JPH0564591A - ポリエステル共重合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生物分解性ポリエステルを工業的規模で生産
する。 【構成】 前段でアルカリゲネス属の菌体を増殖させ、
後段で菌体に３−ヒドロキシブチレート単位と４−ヒド
ロキシブチレート単位からなるポリエステル共重合体を
製造させるに際し、酸素移動係数を前段で１０〜２５０
ｈｒ^-1、後段で３０〜３００ｈｒ^-1の範囲とするポリエ
ステル共重合体の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は３−ヒドロキシブチレー
ト単位（以下３ＨＢ成分と記す）と４−ヒドロキシブチ
レート単位（以下４ＨＢ成分と記す）からなるポリエス
テル共重合体を高いポリマー収率で製造する方法、及び
工業的に大規模なスケールで製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ポリ−３−ヒドロキシブチレート（以下
ＰＨＢと記す）は、エネルギー貯蔵物質として数多くの
微生物の菌体内に蓄積され、優れた生物分解性と生体適
合性を示す熱可塑性高分子であることから、環境を保全
するクリーンプラスチックとして注目され、手術糸や骨
折固定用材等の医用材料および医薬や農薬を徐々に放出
する徐放性システム等の多方面への応用が長年にわたり
期待されてきた。特に近年、合成プラスチックが環境汚
染や資源循環の観点から深刻な社会問題となるに到り、
ＰＨＢおよびその共重合体は石油に依存しないバイオポ
リマーとして注目されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＰＨＢ
は耐衝撃性に劣るという物性上の問題とともに、生産コ
ストが高いことから工業的生産が見送られてきた。近
時、３ＨＢ成分および３−ヒドロキシバリレート単位
（以下３ＨＶ成分と記す）を含有する共重合体およびそ
の製造法について、研究開発がなされ、たとえば特開昭
５７−１５０３９３号、特開昭５９−２２０１９２号に
記載されている。しかしながら、共重合体の３ＨＶ成分
が０から３３モル％まで増大するとこの増大に伴って融
解温度（Ｔｍ）が１８５℃から８５℃まで急激に低下す
ることが知られており（Ｔ．Ｌ．Ｂｌｕｈｍ ｅｔ ａ
ｌ Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ、１９、２８７１
（１９８６））、３ＨＶ成分含有率の高い共重合体は耐
熱性に劣っていた。

【０００４】一方、３ＨＢ成分および４ＨＢ成分を含有
する共重合体およびその製造方法についても、研究開発
がなされ、たとえば特開平１−４８８２１号、同１−２
２２７８８号、同１−３０４８９１号、同２−２７９９
２号に記載されている。かかる共重合体は４ＨＢ成分の
含有率の高い場合に高い融点を有することから工業的な
価値が高い。

【０００５】しかしながら、上記の方法では、得られる
ポリマーの収率が充分ではなかった。当然、工業的な規
模における安定した生産方法についての知見は全くなか
った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、我々は工業的
規模においても安定して高いポリマーの収率を維持する
生産が可能な生産方法について鋭意検討した。その結
果、酸素移動係数（ＫＬａ）を従来よりも高く設定する
ことにより、高いポリマー収率を得られることを見出
し、更にこの酸素移動係数（ＫＬａ）を一定に制御する
ことにより、実験室レベルにおいても、スケールアップ
した大規模の場合でも容易に反応条件を最適化できるこ
とを見出し、本発明に到達した。

【０００７】即ち、本発明はアルカリゲネス属の菌体を
前段で増殖させ、後段で該菌体を窒素制限下で培養して
該菌体に３−ヒドロキシブチレート単位と４−ヒドロキ
シブチレート単位からなるポリエステル共重合体を製造
させるに際し、酸素移動係数（ＫＬａ）を前段で１０〜
２５０ｈｒ^-1、後段で３０〜３００ｈｒ^-1の範囲に制御
することを特徴とするポリエステル共重合体の製造方法
に存する。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて、共重合体に含有される３ＨＢ成分および４ＨＢ
成分はそれぞれ次式であらわされる。

【０００９】

【化１】

【００１０】本発明で使用される微生物は、ＰＨＢ生産
能を有する微生物であれば特に制限はないが、実用上は
たとえば、アルカリゲネス フェカリス（Ａｌｃａｌｉ
ｇｅｎｅｓ ｆａｅｃａｌｉｓ）、アルカリゲネスルー
ランディィ（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ ｒｕｈｌａｎｄ
ｉｉ）、アルカリゲネス ラタス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎ
ｅｓ ｌａｔｕｓ）、アルカリゲネス アクアマリヌス
（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ ａｑｕａｍａｒｉｎｕｓ）
およびアルカリゲネス ユウトロフス（Ａｌｃａｌｉｇ
ｅｎｅｓ ｅｕｔｒｏｐｈｓ）等のアルカリゲネス属な
どがある。

