乳酸発酵液からの乳酸の単離・精製方法
【課題】
発酵法で得られた乳酸発酵液から、収率に優れる効率的な乳酸の単離・精製する方法を提供する。
【解決の手段】
乳酸発酵液から乳酸を単離・精製する方法において、
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐH３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも1種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法である。
発酵法で得られた乳酸発酵液から、収率に優れる効率的な乳酸の単離・精製する方法を提供する。
【解決の手段】
乳酸発酵液から乳酸を単離・精製する方法において、
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐH３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも1種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発酵法により得られた乳酸発酵液からの乳酸の単離・精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
乳酸は、醸造、漬物などの食品用途、医薬、農薬、化粧品などの化学原料用途、さらに繊維仕上げ、塗料、溶剤、生分解性プラスチックなどの工業用途等に使用されており、需要増加が期待されている。
発酵法で乳酸を製造する方法は以前より知られており、多くの報告がある。しかし、発酵法で得られる乳酸発酵液には、乳酸または乳酸塩以外に、未反応の原料、菌体、培地由来の糖類、アミノ酸、酸類、タンパク質、無機塩など多くの不純物が含まれていることから、乳酸発酵液をそのまま用いることは困難である。そのため、乳酸発酵液からの乳酸の単離が必須であり、更に用途に応じて高純度に精製を行う必要がある。また、光学活性な乳酸の場合、高光学純度である乳酸をその純度を低下させずに乳酸発酵液から単離や精製を行なわなければならない。
【０００３】
乳酸発酵液からの乳酸の単離方法として、特許文献１には、乳酸塩を含む発酵液に酸を加えて乳酸を遊離させ、活性炭を充填したカラムを通液し、乳酸水溶液を得て、乳酸水溶液から有機溶媒を用いて乳酸の抽出を行っている。さらに、乳酸-有機溶媒溶液に水を加え、乳酸の逆抽出を行い、水を濃縮し高濃度の乳酸溶液を得る方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の方法では、高濃度の乳酸を得るために、非常に多くの工程が必要であり、工業的スケールで行うには実用的ではない。
特許文献２には、乳酸発酵液をイオン交換によりイオン性物質を除去し、次に低濃度の乳酸水溶液から高濃度の乳酸を得るために水を留去し、さらに蒸留を行うことにより、精製乳酸を得る方法を開示している。特許文献２には、乳酸発酵液からの蒸留による乳酸の精製において、収率低下の原因となる乳酸のオリゴマー化を抑制のためには、イオン性物質（アニオン性およびカチオン性不純物）の除去を行う必要があり、何らかの処理を行うことが必須であると記載されている。そこで、特許文献２ではイオン性物質を除去するために、イオン交換樹脂を用いて行っている。しかしながら、イオン交換樹脂はある一定のレベルで破過してしまうため、再生させる必要が生じ、イオン交換樹脂を再生するためには時間と手間を要する。また、高濃度の乳酸を得るためには、水を除去する必要があり、熱源として多大なエネルギーが必要となる。そこで、乳酸発酵液より煩雑な工程やイオン交換樹脂等を必要としない、より簡便で工業化に適した乳酸の単離・精製方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５１８４７６号
【特許文献２】特表２００１−５０６２７４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のような事情を鑑み、本発明は、発酵法で得られた乳酸発酵液から、収率に優れる効率的な乳酸の単離・精製する方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、乳酸発酵液に無機酸を添加し、ｐＨ３以下に調整し、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも１種を用いることで、乳酸発酵液から効率的に粗乳酸を抽出できることを見出した。また、抽出で得られた粗乳酸の蒸留精製において、初めに乳酸を含む留出物を留出させることにより高沸成分を除去し、次に、得られた乳酸を含む留出物より、低沸成分を除去することで、高収率で精製乳酸が得られることを見出した。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づき完成されたものであり、以下に発酵法で得られた乳酸発酵液から、収率に優れる効率的な乳酸の単離・精製方法を提供する。
項１.
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐH３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも１種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法。
項２.
無機酸が、塩酸、硝酸、燐酸、または硫酸である項１に記載の方法。
項３.
乳酸が、光学活性な乳酸である項１または２に記載の方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複雑な工程を経ることなく、乳酸発酵液より短い工程で、効率的に高純度の精製乳酸を得ることが可能となる。また、有機溶媒を用いることで、大量の水を除去する必要がないため、使用するエネルギーを削減することができる。光学活性体な乳酸を用いた場合、光学純度を低下させることなく、高純度の精製乳酸を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、乳酸発酵液から乳酸を単離・精製する方法において、
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐＨ３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも1種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記蒸留工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法である。
【００１０】
