KR20110105845A

KR20110105845A - 락트산 및 폴리락트산의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110105845A
Application number: KR1020117017309A
Authority: KR
Inventors: 겐지 사와이; 히데키 사와이; 다카시 미미쓰카; 마사테루 이토; 가쓰시게 야마다; 겐지 가와무라; 신이치 미네기시; 이즈미 나카가와; 다쓰야 나가노
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-09-27
Also published as: RU2011131062A; EP2374895A1; US11597694B2; CN102264911A; RU2650802C1; JP5811535B2; WO2010074222A1; US20200325097A1; SG2013095930A; AU2009331122A1; CN102264911B; US10683254B2; EP3147275B1; EP3147275A1; JPWO2010074222A1; CN105294424A; CA2748354A1; US20110263811A1; SG172400A1; ES2765889T3

Abstract

(A) 락트산 발효 능력을 가진 미생물의 발효 배양액을, 평균 세공 직경 0.01 ㎛ 이상 - 1 ㎛ 미만의 다공성 막을 사용하여 막간 차압 0.1 내지 20 kPa의 범위에서 여과 처리하여 투과액을 회수하고, 미투과액은 배양액에 유지 또는 환류하여, 발효 원료를 배양액에 추가하는 연속 발효 공정, (B) 공정 (A)에서 얻어진 투과액을 나노 여과막을 통해 여과하는 공정, 및 (C) 공정 (B)에서 얻어진 투과액을 1 Pa 이상 - 대기압 이하의 압력 하에서 25℃ 이상 - 200℃ 이하에서 증류하여 락트산을 회수하는 공정을 포함하는 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산은 불순물이 적고, 상기 락트산을 원료로 하여 수득되는 폴리락트산은 열안정성, 기계적 강도 및 색상이 우수하다.

Description

락트산 및 폴리락트산의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING LACTIC ACID AND METHOD FOR PRODUCING POLYLACTIC ACID}

본 발명은 락트산 생산 능력을 가진 미생물을 배양하여 수득되는 발효액 중에 생산된 락트산을 분리하는 락트산의 제조 방법, 상기 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산을 원료로 하는 폴리락트산의 제조 방법, 및 상기 제조 방법에 의해 수득되는 락트산과 폴리락트산에 관한 것이다.

락트산은 식품용, 의약용 등과 같은 용도 외에도, 생분해성 플라스틱인 폴리락트산용 모노머 원료로서 공업적 용도로도 널리 적용되고 있어 수요가 증가하고 있다. 락트산은 미생물에 의한 발효를 통해 생산되는 것으로 알려져 있으며, 미생물은 글루코오스로 대표되는 탄수화물을 함유한 기질을 락트산으로 변환한다.

폴리락트산의 원료로 락트산을 수득하기 위해서는, 이의 필요량 때문에 생산성이 높은 락트산의 제조 방법이 요구된다. 락트산의 생산성 향상을 위해서는, 미생물 발효에서 당 수율을 높이는 것 외에도, 단위 시간, 단위 체적 당 빠른 락트산 생산 속도가 필수적이며, 특허 문헌 1에 다공질 막을 이용한 배양 장치에 의한 생산 속도 향상 방법이 개시되어 있다.

폴리락트산은, 락트산의 환상 이량체인 락티드를 개환 중합하는 방법, 또는 원료 락트산을 직접 중합하는 방법에 의해 제조할 수 있다. 락티드 방법은, 락트산을 일단 올리고머화한 후, 해중합시킴과 동시에 생성되는 락티드를 분리하여, 촉매의 존재 하에서 개환 중합시키는 방법으로, 중합 프로세스가 복잡하고 막대한 노력과 비용을 필요로 한다. 또한, 이 과정에서 락티드 분리 조작에 의해 원료 락트산 중의 불순물의 제거가 가능하므로, 원료 락트산을 비교적 저품질의 것으로 이용할 수 있지만, 원료 락트산내 함유된 무기 이온 등의 불순물로 인해, 목적한 락티드의 수율 저하가 초래되므로, 원료 락트산은 불순물이 적은 것이 요구되고 있다. 한편, 직접 중합법(직접 중화법)은 원료 락트산을 촉매 존재 하에 직접 탈수 중축합하는 방법으로서, 락티드 방법과 비교하여 프로세스 단축을 기대할 수 있지만, 원료 락트산은 중합을 저해하는 불순물이 미리 제거된 고품질의 것을 필요로 한다. 이와 같이, 락트산의 정제 효율이 락티드 및 폴리락트산의 생산성 향상에 영향을 미친다.

미생물 발효를 통한 락트산의 생산은, 배양액 중에 알칼리성 물질을 첨가하여 미생물 발효에 최적인 pH로 유지하면서 수행되는데, 배양액에 첨가되는 알칼리성 물질의 일 예로 수산화 칼슘을 사용할 경우, 미생물 발효에 의해 생산되는 락트산이 배양액 중에서 락트산 칼슘으로 존재하게 된다. 이 후, 배양 종료 후, 배양액에 산성 물질(예, 황산)을 첨가함으로써, 프리(free) 락트산 용액을 수득할 수 있지만, 불순물로서 칼슘염(예, 황산 칼슘)이 부산물로 생성된다.

부산물 칼슘염을 제거하여 락트산을 분리하는 방법으로, 황산 칼슘과 같은 칼슘염이 난용성으로 침전되는 경우에는, 정성 여과지 등에 의해 여과하는 방법이 사용되고 있지만, 용액 중에 용해되어 있는 미량의 칼슘염은 제거되지 않고 락트산 함유 용액 중에 잔존하게 된다. 그러므로, 이 락트산을 포함하는 여과액을, 예를 들면, 이후 정제 공정에서 농축 조작으로 수행하면, 프리의 락트산 함유 용액 중에 다시 칼슘염이나 그 이외 용해성 무기염이 석출(침전)되는 문제가 있다. 그리고, 무기 이온이 충분히 제거되어 있지 않은 상태로, 증류 등의 조작에 의해 락트산 함유 용액을 가열하면, 무기 이온의 영향으로 인해, 락트산의 라세미화 및 올리고머화가 진행되는 것으로 알려져 있다.

락트산 함유 용액으로부터 미량의 무기 이온 성분을 제거하는 방법으로서는, 이온 교환 수지를 사용하는 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조). 그러나, 이온 교환 수지의 이온 교환 성능을 유지하기 위해서는, 정기적으로 이온 교환 수지를 재생할 필요가 있다. 또한, 이온 교환 수지의 재생시 대량의 수산화 나트륨 수용액 및 염산 수용액을 사용하여 행해지지만, 재생에 따른 대량의 폐액이 배출되고, 폐액 처리에 많은 비용이 드는 문제점이 있다. 또한, 반복적으로 이온 교환 수지의 재생을 행하게 되면, 이온 교환 수지의 재생율이 저하되어, 이온 교환 성능이 저하되고, 무기염의 제거율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 전기 투석 장치를 이용한 양극성(bipolar) 막에 의해 락트산 함유 용액으로부터 미량의 칼슘 성분 등의 무기 이온 성분을 제거하는 방법도 알려져 있다(예, 특허 문헌 3 참조). 그러나, 이 방법에 사용되는 양극성 막이 고가이고, 칼슘염 등의 무기염의 제거 효율이 결코 높지 않다는 문제점이 있었다.

또한, 나노 여과막을 사용하여, 락트산 함유 용액으로부터 무기염을 제거하는 방법도 개시되어 있지만(예를 들면, 특허 문헌 4∼6 참조), 증류에 의해 락트산을 회수하는 공정이나, 증류가 락트산의 수율에 미치는 영향, 또한 수득되는 락트산의 상업 수준에서의 직접 중화법에 의한 폴리락트산 제조에의 적용 가능성에 대해서는 개시되어 있지 않다.

또한, 특허 문헌 7∼10에는, 락트산의 직접 탈수 중축합에 의해 고분자량의 폴리락트산을 수득하려면, 특정한 불순물이 특정량 이하여야 한다고 개시되어 있지만, 폴리락트산의 가공성에 중요한 인자인, 불순물에 의한 열 안정성, 기계적 강도, 색상에 대한 영향에 대해서는 개시되어 있지 않다.

WO2007/097260 일본 특허출원 공표번호 2001-506274호 공보 일본 특허출원 공개번호 2005-270025호 공보 US5503750 US5681728 US2004/0033573 일본 특허출원 공개번호 평 6-279577호 공보 일본 특허출원 공개번호 평 7-133344호 공보 일본 특허출원 공개번호 평 8-188642호 공보 일본 특허출원 공개번호 평 9-31170호 공보

본 발명의 과제 중 하나는 생산성이 높고, 또한 공업 수준에서의 직접 중화법에 의한 폴리락트산의 제조에 적용 가능하며, 또한 고수율로 락티드 합성이 가능한, 락트산의 제조 방법 및 상기 락트산을 이용한 락티드 및 폴리락트산의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 우수한 열 안정성, 기계적 강도, 색상을 가진 폴리락트산을 수득하는 과제를 해결함으로써, 특정 불순물이 특정량 이하인 락트산 및 상기 락트산을 원료로 하여 수득되는 락티드 및 폴리락트산을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 열심히 연구를 실시한 결과, 락트산 생산 능력을 가진 미생물을 다공질 막을 이용한 연속 배양 장치에서 배양하여 투과액 중에 고수율로, 또한, 높은 생산 속도로 락트산을 수득할 수 있고, 또한 얻어진 투과액을 나노 여과 공정 및 증류 공정에 제공함으로써, 직접 중화법에 적용 가능하며, 또한, 고수율의 락티드 합성이 가능한, 락트산이 수득된다는 것을 발견하였다. 또한, 특정한 불순물이 특정량 이하로 함유된 락트산을 폴리락트산의 원료로 하면, 고수율의, 색상이 우수한 락티드, 및 우수한 열 안정성, 기계적 강도, 색상을 가지는 폴리락트산을 수득할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은, 다음의 (1)∼(15)로 구성된다.

(1) 하기 공정 (A)∼(C)를 포함하는 락트산의 제조 방법.

(A) 락트산 발효 능력을 가진 미생물의 발효 배양액을, 평균 세공 직경이 0.01㎛ 이상 1㎛ 미만인 다공성 막을 사용하여, 막간 차압 0.1 내지 20 kPa의 범위로 여과 처리하여 투과액을 회수하고, 미투과액을 배양액에 유지 또는 환류하여 발효 원료를 배양액에 추가하는 연속 발효 공정.

(B) 공정 (A)에서 얻어진 투과액을 나노 여과막을 통해 여과하는 공정.

(C) 공정 (B)에서 얻어진 투과액을 1 Pa 이상 - 대기압 이하의 압력 하에서 25℃ 이상 - 200℃ 이하에서 증류하여 락트산을 회수하는 공정.

(2) 상기 공정 (A)에서 얻어진 투과액의 pH를 2 이상 - 4.5 이하로 조정하여 상기 공정 (B)에 제공하는 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 락트산의 제조 방법.

(3) 상기 공정 (A)이 칼슘염의 존재 하에서의 연속 발효 공정이며, 상기 공정 (A)에서 얻어진 투과액 중의 칼슘 성분을 난용성 황산염으로서 제거하는 공정 (D) 이후에 수득되는 락트산을 포함하는 용액을 상기 공정 (B)에 제공하는 것을 특징으로 하는, (1) 또는 (2)에 기재된 락트산의 제조 방법.

(4) 상기 나노 여과막의 구연산 투과율에 대한 황산 마그네슘 투과율의 비가, 조작 압력 0.5 MPa, 원수 온도 25℃, 원수 농도 1000 ppm에서 3 이상인 것을 특징으로 하는, (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 락트산의 제조 방법.

(5) 상기 나노 여과막의 황산 마그네슘 투과율이 조작 압력 0.5 MPa, 원수 온도 25℃, 원수 농도 1000 ppm에서 1.5% 이하인 것을 특징으로 하는, (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 락트산의 제조 방법.

(6) 상기 나노 여과막의 막 소재가 폴리아미드를 포함하는 것을 특징으로 하는, (1)∼(5) 중 어느 하나에 기재된 락트산의 제조 방법.

(7) 상기 폴리아미드는 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 포함하며, 화학식 1로 표시되는 구성 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는, (6)에 기재된 락트산의 제조 방법.

[화학식 1]

(상기 식에서, R은 -H 또는 -CH₃이고, n은 0 - 3의 정수임)

(8) (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산을 원료로 하는 것을 특징으로 하는, 락티드의 제조 방법.

(9) (8)에 기재된 락티드의 제조 방법에 의해 수득되는 락티드를 중합하는 것을 특징으로 하는, 폴리락트산의 제조 방법.

(10) (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산을 직접 탈수 중축합 반응에 의해 중합하는 것을 특징으로 하는, 폴리락트산의 제조 방법.

(11) 90% 락트산 수용액에 불순물로서 메탄올을 70 ppm 이하, 피루브산을 500 ppm 이하, 푸르푸랄을 15 ppm 이하, 5-하이드록시메틸푸르푸랄을 15 ppm 이하, 락트산 메틸을 600 ppm 이하, 아세트산을 500 ppm 이하 및 2-하이드록시 부티르산을 500 ppm 이하로 함유하는 락트산.

(12) 광학 순도가 90% 이상인 것을 특징으로 하는, (11)에 기재된 락트산.

(13) (11) 또는 (12)에 기재된 락트산을 원료로 하여 수득되는, 락티드.

(14) (11) 또는 (12)에 기재된 락트산, 또는 (13)에 기재된 락티드를 원료로 사용하여 수득되는, 폴리락트산.

(15) (11) 또는 (12)에 기재된 락트산을 원료로 사용하여, 직접 탈수 중축합 반응에 의해 수득되는, 폴리락트산.

본 발명에 의하면, 간편한 조작으로, 고품질의 락트산을 제조할 수 있으며, 생분해성의 범용 플라스틱인 폴리락트산의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 특정한 불순물이 특정량 이하인 락트산을 폴리락트산의 원료로 사용하면, 우수한 열 안정성, 기계적 강도, 색상을 가지는 폴리락트산을 수득할 수 있다.

[도 1] 본 발명에서 사용한 연속 배양 장치의 일 실시 태양을 나타내는 개략 모식도이다.
[도 2] 본 발명의 실시예 1에서 행한 연속 배양의 락트산 축적 농도, 락트산 생산 속도를 나타낸 도면이다.
[도 3] 본 발명에서 사용한 나노 여과막 분리 장치의 일 실시 형태를 나타낸 개요도이다.
[도 4] 본 발명에서 사용한 나노 여과막 분리 장치의 나노 여과막이 장착된 셀 단면도의 일 실시 형태를 나타내는 개요도이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[락트산의 제조 방법]

본 발명의 락트산의 제조 방법은, 하기 공정 (A)∼(C)를 포함하는 것이다.

(A) 락트산 발효 능력을 가진 미생물의 발효 배양액을 평균 세공 직경이 0.01 ㎛ 이상 - 1 ㎛ 미만인 다공성 막을 사용하여 막간 차압 0.1 - 20 kPa의 범위에서 여과 처리하여 투과액을 회수하고, 미투과액은 배양액에 유지 또는 환류하고, 발효 원료를 배양액에 추가하는 연속 발효 공정.

(C) 공정 (B)에서 얻어진 용액을 1 Pa 이상 - 대기압 이하의 압력 하에서 25℃ 이상 - 200℃ 이하에서 증류하여 락트산을 회수하는 공정.

공정 (A)에서 사용되는 락트산 발효 능력을 가진 미생물에 대해 설명한다. 락트산 발효 능력을 가진 미생물은 락트산을 생산하는 것이 가능한 미생물이면 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 유산균 또는 인위적으로 락트산 발효 능력을 부여받거나 증강된 미생물을 사용할 수 있다.

