JP5878368B2 - アクリル酸およびその重合体の製造方法 - Google Patents
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本発明者らは、従来技術を検討したところ、発酵により得られたHPを含む水溶液またはスラリーから、HPの十分な精製をせずに前記方法を用いて脱水した場合、HPの水溶液中には、アミノ酸やビタミン類、ペプチド類等を含有する培地成分、微生物の窒素源として培地に添加している塩化アンモニウムや硫酸アンモニウム等のアンモニウム塩、バイオマス残渣、発酵副生成物、菌体由来のタンパク質や核酸等の不純物が含まれるため、脱水して得られたアクリル酸中にその不純物由来の化合物が含まれ、そのためアクリル酸の誘導体である吸水性樹脂などの親水性樹脂に不純物由来の化合物により着色や臭気などが生じる問題があることがわかった。
(1)バイオマス由来の3−ヒドロキシプロピオン酸、3−ヒドロキシプロピオン酸の塩、ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸およびポリ3−ヒドロキシプロピオン酸の塩から選ばれる化合物のうち少なくとも一種以上の化合物を含む組成物からアクリル酸を製造する方法であって、
(a)前記組成物に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量が、3−ヒドロキシプロピオン酸、3−ヒドロキシプロピオン酸の塩、ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸およびポリ3−ヒドロキシプロピオン酸の塩の総量に対して0.2質量%以下である組成物を準備する工程、および、
(b)前記工程(a)で得られた組成物を加熱してアクリル酸を得る工程、
を有することを特徴とするアクリル酸の製造方法。
(2)工程(b)において、触媒を用いることを特徴とする請求項1記載のアクリル酸の製造方法。
(3)工程(b)において、ガスを導入しながら行うことを特徴とする(1)または(2)に記載のアクリル酸の製造方法。
(4)ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸および/またはその塩を加水分解して3−ヒドロキシプロピオン酸および/またはその塩に転化する工程を有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のアクリル酸の製造方法。
(5)前記記載の加水分解を触媒の存在下で行うことを特徴とするアクリル酸の製造方法。
(6)工程(b)の後にさらに晶析によりアクリル酸を精製する工程を含むことを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のアクリル酸の製造方法。
(7)バイオマス由来の3−ヒドロキシプロピオン酸、3−ヒドロキシプロピオン酸の塩、ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸およびポリ3−ヒドロキシプロピオン酸の塩から選ばれる化合物のうち少なくとも一種以上の化合物を含む組成物から製造されたバイオマス由来のアクリル酸であって、アクリル酸中に窒素含有化合物を含み、窒素含有化合物中の窒素の総量として80ppm以下であることを特徴とするアクリル酸。
(8)(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法により得られる、(7)に記載のアクリル酸。
(9)(7)または(8)のいずれかに記載のアクリル酸を含む単量体成分を重合することを特徴とする親水性樹脂の製造方法。
(10)(9)に記載の方法により得られる親水性樹脂。
(11)前記(10)に記載の親水性樹脂が吸水性樹脂である吸水性樹脂の製造方法。
(12)(11)に記載の製造方法により得られる吸水性樹脂。
上記のような公知の方法を用いることで3−HPを得ることができるが、本特許記載の実施形態においてより好ましくは、上記記載の公知の3−HPの回収方法を繰り返して行ったり、公知の3−HPの回収方法を別々に組み合わせて実施することである。このような方法を行うことで、窒素含有化合物の混入を減らすことが可能となる。具体的には、発酵液中からのアミン系溶媒を用いた3−HPの抽出および熱水を用いた逆抽出により3−HP得た後に、再度、アミン系溶媒を用いて3−HPを抽出、熱水を用いた逆抽出により3−HPを得る方法や、発酵液中からアミン系溶媒を用いて3−HPを抽出し、さらに熱水を用いた逆抽出により3−HPを得た後に電気透析によって3−HPに化学変換させて精製する方法等が例示できる。
また上記の方法に加えて、蒸留、蒸発、晶析、抽出、膜分離といった方法を組み合わせても良い。このように、公知の方法を繰り返したり、異なる公知の方法を組み合わせて使用することで、窒素含有化合物の混入を減らすことが可能であるが、窒素含有化合物の混入を減らすことが可能であれば、公知の方法の繰り返しの回数や組み合わせの方法/種類については制限されない。
