JP6692232B2 - 3HB manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、3ヒドロキシ酪酸(3HB)の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing 3-hydroxybutyric acid (3HB).

3ヒドロキシ酪酸やその塩(以下3HBと称する、また、3HBと称する場合、特にその単量体を指すものとする)は、もともと人の体内に存在する物質であるため生体親和性が高く、糖質に代わる画期的なエネルギー源として期待されている。また、3HBは単なるエネルギー源という役割だけでなく、様々な遺伝子の発現やタンパク質の活性に影響するシグナル伝達物質としての作用があることがわかってきた。3HBは、例えば、遺伝子発現調節作用によって、ヒストン脱アセチル化酵素を阻害することによって認知機能や、長期持続記憶を改善することが知られ、アルツハイマーの予防に有効性が確認されている。例えば、ココナツオイルに多く含まれる中鎖脂肪酸の摂取および体内での代謝により生成される3HBが、脳や体内において糖質をうまく利用できないアルツハイマー病、糖尿病の患者の症状を改善させる効果を持つことが知られている。また、3HBは体内において糖質よりも速やかにエネルギーに変換されること、細胞への脂肪や糖の吸収を抑制する効果を有することから、アスリート向けのエネルギー物質、ダイエット・健康食品分野への応用が期待できる。   3-Hydroxybutyric acid and its salts (hereinafter referred to as 3HB, and when referred to as 3HB, especially refer to its monomer) have a high biocompatibility because they are substances originally present in the human body, and sugar It is expected as an epoch-making energy source to replace quality. Further, it has been found that 3HB has not only a role as a simple energy source but also a function as a signal transduction substance that affects the expression of various genes and the activity of proteins. 3HB is known to improve cognitive function and long-term persistent memory by inhibiting histone deacetylase by, for example, a gene expression regulatory action, and its effectiveness in the prevention of Alzheimer has been confirmed. For example, 3HB produced by ingestion of medium-chain fatty acid contained in coconut oil and metabolism in the body has an effect of improving symptoms in patients with Alzheimer's disease and diabetes who cannot utilize sugar efficiently in the brain and body. It has been known. In addition, 3HB is converted into energy faster than carbohydrates in the body, and has the effect of suppressing the absorption of fats and sugars into cells. Can be expected.

また、これらの用途のほか、3HBは生分解性樹脂の原料として用いられることが知られており、工業的用途においても利用価値が高まりつつある物質である。   In addition to these uses, 3HB is known to be used as a raw material for biodegradable resins, and its utility value is increasing in industrial use.

このような3HBは、各種微生物にポリ3ヒドロキシ酪酸(以下PHBと称する)を生産させたのち、得られたPHBを酵素等により分解することにより得ることができる(特許文献1)。また、このような微生物としてハロモナス菌が、好気条件でPHBを蓄積し、嫌気条件に移行することでPHBを分解して生成した3HBを培養液中に分泌産生することが見出されている(特許文献2)。   Such 3HB can be obtained by causing various microorganisms to produce poly-3-hydroxybutyric acid (hereinafter referred to as PHB) and then degrading the obtained PHB with an enzyme or the like (Patent Document 1). Further, it has been found that Halomonas bacterium as such a microorganism accumulates PHB under aerobic conditions and secretes and produces 3HB produced by decomposing PHB by shifting to anaerobic conditions in the culture medium. (Patent Document 2).

特表2005−521718号公報Japanese Patent Publication No. 2005-521718

Yutaka Tokiwa et al. J Biotechnol. (2007) 132, 264-72.Yutaka Tokiwa et al. J Biotechnol. (2007) 132, 264-72.

生物発酵由来の3HBや、PHBは、培養液中から純品として回収することが難しく、種々の不純物を含む形態で回収されるのが実情である。このように回収された3HBを応用利用する際には、さらに精製して純度を高める必要がある。しかし、実際には、純度の低い3HB(たとえば現在流通している生物発酵由来の3HBは純度70%程度である)がそのまま用いられており、純度の高い3HBは、いまだ安定供給されていない。   It is difficult to recover 3HB or PHB derived from biological fermentation as a pure product from the culture solution, and in reality, it is recovered in a form containing various impurities. When the 3HB thus recovered is used for application, it is necessary to further purify it to increase its purity. However, in reality, 3HB having low purity (for example, 3HB derived from biological fermentation currently in circulation has a purity of about 70%) is used as it is, and 3HB having high purity is not yet stably supplied.

このような純度の高い3HBを安定供給するために、生物発酵由来で3HBを含有する培養液を用いた効率的な3HBの製造方法が求められている。   In order to stably supply such highly pure 3HB, an efficient method for producing 3HB using a culture solution containing 3HB derived from biological fermentation is required.

