これは、次に行う乳酸精製段階があまり厳格でなくなるか或はそれを省くことさえ可能であることから有利である。次に行う通常の精製段階は蒸留（短経路蒸留および真空蒸留を包含）、結晶化、電気透析、抽出、炭素処理、イオン交換およびこれらの組み合わせである。

アルカリ化の滞留時間が非常に短時間であることを確保する目的で、好適には、アルカリ化をインライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）で実施する。インラインアルカリ化を用いた時の滞留時間は１から６０秒、１から３０秒、特に１から１５秒の範囲にさえなり得る。その滞留時間が長くなって例えば１５分に及ぶ場合には、追加的槽を用いてもよい。

適切な凝集剤は本技術分野で公知であり、ここでは、さらなる説明は必要でないであろう。本発明に従う方法では、オルト燐酸および／または高分子凝集剤、例えばアニオン性ポリアクリル酸アミドおよびこれの共重合体などまたはアクリレートの使用が好適である。他の適切な高分子量凝集剤がＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ、Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第３版、１０巻、４８９−５２３頁に記述されている。通常は、オルト燐酸を前記発酵ブロスの総重量を基準にして約５０から５００ｐｐｍ用い、好適には約１００−３００ｐｐｍ用いる。前記高分子の量は１−２０００ｐｐｍ、好適には１０−５００ｐｐｍ、より好適には２０−２００ｐｐｍ、更により好適には３０−７０ｐｐｍの範囲であり得る。また、凝集剤の組み合わせを用いることも可能であり、オルト燐酸と高分子量凝集剤の組み合わせが好適である。この凝集剤を添加している間の発酵ブロスの温度を２５から１００℃、好適には５０−８０℃、より好適には６０−８０℃、最も好適には６０−７０℃の範囲に維持する。前記アルカリ化の滞留時間を適切に制御するには、その凝集剤をインラインで添加するのが好適である。いろいろな凝集剤を添加する順は重要ではなく、如何なる添加順も使用可能であるが、好適な添加順は下記である：（ｉ）アルカリ性材料、（ｉｉ）オルト燐酸、（ｉｉｉ）高分子量凝集材料。このような凝集剤を通常は溶液の状態で添加するが、その溶液の濃度を所望の粘度が得られるように適合させる。

段階ａ）およびｂ）の両方を好適には撹拌を伴わせて実施する。しかしながら、この撹拌は、前記バイオマスフロックが分解を起こすほど激しくあるべきではない。前記撹拌は固定式混合装置、ポンプなどで達成可能である。また、段階ａ）とｂ）を組み合わせることも可能である。

前記ラクテートと乳酸が入っている発酵ブロスからバイオマスフロックを分離する時、これは液体−固体分離方法、例えば濾過、例えば床フィルター、ドラムフィルター、回転式真空フィルター、ベルトフィルターなどを用いた濾過など、沈降、例えば固定式沈降用タンク、沈降用遠心分離器またはサイクロンなどを用いた沈降などのいずれかで分離を実施してもよい。そのような分離方法は本技術分野で公知であり、ここでさらなる説明を行う必要はないであろう。

分離後、場合により、前記バイオマス沈澱物に洗浄を１回以上受けさせかつ追加的凝集剤添加段階を１回以上受けさせた後にバイオマス沈澱物を分離することで、工程全体の乳酸収率を高めてもよい。その洗浄で取り出されるラクテートおよび乳酸の量が最大限である一方で前記バイオマス沈澱物の中に存在する多糖がバイオマスの中に保持される量が最大限であることが確保されるように前記洗浄段階の条件（せん断、温度）を注意深く選択する。

本発明を以下の実施例で更に説明するが、本実施例は限定として解釈されるべきでない。

バイオマス除去工程組み立てに図１に従うアルカリ化用槽（２）を含めかつオルト燐酸（３）と凝集剤（５）のインライン添加を用いた。このような組み立てでは、乳酸産生細菌を用いた細菌発酵を７０℃の温度で行うことで得た無糖発酵ブロス（１）をアルカリ化用槽（２）にポンプ輸送した。この槽の中の前記ブロスに２５％の水酸化カルシウム懸濁液を加えた。このブロスを６−７時間アルカリ性にした後、デカンター（７）の方向に移送［混合装置（４）および（６）を通して］しながらこれにインラインでオルト燐酸（ＯＰＡ）を１６０ｐｐｍおよび高分子量凝集剤であるアニオン性ポリアクリル酸アミドを６０ｐｐｍ混合した。前記デカンターの中で前記ブロスは乳酸含有発酵生成物（９）（本明細書では以降生成物１と呼ぶ）とバイオマスに容易に分離する。