本発明において、発酵により得られるポリ3−ヒドロキシプロピオン酸を分離する実施形態は好ましい形態である。ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸は培養菌体内に蓄積されるため菌体を培地より分離回収することで、発酵液中に含まれる培地成分や乳酸、酢酸、プロピオン酸、ギ酸、酪酸、エタノール、アミノ酸類等の他の発酵産物とポリー3HPまたは3HPとの分離が容易となり、3HP溶液に含まれる窒素化合物の混入を低減することが可能である。特に、培地成分として多量に発酵液中に存在する分子中に窒素を含む含有化合物、例えばペプチド類、アンモニウム塩、アミノ酸類等、の除去効率が上がる点で好ましい。
菌体内からポリ3−ヒドロキシプロピオン酸を回収、精製し、窒素含有化合物の混入が少ないポリ3−ヒドロキシカルボン酸を得る方法としては、(1)溶媒抽出または菌体破砕により菌体内から粗ポリ3−ヒドロキシカルボン酸を取り出す工程(工程(1))、(2)粗ポリ3−ヒドロキシカルボン酸を精製する工程(工程(2))、の2つの工程を含む方法を挙げることができる。
上記のように菌体内からのポリ3−ヒドロキシプロピオン酸類を回収/精製する公知の方法を記載したが、菌体内からポリ3−ヒドロキシプロピオン酸を回収可能な方法であれば、上記記載以外の公知の回収方法で取得したポリ3−ヒドロキシカルボン酸であっても本特許では利用可能である。本特許では特に、工程(2)のポリ3−ヒドロキシカルボン酸を精製する工程や、工程(1)の前に前処理を行うことで得たポリ3−ヒドロキシカルボン酸を用いることが好ましい。ポリ3−ヒドロキシカルボン酸を精製する工程や工程(1)の前に前処理を行うことで、窒素含有化合物であるタンパク質、核酸、アミノ酸類の含量が少ないポリ3−ヒドロキシカルボン酸を得ることが可能となる。また、上記のような公知のポリ3−ヒドロキシカルボン酸の回収/精製方法を繰り返し実施したり、別々の精製方法を組み合わせて行うことにより、窒素含有化合物がより少ないポリ3−ヒドロキシカルボン酸を得ることが可能であり、このような方法で得たポリ3−ヒドロキシカルボン酸がより好ましい。
上記液相と原料組成物を接触させることで、効率よくアクリル酸を製造することができる。液相中に導入された3−ヒドロキシプロピオン酸の濃度は低下するので、3−ヒドロキシプロピオン酸のオリゴマー化等の副反応を抑制でき、アクリル酸収率を向上させることができる。また、液相からの速やかな熱の供給により、生成したアクリル酸や水が速やかに気化、液相より除去されることにより、平衡が移動し、3−ヒドロキシプロピオン酸、ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸またはそれらの塩の転化率を高めることもできる。
加水分解においては、触媒は用いても良いし、用いなくても良い。HP自身が酸触媒作用を示すため、別途触媒を添加しなくても反応は進行する。しかし、反応速度を速くしたいときには、触媒の使用は好適である。本発明の好ましい実施形態は、加水分解反応において触媒を用いる形態である。触媒はエステル結合を加水分解するものであれば特に限定はされず、塩酸、リン酸、硫酸、硝酸等の鉱酸類、p−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等のスルホン酸類、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等の有機酸類、ゼオライト、イオン交換樹脂等の固体酸類、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化カルシウム等の金属酸化物、スズ、チタン、鉛等の遷移金属を含む化合物、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物等が挙げられる。
このように、本発明で得られたアクリル酸の組成物を精製することにより高純度のアクリル酸を得ることができる。したがって、本発明の方法は高純度のアクリル酸の製造方法をも提供する。
晶析工程は、粗アクリル酸を晶析装置に供給して結晶化させることにより、精製アクリル酸を得る工程である。なお、結晶化の方法としては、従来公知の結晶化方法を採用すればよく、特に限定されるものではないが、結晶化は、例えば、連続式または回分式の晶析装置を用いて、1段または2段以上で実施することができる。得られたアクリル酸の結晶は、必要に応じて、さらに洗浄や発汗などの精製を行うことにより、さらに純度の高い精製アクリル酸を得ることができる。
具体的には、粗アクリル酸を液相として結晶器に導入し、液相中のアクリル酸を冷却面(管壁面)に凝固・生成させる。冷却面に生成した固相の質量が、結晶器に導入した粗アクリル酸に対して、好ましくは10〜90質量%、より好ましくは20〜80質量%になったら、直ちに、液相を結晶器から排出し、固相と液相とを分離する。液相の排出は、ポンプで汲み出す方式(動的結晶化)、結晶器から流出させる方式(静的結晶化)のいずれであってもよい。他方、固相は、結晶器から取り出した後、さらに純度を向上させるために、洗浄や発汗などの精製を行ってもよい。