そこで、本発明は上記実状に鑑み、生物発酵由来で3HBを含有する培養液から効率よく純度の高い3HBを精製回収することができる3HBの製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above situation, it is an object of the present invention to provide a method for producing 3HB that can efficiently purify and recover highly pure 3HB from a culture solution containing biologically-derived 3HB.

上記目的を達成するための本発明の3HBの製造方法の特徴構成は、
3ヒドロキシ酪酸(3HB)生産菌から3HBを発酵生成した発酵液を得る発酵工程と、
前記発酵工程にて得られた発酵液から、水分を留去する予備濃縮工程と、
有機溶媒により、前記発酵液から3HBを含有する3HB含有溶液を抽出する抽出工程と、
前記抽出工程により抽出された3HB含有溶液から、前記有機溶媒を留去して3HB濃縮液を得る濃縮工程と、
前記濃縮工程で得られた3HB濃縮液に、酢酸エチル、ジエチルエーテル及びt−ブチルメチルエーテルから選ばれる少なくとも一種を主成分とする晶析溶媒を加え、3HBの溶解した晶析溶媒から3HB結晶を析出させる晶析工程と、
を行う点にある。
The characteristic configuration of the method for producing 3HB of the present invention for achieving the above object is as follows.
A fermentation step of obtaining a fermented liquid in which 3HB is fermented and produced from a 3-hydroxybutyric acid (3HB) -producing bacterium;
From the fermentation liquor obtained in the fermentation step, a preliminary concentration step of distilling water off,
An extraction step of extracting a 3HB-containing solution containing 3HB from the fermentation liquid with an organic solvent,
A concentration step of distilling the organic solvent from the 3HB-containing solution extracted in the extraction step to obtain a 3HB concentrated solution;
A crystallization solvent containing at least one selected from ethyl acetate, diethyl ether, and t-butyl methyl ether as a main component was added to the 3HB concentrated liquid obtained in the concentration step, and 3HB crystals were obtained from the crystallization solvent in which 3HB was dissolved. A crystallization step for precipitation,
There is a point to do.

上記発酵工程により得た3HBは、光学純度がきわめて高い(100%に近い)ものであると考えられる。これを有機溶媒で抽出する抽出工程を行うと、発酵液から光学純度の高い3HB含有溶液を得ることができる。   It is considered that 3HB obtained by the fermentation process has an extremely high optical purity (close to 100%). By performing an extraction step of extracting this with an organic solvent, a 3HB-containing solution having high optical purity can be obtained from the fermentation broth.

ここで、発酵液から3HBを分離回収させるために、水分を留去する予備濃縮工程を経て有機溶媒による抽出を行う抽出工程を行うと、少量の有機溶媒で効率よく3HBを有機溶媒の層に移行させることができる。その有機溶媒を留去して濃縮工程により濃縮すると、3HBを高濃度に含有する3HB濃縮液が得られ、この3HB濃縮液を用いて晶析工程を行うことできわめて効率よく3HBを結晶化することができ、純度の高い3HBを得ることができる。   Here, in order to separate and recover 3HB from the fermentation broth, an extraction step of performing extraction with an organic solvent through a preconcentration step of distilling off water is performed, and 3HB is efficiently converted into a layer of the organic solvent with a small amount of the organic solvent. Can be transferred. By distilling off the organic solvent and concentrating in the concentration step, a 3HB concentrated solution containing 3HB at a high concentration is obtained. By performing a crystallization step using this 3HB concentrated solution, 3HB is crystallized very efficiently. It is possible to obtain highly pure 3HB.

このようにして、3HBを析出させる晶析工程を行うと、発酵液から抽出しただけの3HB含有溶液から3HBを再結晶させて、より純度の高い3HBを得ることができる。具体的には、濃縮工程の後、晶析工程を行うことで、3HBの再結晶操作を行い、純度の高い3HBを得ることができる。
ここで、本発明者らは、鋭意研究の結果、晶析溶媒としては、酢酸エチル、ジエチルエーテル、t−ブチルメチルエーテルから選ばれる少なくとも一種を主成分とするものを用いると、発酵液の全量をそのまま出発原料として利用したとしてもきわめて効率よく3HBを結晶化することができることを実験的に見出し、本発明を完成するに至った。
By performing the crystallization step of precipitating 3HB in this way, 3HB can be recrystallized from the 3HB-containing solution just extracted from the fermentation broth to obtain 3HB with higher purity. Specifically, by performing a crystallization step after the concentration step, a recrystallization operation of 3HB can be performed to obtain highly pure 3HB.
Here, as a result of earnest research, the present inventors have found that when a crystallization solvent containing at least one selected from ethyl acetate, diethyl ether, and t-butyl methyl ether as a main component is used, the total amount of the fermentation liquid is increased. The inventors have found experimentally that 3HB can be crystallized very efficiently even if is used as a starting material as it is, and completed the present invention.

