ポリ乳酸の製造方法、及びポリ乳酸製造装置
【課題】 所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で得ることのできるポリ乳酸の製造方法、並びに、高濃度乳酸を高効率で得られる乳酸製造装置、及び、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得られるポリ乳酸製造装置を提供する。
【解決手段】 植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、
を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法である。
【解決手段】 植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、
を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生分解性プラスチックであるポリ乳酸の製造方法、並びに、乳酸製造装置及びポリ乳酸製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生分解性プラスチックとは、使用している間は通常のプラスチックと同様に優れた機能を発揮し、使用後は微生物によって自然環境（例えば土壌中など）で速やかに分解され、最終的には土の有機成分や水及び二酸化炭素になるプラスチックのことをいい、現在廃棄物問題等で注目を浴びている。
【０００３】
生分解性プラスチックとしては、これまでにも各種の製品が発表されている。
例えば、トウモロコシや馬鈴薯などのでんぷんを乳酸菌により発酵させて得た乳酸を脱水重合したポリ乳酸が挙げられ、農業用マルチフィルムやコンポストバッグなどに利用されている。
【０００４】
ポリ乳酸は乳酸を脱水縮重合したものであり、従来から、植物性澱粉に乳酸菌を作用させると乳酸発酵により乳酸が得られることが知られている。しかし、従来の工法によると、発酵の過程で反応液のｐＨが低下し、乳酸菌の活性が阻害されることが多く、高濃度の乳酸を効率良く得ることが困難であった。係る反応液のｐＨ低下は、植物性澱粉と乳酸菌とを作用させる際、その発酵により生じた乳酸が、発酵槽内において残存していることに起因していると推測される。
【０００５】
また、ポリ乳酸は、濃縮処理された乳酸に、触媒（例えば、酸化ルテニウム等と酸化チタンとを等量混合したもの）を適量加えて攪拌しながら加熱することにより乳酸が脱水縮重合することで得られることが知られている。この際、脱水縮重合反応において生じた水を系外に排出することが必要であり、従来から、係る水を排出する方法として水を減圧蒸散させる方法が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかし、水を減圧蒸散させる方法によると、重合反応が進むにつれて重合物の粘度が高くなることから、水の解離速度が遅くなり、効率よく脱水を行うことができないという欠点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３３５８５０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記に鑑み成されたものであり、所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で得ることのできるポリ乳酸の製造方法、並びに、高濃度乳酸を高効率で得られる乳酸製造装置、及び、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得られるポリ乳酸製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のポリ乳酸の製造方法は、植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明のポリ乳酸の製造方法（以下、「本発明の製造方法」と称する場合がある。）によれば、ポリ乳酸の生産に用いる乳酸製造過程において、電気浸透作用を利用して、発酵槽内の乳酸を、未発酵の乳酸菌及び植物性澱粉から分離することができる。従って、発酵槽内において直接乳酸の生成に係わる混合物中の乳酸濃度を低く保つことができ、前記混合物のｐＨ低下を抑制することができる。これにより、本発明の製造方法によれば高濃度の乳酸を得ることができ、これを用いることで、所望の分子量を有するポリ乳酸を効率良く製造することができる。上記「電気浸透」とは、膜など多孔性物質を通しての電位差による電気的に中性溶媒の移動をいう。
【００１１】
また、本発明の製造方法によれば、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことができる。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、電気脱水工程において、重合工程で脱水縮重合された乳酸重合体（ポリ乳酸）中に含まれる水を電気浸透によって脱水部にまで移動させることができる。これにより、乳酸重合体の重合が進み粘度が高くなった状態であっても効率よく脱水をおこなうことができる。尚、本明細書において「乳酸重合体」とは、本発明の製造方法や各装置において目的とする分子量を有するポリ乳酸に至る前の段階、即ち乳酸のオリゴマー及び所望の分子量にまだ達しないポリ乳酸を意味し、係る乳酸重合体には、乳酸の脱水縮重合反応において発生した水分が含まれている状態が含まれる。
【００１３】
本発明の製造方法においては植物性澱粉としてコーンスターチを好適に用いることができる。
【００１４】
本発明の乳酸製造装置は、少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽と、植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽に導入する原料導入手段と、を備え、前記植物性澱粉及び前記乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸と前記植物性澱粉と前記乳酸菌との混合物に直流電流を通じ、電気浸透によって前記乳酸を前記濃縮部に移動させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の乳酸製造装置は、発酵槽内の混合物に直流電流を通じることによって、電気浸透作用を利用して、発酵槽内の乳酸を未発酵の乳酸菌及び植物性澱粉から分離することができる。従って、発酵槽内において直接乳酸の生成に係わる混合物中の乳酸濃度を低く保つことができ、前記混合物のｐＨ低下を抑制することができる。これにより、本発明の乳酸製造装置によれば、高濃度の乳酸を効率よく製造することができる。また、本発明の乳酸製造装置は、前記電極の陽極を、メッシュ状に構成することができる。
【００１６】
本発明の乳酸製造装置は、前記濃縮部に移動された乳酸を排出する排出管と、前記排出管から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を外部に排出する排出手段と、を備えることができる。
【００１７】
本発明の乳酸製造装置は、発酵槽の濃縮部と乳酸貯留槽とを排出管と供給管とを介して循環させることで、より乳酸の濃度を高めることができる。
【００１８】
本発明のポリ乳酸製造装置は、乳酸が導入される乳酸導入手段と、前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とする。
【００１９】
本発明のポリ乳酸製造装置によれば、重合槽で脱水縮重合された乳酸（ポリ乳酸）中に含まれる水を電気浸透によって脱水部にまで移動させることができる。これにより、ポリ乳酸の重合が進み粘度が高くなった状態であっても効率よく脱水をおこなうことができ、所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で製造することができる。
【００２０】
また、本発明のポリ乳酸製造装置は、更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給するように構成することができる。
【００２１】
本発明のポリ乳酸製造装置は、更に発酵濃縮手段を備えることで、高濃度の乳酸を重合槽に供給することができる。また、乳酸生成工程とポリ乳酸重合工程を連続しておこなうことができ、効率よくポリ乳酸を製造することができる。
【００２２】
本発明のポリ乳酸製造装置は、前記発酵濃縮手段に、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えることができる。
【００２３】
本発明のポリ乳酸製造装置は、発酵槽の濃縮部と乳酸貯留槽とを排出管と供給管とを介して循環させることで、より乳酸の濃度を高めることができる。また、本発明の乳酸製造装置は、前記電極の陽極を、メッシュ状に構成してもよい。
【００２４】
本発明のポリ乳酸製造装置は、前記重合手段が、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、前記一方の開口部から前記他方の開口部に向けて溝幅が狭くなる螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮するように構成することができる。前記棒状回転体は、前記一方の開口部から前記他方の開口部に向けて溝幅が狭くなる螺旋状溝を有していてもよい。
【００２５】
本発明のポリ乳酸製造装置によれば、棒状回転体が回転されたときにその螺旋状溝にしたがって乳酸を中空基体の一方に設けられた乳酸供給側から他方の圧出口側に向かって熱せられながら圧送され、所望圧のもとで圧縮することができる。これにより、乳酸を効率良く加熱して脱水縮重合をおこなうことができる。
【００２６】
中空基体の内部構造は、断面が円形、楕円形、矩形、方形など任意の形状に構成することができるが、基体内部で回転する棒状回転体によって乳酸に与えられる圧力が均一になる点から断面円形とするのが好ましい。また、螺旋状溝は、中空基体に内装されたときに乳酸供給側から出口側へ螺旋ピッチ（溝幅）が次第に狭くなるように棒状回転体の一端から他端に向かって設けることができ、植物原料を圧送する。そのため、効率良く均一な圧縮が可能な点から、棒状回転体は断面が略円形の棒状体とするのが好ましい。
【００２７】
本発明のポリ乳酸製造装置は、前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えるように構成することができる。
【００２８】
本発明のポリ乳酸製造装置は、回転羽根を中空体内部を挿通する流体、すなわち重合槽において重合された乳酸重合体（ポリ乳酸）の流れによる流体圧を受けて回転する構造（例えば、流れ方向の力を受けて回転するように捻りを付けた羽根状のステーター等）が望ましく、駆動部を接続せずに連続攪拌することができる。この回転羽根は、隣接する複数個が流体の挿通方向を回転軸として相互に逆回転（即ち、交互に逆方向に回転）するように設けることができるので、乳酸重合体を攪拌することで、電気浸透により、水を分離しやすくすることができる。その結果、脱水効率の低下を伴なうことなく、脱水装置を小型化することもできる。回転羽根は、電源と接続されたモータや磁力によって回転するように構成してもよい。また、中空体の内部構造は、乳酸重合体等を挿通し得るように構成され、断面が円形、楕円形、矩形、方形など任意形状に構成することができ、特に断面円形の中空体が好ましい。
【００２９】
また、上記の回転羽根に電源を接続して、前記電気脱水手段における電極の陽極として機能させることが好ましい。これにより、回転羽根の攪拌に伴って、乳酸重合体に混在する水が陽極に接しやすくなり、より高効率で脱水を行うことができる。
【００３０】
本発明の乳酸製造装置及びポリ乳酸製造装置において用いられる植物澱粉としては、コーンスターチを好適に用いることができる。本発明における植物性澱粉は、いずれのものでも用いることができるが、作業効率、入手容易性、得られるポリ乳酸の品質等の観点から、コーンスターチを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で得ることのできるポリ乳酸の製造方法、並びに、高濃度乳酸を高効率で得られる乳酸製造装置、及び、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得られるポリ乳酸製造装置を提供することができる。
また、本発明のポリ乳酸の製造方法、乳酸製造装置及びポリ乳酸製造装置を用いることで、乳酸の生成からポリ乳酸の重合までを連続的に行うことが可能であり、また、設備の小型化、低価格化、操作の簡便化及び製造コストの低減を図ることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、下記においては植物性澱粉としてコーンスターチを用いた場合を中心に説明するが、本発明はこれら実施の形態に制限されるものではない。