여기서 유산균이란, 소비 글루코오스에 대한 당 수율 50% 이상으로 락트산을 생산하는 원핵 미생물로서 정의할 수 있다. 바람직한 유산균으로서는, 예를 들면, 락토바실러스 속(Genus Lactobacillus), 페디오코커스 속(Genus Pediococcus), 테트라게노코커스 속(Genus Tetragenococcus), 카르노박테리움 속(Genus Carnobacterium), 바고코커스 속(Genus Vagococcus), 루코노스톡 속(Genus Leuconostoc), 오에노코커스 속(Genus Oenococcus), 아토포비움 속(Genus Atopobium), 스트렙토코커스 속(Genus Streptococcus), 엔테로코커스 속(Genus Enterococcus), 락토코커스 속(Genus Lactococcus), 스포로락토바실러스 속(Genus Sporolactobacillus) 및 바실러스 속(Genus Bacillus)에 속하는 유산균을 들 수 있다. 이들 중에서도, 락트산에 대한 당 수율이 높은 유산균을 선택하여, 락트산의 생산에 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, L-락트산 또는 D-락트산에 대한 당 수율이 높은 유산균을 선택함으로써 광학 순도가 높은 락트산을 생산하는데 바람직하게 사용할 수 있다.

L-락트산에 대한 당 수율이 높은 유산균으로서는, 예를 들면, 락토바실러스 야마나시엔스(Lactobacillus yamanashiensis), 락토바실러스 애니멀리스(Lactobacillus animalis), 락토바실러스 아길리스(Lactobacillus agilis), 락토바실러스 아비아리에스(Lactobacillus aviaries), 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 델브루키(Lactobacillus delbruekii), 락토바실러스 파라카제이(Lactobacillus paracasei), 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus), 락토바실러스 루미니스(Lactobacillus ruminis), 락토바실러스 살리바리우스(Lactobacillus salivarius), 락토바실러스 샤피(Lactobacillus sharpeae), 페디오코커스 덱스트리니쿠스(Pediococcus dextrinicus) 및 락토코커스 락티스(Lactococcus lactis) 등을 들 수 있으며, 이들을 선택하여 L-락트산의 생산에 사용할 수 있다.

D-락트산에 대한 당 수율이 높은 유산균으로서는, 예를 들면, 스포로락토바실러스 라에보락티쿠스(Sporolactobacillus laebolacticus), 스포로락토바실러스 이눌리누스(Sporolactobacillus inulinus), 락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus), 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 델브루키(Lactobacillus delbruekii) 및 락토코커스 락티스Lactococcus lactis) 등을 들 수 있으며, 이들을 선택하여, D-락트산의 생산에 사용할 수 있다.

인위적으로 락트산 발효 능력이 부여되었거나, 증강된 미생물로서는, 예를 들면, 종래 공지된 약제 변이에 의해 수득되는 미생물 또는 락트산 탈수소효소(이하, LDH라고도 함) 유전자를 도입하여, 락트산 발효 능력을 부여 또는 증강시킨 미생물을 사용할 수 있다. 바람직하게는, LDH를 세포내에 조합함으로써 락트산 발효 능력을 증강시킨 재조합 미생물을 들 수 있다.

상기 재조합 미생물의 숙주로서는, 원핵 세포인 대장균, 유산균, 및 진핵 세포인 효모 등이 바람직하고, 보다 바람직하게는 효모이다. 효모 중에서도, 바람직하게는, 사카로마이세스 속(Genus Saccharomyces)에 속하는 효모이며, 더 바람직하게는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae)이다.

본 발명에서 사용하는 LDH 유전자는, 환원형 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드(NADH)와 피루브산을, 산화형 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드(NAD＋)와 락트산으로 변환하는 활성을 갖는 단백질을 코딩한 것이라면, 한정되지 않는다. 예를 들면, L-락트산에 대한 당 수율이 높은 유산균 유래의 L-LDH 유전자나 D-락트산에 대한 당 수율이 높은 유산균 유래의 D-LDH 유전자를 사용할 수 있다. 또한, L-LDH 유전자로는 소, 사람 또는 개구리 등의 진핵 생물 유래의 것이 바람직하게 사용되고, 제노푸스 유래의 것이 보다 바람직하게 사용된다. 개구리 유래의 L-LDH 유전자가 조합된 미생물의 예로서는, 일본 특허출원 공개번호 2008-029329호 공보에 개시된 유전자 재조합 효모를 들 수 있다.

본 발명에 사용되는 LDH 유전자에는, 유전자 다형성과 돌연변이 유발 등에 의한 돌연변이형 유전자도 포함된다. 유전자 다형성이란, 유전자에서 자연 돌연변이에 의해 유전자의 염기 배열이 일부 변화된 것이다. 또한, 돌연변이 유발이란, 인공적으로 유전자에 돌연변이를 도입하는 것을 말한다. 돌연변이 유발은, 예를 들면, 부위 특이적인 돌연변이 도입용 키트(Mutan-K(다카라 바이오 사 제품)를 사용하는 방법, 또는 랜덤 돌연변이 도입용 키트(BD Diversify PCR Random Mutagenesis(CLONTECH 사 제품)를 사용하는 방법 등이 있다. 또한, 본 발명에서 사용하되 LDH는, NADH와 피루브산을 NAD^＋와 락트산으로 변환하는 활성을 갖는 단백질을 코딩하는 것이라면, 염기 서열의 일부 결손 또는 삽입이 존재해도 상관없다.

다음으로, 공정 (A)에서 사용되는 다공성 막을 설명한다. 분리막으로서 사용되는 다공성 막은, 락트산 발효 능력을 가진 미생물에 의한 눈막힘(目詰)이 발생되기 어렵고, 또한 여과 성능이 장기간 안정적으로 지속되는 성능의 것이 바람직하다. 그러므로, 본 발명에서 사용되는 다공성 막은, 평균 세공 직경이 0.01 ㎛ 이상 - 1 ㎛ 미만인 것이 중요하다. 본 발명에서 다공성 막은, 피처리 수의 수질이나 용도에 따른, 분리 성능과 투수 성능을 가지는 것이며, 저지 성능 및 투수 성능과 방오성이라는 분리 성능의 측면에서는, 다공질 수지층을 포함하는 다공성 막인 것이 바람직하다. 다공질 수지층을 포함하는 다공성 막으로서는, 다공질 기재의 표면에서 분리 기능 층으로서 작용하는 다공질 수지층을 가지고 있는 것이 바람직하다. 다공질 기재는 다공질 수지층을 지지하여 다공성 막에 강도를 부여하는 것이다.

다공질 기재의 재질은 유기 재료 및/또는 무기 재료 등으로 이루어지며, 유기 섬유가 바람직하게 사용된다. 바람직한 다공질 기재는 셀룰로스 섬유, 셀룰로스 트리아세테이트 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 등의 유기 섬유를 이용한 제조된 직포나 부직포이며, 특히, 밀도의 제어가 비교적 용이하고 제조도 용이하며 저렴한, 부직포가 바람직하게 사용된다.

또한, 다공질 수지층은, 전술한 바와 같이, 분리 기능층으로서 작용하는 것이며, 유기 고분자 막을 바람직하게 사용할 수 있다. 유기 고분자막의 재질로서는, 예를 들면, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리불화 비닐리덴계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리에테르 술폰계 수지, 폴리 아크릴로니트릴계 수지, 폴리올레핀계 수지, 셀룰로스계 수지 및 셀룰로스 트리아세테이트계 수지 등을 들 수 있으며, 이들 수지를 주성분으로 하는 수지의 혼합물일 수도 있다. 여기에서, 주성분이란, 그 성분을 50 중량% 이상, 바람직하게는 60 중량% 이상 함유하는 것을 의미한다. 그 중에서도, 다공성 막의 막 소재로서는, 용액에 의한 막 형성이 용이하고, 물리적 내구성이나 내약품성도 우수한, 폴리염화비닐계 수지, 폴리 불화 비닐리덴계 수지, 폴리술폰계 수지, 폴리에테르 술폰계 수지, 폴리아크릴로니트릴계 수지 또는 폴리올레핀계 수지가 바람직하고, 폴리 불화 비닐리덴계 수지 또는 이를 주성분으로 하는 수지가 가장 바람직하게 사용된다.

상기 폴리 불화 비닐리덴계 수지로는, 불화 비닐리덴의 단독 중합체가 바람직하게 사용되지만, 불화 비닐리덴의 단독 중합체 이외에도, 불화 비닐리덴과 공중합 가능한 비닐계 단량체와의 공중합체도 바람직하게 사용된다. 불화 비닐리덴과 공중합 가능한 비닐계 단량체로는, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로 프로필렌 및 3염화 불화 에틸렌 등이 예시된다.

또한, 폴리올레핀계 수지로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화 폴리에틸렌 또는 염화 폴리프로필렌을 들 수 있지만, 염화 폴리에틸렌이 바람직하게 사용된다.

본 발명에서 사용되는 다공성 막의 제조 방법의 개요를 설명한다. 먼저, 전술한 다공질 기재의 표면에, 전술한 수지와 용매를 포함하는 원액의 피막을 형성하면서, 원액을 다공질 기재에 함침시킨다. 그 후, 피막이 형성된 다공질 기재의 피막 측면에만, 비용매(非溶媒)를 포함하는 응고조(coagulating bath)에 접촉시켜, 수지를 응고시킴과 동시에 다공질 기재의 표면에 다공질 수지층을 형성한다. 원액에 비용매를 포함시킬 수도 있다. 원액의 온도는 제막성 관점에서, 통상 15∼120℃의 범위내에서 선정하는 것이 바람직하다.

여기서, 원액에 개공(開孔)제를 첨가할 수도 있다. 개공제는 응고조에 침지시, 추출되어, 수지층을 다공성으로 만드는 작용을 하는 것이다. 개공제를 첨가함으로써, 평균 세공 직경을 제어할 수 있다. 개공제는, 응고조에 침지시, 추출되어 수지층을 다공성으로 만드는 작용을 하는 것이다. 개공제는 응고조에 대한 용해성이 높은 것이 바람직하다. 개공제로는, 예를 들면, 염화 칼슘이나 탄산칼슘 등의 무기염을 사용할 수 있다. 또한, 개공제로서 폴리에틸렌 글리콜이나 폴리프로필렌 글리콜 등의 폴리옥시 알킬렌류나, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐부티랄 및 폴리아크릴산 등의 수용성 고분자 화합물이나, 글리세린을 사용할 수 있다.

또한, 용매는 수지를 용해하는 것이다. 용매는 수지 및 개공제에 작용하여 이들이 다공질 수지층을 형성하는 것을 촉진한다. 용매로서는, N-메틸피롤리디논(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤 및 메틸에틸케톤 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 수지의 용해성이 높은 NMP, DMAc, DMF 및 DMSO를 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 원액에는 비용매를 첨가할 수도 있다. 비용매는 수지를 용해시키지 않는 액체이다. 비용매는 수지의 응고 속도를 제어하여 기공의 크기를 제어하도록 작용한다. 비용매로는 물이나, 메탄올 및 에탄올 등의 알코올류를 사용할 수 있다. 그 중에서도, 가격 측면에서 물이나 메탄올이 바람직하다. 비용매는 이들의 혼합물일 수도 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 다공성 막은 다공질 기재와 다공질 수지층으로 형성된 다공성 막인 것이 바람직하다. 이 때, 다공질 기재에 다공질 수지층이 침투된 것이거나 또는 다공질 기재에 다공질 수지층이 침투되지 않은 것일 수 있으며, 용도에 따라 선택된다. 다공질 기재의 평균 두께는 바람직하게는 50 ㎛ 이상 - 3000 ㎛ 이하의 범위내에서 선택된다. 또한, 다공성 막이 중공사막인 경우, 중공사의 내경은 바람직하게는 200 ㎛ 이상 - 5000 ㎛ 이하의 범위에서 선택되고, 막 두께는 바람직하게는 20 ㎛ 이상 - 2000 ㎛ 이하의 범위에서 선택된다. 또한, 유기 섬유 또는 무기 섬유를 통 모양으로 만든 직물이나 편물을 중공사 내부에 포함할 수도 있다.

본 발명에서 사용되는 다공성 막은 지지체와 조합되어 분리막 요소가 될 수 있다. 다공성 막이 있는 분리막 요소의 형태는 특별히 한정되지 않지만, 지지체로서 지지판을 이용하며 상기 지지판 중 적어도 한쪽 면에 본 발명에서 사용되는 다공성 막이 배치된 분리막 요소가, 본 발명에서 사용되는 다공성 막을 가지는 분리막 요소의 바람직한 일 형태이다. 이러한 형태에서, 막의 면적을 넓히는 것이 곤란한 경우에는, 투수량을 높이기 위해, 지지판의 양면에 다공성 막을 배치하는 것도 바람직한 태양이다.

본 발명에서 사용되는 다공성 막의 평균 세공 직경은 0.01 ㎛ 이상 - 1 ㎛ 미만인 것을 특징으로 한다. 다공성 막의 평균 세공 직경이 상기 범위에 포함되는 경우, 균체나 오니 등이 누수되지 않는 높은 제거율과 높은 투수성을 동시에 만족시킬 수 있으며, 또한 쉽게 막히지 않고, 투수성을 장시간 유지하는 것이, 보다 높은 정밀도와 재현성으로 실시할 수 있다. 다공성 막의 평균 세공 직경은 바람직하게는 0.4 ㎛ 이하이며, 평균 세공 직경 0.2 ㎛ 미만이 더 바람직하다. 평균 세공 직경이 너무 작으면 투수량이 저하될 수 있으므로, 본 발명에서의 평균 세공 직경은 0.01 ㎛ 이상이며, 바람직하게는 0.02 ㎛ 이상이며, 더 바람직하게는 0.04 ㎛ 이상이다. 여기서, 평균 세공 직경은, 배율 10,000배의 주사형 전자 현미경 관찰에서, 9.2 ㎛ × 0.4 ㎛의 범위내에서 관찰할 수 있는 세공의 직경을 모두 측정하고, 평균함으로써 구할 수 있다.

또한, 다공성 막의 평균 세공 직경의 표준 편차 σ는, 0.1 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 평균 세공 직경의 표준 편차가 작은 것, 즉 세공 직경의 크기가 고른 것이 균일한 투과액을 수득할 수 있고, 발효 운전 관리가 용이하게 이루어지기 때문에, 평균 세공 직경의 표준 편차는 작으면 작을수록 바람직하다.

평균 세공 직경의 표준 편차 σ는, 전술한 9.2 ㎛ × 0.4 ㎛의 범위 내에서 관찰할 수 있는 세공의 수를 N으로 하고, 측정한 각각의 직경을 Xk로 하여, 세공 직경의 평균 X(ave)를 하기 수식 1로 산출한다.

[수식 1]

본 발명에서 사용되는 다공성 막에서, 배양액의 투과성은 중요한 점들 중 하나이며, 투과성의 지표로서 사용 전의 다공성 막의 순수(純水) 투과 계수를 이용할 수 있다. 본 발명에서, 다공성 막의 순수 투과 계수는, 역침투막(逆浸透膜)에 의해, 25℃의 정제수를 사용하여, 헤드 높이 1 m에서 투수량을 측정하여 산출하였을 때, 2 × 0^-9 m³/m²/s/Pa 이상인 것이 바람직하며, 순수 투과 계수가 2 × 0^-9 m³/m²/s/Pa 이상 - 6×0^-7 m³/m²/s/pa 이하이면, 실용적인 충분한 투과수량을 수득할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 다공성 막의 막 표면 거칠기는, 분리막의 눈막힘(目詰)에 영향을 주는 인자로서, 바람직하게는 막 표면 거칠기가 0.1 ㎛ 이하일 때에 분리막의 박리 계수나 막 저항을 바람직하게 저하시킬 수 있으며, 보다 낮은 막 간 차압으로 연속 발효를 실시할 수 있다. 따라서, 눈막힘(目詰)을 억제함으로써, 안정적인 연속 발효가 가능해지므로, 표면 거칠기는 작으면 작을수록 좋다.

또한, 막 표면 거칠기가 낮으면, 미생물의 여과시 막 표면에서 발생하는 전단력의 저하를 기대할 수 있으며, 미생물의 파괴가 억제되고, 다공성 막의 눈막힘도 억제됨으로써, 장기간 안정적인 여과가 가능할 것으로 여겨진다.