すなわち、晶析溶媒として、酢酸エチル、ジエチルエーテル、t−ブチルメチルエーテルのいずれかを用いた場合には、特に3HBの溶解度曲線(溶解度の温度依存性)の勾配が大きく(温度による溶解度の差が大きく)、容易に3HBを再結晶により晶析させられるとともに、不純物を取り除くことができることが明らかとなった。これにより純度の高い3HBを効率よく製造することができるようになった。   That is, when any one of ethyl acetate, diethyl ether, and t-butyl methyl ether was used as the crystallization solvent, the gradient of the solubility curve of 3HB (temperature dependence of solubility) was large (difference in solubility depending on temperature). It is clear that 3HB can be easily crystallized by recrystallization and impurities can be removed. As a result, highly pure 3HB can be efficiently produced.

また、前記3HB生産菌が、3HB生産性のハロモナス菌であることが好ましく、この場合、前記発酵工程が、前記ハロモナス菌を好気発酵する好気発酵工程と、好気発酵工程によりポリヒドロキシ酪酸(PHB)を蓄積した前記ハロモナス菌を嫌気発酵する嫌気発酵工程とを含むことができる。   Further, the 3HB-producing bacterium is preferably a 3HB-producing Halomonas bacterium, and in this case, the fermentation step comprises an aerobic fermentation step of aerobically fermenting the Halomonas bacterium and a polyhydroxybutyric acid by an aerobic fermentation step. An anaerobic fermentation step of anaerobically fermenting the Halomonas bacterium having accumulated (PHB) can be included.

すなわち、3HB生産菌として、3HB生産性のハロモナス菌を用いると、生産性高く3HBを生産することができる。また、ハロモナス菌は、好気発酵する好気発酵工程と、嫌気発酵する嫌気発酵工程とを行うことで、好気発酵工程により体内に蓄積したポリヒドロキシ酪酸(PHB)を体外(発酵液中)に排出させることができる。したがって、ハロモナス菌を用いることで、比較的容易に3HBを反応容易な形態に移行させることができ、さらに、効率よく3HBを製造することができるようになった。   That is, when a 3HB-producing Halomonas bacterium is used as the 3HB-producing bacterium, 3HB can be produced with high productivity. In addition, the Halomonas bacterium performs aerobic fermentation step of aerobically fermenting and anaerobic fermentation step of anaerobic fermentation to remove polyhydroxybutyric acid (PHB) accumulated in the body by the aerobic fermentation step outside the body (in the fermented solution). Can be discharged. Therefore, by using Halomonas, 3HB can be relatively easily transferred to a form in which reaction is easy, and further, 3HB can be efficiently produced.

また、前記発酵工程で得られた発酵液をろ過するろ過工程を行った後に前記抽出工程を行ってもよい。   Moreover, you may perform the said extraction process after performing the filtration process which filters the fermentation liquid obtained by the said fermentation process.

発酵工程で得られた発酵液には、3HB以外に、3HBを生産した菌体も含まれている。このような菌体は、抽出工程を行った場合に3HB含有溶液中に移行しないので、夾雑物として存在することにより純度を低下させる原因になることが考えられる。また、抽出溶媒を無駄に増量して用いることにもなる。そこで、あらかじめ限外ろ過を行ったものとしておけば、菌体や、タンパク質等の大分子量の夾雑物を含まない状態で再結晶を行えるから、より再結晶の純度を向上することができるものと考えられる。   The fermentation broth obtained in the fermentation step contains 3HB-producing bacterial cells in addition to 3HB. Since such cells do not migrate into the 3HB-containing solution when the extraction step is performed, it is considered that they exist as contaminants and cause a decrease in purity. Further, the extraction solvent is unnecessarily increased and used. Therefore, if ultrafiltration is performed in advance, the recrystallization can be performed in a state where the bacterial cells and the protein and other large molecular weight contaminants are not contained, so that the recrystallization purity can be further improved. Conceivable.

また、前記発酵工程で得られた発酵液のpHを1〜6の酸性に調整するpH調整工程を行った後に、前記抽出工程を行うこともできる。   Further, the extraction step may be performed after the pH adjustment step of adjusting the pH of the fermentation broth obtained in the fermentation step to an acidity of 1 to 6.

