WO2005100543A1 - L−乳酸の製造方法 - Google Patents

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lactic acid
strain
sank
fermentation
substrate
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Noriyoshi Uchida
Kentaro Kodama
Naoyuki Okuda
Masanori Sato
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Sankyo Lifetech Co., Ltd.
Tsukishima Kikai Co., Ltd.
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/56Lactic acid
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20Bacteria; Culture media therefor
    • C12N1/205Bacterial isolates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12RINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/07Bacillus

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing lactic acid, particularly L-lactic acid, which is used as a material for biodegradable plastics. Ming background technology
  • L-lactic acid has been produced by fermenting a substrate containing sugars such as glucose using a microorganism that performs lactic acid fermentation.
  • L-lactic acid has been produced on a large scale using corn as a raw material for the substrate. And manufacturing costs are decreasing.
  • Rhizopus Rhizopus sp. Required aeration for fermentation, had low lactic acid yield to sugar (about 70%), and had low lactic acid productivity per hour.
  • Lactobacillus had the disadvantage of high auxotrophy.
  • microorganisms that are less auxotrophic than genus Lactobacillus and perform lactic acid fermentation include, for example, Bacillus cereus (Ba cilluscereus) and Bacillus hu rigen gensis (Bacillust huringiensis).
  • Bacillus cereus Bacillus cereus
  • Bacillus hu rigen gensis Bacillus hu rigen gensis
  • a method using a specific microorganism of the genus Cillus has been proposed (see, for example, JP-A-9-121877).
  • the optimal temperature at which the genus Bacillus described in Patent Document 1 grows or undergoes lactic acid fermentation is, for example, 40 ° C. or lower, and lactic acid fermentation can be performed by many other microorganisms, especially fast-growing microorganisms such as Escherichia coli and yeast. It had to be carried out in a temperature range suitable for the growth of the plant. Therefore, to prevent contamination by these microorganisms, the substrate must be fermented. Heat sterilization had to be performed before this. That is, energy and equipment for heat sterilization were required. In addition, it was necessary to install additional equipment to prevent contamination during fermentation, so equipment costs had to be increased.
  • Bacillus coagulans a spore-forming lactic acid bacterium, has been known as a microorganism capable of growing at high temperature and performing lactic acid fermentation. It is said that the L-lactic acid produced has a higher auxotrophy than the microorganism used in the invention described in Document 1, and the optical purity of the produced L-lactic acid is less than 70%. Not considered.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and a production method and a production apparatus for reducing production costs such as raw material costs, culture medium costs, and equipment costs, and for providing high-purity L-lactic acid at low cost.
  • the purpose is to provide.
  • the present inventors found in the natural environment a microorganism that forms spores and produces a large amount of L-lactic acid in high-temperature culture, and isolated a strain of SANK 70182 (deposited as FERM BP-08672), a new species of the genus Bacillus. Successful. As a result, it was revealed that high-purity L-lactic acid could be actually produced using the SANK 70182 strain and a substrate obtained from inexpensive and readily available woody biomass. It has been found that contamination does not occur even if not performed.
  • the present inventors have found that by using the SANK 70182 strain that has formed spores, it is possible to improve the handleability of microorganisms performing lactic acid fermentation, to facilitate the control of productivity, and to further reduce costs. Was found.
  • the present invention is a new species of the genus Bacillus having the base sequence of 16 S rDNA represented by SEQ ID NO: 1. It is a new strain of the genus Bacillus, SANK 70182 strain (FERM BP-08672). In addition, the array It is a SANK 70182 strain having the 16 S rDNA base sequence represented by No. 1.
  • the method for producing L-lactic acid of the present invention uses the new species of the genus Bacillus or the SANK 70182 strain and an assimilable carbon source.
  • the method for producing L-lactic acid of the present invention comprises a first step of hydrolyzing woody biomass to obtain a sugar-containing substrate, and lactic acid fermentation of the substrate using a new species of the genus Bacillus or SANK 70182 strain.
  • the woody biomass is preferably waste paper.
  • An apparatus for producing L-lactic acid according to the present invention is used in the above-described method for producing L-lactic acid according to the present invention. According to the method for producing L-lactic acid of the present invention, it is possible to reduce production costs such as raw material costs, culture medium costs, and equipment costs, and to provide highly pure L-lactic acid at low cost.
  • FIG. 1 is a phylogenetic tree of the SANK 70182 strain prepared based on the nucleotide sequence of 16S rDNA.
  • FIG. 2 is a graph showing the change over time in the sugar concentration, acid concentration, and dry cell weight in the fermentation medium in Example 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the changes over time in the sugar concentration, acid concentration, and dry cell weight in the fermentation medium in Example 3.
  • the method for producing L-lactic acid of the present invention comprises a first step of hydrolyzing woody biomass to obtain a substrate containing saccharide, and is represented by SEQ ID NO: 1.
  • a new species of the genus Bacillus or a new genus of the genus Bacillus having the base sequence of 16 S r DNA (hereinafter sometimes referred to as “specific base sequence”)
  • the process is characterized in that the fermentation temperature is 45 to 60 ° C.
  • woody biomass examples include waste paper, wood, agricultural waste, and the like.
  • waste paper examples include waste office paper (hereinafter referred to as “office waste paper”), magazines, corrugated paper, and newspaper.
  • office waste paper waste office paper
  • the wood for example, construction waste wood, thinned wood, wood residue, papermaking waste liquid, and the like can be used.
  • the agricultural waste for example, rice husk, soybean straw, straw, corn stalk, bagasse, and the like can be used.
  • woody biomass As the woody biomass, as mentioned above, not only used paper and agricultural waste, but also construction waste wood can be used, so it is easy to obtain and very inexpensive. Raw material cost can be reduced.
  • waste paper in particular contains a high content of cellulose and a low content of lignin, so that it is relatively easily hydrolyzed by enzymes without any pretreatment using chemicals or heat. For these reasons, it is preferable to use waste paper.
