説明

脂肪酸アルキルエステルの製造方法

【課題】グリセリン除去や廃水処理の工程を別途必要とせずに、高収率でかつ簡便に脂肪酸アルキルエステルを製造することができる脂肪酸アルキルエステルの製造方法を提供する。
【解決手段】トリグリセリドを含む油脂とアルキルカーボネートをリパーゼ存在下において反応させて脂肪酸アルキルエステルを製造する方法であって、前記リパーゼは、有機溶媒存在下で固定化処理された固定化リパーゼである。前記リパーゼは、アルカリジェネス種起源のリパーゼであることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、石鹸の製造原料や高級アルコールなどの合成原料などとして有用な脂肪酸アルキルエステルの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
脂肪酸アルキルエステルは、石鹸の製造原料、また高級アルコール若しくは界面活性剤などの合成原料などとして広く工業的に利用されており、例えば脂肪酸グリセリドとメタノールをアルカリ触媒存在下でエステル交換反応を行うことによって製造することができる(特許文献1)。
【特許文献1】特開昭56−120799号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、トリグリセリドとメタノールのエステル交換反応よって、脂肪酸アルキルエステルを製造する方法は、大量の副生グリセリンの除去や処理する工程、使用した触媒を水洗除去した廃水処理などを別途必要とし、製造コストが高くなるという問題がある。
【0004】
そこで、本発明は、グリセリン除去や廃水処理の工程を別途必要とせずに、高収率でかつ簡便に脂肪酸アルキルエステルを製造することができる脂肪酸アルキルエステルの製造方法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】
【0005】
以上の目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、アルキル化剤としてアルキルカーボネートを使用し、有機溶媒中で固定化されたリパーゼを触媒として用いることにより前記課題を解決した。すなわち、本発明は、トリグリセリドを含む油脂とアルキルカーボネートをリパーゼ存在下において反応させて脂肪酸アルキルエステルを製造する方法であって、前記リパーゼは、有機溶媒存在下で固定化処理された固定化リパーゼであることを特徴とする脂肪酸アルキルエステルの製造方法である。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、グリセリン除去や廃水処理の工程を別途必要とせずに、高収率でかつ簡便に脂肪酸アルキルエステルを製造することができる脂肪酸アルキルエステルの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法において用いられるトリグリセリドを含む油脂としては、植物油や動物油等の天然油脂に含まれるものや化学的に合成されたものなど様々のものを用いることができる。主にステアリン酸、パルミチン酸、オレイン酸、リノール酸の4種類からなる。特にバイオマスであることが好ましい。また、このトリグリセリドは、精製されたものであっても良く、未精製のものを直接使用しても良い。植物油および動物油としては、魚油、牛脂や豚脂等の獣油、サフラワー油、ひまわり油、アマニ油、大豆油、ナタネ油、綿実油、オリーブ油、パーム油、コーン油、ゴマ油、ヒマシ油、米油等の植物油等がある。これらの油脂は1種のみを使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。さらに、これらの油脂は天ぷら油等の廃食油であっても良い。この中で、分析や入手の容易さや価格等からナタネ油、パーム油、大豆油、米油が好適に用いられる。
【0008】
本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法において用いられるアルキルカーボネートとしては、ジメチルカーボネート(炭酸ジメチル)、ジエチルカーボネート(炭酸ジエチル)、ジプロピルカーボネートなどの対称カーボネートやメチルエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネートのような非対称カーボネートなどを用いることが好ましい。この中で、入手の容易さの観点から、ジメチルカーボネートが特に好ましい。使用するアルキルカーボネートの使用量は、トリグリセリドを含む油脂1モルに対して1〜50モル、好ましくは、1.5〜10モルである。
【0009】
本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法において、固定化とは、リパーゼを凝集剤とグルタルアルデヒドなどの架橋剤で架橋する架橋凝集体を形成することや、多孔性ポリプロピレン担体などの固定化坦体にリパーゼを物理吸着させることをいう。リパーゼ触媒の固定化処理には、有機溶媒を沈殿剤として用いる。これにより、水溶液中で調製した固定化酵素に比べて、脂肪酸アルキルエステルの反応速度を向上させることができ、生産面で有利である。有機溶媒としては、アセトン、1,2−ジメトキシエタン、エタノールなどが挙げられる。また、固定化には、必要に応じてpH緩衝液を使用しても良い。pH緩衝液としては、りん酸二水素カリウム/水酸化ナトリウム水溶液などが挙げられる。