여기서, 막 표면 거칠기는 하기의 원자간력현미경 장치(AFM)를 사용하여,하기의 조건에서 측정할 수 있다.

·장치 원자간력 현미경 장치(Digital Instruments(주) 제품의 Nanoscope IIIa)

·조건 탐침 SiN 캔틸레버(Digital Instruments(주) 제품)

주사 모드 컨택트 모드(공기 중 측정)

수중 탭핑 모드(수중 측정)

주사 범위 10 ㎛, 25 ㎛ 사방(공기 중 측정)

5 ㎛, 10 ㎛ 사방(수중 측정)

주사 해상도 512 × 512

· 시료 조제 측정 시에 막 샘플은 상온에서 에탄올에 15분간 침지한 후, RO 수중에 24시간 침지하여 헹군 다음, 바람에 건조한 것을 사용하였다.

막 표면 거칠기 d_rough는, 상기 AFM을 이용하여 각 포인트의 Z축 방향의 높이로부터 하기의 (식 2)에 의해 산출한다.

[수식 2]

본 발명의 공정 (A)에서, 미생물을 다공성 막으로 여과시 막간 차압은, 미생물 및 배지 성분이 용이하게 막히지 않는 조건이면 되지만, 막간 차압 0.1 내지 20 kPa의 범위에서 여과 처리하는 것이 중요하다. 막간 차압은 바람직하게는 0.1 - 10 kPa의 범위이며, 보다 바람직하게는 0.1 - 5 kPa의 범위이며, 보다 바람직하게는 0.1 - 2 kPa의 범위이다. 상기한 막간 차압의 범위를 벗어난 경우, 미생물 및 배지 성분의 눈막힘이 급속하게 발생하여, 투과수량의 저하를 초래하므로, 연속 발효 운전에 문제가 발생할 수도 있다.

여과의 구동력으로서, 발효 배양액과 다공성 막 투과액의 용액의 위상 차이(수두차)를 이용한 사이폰(siphon)에 의해, 다공성 막에 막간 차압을 발생시킬 수 있다. 또한, 여과의 구동력으로서 다공성 막 투과액 측에 흡입 펌프를 설치할 수도 있으며, 다공성 막의 발효 배양액 측에 가압 펌프를 설치할 수도 있다. 막간 차압은 발효 배양액과 다공성 막 투과액의 용액 위상 차를 변화시켜, 제어할 수 있다. 또한, 막간 차압을 발생시키기 위해 펌프를 사용하는 경우, 흡입 압력에 의해 막간 차압을 제어할 수 있으며, 또한 발효 배양액 측에 가압성 기체 또는 액체의 압력에 의해서도 막간 차압을 제어할 수 있다. 이러한 압력의 제어를 행하는 경우에는, 발효 배양액 측의 압력과 다공성 막 투과액 측의 압력 차를 막간 차압으로 하며, 막간 차압의 제어에 이용할 수 있다.

공정 (A)에서 사용되는 연속 발효 장치로서는 상기한 요건을 만족하는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 WO 2007/097260의 도 1 또는 도 2에 개시된 것이 바람직하다. 또한, 발효 배양액을 여과하기 위한 다공성 막 요소도, 상기한 요건을 만족하는 것이면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, WO 2007/097260의 도 3 또는 도 4에 개시된 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 발효 원료로서는 배양하는 락트산 발효 능력을 가진 미생물의 생육을 촉진시키고, 대상 락트산을 양호하게 생산할 수 있는 것이면 되고, 탄소원, 질소원, 무기염류와, 필요에 따라, 아미노산, 비타민 등의 유기 미량 영양소를 적당히 함유하는 통상의 액체 배지가 바람직하다. 탄소원으로는 글루코오스, 슈크로오스, 플락토오스, 갈락토오스, 락토스 등의 당류, 이들 당류를 함유하는 전분 당화액, 감자당밀(甘藷糖蜜), 사탕무 당밀, 하이 테스트 당밀(Hi Test molasses), 또한, 아세트산 등의 유기산, 에탄올 등의 알코올류, 글리세린 등도 사용된다. 질소원으로는 암모니아 가스, 암모니아수, 암모늄 염류, 요소, 질산 염류, 그 외에도 보조적으로 사용되는 유기 질소원, 예를 들면, 유박류, 대두 가수분해액, 카제인 분해물, 그 외 아미노산, 비타민류, 옥수수 침지액, 효모 또는 효모 엑기스, 육류 엑기스, 펩톤 등의 펩티드류, 각종 발효 균체 및 그 가수분해물 등이 사용된다 무기염류로는 인산염, 마그네슘염, 칼슘염, 철염, 망간염 등을 적당히 첨가할 수 있다. 본 발명에 사용되는 락트산 발효 능력을 가진 미생물이 생육을 위해 특정한 영양소를 필요로 하는 경우에는, 그 영양물을 표준품(標品) 또는 이를 함유하는 천연물로서 첨가한다. 또한, 소포제도 필요에 따라 사용된다. 본 발명에서, 배양액이란, 발효 원료에 락트산 발효 능력을 가진 미생물을 증식하여 수득하는 액을 의미하며, 추가되는 발효 원료의 조성은, 락트산의 생산성이 증가되도록, 배양 개시시 발효 원료 조성에서 적절히 변경할 수도 있다.

공정 (A)에서, 연속 배양 조작은 배양 초기에 배치(Batch) 배양 또는 피드-배치(Fed-Batch) 배양하여 미생물 농도를 높인 후, 연속 배양(빼내기)을 개시하거나, 또는 고농도의 균체를 접종하여, 배양 개시와 동시에 연속 배양할 수도 있다. 적절한 시기에 원료 배양액의 공급 및 배양물의 빼내기를 수행할 수 있다. 원료 배양액 공급과 배양물의 빼내기의 개시 시기는 반드시 동일할 필요는 없다. 또한, 원료 배양액의 공급과 배양물의 빼내기는 연속적으로 이루어지거나 간헐적으로 이루어질 수도 있다. 원료 배양액에는 상기 나타낸 바와 같은 균체의 증식에 필요한 영양소를 첨가하여, 균체의 증식이 연속적으로 이루어지도록 하면 된다. 배양액 중의 미생물의 농도는 배양액의 환경이 미생물의 증식에 부적절하게 되어 사멸율이 높아지지 않는 범위에서, 높은 상태로 유지하는 것이, 효율적인 생산성 달성에 바람직하고, 일예로 건조 중량으로서 5 g/L 이상으로 유지함으로써 양호한 생산 효율을 수득할 수 있다.

또한, 필요에 따라 발효조에서 미생물을 추출할 수도 있다. 예를 들면, 발효조 내 미생물 농도가 높아지면, 다공성 막이 폐쇄되기 쉬워지므로, 추출함으로써 폐쇄를 방지할 수 있다. 또한, 발효조내 미생물 농도로 인해 락트산의 생산 성능이 변경될 수 있으므로, 생산 성능을 지표로 하여 미생물을 추출함으로써 생산 성능을 유지시킬 수도 있다.

락트산 발효 능력이 있는 신선한 균체를 증식시키면서 수행하는 연속 배양 조작은, 통상적으로 단일 발효조에서 행하는 것이 배양 관리상 바람직하다. 그러나, 균체를 증식시키면서 생산물을 생성하는 연속 배양법이라면, 발효조의 수는 상관없다. 발효조의 용량이 작다는 등의 이유로 인해, 복수 개의 발효조를 사용할 수도 있다. 이 경우, 복수 개의 발효조를 배관으로 병렬 또는 직렬로 연결하여 연속 배양하여도, 발효 생산물의 높은 생산성이 달성된다.

다음으로, 공정 (B)의 나노 여과막에 의한 여과를 설명한다.

나노 여과막은 나노 필터(나노 여과막, NF막)라고도 하며, "1가 이온은 투과시키고, 2가 이온은 비투과시키는 막"으로 일반적으로 정의되는 막이다. 수 나노미터 정도의 미세 공극을 가진 것으로 여겨지는 막으로, 주로 수중의 미세 입자나 분자, 이온, 염류 등을 제거하기 위해 사용된다.

또한, "나노 여과막을 이용한 여과"란, 공정 (A)의 투과액을 나노 여과막을 통해 여과하여, 용해되거나 또는 고체로서 석출되는 무기염은 제거 또는 차단하거나, 저지 또는 여과 분리(濾別)하고, 락트산 용액을 여과액으로서 투과시키는 것을 의미한다. 여기서, 무기염은 배양액내에 포함된 무기염의 어떤 형태도 모두 포함하며, 또한 공정 (A)의 투과액에 용해된 것, 공정 (A)의 투과액에 석출 또는 침전되어 포함된 것 모두를 포함한다.

공정 (B)에서, 공정 (A)의 투과액의 pH를 2.0 이상 - 4.5 이하로 조정하는 것이 바람직하다. 나노 여과막은 용액 중에 이온화되어 있는 물질을, 이온화되어 있지 않은 물질로부터 제거 또는 차단하기 쉬운 것으로 알려져 있으므로, 공정 (A)의 투과액의 pH를 4.5 이하로 함으로써, 락트산이 투과액내에 해리되어 락트산 이온으로서 존재하는 비율을 줄여, 락트산이 쉽게 투과되게 한다. 또한, pH가 2.0 미만인 경우, 나노 여과막에 손상을 미칠 수 있다. 또한, 락트산의 pKa는 3.86이기 때문에, pH를 3.86 이하로 하는 경우, 락트산 이온과 수소 이온으로 해리되지 않은 락트산이 공정 (A)의 투과액내에 다량 포함되기 때문에, 효율적으로 락트산을 나노 여과막으로 투과시킬 수 있으므로, 보다 바람직하다. 그리고, 공정 (A)의 투과액의 pH 조정은 미생물 발효시나 또는 공정 (A) 이후에 수행할 수 있다. 또 pH 조정은, 투과액의 pH를 산성으로 조정하고자 하는 경우에는 무기 또는 유기의 산을 첨가하며, 알칼리성으로 조정하고자 하는 경우에는 수산화 칼슘, 암모니아수 등의 알칼리성 물질을 첨가하여, 조정할 수 있다.

공정 (B)의 나노 여과막에 제공되는 공정 (A)의 투과액으로서는, 공정 (A)의 배양액에 알칼리성 물질을 첨가함으로써 미생물 발효에 최적인 pH로 유지하여 수득되는 배양액을 다공성 막으로 여과한 투과액이 바람직하게 사용된다. 미생물의 배양은, 통상, pH 4∼8, 온도 20∼40℃의 범위에서 행해진다. 첨가되는 알칼리성 물질은 특별히 한정되지 않지만, 알칼리성의 칼슘염을 첨가하는 것이 바람직하다.

공정 (A)가 칼슘염의 존재 하에서의 연속 발효 공정인 경우, 공정 (B)의 전 단계에서, 공정 (A)의 투과액내 칼슘 성분을 난용성의 황산염으로 제거하는 공정 (D)를 도입할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 공정 (A)의 투과액에 황산을 첨가하여, 공정 (A)의 투과액내 칼슘 성분을 난용성 황산염인 황산 칼슘으로서 침전, 여과하는 공정 (D)를 행하고, 그 여과액(락트산을 포함한 분리액)을 공정 (B)의 나노 여과막에 통과시킴으로써, 보다 효과적으로 칼슘 성분을 제거 또는 차단할 수 있다. 알칼리성 칼슘염으로는 수산화 칼슘, 탄산칼슘, 인산 칼슘, 산화칼슘, 아세트산 칼슘 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 수산화 칼슘이다. 공정 (A)의 투과액내 칼슘 성분을 난용성 황산염으로 침전, 여과하는 경우, 배양액에 첨가하는 황산의 당량이 칼슘의 당량을 초과하면(황산 당량 ＞ 칼슘 당량), 과잉 분량의 황산이 나노 여과막을 통해 일부 통과하여, 이 후 공정 (B)의 투과액을 농축, 증류 등의 가열 조건 하에 노출시 투과된 황산이 락트산의 올리고머화를 촉진하는 촉매로서 작용하여, 증류 수율을 저감시킬 우려가 있다. 이로 인해, 공정 (A)의 투과액의 칼슘 성분을 난용성 황산염으로서 침전, 여과하는 경우, 공정 (A)의 투과액의 칼슘 성분의 당량 이하로 황산을 첨가하는 것이 바람직하고, pH로 첨가 당량을 조정하는 경우에는, pH 2.0 이상이면, 칼슘 성분의 당량 이하로 되기 때문에, 바람직하다.

또한, 상기 공정 (D) 전에, 공정 (A)의 투과액으로부터 락트산 이외의 유기산을 제거하면서 락트산 칼슘의 결정을 추출하는 공정 (E)를 도입할 수 있다. 구체적으로는, 공정 (A)의 투과액에 알칼리성 칼슘을 첨가함으로써 pH를 조정하고, 상기 투과액을 공정 (B)에 사용되는 것과 동등한 나노 여과막에 통과시킴으로써, 락트산 칼슘을 포함한 수용액을 비투과액으로부터 회수하고, 투과액에서 아세트산을 포함한 유기산을 제거할 수 있다.

공정 (E)에서, 공정 (A)의 투과액의 pH를 6 이상 - 11 이하로 조정하는 것이 바람직하다. 나노 여과막은 용액 중에 이온화(해리)된 물질을 이온화되어 있지 않은(비해리) 물질에 비해 차단하기 쉬운 특성으로 인해, 배양액의 pH를 6 이상으로 함으로써, 배양액내 락트산이 해리되어 이온으로서 존재하는 비율(해리 락트산/비해리 락트산)을 아세트산이 해리되어 이온으로서 존재하고 있는 비율(해리 아세트산/비해리 아세트산) 보다 높여, 비투과액 측으로 보다 효율적으로 락트산 칼슘을 포함한 수용액을 회수할 수 있으며, 투과액 측으로부터 락트산 이외의 유기산을 효율적으로 분리할 수 있다. 또한, 배양액의 pH가 11을 초과하면, 나노 여과막의 내구성에 악영향을 미치므로, 바람직하지 않다.

공정 (E)에서, 나노 여과막의 투과액 측으로부터 분리되는 락트산 이외의 유기산은, 공정 (A)의 투과액 유래 또는 발효 원료 유래의 유기산이지만, 본 발명에서는 아세트산이 바람직하게 분리되어질 수 있다.

공정 (E)에서, 공정 (A)의 투과액의 pH를 조정하기 위한 알칼리성 칼슘으로서, 예를 들면, 수산화 칼슘, 탄산칼슘, 인산 칼슘, 산화칼슘, 아세트산 칼슘의 고체, 또는 수용액을 첨가하는 것이 바람직하고, 수산화 칼슘이 보다 바람직하다. 수용액을 첨가하는 경우, 알칼리성 칼슘의 농도는 한정되지 않으며, 포화 용해도를 초과한 슬러리 상태의 것을 첨가할 수도 있다.

본 발명에서 사용되는 나노 여과막의, 용해 또는 고체로서 석출되는 무기염의 제거, 차단 또는 여과의 정도를 평가하는 방법으로, 무기 이온 제거율(차단율)을 산출함으로써 평가하는 방법을 들 수 있지만, 이 방법으로 한정되는 것은 아니다. 무기염 차단율(제거율)은, 이온 크로마토그래피로 대표되는 분석을 통해, 원수(배양액) 중에 포함된 무기염의 농도(원수 무기염 농도) 및 투과액(락트산 용액) 중에 포함된 무기염의 농도(투과액 무기염 농도)를 측정함으로써, 식 3에 의해 산출할 수 있다.