本発明で用いる乳酸発酵液は、通常の乳酸発酵法で得られる発酵液を用いることができる。例えば、グルコース、フルクトースのような単糖類；シュークロース、マルトース、トレハロースのような二糖類；デンプン、セルロース、ヘミセルロース、キシランのような多糖類など、糖類を含有する甘藷糖蜜、サトウキビ廃糖蜜のような廃糖蜜などの炭素源を主原料とし、さらに、酵母エキス、ペプトン、動物性ポリペプトン、植物性ポリペプトン、肉エキス、コーンスティープリカー、カザミノ酸、油粕のようなペプチド又はアミノ酸類、アンモニア、硝酸塩のような無機窒素類、尿素などの窒素源を添加した培地を用いて、ラクトバチルス（Lactobacillus）属、ラクトコッカス（Lactococcus）属、ストレプトコッカス（Streptococcus）属、ロイコノストック（Leuconostoc）属など乳酸発酵能を有する乳酸菌を発酵することによって、乳酸発酵液が得られる。また、必要に応じて、培地中に乳酸発酵用の培地に通常添加される、リン酸塩、硫酸マグネシウムのようなマグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩のような無機塩類；ビタミン類；ポリソルベートのような脂肪酸などを添加してもよい。このような乳酸培養液を得る方法として、例えば、特開平２−７６５９２号公報、特開昭６２−４４１８８号公報に記載の方法で調製することができる。
【００１１】
乳酸発酵において、生成する乳酸によって、発酵液中のｐＨが低下するので中和剤を用いて中和しながら、発酵を進めるのが一般的である。なお、生成した乳酸は、中和剤と塩を形成し、乳酸塩の形で得られる。ｐＨ調節に用いる中和剤は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩、アンモニウム化合物及びこれらの混合物が挙げられる。具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アンモニア水、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムなどが挙げことができる。中でも、中和によって得られる乳酸塩の取り扱いやすさの点で、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが好ましい。また、乳酸発酵によって得られる発酵液は、全て乳酸塩の形ではなく、一部乳酸の状態のものを含んでいてもよい。
【００１２】
乳酸発酵時の培地のｐＨは、用いる微生物の種類、培地の種類、培養条件によって異なるため、必要に応じて適宜決定することができるが、通常ｐＨ４−７、好ましくは５．５−６．５である。発酵の温度は、使用する乳酸生産菌が生育する温度であればよく、例えば約０〜６０℃である。培養は、回分培養、半回分培養、連続培養の何れであってもよい。培養時間は、使用菌株、培地成分、特に糖質の量などにより異なるが、回分培養の場合、約１〜８日間が好ましく、約２〜７日間がより好ましい。連続培養、半回分培養を行う場合はこれに限定されない。
【００１３】
乳酸発酵で得られる乳酸発酵液は、遠心分離や膜ろ過等によって、菌体、培地成分、固形成分などの共雑物を除去することにより、乳酸発酵液として、抽出工程に用いることができる。しかしながら、菌体などの固形分のみを除去した乳酸発酵液中には、タンパク質等が大量に残存しており、そのままの状態で溶媒抽出を行うと、タンパク質よって水層と有機層の分液性が低下する。そこで、抽出工程に用いる乳酸発酵液中に残存しているタンパク質を除去しておくことが好ましい。
【００１４】
本発明において、乳酸発酵液中に残存するタンパク質の除去方法として、乳酸発酵液を加熱処理することによって、乳酸発酵液中に残存する菌体及び菌体由来成分、培地由来成分などのタンパク質を熱変性により凝縮させ、固液分離により凝縮物を除去する方法が挙げられる。タンパク質除去の際の加熱処理温度は、約６０〜１２０℃である。加熱処理の時間は、約１０分〜１０時間である。上記範囲であれば効率良く発酵液中に残存するタンパク質等を熱変性させることができ、凝集物が得られる。加熱処理によって、生成した凝集物は、通常用いられる固液分離法、例えば、遠心分離、膜ろ過、デカンテーション法等によって、容易に除去することができる。また、凝集剤などを添加してもよい。
また、別のタンパク質の除去方法として、乳酸発酵液に無機酸を添加し、ｐＨを調整することによって、タンパク質を変性させ、固液分離により除去する方法が挙げられる。なお、固液分離法は、加熱処理の場合と同じ方法を用いることができる。作業の効率の点で、ｐＨ調節によるタンパク質の除去方法が好ましい。なお、タンパク質の除去は、乳酸発酵液のｐＨ調整工程において行なってもよい。
【００１５】
ｐＨ調整工程
乳酸発酵液中では、乳酸はｐＨに応じて、乳酸もしくは乳酸塩の形で発酵液中に存在している。発酵液のｐＨが乳酸より低い場合、発酵液をそのまま抽出工程に付することができるが、ｐＨが乳酸より高い場合は、乳酸は発酵液中で乳酸塩として存在しており、溶媒抽出を行うには、酸を添加して乳酸塩を乳酸と塩に遊離させる必要がある。また、抽出効率の点で、抽出工程に用いる発酵液は、ｐＨ３以下とすればよく、ｐＨ２以下がより好ましい。上記範囲にｐＨを調整することで、乳酸発酵液より乳酸を効率よく溶媒抽出することができる。
乳酸発酵液のｐＨ調整に用いる酸は、乳酸よりｐＫａが小さい無機酸であれば特に制限はなく用いることができる。無機酸として、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸などを例示することができ、好ましくは硫酸、リン酸である。無機酸の添加量は、乳酸発酵液のｐＨに応じて適宜調整すればよい。なお、乳酸発酵液のｐＨを上記範囲に調整した際に、乳酸発酵液中に残存するタンパク質や無機塩等が析出してくるので、遠心分離や膜ろ過等による固液分離において除去すればよい。
【００１６】
ｐＨ調整工程において、乳酸発酵液に無機酸を加えることにより希釈熱や中和熱で発酵液の温度が上昇するため、発酵液の温度調節が必要となる。ｐＨ調整の際の温度は、抽出工程で使用する抽出溶媒の沸点以下であればよいが、約１０〜４０℃が好ましい。
【００１７】
ｐＨを調整した乳酸発酵液をそのまま抽出工程に用いてもよいが、乳酸発酵液中の乳酸濃度が２０重量％以下であると、抽出工程で用いる設備が大きくなってしまう。そこで、限外ろ過膜等を用いて膜ろ過による濃縮、若しくは、減圧または加熱等による濃縮を行なうことで、乳酸発酵液中の乳酸濃度を約２０重量％以上に濃縮することが好ましい。
【００１８】
抽出工程