【0010】
固定化処理において、架橋凝集体を形成する場合、添加剤としては、ジベンゾ−18−クラウン−6(CR)などの大環状エーテル類, polyoxyethylene-p-isooctylphenol (Toriton X−100)などの非イオン系界面活性剤,ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)などの陰イオン系界面活性剤などが用いられる。固定化処理において、物理吸着する場合、固定化坦体として多孔性ポリプロピレン担体Accurel MP1000(MEMBRANA製)が好適に用いられる。
【0011】
本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法において、リパーゼとしては、アルカリジェネス種(Alcaligenes sp)起源のリパーゼを用いることが好ましい。アルカリジェネス種起源のリパーゼを固定化処理された固定化リパーゼを用いることにより、粉末のアルカリジェネス種起源のリパーゼに比べてエステル交換反応速度を向上させることができる。固定化されたアルカリジェネス種起源のリパーゼの使用量は、トリグリセリドを含む油脂1ミリモルに対して25〜100mg、好ましくは50〜100mgである。
【0012】
エステル交換反応の反応温度は、5〜60℃、好ましくは25〜50℃、特に好ましくは40〜50℃である。このように反応温度を低温で処理できるので、熱エネルギーコストを低減することができる。反応時間は、通常3〜120好ましくは24〜72時間である。反応は、無溶媒で行うことができるが、ノルマルヘキサンなどエステル交換反応を阻害しない有機溶媒中でも行うことができる。
【0013】
本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法は、有機溶媒存在下で固定化処理されたリパーゼを用いることによって反応速度を向上させることができるので、製造コストを抑えることができる。また、本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法は、アルカリ触媒を使用していないため、使用した触媒の水洗い除去などを必要とせず、後処理が簡易である。
【0014】
本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法において製造される脂肪酸アルキルエステルは、脂肪酸アルキルエステルの他に、モノグリセリドやジグリセリド等のグリセリン誘導体(GDs)を含む。これらの混合物は、高品質の石鹸や高級アルコールの原料など様々な用途として使用することができる。
【0015】
なお、本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法において、原料であるトリグリセリドを含む油脂として、廃油等を用いる場合には、予めフィルタープレス等の既知の濾過機を用いて不純物を除去することが好ましい。この際、活性白土、珪藻土、ゼオライト、活性炭、酸性白土、ベントナイト、シリカ系吸着剤、シリカ−アルミナ化合物、炭酸カルシウム、骨灰、パーライト、セルロース、マグネシア、アルミナ、石膏等の既知の濾材を用いることもできる。この濾材の量は、廃油の種類や廃油中に含有される不純物の量等に応じて適宜設定することができる。
【0016】
本発明で使用される固定化リパーゼは、反応終了後に脂肪酸アルキルエステルから分離され、繰り返し使用することができる。
【実施例】
【0017】
[トリグリセリドを含む油脂]
次に、本発明に係る脂肪酸アルキルエステルの製造方法の実施例について説明する。本実施例に係る脂肪酸アルキルエステルにおいて、原料のトリグリセリド(TG)を含む油脂としては、米油(築野食品工業(株)製、比重:0.917ml/g、ケン化価(分子量):898)を用いた。米油の構成脂肪酸含有率を表1に示す。
【0018】
【表1】

【0019】
[固定化リパーゼの調製]
[固定化リパーゼ1]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を250mgを25mL遠心分離管に入れ、(pH 7、100 mM)KHPO/NaOH Buffer 5mLを加え溶解させた。沈殿剤としてアセトン15mLを入れて、25%(W/V)グルタルアルデヒド水溶液((株)関東化学)400μLを加えた。その混合物を4℃、17h、攪拌した。アセトン5mL加え、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。次いでデカントし、残査をアセトン25mLで洗浄して、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。この操作をあと2回繰り返して、乾燥させた。
【0020】