必要となる結晶化段数は、どの程度の純度が要求されるかに依存するが、高純度のアクリル酸を得るために必要な段数は、精製段階(動的結晶化)が通常1〜6回、好ましくは2〜5回、より好ましくは2〜4回であり、ストリッピング段階(動的結晶化および/または静的結晶化)が通常0〜5回、好ましくは0〜3回である。通常、供給される粗アクリル酸より高い純度を有するアクリル酸が得られる段階は、すべて精製段階であり、それ以外の段階は、すべてストリッピング段階である。ストリッピング段階は、精製段階から残留母液に含まれるアクリル酸を回収するために実施される。なお、ストリッピング段階は、必ずしも設ける必要はなく、例えば、蒸留塔を用いて、晶析装置の残留母液から低沸点成分を分離する場合には、ストリッピング段階は省略してもよい。
本発明による親水性樹脂の製造方法は、上記のようなアクリル酸の製造方法により得られるアクリル酸を含む単量体成分を重合することを特徴とする。すなわち、本発明の製造方法により得られたアクリル酸は、吸水性樹脂または水溶性樹脂などの親水性樹脂の原料として用いることができる。
本発明の製造方法により得られるアクリル酸の一部は、ラインを介して、吸水性樹脂の製造プロセスに供給される。吸収性樹脂の製造プロセスにおいては、アクリル酸を中和工程,重合工程,乾燥工程に導入して、所望の処理を施すことにより、吸水性樹脂を製造する。各種物性の改善を目的として所望の処理を施してもよく、例えば、重合中または重合後に架橋工程を介在させてもよい。
乾燥工程を経て得られた吸水性樹脂は、そのまま用いてもよく、さらに所望の形状に造粒・粉砕、表面架橋をしてから用いてもよく、還元剤、香料、バインダーなど、従来公知の添加剤を添加するなど、用途に応じた後処理を施してから用いてもよい。
(3−ヒドロキシプロピオン酸(3HP)を含む組成物の取得)
Klebsiella pneumoniae ATCC25955株 のゲノムDNAをテンプテレ−トとしてジオールデヒドラターゼ遺伝子(DD遺伝子)およびジオールデヒドラターゼ再活性化因子(DDR遺伝子)を含む領域を、下記の2つのプライマーを用いてPCRで増幅し、増幅断片の末端を制限酵素NdeI、BglIIで切断し、電気泳動によって切断断片を回収した。なお、Klebsiella pneumoniaeのDD遺伝子およびDDR遺伝子はGenBank accession number :CP000647に記載されているDNA配列を参考としてプライマーを設計している。
フォワードプライマー:
5’−GCGCGCCATATGTTAATTCGCCTGACCGGCC−3’
リバースプライマー:
5’−GCGCGCAGATCTTCAGTTTCTCTCACTTAACG−3’
pACYCDuet−1プラスミド(タカラバイオ社)をテンプレートにして下記の2つのプライマーでベクター配列を増幅し、pACYCDuet−1プラスミドのT7プロモーターの後ろにNdeIサイトおよびBglIIサイトを持ったDNA断片を増幅した。
フォワードプライマー:
5’−GAAGGAGATATACATATGGCGCGC−3’
リバースプライマー:
5’−CCGATATCCAATTGAGATCTGCGCGC−3’
増幅断片を制限酵素BglIIとNdeIで切断し、電気泳動によって切断断片を分離して回収した。この2つのDNA断片をライゲーションし、大腸菌TOP10コンピテントセルに導入し、クロラムフェニコール含有プレートに広げて培養した。得られた形質転換体からプラスミドを抽出し、制限酵素NdeIで切断し、電気泳動によって切断断片のサイズを確認したところライゲーションに使用した元の2本のDNA断片のサイズの合計と同じサイズであることがわかった。構築した組換えプラスミドをDD−DDR/pACYCDuet−1と命名し、以降の実験に用いた。
5’−GGGGGGCCATATGTCAGTACCCGTTCAACATCCTATG−3’
リバースプライマー:
5’−CCCCAGATCTTTAAGACTGTAAATAAACCACCTGGGTC−3’
pUC18プラスミドをテンプレートにして下記の2つのプライマーでベクター配列を増幅し、pUC18プラスミドのlacプロモーターの後ろにNdeIサイトを持ち、lacZ遺伝子の終始コドンの位置にBamHIサイトを持ったDNA断片を増幅した。
フォワードプライマー:
5’−CCCCCCCATATGTGTTTCCTGTGTGAAATTGTTATCCGCTCACAATTCCACACAATATACGAGCC−3’
リバースプライマー:
5’−CCCCGGATCCTTAGTTAAGCCAGCCCCGACACCCGCCAACACC−3’