  • Woody biomass is preferably pretreated in advance for hydrolysis. For pre-treatment, for example, waste paper is cut, defibrated (palving), and fiberized by dry method. For wood, sulfuric acid or sodium hydroxide (caustic soda) is added and heated, explosion treatment, etc. I do.
  • the hydrolysis method is not particularly limited.
  • the hydrolysis can be carried out by adding an enzyme such as cellulase to a dispersion liquid in which pretreated woody pyomas is dispersed.
  • an enzyme such as cellulase
  • a cellulase-producing microorganism for example, a culture solution of Trichoderma reesei or the like can be added to the above dispersion.
  • a hydrolysis method a method in which an acid, an alkali, or the like is allowed to act on the dispersion may be used.
  • a solution containing mainly sugars such as glucose, xylose, mannose, and cellobiose is obtained, and the solution is concentrated as it is or by concentrating the solution, as described below. It can be used as a substrate in lactic acid fermentation.
  • the obtained substrate is not subjected to heat sterilization, but is desirably immediately subjected to a fermentation step in order to prevent contamination.
  • a second step of lactic acid fermentation is performed using the substrate obtained in the first step as a microorganism using a new species of the genus Bacillus having the above specific nucleotide sequence or a new strain of the genus Bacillus, SANK 70182. .
  • SANK 70182 strain which is a new species of the genus Bacillus, can be used, or a mutant strain of the SANK 70182 strain can be used.
  • a mutant of SANK 70182 a mutant whose base sequence of 16S rDNA is represented by SEQ ID NO: 1 is preferably used.
  • SANK 70182 strain (hereinafter sometimes referred to as “SANK 70182 strain”), which is a new species of the genus Bacillus (Bac i1 lus), has the property of producing large amounts of lactic acid from glucose ⁇ xylose and the like.
  • SANK 70182 strain does not require aeration for lactic acid fermentation. Therefore, the second step can be anaerobically performed, and the operation and equipment costs can be reduced by not providing a ventilation mechanism in the manufacturing apparatus.
  • the SANK 70182 strain Since the SANK 70182 strain has catalase activity, unlike Lactobacillus (Lactobaci 11 us) bacteria, it can grow under aerobic conditions, and priority is given to bacterial growth during the second step.
  • a ventilation mechanism may be provided in the manufacturing apparatus to perform ventilation.
  • the substrate In the second step, the substrate is used without sterilization.
  • the fermentation temperature is 45-60 ° C.
  • the SANK 70182 strain is heat-resistant, has a growth temperature of 27-60 ° C, and the optimal temperature for lactic acid production is 45-50 ° C, at which temperature many other microorganisms cannot grow. In addition, the accumulation of lactic acid in the fermenter produces other microorganisms. It also has the effect of inhibiting the growth of things. Therefore, by controlling the fermentation temperature without having to sterilize the medium, it is possible to create an environment in which the SANK 70182 strain grows preferentially, so that the substrate can be heat-sterilized or contaminated in the fermentation vessel. It is not necessary to provide a mechanism for preventing fermentation, and the cost of fermentation equipment can be reduced.
  • auxotrophy for example, Lactobacillus bacteria, which are known to produce large amounts of lactic acid, require relatively expensive nutrient sources such as yeast extract and peptone.
  • the SANK 70182 strain can grow on medium containing only inexpensive corn steep liquor (CSL) and a small amount of inorganic salts as available carbon sources, has relatively low auxotrophy, and Costs can be kept low.
  • a method for lactic acid fermentation of the substrate using the SANK 70182 strain includes culturing the SANK 70182 strain in a fermentation medium containing a carbon source substrate, a nitrogen source such as CSL, and an inorganic salt such as magnesium sulfate in a fermentation vessel.
  • a liquid, dried cells or spores are added, and the cells are cultured for a certain period of time in the above temperature range.
  • the pH of the medium is usually 6 to 8.
  • the time for culturing in the above temperature range is not particularly limited, but is usually 20 hours to 50 hours.
  • the optical purity of L-lactic acid is high (for example, (L-D) / ( L-lactic acid having an optical purity of 90% or more of L-lactic acid defined by D + L) X100 is obtained.
  • the lactic acid yield to saccharide and lactic acid productivity are also high.
  • spores are preferably used as a new species of the genus Bacillus having a specific nucleotide sequence, or as the SANK 70182 strain.
  • a fermentation vessel is prepared by adding a nitrogen source, a small amount of inorganic salts, and the substrate to a fermentation medium, and the cells of the SANK 70182 strain that have formed spores in the fermentation medium are referred to as seeds (hereinafter referred to as “seed”). ) Can be added as
  • SANK 70182 strain The characteristics of SANK 70182 strain include spores depending on temperature, pH, nutritional conditions, etc. Is formed. For example, spores can be formed by preliminarily culturing at 40 to 60 ° C and a pH of 6 to 8 and continuing cultivation in a sugar-deficient state. Bacillus spores are generally stable to drying, high temperatures and environmental changes and can be stored for long periods of time.
  • seed culture (preliminary culture) does not need to be performed before lactic acid fermentation, and fermentation can be performed by adding a certain amount of stock spores. Therefore, it is possible to reduce the time required for seed culture, energy, equipment such as a preculture tank, and the like, thereby reducing costs and adjusting the amount of spores to be added, thereby improving production speed and production speed. It is possible to easily control the total production amount.
  • the cultivation tank can be located at the place where the woody biomass is generated, and the time and cost required for transport can be reduced.
  • spores are resistant to drying, spores such as S ANK7102 strain can be dried, powdered, and stored and transported.
  • the use of such a dried and powdered product not only makes it easy to cope with large-scale culture, but also makes handling easier and reduces the cost of storing and transporting bacteria.
  • the cells are easy to handle, so that skilled techniques are not required for the control of the cells, and automation is facilitated.
  • the lactic acid thus obtained contains high-purity L-lactic acid and can be efficiently recovered and used as a raw material for biodegradable plastics such as polylactic acid.
  • the production apparatus used in the production method of the present invention does not have a pre-fermenter for pre-culturing microorganisms, does not have a sterilization mechanism for heat sterilizing a substrate, and does not have a contamination prevention mechanism.