【００３３】
本発明のポリ乳酸の製造方法は、コーンスターチと乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成しそれを濃縮する発酵濃縮工程と、得られた乳酸を重合する重合工程とに大別される。以下、各工程において、本発明の乳酸製造装置とポリ乳酸製造装置とを用いた場合を例に説明する。
【００３４】
＜発酵濃縮工程＞
図１〜３を用いて本発明の乳酸製造装置について説明する。図１は、本発明の乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。図１に示すように、本発明の乳酸製造装置１０は、混合装置２０と、発酵槽３０と、乳酸貯留槽５０とを備えて構成される。乳酸製造装置１０は、混合装置２０において混合されたコーンスターチと乳酸菌とを含む混合物を、発酵槽３０にて発酵して乳酸を生成し、生成した乳酸を他の混合物から分離し、乳酸貯留槽５０との間で循環して濃縮することで、高濃度の乳酸を得るものである。
【００３５】
混合装置２０は、特に限定されず攪拌機等公知の混合手段を備えた装置である。係る混合装置２０には、コーンスターチ及び乳酸菌の他に水やその他酵素等の添加物などが供給される。この際、混合物中におけるコーンスターチ（ｘ）と乳酸菌（ｙ）との混合比（質量比ｘ：ｙ）は１，０００：０．１〜１，０００：１０が好ましく、１，０００：０．５〜１，０００：５が更に好ましい。また、コーンスターチは予め糖化処理等を加えた後に乳酸菌と混合するように構成してもよい。前記添加物としては、食塩、炭酸カルシウム、各種酵素等が挙げられる。この際、前記炭酸カルシウムの含有量としては、混合物に対して０．５〜１質量％程度が好ましい。混合装置２０は、供給されたコーンスターチ等を混合して混合物とし、該混合物を発酵槽３０に導入する。
【００３６】
発酵槽３０には、陽極３２と陰極３４とからなる少なくとも一対の電極が内装されており、これら電極は図示を省略する電源に接続されている。また、発酵槽３０の槽内は陽極３２と陰極３４との間を隔てるように隔壁３６で仕切られており、隔壁３６を境に、陰極３４が備えられている側には濃縮部３８が、また、陽極３２が備えられている側には発酵部４０が設けられている。混合装置２０から供給される混合物は発酵部４０に導入される。また、発酵槽３０を構成する材質としては、特に限定はないが、防錆性の観点からチタン（Ｔｉ）が好ましい。
【００３７】
陽極３２及び陰極３４は、プラチナ（Ｐｔ）などの貴金属で構成されていることが好ましく、チタン（Ｔｉ）にプラチナをメッキしたものや、この表面にルテニウムを添着したもの等を好適に用いることができる。上記電極は、例えば、チタン（Ｔｉ）板材にプラチナ（Ｐｔ）を圧延添着した後、ルテニウム（Ｒｕ）を電気メッキし、これを酸素雰囲気中で焼成することで得ることができる。また、上記電極は、チタン板材にプラチナを電気メッキして酸素雰囲気中で焼成することで得ることもできる。尚、焼成温度はいずれも６５０〜７００℃程度が好ましい。
【００３８】
陽極３２及び陰極３４は図示を省略する電源に接続されており、係る電源から電流を供給することで発酵部４０内の混合物に直流電流を通じさせることができる。このように、発酵部４０内の混合物に直流電流を通じると、電気浸透作用により、液体である乳酸や水を陽極３２側から陰極３４側に向かう方向（図１における矢印Ａ）に移動させることができる。
【００３９】
隔壁３６は、混合物中の液体（乳酸）が通過でき、コースターチ等の固体物の通過を抑制することができるものであれば、いずれの構造であってもよく、例えば、メッシュ状にすることができる。また、隔壁３６を構成する材料としては、乳酸等に対してある程度の耐性を有するものであれば特に制限なく用いることができるが、耐錆性の観点からチタン（Ｔｉ）が好ましい。また、後述するように隔壁３６自体を、陽極３２を構成する金属で形成し、係る隔壁３６自体を陽極３２とすることもできる。この場合、隔壁３６によって濃縮部３８と隔てられる空間が発酵部となる。更に、ポリイミド膜等も適宜用いることができる。
【００４０】
濃縮部３８は、発酵槽３０内を隔壁３６で仕切ることによって形成されており、陰極３４が備えられている側に設けられる。濃縮部３８には、電気浸透作用によって隔壁３６を通過してきた乳酸が貯留される。以下、隔壁３６を通過し濃縮部にまで移動した乳酸を「高濃度乳酸」と称する。また、濃縮部３８には、排出管４２の一端と供給管４４の一端とが接続されており、乳酸貯留槽５０と間において高濃度乳酸を循環することができるように構成されている。
【００４１】
発酵槽３０の発酵部４０には、循環管４６の一端が接続されている。また、循環管４６の他端は混合装置２０に接続されており、発酵部４０内の反応未寄与のコーンスターチ（澱粉）や乳酸菌等を混合装置２０に再び供給し、再利用できるように構成されている。更に、発酵部４０には、図示を省略する排出口が設けられており、発酵後のコーンスターチ等の発酵残渣を措置外に排出できるように構成されている。尚、本実施の形態においては、混合物を混合装置２０と発酵部４０との間で循環させる態様としたが、係る循環態様は任意である。
【００４２】
乳酸貯留槽５０は、発酵槽３０において発酵・分離された高濃度乳酸が供給され該高濃度乳酸を貯留できるように構成される。また、乳酸貯留槽５０には、排出管４２の一端と供給管４４の一端とがそれぞれ接続されており、高濃度乳酸を発酵槽３０の濃縮部３８と間で循環できるようになっている。このように、濃縮部３８と乳酸貯留槽５０との間を、高濃度乳酸を循環させることで、より濃縮された乳酸を得ることができる。尚、本実施の形態においては、高濃度乳酸を濃縮部３８と乳酸貯留槽５０との間で循環させる態様としたが、係る循環態様は任意である。
【００４３】
乳酸貯留槽５０には、乳酸排出管５２が接続されており、乳酸貯留槽５０に貯留された高濃度乳酸を装置外に排出できるように構成されている。
【００４４】
本発明の乳酸製造装置における乳酸製造の流れについて説明する。まず、乳酸菌、コーンスターチ及び水等は、混合装置２０に供給され混合された後、発酵槽３０の発酵部４０に導入される。発酵部４０内は、温度がおおよそ４０℃程度、混合物のｐＨが５〜６程度に保たれており、数時間かけて発酵される。この際、発酵部４０内の混合物は、混合装置２０との間で例えば毎分１０質量％で循環されている。
【００４５】
発酵部４０内で混合物が発酵されている際、該混合物には陽極３２と陰極３４とによって直流電流が通じられている。この際の直流電圧としては、電極により生成される遊離塩酸イオン等による乳酸菌の活性阻害を防止する観点から、１．０〜４．０Ｖが好ましく、１．２〜３．０Ｖが更に好ましい。すると、発酵により生成した乳酸は、電気浸透作用により、電流方向（図１の矢印Ａの方向）に移動し、隔壁３６を通過して濃縮部３８において貯留される。この際、水も濃縮部３８に移動するが、乳酸の移動速度の方が早いため、乳酸が濃縮されていくことになる。また、発酵部４０内で一定量の発酵残渣がたまった場合には、図示を省略する排出口から発酵残渣を排出する。
【００４６】
濃縮部３８に貯留された高濃度乳酸は、乳酸貯留槽５０との間で循環され、更に濃縮された後、乳酸排出管５２から高濃度乳酸を得ることができる。尚、高濃度乳酸の循環は、濃度センサーを設け、一定の濃度以上となった際に乳酸を排出するようにしてもよいし、一定時間循環させた後に乳酸を排出するような構成としてもよい。
【００４７】
次に、図２及び３を用いて本発明の乳酸製造装置に用いられる発酵槽の具体的な態様について説明する。図２は、本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための断面図であり、図３、本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための説明図である。
【００４８】
図２に示すように、本発明における発酵槽は、筒状に形成することができる。また、図３に示すように筒状発酵槽６０の内部には、内壁に沿って筒状の陰極６２が設けられており、更に、その内側には、メッシュ構造を有する筒状の陽極隔壁６４が備えられている。係る態様においては、図２及び３で示されるように陰極６２と陽極隔壁６４とで囲まれる空間が濃縮部６６となり、陽極隔壁のみで囲まれている空間が発酵部６８となる。
【００４９】
筒状発酵槽６０には、更に、原料供給口７０と循環液供給口７２とが設けられている。原料供給口７０は発酵部６８と通じており、原料（混合物）を発酵部６８に導入できるように構成されている。また、発酵部６８内の混合物は一定の割合で原料排出口７４から排出され図１における混合装置２０に戻られるようになっている。これにより、発酵部６８内で反応に寄与しなかったコーンスターチ等を混合物に混入することで再利用することができる。また、循環液供給口７２は、図１における乳酸貯留槽５０と濃縮部６６との間で高濃度乳酸を循環させるために設けられており、循環液供給口７２から供給された高濃度乳酸は濃縮部６６から新たに発酵部６８から濃縮部６６にまで移動した乳酸と共に乳酸排出口７６から図１における乳酸貯留槽５０に送られる。
【００５０】
筒状発酵槽６０においては、筒状の陽極隔壁６４内の発酵部６８においてコーンスターチと乳酸菌との発酵により生成した乳酸は、これらを含む混合物に陰極６２及び陽極隔壁６４から直流電流が流されると、発酵部６８から濃縮部６６に向かって移動する。これにより、混合物から乳酸を分離することができる。このように、発酵槽を筒状に構成することで、効率よく、乳酸の分離・濃縮をおこなうことができる。
【００５１】
また、上記においては、発酵槽を一つのみ用いる態様としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、複数の発酵槽を連結したものであってもよい。
【００５２】
＜重合工程＞
次に図４〜６を用いて本発明のポリ乳酸製造装置について説明する。図４は、本発明のポリ乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。図４に示すように本発明のポリ乳酸製造装置８０は、混合装置８２と、重合槽９０と、電気脱水槽１００とを備えて構成される。ポリ乳酸製造装置８０は、混合装置８２において乳酸と共に触媒を混合し、該混合物を重合槽９０にて加熱して脱水縮重合し、更に、電気脱水槽１００において電気浸透作用によって脱水することで、所望のポリ乳酸を得ることができる。本発明のポリ乳酸製造装置８０は、重合槽９０と電気脱水槽１００とが循環管１１６で連結されており、予め定められた回数や時間、重合・乾燥を繰り返すことで、所望の分子量を有するポリ乳酸を得ることができる。
【００５３】
混合装置８２は、特に限定されず攪拌機等公知の混合手段を備えた装置である。係る混合装置８２には、乳酸と触媒とが供給される。この際、混合物中における乳酸（ｑ）と触媒（ｗ）との混合比（質量比ｑ：ｗ）は１００：１〜１００：１０が好ましく、１００：３〜１００：５が更に好ましい。前記触媒としては、乳酸の脱水縮重合に用いられる触媒であれば特に限定なく用いることができ、例えば、酸化ルテニウム及び酸化チタンを質量比５０質量％で混合したものが好ましい。また、前記触媒の重量平均体積粒径としては０．１〜１μｍ程度が好ましい。混合装置８２は、供給された乳酸と触媒とを混合して混合物とし、該混合物を重合槽９０に導入する。
【００５４】
重合槽９０は、混合装置８２から供給された乳酸と触媒との混合物を加熱することで脱水縮重合を行う。重合槽９０において、乳酸は２段階の乳酸重合工程を経て所望の分子量を有するポリ乳酸とすることができる。第１の乳酸重合工程は、乳酸からオリゴマーを合成する工程であり、この際の加熱温度はおおよそ、１１０〜１６０℃程度が好ましく、１３０〜１５０℃程度が更に好ましい。また、第２の乳酸重合工程は、オリゴマーを連結して所望の分子量を有するポリ乳酸を合成する工程であり、その際の加熱温度はおおよそ１１０〜１４０℃程度であり、１１５〜１２０℃程度が更に好ましい。
【００５５】
また、重合槽９０は、後述のように重合効率を向上させるために攪拌手段を用いて攪拌しながら、乳酸を加熱し、重合反応を進めることが好ましい。
【００５６】
重合槽９０には、一定時間加熱され脱水縮重合した乳酸重合体（オリゴマーや所望の分子量にまで達しないポリ乳酸や水を含む）を電気脱水槽１００に供給するための乳酸重合体排出管９２が設けられている。
【００５７】
電気脱水槽１００には、陽極１０２と陰極１０４とからなる少なくとも一対の電極が内装されており、これら電極は図示を省略する電源に接続されている。また、電気脱水槽１００の槽内は陽極１０２と陰極１０４との間を隔てるように隔壁１０６で仕切られており、隔壁１０６を境に、陰極１０４が備えられている側には脱水部１０８が、また、陽極１０２が備えられている側には被脱水部１１０が設けられている。重合槽９０から供給される混合物は被脱水部１１０に導入される。