増幅断片を制限酵素BamHIとNdeIで切断し、電気泳動によって切断断片を分離して回収した。この2つのDNA断片をライゲーションし、大腸菌TOP10コンピテントセルに導入し、アンピシリン含有プレートに広げて培養した。得られた形質転換体からプラスミドを抽出し、制限酵素NdeIで切断し、電気泳動によって切断断片のサイズを確認したところライゲーションに使用した元の2本のDNA断片(の合計)と同じサイズの1本のバンドを確認することができた。構築した組換えプラスミドをaldA/pUC18と命名し、以降の実験で使用した。
E.coli(DD−DDR/pACYCDuet−1、aldA/pUC18)を、アンピシリン100ppm、クロラムフェニコール50ppm添加LB液体培地5mL(LB培地1Lあたりの組成:トリプトン10g、酵母エキス5g、NaCl10g)で37℃、16時間、振盪培養し、前培養液を得た。次に前培養液5mLを、アンピシリン100ppm、クロラムフェニコール50ppm添加YM液体培地1L(YM培地1Lあたりの組成:酵母エキス3g、麦芽エキス3g、Bacto−Peptone 5g、グリセリン20g)またはYPD液体培地1L(Bacto−tryptone 20g、酵母エキス10g、グリセリン150g)に植菌し、37℃、攪拌速度725rpm、通気量1L/min、で通気攪拌培養を行った。なお培養には、バイオット製ジャーファーメンター:BMJ−02NP2を使用し、培養中はアンモニア水を用いて培養液中のpHを7にコントロールした。培養8時間後に1M IPTG溶液を1mL、8mMアデノシルコバラミン溶液を1mL添加してさらに64時間培養を行った。得られた培養液を遠心分離にかけ、培養液上清を回収した。下記記載の分析方法で培養液上清中の生成物の確認を行ったところ、生成物である3−ヒドロキシプロピオン酸のピークを7.9分の位置に確認することができ、培養液中の3−ヒドロキシプロピオン酸の濃度は2質量%であった。なお、得られた培養液上清中に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量は、発酵にYM培地を用いた場合は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して0.64質量%、発酵にYPD培地を用いた場合は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して2.57質量%であった。
使用カラム:YMC−pACK FA
流量:1 mL/min
インジェクション量:10 mL
溶離液:メタノール/アセトニトリル/H2O=40/5/55(V/V/V)
内部標準:2−Hydroxy−2−methyl−n−butyric acid
検出:UV 400nm
培養上清100μLに内部標準液200μLを加えた。ヒドロキシカルボン酸ラベル化試薬(YMC社)の試薬A液200μL、試薬B液200μLを加え、よく混合した後、60℃、20分間処理した。ヒドロキシカルボン酸ラベル化試薬(YMC社)の試薬C液200μLを添加し、よく混合した。60℃、15分間処理後、室温まで冷えたら0.45mmフィルターに通し、LC分析サンプルとして供した。
カラム:ULBON HR−20M(信和化工社製)
検出器:FID
打ち込み量:0.2μL
オーブン温度:50℃(5分保持)→昇温(10℃/分)→230℃(7分保持)
上記で得られた菌体を除去した2質量%3−ヒドロキシプロピオン酸含有培養液30g、トリデシルアミン180g、ドデカノール20gを500mL三つ口フラスコに加え、これを油浴に沈め、真空ポンプに接続した。溶液を攪拌しながらフラスコを加熱した。溶液の温度が85℃に達した段階で真空ポンプのスイッチを入れた。反応の間、3−ヒドロキシプロピオン酸アンモニウムの分解によりアンモニアと水が放出され、これらは減圧下に低温トラップへと除去された。これと同時に3−ヒドロキシプロピオン酸アンモニウムの分解により生成した3−ヒドロキシプロピオン酸は、トリデシルアミンとドデカノールから形成された有機相中に抽出された。3−ヒドロキシプロピオン酸を含むトリデシルアミンとドデカノールから形成された有機相に、1/5容量の水を加えて混合、140℃まで加熱することで、3−ヒドロキシプロピオン酸を含む水溶液(3HP粗精製液)を得た。なお、得られた3HP粗精製液に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量は、発酵にYM培地を用いた場合は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して0.21質量%、発酵にYPD培地を用いた場合は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して0.27質量%であった。
上記で得られた3HP粗精製液を卓上電気透析装置EX3B((株)アストム)およびバイポーラ膜BP−1E((株)アストム)を用いた電解型電気透析に供し、3HP精製液を得た。なお、得られた3HP精製液の窒素含有化合物の総量は、発酵にYM培地を用いた場合は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して167ppm、発酵にYPD培地を用いた場合は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して785ppmであった。
