WO2015152127A1 - 乳酸の製造方法 - Google Patents

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WO2015152127A1
WO2015152127A1 PCT/JP2015/059861 JP2015059861W WO2015152127A1 WO 2015152127 A1 WO2015152127 A1 WO 2015152127A1 JP 2015059861 W JP2015059861 W JP 2015059861W WO 2015152127 A1 WO2015152127 A1 WO 2015152127A1
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lactic acid
crystallization
acid
containing solution
mother liquor
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PCT/JP2015/059861
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French (fr)
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河村 健司
深雪 堀口
敏 坂見
山田 勝成
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東レ株式会社
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    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/43Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation
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    • C08G63/78Preparation processes
    • C08G63/80Solid-state polycondensation

Definitions

  • the present invention relates to a method for isolating and purifying high-purity lactic acid in a high yield from a lactic acid-containing solution derived from microbial fermentation.
  • Lactic acid is widely applied to industrial applications as a monomer raw material for plastics in addition to uses such as food and medicine, and the demand is increasing.
  • 2-Hydroxypropionic acid ie, lactic acid
  • lactic acid is known to be produced by fermentation by microorganisms, and microorganisms convert a substrate containing carbohydrates typified by glucose into lactic acid.
  • Lactic acid is classified into (L) -isomer and (D) -isomer optical isomers depending on the conformation of the substituent bonded to the carbon at the carbonyl ⁇ -position.
  • lactic acid is selectively selected or a mixture of (L) -form and (D) -form (racemic form).
  • lactic acid is selectively selected or a mixture of (L) -form and (D) -form (racemic form).
  • lactic acid by microbial fermentation is performed while maintaining an optimum pH for microbial fermentation by adding an alkaline substance (for example, calcium hydroxide) to the culture solution.
  • alkaline substance for example, calcium hydroxide
  • lactate salt for example, calcium lactate
  • lactic acid fermentation broth obtained by microbial fermentation in addition to the target lactic acid, in addition to organic acids and their salts, proteins, amino acids, nonionic compounds such as glycerol are included as impurities, When lactic acid is used as a plastic monomer, it is necessary to separate lactic acid from these impurities.
  • Crystallization is a method of increasing optical purity in addition to chemical purity by precipitating lactic acid as crystals, and most of the impurities derived from fermentation are distributed to the liquid component (mother liquor).
  • mother liquor liquid component
  • Patent Document 1 discloses a method of improving yield by diluting a lactic acid-containing solution and crystallization after hydrolysis.
  • Patent Document 2 discloses a method for recovering high quality lactic acid by crystallization after distillation of a lactic acid-containing solution.
  • these patent documents do not specifically describe the process of recycling the crystallization mother liquor.
  • the inventor collects lactic acid from a lactic acid-containing solution by crystallization, and further recycles the mother liquor to a crystallization process to recover lactic acid in high yield. It has been found that there is a problem that the crystallization yield decreases due to accumulation.
  • the present invention recovers lactic acid from a lactic acid-containing solution by crystallization, and suppresses the accumulation of lactic acid multimers and impurities in the mother liquor recycling system to produce highly pure lactic acid with high efficiency and stability. It is an object to provide a method.
  • the present inventors recovered lactic acid crystals by crystallization of lactic acid and circulated the mother liquor to the crystallization process.
  • lactic acid collected from the vapor side by distilling a lactic acid-containing solution it was found that lactic acid crystals can be stably produced in a high yield without accumulating multimers of lactic acid in the circulation system of the crystallization process, The present invention has been completed.
  • the present invention comprises the following (1) to (3).
  • a step of distilling a lactic acid-containing solution and recovering lactic acid from the vapor side (Step A), a step of crystallizing lactic acid obtained in Step A (Step B), and a lactic acid slurry obtained in Step B being lactic acid
  • a method for producing lactic acid comprising a step of solid-liquid separation into a crystal and a mother liquor (Step C) and a step of circulating the mother liquor obtained in Step C to Step B (Step D).
  • Step B The method for producing lactic acid according to (1) or (2), wherein the crystallization in Step B is cooling crystallization, evaporation crystallization, or adiabatic crystallization.
  • step (E) is a step of directly dehydrating and condensing lactic acid.
  • the method for producing lactic acid of the present invention is obtained by distilling a lactic acid-containing solution and recovering lactic acid from the vapor side (step A), crystallization of lactic acid obtained in step A (step B), and step B. It is characterized by comprising a step (Step C) of solid-liquid separation of the obtained lactic acid slurry into lactic acid crystals and a mother liquor, and a step (Step D) of circulating the mother liquor obtained in Step C to Step B.
  • Step C solid-liquid separation of the obtained lactic acid slurry into lactic acid crystals and a mother liquor
  • Step D circulating the mother liquor obtained in Step C to Step B.
  • the lactic acid-containing solution used in the present invention is not particularly limited except that the main component is free lactic acid (hereinafter referred to as free lactic acid), but is preferably derived from microbial fermentation.
  • the lactic acid-containing solution derived from microbial fermentation may be a fermentation broth itself or may have been subjected to a plurality of purification steps from the fermentation broth.
  • the main component in the lactic acid-containing solution is lactate (specifically, lithium lactate or sodium lactate). , Potassium lactate, calcium lactate, magnesium lactate, aluminum lactate or ammonium lactate, or a mixture thereof).
  • lactate specifically, lithium lactate or sodium lactate
  • Potassium lactate calcium lactate, magnesium lactate, aluminum lactate or ammonium lactate, or a mixture thereof.
  • the lactate in the lactic acid-containing solution is converted into free lactic acid.
  • a method for obtaining free lactic acid from lactate a method of adding an acidic substance to a lactate-containing solution can be employed.
  • the acidic substance is not particularly limited, and sulfuric acid, hydrochloric acid, carbonic acid, phosphoric acid, nitric acid and the like can be used, but sulfuric acid is used from the viewpoint that free lactic acid and salt can be easily separated by forming a hardly soluble salt. Is preferred.
  • an acidic substance is added to a solution containing lactate as a main component and converted to a free lactic acid-containing solution, and the cationic component of lactate is removed as a hardly soluble salt
  • an acidic substance is added to the lactate-containing solution
  • a free lactic acid-containing solution from which a cation derived from lactate has been removed can be obtained by solid-liquid separation of the cation component in the solution as a hardly soluble salt by precipitation, filtration or the like.
  • the method for solid-liquid separation of the hardly soluble salt is not particularly limited, and methods known to those skilled in the art such as filtration with qualitative filter paper and centrifugation can be applied.
  • the lactic acid fermentation broth contains a large amount of free lactic acid, such as using a lactic acid fermentation broth in which lactic acid fermentation is performed at a low pH (for example, pKa of lactic acid or less), the lactic acid fermentation broth It can be used for step A as it is.
  • step A the lactic acid-containing solution is subjected to a distillation step.
  • the present inventor includes impurities that promote oligomerization (polymerization) of lactic acid among impurities that can be removed in the distillation step (step A), and the impurities are removed in the distillation step. It has been found that accumulation of lactic acid oligomers in the subsequent crystallization step (step B) and mother liquor circulation step (step D) is suppressed, and stable operation and recovery of lactic acid crystals at a high yield are possible.
  • step A Purification of lactic acid by a distillation step (step A) that requires heating to volatilize lactic acid has been considered to be one of the factors for oligomerization of lactic acid (see, for example, JP 2001-506274 A). (See page 6.)