バイオマス除去工程組み立てに図１に従うアルカリ化用槽を含めかつオルト燐酸と凝集剤のインライン添加を用いた。このような組み立てでは、乳酸産生細菌を用いた細菌発酵を７０℃の温度で行うことで得た無糖発酵ブロスをアルカリ化用槽にポンプ輸送した。この槽の中の前記ブロスに２５％の水酸化カルシウム懸濁液を加えた。このブロスを１時間アルカリ性にした後、デカンターの方向に移送しながらこれにインラインでオルト燐酸（ＯＰＡ）を１６０ｐｐｍおよび高分子量凝集剤であるアニオン性ポリアクリル酸アミドを６０ｐｐｍ混合した。前記デカンターの中で前記ブロスは乳酸含有発酵生成物（本明細書では以降生成物２と呼ぶ）とバイオマスに容易に分離する。

バイオマス除去工程組み立てに図１に従うアルカリ化用槽を含めかつオルト燐酸と凝集剤のインライン添加を用いた。このような組み立てでは、乳酸産生細菌を用いた細菌発酵を７０℃の温度で行うことで得た無糖発酵ブロスをアルカリ化用槽にポンプ輸送した。この槽の中の前記ブロスに２５％の水酸化カルシウム懸濁液を加えた。このブロスを１６時間アルカリ性にした後、デカンターの方向に移送しながらこれにインラインでオルト燐酸（ＯＰＡ）を１６０ｐｐｍおよび高分子量凝集剤であるアニオン性ポリアクリル酸アミドを６０ｐｐｍ混合した。前記デカンターの中で前記ブロスは乳酸含有発酵生成物（本明細書では以降生成物３と呼ぶ）とバイオマスに容易に分離する。

この実施例では、図２に従う組み立てを用いた。この場合、アルカリ化用槽を省いて、追加的固定式混合装置（１０）を装備する。２５％の水酸化カルシウム懸濁液（１１）をインラインで添加した。添加後、乳酸産生細菌を用いた細菌発酵で得た発酵ブロスを固定式混合装置（１０）で混合した。この固定式混合装置の直ぐ後でオルト燐酸を１６０ｐｐｍ加えそしてその流れを再び混合装置（４）で混合した。この混合したブロスに高分子量凝集剤であるアニオン性ポリアクリル酸アミドを溶液の状態で６０ｐｐｍ添加し、これをまた固定式混合装置（６）でインライン混合した。混合装置は全部Ｓｕｌｚｅｒ ＳＭＩ−Ｗ ＤＮ２５固定式混合装置である。アルカリ化の滞留時間は約１５秒であった。その流れは前記混合装置を通った後にデカンター（７）の中に入った。このデカンターの中でそれはラクテートと乳酸を含有する発酵生成物（１２）（本明細書では以降生成物４と呼ぶ）とバイオマス（８）に分離する。

生成物１、２、３および４の中の多糖含有量を比較した時、生成物２、３および４の多糖含有量は実施例１の生成物の多糖含有量の約５０％である。生成物１および３の金属（特にＦｅ）含有量の方が生成物２および４のそれよりも低かった。生成物は全部透明であったが、生成物４の透明度が非常に高かった。

本発明の方法に使用される装置の一例を示す。 本発明の方法に使用される装置の他の例を示す。

Claims (9)

1. 発酵ブロスに存在するラクテートと乳酸を含有する発酵生成物からバイオマスを分離する方法であって、
   ａ）前記発酵ブロスにアルカリ化段階を受けさせ、
   ｂ）１種以上の凝集剤を添加し、そして
   ｃ）前記ラクテート／乳酸含有発酵ブロスからバイオマスフロックを分離する、
   ことによる方法において、
   発酵ブロスのアルカリ化の滞留時間を１秒から１５分とし、当該アルカリ化の滞留時間は発酵ブロスのｐＨを９〜１４に上昇させたときとバイオマスフロックを分離するときの間であることを特徴とする
   方法。
2. 前記アルカリ化段階で前記発酵ブロスのｐＨを１０〜１４にまで上昇させる請求項１記載の方法。
3. 前記凝集剤がオルト燐酸である請求項１〜２のいずれか１項記載の方法。
4. 前記凝集剤が高分子量凝集剤である請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
5. 段階ａ）およびｂ）を撹拌を伴わせて実施する請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. 段階ａ）とｂ）を組み合わせる請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記アルカリ化段階をインラインで実施する請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
8. 段階ｂ）をインラインで実施する請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記バイオマスフロックに洗浄段階を１回以上および追加的アルカリ化および／または凝集剤添加段階を１回以上受けさせた後に前記バイオマスフロックを分離する請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。