JPH11510042A - 純粋な乳酸の製造方法 - Google Patents
純粋な乳酸の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は発酵によって純粋な乳酸またはその塩を製造する方法に関する。製造方法はバイオリアクター再生サイクルおよび乳酸製造サイクルからなり、該製造サイクルの間に、実質的に純粋な供給原料からなる溶液が再生された微生物セルを含むバイオリアクターを通って再循環され、製造された乳酸がアルカリの添加によって中和され、そして再循環がアルカリ消費が実質的に減少されたときに中止され、また再生サイクルの間に、微生物セルが栄養源により富裕化された炭水化物溶液をバイオリアクターを通って再循環し、それによって微生物の酸を製造する能力を補充することによって再生されること、および乳酸塩の回収またはその乳酸または他の塩への転換からなる。
Description
【発明の詳細な説明】
純粋な乳酸の製造方法
本発明は、発酵による純粋な乳酸またはその塩の新規製造方法に関する。
製造サイクルの間に、実質的に純粋な供給原料からなる溶液が、再生された微
生物細胞、例えばバクテリア細胞またはカビ菌糸体を含むバイオリアクターを通
って再循環される。
再生サイクルの間に、微生物細胞が、栄養源により富裕化された供給原料溶液
を再循環し、それによって微生物の乳酸を製造する能力を補充することによって
再生される。
発明の分野
乳酸は、広範囲の様々な用途のために発酵および合成方法の双方によって製造
される。生成物等級の純度は、工業用乳酸ないしわずかにより純粋な食品等級、
そしてさらに医薬等級へと変化する。乳酸が有機合成において供給原料として用
いられるときはしばしば、非常に純粋な熱安定等級の生成物が必要とされる。発
酵によって製造された安価な乳酸は、一般に工業および食品用途のために使用さ
れてきた。一方、乳酸の医薬および非常に純粋な(熱安定)等級は、通常比較的
純粋な生成物が直接得られる合成工程によって製造されてきた。発酵によっ
て製造された乳酸の好ましい精製は、多くの段階を必要とする扱いにくい工程で
あることが知られており、而して製造費の大きな部分を占めている。
非常に純粋な(熱安定な)乳酸についての新しく絶えず増加している用途は、
ラクチドポリマーの製造である。ラクチドは、制御下で重合されることができる
二つの乳酸分子によって形成される環式エステルである。ポリラクチドは生物学
的に分解可能であり、その性質の理由で、骨手術において使用される生分解性の
支持体および結合部材を制御下で製造するための材料として用いられる。さらに
、この性質の理由で、ポリラクチミドは堆肥にすることが可能なプラスチックの
ための潜在的に生の材料であるとみなされる。熱安定性に加えて、高い光純度が
ポリラクチドを製造するに用いられる乳酸について必要とされる。合成的に製造
された乳酸は、二つの光学異性体の等モル混合物であり、そして高い等級のプラ
スチックはそれらから製造されることはできない。一方、ほとんど純粋な光学異
性体は発酵によって、適した生産生物を選択することによって製造されることが
できる。いくつかの可能なホモ発酵乳酸バクテリア、例えばラクトバシルス(ge
nera Lactobacillus)属、ストレプトコッカス(Streptcoccus)属およびペディ
オコッカス(Pediococcus )属、例えばL−乳酸の製造のためのラクトバシルス
デルブリュッキ(Lactobacillusdelbruckii)およびD−乳酸の製造のためのラ
クトバシ
ルスブルガリクス(Lactobacillus bulgaricus)が存在する。
発酵による乳酸の製造は、一度に一つのバッチを発酵することによって通常行
われる。乳酸を、連続的に固体担体に結合されたバクテリアにより、また通常の
混合された発酵によって製造することも知られている。これら全ての方法におい
て、乳酸の製造はバクテリアの個体数の成長に強く依存している。必要とする成
長因子を合成する能力が大変小さいので、乳酸バクテリアは成長のために富裕な
培養液を必要としすることが知られている。従って、B群ビタミンおよび広範囲
の様々な異なるアミノ酸が、培養液に添加されなければならない。この添加はし
ばしば酵母エキスによってなされ、それは糖供給原料の量の少なくとも10分の
1の量で必要とされる。酵母エキスのそのような量のための費用は、糖のものと
同じくらいである。成長するバイオマスに結合されない栄養源の一部は生成物中
に残留し、而してその純度を低下させる。特別な問題が熱安定等級を製造するこ
