JP5986213B2 - スクロース含有原料からの微生物コポリエステルの製造方法 - Google Patents
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Description
によって表される。他のPHAの生成は、しばしば前駆物質又は構造的に関連する基質を必要とする。天然の微生物種において代謝を介して生成されるヒドロキシアルカノエートモノマーは、PHA生合成における酵素の立体特異性のため、通常、R配置にある3−ヒドロキシアルカノエート(3HA)である。
を有するコポリエステル、ポリ(3−ヒドロキシブチレート−コ−3−ヒドロキシバリレート)、を生成することによって向上され得る。PHBと比較して、PHBVコポリエステル(HB:HV=90:10)は、より低い結晶度(60%)、より低い融点(140℃)、より低い弾性率(0.8GPa)、より低い引張強さ(20MPa)を有するが、より高い破断点伸び(50%)を有する。しかしながら、3HVモノマーは、P3HBの結晶格子に導入され得、これはエチル基の機能を減じるアイソジモーフィズム(isodimorphism)と呼ばれる現象である(例えば、P.J. Barham, P. Barker, S.J. Organによる論文FEMS Microbiol. Lett. 103: 289-298 (1992)参照)。
を有するコポリエステル、P3HB4HB(3HB:4HB=84:16)は、45%の結晶度、26MPaの引張強さ、及び400%の破断点伸びを有する(Z. Zhu, P. Dakwa, P. Tapadia, R.W. Whitehouse, S.Q. Wangによる論文Macromolecules 36: 4891-4897. (2003)参照)。長いモノマーは、コ−ポリエステルの延性の向上において非常に効果的なようである。しかしながら、4HBの高い含有量は、低い引張強さ及び遅い結晶化を招く。
を有するターポリエステル(ter-polyester)、ポリ(3−ヒドロキシブチレート−コ−3−ヒドロキシバリレート−コ−4−ヒドロキシバリレート)(3HB:3HV:4HV=0.8:69.2:30)は、細菌シュードモナス・プチダGPp1O4(P.putida GPp1O4)を用いることにより、4−ケト吉草酸から合成された。前記ターポリエステルは、溶融体から非常にゆっくりと凝固し、このことはバイオプラスチックの熱加工及び成形加工に対する大きな挑戦を引き起こし得る(V. Gorenflo, G. Schmack, R. Vogel及びA. Steinbuchelによる論文Biomacromolecules, 2: 45-57 (2001)参照)。
(i)酸性溶液中でスクロース含有原料を前処理する工程、
(ii)前記前処理された原料を、ポリヒドロキシアルカノエート生成微生物細胞を含む生物反応器に供給する工程、
(iii)前記ポリヒドロキシアルカノエート生成微生物細胞を培養し、ヒドロキシアルカノエートコポリマーを含む細胞塊を形成する工程、
(iv)前記細胞塊から前記ヒドロキシアルカノエートコポリマーを回収する工程、
を含む方法に関する。
69質量%の総固体及び65質量%のスクロースを含む濃縮甜菜ジュースを、0.56mmol H+/g固体に相当する量でHCl溶液(30質量%)を用いて酸性化した。前処理された甜菜ジュースを、水を用いて更に希釈し、20質量%の総固体濃度を得た。
第一の加水分解物溶液(溶液A)を、120℃、4時間のサトウキビ糖蜜溶液(20質量%スクロース、pH2.6)の熱加水分解によって調製した。主な加水分解産物は、グルコース及びフルクトースであり、無視できる量の酢酸、HMF及び4−ケト吉草酸を含んだ。第二の加水分解物溶液(溶液B)を、170℃、5時間の熱加水分解によって甜菜溶液から得た(実施例1、図1参照)。主な加水分解産物は、グルコース(91g/L)及び4−ケト吉草酸(32g/L)であった。少量の産物は、蟻酸(14g/L)、HMF(6g/L)、酢酸(1g/L)を含んだ。溶液B中にフルクトースは検出されなかった。
実施例2に従って得られる純粋なP3HB及びP3HB3HV4HV(3HB:3HV:4HV=88.4:11:0.6)を、凍結乾燥させた細胞塊から熱いクロロホルム中に抽出した。白い沈殿が形成されるまでメタノールを徐々に加えることにより(75%メタノール及び25%クロロホルム)、溶解したポリマーをクロロホルムから沈殿させた。ポリマーをろ過し、後の使用のため空気中及び更にオーブン中で乾燥した。
精製されたP3HB及びP3HB3HV4HVを、それぞれ180℃又は160℃で、周囲条件で約10分間溶解し、その後、すぐに減衰全反射(ATR)を備えるフーリエ変換赤外分光(FTIR)のウィンドウに置いた。溶融ポリマーを冷却すると、IR吸収が継続的にモニターされ、バイオポリエステルの結晶化が測定された。バイオポリマーの結晶度を1184cm−1の波数で測定し、冷却時間に対してプロットした。結果を図7に報告する。P3HBは、PHBVVよりも、高い結晶度及び速い結晶化速度を有した。
精製されたPHAを熱いクロロホルム中に溶解することにより、PHB及びPHBVVのフィルムを調製した。室温に冷却した後、溶液を清潔なガラス表面上に流延して薄いフィルム(約0.3mm)にした。フィルムを空気中で5、15及び25日間熟成させた(age)。フィルムを3〜4mm2のおおよその断面積及び25mmの初期長を有する薄い細片(10mm)に切断した。細片を引張試験装置内に置き、破損まで負荷をかけて破断させた。機械的性質を表1に報告する。
本発明の好ましい態様は、下記の通りである。
〔1〕ヒドロキシアルカノエートコポリマーの製造方法であって、以下の工程、
(i)酸性溶液中でスクロース含有原料を前処理する工程、
(ii)前記前処理された原料を、ポリヒドロキシアルカノエート生成微生物細胞を含む生物反応器に供給する工程、
(iii)前記ポリヒドロキシアルカノエート生成微生物細胞を培養し、ヒドロキシアルカノエートコポリマーを含む細胞塊を形成する工程、
(iv)前記細胞塊から前記ヒドロキシアルカノエートコポリマーを回収する工程、
を含む、方法。