ｐＨ調整工程でｐＨを調整した乳酸発酵液からの粗乳酸の抽出は、抽出溶媒を用いて行う。抽出溶媒としては、乳酸発酵液と混和せず粗乳酸を抽出できるものを用いることができる。具体的には、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、２−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、メチルエチルケトン、２-ペンタノン、３-ペンタノン、２−ヘキサンノン、３-ヘキサノン、メチルイソブチルケトン、２-ヘプタノン、３-ヘプタノン、４-ヘプタノン、ジイソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、１-ブタノール、２-ブタノール、イソブタノール、ｔ-ブチルアルコール、１-ペンタノール、２-ペンタノール、３-ペンタノール、２-メチル-１-ブタノール、イソペンチルアルコール、ｔ-ペンチルアルコール、３-メチル-２-ブタノール、ネオペンチルアルコール、１-ヘキサノール、２-メチル-１-ペンタノール、４-メチル-２-ペンタノール、１-ヘプタノール、２-ヘプタノール、３-ヘプタノールなどのアルコール系溶媒が挙げられる。これらは、１種を単独で、または２種以上を組み合わせて使用できる。粗乳酸の抽出における抽出効率の点で、ジエチルエーテル、メチル-t-ブチルエーテル、エチル-t-ブチルエーテル、エチルメチルケトン、イソブチルメチルケトンが好ましく、ジエチルエーテル、メチル-t-ブチルエーテルがより好ましい
【００１９】
抽出溶媒の使用量は、乳酸発酵液の重量に対して約２〜１０倍量（Ｗ/Ｗ）であり、好ましくは約３〜５倍量（Ｗ/Ｗ）を用いればよい。抽出工程の温度は、約０〜６０℃であればよく、好ましくは約２０〜４０℃である。
【００２０】
抽出方法として、多回抽出、向流多段抽出、向流微分抽出のいずれの方式を用いてもよい。また、抽出に用いる抽出装置として、スプレー塔、充填塔、バッフル塔、多孔板抽出塔、撹拌式抽出装置としてミキサーセトラー、シャイベル塔、回転円盤抽出塔、オルドシュー・ラシュトン塔（ミクスコ塔）、ＲＬＴ抽出機（グラエッサー抽出機）、ＡＲＤ塔（ルーク抽出機）、クーニ塔、脈動式・振動式抽出装置として脈動充填塔、脈動多孔板塔、振動板塔（カール塔）、遠心分離抽出装置としてポドビルニアク抽出機、ルウェスタ抽出機などが挙げられる。
【００２１】
抽出工程で得られる粗乳酸中には、乳酸以外の成分として、未反応の原料、菌体、培地由来の糖類、アミノ酸類、酸類、タンパク質、無機塩などの不純物が含まれており、溶媒抽出工程のみでは、高純度の精製乳酸を得ることができない。そのため、高純度の精製乳酸を得るためには、上記の不純物を分離するために蒸留等による精製を行なう必要がある。
次の蒸留工程には、抽出工程で得られる粗乳酸をそのまま用いてもよいが、粗乳酸中の乳酸濃度が低い場合、減圧または加熱等による濃縮を行ってもよい。濃縮温度は、抽出溶媒の沸点にもよるが約１５０℃以下であればよく、約１２０℃以下が好ましい。濃縮圧力は、常圧もしくは減圧どちらでもよい。また、濃縮によって留去した抽出溶媒を単離して、再び抽出工程に用いることで抽出溶媒の使用量の減少を図ることも可能である。
【００２２】
第一蒸留工程
上述したように、抽出工程で得られる粗乳酸中には、乳酸以外に未反応の原料、無機塩、タンパク質、培地由来の糖質などの高沸成分および、アミノ酸、水、乳酸エステルなどの低沸成分の不純物が存在しており、精製乳酸を得るためには、粗乳酸を含む溶液から両成分を分離させる必要がある。また、乳酸は水分が少なくなるとオリゴマーを形成することが知られており、粗乳酸中にも低分子量の乳酸オリゴマーが存在している。
【００２３】
通常、精製方法として用いられる単蒸留などの精製方法で乳酸精製を行った場合、初めに、粗乳酸中に含まれる水、アミノ酸、乳酸エステルなどの低沸成分の除去を行い、さらに、乳酸を留出させ、タンパク質、無機塩、培地成分、糖質などの高沸成分の除去を行う。水などの低沸成分の除去を先に行った場合、粗乳酸中に含まれる乳酸および低分子量の乳酸オリゴマーが重合し、高分子量の乳酸オリゴマー量が増加する。その結果、除去した高沸成分中に高分子量の乳酸オリゴマーが残存してしまい、乳酸回収率の低下の原因となる。そこで、低分子量の乳酸オリゴマーの重合化を防ぐため、高沸成分の除去は約１００℃以上という高温条件で行われる。これは、乳酸の回収率の向上を目的として、乳酸以外に２量体や３量体などの低分子量の乳酸オリゴマーも一緒に留出させるためである。しかしながら、高温条件で除去を行った場合、粗乳酸中に残存しているアミノ酸やタンパク質の分解が起こり、乳酸の純度低下の原因となる。
従って、上記問題点を解決するため、粗乳酸の蒸留による精製は、初めに高沸成分を除去し、続いて低沸成分の分離を行うことが好ましい。
【００２４】
第一蒸留工程においては、粗乳酸から水、アミノ酸、乳酸エステルなどの低沸成分および乳酸を含む留出物の留出を行い、タンパク質、無機塩、培地成分、糖質などの高沸成分の除去を行う。
蒸留による高沸成分の除去条件として、蒸留温度は約６０〜１６０℃であり、好ましくは約８０〜１４０℃である。蒸留時の圧力は、約０．１〜２０ｍｍＨｇであり、好ましくは、約０．１〜１５ｍｍＨｇである。上記範囲であれば、粗乳酸中より高沸成分を効率よく除去することができる。
【００２５】
第一蒸留工程の蒸留方式として、高沸成分の除去の際、乳酸のオリゴマー化を抑制するため、塔内での乳酸の滞留時間を可能な限り短くすることが必要である。即ち、塔内へ連続的に粗乳酸を供給し、乳酸をすみやかに蒸発させることが重要となる。従って、滞留時間を短くでき、かつ連続的に高沸成分を抜き取ることができる方式が好ましい。
【００２６】
第一蒸留工程に用いる蒸留装置としては、乳酸の滞留時間を最短にすることができる装置、即ち、薄膜型蒸発装置、落下フィルム蒸発装置、拭き取りフィルム蒸発装置などが挙げられる。
【００２７】
除去した高沸成分中（残渣）には、高分子量の乳酸オリゴマーが含まれており、この蒸留残渣に水を添加し加水分解を行うことで、乳酸オリゴマーを低分子化することが可能である。これを再び抽出工程に用いることにより、乳酸の回収率を向上させることができる。
【００２８】
第二蒸留工程
第二蒸留工程においては、第一蒸留工程で得られる乳酸を含む留出物から水、アミノ酸、乳酸エステルなどの低沸成分を分離し、精製乳酸の回収を行う。
蒸留による低沸成分の除去条件として、蒸留温度は約４０〜１００℃であり、好ましくは約４０〜８０℃である。蒸留時の圧力は、約０．１〜３０ｍｍＨｇであり、好ましくは、約０．１〜２０ｍｍＨｇである。上記範囲であれば、乳酸を含む留出物から精製乳酸を効率よく回収することができる。
【００２９】
第二蒸留工程の蒸留方式として、乳酸を含む留出物より、低沸成分を除去できる方式であればよく、粗乳酸の処理量に応じて適宜選択すればよい。具体的には、バッチ式の単蒸留、または連続式の単蒸留が挙げられる。また、蒸留工程において、得られた精製乳酸をさらに純度を高めるために、必要に応じて精留等によってさらに精製を行ってもよい。