  • the lactic acid obtained by the distillation step (step A) which is risk of oligomerization of lactic acid, is used in the subsequent crystallization step (step B).
  • step D crystallization step
  • step A the lactic acid-containing solution is distilled to collect lactic acid from the vapor side, and at the same time, high boiling point or nonvolatile impurities are removed as a distillation residue as a solution.
  • the lactic acid concentration of the lactic acid-containing solution used for the distillation process is no particular restriction on the lactic acid concentration of the lactic acid-containing solution used for the distillation process, but if the lactic acid concentration in the solution is too low, the distillation equipment becomes large, and if the concentration is too high, the distillation yield decreases due to excessive oligomerization. In some cases, if it is 40 to 95% by weight, more preferably 60 to 90% by weight, distillation can be suitably performed.
  • the distillation step is performed under a reduced pressure of 1 Pa or more and atmospheric pressure (normal pressure, about 101 kPa) or less. It is more preferable to carry out under a reduced pressure of 10 Pa or more and 30 kPa or less because the distillation temperature can be reduced.
  • the distillation temperature when performing under reduced pressure is 20 ° C. or more and 200 ° C. or less. However, when distillation is performed at a temperature exceeding 180 ° C., lactic acid may be racemized due to the influence of impurities. If it is above 180 degreeC or less, More preferably, it is 60 degreeC or more and 150 degrees C or less, Distillation of lactic acid can be performed suitably.
  • the distillation step can be applied to the present invention regardless of whether it is a batch type (batch) or a continuous type.
  • lactic acid tends to oligomerize due to its structure under dehydration conditions (heating, reduced pressure), it is preferable to reduce the residence time as much as possible. Therefore, since a short-time distillation can be achieved by using a thin film evaporator such as a falling film evaporator or a wiping film evaporator as the distillation apparatus, it is preferable because the recovery rate of lactic acid can be improved. Moreover, the lactic acid vaporized by the distillation apparatus is cooled and recovered by a condenser (condenser).
  • the vapor phase contains water and low-boiling components in addition to lactic acid, so the first stage condenser performs condensation to condense lactic acid and, in some cases, an arbitrary proportion of water, and the second stage condenser.
  • a plurality of condensers may be used, for example, performing full compression to condense the remaining water and low-boiling components.
  • concentration of the lactic acid containing solution used for the process A is low, it is preferable to concentrate lactic acid before the process A.
  • a method for concentrating the lactic acid-containing solution a general method known to those skilled in the art may be used. For example, a method using a reverse osmosis membrane or a heating concentration (evaporation method) using an evaporator can be applied. Also good.
  • Reverse osmosis membranes also called RO membranes
  • the film is used in large quantities in the electronics industry.
  • the method using a reverse osmosis membrane is a method in which a lactic acid-containing solution is filtered through a reverse osmosis membrane to allow water to permeate the membrane, and to concentrate lactic acid on the non-permeate side of the membrane.
  • a reverse osmosis membrane preferably used in the present invention, a composite membrane using a cellulose acetate-based polymer as a functional layer (hereinafter also referred to as a cellulose acetate-based reverse osmosis membrane) or a composite membrane using a polyamide as a functional layer (hereinafter, Polyamide-based reverse osmosis membrane).
  • cellulose acetate-based polymer organic acid esters of cellulose such as cellulose acetate, cellulose diacetate, cellulose triacetate, cellulose propionate, cellulose butyrate and the like, or a mixture thereof and those using mixed esters can be mentioned. It is done.
  • the polyamide includes a linear polymer or a crosslinked polymer having an aliphatic and / or aromatic diamine as a monomer.
  • the membrane form an appropriate form such as a flat membrane type, a spiral type, and a hollow fiber type can be used.
  • reverse osmosis membrane used in the present invention include, for example, SU-710, SU-720, SU-720F, SU-710L, SU-720L, SU, which are polyamide-based reverse osmosis membrane modules manufactured by Toray Industries, Inc.
  • concentration by reverse osmosis membrane is performed by applying pressure. If the filtration pressure is lower than 1 MPa, the membrane permeation rate decreases, and if it is higher than 8 MPa, the membrane damage is affected. It is preferable that it is the range of these. Moreover, if the filtration pressure is in the range of 1 MPa or more and 7 MPa or less, the membrane permeation flux is high, so that the lactic acid-containing solution can be efficiently concentrated. Most preferably, it is in the range of 2 MPa or more and 6 MPa or less because there is little possibility of affecting the film damage. In a low-concentration lactic acid-containing solution, a method using a reverse osmosis membrane is particularly preferable because of its low cost.
  • the lactic acid concentration in the solution can be increased by treating the lactic acid-containing solution under heating and / or reduced pressure conditions to remove water and low-boiling components to the vapor side.
  • the temperature and residence time it is preferable to reduce the temperature and residence time as much as possible because lactic acid may oligomerize and the yield in the subsequent distillation step may decrease.
  • the concentration by the reverse osmosis membrane and the concentration by the evaporator in combination since the input energy and the production of the lactic acid oligomer can be reduced.
  • the lactic acid in the lactic acid-containing solution obtained in step A is subjected to a step of crystallizing (step B).
  • step B There is no restriction
  • a method in which lactic acid is supersaturated by cooling a lactic acid-containing solution (cooling crystallization) a method in which lactic acid is supersaturated by evaporating the solvent (water) (evaporation crystallization), and a solvent (water)
  • a method (adiabatic crystallization) or the like of evaporating and concentrating while cooling the lactic acid solution is mentioned.
  • adiabatic crystallization can be preferably applied because the energy input for cooling can be reduced.
  • a seed crystal may be added in the crystallization.
  • the crystallization can be applied to the present invention regardless of whether it is batch-wise (batch) or continuous, but for industrial-scale lactic acid production, continuous crystallization, that is, continuous lactic acid-containing solution A method of supplying and continuously extracting the lactic acid slurry is preferred.
  • the solution (lactic acid slurry) containing the lactic acid crystals obtained in step B is subjected to a solid-liquid separation step (step C) into lactic acid crystals and a mother liquor.
  • a known solid-liquid separation method can be applied to the separation of the lactic acid crystals and the remaining liquid component (mother liquor).
  • the lactic acid crystals can be recovered by a gradient method, centrifugation, suction filtration using qualitative filter paper, or the like.
  • the lactic acid crystals obtained in step C are of high purity and can be applied to applications requiring high purity such as a raw material of polylactic acid.
  • the mother liquor attached to the crystals is washed with a washing solution. May be washed.
  • the cleaning liquid it is preferable to use a poor solvent that does not dissolve lactic acid in order to prevent the produced lactic acid crystals from dissolving and the crystal recovery rate from decreasing.
  • a poor solvent there is no particular limitation on such a poor solvent, but it is preferable to use a lactic acid aqueous solution having a lactic acid concentration of about 80 to 100% by weight.
  • a part of the lactic acid crystals obtained in the present invention is dissolved in water, and the aqueous solution having the above concentration is used. It is more preferable to prepare and use as a cleaning solution.
  • the present invention is characterized in that the mother liquor after recovering the crystals in step C is subjected to a step (step D) in which the mother liquor is circulated to step B.
  • lactic acid is in an equilibrium state between a monomer (monomer) and a dehydration-condensed polymer (oligomer) in an aqueous solution. It tends to form a body.
  • the present inventors have high solubility of lactic acid in water, so that the concentration of lactic acid in the supply liquid to the crystallization process and the crystallization mother liquor is high, and the mother liquor is continuously added.
  • the present inventors have found that when recycling to the crystallization process, oligomers accumulate and the crystallization yield decreases.