原料組成物として、上記で得た3−ヒドロキシプロピオン酸(3HP)精製液をロータリーエバポレーターで濃縮し、12質量%水溶液に調整した。
内径10mmのステンレス管に、蒸発層としてステンレス製の1.5mmディクソンパッキンを充填し、電気炉内に設置し蒸発器とした。また内径10mmのステンレス管に、触媒としてゼオライト(ZSM−5型)を充填し、電気炉内に設置し反応器とした。蒸発器の出口と反応器の入口をステンレス管で連結し、周囲を電気ヒーターで加熱できるようにした。
蒸発器内の温度を275℃、反応器内の温度を300℃とし、原料組成物を毎時16.7gの速度で蒸発器の上部に供給した。同時に、毎時3Lの速度で窒素ガスを流した。4時間継続して反応を実施した。反応器の出口ガスを冷却捕集し、得られた反応液を分析した結果を表1に示す。
実施例1で得られた3−ヒドロキシプロピオン酸を含む培養液(菌体を除去したもの)をロータリーエバポレーターで濃縮し、3HP濃度12質量%になるように原料組成物を調整した。この原料組成物を用いて実施例1と同じ条件で反応を実施した。得られた反応液を分析した結果を表1に示す。
実施例1で得られた3HP粗精製液をロータリーエバポレーターで濃縮し、3HP濃度12質量%になるように原料組成物を調整した。この原料組成物を用いて実施例1と同じ条件で反応を実施した。得られた反応液を分析した結果を表1に示す。
(ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸(ポリ3HP)を含む組成物の取得)
Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium株のゲノムDNAをテンプレートとし、以下に示したpduP_F及びpduP_Rプライマーを用いて、Phusion DNA High Fidelity DNA Polymerases(Finnzyme社)によるPCR増幅を行い、propionaldehyde dehydrogenase(pduP)遺伝子断片を得た。また、pETDuet−1ベクター(Merck社)をテンプレートとし、以下に示したpET_F及びpET_Rプライマーを用いて、Phusion DNA High−Fidelity DNA Polymerases(Finnzyme社)によるPCR増幅を行い、pETベクター断片を得た。PCR増幅により得たpduP遺伝子断片及びpETベクター断片を用いて、In−Fusion Advantage PCR Cloning Kit(Takara社)によるクローニングを実施し、pduP/pETを構築した。なお、Salmonella enterica subsp. enterica serovar TyphimuriumのpduP遺伝子はGenBank accession number :AF026270に記載されているDNA配列を参考としてプライマーを設計している。
・pduP_F:AGAAGGAGATATACCATGAATACTTCTGAACTCGA
・pduP_R:AGCAGCCTAGGTTAATTAGCGAATAGAAAAGCCGT
・pET_F:TTAACCTAGGCTGCTGCCA
・pET_R:GGTATATCTCCTTCTTAAAG
Clostridium butyricum DSM2478株のゲノムDNAをテンプレートとし、以下に示したdhaB1B2_F及びdhaB1B2_Rプライマーを用いて、Phusion DNA High−Fidelity DNA Polymerases(Finnzyme社)によるPCR増幅を行い、Glycerol dehydratase(dhaB1B2)遺伝子断片を得た。次にpCDFDuet−1ベクター(Merck社)をテンプレートとし、以下に示したpCDF_F及びpCDF_Rプライマーを用いて、Phusion DNA High−Fidelity DNA Polymerases(Finnzyme社)によるPCR増幅を行い、pCDFベクター断片を得た。PCR増幅により得たdhaB1B2遺伝子断片及びpCDFベクター断片を用いて、In−Fusion Advantage PCR Cloning Kit(Takara社)によるクローニングを実施し、dhaB1B2/pCDFを構築した。なお、Clostridium butyricumのdhaB1B2遺伝子はGenBank accession number :DQ901407に記載されているDNA配列を参考としてプライマーを設計している。
・dhaB1B2_F:ATAAGGAGATATACCATGGAGTAAAAATGATAAG
・dhaB1B2_R:AGCAGCCTAGGTTAATTACTCAGCTCCAATTGTG
・pCDF_F:TTAACCTAGGCTGCTGCCAC