前記発酵液に含まれる3HBは酸性であるため、中性に近い発酵液中では一部が塩として溶解している。このような形態の3HBは、3HB含有溶液中に移行しにくく、3HBの抽出効率を低下させる懸念がある。そこで、発酵液のpHをpH1〜6に調整するpH調整工程を行えば、3HBを遊離酸として発酵液中に存在させることができ、抽出された3HB含有溶液中に3HBが移行しやすくなるため、3HBの回収効率の向上に寄与するものと考えられる。   Since 3HB contained in the fermentation liquor is acidic, a part of 3HB is dissolved as a salt in the fermentation liquor which is close to neutral. Such a form of 3HB is difficult to migrate into the 3HB-containing solution, and there is a concern that the extraction efficiency of 3HB may be reduced. Therefore, if a pH adjusting step of adjusting the pH of the fermentation liquor to pH 1 to 6 is performed, 3HB can be present in the fermentation liquor as a free acid, and 3HB easily migrates into the extracted 3HB-containing solution. It is considered that this contributes to the improvement of the recovery efficiency of 3HB.

また、前記3HB含有溶液または前記3HB濃縮液を活性炭に接触させる活性炭処理工程を行うこともできる。   It is also possible to perform an activated carbon treatment step in which the 3HB-containing solution or the 3HB concentrated solution is brought into contact with activated carbon.

上記ろ過工程をおこなえば、比較的分子量の大きな夾雑成分を除去することができるが、比較的分子量の小さな3HBに対する着色成分については除去することができない。このような着色成分は、3HBの実際の純度に対しては大きな影響がないものの、精製度の高い3HBが、白色結晶であるのに対して、褐色〜淡褐色に着色した結晶が得られるため、3HBの製品としては見た目に劣る。そこで、このような着色成分を活性炭により除去しておけば、晶析工程で得られる3HBが白色結晶として得られ、高品質な3HBとして提供することができるようになる。   By performing the above-mentioned filtration step, a contaminant component having a relatively large molecular weight can be removed, but a coloring component for 3HB having a relatively small molecular weight cannot be removed. Although such a coloring component has no great influence on the actual purity of 3HB, 3HB having a high degree of purification is a white crystal, while a brown to light brown colored crystal is obtained. It is inferior in appearance as a 3HB product. Therefore, if such a coloring component is removed by activated carbon, 3HB obtained in the crystallization step can be obtained as white crystals and can be provided as high quality 3HB.

尚、前記有機溶媒としては、1−ブタノール、1−ペンタノール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、及びメチルエチルケトンから選ばれる少なくとも一種を主成分とするものを用いることができる。   As the organic solvent, a solvent containing at least one selected from 1-butanol, 1-pentanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, and methyl ethyl ketone as a main component can be used.

有機溶媒としては、溶解度曲線の勾配に関わらず、3HBに対する溶解度が高いものを用いることができ、このような有機溶媒としては、1−ブタノール、1−ペンタノール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、あるいはメチルエチルケトンから選ばれる少なくとも一種を主成分とするものが、3HBに対する溶解度が高いので好ましい。   As the organic solvent, one having a high solubility in 3HB can be used regardless of the slope of the solubility curve. As such an organic solvent, 1-butanol, 1-pentanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, or methyl ethyl ketone can be used. Those having at least one selected from the following as a main component are preferable because of high solubility in 3HB.

また、前記晶析工程において、3HBの溶解した晶析溶媒に3HBの種結晶を加えて攪拌しながら冷却を行うことができる。   In the crystallization step, 3HB seed crystals may be added to a crystallization solvent in which 3HB is dissolved and cooled with stirring.

撹拌しながら冷却により晶析させると、温度斑のない均一な溶液から晶析を開始させられるので、晶析開始温度範囲のきわめて狭い結晶を取り出すことができ、3HBの純度を挙げるのに寄与する。また、種結晶を用いると、過冷却状態の3HB溶液から適切な晶析開始温度にて晶析を開始させられるので、より品質の安定した3HBを提供するのに寄与する。   Crystallization by cooling with stirring allows crystallization to start from a uniform solution without temperature unevenness, so crystals with an extremely narrow crystallization start temperature range can be taken out, which contributes to increasing the purity of 3HB. .. Further, when a seed crystal is used, crystallization can be started from a supercooled 3HB solution at an appropriate crystallization starting temperature, which contributes to providing 3HB with more stable quality.

したがって、生物発酵由来で3HBを含有する培養液から効率よく純度の高い3HBを精製回収することができるようになった。   Therefore, it has become possible to efficiently purify and recover 3HB having a high purity from a culture solution containing 3HB derived from biological fermentation.

以下に、本発明の実施形態にかかる3HBの製造方法を説明する。尚、以下に好適な実施形態を記すが、これら実施形態はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。   Below, the manufacturing method of 3HB concerning embodiment of this invention is demonstrated. The preferred embodiments will be described below, but these embodiments are described for more specifically illustrating the present invention, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. However, the present invention is not limited to the following description.