  • the saccharification tank and the fermentation tank may include only a saccharification tank for performing the first step and a fermentation tank for performing the second step. Therefore, equipment costs can be significantly reduced.
  • the woody biomass subjected to the above pretreatment is supplied to a saccharification tank, After the first step is completed and a substrate is obtained, the substrate can be transferred to a fermenter via a pipe to start the second step. Further, the hydrolysis in the first step, the transfer of the obtained substrate to a fermenter, and the lactic acid fermentation in the second step may proceed in parallel.
  • a saccharification tank and a fermentation tank are provided independently of each other, and the substrate obtained in the first step is recovered from the saccharification tank to a separate container, transported, and supplied to the fermentation tank. Then, the second step may be performed.
  • simplification of the apparatus reduction of the cost of fermentation equipment, reduction of the raw material cost of lactic acid, reduction of the nutrient source cost of the culture medium, and high purity L-lactic acid are achieved. You can get lactic acid. As a result, the cost can be significantly reduced, and L-lactic acid can be obtained, and materials such as biodegradable plastics can be provided at lower cost.
  • the present inventors selected, from the collected bacteria, 100 strains of bacteria that produce acid from sugar by high-temperature culturing, and further selected L-lactic acid high-producing strains under the culture conditions determined by flask culture. Lactic acid fermentation from various types of saccharified waste paper was compared and examined using jarf amen Yuichi, focusing on strains that showed a high conversion rate to sugar under the culture conditions, and a new species of the genus Bacillus (Baci 11 us) was used.
  • a new strain of Bacillus having the S ANK 7002 strain or the 16 S rDNA nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 (“specific nucleotide sequence”) In the production of L-lactic acid, it has been found that it has particularly excellent properties in terms of heat resistance, optical purity and lactic acid productivity.
  • the carbon source that can be assimilated molasses, starch saccharified solution, or the like can be used in addition to the saccharified solution of woody biomass described above.
  • L-lactic acid is produced from a carbon source that can be assimilated in this way, there is no pre-fermenter for pre-culturing microorganisms, no sterilization mechanism for heat-sterilizing the substrate, and The above-described manufacturing apparatus having no prevention mechanism can be used.
  • a new species of the genus Bacillus having the above specific sequence or spores of the S ANK7102 strain.
  • SANK 70 182 a new species of the genus Bacillus, was isolated from compost in Niiza City, Saitama Prefecture.
  • the taxonomic properties of the SANK 70182 strain are as follows.
  • Bacillus coagulans (Bacillusco agu lns) with positive production of acid from D-xylose, production of acid from L-arabinose, reduction of nitrate and growth in medium containing 5% NaC1 of SANK 70182 strain These properties of the reference strain were negative.
  • SANK 70182 strain can be clearly distinguished from Bacillus coagulans (Bacillus coagulans) based on its physiological properties and the base sequence of 16S rDNA. Accordingly, the SANK 70182 strain was identified as a new species of the genus Bacillus (Bacillus).
  • SANK 70182 is a new species of the genus Bacillus (Baci 1 1 us), SAN K 70182, on March 29, 2004, Japan. International donation to the Institute Patent Organism Depositary And assigned the accession number FERM BP-08672.
  • SANK 70182 strain was previously cultured at 37 ° C. using a slant solid medium to prepare a slant for storage.
  • Nitrogen source CSL, 20 g / L
  • Inorganic salt Mg S ⁇ 4 ⁇ 7H 2 ⁇ , 0.3 g / L
  • Fermentation container 200 mL Erlenmeyer flask, 50 mL liquid volume, Silicone rubber stopper Temperature: 47 ° C
  • the culture solution was centrifuged, and the concentration of L-lactic acid and D-lactic acid in the centrifuged supernatant was measured using an enzyme using "F-kit D-lactic acid ZL-lactic acid” manufactured by Roche Diagnostics. Analyzed by the method.
  • the amount of lactic acid in the supernatant was 55.7 g / L, and the amount of L-lactic acid in it was 54.4 g / LD—the amount of lactic acid was 1.3 gZL. Purity was 95.3%.
  • L-lactic acid (%) (LD) / (D + L) x 100
  • L indicates the concentration of L-lactic acid
  • D indicates the concentration of D-lactic acid (the same unit as the concentration of L-lactic acid).
  • Woody biomass Office waste paper was used.
  • SANK 70182 strain (FERM BP-08672), a new species of the genus Bacillus
  • a fermentation medium having the following composition was prepared. To this fermentation medium, 5 v / v% of the seed obtained above was added, and lactic acid fermentation was performed by culturing under the following culture conditions for 48 hours.
  • Carbon source used paper saccharified liquid
  • Nitrogen source CSL, 20 g / L
  • pH adjustment The pH was controlled to 7.0 with an aqueous solution of 5 mol / L ammonium.
  • Fermentation container 5 L jar arm mentor, liquid volume 2 L
  • the concentrations of lactic acid, acetic acid, and saccharides [glucose (G1u), xylose (Xy1), mannose (Man), and cellobiose (Cello)] in the fermentation medium, and the dry cell weight were measured over time.
  • the concentrations of lactic acid, acetic acid, and saccharides [glucose (G1u), xylose (Xy1), mannose (Man), and cellobiose (Cello)] in the fermentation medium, and the dry cell weight were measured over time.
  • HPLC high performance liquid chromatography
  • HPX-87P manufactured by BioRad was used as the column.
  • FIGS. 2 and 3 the left vertical axis indicates the concentrations of organic acids (lactic acid and acetic acid) and saccharides
  • the right vertical axis indicates the dry cell weight
  • the horizontal axis indicates the culture time.
  • the concentration of D-lactic acid was 1.2 g / L
  • the concentration of L-lactic acid was 48.6 gZL
  • the optical purity of the L-form was 95. 2%.
  • Lactic acid fermentation was carried out in the same manner as in Example 2 except that waste magazine paper was used as the woody biomass, and the amount of the substance in the fermentation medium was measured as in Example 2. The results are shown in FIG. 3.