【００３０】
第二蒸留工程に用いる蒸留装置としては、バッチ式の単蒸留を行う場合は、通常、単蒸留に用いられる装置であれば、特に制限無く用いることができる。また、連続式の単蒸留（フラッシュ蒸留）を行う場合は、薄膜型蒸発装置、落下フィルム蒸発装置、拭き取りフィルム蒸発装置などが挙げられる。精留によりさらに精製を行う場合に用いる精留塔は、充填塔、または棚段塔が挙げられる。
【００３１】
本発明の単離・精製方法において、光学活性な乳酸を含む乳酸発酵液を用いることもでき、この場合、光学純度を低下させることなく、高純度の光学活性な精製乳酸を得ることができる。
【００３２】
本発明の単離・精製方法により得られる精製乳酸は、ポリ乳酸の原料として用いてもよく。また、高光学純度が必要とされる医薬・農薬の原料として使用することができる。
【００３３】
実施例
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範囲が限定されるものではない。
（分析方法）
後述する実施例および比較例において、乳酸の分析は下記に記載の方法を用いて行った。
１）乳酸濃度の測定方法
乳酸の濃度測定は、ＨＰＬＣを用いて行った。
カラム：ダイソーパックＳＰ−１２０−５−ＯＤＳ−ＢＰ ４.６ｍｍＩＤｘ２５０ｍｍＬ
移動相：２０ｍＭ ＫＨ２ＰＯ４水溶液（ｐＨ２．５）
流速：１．０ｍＬ/ｍｉｎ
温度：４０℃
検出：ＵＶ、２２０ｎｍ
試料：サンプル１５０ｍｇと内部標準としてコハク酸２５０ｍｇを移動相に溶解させ測定用のサンプルとした。
打ち込み量：１μL
乳酸リチウムを標準物質として検量線を作成した。
２）乳酸の光学純度
乳酸の光学純度測定は、ＨＰＬＣを用いて行った。
カラム：Ｓｕｍｉｃｈｉｒａｌ ＯＡ-５０００ ４．６ｍｍＩＤｘ１５０ｍｍＬ
移動相：２ｍＭ ＣｕＳＯ４水溶液/イソプロパノール = ９８/２
流速：１．０ｍＬ/ｍｉｎ
温度：室温
検出：ＵＶ、２５４ｎｍ
試料：試料１０mgに対して２Ｎ ＮａＯＨを０．５ｍｌ加え５ｈｒ 攪拌する。さらに、１Ｎ 硫酸を１ｍｌ加え、移動相（硫酸銅緩衝液）で１０倍希釈し測定用のサンプルとした。
打ち込み量：２０μL
３）分配係数の求め方
分配係数＝有機層中の乳酸のarea/水層中の乳酸のarea
【００３４】
実施例１ 乳酸発酵液のｐＨによる抽出効率の検討
乳酸換算濃度が２０．９重量％の乳酸ナトリウム含有の発酵液を表１に記載の量を用いて、所定のｐＨになるまで９８％硫酸を添加し調整した。ｐＨを調整した際に、発酵液中にタンパク質および無機塩の固形分の析出が確認できた。析出したタンパク質および無機塩の固形分をろ過により、ろ紙５ｃを用いて除去した。得られた各ｐＨの乳酸発酵液に抽出溶媒として、t-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）を約２０ｇ添加してサンプル管に入れ、室温で５分間激しく振り混ぜた。１０分間静置し２層に分液させた後、水層及び有機層のサンプリングを行ない、ＨＰＬＣにより乳酸濃度の測定を行なった。なお、分配係数は上記記載の方法により算出した。
【００３５】
【表１】
上記結果より、乳酸発酵液のｐＨを３以下とすることで、発酵液中から粗乳酸を効率よく抽出することができることが明らかとなった。
【００３６】
実施例２ 乳酸発酵液からの精製乳酸の単離・精製
乳酸換算濃度が２０．９重量％の乳酸ナトリウム含有乳酸発酵液２，７３９g（光学純度９８．３％ ee）に９５％硫酸２７５ｇ加えてｐＨ１．０に調整した。ｐＨを調整した際に析出したタンパク質および無機塩をろ紙５ｃを用いて除去し、乳酸発酵液３，１９５gを得た。３０ｍｍ ｘ ２００ｃｍのガラス管に５ｍｍ ｘ ５ｍｍのガラス製ラシヒリングを充填し、その充填塔の上部からｐＨを調整した乳酸発酵液、下部からt-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）をそれぞれ定量ポンプで連続的にフィードし、抽出塔内で乳酸発酵液とt-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）を混合させ向流で粗乳酸の抽出を行った。抽出は室温で行い、抽出時間は４時間２０分であった。抽出に用いたt-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）の量は１２，３４２ｇ（抽出に用いた乳酸発酵液の３．９倍量）であった。
充填塔内で分液された粗乳酸を含有するｔ-ブチルメチルエーテル溶液を塔上部から、乳酸を抽出された水層は塔下部より抜き取りを行った。抜き取った乳酸/ｔ-ブチルメチルエーテル溶液を１００℃の油浴で濃縮して５７３gの粗乳酸溶液を得た。溶液中の乳酸濃度は８０．５重量％であり、抽出工程での収率は８０．５％であった。次に、滴下ロートをつけたフラスコをあらかじめ１６０℃の油浴で熱しておき、そこへ滴下ロートから、抽出によって得られた粗乳酸溶液から１１６．８gを４５分で滴下し、０．３ｍｍＨｇで第一蒸留を行い、高沸成分を除去し、９２．５ｇの乳酸を含む留出物を得た。蒸留時のトップ温は１０８〜１２３℃であった。さらに、第一蒸留で得られた乳酸を含む留出物から３０．４ｇを用いて、０．０３ｍｍＨｇで第二蒸留を行い、トップ温５３〜７７℃の低沸成分を留出させ、２６．７ｇの精製乳酸を得た。得られた精製乳酸の濃度は９９．４重量％、光学純度は９８．３％ eeであった。乳酸換算で収率は８７．０％であった。蒸留工程での収率は８７．０％であった。
【００３７】
比較例１
乳酸濃度が３５．７重量％の乳酸発酵液３００ｇ（光学純度９８．３％ ee）をフラスコに仕込み、リービッヒ冷却管と受器を設置し単蒸留で精製し、トップ温５４〜９９℃、１０〜３１ｍｍＨｇの留分を回収し、８０．３ｇの精製乳酸を得た。乳酸の純分は９０．７重量％であった。乳酸換算で収率は６８．０％であった。光学純度は９６．２％ｅｅであった。得られた液は茶色透明、発酵由来の強い臭いが残っていた。また、蒸留残渣は炭化していた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の方法において得られる、高純度の精製乳酸は、医薬、農薬、化粧品などの化学原料として有用である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発酵法により得られた乳酸発酵液からの乳酸の単離・精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
乳酸は、醸造、漬物などの食品用途、医薬、農薬、化粧品などの化学原料用途、さらに繊維仕上げ、塗料、溶剤、生分解性プラスチックなどの工業用途等に使用されており、需要増加が期待されている。