本発明の実施形態にかかる3HBの製造方法は、
3ヒドロキシ酪酸(3HB)生産菌から3HBを発酵生成した発酵液を得る発酵工程と、
前記発酵工程にて得られた発酵液から、水分を留去する予備濃縮工程と、
有機溶媒により、前記発酵液から3HBを含有する3HB含有溶液を抽出する抽出工程と、
前記抽出工程により抽出された3HB含有溶液から、前記有機溶媒を留去して3HB濃縮液を得る濃縮工程と、
前記濃縮工程で得られた3HB濃縮液に、酢酸エチル、ジエチルエーテル及びt−ブチルメチルエーテルから選ばれる少なくとも一種を主成分とする晶析溶媒を加え、3HBの溶解した晶析溶媒から3HB結晶を析出させる晶析工程と
を行うものである。
ここで、3HB生産菌として、3HB生産性のハロモナス菌を用い、発酵工程として、前記ハロモナス菌を好気発酵する好気発酵工程と、好気発酵工程によりポリヒドロキシ酪酸(PHB)を蓄積した前記ハロモナス菌を嫌気発酵する嫌気発酵工程とを行う。
また、抽出工程に先んじて、発酵工程で得られた発酵液を限外濾過するろ過工程を行うとともに、発酵液のpHを1〜6の酸性に調整するpH調整工程を行う。
また3HB濃縮液を活性炭に接触させる活性炭処理工程を行う。
尚、有機溶媒としては、1−ブタノール、1−ペンタノール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、及びメチルエチルケトンから選ばれる少なくとも一種を主成分とするものが用いられ、晶析工程において、3HBの溶解した晶析溶媒に3HBの種結晶を加えて攪拌しながら冷却を行うことができる。尚、晶析工程に用いる溶媒は抽出工程に用いる溶媒と同一であってもよい。
The method for manufacturing 3HB according to the embodiment of the present invention is
A fermentation step of obtaining a fermented liquid in which 3HB is fermented and produced from a 3-hydroxybutyric acid (3HB) -producing bacterium;
From the fermentation liquor obtained in the fermentation step, a preliminary concentration step of distilling water off,
An extraction step of extracting a 3HB-containing solution containing 3HB from the fermentation liquid with an organic solvent,
A concentration step of distilling the organic solvent from the 3HB-containing solution extracted in the extraction step to obtain a 3HB concentrated solution;
A crystallization solvent containing at least one selected from ethyl acetate, diethyl ether, and t-butyl methyl ether as a main component was added to the 3HB concentrated liquid obtained in the concentration step, and 3HB crystals were obtained from the crystallization solvent in which 3HB was dissolved. The crystallization step of precipitating is performed.
Here, a 3HB-producing Halomonas bacterium is used as a 3HB-producing bacterium, and as a fermentation step, an aerobic fermentation step of aerobically fermenting the Halomonas bacterium, and polyhydroxybutyric acid (PHB) is accumulated by the aerobic fermentation step. And an anaerobic fermentation step of anaerobically fermenting Halomonas bacteria.
Further, prior to the extraction step, a filtration step of performing ultrafiltration on the fermentation solution obtained in the fermentation step is performed, and a pH adjustment step of adjusting the pH of the fermentation solution to an acidity of 1 to 6 is performed.
Further, an activated carbon treatment step of bringing the 3HB concentrated liquid into contact with activated carbon is performed.
As the organic solvent, a solvent containing at least one selected from 1-butanol, 1-pentanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, and methyl ethyl ketone as a main component is used. A seed crystal of 3HB can be added to the solvent and cooled with stirring. The solvent used in the crystallization step may be the same as the solvent used in the extraction step.

〔発酵工程〕
発酵工程は、3HB生産菌から3HBを発酵生成した発酵液を得るものである。具体的には、糖質を含む培養液を収容した発酵容器に3HB生産性のハロモナス菌を添加して、まず撹拌通気しつつ好気発酵工程を行う。これにより、ハロモナス菌により糖質を資化させ、PHBを生産させることができ、ハロモナス菌体内にPHBを蓄積する。次に、糖類がほぼ完全に消費されたころに、発酵容器内への通気を停止して嫌気発酵工程を行う。これにより、ハロモナス菌は体内に蓄積したPHBを分解消費して発酵液中に3HBを放出する。その結果、3HB及び菌体を含有する発酵液が得られる。
[Fermentation process]
The fermentation step is to obtain a fermented liquid in which 3HB is fermented and produced from 3HB-producing bacteria. Specifically, 3HB-producing Halomonas bacterium is added to a fermentation container containing a culture solution containing a sugar, and first, an aerobic fermentation step is performed while stirring and aerating. As a result, the carbohydrate can be assimilated by the Halomonas bacterium to produce PHB, and PHB is accumulated in the Halomonas bacterium. Next, when the sugars are almost completely consumed, aeration in the fermentation container is stopped and the anaerobic fermentation process is performed. As a result, the Halomonas bacterium decomposes and consumes PHB accumulated in the body and releases 3HB into the fermentation broth. As a result, a fermentation broth containing 3HB and bacterial cells can be obtained.