【００１１】これらの菌種に属する菌株の代表例とし
て、アルカリゲネス フェカリスＡＴＣＣ８７５０、ア
ルカリゲネス ルーランディィＡＴＣＣ１５７４９、ア
ルカリゲネス ラタスＡＴＣＣ２９７１２、アルカリゲ
ネス アクアマリヌスＡＴＣＣ１４４００ならびにアル
カリゲネスユウトロフスＨ−１６ＡＴＣＣ１７６９９お
よびこのＨ−１６株の突然変異株であるアルカリゲネス
ユウトロフスＮＣＩＢ１１５９７、同ＮＣＩＢ１１５
９８、同ＮＣＩＢ１１５９９、同ＮＣＩＢ１１６００な
どを挙げることができる。これらのうち、実用上、アル
カリゲネスユウトロフスＨ−１６ＡＴＣＣ１７６９９お
よびアルカリゲネス ユウトロフスＮＣＩＢ１１５９９
が特に好ましい。

【００１２】アルカリゲネス属に属するこれらの微生物
の菌学的性質は、たとえば、“ＢＥＲＧＥＹ’Ｓ ＭＡ
ＮＵＡＬ ＯＦ ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩＶＥ ＢＡＣ
ＴＥＲＩＯＬＯＧＹ：Ｅｉｇｈｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，
Ｔｈｅ Ｗｉｌｌｉａｍｓ＆Ｗｉｌｋｉｎｓ Ｃｏｍｐ
ａｎｙ ／Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ”に、また、アルカリゲ
ネス ユウトロフスＨ−１６の菌学的性質は、たとえ
ば、“Ｊ．Ｇｅｎ．Ｍｉｃｌｏｂｉａｏｌ．、１１５、
１８５〜１９２（１９７９）にそれぞれ記載されてい
る。

【００１３】これらの微生物を利用した本発明の製造方
法は、主として菌体を増殖させる前段の培養と、窒素を
制限して菌体内に共重合性を生成、蓄積させる後段の培
養との２段階で行われる。前段の培養は、微生物を増殖
させる為の通常の培養法を適用することができる。すな
わち、使用する微生物が増殖し得る培地および培養条件
を採用すればよい。

【００１４】培地成分は、使用する微生物を資化し得る
物質であれば特に制限はないが、事実上は、炭素源とし
ては、たとえば、メタノール、エタノールおよび酢酸な
どの合成炭素源、二酸化炭素などの無機炭素源、酵母エ
キス、糖蜜、ペプトンおよび肉エキスなどの天然物、ア
ラビノース、グルコース、マンノース、フラクトースお
よびガラクトースなどの糖類ならびにソルビトール、マ
ンニトールおよびイノシトールなど、窒素源としては、
たとえば、アンモニア、アンモニウム塩、硝酸塩などの
無機窒素化合物および／または、たとえば、尿素、コー
ン・スティープ・リカー、カゼイン、ペプトン、酵母エ
キス、肉エキスなどの有機窒素含有物ならびに無機成分
としては、たとえば、カルシウム塩、マグネシウム塩、
カリウム塩、ナトリウム塩、りん酸塩、マンガン塩、亜
鉛塩、鉄塩、銅塩、モリブデン塩、コバルト塩、ニッケ
ル塩、クロム塩、ほう素化合物およびよう素化合物など
からそれぞれ選択される。

【００１５】また、必要に応じて、ビタミン類なども使
用することができる。培養条件としては、温度は、たと
えば、２０〜４０℃程度、好ましくは２５〜３５℃程度
とされ、また、ｐＨは、たとえば、６〜１０程度、好ま
しくは６．５〜９．５程度とされる。このような条件で
好気的に培養する。これらの条件をはずして培養した場
合には、微生物の増殖は比較的悪くなるが、これらの条
件をはずして培養することも可能である。

【００１６】培養方式は、回分培養または連続培養のい
ずれでもよい。前段の培養によって得られた菌体を、さ
らに窒素制限条件下で培養する。すなわち、前段の培養
で得られた培養液から微生物の菌体を、瀘過および遠心
分離のような通常の固液分離手段により分離回収し、こ
の菌体を後段の培養に付するか、または、前段の培養に
おいて、窒素を実質的に枯渇させて、菌体を分離回収す
ることなく、この培養液を後段の培養に移行させること
によってもできる。