  • the concentration of D-lactic acid was 2.2 g / L
  • the concentration of L-lactic acid was 39.6 gZL
  • the optical purity of the L-form was 89.5%.
  • Lactic acid was produced in the second step in the same manner as in Example 2, except that the fermentation temperature was 35 ° C. As a result, lactic acid production decreased. When the optical purity of the L-form was determined in the same manner as in Example 2, it was 89%.
  • Lactic acid was produced in the same manner as in Example 2 except that a saccharified solution of starch was used as a substrate. The productivity was good but the cost was higher than in Example 2. The concentration of D-lactic acid was 5.8 gZL, the concentration of L-lactic acid was 61.2 gZL, and the optical purity of the L-form was 82.7%. As is evident from FIGS. 2 and 3, in Examples 2 and 3, fermentation progressed quickly despite the use of seeds that had been refrigerated for one month.
  • Glucose was almost completely consumed in about 20 hours, and lactic acid production also increased significantly between 0 and 20 hours.
  • Xylose which accounted for about 10% of the sugar in the waste paper saccharified solution, was consumed at a slower rate than glucose, but in Example 3 it was consumed almost 100% in 30 hours, and in Example 2 it was 70%. About 80% of the time was consumed.
  • the fermentation rate that is, the yield of lactic acid relative to the sugar was 75% and 90%, respectively, in Examples 2 and 3 based on the sugar in the charged substrate. It was 77% and 92%, respectively, based on the sugar consumed.
  • the lactic acid obtained in the examples had a high optical purity of the L-form and was favorable for obtaining a raw material of polylactic acid.

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Abstract

本発明は、原料コスト、培地コスト、設備コスト等の製造コストを低減し、純度の高いL-乳酸を安価に提供するための製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。本発明は、配列番号1で示される16S rDNAの塩基配列を有するバチルス(Bacillus)属の新種、又は、バチルス属の新種であるSANK 70182株(FERM BP-08672)と、資化可能な炭素源とを用いるL-乳酸の製造方法である。また、木質系バイオマスを加水分解して糖を含む基質を得る第一工程と、前記バチルス属の新種又は前記SANK 70182株を用いて前記基質を乳酸発酵する第二工程とを有し、前記基質を加熱殺菌せず、前記第二工程において発酵温度を45~60℃とすることを特徴とするL-乳酸の製造方法である。

Description

L -乳酸の製造方法 技術分野
本発明は、 生分解性プラスチックの材料等として用いられる乳酸、 特に L -乳 酸の製造方法に関する。 明背景技術
近年、 生分解性プラスチックであるポ田リ乳酸 (PLA) 等の原料として、 L - 乳酸の需要が拡大している。
従来、 L -乳酸は、 グルコース等の糖を含む基質を、 乳酸発酵を行う微生物を 用いて発酵させる方法で製造されており、 近年は、 基質の原料としてトウモロコ シを用いて大規模に製造されており、 製造コストが低下してきている。
糖から乳酸等の酸を生産する微生物としてよく知られているものとして、 ラク トバチルス (L a c t ob a c i l l u s) 属等の乳酸菌ゃリゾプス (Rh i z opu s) 属等のカビが挙げられる。 しかし、 リゾプス属は発酵に通気を必要と し、糖に対する乳酸収率が低く (70%程度)、時間当たりの乳酸生産性が低いと いう欠点を有していた。 また、 ラクトバチルス属は、 栄養要求性が高いという欠 点を有していた。
そこで、 ラクトバチルス属等よりも栄養要求性が低く乳酸発酵を行う微生物と して、 例えば、 バチルス ·セレウス (Ba c i l l u s c e r e u s) バチル ス ·チューリゲンシス (B a c i l l u s t hu r i ng i e n s i s) 等の バチルス (Ba c i l l u s) 属の特定の微生物を用いる方法が提案されている (例えば、 特開平 9— 121877号公報参照。)。