〔ろ過工程〕
ろ過工程では、得られた発酵液中の菌体成分や、高分子量のたんぱく質等の夾雑物を濾過して除去する。具体的には、得られた発酵液は限外ろ過膜(UF膜)によりろ過する。すると簡便に菌体やタンパク質等の大分子量の夾雑物を除去することができ、主に3HBを含有する発酵液とすることができる。ここで得られた発酵液は、3HBを4.1質量%含有する発酵液が得られた。尚、本実施形態において3HBの濃度はクロマトグラフ法により決定している(以下も同じ)。
[Filtration process]
In the filtration step, bacterial components and contaminants such as high molecular weight proteins in the obtained fermentation broth are removed by filtration. Specifically, the obtained fermented liquor is filtered through an ultrafiltration membrane (UF membrane). Then, contaminants having a large molecular weight such as bacterial cells and proteins can be easily removed, and a fermentation broth containing mainly 3HB can be obtained. The fermented liquid obtained here was a fermented liquid containing 4.1% by mass of 3HB. In this embodiment, the concentration of 3HB is determined by a chromatographic method (the same applies hereinafter).

〔pH調整工程〕
pH調整工程は、発酵液のpHをpH1〜6に調整して、発酵液中の3HBを遊離酸の形態として、3HB含有溶液中に移行させやすくするものである。具体的には、pH調整工程では、ろ過工程で得られた64.3kgの発酵液に96質量%の硫酸1.4kgを加えてpH=3.0に調整した。
ここで、pH調整工程には種々の酸を用いることができるが、後の精製工程に悪影響の生じにくい無機酸を用いることが好ましい。また、pHは1〜6の酸性領域にまで調整すればよいが、好ましくは、3HBがほぼ遊離酸として存在するpH3程度になるまで酸を添加し、pHを調整することが、3HBの収率の面からは好ましい。
[PH adjusting step]
The pH adjustment step adjusts the pH of the fermentation liquor to pH 1 to 6 so that 3HB in the fermentation liquor can be easily transferred to the 3HB-containing solution in the form of free acid. Specifically, in the pH adjustment step, 1.4 kg of 96 mass% sulfuric acid was added to 64.3 kg of the fermentation solution obtained in the filtration step to adjust the pH to 3.0.
Here, various acids can be used in the pH adjusting step, but it is preferable to use an inorganic acid that is less likely to adversely affect the subsequent purification step. Moreover, the pH may be adjusted to an acidic region of 1 to 6, but it is preferable to adjust the pH by adding an acid until the pH becomes about 3 at which 3HB exists almost as a free acid. From the viewpoint of.

〔予備濃縮工程〕
予備濃縮工程は、発酵液中の溶媒としての水を留去して発酵液を濃縮する工程である。具体的には、pH調整後の発酵液65.7kgからエバポレーターにて水を留去する濃縮を行った。これにより、3−ヒドロキシ酪酸を20.8質量%含有する3HB含有溶液を12.4kg得た。
[Pre-concentration step]
The preconcentration step is a step of distilling off water as a solvent in the fermentation liquor to concentrate the fermentation liquor. Specifically, water was distilled off from the fermented liquid 65.7 kg after the pH adjustment by an evaporator for concentration. As a result, 12.4 kg of a 3HB-containing solution containing 20.8 mass% of 3-hydroxybutyric acid was obtained.

〔活性炭処理工程〕
活性炭処理工程は、3HB含有溶液に対して、ここで粉末状あるいはグラニュール状の活性炭を接触させて着色物質をはじめとした不純物の除去するものである。ここで活性炭処理工程は、得られる3HBを脱色して品質を向上させるうえで行うことが好ましく、収量の減少や、工数の増加を避ける意味では省略することができる。
[Activated carbon treatment process]
In the activated carbon treatment step, powdery or granulated activated carbon is brought into contact with the 3HB-containing solution to remove impurities such as coloring substances. Here, the activated carbon treatment step is preferably performed for decolorizing the obtained 3HB to improve the quality, and can be omitted in the sense of avoiding a decrease in yield and an increase in man-hours.

〔抽出工程〕
次に得られた3HB含有溶液のうち2kgを用いて、同重量の各種有機溶媒1−ブタノール、1−ペンタノール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、あるいはメチルエチルケトンにより抽出する抽出工程を3回繰り返し行い3HB含有溶液を得た。それぞれの有機溶媒にて、3回の抽出工程を繰り返したところ、回収された3HBの収率は表1のようになった。尚、有機溶媒としては、他に汎用のものを用いることができるが、3HBに対する溶解度が高いことから、1−ブタノール、1−ペンタノール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、あるいはメチルエチルケトンを用いることが好ましい。
[Extraction process]
Next, using 2 kg of the resulting 3HB-containing solution, the extraction step of extracting with the same weight of various organic solvents 1-butanol, 1-pentanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, or methyl ethyl ketone was repeated 3 times, and 3HB was contained. A solution was obtained. When the extraction process was repeated three times with each organic solvent, the yield of recovered 3HB was as shown in Table 1. As the organic solvent, other general-purpose solvents can be used, but 1-butanol, 1-pentanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, or methyl ethyl ketone is preferably used because of its high solubility in 3HB.