【００１７】この後段の培養においては、培地または培
養液に窒素を実質的に含有させず、また炭素源としては
γ−ブチロラクトン、１，４−ブタンジオール、４−ヒ
ドロキシ酪酸、１，６−ヘキサンジオール、１，８−オ
クタンジオール、１，１０−デカンジオールまたは／お
よび１，１２−ドデカンジオール等４−ヒドロキシブチ
レート単位をポリマー中に導入出来る化合物を唯一の炭
素源としてもよいが通常は使用した微生物が資化し得る
他の炭素源、たとえばグルコール、フラクトース、メタ
ノール、エタノール、酢酸、ｎ−酪酸、および、乳酸な
どに３−ヒトロキシブチレート単位のみを導入出来る炭
素源を共存させて実行される。

【００１８】但し好ましい炭素源としてはフラクトース
とγ−ブチロラクトンとの組み合せである。本発明に用
いられる４−ヒドロキシブチレート単位をポリマー中に
導入する炭素源の使用量は微生物の成育を阻害ししない
ような量であればよく、使用した微生物の菌株および所
望の共重合組成比によって異なるが、一般に培地もしく
は培養液１ｌに１〜１００ｇが適当である。

【００１９】このように培養して得られた培養液から、
瀘過および遠心分離などの通常の固液分離手段によって
菌体を分離回収し、この菌体を洗浄、乾燥して乾燥菌体
を得、この乾燥菌体から常法により、たとえば、クロロ
ホルムのような有機溶剤で生成された共重合体を抽出
し、この抽出液に、たとえば、ヘキサンのような貧溶媒
を加えて、共重合体を沈殿させる。

【００２０】本発明の製造法によれば、共重合体中の３
ＨＢ成分、４ＨＢ成分の割合は任意に調節することがで
きる。このような２段階にわたる反応において、下記の
ように酸素移動係数を制御することにより、菌体の増殖
ならびにポリマー収率が飛躍的に向上する。

【００２１】本発明における酸素移動係数（ＫＬａ）と
は液境膜に基づく総括の酸素移動係数（ｈｒ^-1）のこと
であり、より詳しくは単位時間、単位体積、単位濃度差
あたりに気相から液相に移動する酸素量のことであり、
気相と液相が集中系のとき、液中の溶存酸素濃度の経時
変化を追うことにより、次の式でＫＬａは求められる。 ＫＬａ＝（１／（ｔ₁−ｔ₂））１ｎ（（Ｃ_*−Ｃ₁）／（Ｃ_*−Ｃ₂）） （式中Ｃ_*は液中の飽和酸素濃度であり、Ｃ₁、Ｃ₂は各
々時間ｔ₁、ｔ₂における液中の溶存酸素濃度である）

【００２２】ＫＬａの測定はＤＯ電極を用いＧａｓｓｉ
ｎｇ ｏｕｔ法により求めた。このＫＬａの制御は反応
容器内への酸素の吹き込み速度、反応容器内の撹拌速
度、圧力、液量等の任意の条件を制御することによって
行うことができる。前段におけるＫＬａは１０〜２５０
ｈｒ^-1であり、好ましくは１５〜２００ｈｒ^-1、最も好
ましくは１５〜１７０ｈｒ^-1である。ＫＬａがこれより
も小さすぎると菌体の培養速度が遅く、逆にＫＬａがこ
れよりも大きければ菌体を損傷する可能性があるので、
好ましくない。また、後段におけるＫＬａは３０〜３０
０ｈｒ^-1であり、好ましくは３０〜２００ｈｒ^-1、最も
好ましくは４０〜１５０ｈｒ ^-1である。ＫＬａがこれよ
りも小さすぎると基質が菌体中へ拡散する速度が遅くな
るため、ポリマーの生成速度が減少するし、逆にＫＬａ
がこれよりも大きければ副反応や菌体の切断等のために
ポリマーの生成速度が減少する。

【００２３】

【実施例】以下に本発明を実施例により更に具体的に説
明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれら実施
例に限定されるものではない。なお、各種測定は下記の
様に行った。 ＯＤ（培養液の濁度の指標）の測定 培養液を１００分の１に希釈して、日立製作所製分光光
度計Ｕ−１０８０を用いて求めた６６０ｎｍでの吸光度
である。