し力 ^し、 特許文献 1に記載のバチルス属が生育あるいは乳酸発酵を行う至適温 度は例えば 40°C以下であり、 乳酸発酵を他の多くの微生物、 特に大腸菌、 酵母 など増殖の速い微生物の生育に適した温度範囲で行わざるを得なかった。 したが つて、 これらの微生物によるコンタミネーシヨンを防ぐためには、 基質を発酵ェ 程の前に加熱殺菌する必要があった。 即ち、 加熱殺菌のためのエネルギ一や装置 を必要とした。 さらに、 発酵中のコンタミネーシヨンを防止するための付加設備 を設置する必要があるので、 設備コストが大きくならざるをえなかった。
高温で生育、 乳酸発酵を行うことが可能な微生物としては、 有胞子性乳酸菌で あるバチルス ·コアグランス (Ba c i l l u s c o agu l an s) が知ら れていたが、 この微生物は、 特許文献 1において、 特許文献 1に記載の発明に用 いられる微生物と比べ栄養要求性が高く、 生産される L -乳酸の光学純度が 70 %未満であるとされており、 これを用いた乳酸の大規模な製造は検討されていな かった。
このことにより、 製造装置において加熱殺菌を行うための機構を設けることや 、 製造に際して加熱のためのエネルギーを用いること等が依然として必要であり 、 L -乳酸を製造するための総コストの低減には限界があった。 発明の開示
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、 原料コスト、 培地コスト 、 設備コスト等の製造コストを低減し、 純度の高い L -乳酸を安価に提供するた めの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、 胞子を形成し、 高温培養で多量の L -乳酸を生産する微生物を 自然界にもとめ、 バチルス属の新種である SANK 70182 (FERM B P— 08672として寄託された) 株の分離に成功した。 その結果、 当該 SAN K 70182株と、 安価で入手しやすい木質系バイオマスから得られる基質と を用いて、 純度の高い L -乳酸を実際に生産し得ることを明らかにし、 基質の加 熱殺菌を行わずともコンタミネーシヨンを生じないことを見出した。
また本発明者らは、 胞子を形成した SANK 70182株を用いることで、 乳酸発酵を行う微生物の取り扱い性を向上させ、 生産性の制御の容易化と、 さら なるコストの低減が可能であることを見出した。
即ち、 本発明は、 配列番号 1で示される 16 S r DNAの塩基配列を有する バチルス (Ba c i l l u s) 属の新種である。 また、 バチルス属の新種である SANK 70182株 (FERM B P— 08672 ) である。 さらに、 配列 番号 1で示される 16 S rDNAの塩基配列を有する SANK 70182株 である。
本発明の L -乳酸の製造方法は、前記バチルス属の新種、又は前記 SANK 7 0182株と、 資化可能な炭素源とを用いる。
また、 本発明の L -乳酸の製造方法は、 木質系バイオマスを加水分解して糖を 含む基質を得る第一工程と、 前記バチルス属の新種、 又は SANK 70182 株を用いて前記基質を乳酸発酵する第二工程とを有し、 前記基質を加熱殺菌せず 、 前記第二工程において発酵温度を 45〜60でとすることを特徴とする。 ここで、 前記木質系バイオマスは、 古紙であることが好ましい。
前記バチルス属の新種、 又は前記 SANK 70182株の、 胞子を用いるこ とが好ましい。
本発明の L -乳酸の製造装置は、 上記本発明の L -乳酸の製造方法に用いられ ることを特徴とする。 \ 本発明の L -乳酸の製造方法によれば、 原料コスト、 培地コスト、 設備コスト 等の製造コストを低減し、 純度の高い L -乳酸を安価に提供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 16 S r DN Aの塩基配列に基づき作成した SANK 70182 株の系統樹である。
図 2は、 実施例 2における、 発酵培地中の糖濃度、 酸濃度、 乾燥菌体重量の経 時変化を示すグラフである。
図 3は、 実施例 3における、 発酵培地中の糖濃度、 酸濃度、 乾燥菌体重量の経 時変化を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
本発明の L -乳酸の製造方法(以下、 「乳酸の製造方法」 という場合がある) は 、 木質系バイオマスを加水分解して糖を含む基質を得る第一工程と、 配列番号 1 で示される 16 S r DNAの塩基配列(以下、 「特定塩基配列」 という場合があ る) を有するバチルス (B a c i l l u s) 属の新種、 又はバチルス属の新種で ある S ANK 7 0 1 8 2株 ( £ 1 1^ B P— 0 8 6 7 2 ) を用いて前記基質 を乳酸発酵する第二工程とを有し、 前記基質を加熱殺菌せず、 前記第二工程にお いて発酵温度を 4 5〜6 0 °Cとすることを特徴とする。
まず、 木質系バイオマスを加水分解して糖を含む基質を得る第一工程を行う。 木質系バイオマスとしては、 例えば、 古紙、 木材、 農業廃棄物等が挙げられる 古紙としては、 例えば、 オフィス紙の古紙 (以下 「オフィス古紙」 という)、 雑 誌、 段ポール紙、 新聞紙等が挙げられる。 木材としては、 例えば、 建設系廃木材 、 間伐材、 林地残材、 製紙廃液等を用いることができる。 また農業廃棄物として は、 例えば、 籾殻、 稱わら、 麦わら、 トウモロコシの茎 '葉、 バガス等を用いる ことができる。
木質系バイオマスとしては、 上記のように、 古紙、 農業廃棄物は勿論のこと、 建設系廃木材等を用いることができるので、 入手が容易で非常に安価であり、 L -乳酸を製造する際の原料コストを低減することができる。
上記の木質系バイオマスの中でも、 特に古紙はセルロース分を多く含み、 且つ リグニン分が少ないので、 薬品や熱を用いた前処理をしなくても酵素によって比 較的容易に加水分解される。 このような理由から、 古紙を用いることが好ましい 木質系バイオマスは、 加水分解を行うために予め前処理しておくことが好まし い。 前処理としては、 例えば、 古紙の場合、 裁断、 離解 (パルビング)、 乾式によ る繊維化を行い、 木材の場合、 硫酸や水酸化ナトリウム (苛性ソーダ) を添加し 加熱処理したり、 爆砕処理等を行う。
