JP4777778B2 - バクテリア発酵液からポリ−β−ヒドロキシアルカノエート(PHAs)を直接分離、抽出及び精製する方法 - Google Patents

バクテリア発酵液からポリ−β−ヒドロキシアルカノエート(PHAs)を直接分離、抽出及び精製する方法 Download PDF

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Description

本発明は、バイオテクノロジーの後処理に関し、具体的に、バクテリア発酵産物の抽出及び分離に関し、さらに具体的に、細胞内のポリ−β−ヒドロキシアルカノエートの直接的抽出及び分離の方法に関する。
ポリ−β−ヒドロキシアルカノエート(Poly−β−Hydroxyalkanoates、略称はPHAsと言う)は、一種類の特定の微生物で特別な成長条件の下に細胞内に蓄えられて来た生物学上のポリエステルであり、PHAsの一般式は下記のように示される。
前記式中、n,mは1から4までの整数とし、通常の場合は1とし、即ち3−ヒドロキシアルカノエート(3−HAS)であり、R,Rは置換または非置換の飽和または不飽和の直鎖或いは分岐鎖のC1〜C12のアルキル基であり、X,Yは同時に0とはならず、X,Yの大きさは当該成分の共重合体中の含有量を決めるものである。通常、PHAsの重量平均分子量は100万から400万Daの間にある。
PHAsの物理的性質はポリプロピレンに類似しているが、通常石油化工樹脂(petrochemical resin)が備えない生分解性、生体適合性(biocompatibility)、圧電気性(piezoelectricity)、光学活性等の特性は、工業、農業、医学、衛生、食品、電子等の分野において広い応用の見通しがあるものである。
目下、国際的にはPHAsの大規模な工業化の生産はまだ実現されていないものであるが、その主な原因は、コストが石油化工樹脂より非常に高価であることによるものである。PHAsのコストは、主に原材料のコストと分離・精製のコストを含んでいる。原材料コストの高さは、菌種の生産効率及び採用される発酵プロセスによって決まり、一方、分離・精製のコストは採用されるプロセスによって決まるものである。現在の抽出プロセスは、先ず高速遠心機を使って細胞を発酵液から分離し、更に分離された湿菌体の中のPHAsを精製する。通常、採用される精製方法は有機溶剤抽出法、化学試薬法、界面活性剤+酵素法等である。これらの方法は、コストが高いという欠点か、あるいは汚染がひどいという欠点を有しており、工業化生産を実現することが難しいものである。公開番号CN1328160Aの中国特許出願には、短鎖長のポリヒドロキシアルカノエート(Short−chain−length polyhydroxyalkanoates,scl−PHAS)の細胞を含む発酵液の中から直接的にポリヒドロキシアルカノエートを抽出する、一回(一段階)で抽出、分離する方法を開示しているものである。しかし、当該方法は、大量の次亜塩素酸ナトリウムを使用しなければならないので、操作の環境を劣悪にし、汚染が酷くなり、排水処理のためにコストが上昇し、そして、抽出産物であるPHAsの分子量に対し、非常に大きな剪断減成(shear degradation)が発生し、製品の品質に影響を及ぼすものである。
中国特許CN119067Aには、一つのバクテリアの菌体の中から細菌胞内のポリ−β−ヒドロキシアルカノエートを分離し、精製する方法が開示されている。当該方法の抽出の過程の中においては、菌体を発酵液の中から分離させるために必要な、二つの段階を含む。しかし、バクテリアの菌体が非常に小さく(数μm)、発酵液は所定の粘度を有するものであるので、分離因数の6000以上に至る高速遠心機を使用してそれを発酵液の中から分離することが必要である。この方法は、大規模な工業化生産の中では、実現することが困難であり、或いは、投資額を大幅に増やすものであろう。この方法はまた、PHAs類材料の大規模な工業化生産のボトルネックとなる。当該方法は、価格の非常に高い蛋白酵素を用いて、分離させた生産物を更に処理する必要があるので、製品のコストがあがるものであることが予想される。