【００５８】
陽極１０２及び陰極１０４は、プラチナ（Ｐｔ）などの貴金属で構成されていることが好ましく、チタン（Ｔｉ）にプラチナをメッキしたものや、この表面にルテニウムを添着したもの等を好適に用いることができる。陽極１０２及び陰極１０４は図示を省略する電源に接続されており、係る電源から電流を供給することで被脱水部１１０内の乳酸重合体に直流電流を通じさせることができる。このように、被脱水部１１０内の乳酸重合体に直流電流を通じると、電気浸透作用により、乳酸重合体中に含まれる水を陽極１０２側から陰極１０４側に向かう方向（図４における矢印Ｂ）に移動させることができる。
【００５９】
隔壁１０６は、混合物中の水が通過でき、ポリ乳酸等の固体物の通過を抑制することができるものであれば、いずれの構造であってもよく、例えば、メッシュ状にすることができる。また、隔壁３６を構成する材料としては、乳酸等に対してある程度の耐性を有するものであれば特に制限なく用いることができる。また、隔壁１０６自体を、陽極１０２を構成する金属で形成し、係る隔壁３６自体を陽極１０２とすることもできる。この場合、隔壁１０６によって脱水部１０８と隔てられる空間が被脱水部となる。更に、ポリイミド膜等も適宜用いることができる。
【００６０】
脱水部１０８は、電気脱水槽１００内を隔壁１０６で仕切ることによって形成されており、電気脱水槽１００の陰極１０４が備えられている側に設けられる。脱水部１０８にはグリセリン供給管１１２と、グリセリン排出管１１４とが接続されており、脱水部１０８内をグリセリンが循環するように構成されている。被脱水部１１０から脱水部１０８にまで移動した水分は無水グリセリンに吸収されて含水グリセリンとして脱水部１０８から排出される。脱水部１０８から排出された含水グリセリンは例えば減圧蒸留等の公知の手段により水分が除去されて無水グリセリンとして再利用される。
【００６１】
電気脱水槽１００の被脱水部１１０には、循環管１１６の一端が接続されている。また、循環管１１６の他端は重合槽９０に接続されており、被脱水部１１０内のポリ乳酸が所望の分子量になるまで重合槽９０及び電気脱水槽１００間を循環するように構成されている。更に、被脱水部１１０には、図示を省略する排出口が設けられており、所望の分子量に達したポリ乳酸を措置外に排出できるように構成されている。尚、上記排出口は重合槽に設けられていてもよい。重合槽９０及び電気脱水槽１００を構成する材質としては特に限定はないが、防錆性の点からチタン（Ｔｉ）であることが好ましい。
【００６２】
本発明のポリ乳酸製造装置におけるポリ乳酸製造の流れについて説明する。まず、乳酸及び触媒は、混合装置８２に供給され混合された後、電気脱水槽１００の被脱水部１１０に導入される。被脱水部１１０に導入された乳酸は、重合槽９０内で脱水縮重合された後、電気脱水槽１００で脱水され、係る工程を所望の回数や一定時間繰り返すことにより目的とするポリ乳酸が得られる。係る工程を繰り返す回数や時間は、目的とするポリ乳酸の分子量を考慮して適宜設定することができる。この際、重合槽９０と電気脱水槽１００との間は、例えば毎分１０質量％で循環されている。
【００６３】
重合槽９０内の温度は上述の第１の乳酸重合工程と第２の乳酸重合工程とで異なる。この際、重合槽９０内の温度の切り替えは、予め定めた回数や時間によって切り替えるようにすることができる。また、本発明においては第１の乳酸重合工程を行う前に、１１０〜１２０℃程度において乳酸内の水分を蒸発させる工程を経ることが好ましい。
【００６４】
電気脱水槽１００内において乳酸重合体には陽極１０２と陰極１０４とによって直流電流が通じられている。この際の直流電圧としては３．０〜６．０Ｖ程度が好ましく、４．０〜５．０Ｖが更に好ましい。すると、乳酸の重合反応により生成した水分は、電気浸透作用により、電流方向（図４の矢印Ｂの方向）に移動し、隔壁１０６を通過して脱水部１０８にまで移動する。また、所望の回数又は時間、重合槽９０と電気脱水槽間循環することで、所望の分子量にまで合成されたポリ乳酸を得ることができる。
【００６５】
次に、図５を用いて本発明のポリ乳酸製造装置に用いられる重合槽及び電気脱水槽の具体的な態様について説明する。図５は、本発明における重合槽及び電気脱水槽の具体的な態様を説明するための断面図である。
【００６６】
図５に示すように筒状重合槽１２０は、乳酸供給部１２２が設けられた中空のシリンダー（中空基体）１２４の内部に、乳酸供給部１２２が設けられた一方の側から他方の側（即ち、スクリュー先端側）に向けて螺旋状溝を有するスクリュー（棒状回転体）１２６を内装して構成され、さらに乳酸供給部１２２が設けられていないシリンダー１２４の他方（スクリュー先端側）には乳酸重合体出口１２８が設けられており、スクリュー１２６を回転させることによって乳酸を加熱すると共に攪拌しながら乳酸重合体出口１２８から重合された乳酸重合体を移送できるようになっている。乳酸重合体出口１２８から排出された乳酸重合体は電気脱水槽１５０に導入される。また、スクリュー１２６の乳酸供給部１２２が設けられた側には、モータ（駆動手段）１３０が設けられ、スクリュー１２６は図示しない原動歯車及び従動歯車を有する減速ギアを介在させてモータ１３０と接続されて電源（不図示）からの電力供給を受けて回転可能なようになっている。
【００６７】
シリンダー内でスクリュー１２６が回転することによって、供給された乳酸は第１及び第２の乳酸重合工程に応じた温度で脱水縮重合される。シリンダー１２４の外側には、シリンダー壁を介して内部を加熱するための電気ヒーター１３２がシリンダー周囲を覆うように設けられ、シリンダー内部の加熱を均一に行なえるようになっている。
【００６８】
また、筒状重合槽１２０には、電気脱水槽１５０において脱水された乳酸重合体が導入される乳酸重合体導入口１３４が設けられており、電気脱水槽１５０との間でポリ乳酸が循環可能なように構成されている。
【００６９】
図５において、電気脱水槽１５０は、乳酸重合体出口１２８に接続された配管を介して筒状重合槽１２０に連通されている。電気脱水槽１５０は、図５に示すように、一端に乳酸重合体供給口１５２を有し、且つ、他端に脱水物排出口１５４を有する円筒体１５６と、円筒体１５６の内部に設けられた円筒状の筒状ポリイミド膜１５８と、筒状ポリイミド膜１５８の内部に挿通方向（図４中の矢印方向Ｃ）と平行な軸心を回転軸として交互に逆回転するように捻り羽根が隣接して３段配置されたスタチックミキサー１６０と、から構成されており、乳酸重合体供給口１５２から供給された乳酸重合体を挿通させながら順次逆回流させて混練して脱水処理を行なうようになっている。また、円筒体１５６の壁面はチタン（Ｔｉ）で構成されている。
【００７０】
円筒体１５６の内部に設けられる筒状ポリイミド膜１５８は目の細かいメッシュ構造を有しており、乳酸重合体と水とのうち、水のみを透過させるようになっている。円筒体１５６の内部は、筒状ポリイミド膜１５８を境にして、筒状ポリイミド膜内部が被脱水部１６２となり、筒状ポリイミド膜１５８の外側に脱水部１６４が形成されている。
【００７１】
また、円筒体１５６の壁面には、脱水部１６４に無水グリセリンを供給するためのグリセリン供給口１６６と、脱水部内部の含水グリセリンを排出するためのグリセリン排出口１６５とが設けられており、脱水部１６４内をグリセリンが循環するように構成されている。
【００７２】
電気脱水槽１５０において、スタチックミキサー１６０と円筒体１５６の壁面とにはそれぞれ図示を省略する電源が接続されており、スタチックミキサー１６０が陽極電極を構成し、円筒体１５６が陰極電極を構成している。このため、筒状重合槽１２０から導入された混合物に電流が流されると、電気浸透作用により、乳酸重合物から解離した水分が円筒体１５６の内側から外側に向かう方向に移動する。円筒体１５６の内側から外側に向かって移動した水分は、筒状ポリイミド膜１５８を透過して、脱水部１６４に移動する。脱水部１６４には無水グリセリンが供給されており、筒状ポリイミド膜１５８を透過した水分は、無水グリセリンに吸収され、含水グリセリンととなって電気脱水槽１５０外に排出される。電気脱水槽１５０外に排出された含水グリセリンは系外にて例えば減圧蒸留等の適当な手段により水分が除去され、無水グリセリンとして再びグリセリン供給口１６６から供給される。
【００７３】
電気脱水槽１５０の陽極電極となるスタチックミキサー１６０は、例えば図６に示すようにチタン（Ｔｉ）にプラチナ（Ｐｔ）をメッキし、さらにその表面にルテニウム（Ｒｕ）を添着したメッキ板を、左捻り又は右捻り（例えば捻り角度９０°）した捻り羽根１６０ａ〜１６０ｃが３段階隣接した構成を有する。スタチックミキサー１６０は、乳酸重合物が円筒体１５６の内部を挿通するときに矢印方向Ｃの流体圧を受けて捻りの向きにしたがって回転するようになっている。電気脱水槽１５０内にこのような構成のスタチックミキサー１６０を設けることで、乳酸重合体中の水分が陽極に接しやすく、効率的に電気浸透作用を発揮することができ、乳酸重合体の脱水効率を高めることができる。
【００７４】
また、電気脱水槽１５０において脱水された乳酸重合体は、所望の回数又は時間等所望の分子量となるまで、筒状重合槽１２０と電気脱水槽１５０との間を循環させられる。電気脱水槽１５０内で脱水された乳酸重合体は、脱水物排出口１５４から排出され、再び、筒状重合槽１２０に導入される。
【００７５】
このように所望の分子量となるように予め定められた回数又は時間、筒状重合槽１２０及び電気脱水槽１５０間を循環した乳酸重合体は、所望の分子量を有するポリ乳酸として筒状重合槽１２０のポリ乳酸排出口１３６から排出される。このように本発明のポリ乳酸重合装置を用いると、従来の減圧脱水方式を用いた場合に比して、低エネルギー且つ約半分の時間で所望の分子量を有するポリ乳酸を製造することができる。所望の分子量を有するポリ乳酸の合成が短時間及び低エネルギーでおこなうことができ、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得ることができる。
【００７６】
このように、本発明のポリ乳酸製造装置によれば、乳酸の生成からポリ乳酸の重合まですべて、連続的に実施することも可能であり、設備の小型化、低コスト化、操作の簡便化、及び、製造コストの低減化が可能となる。また、上記においては、重合槽及び電気脱水槽をそれぞれ一つのみ用いる態様としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、複数の重合槽や電気脱水槽を連結したものであってもよい。
【実施例】
【００７７】
以下、実施例において本発明をより具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７８】
［実施例１］
１．乳酸の生成
図２及び３に示す筒状の発酵槽を有する乳酸製造装置を用いて乳酸を下記の手順に従って生成した。
【００７９】
（１）原料懸濁液の調製
コーンスターチ（３０質量部）と、食塩（０．５質量部）と、水（６９．５質量部）とを、混合装置を用いて１５０ｒｐｍで５分間攪拌し、原料懸濁液を調製した。
【００８０】
（２）液化澱粉の調製
上記より得られた原料懸濁液を９５℃で１５分間蒸煮して、糊化澱粉を調製した。得られた糊化澱粉（９９．４質量部）と、炭酸カルシウム（０．５質量部）と澱粉液化酵素（商品名：コクゲンＴ、大和化成（株）製）（０．１質量部）とを、酢酸でｐＨ調製したのち（ｐＨ＝６〜７）、混合装置にて３０ｒｐｍで１０分間、温度９０℃で攪拌した。得られた混合物を、更に６０分間、温度９０℃及びｐＨ６〜７で放置し、液化澱粉を調製した。
【００８１】
（３）糖化澱粉の調製
上記より得られた液化澱粉（９９．９質量部）を７０℃以下にまで冷却した後、澱粉枝切酵素（商品名：クライスターゼＰＬ、大和化成（株）製）（０．１質量部）を加え、酢酸にてｐＨ調製したのち（ｐＨ＝５〜６）、混合装置にて５０ｒｐｍで１０分間、温度６５℃で攪拌した。得られた混合物を、更に６０分間、温度６５℃及びｐＨ５〜６で放置し、糖化澱粉を調製した。
【００８２】
（４）乳酸の生成
上記より得られた糖化澱粉（９９．９質量部）を４５℃以下にまで冷却した後、乳酸菌（０．１質量部）を加え、混合装置Ａにて１５０ｒｐｍで１０分間、温度４５℃で攪拌した。この際、混合物のｐＨは５〜６であった。
【００８３】
得られた混合物を図２及び３に示す発酵槽に導入した。直流電流を通じながら発酵を行い、２０質量％の乳酸が得られた。この際、発酵条件は、温度：４０℃、ｐＨ：５〜６、反応時間２４０分、電気浸透電圧：直流２．４Ｖであった。また、混合物は、発酵槽と混合装置Ａとの間を、毎分１０質量％で循環させた。
【００８４】
《評価》
上記１．と同条件にて得られた糖化澱粉１ｋｇに、乳酸菌１ｇを添加し、実施例１と同様の発酵槽を用いて４０℃における電気浸透電極間に加える電圧と生成される乳酸の濃度との関係について測定した。この際、電気浸透電圧を０Ｖ、１．２Ｖ、２．４Ｖ及び３．６Ｖとしてそれぞれ測定した。結果を図７に示す。