加水分解の方法としては特に制限はないが、 例えば、 前処理された木質系パイ ォマスを分散させた分散液に、 セルラーゼなどの酵素を添加することにより行う ことができる。 セルラーゼを添加する方法として、 セルラーゼを生産する微生物 、 例えばトリコデルマ · リーセィ等の培養液を上記の分散液に加えることもでき る。 また、 加水分解の方法として、 酸、 アルカリ等を上記分散液に作用させる方 法を用いてもよい。 このように木質系バイオマスを加水分解すると、 主としてグルコース、 キシロ —ス、 マンノース、 セロビオースなどの糖を含む溶液が得られ、 この溶液をその まま、 あるいは濃縮することにより糖濃度を高めて、 後述の乳酸発酵における基 質として用いることができる。 ここで、 得られた基質の加熱殺菌は行わないが、 コンタミネーシヨンを防止するため直ちに発酵工程に供することが望ましい。 次いで、 第一工程で得られた基質を、 微生物として、 上記の特定塩基配列を有 するバチルス属の新種、 又は、 バチルス属の新種である SANK 70182株 を用いて乳酸発酵する第二工程を行う。
ここで、 バチルス属の新種である SANK 70182株を用いることができ 、 当該 SANK 70182株の変異株を用いてもよい。 SANK 70182 の変異株を用いる場合、 16 S rDNAの塩基配列が配列番号 1で示される変 異株が好ましく用いられる。
バチルス (B a c i 1 l u s) 属の新種である SANK 70182株 (以下 、 「SANK 70182株」 と称する場合がある) は、 グルコースゃキシロース などから多量の乳酸を生産する性質を有する。
SANK 70182株は、 乳酸発酵を行うために通気を必要としない。 したがって、 前記第二工程を嫌気的に行うことができ、 製造装置において通気 機構を設けないことで、 運転および設備コストを低減することができる。
なお、 SANK 70182株は、 ラクトバチルス (L a c t o b a c i 1 1 u s) 属細菌と異なりカタラーゼ活性を有するので、 好気条件下でも増殖するこ とができ、 第二工程の実施中に菌体増殖を優先させる場合には、 製造装置におい て通気機構を設けて、 通気を行っても良い。 第二工程において、 前記基質は滅菌することなく用いる。 また、 第二工程にお いて、 発酵温度は 45〜60°Cとする。
SANK 70182株は耐熱性を有し、 生育温度は 27〜60°Cで、 乳酸生 産のための最適温度は 45〜 50 °Cであり、 この温度では他の多くの微生物は生 育できない。 また、 生産した乳酸が発酵槽中に蓄積することによって、 他の微生 物の生育を阻害する効果もある。 したがって、 培地を滅菌しなくても、 発酵温度 を制御することによって SANK 70182株が優先的に生育するような環境 にすることが可能なため、 基質を加熱殺菌したり、 発酵容器にコンタミネーショ ン防止の機構を設けたりする必要がなく、 発酵設備のコストを低減することがで きる。
また、 栄養要求性については、 例えば、 多量の乳酸を生成することが知られて いるラクトバチルス (L a c t ob a c i l l u s) 属細菌は酵母エキス、 ぺプ トンなど比較的高価な栄養源を必要とするのに対し、 SANK 70182株は 利用可能な炭素源に安価なコーンスティ一プリカ一 (CSL) と少量の無機塩の みを含む培地で生育可能であって、 比較的栄養要求性が低く、 培地コストは低く 抑えられる。
例えば SANK 70182株を用いて前記基質を乳酸発酵する方法としては 、 発酵容器に炭素源である基質、 CSL等の窒素源、 硫酸マグネシウム等の無機 塩を含む発酵培地に、 前記 SANK 70182株の培養液、 乾燥菌体または胞 子を添加し、 上記温度範囲で一定時間培養し、 実施することができる。 このとき 、 培地の pHは通常 6〜 8である。 また、 上記温度範囲で培養する時間は特に限 定されないが、 通常 20時間〜 50時間である。
このように、 上記特定塩基配列を有するバチルス属の新種、 又は前記 SANK 70182株を用い、 前記基質を乳酸発酵することにより、 L -乳酸の光学純度 の高い (例えば、 (L一 D) / (D + L) X 100で定義される L -乳酸の光学純 度が 90%以上の) 乳酸が得られる。 このとき、 糖に対する乳酸収率、 乳酸生産 性 (時間当たり乳酸生産量) も高い。 特定塩基配列を有するバチルス属の新種、 又は前記 SANK 70182株と しては、 胞子を用いることが好ましい。
例えば、 発酵容器に窒素源、 少量の無機塩類、 及び前記基質を入れて発酵培地 を調製し、 この発酵培地に胞子を形成した前記 SANK 70182株の菌体を 、 シード (以下、 「シード」 という) として添加することができる。
SANK 70182株の特徴として、 温度、 pH、 栄養条件等によって胞子 を形成することが挙げられる。 例えば、 予め、 4 0〜6 0 °C、 p H 6〜8で培養 し、 糖が欠乏した状態で培養を継続することにより、 胞子を形成させることがで きる。 バチルス (B a c i l l u s ) 属細菌の胞子は一般的に乾燥や高温、 また 環境の変化に対して安定で、 長期間保存が可能である。
胞子は環境条件を整えると速やかに発芽し、 生育するので、 乳酸発酵の前段に シード培養 (予備培養) を行う必要がなく、 ストックした胞子を一定量添加する ことによって発酵を行うことができる。 したがって、 シード培養に必要な時間、 エネルギー、 予備培養槽などの装置、 等を削減することができ、 コストを削減す ることができるとともに、 添加する胞子の量を調整することによって、 生産速度 や総生産量の制御を容易に行うことができる。 また、 培養槽を木質系バイオマス の発生場所に立地させることができ、 その輸送に必要な時間 ·コストを低減する ことができる。
また、 胞子は乾燥に強いため、 S ANK 7 0 1 8 2株などの胞子を乾燥、 粉 末化して保存、 輸送することができる。 このように乾燥して粉末化したものを用 いれば、 大量培養に容易に対応可能となるだけでなく、 取り扱いが簡便となり、 菌の保存 ·輸送コストを低減することができる。 上述のように菌体が取り扱いや すいため、 菌体の管理において熟練した技術が必要なく、 自動化が容易となる。 このようにして得られた乳酸は、 高純度の L -乳酸を含み、 効率よく L -乳酸 を回収して、 ポリ乳酸等の生分解性プラスチック等の原料として用いることがで きる。 本発明の製造方法に用いられる製造装置は、 微生物を予備培養するための予備 発酵槽を有さず、 基質を加熱殺菌するための殺菌機構を有さず、 コンタミネーシ ヨン防止機構を有さないものとして構成することができる。 例えば、 前記第一ェ 程を行うための糖化槽と、 前記第二工程を行うための発酵槽のみからなり、 糖化 槽と発酵槽が互いに配管により連通されたものとして構成することができる。 し たがって、 設備コストの大幅な削減ができる。