とを考慮して、窒素栄養源成分により存在する。
前述の知識において、純粋な乳酸の工業製造のための理想的な発酵工程は、こ
れまで知られた工程より本質的により純粋な生成物を製造し、これまで知られた
方法より実質的により少ない栄養源を必要とし、また本質的により少ないバイオ
マスを製造する工程であると結論づけることができる。以下に記載された発明は
これらの必要
に答える。
発明の説明
乳酸の製造、実際の発酵反応および生産生物の培養が、個別の製造および再生
サイクルに分離されることができることが今や見いだされた。培養段階、即ち再
生サイクルにおいて、富裕な栄養源培養液はバイオリアクターを数時間通過させ
られる。培養段階後、乳酸へと反応する純粋な供給原料溶液はバイオリアクター
を通過させられることができる。炭水化物、例えば澱粉または他の多糖、例えば
ポリデキストロースもしくはイヌリン、またはスクロース、ラクトースもしくは
グルコース、または他の単糖、二糖もしくはオリゴ糖またはこれらの混合物が供
給原料として使用され得る。
適した生産生物は、天然および/または選択された微生物、または適応によっ
て製造された微生物、または所望の乳酸を製造するために改変された微生物を含
む。好ましい生産生物は、第一に全ての乳酸バクテリア、例えばアエロコッカス
(Aerococcus)属、カルボバクテリウム( Carbobacterium)属、エンテロコッ
カス( Enterococcus)属、エリシペロトリックス(Erysipelothrix)属、ゲメ
ラ(Gemella )属、グロビカテラ( Globicatella)属、ラクトバシルス( Lact
obacillus )属、ラクトコッカス( Lactococcus )属、ロイコノストック( Le
uconostoc )属、ペディオコッカス
( Pediococcus )属、ストレプトコッカス( Streptococcus )属、テトラゲノ
コッカス( Tetragenococcus )属、およびヴァゴコッカス( Vagococcus)属を
含む。またカビ、例えばクモノスカビも用いられ得る。特に好ましい微生物は、
ラクトコッカスラクチス(Lactococcus lactis)、ラクトバシルスデルブリュッ
キ(Lactobacillus delbruckii)、ラクトバシルスブルガリクス(Lactobacillu
s bulgaricus)、並びにラクトバシルスレイクマニ(Lactobacillus leichmanii
)、およびリヒゾプスオリザエ(Rhizopusoryzae)を含む。
生産生物はバイオリアクター設備中に保持される。好ましくは、生産生物は固
体担体に結合される。バイオリアクター中での微生物の保持はまた、例えばマイ
クロろ過膜技術によって達成されることもできる。
バイオリアクター設備は、例えば攪拌タンクリアクター、マルチーダクト管リ
アクター、バスケットリアクター、流動床リアクター、充填ベッドリアクターま
たはフィルターリアクターからなる。
充填ベッドリアクターが好ましく使用される。
担体は好ましくは実質的に非圧縮性であり、そして好ましくは大きな表面積を
有する連続マトリックス、またはさもなくば、大きな表面積を有する多孔質もし
くは網目状粒子からなる。マトリックスまたは粒子はさらに、個別の微粒子また
は微繊維からなる。そのような担体材
料テキスチャーは、バクテリア細胞の固定化を考慮して最大表面積を与える。担
体は代表的に108ないし1013細胞/担体1mlの結合能力を有する。
特に好ましい態様に従って、担体材料はポリスチレンに集合により粘着して結
合されたジエチルアミノエチル−置換されたセルロース(DEAEセルロース)
の微繊維または微粒子からなる(合衆国特許第4355117号参照)。他の適
した集合基材は、例えばメラミンホルムアルデヒド樹脂およびエポキシ樹脂(D
E3130178C2参照)を含む。多孔質、半融ガラスまたはセラミック材料
もまた担体として用いられ得る。
生産生物は、バイオリアクター中に充填された固体担体に結合される。再生サ
イクルにおいて、栄養源、例えば酵母エキスおよび他の栄養源により富裕化され
た供給原料溶液は、リアクターを通って再循環される。炭水化物は、上記された
供給原料溶液として用いられ得る。栄養源の再循環は微生物における成長を生じ
、そしてそれゆえ酸は、発酵による乳酸の通常の製造と原則的には同じ方法にお
いて製造される。最終生成物阻害を予防するために、乳酸が製造されるときに、
溶液のpHは一定に、一般には5ないし8.5に、好ましくは5.5ないし8.