図７は、乳酸濃度と電気浸透電圧との関係を示すグラフである。図７からわかるように、電極間に電流を流さないとき（０Ｖ）は、乳酸濃度が５．６質量％以上になることはなかったが、電気浸透電圧を１．２Ｖに変更した場合には、８時間後に１６．３質量％にまで濃度が向上した。更に、電気浸透圧を２．４Ｖに変更した場合には、８時間後の乳酸濃度が２４．５質量％にまで向上した。これに対し、電気浸透電圧を３．６Ｖに変更した場合には、得られる乳酸の濃度が１４質量％程度であった。この結果、上記電気浸透電圧としては、１．２〜３．０Ｖの間が好ましいことがわかる。
【００８５】
２．ポリ乳酸の合成
図５に示す筒状の重合槽及び電気脱水槽を有する乳酸製造装置を用いて乳酸を下記の手順に従って生成した。
【００８６】
（１）乾燥工程
上述より得られた濃度２０％の乳酸９９．５質量部と触媒（酸化ルテニウムと酸化チタンとを質量比５０質量％で混合したもの）０．５質量部と、を混合装置を用いて１５０ｒｐｍで１０分間攪拌した。この際、混合物のｐＨは３．５〜４程度であり、温度は９０℃であった。次いで得られた混合物を１１０〜１２０℃で０．５時間蒸発乾燥した。この際、乳酸の濃度はおおよそ６０質量％であった。
【００８７】
（２）重合・脱水工程
得られた乳酸と触媒との混合物を、図５に示す重合槽と電気脱水槽とを用いて、毎分１０質量％で重合槽及び電気脱水槽間を循環させながら、２４０分間重合・脱水を行った。この際、電気脱水槽においては電極間の電気浸透電圧４．８Ｖで直流電流をポリ乳酸に通じさせ、脱水を行った。また、重合槽の温度は、始めの９０分間は１４０〜１４５℃とし、残りの１５０分間を１１５〜１２０℃とした。得られたポリ乳酸の重量平均分子量をＤＳＣで測定したところ１２０，０００であった。
【００８８】
《評価》
乳酸の重合・脱水工程について、上記２．と同様の手法を用いた本発明による方式（初期乳酸温度：６０質量％、電気浸透電圧４．８Ｖ、終点ポリ乳酸質量分子量：１２０，０００、図５に示す重合槽及び電気脱水槽を使用）と、特開２００３−３３５８５０公報に記載の従来の減圧脱水法による方式（初期乳酸濃度：６０質量％、減圧真空度：０．０８（ＭＰａ）、終点ポリ乳酸重量平均分子量：１２０，０００）との比較を行った。結果を図８に示す。図８は、ポリ乳酸の重合反応について重合温度と重合時間との関係を示すグラフである。
【００８９】
図８からわかるように電気浸透式脱水槽を用いた本発明による方式によって重合・脱水をおこなった場合、第１の乳酸重合工程に要した時間（Ｔ１’）は、おおよそ２０分程度であり、第２の乳酸重合工程に要した時間（Ｔ２’）は、おおよそ１６０分程度であったため、乾燥蒸発工程を含めて２４０分ほどで、重量平均分子量１２０，０００のポリ乳酸を得ることができた。
【００９０】
これに対し、従来の減圧脱水法による方式を用いて重合及び脱水をおこなった場合、第１の乳酸重合工程に要する時間（Ｔ１）は、おおよそ３０分程度であり第２の乳酸重合工程に要した時間（Ｔ２）はおおよそ３９０分程度だったため、乾燥蒸発工程を含めて、重量平均分子量１２０，０００のポリ乳酸を得るのに４８０分要した。このため、本発明の要に電気浸透式脱水槽を用いた本発明の重合時間は、従来の減圧脱水方式を用いた場合に比しておおよそ半分の時間で所望の分子量を有するポリ乳酸を得ることができた。
【００９１】
また、図８からわかるように本発明の方式を用いた場合、第１の乳酸重合工程（Ｔ１’）に要する重合温度は１３７℃、また、第２の乳酸重合工程（Ｔ２’）に要する重合温度は１１８℃であったため、第１の乳酸重合工程（Ｔ１）に要する重合温度が１４５℃であり、また、第２の乳酸重合工程（Ｔ２）に要する重合温度が１２３℃であった、従来の減圧脱水方式を用いた場合よりも、４〜６％ほど重合温度を低くできることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。
【図２】本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための断面図である。
【図３】本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための説明図である。
【図４】本発明のポリ乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。
【図５】本発明における重合槽及び電気脱水槽の具体的な態様を説明するための断面図である。
【図６】電気脱水槽に用いられるスタチックミキサーの構成例を示す斜視図である。
【図７】乳酸濃度と電気浸透電圧との関係を示すグラフである。
【図８】ポリ乳酸の重合反応について重合温度と重合時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 乳酸製造装置
２０ 混合装置
３０ 発酵槽
３２ 陽極
３４ 陰極
３６ 隔壁
３８ 濃縮部
４２ 排出管
４４ 供給管
４６ 循環管
５０ 乳酸貯留槽
５２ 乳酸排出管
８０ ポリ乳酸製造装置
８２ 混合装置
９０ 重合槽
９２ 乳酸重合体排出管
１００ 電気脱水槽
１０２ 陽極
１０４ 陰極
１０６ 隔壁
１０８ 脱水部
１１０ 被脱水部
１１２ グリセリン供給管
１１４ グリセリン排出管
１１６ 循環管
１２０ 筒状重合槽
１２２ 乳酸供給部
１２４ シリンダー
１２６ スクリュー
１２８ 乳酸重合体出口
１３４ 乳酸重合体導入口
１３６ ポリ乳酸排出口
１５０ 電気脱水槽
１５２ 乳酸重合体供給口
１５６ 円筒体
１５８ 筒状ポリイミド膜
１６０ スタチックミキサー
１６２ 被脱水部
１６４ 脱水部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生分解性プラスチックであるポリ乳酸の製造方法、並びに、乳酸製造装置及びポリ乳酸製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生分解性プラスチックとは、使用している間は通常のプラスチックと同様に優れた機能を発揮し、使用後は微生物によって自然環境（例えば土壌中など）で速やかに分解され、最終的には土の有機成分や水及び二酸化炭素になるプラスチックのことをいい、現在廃棄物問題等で注目を浴びている。
【０００３】
生分解性プラスチックとしては、これまでにも各種の製品が発表されている。
例えば、トウモロコシや馬鈴薯などのでんぷんを乳酸菌により発酵させて得た乳酸を脱水重合したポリ乳酸が挙げられ、農業用マルチフィルムやコンポストバッグなどに利用されている。
【０００４】
ポリ乳酸は乳酸を脱水縮重合したものであり、従来から、植物性澱粉に乳酸菌を作用させると乳酸発酵により乳酸が得られることが知られている。しかし、従来の工法によると、発酵の過程で反応液のｐＨが低下し、乳酸菌の活性が阻害されることが多く、高濃度の乳酸を効率良く得ることが困難であった。係る反応液のｐＨ低下は、植物性澱粉と乳酸菌とを作用させる際、その発酵により生じた乳酸が、発酵槽内において残存していることに起因していると推測される。
【０００５】
また、ポリ乳酸は、濃縮処理された乳酸に、触媒（例えば、酸化ルテニウム等と酸化チタンとを等量混合したもの）を適量加えて攪拌しながら加熱することにより乳酸が脱水縮重合することで得られることが知られている。この際、脱水縮重合反応において生じた水を系外に排出することが必要であり、従来から、係る水を排出する方法として水を減圧蒸散させる方法が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかし、水を減圧蒸散させる方法によると、重合反応が進むにつれて重合物の粘度が高くなることから、水の解離速度が遅くなり、効率よく脱水を行うことができないという欠点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３３５８５０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記に鑑み成されたものであり、所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で得ることのできるポリ乳酸の製造方法、並びに、高濃度乳酸を高効率で得られる乳酸製造装置、及び、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得られるポリ乳酸製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のポリ乳酸の製造方法は、植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明のポリ乳酸の製造方法（以下、「本発明の製造方法」と称する場合がある。）によれば、ポリ乳酸の生産に用いる乳酸製造過程において、電気浸透作用を利用して、発酵槽内の乳酸を、未発酵の乳酸菌及び植物性澱粉から分離することができる。従って、発酵槽内において直接乳酸の生成に係わる混合物中の乳酸濃度を低く保つことができ、前記混合物のｐＨ低下を抑制することができる。これにより、本発明の製造方法によれば高濃度の乳酸を得ることができ、これを用いることで、所望の分子量を有するポリ乳酸を効率良く製造することができる。上記「電気浸透」とは、膜など多孔性物質を通しての電位差による電気的に中性溶媒の移動をいう。
【００１１】
また、本発明の製造方法によれば、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことができる。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、電気脱水工程において、重合工程で脱水縮重合された乳酸重合体（ポリ乳酸）中に含まれる水を電気浸透によって脱水部にまで移動させることができる。これにより、乳酸重合体の重合が進み粘度が高くなった状態であっても効率よく脱水をおこなうことができる。尚、本明細書において「乳酸重合体」とは、本発明の製造方法や各装置において目的とする分子量を有するポリ乳酸に至る前の段階、即ち乳酸のオリゴマー及び所望の分子量にまだ達しないポリ乳酸を意味し、係る乳酸重合体には、乳酸の脱水縮重合反応において発生した水分が含まれている状態が含まれる。
【００１３】
本発明の製造方法においては植物性澱粉としてコーンスターチを好適に用いることができる。
【００１４】
本発明の乳酸製造装置は、少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽と、植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽に導入する原料導入手段と、を備え、前記植物性澱粉及び前記乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸と前記植物性澱粉と前記乳酸菌との混合物に直流電流を通じ、電気浸透によって前記乳酸を前記濃縮部に移動させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の乳酸製造装置は、発酵槽内の混合物に直流電流を通じることによって、電気浸透作用を利用して、発酵槽内の乳酸を未発酵の乳酸菌及び植物性澱粉から分離することができる。従って、発酵槽内において直接乳酸の生成に係わる混合物中の乳酸濃度を低く保つことができ、前記混合物のｐＨ低下を抑制することができる。これにより、本発明の乳酸製造装置によれば、高濃度の乳酸を効率よく製造することができる。また、本発明の乳酸製造装置は、前記電極の陽極を、メッシュ状に構成することができる。
【００１６】
本発明の乳酸製造装置は、前記濃縮部に移動された乳酸を排出する排出管と、前記排出管から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を外部に排出する排出手段と、を備えることができる。
【００１７】
本発明の乳酸製造装置は、発酵槽の濃縮部と乳酸貯留槽とを排出管と供給管とを介して循環させることで、より乳酸の濃度を高めることができる。
【００１８】
本発明のポリ乳酸製造装置は、乳酸が導入される乳酸導入手段と、前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とする。
【００１９】
本発明のポリ乳酸製造装置によれば、重合槽で脱水縮重合された乳酸（ポリ乳酸）中に含まれる水を電気浸透によって脱水部にまで移動させることができる。これにより、ポリ乳酸の重合が進み粘度が高くなった状態であっても効率よく脱水をおこなうことができ、所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で製造することができる。
【００２０】