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〔濃縮工程〕
濃縮工程では、得られた3HB含有液からエバポレーターにより有機溶媒を留去する。この濃縮工程では、3HBを75質量%含有する3HB濃縮液が得られた。濃縮工程は、3HB濃縮液の3HB濃度が50%以上90%以下程度になるまで行うことが好ましい。さらに好ましくは、濃縮下限として60%以上、あるいは70%以上、濃縮上限として85%以下が挙げられ、特に、70%以上85%以下程度になるまで濃縮するのが好ましい。
[Concentration process]
In the concentration step, the organic solvent is distilled off from the obtained 3HB-containing liquid by an evaporator. In this concentration step, a 3HB concentrated liquid containing 75% by mass of 3HB was obtained. The concentration step is preferably performed until the 3HB concentration of the 3HB concentrated liquid becomes about 50% or more and 90% or less. More preferably, the lower limit of concentration is 60% or more, or 70% or more, and the upper limit of concentration is 85% or less, and it is particularly preferable to concentrate to about 70% or more and 85% or less.

〔活性炭処理工程〕
ここで粉末状あるいはグラニュール状の活性炭を用いた濃縮液からの着色物質をはじめとした不純物の除去する活性炭処理工程を実施してもよい。なお、活性炭処理工程は、3HB含有溶液あるいは3HB濃縮液のいずれかに対して行うことが好ましいが、省略することも、両方に対して行うこともできる。
[Activated carbon treatment process]
Here, an activated carbon treatment step of removing impurities such as a coloring substance from a concentrated liquid using powdered or granulated activated carbon may be carried out. The activated carbon treatment step is preferably performed on either the 3HB-containing solution or the 3HB concentrated solution, but it can be omitted or performed on both.

〔晶析工程〕
続いて3HBを75質量%含有する濃縮液200g(有機溶媒として1−ブタノールを用いて抽出工程を行ったもの)に対して、晶析溶媒として酢酸エチルを60g添加し、40℃で3HBの均一な溶液を得た。この3HBの溶液を晶析装置にて撹拌混合しながら20〜30℃の3HBの飽和濃度にまで冷却した。飽和濃度に達した時点で種結晶として、あらかじめ精製により結晶として得てある3HBを添加した。さらに攪拌しながら一定速度で冷却を行い3HBの析出を行った。析出した3HBを吸引ろ過、減圧乾燥することにより白色結晶85gを単離した。晶析工程に関する収率は57%であった。
[Crystallization process]
Subsequently, 60 g of ethyl acetate as a crystallization solvent was added to 200 g of a concentrated liquid containing 75% by mass of 3HB (extracted using 1-butanol as an organic solvent), and 3 HB was homogeneous at 40 ° C. A different solution was obtained. This 3HB solution was cooled to a saturated concentration of 3HB at 20 to 30 ° C. while being stirred and mixed in a crystallizer. As a seed crystal when the saturated concentration was reached, 3HB obtained as a crystal in advance by purification was added. Further, the mixture was cooled at a constant rate with stirring to deposit 3HB. The precipitated 3HB was suction filtered and dried under reduced pressure to isolate 85 g of white crystals. The yield for the crystallization step was 57%.

また、酢酸エチルをジエチルエーテル、t−ブチルメチルエーテル、アセトン及びメチルエチルケトンに変更して同様に3HBを75質量%含有する濃縮液200gに対して晶析工程を行ったところ、表2のようになった。   Further, when ethyl acetate was changed to diethyl ether, t-butyl methyl ether, acetone and methyl ethyl ketone and 200 g of the concentrated liquid containing 75% by mass of 3HB was similarly subjected to the crystallization step, the results are shown in Table 2. It was

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尚、晶析溶媒としては、温度に依存した溶解度勾配が大きいエステル系あるいはエーテル系の物質を用いることができ、酢酸エチル、ジエチルエーテル、およびt−ブチルメチルエーテルから選ばれる晶析溶媒は、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、アセトン、メチルエチルケトン等の種々公知の取り扱い容易な溶媒と比較して、溶解度勾配が大きく、晶析溶媒としてきわめて優れていることが分かった。   As the crystallization solvent, an ester-based or ether-based substance having a large temperature-dependent solubility gradient can be used. The crystallization solvent selected from ethyl acetate, diethyl ether, and t-butyl methyl ether is methanol. It was found that it has a large solubility gradient and is extremely excellent as a crystallization solvent as compared with various well-known and easy-to-handle solvents such as ethanol, ethanol, propanol, butanol, acetone, and methyl ethyl ketone.