  • the present invention is characterized in that oligomer accumulation in the mother liquor in step D can be suppressed by subjecting the lactic acid-containing solution obtained in the distillation step (step A) to the crystallization step (step B).
  • the mother liquor may be returned directly to the crystallization tank of the process B, and connected to a pipe connecting the distillation process (process A) and the crystallization tank. You may let them.
  • part of the mother liquor may be discharged out of the system in step D for the purpose of suppressing excessive accumulation of impurities derived from fermentation in the recycling system.
  • FIG. 1 shows one typical embodiment of the present invention, and it can be easily understood by those skilled in the art that modifications can be made as appropriate within the scope of the present invention.
  • the lactic acid-containing solution derived from microbial fermentation is first supplied to the distillation apparatus 1. Lactic acid that has been vaporized by the distillation apparatus maintained in a reduced pressure state by a vacuum pump is condensed together with an arbitrary proportion of water in the distillation fractionator 2, and sent to the distillation fraction condensed liquid receiving tank 3. Water and low-boiling components that have not been condensed in the above-mentioned partial condenser are condensed in the distillation total condenser 4 and sent to the distillation total condensed liquid receiving tank 5.
  • the lactic acid recovered in the distillation step (step A) is supplied from the distillate-condensed solution receiving tank 3 to a crystallization tank 6 equipped with a stirrer.
  • the inside of the crystallization tank is depressurized by a vacuum pump, and lactic acid crystals are precipitated by evaporating water and concentrating lactic acid (adiabatic cooling, step B).
  • the evaporated water is condensed in the crystallization tank condenser 7 and sent to the crystallization condensate receiving tank 8.
  • the slurry containing lactic acid crystals is transferred from the crystallization tank to the crystallization slurry centrifuge 9 for solid-liquid separation (step C).
  • the lactic acid crystal as a solid component is taken out as a product, and the mother liquor as a liquid component is sent to the crystallization mother liquor receiving tank 10.
  • the total yield can be improved by recycling the mother liquor from the crystallization mother liquor receiving tank 10 to the crystallization tank 6 (step D).
  • the present invention relates to a method for producing polylactic acid, comprising a step (step E) of producing polylactic acid using lactic acid obtained in the lactic acid producing step as a raw material.
  • Polylactic acid is a homopolymer of L-lactic acid units or D-lactic acid units, a polylactic acid block copolymer composed of segments composed of poly-L-lactic acid units and segments composed of poly-D-lactic acid units, Includes copolymers with other monomers other than lactic acid.
  • monomer units other than lactic acid include ethylene glycol, propylene glycol, butanediol, heptanediol, hexanediol, octanediol, nonanediol, decanediol, 1,4-cyclohexanedimethanol, neo Glycol compounds such as pentyl glycol, glycerin, pentaerythritol, bisphenol A, polyethylene glycol, polypropylene glycol and polytetramethylene glycol, oxalic acid, adipic acid, sebacic acid, azelaic acid, dodecanedioic acid, malonic acid, glutaric acid, cyclohexanedicarboxylic acid Acid, terephthalic acid, isophthalic acid, phthalic acid, naphthalenedicarboxylic acid, bis (p-carboxypheny
  • a general method for producing polylactic acid can be used. Specifically, a lactide which is a cyclic dimer is produced once using lactic acid as a raw material, and then ring-opening polymerization is performed, and a direct dehydration polycondensation of the raw material in a solvent is performed.
  • a direct polymerization method in stages is known, and any production method may be used.
  • the direct polymerization method is used, the raw material lactic acid is required to have a high purity, but the lactic acid of the present invention is sufficiently applicable to the direct polymerization method.
  • the solvent for performing the direct polymerization method is not particularly limited as long as it does not affect the polymerization, and water or an organic solvent can be used. In the case of an organic solvent, for example, aromatic hydrocarbons can be mentioned. Examples of aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, naphthalene, chlorobenzene, diphenyl ether, and the like.
  • the polymerization can be promoted by discharging water generated by the condensation reaction out of the system.
  • a method of discharging out of the system it is preferable to perform polymerization under reduced pressure conditions, specifically, 7 kPa or less, more preferably 1.5 kPa or less.
  • the polymerization time can be shortened by using a catalyst for the polymerization reaction.
  • the catalyst include metals such as tin, zinc, lead, titanium, bismuth, zirconium, germanium, antimony, and aluminum, and derivatives thereof. Derivatives are preferably metal alkoxides, carboxylates, carbonates, oxides and halides. Specific examples include tin chloride, tin octylate, zinc chloride, lead oxide, lead carbonate, titanium chloride, alkoxytitanium oxide, germanium oxide, zirconium oxide, etc. Among these, tin compounds are preferred, and tin acetate or octyl acid Tin is more preferred.
  • the concentration of lactic acid and the characteristic value of lactic acid crystals in this example were determined by the following measurement method.
  • Lactic acid concentration The lactic acid concentration in each step was measured under the following conditions by high performance liquid chromatography (manufactured by Shimadzu Corporation). Column: Shim-Pack SPR-H (manufactured by Shimadzu Corporation) Mobile phase: 5 mM p-toluenesulfonic acid (flow rate 0.8 mL / min) Reaction solution: 5 mM p-toluenesulfonic acid, 20 mM Bistris, 0.1 mM EDTA ⁇ 2Na (flow rate 0.8 mL / min) Detection method: electric conductivity temperature: 45 ° C.
  • Crystallization yield 100 ⁇ (Amount of lactic acid in the crystal) / (Amount of lactic acid in the feed liquid to the crystallization process) (Formula 1).
  • lactic acid monomer and dimer were analyzed by the HPLC method under the following conditions.
  • Example 1 Production of lactic acid by batch fermentation Lactic acid fermentation using microorganisms was carried out according to Example 4 (pH 3) of WO2012 / 147903.
  • the obtained D-lactic acid fermentation liquor (D-lactic acid concentration 40 g / L) was filtered through a microfiltration membrane (“Microza”, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and used in the following examples.
  • Example 1 Example of production of lactic acid using lactic acid fermentation broth as a raw material (distillation of lactic acid-containing solution)
  • the lactic acid fermentation broth obtained in Reference Example 1 was concentrated by evaporating water under reduced pressure (50 hPa) using a rotary evaporator (manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.) to obtain a 50 wt% lactic acid-containing solution.
  • 1000 g of the concentrated lactic acid-containing solution was continuously supplied to the distillation apparatus at a rate of 56.25 g / h, and distilled under reduced pressure at 600 hPa and 150 ° C.
  • the first-stage condenser (partially condensed) is set to 45 ° C.
  • the second-stage condenser (totally condensed) is set to 2 ° C.
  • 462 g of a 92 wt% lactic acid-containing solution condensed from the first-stage condenser is obtained. It was. Thereafter, this 92% by weight lactic acid-containing solution was used as a feed solution for the crystallization step.
  • the mother liquor obtained by qualitative filter paper and centrifugal filtration was used for recycling.
  • the first cycle was repeated (1) and (2), and the second and subsequent cycles were repeated (3) and (2), and the lactic acid oligomer, crystallization yield, and coloration degree of lactic acid crystals in the mother liquor in each cycle were evaluated. .
  • the results are shown in Table 1.
  • Comparative Example 1 Production Example of Lactic Acid without Distillation 12.5 L of the lactic acid fermentation broth obtained in Reference Example 1 was evaporated using a rotary evaporator (Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.) under reduced pressure (50 hPa). Concentration gave a 92% by weight lactic acid-containing solution (hereinafter referred to as a concentrated lactic acid-containing solution). Thereafter, this 92% by weight concentrated lactic acid-containing solution was used as a feed solution for the crystallization step.