・pCEF_R:GGTATATCTCCTTATTAAAG
Ralstonia eutropha H16株のゲノムDNAをテンプレートとし、以下に示したphaC1_F及びphaC1_Rプライマーを用いて、Phusion DNA High−Fidelity DNA Polymerases(Finnzyme社)によるPCR増幅を行い、PHA synthase (phaC1)遺伝子断片を得た。次に、pCOLADuet−1ベクター(Merck社)をテンプレートとし、以下に示したpCOLA_F及びpCOLA_Rプライマーを用いて、Phusion DNA High−Fidelity DNA Polymerases(Finnzyme社)によるPCR増幅を行い、pCOLAベクター断片を得た。PCR増幅により得たphaC1遺伝子断片及びpCOLAベクター断片を用いて、In−Fusion Advantage PCR Cloning Kit(Takara社)によるクローニングを実施し、phaC1/pCOLAを構築した。なお、Ralstonia eutrophaのphaC1遺伝子はGenBank accession number :AM260479に記載されているDNA配列を参考としてプライマーを設計している。
・phaC1_F:ATAAGGAGATATACCATGGCGACCGGCAAAGG
・phaC1_R:AGCAGCCTAGGTTAATCATGCCTTGGCTTTGACGTATC
・pCOLA_F:TTAACCTAGGCTGCTGCCAC
・pCOLA_R:GGTATATCTCCTTATTAAAG
構築したpduP/pET、dhaB1B2/pCDF及びphaC1/pCOLAを、Escherichia coli BL21(DE3) competent cell(Merck社)のプロトコールに従って、ヒートショック法により導入し、E.coli(pduP/pET、dhaB1B2/pCDF、phaC1/pCOLA)を作出した。
E.coli(pduP/pET、dhaB1B2/pCDF、phaC1/pCOLA)をアンピシリン終濃度100ppm、ストレプトマイシン終濃度50ppm、カナマイシン終濃度30ppmとなるように各抗生物質を添加したLB培地に植菌し、37℃で振盪培養し、前培養液とした。
菌体ペレットを凍結乾燥処理した後に、クロロホルムを用いた溶媒抽出を行った。抽出液を遠心分離に供し、上澄み溶液を回収することで、不溶成分を除去した。遠心分離後の上澄み液をエバポレーターを用いて濃縮し、10倍容量の冷エタノール溶液を添加してポリ3−ヒドロキシプロピオン酸を析出させた。析出したポリ3−ヒドロキシプロピオン酸を濾過により回収し、乾燥させてポリ3−ヒドロキシプロピオン酸粉体を得た。
内容積500mLのオートクレーブに、上記で得られたポリ3−ヒドロキシプロピオン酸10g、水200g、加水分解触媒として濃硫酸2.0gを仕込み、気相部を窒素で置換後、150℃まで昇温した。そのまま24時間保持し、加水分解反応を行った。冷却後、反応液を抜き出し、液体クロマトグラフィーで分析したところ、3−ヒドロキシプロピオン酸の収率は75%であった。抜き出した反応液を、薄膜蒸発器を用いて濃縮および重質分カットを行い、脱水反応原料を調製した。得られた原料に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して325ppmであった。
原料組成物として、上記で得た3−ヒドロキシプロピオン酸(3HP)を12質量%水溶液に調整した。内径10mmのステンレス製反応管に、高さ5cmで固体触媒としてγ−アルミナを充填し、その上にステンレス製の1.5mmのディクソンパッキンを蒸発層として積層した。反応管を電気炉にて300℃に加熱し、上記原料を毎時8.3gの速度で反応管の上部に供給した。同時に、毎時1.5Lの速度で窒素ガスを流した。4時間継続して反応を実施した。反応管の下部から抜き出した反応ガスを、冷却捕集し反応液を得た。得られた反応液を液体クロマトグラフィーで分析したところ、3HPの転化率は99%、アクリル酸の収率は98モル%であった。反応液に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量はアクリル酸の質量に対して35ppmであった。反応液中にアクリルアミドは検出されなかった。
実施例2のポリ3HPの取得において、クロロホルムを用いた溶媒抽出で得られた上澄み溶液から、エバポレーターでクロロホルムを留去し、ポリ3HPを得た。このポリ3HPの加水分解を、実施例2と同様に行い、得られた反応液を薄膜蒸発器を用いて濃縮のみを実施して3−ヒドロキシプロピオン酸溶液を得た。この溶液に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して0.36質量%であった。この3HPを12質量%の水溶液に調整し、原料組成物とした。この水溶液を実施例2と同じように脱水反応を実施した。得られた反応液を分析したところ、3HPの転化率は93%、アクリル酸の収率は89モル%であった。反応液に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量としてアクリル酸の質量に対して152ppmが含まれていた。アクリル酸中のアクリルアミドは73ppmであった。