(식 3)

무기염 제거율(%) = (1-(투과액 무기염 농도/원수 무기염 농도) × 100

공정 (B)에서 사용되는 나노 여과막의 막 분리 성능은 특별히 한정되지 않지만, 나노 여과막의 구연산 투과율에 대한 황산 마그네슘 투과율의 비율이, 조작 압력 0.5 MPa, 원수 온도 25℃, 원수 농도 1000 ppm에서, 3 이상인 것이 바람직하다. 상기 조건에서, 나노 여과막의 구연산 투과율에 대한 황산 마그네슘 투과율의 비율이 3 이상이면, 공정 (A)의 투과액내에 포함된 무기염을 제거하여, 효율적으로 락트산을 투과시킬 수 있기 때문에, 보다 바람직하다. 여기서, 황산 마그네슘 투과율은, 이온 크로마토그래피로 대표되는 분석을 통해, 원수에 포함된 황산 마그네슘의 농도(원수 황산 마그네슘 농도) 및 투과액에 포함된 황산 마그네슘의 농도(투과액 황산 마그네슘 농도)를 측정하여, 식 4에 의해 산출할 수 있다. 마찬가지로 구연산 투과율도 고속 액체 크로마토그래피로 대표되는 분석에 의해, 원수에 포함된 구연산의 농도(원수 구연산 농도) 및 투과액에 포함된 구연산의 농도(투과액구연산 농도)를 측정하고, 황산 마그네슘 농도를 구연산 농도로 치환하여 식 4에 의해 산출할 수 있다.

(식 4)

황산 마그네슘 투과율(%) = (투과액 황산 마그네슘 농도)/(원수 황산 마그네슘 농도) × 100

또한, 황산 마그네슘 투과율은, 조작 압력 0.5 MPa, 원수 온도 25℃, 원수 농도 1000 ppm에서, 1.5% 이하인 것이 바람직하다. 상기 조건에서, 나노 여과막의 황산 마그네슘 투과율이 1.5%를 초과하는 경우, 나노 여과막을 통과한 락트산 용액을 농축시키면 무기염이 석출될 우려가 있으며, 또한 증류 조작을 행하면, 투과된 무기염으로 인해 락트산의 라세미화와 올리고머화가 발생되기 쉬워지며, 또한, 증류 수율이 저하될 우려가 있다. 보다 바람직하게는, 나노 여과막은 황산 마그네슘 투과율이 1.0% 이하인 것을 사용한다.

그 외에도, 염화 나트륨(500 mg/L)의 제거율이 45% 이상인 나노 여과막이 바람직하게 사용된다. 또한, 나노 여과막의 투과 성능, 0.3 MPa의 여과압에서, 막 단위 면적당 염화 나트륨(500 mg/L)의 투과 유량(m³/m²/day)이 0.5 이상 - 0.8 이하인, 나노 여과막이 바람직하게 사용된다. 막 단위 면적당 투과 유량(막 투과 유속)의 평가 방법으로는, 투과액량, 투과액량을 채수한 시간 및 막 면적을 측정함으로써, 식 5에 의해 산출할 수 있다.

(식 5)

막 투과 유속(m³/m²/day) = 투과액량/막 면적/채수 시간

본 발명에서 사용되는 나노 여과막의 소재는 아세트산 셀룰로스계 폴리머, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 비닐 폴리머 등의 고분자 소재를 사용할 수 있지만, 상기 한가지 종류의 소재로 구성되는 막으로 한정되지 않으며, 복수의 막 소재를 포함하는 막일 수도 있다. 또한, 막 구조는, 막의 적어도 한쪽 면에 치밀층을 가지며, 치밀층에서 막 내부 또는 다른 한쪽 면 방향으로 점차 큰 구멍 직경의 미세공을 가지는 비대칭막이나, 비대칭막의 치밀층 상에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 기능층을 가지는 복합막 중 어느 것이라도 된다. 복합막으로는, 예를 들면, 일본 특허출원 공개번호 소 62-201606호 공보에 기재된 폴리술폰을 막 소재로 하는 지지 막에 폴리아미드의 기능층으로 이루어진 나노 필터를 구성하는 복합막을 사용할 수 있다.

이 중에서도, 고내압성과 고투수성, 높은 용질 제거 성능을 겸비한 잠재력이 우수한, 폴리아미드를 기능층으로 한 복합막이 바람직하다. 조작 압력에 대한 내구성과 고투수성, 차단 성능을 유지할 수 있기 위해서는, 폴리아미드를 기능층으로 하고, 이를 다공질 막이나 부직포로 이루어지는 지지체로 유지하는 구조의 막이 적합하다. 또한, 폴리아미드 반투막으로, 다관능 아민과 다관능 산 할로겐화물과의 중축합 반응에 의해 수득되는 가교 폴리아미드의 기능층을 지지체에 가지고 있는 복합 나노 여과막이 적합하다.

폴리아미드를 기능층으로 하는 나노 여과막에서, 폴리아미드를 구성하는 단량체의 바람직한 카르복시산 성분으로는, 예를 들면, 트리메신산, 벤조페논테트라카르복시산, 트리멜리트산, 피로멜리트산, 이소프탈산, 테레프탈산, 나프탈렌 디카르복시산, 디페닐카르복시산, 피리딘 카르복시산 등의 방향족 카르복시산을 들 수 있지만, 막 형성 용매에 대한 용해성을 고려하면, 트리메신산, 이소프탈산, 테레프탈산 및 이들 혼합물이 보다 바람직하다.

상기 폴리아미드를 구성하는 단량체의 바람직한 아민 성분으로서는, m-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 벤지딘, 메틸렌비스디아닐린, 4,4'-디아미노페닐 에테르, 디아니시딘, 3,3',4-트리아미노비페닐에테르, 3,3',4,4'-테트라아미노비페닐에테르, 3,3'-디옥시벤지딘, 1,8-나프탈렌디아민, m(p)-모노메틸 페닐렌디아민, 3,3'-모노메틸아미노-4,4'-디아미노페닐에테르, 4,N,N'-(4-아미노 벤조일)-p(m)-페닐렌디아민-2,2'-비스(4-아미노페닐벤조이미다졸), 2,2'-비스(4-아미노페닐벤조옥사졸), 2,2'-비스(4-아미노페닐벤조티아졸) 등의 방향환을 가지는 1급 디아민, 피페라진, 피페리딘 또는 이들 유도체 등의 2급 디아민을 들 수 있으며, 특히 피페라진 또는 피페리딘을 단량체로서 포함하는 가교 폴리아미드를 기능층으로 하는 나노 여과막이 내압성, 내구성 외에도, 내열성, 내약품성을 가지고 있어 바람직하게 사용된다. 보다 바람직하게는 상기 가교 피페라진 폴리아미드 또는 가교 피페리딘 폴리아미드를 주성분으로 하고, 또한 상기 화학식 (1)로 표시되는 구성 성분을 함유하는 폴리아미드, 보다 바람직하게는 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하고, 또한 상기 화학식 (1)로 표시되는 구성 성분을 함유하는 폴리아미드이다. 또한, 상기 화학식 (1)에서 n = 3인 것이 바람직하게 사용된다. 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하고, 또한 상기 화학식 (1)로 표시되는 구성 성분을 함유하는 폴리아미드를 기능층으로 하는 나노 여과막으로서는, 예를 들면, 일본 특허출원 공개번호 소 62-201606호 공보에 기재된 것을 들 수 있으며, 구체적인 예로 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하고, 상기 화학식 (1)에서 n = 3인 것을 구성 성분으로서 함유하는 폴리아미드를 기능층으로 하는, 도레이 주식회사의 가교 피페라진 폴리아미드계 반투막 UTC60을 들 수 있다.

나노 여과막은 일반적으로 스파이럴형의 막 엘리먼트로서 사용되며, 본 발명에서 사용되는 나노 여과막도 스파이럴형의 막 엘리먼트로서 바람직하게 사용된다. 바람직한 나노 여과막 엘리먼트의 구체예로는, 예를 들면, 아세트산 셀룰로스계의 나노 여과막인 GEOsmonics 사의 나노 여과막 GEsepa, 폴리아미드를 기능층으로 하는 알파라발 사의 나노 여과막 NF99 또는 NF99HF, 가교 피페라진 폴리아미드를 기능층으로 하는 필름테크 사의 나노 여과막 NF-45, NF-90, NF-200 또는 NF-400, 또는 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하고 상기 화학식 (1)로 표시되는 구성 성분을 함유하는 폴리아미드를 기능층으로 하는 도레이 주식회사의 UTC60를 포함하는 동일 회사의 나노 여과막 모듈 SU-210, SU-220, SU-600 또는 SU-610을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리아미드를 기능층으로 하는 알파라발 사제 나노 여과막 NF99 또는 NF99HF, 가교 피페라진 폴리아미드를 기능층으로 하는 필름테크 사의 나노 여과막 NF-45, NF-90, NF-200 또는 NF-400, 또는 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하고, 상기 화학식 (1)으로 표시되는 구성 성분을 함유하는 폴리아미드를 기능층으로 하는, 도레이 주식회사의 UTC60를 포함하는 동일 회사의 나노 여과막 모듈 SU-210, SU-220, SU-600 또는 SU-610을 들 수 있으며, 더 바람직하게는 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하고 상기 화학식 (1)으로 표시되는 구성 성분을 함유하는 폴리아미드를 기능층으로 하는, 도레이 주식회사의 UTC60를 포함하는 동일 회사의 나노 여과막 모듈 SU-210, SU-220, SU-600 또는 SU-610이다.

공정 (B)에서, 나노 여과막에 의한 여과는 압력을 인가하여 수행할 수 있으며, 여과압은, 0.1 MPa 이상 - 8 MPa 이하의 범위인 것이 바람직하다. 여과압이 0.1 MPa 미만이면 막 투과 속도가 저하되고, 8 MPa 초과하면 막 손상에 영향을 미칠 우려가 있다. 또한, 여과압 0.5 MPa 이상 - 7 MPa 이하로 이용하면, 막 투과 유속이 높아 락트산 용액을 효율적으로 투과시킬 수 있으며 막 손상 가능성도 낮아, 보다 바람직하며, 특히 1 MPa 이상 - 6 MPa 이하로 사용하는 것이 바람직하다.

공정 (B)에서, 락트산의 농도는 특별히 한정되지 않지만, 고농도이면 공정 (B)의 투과액 중에 포함되는 락트산의 농도도 높아지므로, 농축 시간을 단축시킬 수 있어 비용 삭감에 매우 적합하다.

공정 (B)에서, 무기염의 농도는 특별히 한정되지 않으며, 포화 용해도 이상이라도 된다. 즉, 무기염이 포화 용해도 이하이면 배양 용액 중에 혼합되고, 포화 용해도 이상이면 일부 석출되지만, 공정 (B)에서는, 공정 (A)의 투과액 중에 혼합된 것, 공정 (A)의 투과액에서 석출 또는 침전된 것들 모두 제거 또는 차단할 수 있으므로, 무기염의 농도에 구속되지 않고 락트산을 여과할 수 있다.

상기 방법에 따라 공정 (A)의 투과액 락트산을 분리할 때, 락트산의 나노 여과막 투과성을 평가하는 방법으로 락트산 투과율을 산출하여 평가할 수 있다. 락트산 투과율은, 고속 액체 크로마토그래피로 대표되는 분석을 통해, 원수(배양액)에 포함된 락트산의 농도(원수 락트산 농도) 및 투과액(락트산 함유 용액)에 포함된 락트산의 농도(투과액 락트산 농도)를 측정함으로써, 식 6에 의해 산출할 수 있다.

(식 6)

락트산 투과율(%)=(투과액 락트산 농도/원수 락트산 농도)×100

본 발명의 락트산의 제조 방법은, 공정 (B)의 투과액을, 증류 공정 (C)에 제공함으로써, 고순도의 락트산을 얻는 것을 특징으로 한다. 증류 공정은, 1 Pa 이상 - 대기압(상압, 약 101 kPa) 이하의 감압하에서 행해진다. 10 Pa 이상 - 30 kPa 이하의 감압하에서 수행하면, 증류 온도를 낮출 수 있어 보다 바람직하다. 감압하에서 행하는 경우의 증류 온도는, 20℃ 이상 - 200℃ 이하이며, 180℃ 이상에서 증류를 행한 경우, 불순물의 영향에 의해, 락트산이 라세미화될 우려가 있으므로, 50℃ 이상 - 180℃ 이하, 보다 바람직하게는 60℃ 이상 - 150℃ 이하에서, 바람직하게 락트산의 증류를 행할 수 있다.

상기 공정 (C)에 제공하기 전에, 공정 (B)의 투과액을, 일단, 증발기로 대표되는 농축 장치를 사용하여 농축할 수 있으며, 또한, 공정 (B)의 투과액을 역침투막으로 여과하여 락트산의 농도를 증가시키는 공정 (F)에 제공할 수도 있지만, 농축용 에너지 삭감이라는 관점에서, 바람직하게는 역침투막으로 여과하여 락트산의 농도를 높이는 공정 (F)에 사용된다. 여기서 말하는 역침투막이란, 피처리수의 침투압 이상의 압력차의 구동력으로 이온이나 저분자량 분자를 제거하는 여과막이며, 예를 들면, 아세트산 셀룰로스 등의 셀룰로스계, 다관능 아민 화합물과 다관능산 할로겐화물을 중축합한 미세 다공성 지지막 상에 폴리아미드 분리 기능층을 설치한 막 등을 사용할 수 있다. 역침투막 표면의 오염, 즉 파울링(fouling)을 억제하기 위하여, 산 할라이드 기와 반응하는 반응성 기를 적어도 1개 포함하는 화합물의 수용액을 폴리아미드의 분리 기능층 표면에 피복하여, 분리 기능층 표면에 잔존하는 산 할로겐기와 상기 반응성 기 간에 공유결합을 형성하는, 주로 하수 처리용의 저파울링 역침투막 등도 바람직하게 채용할 수 있다. 본 발명의 공정 (B)에서 2가의 칼슘 이온 대부분이 제거되므로, 역침투막 표면에 스케일(scale)이 생성되지 않으며, 안정된 막 농축을 행할 수 있다.

본 발명에서 바람직하게 사용되는 역침투막으로서는, 아세트산 셀롤로스계의 폴리머를 기능층으로 하는 복합막(이하, 아세트산 셀룰로스계의 역침투막 이라고도 함) 또는 폴리아미드를 기능층으로 하는 복합막(이하, 폴리아미드계의 역침투막이라고도 함)을 들 수 있다. 여기서, 아세트산 셀룰로스계의 폴리머로서는, 아세트산 셀룰로스, 2초산 셀룰로스, 3초산 셀룰로스, 프로피온산 셀룰로스, 부탄산 셀룰로스 등의 셀룰로스의 유기산 에스테르의 단독 또는 이의 혼합물, 및 혼합 에스테르를 사용한 것을 들 수 있다. 폴리아미드로서는, 지방족 및/또는 방향족의 디아민을 모노머로 하는 선형 폴리머 또는 가교 폴리머를 들 수 있다.

막 형태는 평막형, 스파이럴형, 중공사형 등 적절한 형태의 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 역침투막의 구체예로는, 예를 들면, 도레이 주식회사의 폴리아미드계 역침투막 모듈인 저압 타입의 SU-710, SU-720, SU-720 F, SU-710 L, SU-720 L, SU-720 LF, SU-720 R, SU-710 P, SU-720 P 외에도, 역침투막으로서 UTC70를 포함하는 고압 타입의 SU-810, SU-820, SU-820 L, SU-820 FA, 동일 회사의 아세트산 셀룰로스계 역침투막 SC-L100R, SC-L200R, SC-1100, SC-1200, SC-2100, SC-2200, SC-3100, SC-3200, SC-8100, SC-8200, 닛토 전공(주)의 NTR-759 HR, NTR-729 HF, NTR-70 SWC, ES10-D, ES20-D, ES20-U, ES15-D, ES15-U, LF10-D, 알파라발사의 RO98pHt, RO99, HR98PP, CE4040C-30 D, GE사의 GESepa, Filmtec사의 BW30-4040, TW30-4040, XLE-4040, LP-4040, LE-4040, SW30-4040, SW30HRLE-4040 등을 들 수 있다.