また、本発明のポリ乳酸製造装置は、更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給するように構成することができる。
【００２１】
本発明のポリ乳酸製造装置は、更に発酵濃縮手段を備えることで、高濃度の乳酸を重合槽に供給することができる。また、乳酸生成工程とポリ乳酸重合工程を連続しておこなうことができ、効率よくポリ乳酸を製造することができる。
【００２２】
本発明のポリ乳酸製造装置は、前記発酵濃縮手段に、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えることができる。
【００２３】
本発明のポリ乳酸製造装置は、発酵槽の濃縮部と乳酸貯留槽とを排出管と供給管とを介して循環させることで、より乳酸の濃度を高めることができる。また、本発明の乳酸製造装置は、前記電極の陽極を、メッシュ状に構成してもよい。
【００２４】
本発明のポリ乳酸製造装置は、前記重合手段が、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、前記一方の開口部から前記他方の開口部に向けて溝幅が狭くなる螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮するように構成することができる。前記棒状回転体は、前記一方の開口部から前記他方の開口部に向けて溝幅が狭くなる螺旋状溝を有していてもよい。
【００２５】
本発明のポリ乳酸製造装置によれば、棒状回転体が回転されたときにその螺旋状溝にしたがって乳酸を中空基体の一方に設けられた乳酸供給側から他方の圧出口側に向かって熱せられながら圧送され、所望圧のもとで圧縮することができる。これにより、乳酸を効率良く加熱して脱水縮重合をおこなうことができる。
【００２６】
中空基体の内部構造は、断面が円形、楕円形、矩形、方形など任意の形状に構成することができるが、基体内部で回転する棒状回転体によって乳酸に与えられる圧力が均一になる点から断面円形とするのが好ましい。また、螺旋状溝は、中空基体に内装されたときに乳酸供給側から出口側へ螺旋ピッチ（溝幅）が次第に狭くなるように棒状回転体の一端から他端に向かって設けることができ、植物原料を圧送する。そのため、効率良く均一な圧縮が可能な点から、棒状回転体は断面が略円形の棒状体とするのが好ましい。
【００２７】
本発明のポリ乳酸製造装置は、前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えるように構成することができる。
【００２８】
本発明のポリ乳酸製造装置は、回転羽根を中空体内部を挿通する流体、すなわち重合槽において重合された乳酸重合体（ポリ乳酸）の流れによる流体圧を受けて回転する構造（例えば、流れ方向の力を受けて回転するように捻りを付けた羽根状のステーター等）が望ましく、駆動部を接続せずに連続攪拌することができる。この回転羽根は、隣接する複数個が流体の挿通方向を回転軸として相互に逆回転（即ち、交互に逆方向に回転）するように設けることができるので、乳酸重合体を攪拌することで、電気浸透により、水を分離しやすくすることができる。その結果、脱水効率の低下を伴なうことなく、脱水装置を小型化することもできる。回転羽根は、電源と接続されたモータや磁力によって回転するように構成してもよい。また、中空体の内部構造は、乳酸重合体等を挿通し得るように構成され、断面が円形、楕円形、矩形、方形など任意形状に構成することができ、特に断面円形の中空体が好ましい。
【００２９】
また、上記の回転羽根に電源を接続して、前記電気脱水手段における電極の陽極として機能させることが好ましい。これにより、回転羽根の攪拌に伴って、乳酸重合体に混在する水が陽極に接しやすくなり、より高効率で脱水を行うことができる。
【００３０】
本発明の乳酸製造装置及びポリ乳酸製造装置において用いられる植物澱粉としては、コーンスターチを好適に用いることができる。本発明における植物性澱粉は、いずれのものでも用いることができるが、作業効率、入手容易性、得られるポリ乳酸の品質等の観点から、コーンスターチを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、所望の分子量を有するポリ乳酸を高効率且つ短時間で得ることのできるポリ乳酸の製造方法、並びに、高濃度乳酸を高効率で得られる乳酸製造装置、及び、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得られるポリ乳酸製造装置を提供することができる。
また、本発明のポリ乳酸の製造方法、乳酸製造装置及びポリ乳酸製造装置を用いることで、乳酸の生成からポリ乳酸の重合までを連続的に行うことが可能であり、また、設備の小型化、低価格化、操作の簡便化及び製造コストの低減を図ることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、下記においては植物性澱粉としてコーンスターチを用いた場合を中心に説明するが、本発明はこれら実施の形態に制限されるものではない。
【００３３】
本発明のポリ乳酸の製造方法は、コーンスターチと乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成しそれを濃縮する発酵濃縮工程と、得られた乳酸を重合する重合工程とに大別される。以下、各工程において、本発明の乳酸製造装置とポリ乳酸製造装置とを用いた場合を例に説明する。
【００３４】
＜発酵濃縮工程＞
図１〜３を用いて本発明の乳酸製造装置について説明する。図１は、本発明の乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。図１に示すように、本発明の乳酸製造装置１０は、混合装置２０と、発酵槽３０と、乳酸貯留槽５０とを備えて構成される。乳酸製造装置１０は、混合装置２０において混合されたコーンスターチと乳酸菌とを含む混合物を、発酵槽３０にて発酵して乳酸を生成し、生成した乳酸を他の混合物から分離し、乳酸貯留槽５０との間で循環して濃縮することで、高濃度の乳酸を得るものである。
【００３５】
混合装置２０は、特に限定されず攪拌機等公知の混合手段を備えた装置である。係る混合装置２０には、コーンスターチ及び乳酸菌の他に水やその他酵素等の添加物などが供給される。この際、混合物中におけるコーンスターチ（ｘ）と乳酸菌（ｙ）との混合比（質量比ｘ：ｙ）は１，０００：０．１〜１，０００：１０が好ましく、１，０００：０．５〜１，０００：５が更に好ましい。また、コーンスターチは予め糖化処理等を加えた後に乳酸菌と混合するように構成してもよい。前記添加物としては、食塩、炭酸カルシウム、各種酵素等が挙げられる。この際、前記炭酸カルシウムの含有量としては、混合物に対して０．５〜１質量％程度が好ましい。混合装置２０は、供給されたコーンスターチ等を混合して混合物とし、該混合物を発酵槽３０に導入する。
【００３６】
発酵槽３０には、陽極３２と陰極３４とからなる少なくとも一対の電極が内装されており、これら電極は図示を省略する電源に接続されている。また、発酵槽３０の槽内は陽極３２と陰極３４との間を隔てるように隔壁３６で仕切られており、隔壁３６を境に、陰極３４が備えられている側には濃縮部３８が、また、陽極３２が備えられている側には発酵部４０が設けられている。混合装置２０から供給される混合物は発酵部４０に導入される。また、発酵槽３０を構成する材質としては、特に限定はないが、防錆性の観点からチタン（Ｔｉ）が好ましい。
【００３７】
陽極３２及び陰極３４は、プラチナ（Ｐｔ）などの貴金属で構成されていることが好ましく、チタン（Ｔｉ）にプラチナをメッキしたものや、この表面にルテニウムを添着したもの等を好適に用いることができる。上記電極は、例えば、チタン（Ｔｉ）板材にプラチナ（Ｐｔ）を圧延添着した後、ルテニウム（Ｒｕ）を電気メッキし、これを酸素雰囲気中で焼成することで得ることができる。また、上記電極は、チタン板材にプラチナを電気メッキして酸素雰囲気中で焼成することで得ることもできる。尚、焼成温度はいずれも６５０〜７００℃程度が好ましい。
【００３８】
陽極３２及び陰極３４は図示を省略する電源に接続されており、係る電源から電流を供給することで発酵部４０内の混合物に直流電流を通じさせることができる。このように、発酵部４０内の混合物に直流電流を通じると、電気浸透作用により、液体である乳酸や水を陽極３２側から陰極３４側に向かう方向（図１における矢印Ａ）に移動させることができる。
【００３９】
隔壁３６は、混合物中の液体（乳酸）が通過でき、コースターチ等の固体物の通過を抑制することができるものであれば、いずれの構造であってもよく、例えば、メッシュ状にすることができる。また、隔壁３６を構成する材料としては、乳酸等に対してある程度の耐性を有するものであれば特に制限なく用いることができるが、耐錆性の観点からチタン（Ｔｉ）が好ましい。また、後述するように隔壁３６自体を、陽極３２を構成する金属で形成し、係る隔壁３６自体を陽極３２とすることもできる。この場合、隔壁３６によって濃縮部３８と隔てられる空間が発酵部となる。更に、ポリイミド膜等も適宜用いることができる。
【００４０】
濃縮部３８は、発酵槽３０内を隔壁３６で仕切ることによって形成されており、陰極３４が備えられている側に設けられる。濃縮部３８には、電気浸透作用によって隔壁３６を通過してきた乳酸が貯留される。以下、隔壁３６を通過し濃縮部にまで移動した乳酸を「高濃度乳酸」と称する。また、濃縮部３８には、排出管４２の一端と供給管４４の一端とが接続されており、乳酸貯留槽５０と間において高濃度乳酸を循環することができるように構成されている。
【００４１】
発酵槽３０の発酵部４０には、循環管４６の一端が接続されている。また、循環管４６の他端は混合装置２０に接続されており、発酵部４０内の反応未寄与のコーンスターチ（澱粉）や乳酸菌等を混合装置２０に再び供給し、再利用できるように構成されている。更に、発酵部４０には、図示を省略する排出口が設けられており、発酵後のコーンスターチ等の発酵残渣を措置外に排出できるように構成されている。尚、本実施の形態においては、混合物を混合装置２０と発酵部４０との間で循環させる態様としたが、係る循環態様は任意である。
【００４２】
乳酸貯留槽５０は、発酵槽３０において発酵・分離された高濃度乳酸が供給され該高濃度乳酸を貯留できるように構成される。また、乳酸貯留槽５０には、排出管４２の一端と供給管４４の一端とがそれぞれ接続されており、高濃度乳酸を発酵槽３０の濃縮部３８と間で循環できるようになっている。このように、濃縮部３８と乳酸貯留槽５０との間を、高濃度乳酸を循環させることで、より濃縮された乳酸を得ることができる。尚、本実施の形態においては、高濃度乳酸を濃縮部３８と乳酸貯留槽５０との間で循環させる態様としたが、係る循環態様は任意である。
【００４３】
乳酸貯留槽５０には、乳酸排出管５２が接続されており、乳酸貯留槽５０に貯留された高濃度乳酸を装置外に排出できるように構成されている。
【００４４】
本発明の乳酸製造装置における乳酸製造の流れについて説明する。まず、乳酸菌、コーンスターチ及び水等は、混合装置２０に供給され混合された後、発酵槽３０の発酵部４０に導入される。発酵部４０内は、温度がおおよそ４０℃程度、混合物のｐＨが５〜６程度に保たれており、数時間かけて発酵される。この際、発酵部４０内の混合物は、混合装置２０との間で例えば毎分１０質量％で循環されている。
【００４５】
発酵部４０内で混合物が発酵されている際、該混合物には陽極３２と陰極３４とによって直流電流が通じられている。この際の直流電圧としては、電極により生成される遊離塩酸イオン等による乳酸菌の活性阻害を防止する観点から、１．０〜４．０Ｖが好ましく、１．２〜３．０Ｖが更に好ましい。すると、発酵により生成した乳酸は、電気浸透作用により、電流方向（図１の矢印Ａの方向）に移動し、隔壁３６を通過して濃縮部３８において貯留される。この際、水も濃縮部３８に移動するが、乳酸の移動速度の方が早いため、乳酸が濃縮されていくことになる。また、発酵部４０内で一定量の発酵残渣がたまった場合には、図示を省略する排出口から発酵残渣を排出する。
【００４６】
濃縮部３８に貯留された高濃度乳酸は、乳酸貯留槽５０との間で循環され、更に濃縮された後、乳酸排出管５２から高濃度乳酸を得ることができる。尚、高濃度乳酸の循環は、濃度センサーを設け、一定の濃度以上となった際に乳酸を排出するようにしてもよいし、一定時間循環させた後に乳酸を排出するような構成としてもよい。
【００４７】
次に、図２及び３を用いて本発明の乳酸製造装置に用いられる発酵槽の具体的な態様について説明する。図２は、本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための断面図であり、図３、本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための説明図である。
【００４８】