原料として、実施例2で得た3−ヒドロキシプロピオン酸(3HP)を16質量%水溶液に調整し、メトキノンを100質量ppmになるように添加した。温度計を備えた1Lのフラスコに、85%リン酸440gを仕込み、250℃まで昇温した。水を毎分5gの速度で、電気ヒーターを巻いた蒸発管に供給し、水を蒸発させ、蒸気を250℃まで昇温した後、フラスコ内のリン酸相(液相)に吹き込み、系が安定になるまで保持した。その後、上記原料を60℃に加熱し、毎分0.75gの速度で液相に滴下した。生成物は過熱水蒸気と共に、フラスコから気体で抜き出し、冷却器にて凝縮させた。3HP水溶液を85分間、連続的に供給した。得られた凝縮液とフラスコ内の液相を液体クロマトグラフィーで分析したところ、3HPの転化率は97%、アクリル酸の収率は93モル%であった。アクリル酸に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量はアクリル酸の質量に対して25ppm含まれていた。アクリル酸中のアクリルアミドは検出されなかった。
温度計および攪拌翼を備えた1Lのフラスコに、85%リン酸440gを仕込み、250℃まで昇温した。メトキノン100質量ppmを添加した、実施例2で得た3−ヒドロキシプロピオン酸(3HP)12質量%水溶液を60℃に加熱し、毎分0.84gの速度で液相に滴下した。生成物は、フラスコから気体で抜き出し、冷却器にて凝縮させた。3HP水溶液を6時間、連続的に供給した。得られた凝縮液とフラスコ内の液相を液体クロマトグラフィーで分析したところ、3HPの転化率は99%、アクリル酸の収率は98モル%であった。アクリル酸を分析した結果、アクリル酸に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量はアクリル酸の質量に対して32ppmが含まれていた。アクリル酸中のアクリルアミドは検出されなかった。
(ポリ3HPの加水分解)
内容積500mLのオートクレーブに、実施例2で得られたポリ3−ヒドロキシプロピオン酸5gとクロロホルム100gを入れ撹拌して均一とした。さらに水100g、加水分解触媒として強酸性イオン交換樹脂10gを仕込み、気相部を窒素で置換後、150℃まで昇温した。そのまま24時間保持し、加水分解反応を行った。冷却後、反応液を抜き出し、液体クロマトグラフィーで分析したところ、3−ヒドロキシプロピオン酸の収率は82%であった。抜き出した反応液を油水分離し、水相を薄膜蒸発器を用いて濃縮および重質分カットを行い、脱水反応原料を調製した。この原料に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量は3−ヒドロキシプロピオン酸の質量に対して273ppmであった。
温度計および攪拌翼を備えた1Lのフラスコに、テトラエチレングリコールジメチルエーテル320gを仕込み、250℃まで昇温した。そこにメトキノン100質量ppmを添加した、上記で得た3−ヒドロキシプロピオン酸(3HP)12質量%水溶液を60℃に加熱し、毎分0.99gの速度で液相に滴下した。生成物は、フラスコから気体で抜き出し、冷却器にて凝縮させた。3HP水溶液を7時間、連続的に供給した。得られた凝縮液とフラスコ内の液相を液体クロマトグラフィーで分析したところ、3HPの転化率は55%、アクリル酸の収率は51モル%であった。アクリル酸に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量はアクリル酸の質量に対して76ppmが含まれていた。アクリル酸中のアクリルアミドは検出されなかった。
(アクリル酸の晶析精製)
実施例1で得られたアクリル酸の水溶液を蒸留し、塔底より、アクリル酸86.5質量%を含む粗製アクリル酸を得た。この粗製アクリル酸を、母液として、室温(約15℃)〜−5.8℃の温度範囲まで冷却して結晶を析出させ、同温度で保持した後、吸引濾過により結晶を液体から分離する晶析操作を行った。分離した結晶を融解させてから、一部をサンプリングして分析し、残りを母液として室温(約15℃)〜4.8℃の温度範囲まで冷却して結晶を析出させ、同温度で保持した後、吸引濾過により結晶を液体から分離する晶析操作を行った。合計2回の晶析操作により、精製アクリル酸を得た。アクリル酸純度は99.9質量%以上であった。アクリル酸に含まれる窒素含有化合物中の窒素の総量はアクリル酸の質量に対して1ppmであった。アクリル酸中のアクリルアミドは検出されなかった。
(吸水性樹脂の製造)