例えば、 上述の前処理の施された木質系バイオマスを糖化槽に供給し、 糖化槽 において前記第一工程を完了して基質を得た後に、 該基質を配管を介して発酵槽 に移送して、 前記第二工程を開始することができる。 また、 前記第一工程による 加水分解と、 得られた基質の発酵槽への移送と、 前記第二工程による乳酸発酵と を、 並行して進行させてもよい。
さらに別の形態として、 糖化槽と発酵槽とを互いに独立に設け、 第一工程によ り得られた基質を糖化槽からいつたん別の容器に回収し、 運搬して、 発酵槽に供 給し、 その後第二工程を行ってもよい。 以上説明したように、 本発明によれば、 装置の簡略化、 発酵設備のコスト低減 、 乳酸の原料コストの低減、 培地の栄養源コストの低減が実現され、 かつ高純度 の L -乳酸を含んだ乳酸を得ることができる。 このことにより、 大幅にコストを 低減して、 L -乳酸を得ることができるようになり、 生分解性プラスチック等の 材料をより安価に提供できる。 本発明者らは、 収集した細菌の中から高温培養で糖から酸を生成する細菌 1 0 0株を選抜し、 さらにフラスコ培養で決定した培養条件で L -乳酸高生産株を選 抜した。 当該培養条件で高い対糖変換率を示した株を中心に、 各種古紙糖化液か らの乳酸発酵をジャーフアーメン夕一を用いて比較検討し、 バチルス (B a c i 1 1 u s ) 属の新種として見出した S ANK 7 0 1 8 2株、 又は、 配列番号 1 で示される 1 6 S r D NA塩基配列 (「特定塩基配列」) を有するバチルス属の 新種が、 資化可能な炭素源からの L -乳酸の製造において、 耐熱性、 光学純度、 乳酸生産能について特にすぐれた特性を有することを見出した。 ここで、 資化可 能な炭素源としては、 上述した木質系バイオマスの糖化液以外に、 糖蜜、 デンプ ン質の糖化液等が利用可能である。
このように資化可能な炭素源から L一乳酸を製造する場合、 微生物を予備培養 するための予備発酵槽を有さず、 基質を加熱殺菌するための殺菌機構を有さず、 コン夕ミネーシヨン防止機構を有さない上述の製造装置を用いることができる。 なお、 資化可能な炭素源からの L一乳酸の製造において、 上記特定配列を有す るバチルス属の新種、 又は前記 S ANK 7 0 1 8 2株の胞子を用いることが好 ましい。 バチルス (B a c i l l u s) 属の新種である SANK 70 182株は、 埼 玉県新座市の堆肥から分離された株である。
SANK 70182株の分類学的性状は次に示す通りである。
1. 形態学的性状
普通寒天培地 (栄研) で 45°C、 24時間培養後の観察では、 細胞が幅 l ^m 、 長さが 4— 6 /imの桿菌であり、 運動する。 グラム染色は、 陽性である。 培養 72時間後には、 タマゴ型または長い楕円の胞子が細胞の端に形成され、 胞子を 形成した細胞の端が膨張する。
2. 培養学的性状
普通寒天培地 (栄研) で 45°C、 48時間培養後のコロニーは扁平、 周辺は波 状である。 コロニーの色調は灰味茶黄で、 鈍光を有する。
3. 生理学的性状
(1) カタラーゼ: +
(2) 好気条件下での生育: +
(3) 嫌気条件下での生育: +
(4) 酸の生成
D—グルコース: +
D—キシロース: +
L—ァラビノース: +
D—マンニ] ル:一
可溶性でんぷん: +
(5) 硝酸塩の還元: +
(6) ガスの生成:―
(7) カゼインの分解:一
(8) ゼラチンの分解:一
(9) VP試験: +
(10) 生育温度 27 °C: + (微弱)
40 °C: +
45°C:+ (良好)
50°C: + (良好)
55。C: +'
65。C:一
(11) NaC 1含有培地での生育
5 %: +
7 %: - 4. 遺伝学的性状
(1) G+C含量: 46. 6%
(2) 16 S rDNAの解析:解読した塩基配列(463) (配列番号 1で示さ れる) の 38— 463塩基部分をジ一ンパンク (Ge nBank) に登録されて いる細菌の各種の基準株のデータと比較し、 サイトウ ·ェヌ ·エンド 'ェム ·ネ ィ、 モル ·バイオ ·ェボル (S a i t ou N., and M. Ne i, Mo 1. B i o. E v o 1.) 4、 406 -425 (1987年) の近隣結合法により系統 解析したところ図 1に示す結果が得られ、 系統的にはバチルス (Ba c i 1 l u s) 属に属した (図 1)。 しかし、 最も近接であるバチルス ·コアグランス (B a c i l l u s c o a gu 1 an s) の基準株とは 8塩基異なった。
SANK 70182株の D—キシロースからの酸の生成、 Lーァラビノース からの酸の生成、 硝酸塩の還元と 5 %N a C 1含有培地での生育は陽性であり、 バチルス ·コアグランス (B a c i l l u s c o agu l n s) の基準株の これらの性状は陰性であった。 SANK 70182株は、 生理学的性状と 16 S rDNAの塩基配列からバチルス ·コアグランス (Ba c i l l u s c o a gu 1 a n s) とは明確に区別できる。 よって、 SANK 70182株は、 バチルス (B a c i l l u s) 属の新種と同定された。
SANK 70182株は、 「バチルス(B a c i 1 1 u s)属の新種 SAN K 70182」 として 2004年 3月 29日、 日本国茨城県つくば市東 1 一 1 - 1中央第 6の独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターに国際寄 託され、 受託番号 FERM BP— 08672を付与された。 実施例
[実施例 1 ]
下記実験条件において、 SANK 70182株の生産する乳酸量と乳酸の光 学純度を測定した。
(シード)
予め、 スラント固体培地を用いて SANK 70182株を 37°Cで培養し、 保存用スラントとした。
保存用スラントからコロニーを約 1 Ommx 1 Omm採取し、 下記組成の発酵 培地に添加して、 下記培養条件で培養した。
(発酵培地)
炭素源:グルコース、 l O O gZL
窒素源: CSL、 20 g/L
無機塩: Mg S〇4 · 7H2〇、 0. 3 g/L