本発明の3HBの製造方法によれば、高効率で純度の高い3HBを製造することができる。   According to the method for producing 3HB of the present invention, 3HB having high efficiency and high purity can be produced.

Claims (8)

3ヒドロキシ酪酸(3HB)生産菌から3HBを発酵生成した発酵液を得る発酵工程と、
前記発酵工程にて得られた発酵液から、水分を留去する予備濃縮工程と、
有機溶媒により、前記発酵液から3HBを含有する3HB含有溶液を抽出する抽出工程と、
前記抽出工程により抽出された3HB含有溶液から、前記有機溶媒を留去して3HB濃縮液を得る濃縮工程と、
前記濃縮工程で得られた3HB濃縮液に、酢酸エチル、ジエチルエーテル及びt−ブチルメチルエーテルから選ばれる少なくとも一種を主成分とする晶析溶媒を加え、3HBの溶解した晶析溶媒から3HB結晶を析出させる晶析工程と
を行う3HBの製造方法。
A fermentation step of obtaining a fermented liquid in which 3HB is fermented and produced from a 3-hydroxybutyric acid (3HB) -producing bacterium;
From the fermentation liquor obtained in the fermentation step, a preliminary concentration step of distilling water off,
An extraction step of extracting a 3HB-containing solution containing 3HB from the fermentation liquid with an organic solvent,
A concentration step of distilling the organic solvent from the 3HB-containing solution extracted in the extraction step to obtain a 3HB concentrated solution;
A crystallization solvent containing at least one selected from ethyl acetate, diethyl ether, and t-butyl methyl ether as a main component was added to the 3HB concentrated liquid obtained in the concentration step, and 3HB crystals were obtained from the crystallization solvent in which 3HB was dissolved. A method for producing 3HB, which comprises a crystallization step of causing precipitation.
前記3HB生産菌が、3HB生産性のハロモナス菌である請求項1に記載の3HBの製造方法。   The method for producing 3HB according to claim 1, wherein the 3HB-producing bacterium is a 3HB-producing Halomonas bacterium. 前記発酵工程が、前記ハロモナス菌を好気発酵する好気発酵工程と、好気発酵工程によりポリヒドロキシ酪酸(PHB)を蓄積した前記ハロモナス菌を嫌気発酵する嫌気発酵工程とを含む請求項2に記載の3HBの製造方法。   The fermentation step comprises an aerobic fermentation step of aerobically fermenting the Halomonas bacterium, and an anaerobic fermentation step of anaerobically fermenting the Halomonas bacterium in which polyhydroxybutyric acid (PHB) is accumulated by the aerobic fermentation step. The method for producing 3HB as described above. 前記発酵工程で得られた発酵液をろ過するろ過工程を行った後に前記抽出工程を行う請求項1〜3のいずれか一項に記載の3HBの製造方法。   The method for producing 3HB according to any one of claims 1 to 3, wherein the extraction step is performed after performing a filtration step of filtering the fermentation liquid obtained in the fermentation step. 前記発酵工程で得られた発酵液のpHを1〜6の酸性に調整するpH調整工程を行った後に、前記抽出工程を行う請求項1〜4のいずれか一項に記載の3HBの製造方法。   The method for producing 3HB according to any one of claims 1 to 4, wherein the extraction step is performed after the pH adjustment step of adjusting the pH of the fermentation liquid obtained in the fermentation step to an acidity of 1 to 6. .. 前記3HB含有溶液または前記3HB濃縮液を活性炭に接触させる活性炭処理工程を行う請求項1〜5のいずれか一項に記載の3HBの製造方法。   The method for producing 3HB according to any one of claims 1 to 5, wherein an activated carbon treatment step of contacting the 3HB-containing solution or the 3HB concentrated liquid with activated carbon is performed. 前記有機溶媒が1−ブタノール、1−ペンタノール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、及びメチルエチルケトンから選ばれる少なくとも一種を主成分とするものである請求項1〜6のいずれか一項に記載の3HBの製造方法。   The production of 3HB according to any one of claims 1 to 6, wherein the organic solvent contains at least one selected from 1-butanol, 1-pentanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, and methyl ethyl ketone as a main component. Method. 前記晶析工程において、3HBの溶解した晶析溶媒に3HBの種結晶を加えて攪拌しながら冷却を行う請求項1〜7のいずれか一項に記載の3HBの製造方法。   The method for producing 3HB according to any one of claims 1 to 7, wherein in the crystallization step, a seed crystal of 3HB is added to a crystallization solvent in which 3HB is dissolved, and the mixture is cooled with stirring.
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