中国特許CN1171410Aに開示されている抽出方法は、前記特許CN1190674Aと同じで、やはり高速遠心機を使用する必要があると同時に、当該方法はまた、遠心後の分離された物質を凍結乾燥する必要があることを要求することが開示されているが、この二つの段階は、大規模な工業化の中では非常に実施することが困難なものである。年生産高が10万トンのPHAs材料の工場を例として挙げると、一日当たり、高速遠心処理の必要な発酵液が約3000〜4000トンで、凍結乾燥の処理量は約600〜800トンと言うことになるが、こうした大量の半製品は凍結乾燥が必要であり、このことは、その工業生産のコストが非常に高いということを意味する。得られた産物は、最終的に大量の有機溶剤で洗浄することが必要なので、これにより、操作環境の汚染と製品コストの上昇という結果をもたらすこととなる。
米国特許US4910145Aが開示している技術は、一種類の酵素と界面活性剤を使用して、PHAs類の材料を分離抽出する方法である。細菌の細胞壁と細胞膜の成分が非常に複雑なものであり、一種類の酵素によって完全に分解することはできないので、多種多様の複合酵素を用いなければならない。しかし、異なった酵素の場合、その酵素にとって一番好適な作用条件、例えばpHや、温度などが異なるものであるので、そのために、複合酵素を用いて処理する場合には、プロセスが非常に複雑で、そして、当該方法を採用する場合には先ず発酵液を80℃以上まで加熱しなければならないので、こうしたことは膨大な量のエネルギーを消費するであろうと同時に、酵素製剤の価格が高いので、当該方法の分離コストが高くなり、かつ、製品の純度は低いものになってしまう。
そこで、本発明の目的は、分離及び精製のコストを効果的に低減し、汚染を減らし、工業化生産に適合するPHAsの抽出方法を提供するものである。
本発明は、一つのバクテリア発酵液の中から細胞内のポリ−β−ヒドロキシアルカノエートを直接分離し、精製する方法を提供するものである。本発明の方法は、次の各段階を含む。
(1)物理的方法によって、発酵液に対し、細胞壁を破る前処理を行う段階である。
(2)前処理された発酵液のpH値をアルカリ性になるように調整する段階である。
(3)アニオン性界面活性剤を添加して、撹拌しながら反応させる段階である。
(4)反応液の中から凝集沈澱物を分離及び抽出する段階である。
(5)洗浄し、乾燥させる段階である。
前記(1)から(5)の段階において,物理的方法は機械破砕又は超音波破砕を含み、pH調整する段階と界面活性剤を添加する段階は互いに交換可能である。上述の機械粉砕はボールミリング或いは高圧均質化処理を含む。
前記段階(3)では、アニオン界面活性剤のほかに、凝集剤を添加してもよい。
本発明の方法のうち、細胞壁を破る処理に使用している機械粉砕としては、ボールミリングを使用することができる。
前処理後の発酵液のpHは8〜13に調整することができる。pH調整に用いるアルカリ性物質は、NaOH、NaCO、NaHCO等の固体もしくは水溶液、またはアンモニア水などであってもよいものである。
本発明に用いるアニオン性界面活性剤は、アルキレンスルホン酸塩(AOS)、脂肪族アルコール硫酸塩、脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテル硫酸塩(AES)、脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテル(AEO)、アルキルフェノールポリオキシエチレンエーテル等でもよく、その使用量は発酵液の量の0.5%〜20%(W/V)とすることができる。
本発明の方法のうち、添加される凝集剤としては、ポリアクリル酸ナトリム、変性澱粉、またはポリアミン等がある。凝集剤の使用量は発酵液の量の0.5%〜20%(W/V)とすることができる。
アニオン界面活性剤と凝集剤を添加した後、撹拌反応の温度は10℃〜70℃とし、反応の時間は5〜60分間とすることができる。
反応液の中から凝集沈澱物を分離・抽出する方法は、遠心分離、圧力濾過または真空吸引濾過等があるものである。
本発明は適用処理の対象が広く、種々のポリ−β−ヒドロキシアルカノエートのバクテリア及びその変異種並びに遺伝子工学バクテリアなどを含む発酵液の分離・精製に応用出来るものである。適応のバクテリア種属は、主にアルカリゲネス属(Alcaligenes)、シュードモナス属(Pseudomonas)、アゾトバクタ属(Azotobacter)、ロドスピリルム属(Rhodospirillum)、メチロトローフ属(Methylotrophs)とバシラス属(bacillus)等を含んでいる。