0に、アルカリ、例えば水酸化ナトリウム溶液を添加することによって保持され
る。再生はアルカリの消費を監視することによって観察され、そしてこの消費が
急上昇を起こした後、再生は中止され、再生溶液はバイ
オリアクターから水によって置換され、そして製造サイクルが開始される。再生
溶液タンク中の温度は、タンク中で微生物の成長が妨げられるような、高温(一
般に60ないし80℃以上)に、または低温(一般に4℃以下)に保持される。
同じ再生溶液は数回以上使用される。消費された再生溶液は発酵によって製造さ
れた通常の乳酸塩である。
製造サイクルは、再生されたバイオリアクターを通って再循環される純粋な供
給原料溶液を用いる。温度は、微生物の操作を考慮して最適、言い換えると、一
般に5ないし65℃、例え80ないし85℃の高温にさえ保持される。多くの微
生物について最適な温度は15ないし60℃である。最終生成物阻害を予防する
ために、乳酸が製造されるときに、再循環溶液のpHは一定、通常5ないし7、
好ましくは5.5ないし6.5に、アルカリを添加することによって保持される
。再循環において最初に入れられた新たに単離された細胞は、製造サイクルの間
に再び担体に結合され、そして而して再循環溶液は透明に保たれる。再生後、酸
製造能力は数日間十分に保たれる。供給原料が消費されたとき、結果は、視覚評
価で、透明であり、また通常のカチオン交換によって乳酸に変換されることがで
きる純粋な乳酸塩溶液である。生成物溶液はバイオリアクターから水によって置
換され、そして余分なバクテリアは逆流によって次の再生サイクルの前に除去さ
れる。
再生サイクルは、微生物の製造能力が本質的に減少するときに開始される。微
生物は、0.5ないし30日の間隔で再生される。
得られた乳酸塩溶液は、わずかな検査ろ過を介してカチオン交換に供給され、
分離細胞マス分離工程は必要とされない。乳酸塩を酸に転換することに加えて、
カチオン交換は生成物から溶解金属および他の異カチオンを除去する。
イオン交換された乳酸溶液は蒸発によって濃縮される。水に加えて、発酵にお
いて製造された不純物の大部分を構成する酢酸、酪酸および他の揮発性の酸は、
その後生成物から除去される。
実際の分離および回収方法は従って必要とされない、なぜならば乳酸溶液は既
にこの段階において、いくつかの精製段階を経た通常の方法によって製造された
乳酸よりも高い純度を有するからである。溶液中に生じた淡色は工業において知
られている通常の吸着方法、例えば活性炭および/または吸着樹脂によって除去
されることができる。従来の技術を超える本発明の利点は以下のものである。
1. 栄養源、例えば酵母エキスは通常の量の一部の量でのみ消費される。
2. バイオマスの製造は最小化され、そしてバクテリアまたは菌糸体の大部分
は次のバッチにおける利用のために引き渡される。
3. 生成物には、ほとんど栄養源成分および微生物細胞が無く、そして而して
後精製は簡単かつ安価である。
純度に関して、本発明から導き出される利点は、用いた供給原料の純度に自然
に依存している。
以下に説明される実施例は本発明をより詳細に説明するけれども、微生物もし
くはリアクター、固定化方法、または他の詳細の選択に関して、実施例について
本発明の応用性を限定しない。本質的なことは、培養および製造サイクルの効率
的な分離である。実施例において、全ての百分率は重量百分率を示す。
実施例1
担体の前処理、バイオリアクターの充填および細胞の結合
350ないし850μmの粒子の大きさを有しかつ合衆国特許第435511
7号に従って製造されたDEAEセルロース粒子、スペザイマー(Spezymer)G
DC220を、細胞のための担体として使用した。担体前処理、バイオリアクタ
ーの充填およびバクテリア細胞の結合を以下のように行った。
DEAEセルロース粒子600gを水中でスラリーにし、そして5時間時々攪
拌しながら浸軟させた。水和された担体をバイオリアクターとして与えられかつ
内径50mmおよび高さ100cmを有するガラスカラム中に注ぎ入れた。形成
された担体ベッドの高さは約75cmであった。バイオリアクター容積の残余は