  • a rotary evaporator Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.
  • the mother liquor obtained by qualitative filter paper and centrifugal filtration was used for recycling.
  • (3) The mother liquor of (2) and a 92% by weight lactic acid-containing solution concentrated by a rotary evaporator are mixed to obtain a 91% by weight lactic acid-containing solution, and 0.005 parts by weight of seed crystals per 1 part by weight of the lactic acid-containing solution Then, the mixture was allowed to stand at 25 ° C. for 2 hours to crystallize lactic acid.
  • the first cycle was repeated (1) and (2), and the second and subsequent cycles were repeated (3) and (2), and the oligomers in the mother liquor, the crystallization yield, and the coloration degree of lactic acid crystals in each cycle were evaluated.
  • the results are shown in Table 1.
  • Examples 2 and 3 Polymerization test of lactic acid, evaluation of physical properties of polylactic acid In each of 25 g of lactic acid crystals obtained in Example 1 first cycle (Example 2) and Example 1 sixth cycle (Example 3), After adding pure water to make 90% by weight lactic acid aqueous solution, it was heated in a reaction vessel equipped with a stirrer at 800 Pa, 160 ° C. for 3.5 hours to obtain an oligomer.
  • tin (II) acetate manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.
  • methanesulfonic acid manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
  • the solid phase polymerization step 25 g of prepolymer was taken and introduced into an oven connected with an oil rotary pump, and subjected to a heating and decompression treatment.
  • the pressure was 50 Pa
  • the heating temperature was 140 ° C. for 10 hours, 150 ° C. for 10 hours, and 160 ° C. for 20 hours.
  • the obtained polylactic acid was subjected to weight average molecular weight analysis by GPC (manufactured by Tosoh Corp.), melting point analysis by DSC (manufactured by SII Technology), and thermal weight loss rate by TG (manufactured by SII Technology) under the same conditions as in Reference Example 3. Analysis was carried out.
  • the weight average molecular weight (Mw) of the polymerized polylactic acid is a value of the weight average molecular weight in terms of standard polymethyl methacrylate measured by gel permeation chromatography (GPC). GPC measurement was performed using a differential refractometer using an HLC8320GPC (manufactured by Tosoh Corp.) as the GPC system, and two TSK-GEL SuperHM-M (Tosoh Corp.) connected in series to the column.
  • the measurement conditions were a flow rate of 0.35 mL / min, hexafluoroisopropanol was used as a solvent, and 0.02 mL of a solution having a sample concentration of 1 mg / mL was injected.
  • the melting point of the polymerized polylactic acid is a value measured with a differential scanning calorimeter DSC7020 (manufactured by SII NanoTechnology). The measurement conditions were 10 mg of a sample, a nitrogen atmosphere, and a heating rate of 20 ° C./min. .
  • thermogravimetric decrease rate of the polymerized polylactic acid was measured using a simultaneous differential thermothermal gravimetric measuring device TG / DTA7200 (manufactured by SII Nanotechnology). The measurement conditions were a sample of 10 mg, a nitrogen atmosphere, 200 ° C. constant, and a heating time of 20 minutes. The results are shown in Table 2.
  • high-quality lactic acid crystals such as high-quality polylactic acid
  • lactic acid recovered in the distillation process as the crystallization recycling system supply liquid. It has been shown.