発酵法で乳酸を製造する方法は以前より知られており、多くの報告がある。しかし、発酵法で得られる乳酸発酵液には、乳酸または乳酸塩以外に、未反応の原料、菌体、培地由来の糖類、アミノ酸、酸類、タンパク質、無機塩など多くの不純物が含まれていることから、乳酸発酵液をそのまま用いることは困難である。そのため、乳酸発酵液からの乳酸の単離が必須であり、更に用途に応じて高純度に精製を行う必要がある。また、光学活性な乳酸の場合、高光学純度である乳酸をその純度を低下させずに乳酸発酵液から単離や精製を行なわなければならない。
【０００３】
乳酸発酵液からの乳酸の単離方法として、特許文献１には、乳酸塩を含む発酵液に酸を加えて乳酸を遊離させ、活性炭を充填したカラムを通液し、乳酸水溶液を得て、乳酸水溶液から有機溶媒を用いて乳酸の抽出を行っている。さらに、乳酸-有機溶媒溶液に水を加え、乳酸の逆抽出を行い、水を濃縮し高濃度の乳酸溶液を得る方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の方法では、高濃度の乳酸を得るために、非常に多くの工程が必要であり、工業的スケールで行うには実用的ではない。
特許文献２には、乳酸発酵液をイオン交換によりイオン性物質を除去し、次に低濃度の乳酸水溶液から高濃度の乳酸を得るために水を留去し、さらに蒸留を行うことにより、精製乳酸を得る方法を開示している。特許文献２には、乳酸発酵液からの蒸留による乳酸の精製において、収率低下の原因となる乳酸のオリゴマー化を抑制のためには、イオン性物質（アニオン性およびカチオン性不純物）の除去を行う必要があり、何らかの処理を行うことが必須であると記載されている。そこで、特許文献２ではイオン性物質を除去するために、イオン交換樹脂を用いて行っている。しかしながら、イオン交換樹脂はある一定のレベルで破過してしまうため、再生させる必要が生じ、イオン交換樹脂を再生するためには時間と手間を要する。また、高濃度の乳酸を得るためには、水を除去する必要があり、熱源として多大なエネルギーが必要となる。そこで、乳酸発酵液より煩雑な工程やイオン交換樹脂等を必要としない、より簡便で工業化に適した乳酸の単離・精製方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５１８４７６号
【特許文献２】特表２００１−５０６２７４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のような事情を鑑み、本発明は、発酵法で得られた乳酸発酵液から、収率に優れる効率的な乳酸の単離・精製する方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、乳酸発酵液に無機酸を添加し、ｐＨ３以下に調整し、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも１種を用いることで、乳酸発酵液から効率的に粗乳酸を抽出できることを見出した。また、抽出で得られた粗乳酸の蒸留精製において、初めに乳酸を含む留出物を留出させることにより高沸成分を除去し、次に、得られた乳酸を含む留出物より、低沸成分を除去することで、高収率で精製乳酸が得られることを見出した。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づき完成されたものであり、以下に発酵法で得られた乳酸発酵液から、収率に優れる効率的な乳酸の単離・精製方法を提供する。
項１.
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐH３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも１種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法。
項２.
無機酸が、塩酸、硝酸、燐酸、または硫酸である項１に記載の方法。
項３.
乳酸が、光学活性な乳酸である項１または２に記載の方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複雑な工程を経ることなく、乳酸発酵液より短い工程で、効率的に高純度の精製乳酸を得ることが可能となる。また、有機溶媒を用いることで、大量の水を除去する必要がないため、使用するエネルギーを削減することができる。光学活性体な乳酸を用いた場合、光学純度を低下させることなく、高純度の精製乳酸を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、乳酸発酵液から乳酸を単離・精製する方法において、
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐＨ３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも1種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記蒸留工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法である。
【００１０】
本発明で用いる乳酸発酵液は、通常の乳酸発酵法で得られる発酵液を用いることができる。例えば、グルコース、フルクトースのような単糖類；シュークロース、マルトース、トレハロースのような二糖類；デンプン、セルロース、ヘミセルロース、キシランのような多糖類など、糖類を含有する甘藷糖蜜、サトウキビ廃糖蜜のような廃糖蜜などの炭素源を主原料とし、さらに、酵母エキス、ペプトン、動物性ポリペプトン、植物性ポリペプトン、肉エキス、コーンスティープリカー、カザミノ酸、油粕のようなペプチド又はアミノ酸類、アンモニア、硝酸塩のような無機窒素類、尿素などの窒素源を添加した培地を用いて、ラクトバチルス（Lactobacillus）属、ラクトコッカス（Lactococcus）属、ストレプトコッカス（Streptococcus）属、ロイコノストック（Leuconostoc）属など乳酸発酵能を有する乳酸菌を発酵することによって、乳酸発酵液が得られる。また、必要に応じて、培地中に乳酸発酵用の培地に通常添加される、リン酸塩、硫酸マグネシウムのようなマグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩のような無機塩類；ビタミン類；ポリソルベートのような脂肪酸などを添加してもよい。このような乳酸培養液を得る方法として、例えば、特開平２−７６５９２号公報、特開昭６２−４４１８８号公報に記載の方法で調製することができる。
【００１１】