[락트산]

본 발명자는, 상기 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산이 불순물이 적고, 직접 중합법에 의해 폴리락트산을 제조할 수 있는 고품질의 락트산임을 발견하였고, 고품질의 락티드(폴리락트산의 원료) 및 폴리락트산을 수득하기 위해 락트산의 불순물 함유량 범위를 특정함으로써, 본 발명을 완성하였다. 본 발명의 락트산의 제1 특징은, 90% 락트산 수용액 중에서, 불순물로서 메탄올을 70 ppm 이하, 바람직하게는 65 ppm 이하, 보다 바람직하게는 50 ppm 이하, 보다 바람직하게는 30 ppm 이하로 함유하는 것이다. 90% 락트산 수용액내 메탄올의 함유량은, 가스 크로마토그래피 방법(GC)으로 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 메탄올의 함유량이 70 ppm를 초과하는 락트산인 경우, 상기 락트산을 직접 탈수 중축합하면 수득되는 폴리락트산의 중량 평균 분자량이 낮고 기계적 강도가 뒤떨어지기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 메탄올의 함유량이 70 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 락티드 합성의 수율이 저하되어, 바람직하지 않다.

본 발명의 락트산의 제2 특징은, 90% 락트산 수용액에서 불순물인 피루브산을 500 ppm 이하, 바람직하게는 400 ppm 이하, 보다 바람직하게는 300 ppm 이하로 함유한다는 것이다. 90% 락트산 수용액내 피루브산의 함유량은, 고속 액체 크로마토그래피법(HPLC)에 따라 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 피루브산의 함유량이 500 ppm를 초과하는 락트산은, 상기 락트산을 중합한 폴리락트산의 색상 측면에서 바람직하지 않다. 폴리락트산의 색상은 착색도에 의해 평가할 수 있는데, 착색도를 나타내는 지표로서 APHA 단위 색수를 사용할 수 있다. 그리고, APHA 단위 색 번호(하젠 단위 색 번호(color number))는, JISK0071-1(1998년 10월 20일 제정)의 측정법에 따라 구해지는 값이다. 또한, 피루브산의 함유량이 500 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 락티드 합성 수율 저하 및 락티드의 APHA 단위 색 번호 증가로 인해, 바람직하지 않다.

본 발명의 락트산의 제3 특징은, 90% 락트산 수용액내 불순물인 푸르푸랄을 15 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 보다 바람직하게는 5 ppm 이하로 함유하는 것이다. 90% 락트산 수용액내 푸르푸랄의 함유량은 고속 액체 크로마토그래피법(HPLC)에 따라 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 푸르푸랄의 함유량이 10 ppm를 초과하는 락트산은, 상기 락트산을 중합한 폴리락트산의 색상 및 열안정성에 있어서, 바람직하지 않다. 그리고, 폴리락트산의 열안정성은, 열중량 감소율에 의해 평가할 수 있다. 또한, 푸르푸랄의 함유량이 15 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 수득되는 락티드의 APHA 단위 색 번호 증가가 발생되어, 바람직하지 않다.

본 발명의 락트산의 제4 특징은, 90% 락트산 수용액내 불순물인 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄을 15 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 보다 바람직하게는 5 ppm 이하로 함유한다는 것이다. 90% 락트산 수용액내 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄의 함유량은 고속 액체 크로마토그래피법(HPLC)에 따라 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄의 함유량이 10 ppm를 초과하는 락트산을 중합하여 수득되는 폴리락트산은 색상과 열 안정성 측면에서 바람직하지 않다. 또한, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄의 함유량이 15 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 수득되는 락티드의 APHA 단위 색 번호 증가가 발생되어, 바람직하지 않다.

본 발명의 락트산의 제5 특징은, 90% 락트산 수용액내 불순물인 락트산 메틸을 600 ppm 이하, 바람직하게는 400 ppm 이하, 보다 바람직하게는 100 ppm 이하로 함유한다는 것이다. 90% 락트산 수용액내 락트산 메틸의 함유량은 가스 크로마토그래피법(GC)에 따라 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 락트산 메틸의 함유량이 600 ppm를 초과하는 락트산인 경우, 상기 락트산을 직접 탈수 중축합하여 수득되는 폴리락트산은 중량 평균 분자량이 낮고, 기계적 강도가 뒤떨어지기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 락트산 메틸의 함유량이 600 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 수득되는 락티드의 APHA 단위 색 번호 증가가 발생되어 바람직하지 않다.

본 발명의 락트산의 제6 특징은, 90% 락트산 수용액내 불순물인 아세트산을 500 ppm 이하, 바람직하게는 400 ppm 이하, 보다 바람직하게는 300 ppm 이하로 함유한다는 것이다. 90% 락트산 수용액내 아세트산의 함유량은 고속 액체 크로마토그래피법(HPLC)에 따라 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 아세트산의 함유량이 500 ppm를 초과하는 락트산을 중합하여 수득하는 폴리락트산은 열 안정성 측면에서 바람직하지 않다. 또한, 아세트산의 함유량이 500 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 락티드의 합성 수율이 저하되어 바람직하지 않다.

본 발명의 락트산의 제7 특징은, 90% 락트산 수용액내 불순물인 2-하이드록시 부탄산을 500 ppm 이하, 바람직하게는 300 ppm 이하, 보다 바람직하게는 200 ppm 이하로 함유한다는 것이다. 90% 락트산 수용액내 2-하이드록시 부탄산의 함유량은 고속 액체 크로마토그래피법(HPLC)에 따라 측정할 수 있다. 90% 락트산 수용액내 2-하이드록시 부탄산의 함유량이 500 ppm를 초과하는 락트산을 중합하여 수득한 폴리락트산은 열 안정성 측면에서 바람직하지 않다. 또한, 2-하이드록시 부탄산의 함유량이 500 ppm를 초과하는 락트산을 사용하는 경우, 락티드의 합성 수율이 저하되어 바람직하지 않다.

그 외에도, 본 발명의 락트산은 (L) 형 또는 (D) 형의 락트산 중 어느 하나, 또는 (L) 형과 (D) 형의 혼합 락트산일 수도 있다. 혼합물인 경우, (L) 형 또는 (D) 형의 이성체 함유율을 나타내는 광학 순도가 90% 이상이면, 수득되는 폴리락트산의 융점이 높아져 바람직하며, 보다 바람직하게는 95% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상, 가장 바람직하게는 99.9% 이상이다.

본 발명의 락트산을 원료로 하는 락티드 및 락티드의 제조 방법, 및 폴리락트산 및 폴리락트산의 제조 방법도 본 발명에 포함된다.

[락티드]

본 발명의 락티드에는, L-락트산 또는 D-락트산으로 이루어지는, L, L-락티드, D, D-락티드 또는 D, L-락티드가 포함되지만, 바람직하게는 L, L-락티드 또는 D, D-락티드이다.

락티드의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 종래 행해지는 바와 같이 락트산을 감압하에서 가열하여 락트산 올리고머로 만든 후, 락트산 올리고머를 촉매 존재하에 감압하 가열하여 해중합(解重合)함으로써 락티드로 변환하는 방법을 바람직하게 사용할 수 있다. 락트산 올리고머의 개중합(開重合)시 사용되는 촉매는 한정되지 않으며, 통상적으로, 주기율표 IA족, IIIA족, IVA족, IIB족, IVB족 및 VA족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 또는 금속 화합물로 이루어지는 촉매이다.

IA족에 속하는 것으로는, 예를 들면, 알칼리 금속의 수산화물(예, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 리튬 등), 알칼리 금속과 약산성 염(예, 락트산 나트륨, 아세트산 나트륨, 탄산나트륨, 옥틸산 나트륨, 스테아린산 나트륨, 락트산 칼륨, 아세트산 칼륨, 탄산칼륨, 옥틸산칼륨 등), 알칼리 금속의 알콕시드(예, 나트륨메톡시드, 칼륨메톡시드, 나트륨에톡시드, 칼륨에톡시드 등) 등을 들 수 있다.

IIIA족에 속하는 것으로는, 예를 들면, 알루미늄에톡시드, 알루미늄이소프로폭시드, 산화 알루미늄, 염화 알루미늄 등을 들 수 있다.

IVA족에 속하는 것으로는, 예를 들면, 유기 주석계의 촉매(예, 락트산 주석, 주석산 주석, 디카프릴산 주석, 디라우릴산 주석, 디팔미틴산 주석, 디스테아린산 주석, 디올레인산 주석,α-나프토산 주석,β-나프토산 주석, 옥틸산 주석 등) 외에도, 분말 주석, 산화 주석, 할로겐화 주석 등을 들 수 있다.

IIB족에 속하는 것으로는, 예를 들면, 아연 분말(zinc dust), 할로겐화 아연, 산화 아연, 유기 아연계 화합물 등을 들 수 있다.

IVB족에 속하는 것으로는, 예를 들면, 테트라 프로필 티타네이트 등의 티탄계 화합물, 지르코늄이소프로폭시드 등의 지르코늄계 화합물 등을 들 수 있다.

VA족에 속하는 것으로는, 예를 들면, 삼산화 안티몬 등의 안티몬계 화합물, 산화 비스무스(III) 등의 비스무스 계 화합물 등을 들 수 있다.

이들 중에서도, 주석 또는 주석 화합물로 이루어지는 촉매가 활성 측면에서 보다 바람직하고, 옥틸산 주석이 특히 바람직하다.

이들 촉매의 사용량은, 락트산 올리고머에 대하여 0.01∼20 중량%, 바람직하게는 0.05∼15 중량%, 보다 바람직하게는 0.1∼10 중량% 정도이다.

해중합 반응은 통상의 종형(縱型) 반응조를 사용하여 행할 수 있으며, 분자 증류 장치를 사용하여 행할 수도 있다. 분자 증류 장치로 포트 스틸형, 하강막형, 원심형 등을 들 수 있지만, 연속식으로 널리 공업적으로 사용되고 있는 것은 하강막형, 원심형 장치이다. 원심형 분자 증류 장치는 원심력을 이용하여 가열면 위에 증발 물질의 막을 펼치는 방식이고, 하강막형 분자 증류 장치는 증발 물질을 가열면을 따라 하강시켜 박막을 형성하는 방식이다.

해중합 온도는 160∼300℃, 바람직하게는 180∼260℃, 보다 바람직하게는 190∼250℃로 설정한다. 이 온도가 160℃ 미만이면, 락티드의 유출(留出)이 어려워져, 상당히 높은 진공도를 필요로 한다. 한편, 온도가 300℃를 초과하면, 라세미화, 착색의 원인이 되기 쉽다.

해중합 장치내 압력은 상기 해중합 온도에서의 락티드의 증기압 이하의 압력이며, 통상 1∼50 Torr 정도이지만, 보다 저압으로 하는 것이 가열 온도를 낮출 수 있어 바람직하고, 구체적으로는 바람직하게는 1∼20 Torr, 보다 바람직하게는 1∼10 Torr, 보다 바람직하게는 1∼5 Torr이다.

또한, 해중합 장치에서의 체류 시간은, 라세미화를 방지한다는 측면에서 가능한 한 짧은 것이 바람직하고, 통상적으로 1시간 이하이다. 분자 증류 장치를 사용하는 경우, 체로 시간은 10분 이하, 바람직하게는 3분 이하, 보다 바람직하게는 1분 이하로 할 수 있기 때문에, 바람직하다.

상기 락티드의 제조 방법에 의해 생성되는 락티드는 증기로서 해중합 반응계 밖으로 꺼내 포집할 수 있다. 락티드의 포집은 해중합 장치에 장착된 응축기에 의해 용이하게 행할 수 있다.

[폴리락트산]

본 발명의 폴리락트산이란, L-락트산 단위 또는 D-락트산 단위의 호모폴리머나, 폴리-L-락트산 단위로 이루어진 세그먼트와 폴리-D-락트산 단위로 이루어진 세그먼트로 구성된 폴리락트산 블록 공중합체나, 락트산 이외의 다른 모노머와의 공중합체를 포함한다. 공중합체인 경우, 락트산 이외의 다른 모노머 단위로는, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부탄디올, 헵탄디올, 헥산디올, 옥탄 디올, 노난디올, 데칸디올, 1,4-시클로헥산디메탄올, 네오펜틸 글리콜, 글리세린, 펜타에리트리톨, 비스페놀 A, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리테트라메틸렌글리콜 등의 글리콜 화합물, 옥살산, 아디프산, 세바신산, 아젤산, 도데칸디온산, 말론산, 글루타르산, 시클로 헥산 디카르복시산, 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 나프탈렌 디카르복시산, 비스(p-카르복시페닐) 메탄, 안트라센디카르복시산, 디페닐 에테르 디카르복시산, 나트륨 술포 이소프탈산, 테트라부틸포스포늄이소프탈산 등의 디카르복시산, 글리콜산, 하이드록시 프로피온산, 하이드록시 부탄산, 하이드록시발레산(吉相酸), 하이드록시 카프로산, 하이드록시 안식향산 등의 하이드록시카르복시산, 카프로락톤, 발레로락톤, 프로피오락톤, 운데락톤, 1,5-옥세판-2-온 등의 락톤류를 들 수 있다. 상기 다른 공중합 성분의 공중합량은 전체 단량체 성분에 대하여, 0∼30 몰%인 것이 바람직하고, 0∼10 몰%인 것이 보다 바람직하다.

상기 폴리락트산의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 폴리락트산의 제조 방법을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 락트산을 원료로 하여 일단 환상 이량체인 락티드를 생성한 다음 개환 중합을 행하는 2 단계의 락티드 제조법과 상기 원료를 용매 중에서 직접 탈수 중축합하는 1단계의 직접 중합법 등이 알려져 있으며, 어떤 제조 방법도 이용가능하다.

락티드법 및 직접 중합법에서는 중합 반응에 촉매를 사용함으로써 중합 시간을 단축할 수 있다. 촉매로서는, 예를 들면, 주석, 아연, 납, 티탄, 비스무스, 지르코늄, 게르마늄, 안티몬, 알루미늄 등의 금속 및 그 유도체를 들 수 있다. 유도체로서는, 금속 알콕시드, 카르복시산염, 탄산염, 산화물, 할로겐화물이 바람직하다. 구체적으로는, 염화주석, 옥틸산 주석, 염화 아연, 산화납, 탄산연, 염화 티탄, 알콕시 티탄, 산화 게르마늄, 산화 지르코늄 등을 들 수 있으며, 이들 중에서도 주석 화합물이 바람직하고, 아세트산 주석 또는 옥틸산 주석이 보다 바람직하다.

중합 반응은, 상기 촉매의 존재하에, 촉매 종류에 따라 달라질 수 있지만, 통상적으로 100∼200℃의 온도에서 행할 수 있다. 또한, 중합 반응에 따라 생성되는 물을 제외시키기 위해, 중합 반응은 감압 조건하에서 행해지는 것이 바람직하고, 바람직하게는 7 kPa 이하, 보다 바람직하게는 1.5 kPa 이하에서 행해진다.

또한, 중합 반응시 수산기 또는 아미노기를 분자내에 2개 이상 함유하는 화합물을 중합 개시제로 사용할 수도 있다. 여기서, 중합 개시제로서 사용되는 수산기 또는 아미노기를 분자내에 2개 이상 함유하는 화합물로는, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부탄디올, 헥산디올, 옥탄 디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 글리세린, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨, 소르비톨, 폴리(비닐 알코올), 폴리(하이드록시 에틸 메타크릴레이트), 폴리(하이드록시 프로필 메타크릴레이트) 등의 다가 알코올, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 부탄디아민, 헥산디아민, 디에틸렌 트리아민, 멜라민 등의 다가 아민 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 다가 알코올이 보다 바람직하다.

상기 중합 개시제의 첨가량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 사용하는 원료(L-락트산, D-락트산, L, L-락티드 또는 D, D-락티드) 100 중량부에 대하여 0.001∼5 중량부가 바람직하고, 0.01∼3 중량부가 더 바람직하다.

직접 중합법에 의해 폴리락트산을 제조하는 경우, 원료의 락트산이 고순도인 것이 필수적이지만, 본 발명의 락트산이면 직접 중합법에 충분히 적용할 수 있다. 또한, 직접 중합법을 행하는 용매로는, 중합에 영향을 미치지 않으면 특별히 제한되지 않으며, 물이나 유기용매를 사용할 수 있다. 유기용매의 경우, 예를 들면, 방향족 탄화수소류를 들 수 있다. 방향족 탄화수소류로는, 예를 들면, 톨루엔, 크실렌, 나프탈렌, 클로로벤젠, 디페닐 에테르 등을 들 수 있다. 또한, 직접 중합법에 의해 폴리락트산을 제조하는 경우, 축합 반응으로 생성되는 물을 반응계 밖으로 배출시켜, 중합을 촉진할 수 있다. 반응계 외부로 배출시키는 방법으로는, 감압 조건하에서 중합을 행하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 7 kPa 이하, 보다 바람직하게는 1.5 kPa 이하이다.