  • the lactic acid of the present invention is suitably used as a monomer raw material for polylactic acid, which is plastic, in addition to foods and pharmaceuticals.

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Abstract

 乳酸を晶析して精製乳酸結晶を回収し、母液を晶析工程に循環させるにあたり、乳酸含有溶液を蒸留して蒸気側から回収した乳酸を晶析工程の供給液とすることで、晶析工程の循環系内に乳酸の多量体が蓄積することなく、高収率かつ安定的に乳酸結晶を製造でき、得られた乳酸を原料とすることで、優れた物性値を有するポリ乳酸が得られる

Description

乳酸の製造方法
 本発明は、微生物発酵由来の乳酸含有溶液から高純度の乳酸を高収率で単離精製する方法に関する。
 乳酸は、食品用、医薬用などといった用途の他に、プラスチックのモノマー原料として工業的用途にまで広く適用され、需要が増加している。2-ヒドロキシプロピオン酸、即ち乳酸は、微生物による発酵により生産されることが知られており、微生物はグルコースに代表される炭水化物を含有する基質を乳酸に変換する。乳酸は、カルボニルα位の炭素に結合している置換基の立体配座により、(L)-体および(D)-体の光学異性体に分類される。微生物発酵によれば、微生物を適宜選択することにより(L)-体または(D)-体の乳酸を選択的に、または(L)-体及び(D)-体の混合体(ラセミ体)の乳酸を生産することができる。
 一般に、微生物発酵による乳酸の生産は培養液中にアルカリ性物質(例えば、水酸化カルシウム)を添加することで微生物発酵に最適なpHに保持されながら行われる。微生物発酵により生産された酸性物質である乳酸の多くは、アルカリ性物質が添加されることで、培養液中では乳酸塩(例えば、乳酸カルシウム)として存在している。乳酸をプラスチックのモノマーとして使用する場合、一般的に発酵終了後の培養液に酸性物質(例えば、硫酸)を添加することで得られるフリー体の乳酸が好ましく用いられる。ただし、微生物発酵により得られる乳酸発酵液中には、目的物である乳酸の他、有機酸とその塩、タンパク質、アミノ酸に加え、グリセロールなどの非イオン性の化合物が不純物として含まれており、乳酸をプラスチックのモノマーとして使用する場合、乳酸とこれらの不純物を分離する必要がある。
 微生物発酵により得られる乳酸発酵液由来の乳酸含有溶液から種々の不純物を除去して乳酸を回収する方法として、乳酸を晶析する方法が知られている。晶析は乳酸を結晶として析出させることで化学純度に加えて光学純度を高める方法であり、発酵由来の不純物の多くは液体成分(母液)に分配される。通常、母液中には不純物とともに多くの乳酸が残存しているため、乳酸発酵液から産業規模で乳酸を製造する際には、母液を前段のいずれかの工程にリサイクルして精製収率を向上させる必要がある。乳酸の晶析による精製として、例えば特許文献1には、乳酸含有溶液を希釈、加水分解後に晶析することで収率向上する方法が開示されている。また、特許文献2には、乳酸含有溶液を蒸留後、晶析して高品質の乳酸を回収する方法が開示されている。しかしながら、これらの特許文献には、晶析母液をリサイクルする工程についての具体的な記載はない。
特開2010-189310号公報 特表2002-540090号公報
 本発明者は、乳酸含有溶液から乳酸を晶析することによって回収し、さらに母液を晶析工程にリサイクルして高収率で乳酸を回収するに際して、リサイクル系内に乳酸の多量体や不純物が蓄積することで晶析収率が低下する課題があることを見出した。
 そこで本発明は、乳酸含有溶液から乳酸を晶析によって回収し、かつ母液のリサイクル系内での乳酸多量体や不純物の蓄積を抑制して、高純度の乳酸を高効率かつ安定的に製造する方法を提供することを課題とする。
 本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、乳酸を晶析して精製乳酸結晶を回収し、母液を晶析工程に循環させるにあたり、該晶析工程への供給液として乳酸含有溶液を蒸留して蒸気側から回収した乳酸を用いることで、晶析工程の循環系内に乳酸の多量体が蓄積することなく高収率で安定的に乳酸結晶を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。
 すなわち、本発明は次の(1)~(3)から構成される。
(1)乳酸含有溶液を蒸留し、蒸気側から乳酸を回収する工程(工程A)、工程Aで得られた乳酸を晶析する工程(工程B)、工程Bで得られた乳酸スラリーを乳酸結晶と母液に固液分離する工程(工程C)および工程Cで得られた母液を工程Bに循環する工程(工程D)を含む、乳酸の製造方法。
(2)乳酸含有溶液が微生物発酵由来である、(1)に記載の乳酸の製造方法。
(3)工程Bの晶析が冷却結晶化、蒸発結晶化または断熱結晶化である、(1)または(2)に記載の乳酸の製造方法。
(4)(1)から(3)のいずれかに記載の乳酸の製造方法により乳酸を製造する工程および該工程で得られる乳酸を原料としてポリ乳酸を製造する工程(工程E)を含む、ポリ乳酸の製造方法。
(5)前記工程(E)が乳酸を直接脱水縮合する工程である、(4)に記載のポリ乳酸の製造方法。
 本発明により、乳酸含有溶液から高収率で高純度の乳酸を安定的に製造することが可能となる。
本発明の一つの実施の形態を示す概念図である。
 本発明の乳酸の製造方法は、乳酸含有溶液を蒸留し、蒸気側から乳酸を回収する工程(工程A)、工程Aで得られた乳酸を晶析する工程(工程B)、工程Bで得られた乳酸スラリーを乳酸結晶と母液に固液分離する工程(工程C)、工程Cで得られた母液を工程Bに循環する工程(工程D)を含むことを特徴としている。以下、本発明をより詳細に説明する。
 本発明で使用する乳酸含有溶液はフリー体の乳酸(以下、フリー乳酸という。)を主成分とすること以外は特に制限はないが、微生物発酵由来であることが好ましい。微生物発酵由来の乳酸含有溶液としては、発酵培養液そのものであっても、発酵培養液から複数の精製工程を経たものであってもよい。
 乳酸含有溶液が微生物発酵由来である場合、微生物発酵培養時のpH調整のためにアルカリ性物質が添加されると、乳酸含有溶液中の主成分が乳酸塩(具体的には、乳酸リチウム、乳酸ナトリウム、乳酸カリウム、乳酸カルシウム、乳酸マグネシウム、乳酸アルミニウムまたは乳酸アンモニウムあるいはこれらの混合物)となることがあるが、その場合、前処理として、乳酸含有溶液中の乳酸塩をフリー乳酸に変換する。乳酸塩からフリー乳酸を得る方法としては、乳酸塩含有溶液に酸性物質を添加する方法を採用できる。酸性物質は特に限定はなく、硫酸、塩酸、炭酸、リン酸、硝酸などを用いることができるが、難溶性塩を形成させることでフリー乳酸と塩が容易に分離できるという観点から硫酸を用いることが好ましい。
 乳酸塩を主成分とする溶液に酸性物質を添加してフリー乳酸含有溶液に変換するとともに、乳酸塩の陽イオン成分を難溶性塩として除去する場合、乳酸塩含有溶液に酸性物質を添加し、該溶液中の陽イオン成分を難溶性塩として沈殿、濾別等により固液分離することで、乳酸塩由来の陽イオンが除去されたフリーの乳酸含有溶液を得ることができる。難溶性塩の固液分離の方法に特に限定はなく、定性濾紙による濾過や遠心分離など、当業者にとって公知の方法を適用できる。なお、乳酸発酵が低pH(例えば、乳酸のpKa以下など)にて実施された乳酸発酵培養液を使用するなど、乳酸発酵培養液中に多くのフリー乳酸を含む場合は、乳酸発酵培養液をそのまま工程Aに供することができる。
 工程Aでは、乳酸含有溶液を蒸留する工程に供する。本発明者は、該蒸留工程(工程A)で除去できる不純物の中には、乳酸のオリゴマー化(多量体化)を促進する不純物が含まれており、該不純物を蒸留工程で除去することで後段の晶析工程(工程B)および母液循環工程(工程D)での乳酸オリゴマーの蓄積を抑制して、安定な運転と高収率での乳酸結晶回収が可能となることを見出した。乳酸を揮発させるために加熱を要する蒸留工程(工程A)による乳酸の精製は、これまで乳酸のオリゴマー化の要因のひとつであると考えられていたが(例えば、特表2001-506274号公報の6頁を参照のこと。)、本発明ではあえて乳酸のオリゴマー化のリスクのある蒸留工程(工程A)によって得られる乳酸を後段の晶析工程(工程B)に供することによって、本願明細書の実施例で示されるように蒸留工程(工程A)を採用しない場合と比較して母液循環工程(工程D)での乳酸オリゴマーの蓄積が抑制されるという予想外の効果が得られる。