図２に示すように、本発明における発酵槽は、筒状に形成することができる。また、図３に示すように筒状発酵槽６０の内部には、内壁に沿って筒状の陰極６２が設けられており、更に、その内側には、メッシュ構造を有する筒状の陽極隔壁６４が備えられている。係る態様においては、図２及び３で示されるように陰極６２と陽極隔壁６４とで囲まれる空間が濃縮部６６となり、陽極隔壁のみで囲まれている空間が発酵部６８となる。
【００４９】
筒状発酵槽６０には、更に、原料供給口７０と循環液供給口７２とが設けられている。原料供給口７０は発酵部６８と通じており、原料（混合物）を発酵部６８に導入できるように構成されている。また、発酵部６８内の混合物は一定の割合で原料排出口７４から排出され図１における混合装置２０に戻られるようになっている。これにより、発酵部６８内で反応に寄与しなかったコーンスターチ等を混合物に混入することで再利用することができる。また、循環液供給口７２は、図１における乳酸貯留槽５０と濃縮部６６との間で高濃度乳酸を循環させるために設けられており、循環液供給口７２から供給された高濃度乳酸は濃縮部６６から新たに発酵部６８から濃縮部６６にまで移動した乳酸と共に乳酸排出口７６から図１における乳酸貯留槽５０に送られる。
【００５０】
筒状発酵槽６０においては、筒状の陽極隔壁６４内の発酵部６８においてコーンスターチと乳酸菌との発酵により生成した乳酸は、これらを含む混合物に陰極６２及び陽極隔壁６４から直流電流が流されると、発酵部６８から濃縮部６６に向かって移動する。これにより、混合物から乳酸を分離することができる。このように、発酵槽を筒状に構成することで、効率よく、乳酸の分離・濃縮をおこなうことができる。
【００５１】
また、上記においては、発酵槽を一つのみ用いる態様としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、複数の発酵槽を連結したものであってもよい。
【００５２】
＜重合工程＞
次に図４〜６を用いて本発明のポリ乳酸製造装置について説明する。図４は、本発明のポリ乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。図４に示すように本発明のポリ乳酸製造装置８０は、混合装置８２と、重合槽９０と、電気脱水槽１００とを備えて構成される。ポリ乳酸製造装置８０は、混合装置８２において乳酸と共に触媒を混合し、該混合物を重合槽９０にて加熱して脱水縮重合し、更に、電気脱水槽１００において電気浸透作用によって脱水することで、所望のポリ乳酸を得ることができる。本発明のポリ乳酸製造装置８０は、重合槽９０と電気脱水槽１００とが循環管１１６で連結されており、予め定められた回数や時間、重合・乾燥を繰り返すことで、所望の分子量を有するポリ乳酸を得ることができる。
【００５３】
混合装置８２は、特に限定されず攪拌機等公知の混合手段を備えた装置である。係る混合装置８２には、乳酸と触媒とが供給される。この際、混合物中における乳酸（ｑ）と触媒（ｗ）との混合比（質量比ｑ：ｗ）は１００：１〜１００：１０が好ましく、１００：３〜１００：５が更に好ましい。前記触媒としては、乳酸の脱水縮重合に用いられる触媒であれば特に限定なく用いることができ、例えば、酸化ルテニウム及び酸化チタンを質量比５０質量％で混合したものが好ましい。また、前記触媒の重量平均体積粒径としては０．１〜１μｍ程度が好ましい。混合装置８２は、供給された乳酸と触媒とを混合して混合物とし、該混合物を重合槽９０に導入する。
【００５４】
重合槽９０は、混合装置８２から供給された乳酸と触媒との混合物を加熱することで脱水縮重合を行う。重合槽９０において、乳酸は２段階の乳酸重合工程を経て所望の分子量を有するポリ乳酸とすることができる。第１の乳酸重合工程は、乳酸からオリゴマーを合成する工程であり、この際の加熱温度はおおよそ、１１０〜１６０℃程度が好ましく、１３０〜１５０℃程度が更に好ましい。また、第２の乳酸重合工程は、オリゴマーを連結して所望の分子量を有するポリ乳酸を合成する工程であり、その際の加熱温度はおおよそ１１０〜１４０℃程度であり、１１５〜１２０℃程度が更に好ましい。
【００５５】
また、重合槽９０は、後述のように重合効率を向上させるために攪拌手段を用いて攪拌しながら、乳酸を加熱し、重合反応を進めることが好ましい。
【００５６】
重合槽９０には、一定時間加熱され脱水縮重合した乳酸重合体（オリゴマーや所望の分子量にまで達しないポリ乳酸や水を含む）を電気脱水槽１００に供給するための乳酸重合体排出管９２が設けられている。
【００５７】
電気脱水槽１００には、陽極１０２と陰極１０４とからなる少なくとも一対の電極が内装されており、これら電極は図示を省略する電源に接続されている。また、電気脱水槽１００の槽内は陽極１０２と陰極１０４との間を隔てるように隔壁１０６で仕切られており、隔壁１０６を境に、陰極１０４が備えられている側には脱水部１０８が、また、陽極１０２が備えられている側には被脱水部１１０が設けられている。重合槽９０から供給される混合物は被脱水部１１０に導入される。
【００５８】
陽極１０２及び陰極１０４は、プラチナ（Ｐｔ）などの貴金属で構成されていることが好ましく、チタン（Ｔｉ）にプラチナをメッキしたものや、この表面にルテニウムを添着したもの等を好適に用いることができる。陽極１０２及び陰極１０４は図示を省略する電源に接続されており、係る電源から電流を供給することで被脱水部１１０内の乳酸重合体に直流電流を通じさせることができる。このように、被脱水部１１０内の乳酸重合体に直流電流を通じると、電気浸透作用により、乳酸重合体中に含まれる水を陽極１０２側から陰極１０４側に向かう方向（図４における矢印Ｂ）に移動させることができる。
【００５９】
隔壁１０６は、混合物中の水が通過でき、ポリ乳酸等の固体物の通過を抑制することができるものであれば、いずれの構造であってもよく、例えば、メッシュ状にすることができる。また、隔壁３６を構成する材料としては、乳酸等に対してある程度の耐性を有するものであれば特に制限なく用いることができる。また、隔壁１０６自体を、陽極１０２を構成する金属で形成し、係る隔壁３６自体を陽極１０２とすることもできる。この場合、隔壁１０６によって脱水部１０８と隔てられる空間が被脱水部となる。更に、ポリイミド膜等も適宜用いることができる。
【００６０】
脱水部１０８は、電気脱水槽１００内を隔壁１０６で仕切ることによって形成されており、電気脱水槽１００の陰極１０４が備えられている側に設けられる。脱水部１０８にはグリセリン供給管１１２と、グリセリン排出管１１４とが接続されており、脱水部１０８内をグリセリンが循環するように構成されている。被脱水部１１０から脱水部１０８にまで移動した水分は無水グリセリンに吸収されて含水グリセリンとして脱水部１０８から排出される。脱水部１０８から排出された含水グリセリンは例えば減圧蒸留等の公知の手段により水分が除去されて無水グリセリンとして再利用される。
【００６１】
電気脱水槽１００の被脱水部１１０には、循環管１１６の一端が接続されている。また、循環管１１６の他端は重合槽９０に接続されており、被脱水部１１０内のポリ乳酸が所望の分子量になるまで重合槽９０及び電気脱水槽１００間を循環するように構成されている。更に、被脱水部１１０には、図示を省略する排出口が設けられており、所望の分子量に達したポリ乳酸を措置外に排出できるように構成されている。尚、上記排出口は重合槽に設けられていてもよい。重合槽９０及び電気脱水槽１００を構成する材質としては特に限定はないが、防錆性の点からチタン（Ｔｉ）であることが好ましい。
【００６２】
本発明のポリ乳酸製造装置におけるポリ乳酸製造の流れについて説明する。まず、乳酸及び触媒は、混合装置８２に供給され混合された後、電気脱水槽１００の被脱水部１１０に導入される。被脱水部１１０に導入された乳酸は、重合槽９０内で脱水縮重合された後、電気脱水槽１００で脱水され、係る工程を所望の回数や一定時間繰り返すことにより目的とするポリ乳酸が得られる。係る工程を繰り返す回数や時間は、目的とするポリ乳酸の分子量を考慮して適宜設定することができる。この際、重合槽９０と電気脱水槽１００との間は、例えば毎分１０質量％で循環されている。
【００６３】
重合槽９０内の温度は上述の第１の乳酸重合工程と第２の乳酸重合工程とで異なる。この際、重合槽９０内の温度の切り替えは、予め定めた回数や時間によって切り替えるようにすることができる。また、本発明においては第１の乳酸重合工程を行う前に、１１０〜１２０℃程度において乳酸内の水分を蒸発させる工程を経ることが好ましい。
【００６４】
電気脱水槽１００内において乳酸重合体には陽極１０２と陰極１０４とによって直流電流が通じられている。この際の直流電圧としては３．０〜６．０Ｖ程度が好ましく、４．０〜５．０Ｖが更に好ましい。すると、乳酸の重合反応により生成した水分は、電気浸透作用により、電流方向（図４の矢印Ｂの方向）に移動し、隔壁１０６を通過して脱水部１０８にまで移動する。また、所望の回数又は時間、重合槽９０と電気脱水槽間循環することで、所望の分子量にまで合成されたポリ乳酸を得ることができる。
【００６５】
次に、図５を用いて本発明のポリ乳酸製造装置に用いられる重合槽及び電気脱水槽の具体的な態様について説明する。図５は、本発明における重合槽及び電気脱水槽の具体的な態様を説明するための断面図である。
【００６６】
図５に示すように筒状重合槽１２０は、乳酸供給部１２２が設けられた中空のシリンダー（中空基体）１２４の内部に、乳酸供給部１２２が設けられた一方の側から他方の側（即ち、スクリュー先端側）に向けて螺旋状溝を有するスクリュー（棒状回転体）１２６を内装して構成され、さらに乳酸供給部１２２が設けられていないシリンダー１２４の他方（スクリュー先端側）には乳酸重合体出口１２８が設けられており、スクリュー１２６を回転させることによって乳酸を加熱すると共に攪拌しながら乳酸重合体出口１２８から重合された乳酸重合体を移送できるようになっている。乳酸重合体出口１２８から排出された乳酸重合体は電気脱水槽１５０に導入される。また、スクリュー１２６の乳酸供給部１２２が設けられた側には、モータ（駆動手段）１３０が設けられ、スクリュー１２６は図示しない原動歯車及び従動歯車を有する減速ギアを介在させてモータ１３０と接続されて電源（不図示）からの電力供給を受けて回転可能なようになっている。
【００６７】
シリンダー内でスクリュー１２６が回転することによって、供給された乳酸は第１及び第２の乳酸重合工程に応じた温度で脱水縮重合される。シリンダー１２４の外側には、シリンダー壁を介して内部を加熱するための電気ヒーター１３２がシリンダー周囲を覆うように設けられ、シリンダー内部の加熱を均一に行なえるようになっている。
【００６８】
また、筒状重合槽１２０には、電気脱水槽１５０において脱水された乳酸重合体が導入される乳酸重合体導入口１３４が設けられており、電気脱水槽１５０との間でポリ乳酸が循環可能なように構成されている。
【００６９】
図５において、電気脱水槽１５０は、乳酸重合体出口１２８に接続された配管を介して筒状重合槽１２０に連通されている。電気脱水槽１５０は、図５に示すように、一端に乳酸重合体供給口１５２を有し、且つ、他端に脱水物排出口１５４を有する円筒体１５６と、円筒体１５６の内部に設けられた円筒状の筒状ポリイミド膜１５８と、筒状ポリイミド膜１５８の内部に挿通方向（図４中の矢印方向Ｃ）と平行な軸心を回転軸として交互に逆回転するように捻り羽根が隣接して３段配置されたスタチックミキサー１６０と、から構成されており、乳酸重合体供給口１５２から供給された乳酸重合体を挿通させながら順次逆回流させて混練して脱水処理を行なうようになっている。また、円筒体１５６の壁面はチタン（Ｔｉ）で構成されている。
【００７０】
円筒体１５６の内部に設けられる筒状ポリイミド膜１５８は目の細かいメッシュ構造を有しており、乳酸重合体と水とのうち、水のみを透過させるようになっている。円筒体１５６の内部は、筒状ポリイミド膜１５８を境にして、筒状ポリイミド膜内部が被脱水部１６２となり、筒状ポリイミド膜１５８の外側に脱水部１６４が形成されている。
【００７１】
また、円筒体１５６の壁面には、脱水部１６４に無水グリセリンを供給するためのグリセリン供給口１６６と、脱水部内部の含水グリセリンを排出するためのグリセリン排出口１６５とが設けられており、脱水部１６４内をグリセリンが循環するように構成されている。
【００７２】
電気脱水槽１５０において、スタチックミキサー１６０と円筒体１５６の壁面とにはそれぞれ図示を省略する電源が接続されており、スタチックミキサー１６０が陽極電極を構成し、円筒体１５６が陰極電極を構成している。このため、筒状重合槽１２０から導入された混合物に電流が流されると、電気浸透作用により、乳酸重合物から解離した水分が円筒体１５６の内側から外側に向かう方向に移動する。円筒体１５６の内側から外側に向かって移動した水分は、筒状ポリイミド膜１５８を透過して、脱水部１６４に移動する。脱水部１６４には無水グリセリンが供給されており、筒状ポリイミド膜１５８を透過した水分は、無水グリセリンに吸収され、含水グリセリンととなって電気脱水槽１５０外に排出される。電気脱水槽１５０外に排出された含水グリセリンは系外にて例えば減圧蒸留等の適当な手段により水分が除去され、無水グリセリンとして再びグリセリン供給口１６６から供給される。