〔2〕酸性媒体における前記前処理工程が、(i−a)前記スクロース含有原料を酸性化して1.0〜4.0、好ましくは2.0〜3.0のpH値にする工程、及び(i−b)前記酸性化されたスクロース含有原料を70℃〜250℃、好ましくは100℃〜200℃の温度で加熱する工程、によって実施される、前記〔1〕に記載の方法。
〔3〕前記スクロース含有原料が、果汁、サトウキビ糖蜜、甜菜パルプ、甜菜糖蜜等のような有機植物粗原料の処理から得られる、前記〔1〕又は〔2〕に記載の方法。
〔4〕前記前処理工程において、前記原料が、酸性物質、好ましくはブレンステッド酸を加えることにより酸性化される、前記〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の方法。
〔5〕前記ブレンステッド酸が、塩酸、硫酸、リン酸、及びそれらの混合物から選択される、前記〔4〕に記載の方法。
〔6〕前記酸性物質が、0.1〜3.0mmol H + /g、好ましくは0.3〜1.5mmol H + /gのH + /固体比で原料に加えられる、前記〔4〕に記載の方法。
〔7〕前記出発原料が、5質量%〜30質量%、好ましくは10〜20質量%の固体濃度が得られるように前もって希釈される、前記〔1〕〜〔6〕のいずれか1項に記載の方法。
〔8〕前記前処理工程が、15分〜12時間、好ましくは30分〜6時間の時間で実施される、前記〔1〕〜〔7〕のいずれか1項に記載の方法。
〔9〕前記前処理された原料が、前記生物反応器への供給工程の前に、周囲温度まで冷却され、次に、前記生物反応器に直接導入される、前記〔1〕〜〔8〕のいずれか1項に記載の方法。
〔10〕細胞増殖、ポリマー生合成及びコポリマー組成を制御するために、前記前処理された原料が、前もって決められた供給手順に従って前記生物反応器に供給される、前記〔1〕〜〔9〕のいずれか1項に記載の方法。
〔11〕二つの異なる前処理された原料が前記生物反応器に供給され、第一の前処理された原料がグルコース及びフルクトースを含み、実質的に4−ケト吉草酸を含まず、第二の前処理された原料がグルコース及び4−ケト吉草酸を含み、実質的にフルクトースを含まない、前記〔1〕〜〔10〕のいずれか1項に記載の方法。
〔12〕前記培養工程が、発酵に適したpH及び温度条件で実施される、前記〔1〕〜〔11〕のいずれか1項に記載の方法。
〔13〕前記培養工程が25℃〜45℃、好ましくは30℃〜35℃の温度で実施される、前記〔12〕に記載の方法。
〔14〕前記培養工程が、6.0〜7.5、好ましくは6.5〜7.0のpH値で実施される、前記〔12〕に記載の方法。
〔15〕前記培養工程の間にpH値を調整するために、塩基性物質、好ましくはアンモニア水溶液が前記生物反応器に供給される、前記〔14〕に記載の方法。
Claims (14)
- ヒドロキシアルカノエートコポリマーの製造方法であって、以下の工程、
(i)酸性溶液中でスクロース含有原料を前処理する工程、
(ii)前記前処理された原料を、ポリヒドロキシアルカノエート生成微生物細胞を含む生物反応器に供給する工程、
(iii)前記ポリヒドロキシアルカノエート生成微生物細胞を培養し、ヒドロキシアルカノエートコポリマーを含む細胞塊を形成する工程、
(iv)前記細胞塊から前記ヒドロキシアルカノエートコポリマーを回収する工程、
を含み、二つの異なる前処理された原料が前記生物反応器に供給され、第一の前処理された原料がグルコース及びフルクトースを含み、実質的に4−ケト吉草酸を含まず、第二の前処理された原料がグルコース及び4−ケト吉草酸を含み、実質的にフルクトースを含まない、方法。 - 酸性媒体における前記前処理工程が、(i−a)前記スクロース含有原料を酸性化して1.0〜4.0のpH値にする工程、及び(i−b)前記酸性化されたスクロース含有原料を70℃〜250℃の温度で加熱する工程、によって実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記スクロース含有原料が、有機植物粗原料の処理から得られる、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記前処理工程において、前記原料が、酸性物質を加えることにより酸性化される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記酸性物質が、塩酸、硫酸、リン酸、及びそれらの混合物から選択されるブレンステッド酸である、請求項4に記載の方法。
- 前記酸性物質が、0.1〜3.0mmol H+/gのH+/固体比で原料に加えられる、請求項4に記載の方法。
- 前記出発原料が、5質量%〜30質量%の固体濃度が得られるように前もって希釈される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記前処理工程が、15分〜12時間の時間で実施される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記前処理された原料が、前記生物反応器への供給工程の前に、周囲温度まで冷却され、次に、前記生物反応器に直接導入される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 細胞増殖、ポリマー生合成及びコポリマー組成を制御するために、前記前処理された原料が、前もって決められた供給手順に従って前記生物反応器に供給される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記培養工程が、発酵に適したpH及び温度条件で実施される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記培養工程が25℃〜45℃の温度で実施される、請求項11に記載の方法。
- 前記培養工程が、6.0〜7.5のpH値で実施される、請求項11に記載の方法。
- 前記培養工程の間にpH値を調整するために、塩基性物質が前記生物反応器に供給される、請求項13に記載の方法。
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