【００２４】ゲルパーミェーションクロマトグラフィー
（ＧＰＣ）測定 溶媒はクロロホルムを用いてポリスチレン換算して求め
た（カラム：ＴＳＫＧｅｌ ＧＭＨ６ ６０ｃｍ×２本
機種：東ソＴＳＫ ＨＬＣ８０２Ａ） ＫＬａ測定 ＤＯ電極を用いＧａｓｓｉｎｇ ｏｕｔ法により求め
た。

【００２５】実施例１ アルカリゲネスユウトロフスの種培養物（ＯＤ＝４．
７，２５０ｍｌ）を使用して３０ｌ槽で以下のように共
重合体を製造した。前段培養はつぎの組成を有する培地
で前記の微生物を３０℃で２２ｈｒ、ＫＬａ＝６５ｈｒ
^-1（撹拌回転数１８０ｒｐｍ、通気速度＝１．０ｖｖ
ｍ）で培養した。 前段培養用培地の組成 フラクトース１５０ｇ、酵母エキス１５０ｇ、ポリペプ
トン１５０ｇ、肉エキス７５ｇ、塩化ナトリウム７５
ｇ、グリセリン ７．５ｇ、シリコン系済消泡剤（ＳＨ
５５０１）１０ｃｃ、これらを脱イオン水１５ｌに溶解
し、ｐＨを７．０に調整した。

【００２６】前段培養終了後の培養液に濁度ＯＤは４．
７であった。後段培養は前段培養で得られた菌体にフラ
クトース１５０ｇ及びγ−ブチロラクトン１５０ｇを添
加し、３０℃、ＫＬａ＝６５ｈｒ^-1（撹拌回転数１８０
ｒｐｍ、通気速度＝１．０ｖｖｍ）で培養を２０時間行
ない、次に同条件下で、フラクトース１５０ｇおよびγ
−ブチロラクトン１５０ｇを加えて培養をさらに２２時
間行なった。

【００２７】後段培養で得られた菌体を遠心分離し、ア
セトンを加えて溶菌しこれを瀘過しアセトンを除去し
た。このようにして得られた菌体から熱クロロホルムで
共重合体を抽出し、この抽出液にへキサンを加えて共重
合体を沈殿させ、この沈殿を瀘取、乾燥して共重合体を
得た。このようにして得られてポリマーの収量は７２ｇ
であった。¹Ｈ−ＮＭＲより求めたポリマー中の４ＨＢ
成分は９．２モル％でＧＰＣで求めた重量平均分子量は
ＭＷ＝４４．１７×１０⁴、数平均分子量はＭＮ＝１
２．８６×１０⁴であった。

【００２８】実施例２および３ 前培養及び本培養のＫＬａおよび回転数を変更した以外
実施例１と同様の条件でおこなった。その結果を表１に
示す

【００２９】

【表１】

【００３０】比較例１、２および３ 前培養および本培養のＫＬａを変更した以外実施例１と
同様の条件で行なった。その結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】実施例４ 前培養後の培養液から遠心分離により菌体を分離し、そ
の後、０．５Ｍ−ＫＨ ₂ＰＯ₄（リン酸二水素カリウム）
０．２ｌ及び０．５Ｍ−Ｎａ₂ＨＰＯ₄−１２Ｈ ₂０（リ
ン酸水素ナトリウム・１２水塩）１．８ｌ、ミネラル溶
液１５ｍｌ、２０ｗｔ／Ｖ％ＭｇＳＯ₄（硫酸マグネシ
ウム）１５ｍｌと水２ｌを混合後菌体を加え全量が１５
ｌになるまで脱塩水を加えた後、後段培養を行なった以
外実施例１と同様の条件で行なった。ポリマー収量は８
４．０ｇである。ポリマー中の４ＨＢ成分は８．８モル
％でＧＰＣで求めた分子量はＭＷ＝５５．２２×１
０⁴、ＭＮ＝２０．４７×１０⁴であった。