水により満たした。
担体ベッドを、水を2%水酸化ナトリウム溶液により置換し、そしてバイオリ
アクターを通して2時間60℃の温度でそれを再循環することによって滅菌した
。滅菌後、活性なアルカリ液を水により置換し、そしてベッドを、流出液のpH
が6.0以下になるまでベッドを通して2%硫酸をポンプ送りすることによって
中和した。最終段階として、ベッドを水によりフラッシュした。
ラクトバシルスデルブリュッキ(Lactobacillusdelbruckii)を16時間40
℃でMRS培養液で培養し
た(de Man,J.C.,Rogosa,M.,Sharpe,M.E.,J.Appl.Bacteriol.23,13
0-135,1960)。約109バクテリア/溶液mlを含む、而して得られたバクテリ
ア培養を、バイオリアクターを通して徐々にポンプ送りし、バクテリアの大部分
は担体に結合した。
実施例2
細胞の最初の再生
培養液を、3リットルの体積を有しかつミキサーを備える再生溶液タンク中に
、水中に固形グルコース100g、酵母エキス8g、硫酸マグネシウム(MgS
O4)0.2gおよび硫酸マンガン(MnSO4)0.2gを2リットルの全溶液
体積を与えるように溶解することによって製造した。溶液およびタンクを121
℃の温度でオートクレーブすることによって滅菌した。
而して製造された培養液をバイオリアクター中に底部からポンプ送りし、バイ
オリアクター中に存在する水を置換し、それをバイオリアクターの上端から回収
した。バイオリアクターからの水流出が培養液に変化し始めたとき、ポンプ送り
方向を反転し、培養液をバイオリアクター中に上部から搬送し、そしてバイオリ
アクターからの流出溶液を再生タンクに返送した。而して培養液を再生溶液タン
クからバイオリアクターへと、体積流速15l/hで再生溶液タンク温度60℃
およびバイオリアクター温度40℃により再循環しそして返送した。
再生溶液の通過を再生タンクのpHを測定することに
よって観察した。再生に関連して製造された乳酸を、タンクの含有成分のpHを
6.5に保持するように、再生タンクに10モル水酸化ナトリウム溶液を添加す
ることによって中和した。再生の開始から4時間で、水酸化ナトリウムの消費は
バクテリアが対数的な成長を開始したことを示す急上昇を起こし、そして再生を
中止した。バイオリアクター中に存在する培養液を、バイオリアクターからの流
出溶液を再生溶液タンクに再導入しながら、底部を通して同時に水をポンプ送り
することによって置換した。バイオリアクターからの流出溶液が無色になったと
き、ポンプ送りを中止した。
実施例3
乳酸の製造
純粋なグルコース溶液を、3リットルの容量を有するタンク中に、水中に2リ
ットルの全体積を与えるように結晶グルコース120gを溶解することによって
製造した。グルコース溶液およびタンクを121℃の温度でオートクレーブする
ことによって滅菌した。
製造されたグルコース溶液を、バイオリアクター中に底部からポンプ送りし、
バイオリアクター中に存在する水を置換しドレインへ搬送するようにした。バイ
オリアクターからの水流出がグルコース溶液に変化し始めたとき、ポンプ送り方
向を反転し、グルコース溶液をバイオリアクターへ上部から搬送し、そしてバイ
オリアクターからの流出溶液をタンクに返送した。而してグルコース
溶液をタンクからバイオリアクターへと、体積流速15l/hでタンクおよびバ
イオリアクター温度40℃により再循環しそして返送した。生物反応の進行をタ
ンクの含有成分のpHを測定することによって観察した。製造された乳酸を、タ
ンクの含有成分のpHを6.5に保持するように、再生タンクに10モル水酸化
ナトリウム溶液を添加することによって中和した。製造サイクルの開始から3日
で、水酸化ナトリウムの消費は終了し、そして再循環を中止した。バイオリアク
ター中に存在する乳酸ナトリウム溶液を、バイオリアクターからの流出溶液がタ
ンクに返送しながら、底部を通して同時に水をポンプ送りすることによって置換
した。バイオリアクターからの乳酸ナトリウム流出溶液が水に変化したとき、ポ