 工程Aの蒸留では、乳酸含有溶液を蒸留し、蒸気側から乳酸を回収すると同時に、高沸点または不揮発性の不純物を溶液として蒸留残渣として除去する。蒸留工程に供する乳酸含有溶液の乳酸濃度に特に制限はないが、溶液中の乳酸濃度が低すぎると蒸留設備が大きくなり、濃度が高すぎると過度なオリゴマー化の影響で蒸留収率が低下する場合があるため、40~95重量%、より好ましくは60~90重量%であれば好適に蒸留を行うことができる。また、蒸留工程は、1Pa以上大気圧(常圧、約101kPa)以下の減圧下で行われる。10Pa以上30kPa以下の減圧下で行えば、蒸留温度を低減できることからより好ましい。減圧下で行う場合の蒸留温度は、20℃以上200℃以下で行われるが、180℃を超える温度で蒸留を行った場合、不純物の影響により、乳酸がラセミ化する場合があるため、50℃以上180℃以下、より好ましくは60℃以上150℃以下であれば、好適に乳酸の蒸留を行うことができる。なお、上記蒸留工程は回分式(バッチ)であっても連続式であっても本発明に適用できる。
 乳酸は構造上、脱水条件(加熱、減圧)によりオリゴマー化しやすいため、可能な限り滞留時間を低減させることが好ましい。したがって、蒸留装置として、落下フィルム蒸発装置、拭き取りフィルム蒸発装置などの薄膜蒸発装置を用いることで短時間の蒸留を達成できるため、乳酸の回収率を向上できることから好ましい。また、蒸留装置で気化した乳酸は、凝縮器(コンデンサー)によって冷却回収される。蒸気相には、乳酸とともに水や低沸点成分も含まれるため、1段目の凝縮器で乳酸、および場合によっては任意の割合の水を凝縮させる分縮を行い、2段目の凝縮器で残りの水や低沸点成分を凝縮させる全縮を行うなど、複数のコンデンサーを用いてもよい。
 なお、工程Aに供する乳酸含有溶液の濃度が低い場合には、工程Aの前段で乳酸を濃縮しておくことが好ましい。乳酸含有溶液の濃縮方法としては、当業者に公知の一般的な方法でよく、例えば、逆浸透膜を用いる方法や、エバポレーターによる加熱濃縮(蒸発法)などが適用でき、これらの手法を組み合わせてもよい。
 逆浸透膜とは、RO膜とも呼ばれるものであり、二価のイオンのみならず一価のイオンの阻止率が高い性質を利用して、海水の淡水化や半導体を洗浄する超純水を必要とする電子産業分野で大量に使用される膜である。
 逆浸透膜を用いる方法は、乳酸含有溶液を逆浸透膜に通じて濾過することで膜の透過側に水を透過させ、乳酸を膜の非透過側に保持することで濃縮する方法である。本発明で好ましく使用される逆浸透膜としては、酢酸セルロール系のポリマーを機能層とした複合膜(以下、酢酸セルロース系の逆浸透膜ともいう)またはポリアミドを機能層とした複合膜(以下、ポリアミド系の逆浸透膜ともいう)が挙げられる。ここで、酢酸セルロース系のポリマーとしては、酢酸セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース等のセルロースの有機酸エステルの単独もしくはこれらの混合物並びに混合エステルを用いたものが挙げられる。ポリアミドとしては、脂肪族および/または芳香族のジアミンをモノマーとする線状ポリマーまたは架橋ポリマーが挙げられる。膜形態としては、平膜型、スパイラル型、中空糸型など適宜の形態のものが使用できる。
 本発明で使用される逆浸透膜の具体例としては、例えば、東レ株式会社製ポリアミド系逆浸透膜モジュールであるSU-710、SU-720、SU-720F、SU-710L、SU-720L、SU-720LF、SU-720R、SU-710P、SU-720P、SU-810、SU-820、SU-820L、SU-820FA、TM800、TM800C、TM800A、TM800H、TM800E、TM800L、同社酢酸セルロース系逆浸透膜SC-L100R、SC-L200R、SC-1100、SC-1200、SC-2100、SC-2200、SC-3100、SC-3200、SC-8100、SC-8200、日東電工株式会社製NTR-759HR、NTR-729HF、NTR-70SWC、ES10-D、ES20-D、ES20-U、ES15-D、ES15-U、LF10-D、アルファラバル製RO98pHt、RO99、HR98PP、CE4040C-30D、GE製“GESepa”、Filmtec製BW30-4040、TW30-4040、XLE-4040、LP-4040、LE-4040、SW30-4040、SW30HRLE-4040などが挙げられる。
 本発明において、逆浸透膜による濃縮は圧力をかけて行うが、その濾過圧は、1MPaより低ければ膜透過速度が低下し、8MPaより高ければ膜の損傷に影響を与えるため、1MPa以上8MPa以下の範囲であることが好ましい。また、濾過圧が1MPa以上7MPa以下の範囲であれば、膜透過流束が高いことから、乳酸含有溶液を効率的に濃縮することができる。膜の損傷に影響を与える可能性が少ないことから最も好ましくは、2MPa以上6MPa以下の範囲である。低濃度の乳酸含有溶液においては、逆浸透膜を用いる方法が低コストであるため特に好ましい。
 エバポレーターによる濃縮においては、乳酸含有溶液を加熱および/または減圧条件下で処理して水および低沸点成分を蒸気側に除去することで、溶液中の乳酸濃度を高めることができる。なお、乳酸を高温で長時間処理した場合、乳酸がオリゴマー化して後段の蒸留工程での収率が低下する可能性があるため、可能な限り温度および滞留時間を低減することが好ましいが、薄膜蒸発装置を用いて減圧下で乳酸含有溶液を処理することで、加熱温度および滞留時間をいずれも低減できることから好ましく採用される。
 また、逆浸透膜による濃縮とエバポレーターによる濃縮を併用することは、投入エネルギーと乳酸オリゴマーの生成を低減できることから特に好ましい。
 本発明では、工程Aで得られた乳酸含有溶液中の乳酸を晶析する工程(工程B)に供する。工程Bにおける乳酸の晶析方法に特に制限はなく、通常用いられる方法で行うことができる。例えば、乳酸含有溶液を冷却することで乳酸を過飽和状態とする方法(冷却結晶化)、溶媒(水)を蒸発させることで乳酸を過飽和状態とする方法(蒸発結晶化)、溶媒(水)を蒸発させて乳酸溶液を冷却しつつ濃縮することで過飽和状態とする方法(断熱結晶化)などが挙げられる。上記結晶化方法の中でも、冷却に投入するエネルギーを削減できることから、断熱結晶化が好ましく適用できる。なお、上記結晶化に際して、種晶を添加してもよい。また、上記結晶化は回分式(バッチ)であっても連続式であっても本発明に適用できるが、産業規模の乳酸製造にあたっては連続的な結晶化、すなわち、連続的な乳酸含有溶液の供給と連続的な乳酸スラリーの抜き取りを行う方法が好ましい。
 本発明では、工程Bで得られる乳酸結晶を含む溶液(乳酸スラリー)を、乳酸結晶と母液に固液分離する工程(工程C)に供する。乳酸結晶と残存液体成分(母液)の分離には公知の固液分離方法を適用できる。例えば、傾斜法、遠心分離、または定性濾紙を用いた吸引濾過等によって乳酸結晶を回収することができる。
 工程Cで得られた乳酸結晶は高純度であり、ポリ乳酸の原料などの高い純度が求められる用途に適用可能であるが、さらに高純度の結晶を得るために、結晶に付着した母液を洗浄液によって洗浄してもよい。洗浄液としては、生成した乳酸結晶が溶解して結晶回収率が低下することを防止するため、乳酸を溶解しない貧溶媒を用いることが好ましい。このような貧溶媒に特に制限はないが、乳酸濃度80~100重量%程度の乳酸水溶液を用いることが好ましく、本発明で得られた乳酸結晶の一部を水に溶解させて上記濃度の水溶液を調製し、洗浄液として用いることがより好ましい。