乳酸発酵において、生成する乳酸によって、発酵液中のｐＨが低下するので中和剤を用いて中和しながら、発酵を進めるのが一般的である。なお、生成した乳酸は、中和剤と塩を形成し、乳酸塩の形で得られる。ｐＨ調節に用いる中和剤は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩、アンモニウム化合物及びこれらの混合物が挙げられる。具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アンモニア水、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムなどが挙げことができる。中でも、中和によって得られる乳酸塩の取り扱いやすさの点で、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが好ましい。また、乳酸発酵によって得られる発酵液は、全て乳酸塩の形ではなく、一部乳酸の状態のものを含んでいてもよい。
【００１２】
乳酸発酵時の培地のｐＨは、用いる微生物の種類、培地の種類、培養条件によって異なるため、必要に応じて適宜決定することができるが、通常ｐＨ４−７、好ましくは５．５−６．５である。発酵の温度は、使用する乳酸生産菌が生育する温度であればよく、例えば約０〜６０℃である。培養は、回分培養、半回分培養、連続培養の何れであってもよい。培養時間は、使用菌株、培地成分、特に糖質の量などにより異なるが、回分培養の場合、約１〜８日間が好ましく、約２〜７日間がより好ましい。連続培養、半回分培養を行う場合はこれに限定されない。
【００１３】
乳酸発酵で得られる乳酸発酵液は、遠心分離や膜ろ過等によって、菌体、培地成分、固形成分などの共雑物を除去することにより、乳酸発酵液として、抽出工程に用いることができる。しかしながら、菌体などの固形分のみを除去した乳酸発酵液中には、タンパク質等が大量に残存しており、そのままの状態で溶媒抽出を行うと、タンパク質よって水層と有機層の分液性が低下する。そこで、抽出工程に用いる乳酸発酵液中に残存しているタンパク質を除去しておくことが好ましい。
【００１４】
本発明において、乳酸発酵液中に残存するタンパク質の除去方法として、乳酸発酵液を加熱処理することによって、乳酸発酵液中に残存する菌体及び菌体由来成分、培地由来成分などのタンパク質を熱変性により凝縮させ、固液分離により凝縮物を除去する方法が挙げられる。タンパク質除去の際の加熱処理温度は、約６０〜１２０℃である。加熱処理の時間は、約１０分〜１０時間である。上記範囲であれば効率良く発酵液中に残存するタンパク質等を熱変性させることができ、凝集物が得られる。加熱処理によって、生成した凝集物は、通常用いられる固液分離法、例えば、遠心分離、膜ろ過、デカンテーション法等によって、容易に除去することができる。また、凝集剤などを添加してもよい。
また、別のタンパク質の除去方法として、乳酸発酵液に無機酸を添加し、ｐＨを調整することによって、タンパク質を変性させ、固液分離により除去する方法が挙げられる。なお、固液分離法は、加熱処理の場合と同じ方法を用いることができる。作業の効率の点で、ｐＨ調節によるタンパク質の除去方法が好ましい。なお、タンパク質の除去は、乳酸発酵液のｐＨ調整工程において行なってもよい。
【００１５】
ｐＨ調整工程
乳酸発酵液中では、乳酸はｐＨに応じて、乳酸もしくは乳酸塩の形で発酵液中に存在している。発酵液のｐＨが乳酸より低い場合、発酵液をそのまま抽出工程に付することができるが、ｐＨが乳酸より高い場合は、乳酸は発酵液中で乳酸塩として存在しており、溶媒抽出を行うには、酸を添加して乳酸塩を乳酸と塩に遊離させる必要がある。また、抽出効率の点で、抽出工程に用いる発酵液は、ｐＨ３以下とすればよく、ｐＨ２以下がより好ましい。上記範囲にｐＨを調整することで、乳酸発酵液より乳酸を効率よく溶媒抽出することができる。
乳酸発酵液のｐＨ調整に用いる酸は、乳酸よりｐＫａが小さい無機酸であれば特に制限はなく用いることができる。無機酸として、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸などを例示することができ、好ましくは硫酸、リン酸である。無機酸の添加量は、乳酸発酵液のｐＨに応じて適宜調整すればよい。なお、乳酸発酵液のｐＨを上記範囲に調整した際に、乳酸発酵液中に残存するタンパク質や無機塩等が析出してくるので、遠心分離や膜ろ過等による固液分離において除去すればよい。
【００１６】
ｐＨ調整工程において、乳酸発酵液に無機酸を加えることにより希釈熱や中和熱で発酵液の温度が上昇するため、発酵液の温度調節が必要となる。ｐＨ調整の際の温度は、抽出工程で使用する抽出溶媒の沸点以下であればよいが、約１０〜４０℃が好ましい。
【００１７】
ｐＨを調整した乳酸発酵液をそのまま抽出工程に用いてもよいが、乳酸発酵液中の乳酸濃度が２０重量％以下であると、抽出工程で用いる設備が大きくなってしまう。そこで、限外ろ過膜等を用いて膜ろ過による濃縮、若しくは、減圧または加熱等による濃縮を行なうことで、乳酸発酵液中の乳酸濃度を約２０重量％以上に濃縮することが好ましい。
【００１８】
抽出工程
ｐＨ調整工程でｐＨを調整した乳酸発酵液からの粗乳酸の抽出は、抽出溶媒を用いて行う。抽出溶媒としては、乳酸発酵液と混和せず粗乳酸を抽出できるものを用いることができる。具体的には、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、２−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、メチルエチルケトン、２-ペンタノン、３-ペンタノン、２−ヘキサンノン、３-ヘキサノン、メチルイソブチルケトン、２-ヘプタノン、３-ヘプタノン、４-ヘプタノン、ジイソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、１-ブタノール、２-ブタノール、イソブタノール、ｔ-ブチルアルコール、１-ペンタノール、２-ペンタノール、３-ペンタノール、２-メチル-１-ブタノール、イソペンチルアルコール、ｔ-ペンチルアルコール、３-メチル-２-ブタノール、ネオペンチルアルコール、１-ヘキサノール、２-メチル-１-ペンタノール、４-メチル-２-ペンタノール、１-ヘプタノール、２-ヘプタノール、３-ヘプタノールなどのアルコール系溶媒が挙げられる。これらは、１種を単独で、または２種以上を組み合わせて使用できる。粗乳酸の抽出における抽出効率の点で、ジエチルエーテル、メチル-t-ブチルエーテル、エチル-t-ブチルエーテル、エチルメチルケトン、イソブチルメチルケトンが好ましく、ジエチルエーテル、メチル-t-ブチルエーテルがより好ましい
【００１９】
抽出溶媒の使用量は、乳酸発酵液の重量に対して約２〜１０倍量（Ｗ/Ｗ）であり、好ましくは約３〜５倍量（Ｗ/Ｗ）を用いればよい。抽出工程の温度は、約０〜６０℃であればよく、好ましくは約２０〜４０℃である。
【００２０】