本発明の方法は、発酵液中の細胞の乾燥重量およびその中のPHAsの含有量に対する要求は高くないものである。本発明のプロセスは、簡単でコストが低く、抽出収率が高く、且つ、汚染を著しく低減することができるという利点を有している。従って、大規模な工業生産が実現出来るようになる。
次に、実施例を用いて本発明についてさらに詳細に説明する。ただし、これらの実施例は特許請求の範囲に対していかなる制限にもならないものである。本技術分野の当業者が本明細書に開示されている発明に対して行ったいかなる改変及び変更は、本件出願に添附されている特許請求の範囲内に含まれるべきものである。
(実施例1)
アルカリゲネス・エントロファス(Alcaligenes entrophus)突然変異種65−7の発酵液を1000ml取り、その中の細胞の乾燥重量が142g/l,PHBVの含有量が78.5%であった。ボールミル(530rpm回転数、0.1mmのスチールボールで)前処理を40分間行い、30%の水酸化ナトリウム溶液でpHを12までに調整し、ドデシル硫酸ナトリウムを13g加え、反応温度を32℃まで調整した。次いで、5分間撹拌しながら反応をさせ、濾紙を用いて真空吸引濾過をし、得られた凝集沈澱物を水で洗液が中性を呈するまで洗浄し、約70℃で一定重量まで加熱乾燥させた。得られた製品の純度は98.2%であり、重量平均分子量は5.2×10Daであり、抽出収率は85.2%であった。真空吸引濾過の廃水は、嫌気性および好気性処理後、そのCOD、BODはそれぞれ800mg/lと30mg/lになり、国家の放流規格(discharge standard)に達するようになる。
(実施例2)
アルカリゲネス・エントロファス(Alcaligenes entrophus)菌発酵液を100ml取り、その中の細胞の乾燥重量が147g/l、PHBVの含有量が75.2%であった。超音波(仕事率1500W)で細胞を破る処理(細胞破壁)をし、30%のNaOH溶液でpHを8まで調整し、ドデシル硫酸ナトリウムを0.5g、ポリアクリル酸ナトリウムを5g加え、反応温度を70℃まで調整した。次いで、30分間撹拌しながら反応をさせ、濾紙を用いて真空吸引濾過をし、得られた凝集沈澱物を水で洗浄し、洗液が中性を呈するまで洗浄した後、約70℃の乾燥器の中において、一定重量まで乾燥させた。得られた製品は純度が93.2%で、分子量が4.1×10Da、抽出収率が80.3%であった。
(実施例3)
アルカリゲネス・エントロファス菌発酵液を50ml取り、その中の細胞の乾燥重量が102g/l、PHB含有量は60%であった。ボールミル(560rpm、0.1mmのスチールボール)で細胞破壁の前処理を30分間行い、NH・HO溶液でpHを13までに調整し、ドデシル硫酸ナトリウムを10g、変性澱粉を10g加えて反応温度を10℃まで調整した。次いで、10分間撹拌しながら反応を行い、遠心機(分離因数(separation factor)は600)で分離させ、得られた凝集沈澱物を水で洗浄し、洗浄液が中性を呈するまで洗浄してから、約70℃の乾燥器の中におき、一定の重量まで乾燥させた。得られた製品は純度が98.2%で、分子量が4.4×10Daで抽出収率が87%であった。
(実施例4)
アルカリゲネス・エントロファス突然変異種65−7の発酵液を500ml取り、細胞の乾燥重量は135g/l、PHB含有量は75.5%であった。これを特製の容器に置き、60MPaまで昇圧し、10分間経過した後、圧力を急速に開放し、液体を収集してから、2回繰り返した。処理された後の発酵液を30%水酸化ナトリウム溶液によってpHを10までに調整し、ドデシルアルコール・ポリオキシエチレン・エーテル硫酸ナトリウム9gを加え、反応温度を38℃まで調整した。次いで、撹拌しながら反応を8分間行い、濾紙を用いて真空吸引濾過をし、得られた沈澱物を洗浄液が中性を呈するまで洗浄し、約70℃で一定の重量まで乾燥させた。得られた製品は純度が96.7%で、重量平均分子量が4.2×10Daで、抽出収率が81.5%であった。
(実施例5)