 本発明では、工程Cで結晶を回収した後の母液を工程Bに循環する工程(工程D)に供することを特徴としている。一般的に、乳酸は水溶液中で単量体(モノマー)と、単量体が脱水縮合した多量体(オリゴマー)が平衡状態にあり、特に高濃度の乳酸水溶液中では水分が少ないことから、多量体を形成しやすい傾向にある。本発明者らは、乳酸の晶析においては、乳酸の水への溶解度が高いことから、晶析工程への供給液、および晶析母液中の乳酸濃度が高濃度となり、母液を継続的に晶析工程にリサイクルする際にオリゴマーが蓄積して晶析収率が低下する課題が生じることを見出した。本発明は、蒸留工程(工程A)で得た乳酸含有溶液を晶析工程(工程B)に供することで、工程Dの母液中のオリゴマー蓄積を抑制できるところに特徴がある。
 工程Dにおいて母液を工程Bに循環させる方法としては、母液を工程Bの晶析槽に直接戻してもよく、蒸留工程(工程A)と晶析槽とを連結している配管に繋いで合流させてもよい。なお、リサイクル系内に発酵由来の不純物が過剰に蓄積することを抑制する目的で、工程Dにおいて母液の一部を系外に排出してもよい。
 次に、図1に示した概念図を用いて本発明における乳酸製造について説明する。図1は本発明の代表的な一つの実施の形態を示すものであり、本発明の範囲内で適宜変形可能であることは当業者に容易に理解できるものである。
 本発明において、微生物発酵由来の乳酸含有溶液は最初に蒸留装置1に供給される。真空ポンプによって減圧状態に維持された該蒸留装置によって蒸気となった乳酸は、蒸留分縮器2で任意の割合の水とともに凝縮され、蒸留分縮液受槽3に送られる。上記分縮器で凝縮されなかった水や低沸点成分は、蒸留全縮器4にて凝縮され、蒸留全縮液受槽5に送られる。続いて、上記蒸留工程(工程A)で回収された乳酸は蒸留分縮液受槽3から、攪拌機を備えた晶析槽6に供給される。晶析槽内は真空ポンプによって減圧され、水を蒸発して乳酸を濃縮させることで乳酸結晶を析出させる(断熱冷却、工程B)。蒸発した水は晶析槽凝縮器7で凝縮され、晶析凝縮液受槽8に送られる。乳酸結晶を含有するスラリーは、晶析槽から晶析スラリー遠心分離機9に移送され、固液分離される(工程C)。固体成分である乳酸結晶は製品として取り出され、液体成分である母液は晶析母液受槽10に送られる。母液は晶析母液受槽10から晶析槽6にリサイクルすることでトータルの収率を向上することができる(工程D)。
 さらに本発明は、前述の乳酸製造工程で得られた乳酸を原料としてポリ乳酸を製造する工程(工程E)を含むポリ乳酸の製造方法に関する。
 ポリ乳酸とは、L-乳酸単位またはD-乳酸単位のホモポリマーや、ポリ-L-乳酸単位からなるセグメントとポリ-D-乳酸単位からなるセグメントにより構成されるポリ乳酸ブロック共重合体や、乳酸以外の他のモノマーとの共重合体を含む。共重合体である場合、乳酸以外の他のモノマー単位としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ヘプタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、ノナンジオール、デカンジオール、1,4-シクロヘキサンジメタノール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ビスフェノールA、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールおよびポリテトラメチレングリコールなどのグリコール化合物、シュウ酸、アジピン酸、セバシン酸、アゼライン酸、ドデカンジオン酸、マロン酸、グルタル酸、シクロヘキサンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、フタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ビス(p-カルボキシフェニル)メタン、アントラセンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ナトリウムスルホイソフタル酸、テトラブチルホスホニウムイソフタル酸などのジカルボン酸、グリコール酸、ヒドロキシプロピオン酸、ヒドロキシ酪酸、ヒドロキシ吉相酸、ヒドロキシカプロン酸、ヒドロキシ安息香酸などのヒドロキシカルボン酸、カプロラクトン、バレロラクトン、プロピオラクトン、ウンデカラクトン、1,5-オキセパン-2-オンなどのラクトン類を挙げることができる。上記他の共重合成分の共重合量は、全単量体成分に対し、0~30モル%であることが好ましく、0~10モル%であることが好ましい。
 工程Eとしては一般のポリ乳酸の製造方法を利用することができる。具体的には、乳酸を原料として、一旦、環状2量体であるラクチドを生成せしめ、その後、開環重合を行う2段階のラクチド法と、当該原料を溶媒中で直接脱水重縮合を行う一段階の直接重合法などが知られており、いずれの製法を利用してもよい。直接重合法を用いる場合、原料の乳酸が高純度であることが必要とされるが、本発明の乳酸であれば、直接重合法に十分適用可能である。また、直接重合法を行う溶媒としては、重合に影響を及ぼさなければ特に制限は無く、水や有機溶媒を用いることができる。有機溶媒の場合、例えば、芳香族炭化水素類が挙げられる。芳香族炭化水素類としては、例えば、トルエン、キシレン、ナフタレン、クロロベンゼン、ジフェニルエーテルなどが挙げられる。
 直接重合法によりポリ乳酸を製造する場合、縮合反応で生成する水を系外に排出することにより、重合を促進することができる。系外に排出する方法としては、減圧条件下で重合を行うことが好ましく、具体的には、7kPa以下、より好ましくは1.5kPa以下である。
 また、重合反応に触媒を用いることにより、重合時間を短縮することができる。触媒としては、例えば、錫、亜鉛、鉛、チタン、ビスマス、ジルコニウム、ゲルマニウム、アンチモン、アルミニウムなどの金属及びその誘導体が挙げられる。誘導体としては、金属アルコキシド、カルボン酸塩、炭酸塩、酸化物、ハロゲン化物が好ましい。具体的には、塩化錫、オクチル酸錫、塩化亜鉛、酸化鉛、炭酸鉛、塩化チタン、アルコキシチタン、酸化ゲルマニウム、酸化ジルコニウムなどが挙げられ、これらの中でも錫化合物が好ましく、酢酸錫またはオクチル酸錫がより好ましい。
 以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
 本実施例における乳酸の濃度や乳酸結晶の特性値は、以下の測定法によって求めた。
 A.乳酸濃度
 各工程における乳酸濃度は、高速液体クロマトグラフィー(株式会社島津製作所製)により以下の条件で測定した。
カラム:Shim-Pack SPR-H(株式会社島津製作所製)
移動相:5mM p-トルエンスルホン酸(流速0.8mL/min)
反応液:5mM p-トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/min)
検出方法:電気伝導度
温度:45℃。
 B.晶析収率
 晶析工程への供給液(蒸留工程からの供給溶液と晶析母液の混合液)中の乳酸量と晶析工程で得た結晶中の乳酸量から、(式1)によって算出した。
 晶析収率=100×(結晶中の乳酸量)/(晶析工程への供給液中の乳酸量)・・・(式1)。
 C.母液中の乳酸オリゴマー
 晶析母液中の乳酸オリゴマー量は、オリゴマーに占める割合の大きな2量体(ダイマー)をオリゴマー量と仮定し、高速液体クロマトグラフィー(株式会社島津製作所製)を用いて、乳酸単量体と2量体(ダイマー)とのピーク面積比(式2)によって算出した。
母液中の乳酸オリゴマー=2量体のピーク面積/単量体のピーク面積・・・(式2)。
 なお、乳酸単量体および2量体は、以下の条件でHPLC法により分析した。
カラム:Phenomenex Synergi 4u Hydro-RP 80A(Phenomenex株式会社製)
移動相:A液アセトニトリル、B液0.1%リン酸水溶液(グラジエント条件:0-5分(A液95%、B液5%一定)、5-20分(A液95%→80%、B液5%→20%)、20-40分(A液80%→30.5%、B液20→69.5%)、40-42分(A液30.5%→1%、B液69.5%→99%)、42-45分(A液1%、B液99%一定)、45-48分(A液1%→95%、B液99%→5%))、流速1mL/min
検出方法:UV210nm
温度:40℃
溶出時間:乳酸単量体(3.4-4.0分)、乳酸2量体(8.5-10.0分)。
 D.乳酸結晶の着色度(APHA)