抽出方法として、多回抽出、向流多段抽出、向流微分抽出のいずれの方式を用いてもよい。また、抽出に用いる抽出装置として、スプレー塔、充填塔、バッフル塔、多孔板抽出塔、撹拌式抽出装置としてミキサーセトラー、シャイベル塔、回転円盤抽出塔、オルドシュー・ラシュトン塔（ミクスコ塔）、ＲＬＴ抽出機（グラエッサー抽出機）、ＡＲＤ塔（ルーク抽出機）、クーニ塔、脈動式・振動式抽出装置として脈動充填塔、脈動多孔板塔、振動板塔（カール塔）、遠心分離抽出装置としてポドビルニアク抽出機、ルウェスタ抽出機などが挙げられる。
【００２１】
抽出工程で得られる粗乳酸中には、乳酸以外の成分として、未反応の原料、菌体、培地由来の糖類、アミノ酸類、酸類、タンパク質、無機塩などの不純物が含まれており、溶媒抽出工程のみでは、高純度の精製乳酸を得ることができない。そのため、高純度の精製乳酸を得るためには、上記の不純物を分離するために蒸留等による精製を行なう必要がある。
次の蒸留工程には、抽出工程で得られる粗乳酸をそのまま用いてもよいが、粗乳酸中の乳酸濃度が低い場合、減圧または加熱等による濃縮を行ってもよい。濃縮温度は、抽出溶媒の沸点にもよるが約１５０℃以下であればよく、約１２０℃以下が好ましい。濃縮圧力は、常圧もしくは減圧どちらでもよい。また、濃縮によって留去した抽出溶媒を単離して、再び抽出工程に用いることで抽出溶媒の使用量の減少を図ることも可能である。
【００２２】
第一蒸留工程
上述したように、抽出工程で得られる粗乳酸中には、乳酸以外に未反応の原料、無機塩、タンパク質、培地由来の糖質などの高沸成分および、アミノ酸、水、乳酸エステルなどの低沸成分の不純物が存在しており、精製乳酸を得るためには、粗乳酸を含む溶液から両成分を分離させる必要がある。また、乳酸は水分が少なくなるとオリゴマーを形成することが知られており、粗乳酸中にも低分子量の乳酸オリゴマーが存在している。
【００２３】
通常、精製方法として用いられる単蒸留などの精製方法で乳酸精製を行った場合、初めに、粗乳酸中に含まれる水、アミノ酸、乳酸エステルなどの低沸成分の除去を行い、さらに、乳酸を留出させ、タンパク質、無機塩、培地成分、糖質などの高沸成分の除去を行う。水などの低沸成分の除去を先に行った場合、粗乳酸中に含まれる乳酸および低分子量の乳酸オリゴマーが重合し、高分子量の乳酸オリゴマー量が増加する。その結果、除去した高沸成分中に高分子量の乳酸オリゴマーが残存してしまい、乳酸回収率の低下の原因となる。そこで、低分子量の乳酸オリゴマーの重合化を防ぐため、高沸成分の除去は約１００℃以上という高温条件で行われる。これは、乳酸の回収率の向上を目的として、乳酸以外に２量体や３量体などの低分子量の乳酸オリゴマーも一緒に留出させるためである。しかしながら、高温条件で除去を行った場合、粗乳酸中に残存しているアミノ酸やタンパク質の分解が起こり、乳酸の純度低下の原因となる。
従って、上記問題点を解決するため、粗乳酸の蒸留による精製は、初めに高沸成分を除去し、続いて低沸成分の分離を行うことが好ましい。
【００２４】
第一蒸留工程においては、粗乳酸から水、アミノ酸、乳酸エステルなどの低沸成分および乳酸を含む留出物の留出を行い、タンパク質、無機塩、培地成分、糖質などの高沸成分の除去を行う。
蒸留による高沸成分の除去条件として、蒸留温度は約６０〜１６０℃であり、好ましくは約８０〜１４０℃である。蒸留時の圧力は、約０．１〜２０ｍｍＨｇであり、好ましくは、約０．１〜１５ｍｍＨｇである。上記範囲であれば、粗乳酸中より高沸成分を効率よく除去することができる。
【００２５】
第一蒸留工程の蒸留方式として、高沸成分の除去の際、乳酸のオリゴマー化を抑制するため、塔内での乳酸の滞留時間を可能な限り短くすることが必要である。即ち、塔内へ連続的に粗乳酸を供給し、乳酸をすみやかに蒸発させることが重要となる。従って、滞留時間を短くでき、かつ連続的に高沸成分を抜き取ることができる方式が好ましい。
【００２６】
第一蒸留工程に用いる蒸留装置としては、乳酸の滞留時間を最短にすることができる装置、即ち、薄膜型蒸発装置、落下フィルム蒸発装置、拭き取りフィルム蒸発装置などが挙げられる。
【００２７】
除去した高沸成分中（残渣）には、高分子量の乳酸オリゴマーが含まれており、この蒸留残渣に水を添加し加水分解を行うことで、乳酸オリゴマーを低分子化することが可能である。これを再び抽出工程に用いることにより、乳酸の回収率を向上させることができる。
【００２８】
第二蒸留工程
第二蒸留工程においては、第一蒸留工程で得られる乳酸を含む留出物から水、アミノ酸、乳酸エステルなどの低沸成分を分離し、精製乳酸の回収を行う。
蒸留による低沸成分の除去条件として、蒸留温度は約４０〜１００℃であり、好ましくは約４０〜８０℃である。蒸留時の圧力は、約０．１〜３０ｍｍＨｇであり、好ましくは、約０．１〜２０ｍｍＨｇである。上記範囲であれば、乳酸を含む留出物から精製乳酸を効率よく回収することができる。
【００２９】
第二蒸留工程の蒸留方式として、乳酸を含む留出物より、低沸成分を除去できる方式であればよく、粗乳酸の処理量に応じて適宜選択すればよい。具体的には、バッチ式の単蒸留、または連続式の単蒸留が挙げられる。また、蒸留工程において、得られた精製乳酸をさらに純度を高めるために、必要に応じて精留等によってさらに精製を行ってもよい。
【００３０】
第二蒸留工程に用いる蒸留装置としては、バッチ式の単蒸留を行う場合は、通常、単蒸留に用いられる装置であれば、特に制限無く用いることができる。また、連続式の単蒸留（フラッシュ蒸留）を行う場合は、薄膜型蒸発装置、落下フィルム蒸発装置、拭き取りフィルム蒸発装置などが挙げられる。精留によりさらに精製を行う場合に用いる精留塔は、充填塔、または棚段塔が挙げられる。
【００３１】
本発明の単離・精製方法において、光学活性な乳酸を含む乳酸発酵液を用いることもでき、この場合、光学純度を低下させることなく、高純度の光学活性な精製乳酸を得ることができる。
【００３２】
本発明の単離・精製方法により得られる精製乳酸は、ポリ乳酸の原料として用いてもよく。また、高光学純度が必要とされる医薬・農薬の原料として使用することができる。
【００３３】
実施例
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範囲が限定されるものではない。
（分析方法）
後述する実施例および比較例において、乳酸の分析は下記に記載の方法を用いて行った。
１）乳酸濃度の測定方法
乳酸の濃度測定は、ＨＰＬＣを用いて行った。
カラム：ダイソーパックＳＰ−１２０−５−ＯＤＳ−ＢＰ ４.６ｍｍＩＤｘ２５０ｍｍＬ
移動相：２０ｍＭ ＫＨ２ＰＯ４水溶液（ｐＨ２．５）
流速：１．０ｍＬ/ｍｉｎ
温度：４０℃
検出：ＵＶ、２２０ｎｍ
試料：サンプル１５０ｍｇと内部標準としてコハク酸２５０ｍｇを移動相に溶解させ測定用のサンプルとした。
打ち込み量：１μL
乳酸リチウムを標準物質として検量線を作成した。