본 발명의 폴리락트산은 중량 평균 분자량이 120000 이상이고, 질소 분위기 하, 200℃의 일정한 온도에서의 가열 시간 20분 동안의 열중량 감소율이 6.5% 미만이며, APHA 단위 색 번호가 15 이하인 것을 특징으로 한다. 폴리락트산의 중량 평균 분자량이 120000 이상, 바람직하게는 140000 이상이면, 기계적 강도가 우수하며, 열중량 감소율이 6.5% 미만, 바람직하게는 6.0% 이하이면, 열 안정성이 우수하고, APHA15 이하, 바람직하게는 10 이하이면 색상이 뛰어나기 때문에, 이들 물성을 만족하는 본 발명의 폴리락트산은 섬유, 필름, 성형품 등의 다양한 용도에 적합하다.

실시예

이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서는, L-락트산 발효 능력을 가진 미생물로 서열번호 1에 나타내는 염기 서열을 가지는 제노푸스 유래의 L-락트산 탈수소효소 유전자(L-LDH 유전자)가 염색체에 도입된 사카로마이세스 세레비지아(Saccharomyces cerevisiae)를 사용하였다.

(참고예 1) L-락트산 발효 능력을 가진 효모주의 제작

일본 특허출원 공개번호 2008-029329호 공보에 기재되어 있는 B3주를 기본으로 육종한 균주를 L-락트산 발효 능력을 가지는 효모주로 사용하였다. 이하 육종 방법에 대해 설명한다.

먼저 B3주에, 서열번호 1에 기재된 L-LDH 유전자를 SED1 유전자 위치에 도입하였다. SED1 유전자 위치로의 도입은, 일본 특허출원 공개번호 2008-029329호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, pTRS102를 증폭 주형으로 하고 올리고 뉴클레오티드(서열번호 2, 3)를 프라이머 세트로 한 PCR에 의해, 제노푸스 유래의 L-LDH 유전자 및 TDH3 터미네이터 서열을 포함하는 1.3 kb의 PCR 단편을 증폭하였다. 서열번호 2는 SED1 유전자의 개시 코돈으로부터 상류 60 bp에 해당되는 서열을 부가하도록 디자인하였다.

다음으로, 플라스미드 pRS423를 증폭 주형으로 하고, 올리고 뉴클레오티드(서열번호 4, 5)를 프라이머 세트로 한 PCR을 실시하여, 효모 선택 마커인 HIS3 유전자를 포함하는 약 1.3 kb의 PCR 단편을 증폭하였다. 서열번호 5는 SED1 유전자의 종결 코돈으로부터 하류 60 bp에 해당되는 서열을 부가하도록 디자인하였다.

각각의 DNA 단편을 1% 아가로스겔 전기 영동으로 분리하고, 통상적인 방법으로 정제하였다. 여기서 얻어진 2종의 약 1.3 kb 단편을 혼합한 것을 증폭 주형으로 하여, 올리고 뉴클레오티드(서열번호 2, 5)를 프라이머 세트로 PCR하여, 5 말단과 3 말단에 각각 SED1 유전자의 상류 및 하류 60 bp에 해당되는 서열이 부가된, 제노푸스 유래의 L-LDH 유전자, TDH3 터미네이터 및 HIS3 유전자가 연결된 약 2.6 kb의 PCR 단편을 증폭하였다.

상기 PCR 단편을 1% 아가로스겔 전기 영동으로 분리하고, 통상적인 방법으로 정제한 다음, B3주에 형질전환하여, 히스티딘 무첨가 배지에서 배양함으로써, 제노푸스 유래의 L-LDH 유전자가 염색체 상에서 SED1 유전자 프로모터의 하류에 도입된, 형질전환주를 선별하였다.

상기 설명한 바와 같이 하여 얻어진 형질전환주는, 제노푸스 유래의 L-LDH 유전자가 염색체상의 SED1 유전자 프로모터의 하류에 도입된 효모인지를 다음과 같이 확인하였다. 먼저, 형질전환주의 게놈 DNA를 게놈 DNA 추출 키트 Gen 토르군(다카라 바이오사 제품)에 의해 제조하고, 이것을 증폭 주형으로 하여 올리고 뉴클레오티드(서열번호 6, 7)를 프라이머 세트로 PCR함으로써, 약 2.9 kb의 증폭 DNA 단편을 수득할 수 있음을 확인하였다. 그리고, 비형질전환주에서는 상기 PCR을 통해 약 1.4 kb의 증폭 DNA 단편을 수득할 수 있다. 이하, 상기 제노푸스 유래의 L-LDH 유전자가 염색체 상에서 SED1 유전자 프로모터의 하류에 도입된 형질전환주를 B4주로 한다.

다음으로, 일본 특허출원 공개번호 2008-48726호 공보에 기재된 pdc5 유전자 온도 감수성 변이 균주인 효모 SW015주와, 상기 수득한 B4주를 접합시켜, 2배체 세포를 수득하였다. 상기 2배체 세포를 포자낭 형성 배지에서 포자낭 형성시켰다. 미세 조작기로 포자낭을 해부하여 각각의 1배체 세포를 취한 후, 각각 1배체 세포의 영양 요구성을 조사하였다. 취한 1배체 세포 중에서, PDC1 유전자, SED1 유전자, TDH3 유전자 위치에 제노푸스 유래의 L-LDH 유전자가 삽입되어 있으며, PDC5 유전자에 온도 감수성 변이를 가지고 있는(34℃에서 생육 불가능) 균주를, MATa 및 MATα 각각의 접합형으로 선택하였다. 얻어진 효모주들 중에서, MATa의 접합형을 가지는 균주는 SU014-8 A로, MATα의 접합형을 가지는 균주는 SU014-3 B주라고 하였다.

다음으로, SU014-8 A주의 라이신 요구성을 복원시켰다. 후나코시 사의 BY4741의 게놈 DNA를 주형으로 하고, 올리고 뉴클레오티드(서열번호 8, 9)를 프라이머 세트로 한 PCR에 의해, LYS2 유전자의 앞쪽 절반에 해당되는 약 2 kb의 PCR 단편을 증폭시켰다. 이 PCR 단편을 1% 아가로스겔 전기 영동에 의해 분리하고, 통상적인 방법으로 정제한 후, SU014-8 A주에 형질전환하여, LYS2 유전자의 앰버 변이를 해제하였다. 라이신 무첨가 배지에서 배양함으로써, 라이신 합성 기능이 복원된 형질전환주를 선별하였다.

상기 설명한 바와 같이 하여 수득한 형질전환주가, LYS2 유전자의 앰버 변이가 해제된 효모인지를 확인하기 위해, 다음과 같이 행하였다. 먼저, 얻어진 형질전환체와 야생형의 LYS2 유전자를 가지고 있는 20GY77 주를 접합시켜, 2배체 세포를 얻었다. 이 2배체 세포를 포자낭 형성 배지에서 포자낭 형성시켰다. 미세 조작기로 포자낭을 해부하여 각각의 일배체 세포를 취한 후, 각 일배체 세포의 영양 요구성을 조사하였다. 입수한 일배체 세포들 모두 라이신 합성 기능을 가지고 있는 것으로 확인하였다. 그리고, LYS2의 변이가 해제되지 않고 라이신 합성 기능이 복원된 경우에는, 상기한 바와 같이 하여 수득되는 일배체 세포들 중에서 라이신 합성 기능이 없는 세포로 수득될 수 있다. 이하 SU014-8 A주의 라이신 합성 기능이 복원된 균주를 HI001라고 하였다.

다음으로, SU014-3 B주의 루신 요구성을 복원시켰다. pRS425를 주형으로 하고, 올리고 뉴클레오티드(서열번호 10, 11)를 프라이머 세트로 한 PCR에 의해, LEU2 유전자의 PCR 단편 약 2 kb를 증폭시켰다. 상기의 PCR 단편을 1% 아가로스겔 전기 영동에 의해 분리하고, 통상적인 방법으로 정제한 후, SU014-3 B주에 형질전환하여, LEU2 유전자의 변이를 해제시켰다. 루신 무첨가 배지에서 배양함으로써, 루신 합성 능력이 복원된 형질전환주를 선별하였다.

상기 설명한 바와 같이 하여 얻어진 형질전환주가 LEU2 유전자의 변이가 해제된 효모인지를 확인하기 위해, 하기 실험을 수행하였다. 먼저, 수득한 형질전환체와 야생형의 LEU2 유전자를 가진 20 GY7주를 접합시켜, 2배체 세포를 수득하였다. 이 2배체 세포를 포자낭 형성 배지에서 포자낭 형성시켰다. 미세 조작기로 포자낭을 해부하여, 각각의 일배체 세포를 취한 후, 각각 일배체 세포의 영양 요구성을 조사하였다. 입수한 일배체 세포들 모두 루신 능력이 있는 것으로 확인되었다. 그리고, LEU2 유전자의 변이는 해제되지 않고 루신 합성 능력이 복원된 경우에는, 상기한 바와 같이 하여 수득한 1배체 세포 중, 루신 합성 능력을 가지지 않는 세포가 수득될 수 있다. 이하 SU014-3 B주의 루신 합성 능력이 복원된 균주를 HI002라고 하였다.

이어서, 상기 설명한 바와 같이 하여 얻어진 HI001주와 HI002주를 접합시켜, 영양 요구성이 없는 2배체 원영양주를 수득하였다. 수득한 균주를 이하 HI003주라고 하였다.

락트산은, 배양액의 원심 상청액에 대해 하기 조건의 HPLC 방법에 의한 락트산 양의 측정을 통해, 확인하였다.

컬럼: Shim-Pack SPR-H(시마즈 주식회사 제작소 제품)

이동상: 5 mM p-톨루엔 술폰산(유속 0.8 mL/min)

반응액: 5 mM p-톨루엔 술폰산, 20 mM 비스트리스, 0.1 mM EDTA2Na(유속 0.8 mL/min)

검출 방법: 전기 전도도

온도: 45℃.

또한, L-락트산 또는 D-락트산의 광학 순도 측정을 이하의 조건으로 HPLC법에 의해 측정하였다.

컬럼: TSK-gel Enantio L1(도레이 주식회사 제품)

이동상: 1 mM 황산 동 수용액

유속: 1.0 ml/min

검출 방법: UV 254 nm

온도: 30℃.

또한, 락트산의 광학 순도는 하기 식으로 계산하였다.

광학 순도(%)=100×(L-D) 또는 (D-L)/(L＋D)

여기서, L은 L-락트산의 농도이고, D는 D-락트산의 농도이다.

(참고예 2) 배치 발효에 의한 L-락트산의 제조

참고예 1에서 제작한 HI003주를 사용하고, 원료 당배지(70 g/L 우당정(무소 주식회사 제품), 1.5 g/L 황산 암모늄)를 사용하여, 배치 발효 시험을 행하였다. 상기 배지는 고압 증기 멸균(121℃, 15분)하여 사용하였다. 생산물인 락트산의 농도 평가시, 참고예 1에 나타낸 HPLC를 사용하여 평가하였고, 글루코오스 농도 측정시 글루코오스 테스트 와코 C(와코 순약공업 주식회사 제품)를 사용하였다. 참고예 2의 배치 발효 장치의 운전 조건은 다음과 같이 나타낸다.

반응조 량(락트산 발효 배지량): 2(L), 온도 조정: 32(℃), 반응조 통기량: 0.1(L/min), 반응조 교반 속도: 200(rpm), pH 조정: 1 N 수산화 칼슘을 이용해 pH 5로 조정.

먼저, HI003주를 시험관내 5 ml의 원료 당배지에서 하룻밤 진탕 배양하였다(전전 배양). 전전 배양액을 신선한 원료 당배지 100 ml에 식균하여, 500 ml용 사카구치 플라스크에서 24시간 진탕 배양하였다(전 배양). 온도 조정, pH 조정을 행하고, 발효 배양을 행하였다. 배치 발효의 결과, 50시간 동안의 락트산의 축적 농도는 45∼49 g/L이며, 광학 순도는 L-락트산 99.9% 이상이었다.

(참고예 3) 연속 발효 공정

참고예 1에서 제작한 HI003주를 사용하여, 도 1에 나타낸 배양 장치에 의해 락트산의 연속 발효를 행하였다. 막 분리조로부터의 투과액 유출시 마스터 플렉스 펌프를 사용하였다. 배지에는 원료 당배지(70 g/L 우당정(무소 주식회사 제품), 1.5 g/L 황산 암모늄)를 사용하였다. 이 원료 당배지를 121℃의 온도에서 15분간, 고압(2 기압) 증기 멸균 처리하여 사용하였다. 다공성 막 엘리먼트 부재로서 스테인레스, 및 폴리 술폰 수지의 성형품을 사용하였고, 다공성 막으로는 WO2007/097260의 참고예 13에 기재된 방법으로 제작한 중공사막을 사용하였다.

또한, 운전 조건은 다음과 같이 하였다.

배양 반응조의 용량: 20(L)

배양 반응조 내의 배양액 용량: 15(L)

사용한 다공성 막: PVDF 여과막

막 분리 엘리먼트의 유효 여과 면적: 2800 평방cm

온도 조정: 32(℃)

배양 반응조의 통기량: 공기 1(L/min)

배양 반응조의 교반 속도: 800(rpm)

pH 조정: 5 N 수산화 칼슘에 의해 pH 5로 조정

멸균: 다공성 막 엘리먼트를 포함한 배양 반응조, 및 사용 배지 모두 121℃, 0.2 MPa, 20 min의 가압 증기 멸균

배양액 유출 속도: 0.16 m³/m²/d.

배양 개시 50시간째부터 페리스타 펌프에 의한 배양액 유출을 개시하였고, 500시간까지 배양을 행하였으며, 생산물질인 락트산의 농도와 락트산 생산 속도를 측정한 결과를 도 2에 나타낸다. 그리고, 락트산의 농도는 참고예 1에 나타낸 방법으로 측정하였고, 락트산의 생산 속도는 하기 식 7로 산출하였다.

(식 7)

락트산 생산 속도(g/L/hr)

= 유출한 액내 락트산의 축적 농도(g/L) × 발효액 유출 속도(L/hr) ÷ 장치의 운전 액량(L)

그 결과, 막간 차압은 1 kPa 이하로 바뀌고 막의 눈막힘 없이 안정적으로 운전 가능하였으며, 50시간에서부터 500시간까지의 평균 락트산 생산 속도는 6 g/L/h이었다. 이 중, 400∼500 시간의 다공성 막 투과액으로부터 수득되는 락트산을 하기 실시예에 사용하였다(락트산 농도: 52 g/L, L-락트산 광학 순도: 99.9%).

(참고예 4) 나노 여과막의 황산 마그네슘 투과성 평가

초순수 10 L에 황산 마그네슘(와코 순약공업 주식회사 제품) 10 g 첨가하여 25℃에서 1시간 교반하고, 1000 ppm 황산 마그네슘 수용액으로 조정하였다. 이어, 도 3에 나타낸, 막 여과 장치의 원수층(1)에 상기 조정한 황산 마그네슘 수용액 10 L를 주입하였다. 도 4의 부호 19로 나타낸 90φ 나노 여과막으로서 가교 피페라진 폴리아미드계 나노 여과막 "UTC60"(나노 여과막 1; 도레이 주식회사 제품), 가교 피페라진 폴리아미드계 나노 여과막 "NF-400"(나노 여과막 2; 필름테크 제품), 폴리아미드계 나노 여과막"NF99"(나노 여과막 3; 알파라발 제품), 아세트산 셀룰로스계 나노 여과막 "GEsepa"(나노 여과막 4; GE Osmonics 제품)를 각각 스테인레스(SUS316 제품)로 제조된 셀에 세팅하고, 원수 온도를 25℃로, 고압 펌프 3의 압력을 0.5 MPa로 조정하여, 투과액 4를 회수하였다. 원수조(1), 투과액 4에 포함된, 황산 마그네슘의 농도를 이온 크로마토그래피(DIONEX 제품)로 이하의 조건으로 분석하고, 황산 마그네슘의 투과율을 계산하였다.