【００３３】実施例５ アルカリゲネス（ＯＤ＝４．４６ ８．３ｌ）ユウトロ
フスＨ１６（ＡＴＣＣ１７６９９）の種培養物を使用し
て１ｍ³タンクで共重合体を製造した。すなわち、前段
培養はつぎの組成を有する培地で前記の微生物を３０℃
で２２ｈｒＫＬａ＝７０ｈｒ^-1（回転数１０５ｒｐｍ通
気速度；１ｖｖｍ）で培養した。 前段培養用培地の組成 酵母エキス５，０００ｇ、フラクトース５，０００ｇ、
内エキス２，５００ｇ、ポリペプトン５，０００ｇ、シ
リコン系済泡剤３３０ｍｌ塩化ナトリウム２，５００
ｇ、これらを脱イオン水５００ｌに溶解し、ｐＨを７．
２に調整し１２０℃−２５分殺菌し、ＰＨを再び７．２
に再調整した。

【００３４】前段培養終了後の培養液のＯＤは１５．２
であった。次に前培養後の培養液から遠心分離により菌
体を分離し、その後０．５Ｍ−ＫＨ₂ＰＯ₄ ６．６７
ｌ、０．５Ｍ−Ｎａ₂ＨＰＯ₄・１２Ｈ₂Ｏ ６０ｌ、ミ
ネラル溶液５００ｍｌおよび２０ｗｔ／Ｖ％ＭｇＳＯ₄
・７Ｈ₂Ｏ ５００ｍｌおよび脱イオン水６７ｌと混合
し、５００ｌとした。次にフラクトース５，０００ｇと
γ−ブチロラクトン５０００ｇを脱イオン水７０ｌと混
合して添加し、３０℃、ＫＬａ＝７０ｈｒ^-1（回転数１
０５ｒｐｍ、通気量１ｖｖｍ）で培養を行ない、次に同
条件下でフラクトース及びγ−ブチロラクトンを前述の
方法で５０００ｇずつ添加し、さらに培養を２２時間行
なった。尚消泡剤は再に後段培養でも開始時と２２時間
培養後に３３０ｍｌを添加している。後段培養で得られ
た菌体を遠心分離し、アセトンを加えて溶菌し、次に瀘
過を行ないアセトンを除去した。

【００３５】このようにして得られた菌体から熱クロロ
ホルムで共重合体を抽出し、この抽出液にヘキサンを加
えて共重合体を沈殿させ、この沈殿を瀘過により分離
し、乾燥して共重合体を得た。このようにして得られた
ポリマーの収量は１７９０ｇであった。¹Ｈ−ＮＭＲよ
り求めたポリマー中の４ＨＢ成分は１１．３モル％でＧ
ＰＣで求めた分子量はＭＷ＝５２．４６×１０⁴、ＭＮ
＝２０．１０×１０⁴であった。

【００３６】実施例６ ５ｌ槽を使用し、実施例５と同様の種を使用し仕込み量
をすべて実施例５の３／５００にし、実施例５と同様に
ＫＬａを７０ｈｒ^-1にするために回転数を３３０ｒｐ
ｍ、通気速度を１ｖｖｍした以外実施例５と同様の前培
養および後段培養を行ない同様の後処理で共重合体を得
た。ポリマー収量は１０．１ｇでＧＰＣより求めたＭＷ
＝５５．４×１０⁴、ＭＮ＝１９．４×１０⁴でポリマー
中の４ＨＢ含量は１０．７モル％であった。

【００３７】比較例４ ＫＬａを４５０ｈｒ^-1（撹拌回転数１９０ｒｐｍ、通気
量１ｖｖｍ）とした以外実施例５と同様の方法で行なっ
たが得られた共重合ポリエステル収量は１２ｇにすぎな
かった。

【００３８】

【発明の効果】本発明の方法により３−ヒドロキシブチ
レート単位と４−ヒドロキシレート単位からなるポリエ
ステル共重合体を高い収率で工業的規模で製造すること
が可能となった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 由希子 神奈川県横浜市緑区鴨志田町1000番地 三 菱化成株式会社総合研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルカリゲネス属の菌体を前段で増殖さ
   せ、後段で該菌体を窒素制限下で培養して該菌体３−ヒ
   ドロキシブチレート単位と４−ヒドロキシブチレート単
   位からなるポリエステル共重合体を製造させるに際し、
   酸素移動係数（ＫＬａ）を前段で１０〜２５０ｈｒ^-1、
   後段で３０〜３００ｈｒ^-1の範囲に制御することを特徴
   とするポリエステル共重合体の製造方法。
2. 【請求項２】容量１０ｌ以上の工業的規模において行う
   ことを特徴とする請求項１記載のポリエステル共重合体
   の製造方法。
3. 【請求項３】後段の培養において、基質としてフラクト
   ースおよびγ−ブチロラクトンを用いることを特徴とす
   る請求項１記載のポリエステル共重合体の製造方法