 乳酸結晶に純水を添加して90重量%乳酸水溶液とした後、比色計(日本電色工業株式会社製)を用いてAPHA単位色数として分析した。
 参考例1 バッチ発酵による乳酸の製造
 微生物を用いた乳酸発酵はWO2012/147903号の実施例4(pH3)に従って行った。得られたD-乳酸発酵液(D-乳酸濃度40g/L)は精密濾過膜(“マイクローザ”、旭化成株式会社製)で菌体を濾過し、以下の実施例で使用した。
 実施例1 乳酸発酵培養液を原料とした乳酸の製造例
 (乳酸含有溶液の蒸留)
 参考例1で得られた乳酸発酵培養液をロータリーエバポレーター(東京理化器械株式会社製)を用いて、減圧下(50hPa)で水を蒸発させて濃縮し、50重量%乳酸含有溶液を得た。続いて、上記濃縮した乳酸含有溶液1000gを56.25g/hの速度で連続的に蒸留装置に供給し、600hPa、150℃で減圧蒸留した。1段目の凝縮器(分縮)を45℃、2段目の凝縮器(全縮)を2℃に設定して、1段目の凝縮器から凝縮した92重量%乳酸含有溶液462gを得た。以後、この92重量%乳酸含有溶液を晶析工程への供給液として使用した。
 (乳酸の晶析)
 晶析母液のリサイクルを含めた連続運転のシミュレーション実験として、以下の(1)~(3)の操作を行った。
(1)蒸留回収した92重量%乳酸含有溶液154gに種晶0.8gを添加した後、25℃で2時間静置することで乳酸を晶析した。
(2)乳酸結晶を含むスラリーを定性濾紙No.4(アドバンテック製)を用いて固液分離した後、結晶をさらにVIVASPIN20(0.2um、ザルトリウス株式会社製)を用いて13,000rpm、25℃で20分間遠心濾過することで乳酸結晶を得た。定性濾紙、遠心濾過で得た母液をリサイクルに使用した。
(3)(2)の母液と蒸留回収した92重量%乳酸含有溶液を混合して91重量%乳酸含有溶液とし、該乳酸含有溶液1重量部に対して0.005重量部の種晶を添加した後、25℃で2時間静置することで乳酸を晶析した。
 第1サイクルは(1)および(2)、第2サイクル以降は(3)および(2)を繰り返し行い、各サイクルにおける母液中の乳酸オリゴマー、晶析収率、乳酸結晶の着色度を評価した。結果を表1に示す。
 比較例1 蒸留をしない乳酸の製造例
 参考例1で得られた乳酸発酵培養液12.5Lをロータリーエバポレーター(東京理化器械株式会社製)を用いて、減圧下(50hPa)で水を蒸発させて濃縮し、92重量%乳酸含有溶液(以下、濃縮乳酸含有溶液という)を得た。以後、この92重量%濃縮乳酸含有溶液を晶析工程への供給液として使用した。
 (乳酸の晶析)
 晶析母液のリサイクルを含めた連続運転のシミュレーション実験として、以下の操作を行った。
(1)濃縮した92重量%乳酸含有溶液154gに種晶0.8gを添加した後、25℃で2時間静置することで乳酸を晶析した。
(2)乳酸結晶を含むスラリーを定性濾紙No.4(アドバンテック製)を用いて固液分離した後、結晶をさらにVIVASPIN20(0.2um、ザルトリウス株式会社製)を用いて13,000rpm、25℃で20分間遠心濾過することで乳酸結晶を得た。定性濾紙、遠心濾過で得た母液をリサイクルに使用した。
(3)(2)の母液とロータリーエバポレーターで濃縮した92重量%乳酸含有溶液を混合して91重量%乳酸含有溶液とし、該乳酸含有溶液1重量部に対して0.005重量部の種晶を添加した後、25℃で2時間静置することで乳酸を晶析した。
 第1サイクルは(1)および(2)、第2サイクル以降は(3)および(2)を繰り返し行い、各サイクルにおける母液中のオリゴマー、晶析収率、乳酸結晶の着色度を評価した。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示したように、晶析リサイクル系の供給液として蒸留工程で回収した乳酸を用いることで、母液中の乳酸オリゴマーの蓄積を抑制し、着色度の低い高品質の乳酸結晶を安定した収率で製造可能であることが示された。
 (実施例2、3)乳酸の重合試験、ポリ乳酸の物性評価
 実施例1第1サイクル(実施例2)、実施例1第6サイクル(実施例3)で得られた各々の乳酸結晶25gに純水を添加して90重量%乳酸水溶液とした後、撹拌装置のついた反応容器中で800Pa、160℃、3.5時間加熱し、オリゴマーを得た。次いで、酢酸錫(II)(関東化学製)0.02g、メタンスルホン酸(和光純薬製)0.06gをオリゴマーに添加し、500Pa、180℃、7時間加熱し、プレポリマーを得た。次いで、プレポリマーをオーブンで120℃、2時間加熱して結晶化した。得られたプレポリマーを、ハンマー粉砕機を用いて粉砕し、ふるいにかけて平均粒子径0.1mmの大きさの粉体を得た。固相重合工程では、25gのプレポリマーを取り、油回転ポンプを接続したオーブンに導入して、加熱減圧処理を行った。圧力は50Pa、加熱温度は140℃10時間、150℃10時間、160℃20時間とした。得られたポリ乳酸は参考例3と同様の条件でGPC(東ソー製)による重量平均分子量分析、DSC(エスアイアイ・テクノロジー製)による融点分析、TG(エスアイアイ・テクノロジー製)による熱重量減少率分析を行った。
 (ポリ乳酸の重量平均分子量分析)
 重合したポリ乳酸の重量平均分子量(Mw)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した標準ポリメチルメタクリレート換算の重量平均分子量の値である。GPC測定は、GPCシステムとしてHLC8320GPC(東ソー製)を用い、カラムにTSK-GEL SuperHM-M(東ソー製)を直列に2本接続したものを使用し、示差屈折計によって検出した。測定条件は、流速0.35mL/分とし、溶媒にヘキサフルオロイソプロパノールを用い、試料濃度1mg/mLの溶液0.02mL注入した。
 (ポリ乳酸の融点分析)
 重合したポリ乳酸の融点は、示差走査型熱量計DSC7020(エスアイアイ・ナノテクノロジー製)により測定した値であり、測定条件は、試料10mg、窒素雰囲気下、昇温速度20℃/分で行った。
 (ポリ乳酸の熱重量減少率分析)
 重合したポリ乳酸の熱重量減少率は、示差熱熱重量同時測定装置TG/DTA7200(エスアイアイ・ナノテクノロジー製)を用いて測定した。測定条件は、試料10mg、窒素雰囲気下、200℃一定、加熱時間20分とした。結果を表2に示す。
 (比較例2、3)
 比較例1第1サイクル(比較例2)、比較例1第6サイクル(比較例3)で得られた各々の乳酸結晶25gに純水を添加して90重量%乳酸水溶液とした。実施例2~3と同等の条件で直接重合した。その結果、比較例1第6サイクルで得られた乳酸結晶は、不純物が多く、重合することが出来なかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示したように、晶析リサイクル系の供給液として蒸留工程で回収した乳酸を用いることで、高品質の乳酸結晶、如いては高品質のポリ乳酸を安定的に製造可能であることが示された。
 本発明の乳酸は、本発明の乳酸は、食品、医薬品のほか、プラスチックであるポリ乳酸のモノマー原料として好適に用いられる。
1 蒸留装置
2 蒸留分縮器
3 蒸留分縮液受槽
4 蒸留全縮器
5 蒸留全縮液受槽
6 晶析槽
7 晶析槽凝縮器
8 晶析凝縮液受槽
9 晶析スラリー遠心分離機
10 晶析母液受槽

Claims (5)

  1.  乳酸含有溶液を蒸留し、蒸気側から乳酸を回収する工程(工程A)、工程Aで得られた乳酸を晶析する工程(工程B)、工程Bで得られた乳酸スラリーを乳酸結晶と母液に固液分離する工程(工程C)および工程Cで得られた母液を工程Bに循環する工程(工程D)を含む、乳酸の製造方法。
  2.  乳酸含有溶液が微生物発酵由来である、請求項1に記載の乳酸の製造方法。
  3.  工程Bの晶析が冷却結晶化、蒸発結晶化または断熱結晶化である、請求項1または2に記載の乳酸の製造方法。
  4.  請求項1から3のいずれかに記載の乳酸の製造方法により乳酸を製造する工程および該工程で得られる乳酸を原料としてポリ乳酸を製造する工程(工程E)を含む、ポリ乳酸の製造方法。
  5.  前記工程(E)が乳酸を直接脱水縮合する工程である、請求項4に記載のポリ乳酸の製造方法。
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