pH調整: CaC〇3、 40 g/L (培養初期に添加)
(培養条件)
発酵容器: 200mL三角フラスコ、 液量 50mL、 シリコーンゴム栓 温度: 47 °C
振とう :往復 80 r pm
(分析)
培養終了後、 培養液を遠心分離し、 遠心上清中の L -乳酸、 D -乳酸の濃度を 、 ロシュ ·ダイァグノスティック社製 「F—キット D—乳酸 ZL—乳酸) を用 いた酵素法によって分析した。
培養 40時間後の上清の乳酸の量は 55. 7 g/L, その中の L一乳酸の量は 54. 4 g/L D—乳酸の量は 1. 3 gZLであり、 L一体の光学純度は 95 . 3%であった。
なお、 L -乳酸の光学純度は、 次式により算出した。
L -乳酸の光学純度 (%) = (L-D) / (D + L) X 100 ここで、 Lは L -乳酸の濃度、 Dは D -乳酸の濃度 (L -乳酸の濃度と同一の 単位とする) を示す。
[実施例 2 ]
木質系バイオマスを原料として用い、 下記条件で基質の調整および乳酸発酵を 行った。
木質系バイオマス:オフィス古紙を用いた。
菌株:バチルス (Ba c i l l u s) 属の新種である SANK 70182株 ( FERM BP-08672)
シード:炭素源としてグルコースを用い、 60時間培養し、 胞子を形成させた培 養液を 1ヶ月冷蔵保存したものを用いた。
(第一工程)
オフィス古紙 10wZw%分散液に、 セルラーゼ (「セル口シン T2」、 エイ チビィアイ製) をオフィス古紙に対して 5 wZw%添加し、 45°C、 pH4. 5 にて 48時間処理して加水分解した後、 吸引濾過した濾液を回収して、 基質とな る古紙糖化液を得た。
(第二工程)
得られた基質を炭素源として、 下記組成の発酵培地を調整した。 この発酵培地 に、 上記で得られたシードを 5 v/v%添加し、 下記培養条件で 48時間培養す ることにより乳酸発酵を行つた。
(発酵培地)
炭素源:古紙糖化液
窒素源: CSL、 20 g/L
無機塩: MgS04 · 7H20、 0. 3 g/L
p H調整: 5 m o 1 /Lァンモニァ水溶液で p H 7. 0に制御した。
(培養条件)
発酵容器: 5 Lジャーフアーメンター、 液量 2L
温度: 45°C
攪拌: 80 r pm 通気:なし
第二工程において、 発酵培地中の乳酸、 酢酸、 糖類 [グルコース (G 1 u)、 キ シロース (Xy 1)、 マンノース (Man)、 セロビオース (Ce l l o)] の濃度 、 及び乾燥菌体重量を経時的に測定した。 測定においては、 高速液体クロマトグ ラフィ一 (HPLC) を用い、 カラムは B i oRa d社製 「HPX— 87 P」 を 用いた。 結果を図 2に示す。 以下、 図 2、 3において、 左縦軸は有機酸 (乳酸、 酢酸)、糖類の濃度を示し、右縦軸は乾燥菌体重量を示し、横軸は培養時間を示す また、 得られた乳酸について、 上記と同様の方法で L -体の光学純度を求めた ところ、 D -乳酸の濃度が 1. 2g/L、 L -乳酸の濃度が 48. 6gZL、 L -体の光学純度が 95. 2 %であった。
[実施例 3]
木質系バイオマスとして雑誌古紙を用いた以外は、 実施例 2と同様に乳酸発酵 を行い、 実施例 2と同様に発酵培地中の物質の量を測定した。 結果を図 3に示す 得られた乳酸において、 D -乳酸の濃度が 2. 2g/L、 L -乳酸の濃度が 3 9. 6gZL、 L -体の光学純度が 89. 5%であった。
[比較例 1 ]
第二工程において、 発酵温度を 35 °Cとした以外は、 実施例 2と同様にして乳 酸を製造した。 その結果、 乳酸の生産量が低下した。 なお、 実施例 2と同様に L -体の光学純度を求めたところ、 89%であった。
[比較例 2]
基質としてデンプンの糖化液を用いた以外は実施例 2と同様にして乳酸を製造 した。 生産性は良好であつたが実施例 2よりもコストが高かった。 なお、 D -乳 酸の濃度が 5. 8gZL、 L -乳酸の濃度が 61. 2gZL、 L -体の光学純度 が 82. 7%であった。 図 2、 3から明らかなように、 実施例 2、 3では、 いずれも 1ヶ月冷蔵保存し ていたシードを使用したにも関らず、 発酵が速やかに進行した。
グルコースは 2 0時間程度でほぼ全て消費され、 乳酸生産量もこれに連動して 0時間〜 2 0時間の間で大きく増加した。 古紙糖化液において糖の 1 0 %程度を 占めていたキシロースは、 グルコースに比べ消費される速度が遅いものの、 実施 例 3では 3 0時間でほぼ 1 0 0 %消費され、 実施例 2では 7 0時間で 8 0 %程度 消費された。 発酵率、 即ち糖に対する乳酸収率は仕込んだ基質中の糖ベースで実 施例 2、 3にっきそれぞれ 7 5 %、 9 0 %であった。 また消費した糖ベースでそ れぞれ 7 7 %、 9 2 %であった。
また、 実施例で得られた乳酸は、 L -体の光学純度が高く、 ポリ乳酸の原料を 得るために良好なものであった。
一方、 発酵温度を 3 5 °Cとした比較例 1では、 乳酸の生産量が低下し、 効率が 悪かった。

Claims

請求の範囲
1. 配列番号 1で示される 16 S r DN Aの塩基配列を有するバチルス (B a c i 1 1 u s) 属の新種。
2. バチルス属の新種である SANK 70182株 (FERM BP— 08
3. 配列番号 1で示される 16 S rDN Aの塩基配列を有する請求項 2に記 載の SANK 70182株。
4. 請求項 1に記載のバチルス属の新種、 又は請求項 2に記載の SANK 7 0182株と、 資化可能な炭素源とを用いる L -乳酸の製造方法。
5. 木質系バイオマスを加水分解して糖を含む基質を得る第一工程と、 請求項 1に記載のバチルス属の新種又は請求項 2に記載の SANK 70182株を用 いて前記基質を乳酸発酵する第二工程とを有し、 前記基質を加熱殺菌せず、 前記 第二工程において発酵温度を 45〜60°Cとすることを特徴とする L -乳酸の製 造方法。
6. 前記木質系バイオマスは、 古紙であることを特徴とする請求項 5に記載の L -乳酸の製造方法。
7. 前記バチルス属の新種又は前記 SANK 70182株の、 胞子を用いる ことを特徴とする請求項 5に記載の L -乳酸の製造方法。
8. 請求項 5に記載の L -乳酸の製造方法に用いられることを特徵とする L - 乳酸の製造装置。
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