アルカリゲネス・エントロファス菌発酵液を100Lとり、その中の細胞の乾燥重量は154g/l、PHBV含有量は80.5%であった。これを超音波(仕事率が2800Wで連続で処理する)によって40分間細胞破壁の前処理をし、30%NaOH溶液によって、pHを11までに調整した。さらに、ドデシル硫酸ナトリウム10kgと、ポリアクリル酸ナトリウム0.5kgを加え、反応温度を50℃まで調整し、撹拌しながら反応を60分間行った。次いで、圧力濾過機によって、圧力濾過を行い、得られた沈澱物を水で洗浄し、pHが中性を呈するまで洗浄した後、約70℃の乾燥器内に置き、一定の重量まで乾燥させた。得られた製品は、純度が97%で、分子量が5.3×10Daで、抽出収率が84%であった。
(実施例6)
シュードモナス(Pseudomonas)菌の発酵液を100mlとり、その中の細胞の乾燥重量は86g/lであり、PHBV含有量は61.5%であった。これをボールミル(560rpm、0.1mmスチールボール)で前処理を50分間行い、30%水酸化ナトリウムによってpHを11まで調整した。さらに、ドデシル硫酸ナトリウム3gを加え、反応温度を24℃まで調整し、10分間撹拌しながら反応を行った。次いで、濾紙を用いて真空吸引濾過をし、得られた沈澱物を水で洗浄液が中性を呈するまで洗浄し、約70℃で一定の重量まで乾燥させた。得られた製品は、純度が94.2%で、重量平均分子量が3.2×10Daであり、抽出収率が71.2%であった。

Claims (9)

  1. 細菌発酵液の中から細胞内のポリ−β−ヒドロキシアルカノエートを分離及び精製する方法であって、
    (1)物理的方法によって、発酵液に対し、細胞壁を破る前処理を行う段階と;
    (2)前処理された発酵液のpH値をアルカリ性になるように調整する段階と;
    (3)アニオン性界面活性剤を添加して、撹拌しながら反応させる段階と;
    (4)反応液の中から凝集沈澱物を分離及び抽出する段階と;
    (5)洗浄し、乾燥させる段階と;
    を含み、
    前記物理的方法は、機械破砕又は超音波破砕を含み、
    前記機械破砕は、ボールミリング或いは高圧均質化処理を含み、
    pH調整する段階と界面活性剤を添加する段階は互いに交換可能であることを特徴とする方法。
  2. 前記段階(3)で、更に凝集剤を添加することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記機械粉砕は、ボールミリングであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  4. 前記前処理後の発酵液のpHを8〜13に調整することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  5. 前記pH調整に用いるアルカリ性物質は、NaOH、NaCO、NaHCOの固体もしくは水溶液、またはアンモニア水であることを特徴とする、請求項1または4に記載の方法。
  6. 前記アニオン性界面活性剤は、アルキレンスルホン酸塩、脂肪族アルコール硫酸塩、脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテル硫酸塩、脂肪族アルコールポリオキシエチレンエーテルまたはアルキルフェノールポリオキシエチレンエーテルであり、その添加量は、発酵液の量の0.5%〜20%(W/V)であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  7. 前記凝集剤は、ポリアクリル酸ナトリウム、変性澱粉またはポリアミンより選択され、その添加量は、発酵液の量の0.5%〜20%(W/V)であることを特徴とする、請求項に記載の方法。
  8. 前記撹拌反応の温度は、10℃〜70℃であり、反応時間は、5〜60分間であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  9. 前記反応液中の凝集沈澱物を分離及び抽出する方法は、遠心分離、圧力濾過または真空吸引濾過より選択されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
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