実施例6で得られた精製アクリル酸に重合禁止剤を60質量ppm添加した。別途、鉄を0.2質量ppm含有する苛性ソーダから得られたNaOH水溶液に対して、上記の重合禁止剤添加アクリル酸を冷却下(液温35℃)で添加することにより、75モル%中和を行った。得られた、中和率75モル%、濃度35質量%のアクリル酸ナトリウム水溶液に、内部架橋剤としてポリエチレングリコールジアクリレート0.05モル%(アクリル酸ナトリウム水溶液に対する値)を溶解させることにより、単量体成分を得た。この単量体成分350gを容積1Lの円筒容器に入れ、2L/minの割合で窒素を吹き込んで、20分間脱気した。次いで、過硫酸ナトリウム0.12g/モル(単量体成分に対する値)およびL−アスコルビン酸0.005g/モル(単量体成分に対する値)の水溶液をスターラー攪拌下で添加して、重合を開始させた。重合開始後に攪拌を停止し、静置水溶液重合を行った。単量体成分の温度が約15分(重合ピーク時間)後にピーク重合温度108℃を示した後、30分間重合を進行させた。その後、重合物を円筒容器から取り出し、含水ゲル状架橋重合体を得た。得られた含水ゲル状架橋重合体は、45℃でミートチョッパー(孔径:8mm)により細分化した後、170℃の熱風乾燥機で、20分間加熱乾燥させた。さらに、乾燥重合体(固形分:約95%)をロールミルで粉砕し、JIS標準篩で粒径600〜300μmに分級することにより、ポリアクリル酸系吸水性樹脂(中和率:75%)を得た。
本発明によるアクリル酸の製造方法により得られたアクリル酸の重合性は、プロピレンを原料とするアクリル酸の製造方法により得られたアクリル酸の重合性と同等であり、得られた吸水性樹脂は、臭気がなく、物性も同等であった。
12 遠心分離器
13 溶媒タンク
14 塩分解槽
15 油水分離装置
16 水タンク
17 逆抽出槽
18 電解型電気透析器
19 脱水反応器
20 凝縮器
21 粗アクリル酸タンク
31 培養槽
32 遠心分離器
33 凍結乾燥機
34 抽出溶媒タンク
35 抽出槽
36 濾過器
37 エバポレーター
38 貧溶媒タンク
39 晶析槽
40 濾過器
41 水タンク
42 触媒タンク
43 加水分解槽
44 薄膜蒸発器
45 脱水反応器
46 凝縮器
47 粗アクリル酸タンク
Claims (10)
- バイオマス由来の3−ヒドロキシプロピオン酸、3−ヒドロキシプロピオン酸の塩、ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸およびポリ3−ヒドロキシプロピオン酸の塩から選ばれる化合物のうち少なくとも一種以上の化合物を含む原料組成物からアクリル酸を製造する方法であって、
(a)前記原料組成物に含まれるアミノ酸類、ビタミン類、アンモニウム塩、ペプチド類、タンパク質、核酸、リン脂質のいずれかである窒素含有化合物中の窒素の総量が、3−ヒドロキシプロピオン酸、3−ヒドロキシプロピオン酸の塩、ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸およびポリ3−ヒドロキシプロピオン酸の塩の総量に対して0.1質量%以下である原料組成物を、生物由来資源でかつ微生物が資化可能な炭素源を利用した発酵による調製及び不純物を除去するための精製を行って準備する工程、および、
(b)前記工程(a)で得られた原料組成物を加熱してアクリル酸を得る工程、
を有することを特徴とするアクリル酸の製造方法。 - 工程(b)において、触媒を用いることを特徴とする請求項1記載のアクリル酸の製造方法。
- 工程(b)において、ガスを導入しながら行うことを特徴とする請求項1または2に記載のアクリル酸の製造方法。
- 導入するガスが非凝縮性ガスの場合、20〜350℃のガスを導入し、導入するガスが凝縮性ガスの場合、反応圧力における沸点〜350℃のガスを導入することを特徴とする請求項3に記載のアクリル酸の製造方法。
- 導入するガスの流量が、原料組成物の流量に対して、0.1〜100重量倍であることを特徴とする請求項3又は4に記載のアクリル酸の製造方法。
- ポリ3−ヒドロキシプロピオン酸および/またはその塩を加水分解して3−ヒドロキシプロピオン酸および/またはその塩に転化する工程を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のアクリル酸の製造方法。
- 請求項6記載の加水分解を触媒の存在下で行うことを特徴とするアクリル酸の製造方法。
- 工程(b)の後にさらに晶析によりアクリル酸を精製する工程を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のアクリル酸の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のアクリル酸の製造方法によりアクリル酸を製造する第1工程と、
第1工程により製造されたアクリル酸を含む単量体成分を重合する第2工程とを含むことを特徴とする親水性樹脂の製造方法。 - 請求項9に記載の親水性樹脂が吸水性樹脂である吸水性樹脂の製造方法。
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