음이온; 컬럼(AS4A-SC(DIONEX 제품)), 용리액(1.8 mM 탄산나트륨/1.7 mM탄산수소 나트륨), 온도(35℃).

양이온; 컬럼(CS12A(DIONEX 제품), 용리액(20 mM 메탄술폰산), 온도(35℃).

결과는 표 1에 나타낸다.

(참고예 5) 나노 여과막의 구연산 투과성 평가

초순수 10 L에 구연산(와코 순약공업 주식회사 제품) 10 g 첨가하여, 25℃에서 1시간 교반하여, 1000 ppm 구연산 수용액을 조정하였다. 이어, 참고예 3과 동일한 조건으로 나노 여과막 1∼4의 투과액을 회수하였다. 원수조(1), 투과액 4에 포함된 구연산 농도를 고속 액체 크로마토그래피(시마즈 제작소 주식회사 제품)로 이하의 조건으로 분석하고, 구연산의 투과율 및 구연산 투과율/황산 마그네슘 투과율을 계산하였다.

컬럼: Shim-PackSPR-H(시마즈 제작소 주식회사 제품), 이동상: 5 mM p-톨루엔 술폰산(유속 0.8 mL/min), 반응액: 5 mM p-톨루엔 술폰산, 20 mM 비스트리스, 0.1 mM EDTA·2Na(유속 0.8 mL/min), 검출 방법: 전기 전도도, 온도: 45℃.

결과는 표 2에 나타낸다.

(참고예 6∼12) 락트산 발효 배양액의 나노 여과막 투과 시험

참고예 2에서와 같이 수득한 배양액(2 L)에서 원심 조작에 의해 균체를 제거한 다음, pH 1.9(참고예 6), 2.0(참고예 7), 2.2(참고예 8), 2.6(참고예 9∼11), 4.0(참고예 12)이 될 때까지 진한 황산(와코 순약공업 주식회사 제품)을 적하한 후, 1시간동안 25℃에서 교반하여, 배양액 중의 락트산 칼슘을 락트산과 황산 칼슘으로 변환시켰다. 이어, 침전된 황산 칼슘을 정성 여과지 No2(어드밴텍 주식회사 제품)를 사용하여 흡인 여과에 의해 침전물을 여과하고, 여과액 2 L를 회수하였다.

이어, 도 3에 나타낸 막 여과 장치의 원수조 1에, 상기 얻어진 여과액 2 L를 각각 주입하였다. 도 4의 부호 19의 90φ나노 여과막으로서 상기 나노 여과막 1∼4를 스테인레스(SUS316 제품)로 제조된 셀에 각각 세팅하고, 고압 펌프 3의 압력을 각각 4 MPa로 조정하여 투과액 4를 회수하였다. 원수조 1, 투과액 4에 포함된 황산 이온, 칼슘 이온의 농도는 참고예 4와 동일한 조건으로 이온 크로마토그래피(DIONEX 제품)하고, 락트산 농도는 참고예 1과 동일한 조건으로 고속 액체 크로마토그래피(시마즈 제작소 주식회사 제품)하여 분석하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 모든 pH 범위에서 황산 칼슘이 고효율로 제거됨을 확인하였다. 또한, 락트산의 투과율 및 막 투과 유속은 나노 여과막 1이 가장 높은 것을 알 수 있었다.

(실시예 1∼5) 락트산의 제조예

참고예 3에서 수득한 다공성 막 투과액 200 L를 사용하고, pH 1.9(실시예 1), 2.0(실시예 2), 2.2(실시예 3), 2.6(실시예 4), 4.0(실시예 5)이 될 때까지 각각 진한 황산(와코 순약공업 주식회사 제품)을 적하한 후, 1시간 동안 25℃에서 교반하여, 배양액 중의 락트산 칼슘을 락트산과 황산 칼슘으로 변환시켰다. 이어, 침전된 황산 칼슘을 정성 여과지를 사용한 흡인 여과에 의해 침전물을 여과하고, 여과액 200 L를 각각 회수하였다.

이어, 도 3에 나타낸 막 여과 장치의 원수조 1에 상기 실시예에서 수득한 여과액 200 L를 주입하였다. 참고예 6∼12에서 가장 락트산 투과율이 높았던 나노 여과막 1의 4 인치 나노 필터 모듈 2(도레이 주식회사 제품 "SU-610")를 전용 용기(vessel)에 세팅하고, 고압 펌프 3의 압력 2를 4 MPa로 조정 및 운전하여, 각각의 pH에서 투과액을 회수하였다. 원수조 1, 투과액 4에 포함된 황산 이온, 칼슘 이온의 농도는 참고예 4와 동일한 조건으로 이온 크로마토그래피(DIONEX 제품)하고, 락트산 농도는 참고예 1과 동일한 조건으로 고속 액체 크로마토그래피(시마즈 제작소 주식회사 제품)하여 분석하였다. 그 결과, 참고예 6∼12와 동일하게 모든 pH 범위에서 황산 칼슘이 고효율로 제거됨을 확인하였다.

다음으로, 상기 나노 여과막 투과액 각 100 L를 플래시 증발기(도쿄이화 기계 주식회사 제품)를 사용하여, 감압하(50 hPa) 물을 증발시켜 농축하였다. 이 때, 황산 칼슘의 석출은 관찰되지 않았다.

이어, 133 Pa, 130℃에서 감압 증류를 행하였다. 증류시킨 락트산의 라세미화를 확인하기 위하여, 증류 전후의 광학 순도를 고속 액체 크로마토그래피에 의해 측정하였다. 그 결과는 표 4에 나타낸다.

얻어진 정제 락트산을 실시예 6의 직접 중합 시험 및 실시예 7의 락티드 합성 시험에 사용하고, 증류하기 전의 락트산을 비교예 2의 직접 중합 시험 및 비교예 3의 락티드 합성 시험에 사용하였다.

(비교예 1) 락트산의 제조예

참고예 3과 같이 하여 수득한 막 투과액 200 L를 사용하고, pH를 2.0이 될 때까지 진한 황산(와코 순약공업 주식회사 제품)을 적하 후, 1시간 동안 25℃에서 교반하여, 배양액 중의 락트산 칼슘을 락트산과 황산 칼슘으로 변환시켰다. 이어, 침전된 황산 칼슘을 정성 여과지를 사용하여 흡인 여과에 의해 침전물을 여과하고, 여과액 200 L를 회수하였다. 여과액 중에 포함된 황산 칼슘의 농도를 이온 크로마토그래피에 의해 분석한 결과, 칼슘 이온 농도는 549 mg/L이었다. 이로부터, 황산 칼슘이 충분히 제거되지 않았다는 것을 알았다.

이어, 여과액 100 L를 플래시 증발기를 사용하여, 감압하(50 hPa)에서 물을 증발시켜 농축하였는데, 상기 정성 여과지에 의해 제거되지 않았던 황산 칼슘이 석출되었다. 이어, 133 Pa, 130℃에서 감압 증류를 행하였다. 증류한 락트산의 라세미화를 확인하기 위하여, 증류 전후에 락트산의 광학 순도를 참고예 1과 동일한 조건으로 고속 액체 크로마토그래피에 의해 측정한 결과, 광학 순도의 저하를 볼 수 있었다. 또한, 증류 잔사에서는 일부 올리고머화된 락트산이 확인되어 증류 수율이 30%까지 저하되었다. 나노 여과막 정제의 결과와 함께 표 4에 나타낸다.

(실시예 6) 락트산의 직접 중합 시험

실시예 2에서 얻어진 락트산 150 g을, 교반 장치가 부착된 반응 용기에서 800 Pa, 160℃의 조건에서 3.5시간 가열하여, 올리고머를 수득하였다. 이어, 아세트산 주석(II)(간토 화학 주식회사 제품) 0.12 g, 메탄술폰산(와코 순약공업 주식회사 제품) 0.33 g을 올리고머에 첨가하고, 500 Pa 및 180℃에서 7시간 가열하여, 프리(pre)-폴리머를 수득하였다. 이어서, 프리-폴리머를 오븐에서 120℃에서 2시간 가열하여 결정화하였다. 얻어진 프리-폴리머를 해머 분쇄기를 사용하여 분쇄하고, 체에 걸러 평균 입자 직경 0.1 mm 크기의 분체를 수득하였다. 고상 중합 공정에서는, 150 g의 프리-폴리머를 취하여, 오일 회전 펌프와 연결된 오븐에 넣어, 가열 감압 처리를 행하였다. 압력은 50 Pa, 가열 온도는 140℃: 10시간, 150℃: 10시간, 160℃: 20시간으로 하였다. 얻어진 폴리 락트산은 이하의 조건으로 GPC(도소 주식회사 제품)에 의한 중량 평균 분자량 분석, DSC(에스아이아이 테크놀로지 제품)에 의한 융점 분석, TG(에스아이아이 테크놀로지 제품)에 의한 열중량 감소율 분석을 행하였다.

(폴리락트산의 중량 평균 분자량 분석)

중합된 폴리락트산의 중량 평균 분자량(Mw)은, 겔 여과 크로마토그래피(GPC)에 의해 측정한 표준 폴리메틸 메타크릴레이트로 환산한 중량 평균 분자량 값이다. GPC 측정은, GPC 시스템으로서 HLC8320 GPC(도소 주식회사 제품)를 사용하고, 컬럼에 TSK-GEL Super HM-M(도소 주식회사 제품)를 직렬로 2개 연결한 것을 사용하여, 시차 굴절계에 의해 검출하였다. 측정 조건은, 유속 0.35 mL/분으로 하고, 용매로 헥사플루오로 이소프로판올을 사용하고, 시료 농도 1 mg/mL의 용액 0.02 mL를 주입하였다.

(폴리락트산의 융점 분석)

중합된 폴리락트산의 융점은 시차 주사형 열량계 DSC7020(에스아이아이 테크놀로지 제품)에 의해 측정한 값으로, 측정 조건은, 시료 10 mg, 질소 분위기 하, 온도 상승 속도 20℃/분으로 하여 수행하였다.

(폴리락트산의 열중량 감소율 분석)

중합된 폴리락트산의 열중량 감소율은 시차열 열중량 동시 측정 장치 TG/DTA7200(에스아이아이 테크놀로지 제품)를 사용하여 측정하였다. 측정 조건은, 시료 10 mg, 질소 분위기 하, 200℃로 일정, 가열 시간 20분으로 하였다.

(폴리락트산의 착색도 분석)

중합된 폴리락트산 0.5 g을, 클로로포름 9.5 g에 완전히 용해시켜, 착색도를 비색계(일본전색공업 주식회사 제품)에 의해 APHA 단위 색 번호로서 분석하였다. 락트산의 직접 중합에 의해 얻어진 폴리락트산은, 중량 평균 분자량 155,000, 융점 165℃, 열중량 감소율 5%, 착색도 APHA10이었다.

(비교예 2) 락트산의 직접 중합 시험

실시예 2의 증류 전의 락트산을 회전 증발기로 90 wt%가 될 때까지 농축하여, 150 g을 수득하였다. 실시예 6과 동등한 조건으로 직접 중합을 실시하였다. 직접 중화법에 의해 얻어진 폴리락트산은 중량 평균 분자량 85,000, 융점 160℃, 열중량 감소율 15%, 착색도 APHA50으로, 실시예 6에서 수득되는 폴리락트산보다 모든 평가 항목에서 품질이 뒤떨어졌다.

(실시예 7) 락티드의 합성 시험

실시예 2에서 얻어진 락트산 150 g을, 교반 장치가 부착된 반응 용기에서 상압하 135℃에서 30분간 가열 농축하였다. 이어, 감압 하(4500∼6500 Pa)에, 액체의 온도를 135℃(20분), 150℃(20분), 160℃(20분)으로 단계적으로 상승시켜, 올리고머를 수득하였다. 이어서, 옥틸산 주석(II)(나카라이테스크) 0.75 g을 올리고머에 첨가하여, 감압 하(1000∼2000 Pa), 200℃에서 2시간 단순 증류를 행하여, 락티드를 유출시켰다. 배관의 막힘을 방지하기 위해, 컨덴서의 온도를 110℃로 하였다. 락티드 분획(留分)으로서 92.3 g을 수득하였다. 출발 L-락트산을 기준으로 한 경우 락티드의 수율은 85.4%였다.

(락티드의 화학 순도 분석)

합성한 락티드의 화학 순도(회수한 락티드 중의 LL-락티드의 비율)를 가스 크로마토그래피 GC2010(시마즈 제작소 주식회사 제품)에 의해 분석하였다. 컬럼으로서 모세관 컬럼 RTBDEXM(RESTEK 제품)을 사용하였고, 측정 조건은, 캐리어 가스(He) 유량 69.2 mL/분, 기화실 온도 230℃, 컬럼 온도 150℃, 검출기(FID) 온도 230℃, 스플릿 비 50으로 하였다. LL-락티드, DD-락티드, DL-락티드의 피크 면적 비로부터, LL-락티드의 화학 순도를 산출하였다.

(락티드의 착색도 분석)

합성한 락티드 6 g을 아세톤 20 g에 완전히 용해시켜, 착색도를 비색계(일본전색공업 주식회사 제품)에 의해 APHA 단위 색 번호로 분석하였다. 이상의 결과, 얻어진 락티드는 화학 순도가 96.2%, 착색도가 APHA2였다.

(비교예 3) 락티드의 합성 시험

실시예 2의 증류 전의 락트산을 회전 증발기로 90 wt%가 될 때까지 농축하여, 150 g을 수득하였다. 실시예 7과 동등한 조건으로 락티드를 합성하였다. 얻어진 락티드는, 회수 중량 79.1 g, 수율 73.2%, 화학 순도 93.1%, 착색도 APHA12로서, 실시예 7에 의해 수득되는 락티드 보다 수율, 품질 모두 뒤떨어졌다.

(실시예 8) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 물성 평가

실시예 7에서 얻어진 락티드 50 g, 스테아릴 알코올 0.05 g을 교반 장치가 부착된 반응 용기에 첨가하고, 시스템 내부를 질소 치환한 후, 190℃로 가열하여 락티드를 용해시켰다. 이어서, 촉매로서 옥틸산 주석(II) 0.025 g을 첨가하여, 190℃에서 2시간 중합하였다. 얻어진 폴리락트산의 중량 평균 분자량, 융점, 열중량 감소율, 착색도를 실시예 6에 기재된 방법으로 분석하였다. 그 결과, 중량 평균 분자량 135000, 융점 165℃, 중량 감소율 5.1%, 착색도 APHA5였다.

(비교예 4) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 물성 평가

비교예 3에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 8과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합하였다. 얻어진 폴리락트산은, 중량 평균 분자량 109000, 융점 162℃, 중량 감소율 6.3%, 착색도 APHA11로서, 실시예 8에 의해 얻어진 폴리락트산 보다 모든 평가 항목에서 품질이 뒤떨어졌다.

(실시예 9) 락트산의 불순물 분석

실시예 3과 동일한 방법으로 얻어진 여과액 3 L를 나노 여과막 모듈 SU-610(도레이 주식회사 제품)을 사용하여, 조작 압력 2.0 MPa로 여과하여, 불순물을 제거하였다. 나노 여과막 모듈을 통과한 락트산 수용액을, 역침투막 모듈 SU-810(도레이 주식회사 제품)을 사용하여 농축하고, 또한 회전 증발기(토쿄이화 기계 주식회사 제품)를 사용하여, 감압 하(50 hPa)에 물을 증발시켜 농축시켜, 80% 락트산 수용액을 수득하였다. 그 후, 133 Pa에서 130℃의 조건에서 감압 증류를 행하여, 락트산 500 g을 수득하였다.

(락트산 중의 불순물 분석)

상기 얻어진 락트산에 순수(純水)를 첨가하여 90% 락트산 수용액을 만들고, 포함된 불순물을 HPLC(고속 액체 크로마토그래피) 또는 GC(가스 크로마토그래피)에 의해 하기의 조건으로 분석하였다. 분석 결과는 표 5에 나타낸다.