ンプ送りを中止した。
実施例4
乳酸塩の乳酸へのイオン交換
実施例3において製造された乳酸ナトリウム溶液を、体積流速1000ml/
hで内径50mmを有しかつカチオン交換樹脂レライト(Relite)C360(製
造者ミツビシケミカルインダストリーズ)1000mlを含むガラスカラム中に
搬送した。透明で黄色がかった乳酸溶液を生成物として得た。
生成物の灰分含有量を燃焼によって、窒素含有量をアンテク(Antek )法によ
って、全乳酸含有量を水素形態におけるイオン交換樹脂による液体クロマトグラ
フィー
によって、またL−乳酸含有量をボーリンガー−インゲルハイム(Boehringer-I
ngelheim)酵素法によって分析した。而して得られた全純度は乾燥固形分につい
て乳酸97%であり、乳酸の95%はL−乳酸であった。灰分含有量は乾燥固形
分について0.1%であり、また窒素含有量は乾燥固形分について0.08%で
あった。
イオン交換カラムを、次のサイクルのために、それを通して5%塩酸1400
mlを搬送すること、水2000mlによりフラッシすることおよび最後に水3
000mlにより逆流させることによって再生した。
実施例4a
乳酸塩の乳酸へのイオン交換
実施例4の実験を微生物としてラクトコッカスラクチス(Lactococcus lactis
)バクテリアを使用して反復した。
実施例3において製造された乳酸ナトリウム溶液を、体積流速1000ml/
hで内径50mmを有しかつカチオン交換樹脂レライト(Relite)C360(製
造者ミツビシケミカルインダストリーズ)1000mlを含むガラスカラム中に
搬送した。透明で黄色がかった乳酸溶液を生成物として得た。
生成物の灰分含有量を燃焼によって、窒素含有量をアンテク(Antek )法によ
って、全乳酸含有量を水素形態におけるイオン交換樹脂による液体クロマトグラ
フィーによって、またL−乳酸含有量をボーリンガー−インゲ
ルハイム(Boehringer-Ingelheim)酵素法によって分析した。而して得られた全
純度は乾燥固形分について乳酸97%であり、乳酸の98%はL−乳酸であった
。灰分含有量は乾燥固形分について0.07%であり、また窒素含有量は乾燥固
形分について0.01%であった。
イオン交換カラムを、次のサイクルのために、それを通して5%塩酸1400
mlを搬送すること、水2000mlによりフラッシュすることおよび最後に水
3000mlにより逆流させることによって再生した。
実施例5
第二の再生および製造
実施例1において製造されたバイオリアクターであって、乳酸ナトリウム生成
物を実施例3において記載された方法において置換したバイオリアクターを、次
の再生および製造サイクルのために水による逆流によって準備した。洗浄の開始
で、濁ったバクテリア懸濁液をベッドから離し、そしてドレインに搬送した。そ
の後洗浄水の流れ方向を上部から底部へと反転し、そして洗浄を流出水が透明に
なるまで継続した。
乳酸へと部分的に反応した培養液であって、実施例2において再生溶液タンク
中に残留している培養液を、次の再生のために使用した。バイオリアクター中に
存在する水を、リアクター中に底部から再生溶液をポンプ送りすることによって
置換した。バイオリアクターからの水流出が培養液に変化し始めたとき、ポンプ
送り方向を反
転し、バイオリアクターからの流出溶液を再生溶液タンクに返送するようにした
。第二の再生を実施例2において記載された方法において行い、そして4時間後
に中止し、その後新しい乳酸塩製造サイクルを実施例3において記載された方法
において行った。
全部で10回の連続する再生および製造サイクルを、再生サイクルにおいて実
施例2において製造した同じ培養液を用いて行い、その後再生溶液タンクを空に
し、そして新しい培養液を製造した。