２）乳酸の光学純度
乳酸の光学純度測定は、ＨＰＬＣを用いて行った。
カラム：Ｓｕｍｉｃｈｉｒａｌ ＯＡ-５０００ ４．６ｍｍＩＤｘ１５０ｍｍＬ
移動相：２ｍＭ ＣｕＳＯ４水溶液/イソプロパノール = ９８/２
流速：１．０ｍＬ/ｍｉｎ
温度：室温
検出：ＵＶ、２５４ｎｍ
試料：試料１０mgに対して２Ｎ ＮａＯＨを０．５ｍｌ加え５ｈｒ 攪拌する。さらに、１Ｎ 硫酸を１ｍｌ加え、移動相（硫酸銅緩衝液）で１０倍希釈し測定用のサンプルとした。
打ち込み量：２０μL
３）分配係数の求め方
分配係数＝有機層中の乳酸のarea/水層中の乳酸のarea
【００３４】
実施例１ 乳酸発酵液のｐＨによる抽出効率の検討
乳酸換算濃度が２０．９重量％の乳酸ナトリウム含有の発酵液を表１に記載の量を用いて、所定のｐＨになるまで９８％硫酸を添加し調整した。ｐＨを調整した際に、発酵液中にタンパク質および無機塩の固形分の析出が確認できた。析出したタンパク質および無機塩の固形分をろ過により、ろ紙５ｃを用いて除去した。得られた各ｐＨの乳酸発酵液に抽出溶媒として、t-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）を約２０ｇ添加してサンプル管に入れ、室温で５分間激しく振り混ぜた。１０分間静置し２層に分液させた後、水層及び有機層のサンプリングを行ない、ＨＰＬＣにより乳酸濃度の測定を行なった。なお、分配係数は上記記載の方法により算出した。
【００３５】
【表１】
上記結果より、乳酸発酵液のｐＨを３以下とすることで、発酵液中から粗乳酸を効率よく抽出することができることが明らかとなった。
【００３６】
実施例２ 乳酸発酵液からの精製乳酸の単離・精製
乳酸換算濃度が２０．９重量％の乳酸ナトリウム含有乳酸発酵液２，７３９g（光学純度９８．３％ ee）に９５％硫酸２７５ｇ加えてｐＨ１．０に調整した。ｐＨを調整した際に析出したタンパク質および無機塩をろ紙５ｃを用いて除去し、乳酸発酵液３，１９５gを得た。３０ｍｍ ｘ ２００ｃｍのガラス管に５ｍｍ ｘ ５ｍｍのガラス製ラシヒリングを充填し、その充填塔の上部からｐＨを調整した乳酸発酵液、下部からt-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）をそれぞれ定量ポンプで連続的にフィードし、抽出塔内で乳酸発酵液とt-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）を混合させ向流で粗乳酸の抽出を行った。抽出は室温で行い、抽出時間は４時間２０分であった。抽出に用いたt-ブチルメチルエーテル（ＭＴＢＥ）の量は１２，３４２ｇ（抽出に用いた乳酸発酵液の３．９倍量）であった。
充填塔内で分液された粗乳酸を含有するｔ-ブチルメチルエーテル溶液を塔上部から、乳酸を抽出された水層は塔下部より抜き取りを行った。抜き取った乳酸/ｔ-ブチルメチルエーテル溶液を１００℃の油浴で濃縮して５７３gの粗乳酸溶液を得た。溶液中の乳酸濃度は８０．５重量％であり、抽出工程での収率は８０．５％であった。次に、滴下ロートをつけたフラスコをあらかじめ１６０℃の油浴で熱しておき、そこへ滴下ロートから、抽出によって得られた粗乳酸溶液から１１６．８gを４５分で滴下し、０．３ｍｍＨｇで第一蒸留を行い、高沸成分を除去し、９２．５ｇの乳酸を含む留出物を得た。蒸留時のトップ温は１０８〜１２３℃であった。さらに、第一蒸留で得られた乳酸を含む留出物から３０．４ｇを用いて、０．０３ｍｍＨｇで第二蒸留を行い、トップ温５３〜７７℃の低沸成分を留出させ、２６．７ｇの精製乳酸を得た。得られた精製乳酸の濃度は９９．４重量％、光学純度は９８．３％ eeであった。乳酸換算で収率は８７．０％であった。蒸留工程での収率は８７．０％であった。
【００３７】
比較例１
乳酸濃度が３５．７重量％の乳酸発酵液３００ｇ（光学純度９８．３％ ee）をフラスコに仕込み、リービッヒ冷却管と受器を設置し単蒸留で精製し、トップ温５４〜９９℃、１０〜３１ｍｍＨｇの留分を回収し、８０．３ｇの精製乳酸を得た。乳酸の純分は９０．７重量％であった。乳酸換算で収率は６８．０％であった。光学純度は９６．２％ｅｅであった。得られた液は茶色透明、発酵由来の強い臭いが残っていた。また、蒸留残渣は炭化していた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の方法において得られる、高純度の精製乳酸は、医薬、農薬、化粧品などの化学原料として有用である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐH３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも１種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法。
【請求項２】
無機酸が、塩酸、硝酸、燐酸、または硫酸である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
乳酸が、光学活性な乳酸である請求項１または２に記載の方法。
【請求項１】
ａ）乳酸発酵液に無機酸を添加して、ｐH３以下に調整する工程と、
ｂ）前記工程で得られる乳酸発酵液から、抽出溶媒として、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、t-ブチルエチルエーテル、エチルメチルケトン、およびイソブチルメチルケトンから選ばれる少なくとも１種を用いて、粗乳酸を抽出する工程と、
ｃ）抽出工程で得られる粗乳酸から乳酸を含む留出物を留出させ、高沸成分を除去する第一蒸留工程と、
ｄ）前記工程で得られる乳酸を含む留出物から低沸成分を除去し、精製乳酸を回収する第二蒸留工程を含むことを特徴とする乳酸の単離・精製方法。
【請求項２】
無機酸が、塩酸、硝酸、燐酸、または硫酸である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
乳酸が、光学活性な乳酸である請求項１または２に記載の方法。
【公開番号】特開２０１１−１７７１５９（Ｐ２０１１−１７７１５９Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７６１４（Ｐ２０１０−４７６１４）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００１０８９９３）ダイソー株式会社 (229)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００１０８９９３）ダイソー株式会社 (229)
【Ｆターム（参考）】
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