(HPLC 법에 따른, 아세트산, 피루브산, 2-하이드록시 부탄산의 분석)

컬럼: Shim-Pack SPR-H(시마즈 제작소 제품), 이동상: 5 mM p-톨루엔 술폰산(유속 0.8 mL/min), 반응액: 5 mM p-톨루엔 술폰산, 20 mM 비스트리스, 0.1 mM EDTA·2Na(유속 0.8 mL/min), 검출 방법: 전기 전도도, 온도: 45℃.

(HPLC 법에 따른, 푸르푸랄, HMF의 분석)

컬럼: Synergie Hydro RP(Phenomenex 제품), 이동상: 5% 아세트 니트릴 수용액(유속 1.0 mL/min), 검출 방법: UV(283 nm), 온도: 40℃

(GC 법에 따른, 메탄올, 락트산 메틸의 분석)

컬럼: DB-5(0.25 mm×30 m, J＆W 제품), 컬럼 온도: 50℃에서 250℃(8℃／분), 주입구 온도: 250℃, 캐리어 가스: 헬륨, 캐리어압: 65 kPa.

표 5에 나타낸 바와 같이, 아세트산, 피루브산을 제외하고는 모두 0 ppm(검출 한계 이하)였다.

(실시예 10) 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

이어서, 실시예 9의 90% 락트산 수용액 150 g을, 교반 장치가 부착된 반응 용기에서 800 Pa 및 160℃에서 3.5시간 가열하여, 올리고머를 수득하였다. 이어서, 아세트산 주석(II)(간토 화학제) 0.12 g, 메탄술폰산(와코 순약공업 주식회사 제품) 0.33 g을 올리고머에 첨가하여, 500 Pa 및 180℃에서 7시간 가열하여, 프리-폴리머를 수득하였다. 이어, 프리-폴리머를 오븐에서 120℃에서 2시간 가열하여 결정화하였다. 얻어진 프리-폴리머를 해머 분쇄기를 사용하여 분쇄하고, 체에 걸러 평균 입자 직경 0.1 mm 크기의 분체를 수득하였다. 고상 중합 공정에서는, 150 g의 프리-폴리머를 취하여, 오일 회전 펌프와 연결된 오븐에 도입하여, 가열 감압 처리를 행하였다. 압력은 50 Pa, 가열 온도는 140℃: 10시간, 150℃: 10시간, 160℃: 20시간으로 하였다. 얻어진 폴리락트산의 중량 평균 분자량, 융점, 열중량 감소율 및 착색도를 실시예 6에 기재된 방법으로 분석하였다.

(실시예 11) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 30 ppm, 포름산 100 ppm, 피루브산 200 ppm, 2-하이드록시 부탄산 100 ppm, 푸르푸랄 3 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 2 ppm, 락트산 메틸 100 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(실시예 12) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 5) 락트산의 불순물 분석, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 100 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 6) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 600 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 7) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 25 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 8) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 25 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 9) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 650 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 10) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 70 ppm, 2-하이드록시 부탄산 750 ppm, 락트산 메틸 500 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 11) 락트산의 불순물 분석, 락트산의 직접 중합 시험, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 아세트산 600 ppm, 피루브산 300 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 10과 동일하게 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

실시예 10∼12, 비교예 5∼11에서 구해진 폴리락트산의 중량 평균 분자량, 융점, 열중량 감소율, 착색도 APHA를 표 6에 나타낸다. 실시예 10∼12에서, 중량 평균 분자량, 열중량 감소율, 착색도 항목에 대하여 고도의 물성을 가진 폴리락트산을 수득할 수 있었다. 그러나, 비교예 5에서는 중량 평균 분자량이 작아 기계적 강도가 낮았고, 또한 열중량 감소율이 높아 열안정성이 낮았으며, 비교예 6∼9의 경우, 열중량 감소율와 착색도가 높았으며, 비교예 10∼11의 경우 열중량 감소율이 높았다. 이상의 결과로부터, 락트산 중의 불순물이 규정량 이하이면, 우수한 열 안정성, 기계적 강도, 색상을 가지는 폴리락트산을 수득할 수 있다는 것이 분명해졌다.

(실시예 13) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산 150 g을, 교반 장치가 부착된 반응 용기에서, 상압 하 135℃에서 30분간 가열 농축하였다. 이어서, 감압 하(4500∼6500 Pa)에서, 액체의 온도를 135℃(20분), 150℃(20분), 160℃(20분)로 단계적으로 승온시켜, 올리고머를 수득하였다. 이어, 옥틸산 주석(II)(나카라이테스크) 0.75 g을 올리고머에 첨가하여, 감압 하(1000∼2000 Pa)에서 200℃에서 2시간 단순 증류를 행하여, 락티드를 유출시켰다. 배관의 막힘을 방지하기 위해서, 컨덴서의 온도를 110℃로 하였다. 락티드 분획으로서 93.3 g을 수득하였다. 출발 L-락트산을 기준으로 한 경우의 락티드 수율은 87.2%였다.

(실시예 14) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 30 ppm, 포름산 100 ppm, 피루브산 200 ppm, 2-하이드록시 부탄산 100 ppm, 푸르푸랄 3 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 2 ppm, 락트산 메틸 100 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(실시예 15) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 12) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 100 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 13) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 600 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 14) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 25 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 15) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 25 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 350 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 16) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 65 ppm, 포름산 100 ppm, 아세트산 300 ppm, 피루브산 300 ppm, 2-하이드록시 부탄산 150 ppm, 푸르푸랄 5 ppm, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄 5 ppm, 락트산 메틸 650 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 17) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 메탄올 70 ppm, 2-하이드록시 부탄산 750 ppm, 락트산 메틸 500 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 합성하였다.

(비교예 18) 락트산의 불순물 분석, 락티드의 물성 평가

실시예 9에서 얻어진 락트산의 90% 수용액 중의 불순물 중에서, 아세트산 600 ppm, 피루브산 300 ppm이 되도록, 각각의 성분을 실시예 9에서 얻어진 락트산에 첨가 및 조정한, 락트산 수용액 150 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 13과 동일하게 락티드를 중합하였다.

실시예 13∼15, 비교예 12∼18에서 구해진 락티드의 수율 및 착색도 APHA를 표 7에 나타낸다. 실시예 13∼15의 경우, 락티드 수율, 착색도 항목에 대하여 양호한 결과를 수득할 수 있었다. 그러나, 비교예 12∼18의 경우 수율이 80%를 밑돌았으며, 피루브산이나 푸르푸랄 등이 많은 비교예 13∼15의 경우는 착색도가 높았다. 이상의 결과로부터, 락트산 중의 불순물이 규정량 이하이면, 수율이 높고, 또한 착색도가 낮은 락티드를 수득할 수 있다는 것이 분명해졌다.

(실시예 16) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 13에서 얻어진 락티드 50 g, 스테아릴 알코올 0.05 g을 교반 장치가 부착된 반응 용기에 첨가하고, 시스템 내부를 질소 치환한 후, 190℃로 가열하여 락티드를 용해시켰다. 이어서, 촉매로서 옥틸산 주석(II) 0.025 g을 첨가하여, 190℃에서 2시간 중합하였다. 얻어진 폴리락트산의 중량 평균 분자량, 융점, 열중량 감소율, 착색도에 대하여는 실시예 6에 기재된 방법으로 분석하였다.

(실시예 17) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 14에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(실시예 18) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

실시예 15에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 19) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 12에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 20) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 13에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 21) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 14에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 22) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 15에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 23) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 16에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 24) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 17에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

(비교예 25) 락티드를 원료로 한 폴리락트산의 중합, 폴리락트산의 물성 평가

비교예 18에서 얻어진 락티드 50 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 16과 동일한 수순으로 락티드로부터 폴리락트산을 중합 및 분석하였다.

실시예 16∼18, 비교예 19∼25에서 수득된 폴리락트산의 중량 평균 분자량, 융점, 열중량 감소율, 착색도 APHA를 표 6에 나타낸다. 실시예 16∼18의 경우, 중량 평균 분자량, 열중량 감소율, 착색도 항목에 대하여 고도의 물성을 가지는 폴리락트산을 수득할 수 있었다. 그러나, 비교예 19, 20의 경우에는 중량 평균 분자량이 낮았다. 또한, 비교예 20∼22의 경우에는 중량 감소율이 높고, 착색도도 높았으며, 비교예 23∼25의 경우 중량 감소율이 높았다.

본 발명의 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산은, 식품, 의약품 외에도, 생분해성의 범용 플라스틱인 폴리락트산의 모노머 원료로서 바람직하게 사용할 수 있으며, 또한, 상기 락트산을 원료로 하여 수득되는 폴리락트산은 열 안정성, 기계적 강도, 색상이 우수하므로, 섬유, 필름, 성형품 등의 다양한 용도에 적합하다.

1: 발효 반응조 2: 막 분리조
3: 분리막 엘리먼트 4: 기체 공급 장치
5: 교반기 6: 수두(水頭)차 제어 장치
7: 배지 공급 펌프 8: pH 조정 용액 공급 펌프
9: pH 센서·제어 장치 10: 발효액 순환 펌프
11: 레벨 센서 12: 온도 조절기
13: 원수조 14: 나노 여과막 또는 역침투막이 장착된 셀
15: 고압 펌프 16: 막 투과액의 흐름
17: 막 농축액의 흐름 18: 고압 펌프에 의해 송액된 배양액의 흐름
19: 나노 여과막 20: 지지판

SEQUENCE LISTING <110> Toray Industries, Inc. <120> Manufacturing process for lactatic acid and poly lactatic acid <130> 09088 <160> 11 <170> PatentIn version 3.1 <210> 1 <211> 999 <212> DNA <213> Xenopus laevis <400> 1 atggcaactg tgaaggataa actcatccac aatgtggtca aggaggagtc gctcccccag 60 aacaaggtca ccattgtggg tgtgggggcc gtgggcatgg cctgtgccat cagtgtcctg 120 cagaaggatt tggcagatga gcttgcactt gttgatgtga tagaagacaa actgaagggg 180 gaaatgatgg atctccagca tggcagtctg ttccttcgta cccccaagat tgtctcaggg 240 aaagattaca gcgtcactgc aaactccaag ctggtagttg tgacggccgg ggcccgtcag 300 caggagggag agagtcgcct gaatctggtt cagcgcaatg tcaacatctt caaattcatc 360 attcccaaca ttgtcaagta cagccccaac tgcaccctgc tcatcgtctc caacccagtg 420 gacattctga catatgtggc ctggaagatc agtggattcc ccaaaaaccg tgtcattggc 480 agcggctgca atttggactc tgcccgtttc cgttacctca tggggcagaa gtttgggatc 540 cacacccaga gctgccacgg ttgggtcatt ggggaacacg gagactcgag tgtgccagtg 600 tggagtgggg tgaatgtggc tggcgtgtcc ctgaaaaccc tgcaccccga tattgggagt 660 gacgcagaca aggagaactg gaaggaggtg cacaagcagg ttgtggacag cgcctatgaa 720 gtgatcaagc tgaagggcta cacctcctgg gctattggcc tgtccgtagc tgacctgtct 780 gagagtatcc tgaagaacct ccgccgagtc catcccattt ccacaatggt caagggcatg 840 tacggcgtga ataatgatgt tttcctcagt gtcccctgtg tgttgggcaa cttgggcatc 900 acagacgtgg ttaacatgac gctgaaggca gatgaagagg atcgcttacg caagagcgca 960 gacaccctgt gggccatcca gaaggagctg cagttctag 999 <210> 2 <211> 85 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 2 tattgattta tagtcgtaac tacaaagaca agcaaaataa aatacgttcg ctctattaag 60 atggcaactg tgaaggataa actca 85 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 3 aggcgtatca cgaggccctt 20 <210> 4 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 4 gaattaattc ttgaagacga aagggcctcg tgatacgcct agattgtact gagagtgcac 60 <210> 5 <211> 80 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 5 aaaaaataac ataatactga aagaaagcat taagaaggcg gatgtgtcaa acaccaccgt 60 ctgtgcggta tttcacaccg 80 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 6 tagattggcc gtaggggctg 20 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 7 cacgcaacgc gtaagaaaca 20 <210> 8 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 8 gacaattctg gttaggtcca agag 24 <210> 9 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 9 ttaagctgct gcggagcttc cacg 24 <210> 10 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 10 atgtctgccc ctaagaagat cg 22 <210> 11 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial <220> <223> primer <400> 11 ttaagcaagg attttcttaa cttc 24

Claims

하기 공정 (A)∼(C)를 포함하는 락트산의 제조 방법:
(A) 락트산 발효 능력을 가진 미생물의 발효 배양액을, 평균 세공 직경 0.01 ㎛ 이상 - 1 ㎛ 미만의 다공성 막을 이용하여, 막간 차압 0.1 내지 20 kPa의 범위에서 여과 처리하여 투과액을 회수하고, 미투과액은 배양액에 유지 또는 환류하고, 발효 원료를 배양액에 추가하는 연속 발효 공정,
(B) 공정 (A)에서 얻어진 투과액을 나노 여과막을 통해 여과하는 공정, 및
(C) 공정 (B)에서 얻어진 투과액을 1 Pa 이상 - 대기압 이하의 압력 하에서 25℃ 이상 - 200℃ 이하에서 증류하여 락트산을 회수하는 공정.
제1항에 있어서, 상기 공정 (A)에서 얻어진 투과액의 pH를 2 이상 - 4.5 이하로 조정하여 상기 공정 (B)에 제공하는 것을 특징으로 하는 락트산의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 공정 (A)는 칼슘염의 존재 하에서의 연속 발효 공정이며,
상기 공정 (A)에서 얻어진 투과액 중의 칼슘 성분을 난용성 황산염으로서 제거하는 공정 (D) 이후에 수득되는 락트산을 포함하는 용액을, 상기 공정 (B)에 제공하는 것을 특징으로 하는 락트산의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 여과막의 구연산 투과율에 대한 황산 마그네슘 투과율의 비가, 조작 압력 0.5 MPa, 원수 온도 25℃, 원수 농도 1000 ppm에서, 3 이상인 것을 특징으로 하는 락트산의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 여과막의 황산 마그네슘 투과율이, 조작 압력 0.5 MPa, 원수 온도 25℃, 원수 농도 1000 ppm에서, 1.5% 이하인 것을 특징으로 하는 락트산의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 여과막의 막 소재가 폴리아미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 락트산의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 폴리아미드가 가교 피페라진 폴리아미드를 주성분으로 하며, 화학식 1로 표시되는 구성 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 락트산의 제조 방법.
[화학식 1]

(상기 식에서, R은 -H 또는 -CH₃이고, n은 0 - 3의 정수임)
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산을 원료로 하는 락티드의 제조 방법.
제8항에 기재된 락티드의 제조 방법에 의해 수득되는 락티드를 중합하는 것을 특징으로 하는 폴리락트산의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 락트산의 제조 방법에 의해 수득되는 락트산을 직접 탈수 중축합 반응에 의해 중합하는 것을 특징으로 하는 폴리락트산의 제조 방법.
90% 락트산 수용액에서의 불순물로서 메탄올을 70 ppm 이하, 피루브산을 500 ppm 이하, 푸르푸랄을 15 ppm 이하, 5-하이드록시 메틸 푸르푸랄을 15 ppm 이하, 락트산 메틸을 600 ppm 이하, 아세트산을 500 ppm 이하 및 2-하이드록시 부탄산을 500 ppm 이하로 포함하는 락트산.
제11항에 있어서, 광학 순도가 90% 이상인 것을 특징으로 하는 락트산.
제11항 또는 제12항에 기재된 락트산을 원료로 하여 수득되는 락티드.
제11항 또는 제12항에 기재된 락트산, 또는 제13항에 기재된 락티드를 원료로 사용하여 수득되는 폴리락트산.
제11항 또는 제12항에 기재된 락트산을 원료로 사용하여, 직접 탈수 중축합 반응에 의해 수득되는 폴리락트산.