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Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 発酵によって純粋な乳酸またはその塩を製造する方法であって、製造工程 はバイオリアクター再生サイクルおよび乳酸製造サイクルからなり、 該製造サイクルの間に、実質的に純粋な供給原料からなる溶液が、再生された 微生物細胞、例えばバクテリア細胞またはカビ菌糸体を含むバイオリアクターを 通って再循環され、また 該再生サイクルの間に、微生物細胞が、栄養源により富裕化された供給原料溶 液を再循環し、それによって微生物の酸を製造する能力を補充することによって 再生されることを特徴とする方法。 2. 炭水化物は、澱粉または他の多糖、例えばポリデキストロースもしくはイ ヌリン、またはスクロース、ラクトースもしくはグルコース、または他の単糖、 二糖もしくはオリゴ糖またはこれらの混合物より選択されることを特徴とする、 請求項1に記載された方法。 3. バイオリアクター設備は、攪拌タンクリアクター、マルチ−ダクト管リア クター、バスケットリアクター、流動床リアクター、充填ベッドリアクターまた はフィルターリアクターからなることを特徴とする、請求項1または請求項2に 記載された方法。 4. 担体に結合された微生物細胞が用いられることを特徴とする、請求項1、 2または3に記載された方法。 5. 担体は108ないし1013細胞/担体1mlの結合能力を有することを特 徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載された方法。 6. 再生サイクルは、微生物の製造能力が本質的に減少されたときに開始され ることを特徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載された方法。 7. 微生物は、0.5ないし30日の間隔で再生されることを特徴とする、前 述の請求項のいずれか一項に記載された方法。 8. 再生のために用いられる再生溶液は、再生タンク中で微生物の成長を妨げ るような、高い温度、通常60ないし80℃以上に、または低い温度、通常4℃ 以下に保持されることを特徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載された 方法。 9. バイオリアクターを通って再循環される溶液のpHは、5ないし8.5、 好ましくは5.5ないし8.0に保持されることを特徴とする、前述の請求項の いずれか一項に記載された方法。 10. バイオリアクターの温度は、微生物の操作を考慮して最適、すなわち一 般に5ないし65℃、例え80ないし85℃の高温でさえあることを特徴とする 、上述の請求項のいずれか一項に記載された方法。 11. 担体は、実質的に非圧縮性であり、そして好ましくは大きな表面積を有 する連続マトリックス、またはさもなくば、大きな表面積を有する多孔質もしく は網目 状粒子からなることを特徴とする、上述の請求項のいずれか一項に記載された方 法。 12. 微生物は、乳酸製造バクテリアおよび菌(カビ)より選択されることを 特徴とする、上述の請求項のいずれか一項に記載された方法。 13. 微生物は、ラクトコッカス(Lactococcus )属、ラクトバシルス(Lact obacillus )属、ストレプトコッカス(Streptococcus )属およびペディオコッ カス(Pediococcus )属、例えばL−乳酸の製造のためにラクトコッカスラクチ ス(Lactococcus lactis)またはラクトバシルスデルブリュッキ(Lactobacillu sdelbruckii)およびD−乳酸の製造のためにラクトバシルスブルガリクス(Lac tobacillus bulgaricus)より、またはクモノスカビ、例えばリヒゾプスオリザ エ(Rhizopus oryzae )より選択されることを特徴とする、上述の請求項のいず れか一項に記載された方法。 14. 製造サイクルの間に、実質的に炭水化物全含有量は乳酸塩に転換され、 そのときアルカリ消費は実質的に終了し、再循環が中止されることを特徴とする 、上述の請求項のいずれか一項に記載された方法。
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