【００７３】
電気脱水槽１５０の陽極電極となるスタチックミキサー１６０は、例えば図６に示すようにチタン（Ｔｉ）にプラチナ（Ｐｔ）をメッキし、さらにその表面にルテニウム（Ｒｕ）を添着したメッキ板を、左捻り又は右捻り（例えば捻り角度９０°）した捻り羽根１６０ａ〜１６０ｃが３段階隣接した構成を有する。スタチックミキサー１６０は、乳酸重合物が円筒体１５６の内部を挿通するときに矢印方向Ｃの流体圧を受けて捻りの向きにしたがって回転するようになっている。電気脱水槽１５０内にこのような構成のスタチックミキサー１６０を設けることで、乳酸重合体中の水分が陽極に接しやすく、効率的に電気浸透作用を発揮することができ、乳酸重合体の脱水効率を高めることができる。
【００７４】
また、電気脱水槽１５０において脱水された乳酸重合体は、所望の回数又は時間等所望の分子量となるまで、筒状重合槽１２０と電気脱水槽１５０との間を循環させられる。電気脱水槽１５０内で脱水された乳酸重合体は、脱水物排出口１５４から排出され、再び、筒状重合槽１２０に導入される。
【００７５】
このように所望の分子量となるように予め定められた回数又は時間、筒状重合槽１２０及び電気脱水槽１５０間を循環した乳酸重合体は、所望の分子量を有するポリ乳酸として筒状重合槽１２０のポリ乳酸排出口１３６から排出される。このように本発明のポリ乳酸重合装置を用いると、従来の減圧脱水方式を用いた場合に比して、低エネルギー且つ約半分の時間で所望の分子量を有するポリ乳酸を製造することができる。所望の分子量を有するポリ乳酸の合成が短時間及び低エネルギーでおこなうことができ、高効率且つ短時間で十分な分子量を有するポリ乳酸を得ることができる。
【００７６】
このように、本発明のポリ乳酸製造装置によれば、乳酸の生成からポリ乳酸の重合まですべて、連続的に実施することも可能であり、設備の小型化、低コスト化、操作の簡便化、及び、製造コストの低減化が可能となる。また、上記においては、重合槽及び電気脱水槽をそれぞれ一つのみ用いる態様としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、複数の重合槽や電気脱水槽を連結したものであってもよい。
【実施例】
【００７７】
以下、実施例において本発明をより具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７８】
［実施例１］
１．乳酸の生成
図２及び３に示す筒状の発酵槽を有する乳酸製造装置を用いて乳酸を下記の手順に従って生成した。
【００７９】
（１）原料懸濁液の調製
コーンスターチ（３０質量部）と、食塩（０．５質量部）と、水（６９．５質量部）とを、混合装置を用いて１５０ｒｐｍで５分間攪拌し、原料懸濁液を調製した。
【００８０】
（２）液化澱粉の調製
上記より得られた原料懸濁液を９５℃で１５分間蒸煮して、糊化澱粉を調製した。得られた糊化澱粉（９９．４質量部）と、炭酸カルシウム（０．５質量部）と澱粉液化酵素（商品名：コクゲンＴ、大和化成（株）製）（０．１質量部）とを、酢酸でｐＨ調製したのち（ｐＨ＝６〜７）、混合装置にて３０ｒｐｍで１０分間、温度９０℃で攪拌した。得られた混合物を、更に６０分間、温度９０℃及びｐＨ６〜７で放置し、液化澱粉を調製した。
【００８１】
（３）糖化澱粉の調製
上記より得られた液化澱粉（９９．９質量部）を７０℃以下にまで冷却した後、澱粉枝切酵素（商品名：クライスターゼＰＬ、大和化成（株）製）（０．１質量部）を加え、酢酸にてｐＨ調製したのち（ｐＨ＝５〜６）、混合装置にて５０ｒｐｍで１０分間、温度６５℃で攪拌した。得られた混合物を、更に６０分間、温度６５℃及びｐＨ５〜６で放置し、糖化澱粉を調製した。
【００８２】
（４）乳酸の生成
上記より得られた糖化澱粉（９９．９質量部）を４５℃以下にまで冷却した後、乳酸菌（０．１質量部）を加え、混合装置Ａにて１５０ｒｐｍで１０分間、温度４５℃で攪拌した。この際、混合物のｐＨは５〜６であった。
【００８３】
得られた混合物を図２及び３に示す発酵槽に導入した。直流電流を通じながら発酵を行い、２０質量％の乳酸が得られた。この際、発酵条件は、温度：４０℃、ｐＨ：５〜６、反応時間２４０分、電気浸透電圧：直流２．４Ｖであった。また、混合物は、発酵槽と混合装置Ａとの間を、毎分１０質量％で循環させた。
【００８４】
《評価》
上記１．と同条件にて得られた糖化澱粉１ｋｇに、乳酸菌１ｇを添加し、実施例１と同様の発酵槽を用いて４０℃における電気浸透電極間に加える電圧と生成される乳酸の濃度との関係について測定した。この際、電気浸透電圧を０Ｖ、１．２Ｖ、２．４Ｖ及び３．６Ｖとしてそれぞれ測定した。結果を図７に示す。
図７は、乳酸濃度と電気浸透電圧との関係を示すグラフである。図７からわかるように、電極間に電流を流さないとき（０Ｖ）は、乳酸濃度が５．６質量％以上になることはなかったが、電気浸透電圧を１．２Ｖに変更した場合には、８時間後に１６．３質量％にまで濃度が向上した。更に、電気浸透圧を２．４Ｖに変更した場合には、８時間後の乳酸濃度が２４．５質量％にまで向上した。これに対し、電気浸透電圧を３．６Ｖに変更した場合には、得られる乳酸の濃度が１４質量％程度であった。この結果、上記電気浸透電圧としては、１．２〜３．０Ｖの間が好ましいことがわかる。
【００８５】
２．ポリ乳酸の合成
図５に示す筒状の重合槽及び電気脱水槽を有する乳酸製造装置を用いて乳酸を下記の手順に従って生成した。
【００８６】
（１）乾燥工程
上述より得られた濃度２０％の乳酸９９．５質量部と触媒（酸化ルテニウムと酸化チタンとを質量比５０質量％で混合したもの）０．５質量部と、を混合装置を用いて１５０ｒｐｍで１０分間攪拌した。この際、混合物のｐＨは３．５〜４程度であり、温度は９０℃であった。次いで得られた混合物を１１０〜１２０℃で０．５時間蒸発乾燥した。この際、乳酸の濃度はおおよそ６０質量％であった。
【００８７】
（２）重合・脱水工程
得られた乳酸と触媒との混合物を、図５に示す重合槽と電気脱水槽とを用いて、毎分１０質量％で重合槽及び電気脱水槽間を循環させながら、２４０分間重合・脱水を行った。この際、電気脱水槽においては電極間の電気浸透電圧４．８Ｖで直流電流をポリ乳酸に通じさせ、脱水を行った。また、重合槽の温度は、始めの９０分間は１４０〜１４５℃とし、残りの１５０分間を１１５〜１２０℃とした。得られたポリ乳酸の重量平均分子量をＤＳＣで測定したところ１２０，０００であった。
【００８８】
《評価》
乳酸の重合・脱水工程について、上記２．と同様の手法を用いた本発明による方式（初期乳酸温度：６０質量％、電気浸透電圧４．８Ｖ、終点ポリ乳酸質量分子量：１２０，０００、図５に示す重合槽及び電気脱水槽を使用）と、特開２００３−３３５８５０公報に記載の従来の減圧脱水法による方式（初期乳酸濃度：６０質量％、減圧真空度：０．０８（ＭＰａ）、終点ポリ乳酸重量平均分子量：１２０，０００）との比較を行った。結果を図８に示す。図８は、ポリ乳酸の重合反応について重合温度と重合時間との関係を示すグラフである。
【００８９】
図８からわかるように電気浸透式脱水槽を用いた本発明による方式によって重合・脱水をおこなった場合、第１の乳酸重合工程に要した時間（Ｔ１’）は、おおよそ２０分程度であり、第２の乳酸重合工程に要した時間（Ｔ２’）は、おおよそ１６０分程度であったため、乾燥蒸発工程を含めて２４０分ほどで、重量平均分子量１２０，０００のポリ乳酸を得ることができた。
【００９０】
これに対し、従来の減圧脱水法による方式を用いて重合及び脱水をおこなった場合、第１の乳酸重合工程に要する時間（Ｔ１）は、おおよそ３０分程度であり第２の乳酸重合工程に要した時間（Ｔ２）はおおよそ３９０分程度だったため、乾燥蒸発工程を含めて、重量平均分子量１２０，０００のポリ乳酸を得るのに４８０分要した。このため、本発明の要に電気浸透式脱水槽を用いた本発明の重合時間は、従来の減圧脱水方式を用いた場合に比しておおよそ半分の時間で所望の分子量を有するポリ乳酸を得ることができた。
【００９１】
また、図８からわかるように本発明の方式を用いた場合、第１の乳酸重合工程（Ｔ１’）に要する重合温度は１３７℃、また、第２の乳酸重合工程（Ｔ２’）に要する重合温度は１１８℃であったため、第１の乳酸重合工程（Ｔ１）に要する重合温度が１４５℃であり、また、第２の乳酸重合工程（Ｔ２）に要する重合温度が１２３℃であった、従来の減圧脱水方式を用いた場合よりも、４〜６％ほど重合温度を低くできることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。
【図２】本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための断面図である。
【図３】本発明における発酵槽の具体的な態様を説明するための説明図である。
【図４】本発明のポリ乳酸製造装置の構成を概念的に示す概略図である。
【図５】本発明における重合槽及び電気脱水槽の具体的な態様を説明するための断面図である。
【図６】電気脱水槽に用いられるスタチックミキサーの構成例を示す斜視図である。
【図７】乳酸濃度と電気浸透電圧との関係を示すグラフである。
【図８】ポリ乳酸の重合反応について重合温度と重合時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 乳酸製造装置
２０ 混合装置
３０ 発酵槽
３２ 陽極
３４ 陰極
３６ 隔壁
３８ 濃縮部
４２ 排出管
４４ 供給管
４６ 循環管
５０ 乳酸貯留槽
５２ 乳酸排出管
８０ ポリ乳酸製造装置
８２ 混合装置
９０ 重合槽
９２ 乳酸重合体排出管
１００ 電気脱水槽
１０２ 陽極
１０４ 陰極
１０６ 隔壁
１０８ 脱水部
１１０ 被脱水部
１１２ グリセリン供給管
１１４ グリセリン排出管
１１６ 循環管
１２０ 筒状重合槽
１２２ 乳酸供給部
１２４ シリンダー
１２６ スクリュー
１２８ 乳酸重合体出口
１３４ 乳酸重合体導入口
１３６ ポリ乳酸排出口
１５０ 電気脱水槽
１５２ 乳酸重合体供給口
１５６ 円筒体
１５８ 筒状ポリイミド膜
１６０ スタチックミキサー
１６２ 被脱水部
１６４ 脱水部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部とを有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、
を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。
【請求項２】
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリ乳酸の製造方法。
【請求項３】
前記植物性澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリ乳酸の製造方法。
【請求項４】
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽と、
植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽に導入する原料導入手段と、
を備え、前記植物性澱粉及び前記乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸と前記植物性澱粉と前記乳酸菌との混合物に直流電流を通じ、電気浸透によって前記乳酸を前記濃縮部に移動させることを特徴とする乳酸製造装置。
【請求項５】
前記濃縮部に移動された乳酸を排出する排出管と、前記排出管から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を外部に排出する排出手段と、を備えた請求項４に記載の乳酸製造装置。
【請求項６】
前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項４又は５項に記載の乳酸製造装置。
【請求項７】
前記電極の陽極が、メッシュ状であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の乳酸製造装置。
【請求項８】
乳酸が導入される乳酸導入手段と、
前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、
を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とするポリ乳酸製造装置。
【請求項９】
更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、
前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給することを特徴とする請求項８に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１０】
前記発酵濃縮手段は、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えた請求項９に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１１】
前記重合手段は、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、
前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１２】
前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１３】
前記回転羽根が、前記電気脱水手段における前記電極の陽極を構成することを特徴とする請求項１２に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１４】
前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部とを有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。
【請求項２】
乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。
【請求項３】
前記植物性澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリ乳酸の製造方法。
【請求項４】
乳酸が導入される乳酸導入手段と、
前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、
を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とするポリ乳酸製造装置。
【請求項５】
更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、
前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給することを特徴とする請求項４に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項６】
前記発酵濃縮手段は、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えた請求項５に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項７】
前記重合手段は、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、
前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項８】
前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項９】
前記回転羽根が、前記電気脱水手段における前記電極の陽極を構成することを特徴とする請求項８に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１０】
前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１】
植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部とを有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させてポリ乳酸を合成する重合工程と、
を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。
【請求項２】
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリ乳酸の製造方法。
【請求項３】
前記植物性澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリ乳酸の製造方法。
【請求項４】
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた濃縮部を有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽と、
植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽に導入する原料導入手段と、
を備え、前記植物性澱粉及び前記乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸と前記植物性澱粉と前記乳酸菌との混合物に直流電流を通じ、電気浸透によって前記乳酸を前記濃縮部に移動させることを特徴とする乳酸製造装置。
【請求項５】
前記濃縮部に移動された乳酸を排出する排出管と、前記排出管から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を外部に排出する排出手段と、を備えた請求項４に記載の乳酸製造装置。
【請求項６】
前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項４又は５項に記載の乳酸製造装置。
【請求項７】
前記電極の陽極が、メッシュ状であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の乳酸製造装置。
【請求項８】
乳酸が導入される乳酸導入手段と、
前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、
を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とするポリ乳酸製造装置。
【請求項９】
更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、
前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給することを特徴とする請求項８に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１０】
前記発酵濃縮手段は、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えた請求項９に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１１】
前記重合手段は、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、
前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１２】
前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１３】
前記回転羽根が、前記電気脱水手段における前記電極の陽極を構成することを特徴とする請求項１２に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１４】
前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物性澱粉と乳酸菌とを発酵させて乳酸を生成し、前記乳酸を脱水縮重合させてポリ乳酸を合成するポリ乳酸の製造方法であって、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた濃縮部とを有し、且つ、前記濃縮部が前記電極の陰極側に設けられた発酵槽内で、前記植物性澱粉と前記乳酸菌と前記乳酸とを含有する混合物に直流電流を通じ、前記乳酸を電気浸透によって前記濃縮部に移動させ貯留する発酵濃縮工程と、
前記濃縮部に貯留された前記乳酸が供給される重合槽内で、前記乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。
【請求項２】
乳酸を加熱し脱水縮重合させて乳酸重合体を合成する重合工程と、
少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られた脱水部とを有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水槽内で、前記重合工程において脱水縮重合した乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させる電気脱水工程を含むことを特徴とするポリ乳酸の製造方法。
【請求項３】
前記植物性澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリ乳酸の製造方法。
【請求項４】
乳酸が導入される乳酸導入手段と、
前記乳酸導入手段から導入された乳酸を加熱して脱水縮重合させる重合手段と、
少なくとも一対の電極、隔壁及び前記隔壁によって仕切られた脱水部を有し、且つ、前記脱水部が前記電極の陰極側に設けられた電気脱水手段と、
を備え、前記電気脱水手段は、前記重合手段において脱水縮重合された乳酸重合体に直流電流を通じ、前記乳酸重合体内の水を電気浸透によって前記脱水部に移動させて脱水することを特徴とするポリ乳酸製造装置。
【請求項５】
更に、植物性澱粉及び乳酸菌を導入する原料導入手段と、発酵槽と、を有し、前記発酵槽に、少なくとも一対の電極と隔壁と前記隔壁によって仕切られ前記電極の陰極側に設けられた濃縮部とが内装された発酵濃縮手段を備え、
前記発酵濃縮手段は、前記原料導入手段から導入された前記植物性澱粉及び乳酸菌を前記発酵槽内で発酵させて得られる乳酸に直流電流を通じて電気浸透によって前記濃縮部に移動し、前記乳酸を前記濃縮部に貯留し、前記濃縮部に貯留された乳酸を前記重合手段に供給することを特徴とする請求項４に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項６】
前記発酵濃縮手段は、前記濃縮部に貯留された前記乳酸を排出する排出管と、前記排出官から排出された前記乳酸が供給され且つ前記乳酸を貯留する乳酸貯留槽と、前記乳酸貯留槽内の乳酸を前記濃縮部に供給する供給管と、前記乳酸貯留槽内の前記乳酸を前記重合手段に供給する供給手段と、を備えた請求項５に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項７】
前記重合手段は、両端に開口部を有し、一方の開口部から前記乳酸が供給される中空基体と、前記中空基体に内装され、螺旋状溝を有する棒状回転体と、前記中空基体の内部を加熱する加熱手段と、を備え、
前記棒状回転体を回転させることによって前記乳酸を前記一方の開口部から前記他方の開口部に向かって加熱圧送して圧縮することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項８】
前記電気脱水手段が、前記乳酸を挿通する中空体と、前記中空体の内部に設けられ、前記乳酸の挿通方向を回転軸として相互に逆回転するように隣接配置された複数の回転羽根と、を備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項９】
前記回転羽根が、前記電気脱水手段における前記電極の陽極を構成することを特徴とする請求項８に記載のポリ乳酸製造装置。
【請求項１０】
前記植物澱粉がコーンスターチであることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載のポリ乳酸製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−９４８１３（Ｐ２００６−９４８１３Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８６６８８（Ｐ２００４−２８６６８８）
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【特許番号】特許第３７３４８２１号（Ｐ３７３４８２１）
【特許公報発行日】平成１８年１月１１日（２００６．１．１１）
【出願人】（５０５０２５２８７）株式会社グリーン環境テクノロジー (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【特許番号】特許第３７３４８２１号（Ｐ３７３４８２１）
【特許公報発行日】平成１８年１月１１日（２００６．１．１１）
【出願人】（５０５０２５２８７）株式会社グリーン環境テクノロジー (2)
【Ｆターム（参考）】
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