[固定化リパーゼ2]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を250mgを25mL遠心分離管に入れ、(pH 7、100 mM)KHPO/NaOH Buffer 5mLを加え溶解させた。沈殿剤として1,2−ジメトキシエタン15mLを入れて、25%(W/V)グルタルアルデヒド水溶液((株)関東化学)400μLを加えた。その混合物を4℃、17h、攪拌した。1,2−ジメトキシエタン5mL加え、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。次いでデカントし、残査を1,2−ジメトキシエタン25mLで洗浄して、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。この操作をあと2回繰り返して、アセトンで乾燥させた。
【0021】
[固定化リパーゼ3]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を250mgを25mL遠心分離管に入れ、(pH 7、100 mM)KHPO/NaOH Buffer 5mLを加え溶解させた。添加剤としてジベンゾ−18−クラウン−6(CR)(日本曹達(株))11.5mgを加え、さらに沈殿剤として1,2−ジメトキシエタン15mLを入れて、25%(W/V)グルタルアルデヒド水溶液((株)関東化学)400μLを加えた。その混合物を4℃、17h、攪拌した。1,2−ジメトキシエタン5mL加え、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。次いでデカントし、残査を1,2−ジメトキシエタン25mLで洗浄して、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。この操作をあと2回繰り返して、アセトンで乾燥させた。
【0022】
[固定化リパーゼ4]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を250mgを25mL遠心分離管に入れ、(pH 7、100 mM)KHPO/NaOH Buffer 5mLを加え溶解させた。沈殿剤として固体の硫酸アンモニウム2.75g、KHPO/NaOH Bufferの55%(W/V)硫酸アンモニウム溶液5mL、25%(W/V)グルタルアルデヒド水溶液((株)関東化学)400μLを加えた。その混合物を4℃、17h、攪拌した。水15mL加え、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。次いでデカントし、残査を水25mLで洗浄して、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。この操作をあと2回繰り返して、アセトンで乾燥させた。
【0023】
[固定化リパーゼ5]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を250mgを25mL遠心分離管に入れ、添加剤としてSDS(東京化成工業(株))125mg 溶かした(pH 7、100 mM)KHPO/NaOH Buffer 5mLを加え溶解させた。KHPO/NaOH Bufferの55%(W/V)硫酸アンモニウム溶液5mL、25%(W/V)グルタルアルデヒド水溶液((株)関東化学)400μLを加えた。その混合物を4℃、17h、攪拌した。水15mL加え、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。次いでデカントし、残査を水25mLで洗浄して12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。この操作をあと2回繰り返して、アセトンで乾燥させた。
【0024】
[固定化リパーゼ6]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を250mgを25mL遠心分離管に入れ、添加剤としてTriton X−100(SIGMA ALDRICH, Inc.)117μL溶かした(pH 7、100 mM)KHPO/NaOH Buffer 5mLを加え溶解させた。KHPO/NaOH Bufferの55%(W/V)硫酸アンモニウム溶液5mL、25%(W/V)グルタルアルデヒド水溶液((株)関東化学)400μLを加えた。その混合物を4℃、17h、攪拌した。水15mL加え、12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。次いでデカントし、残査を水25mLで洗浄して12,000rpm、4℃、5min遠心分離した。この操作をあと2回繰り返して、アセトンで乾燥させた。
【0025】
[固定化リパーゼ7]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株)製)粉末を1g、20mLの0.1Mリン酸バッファーに溶解させた。Accurel(MEMBRANA製)1gを3mL脱水エタノールで湿らした。リパーゼ溶液をAccurelに加え、室温で一晩中振とうさせた。水で数回洗浄しろ過した。次いで、アセトンで洗浄した。脱水エタノールの調製方法は次のとおりである。500mL丸底フラスコに5gのマグネシウムを入れ、脱水エタノールを60mL加えた。マントルヒーターで加熱すると反応が進みケークが出来た。ケークが出来たら、市販のエタノール400mLを加え還流する。24h後、蒸留した。
【0026】
[脂肪酸アルキルエステルの測定法]
反応後の脂肪酸アルキルエステルの含有率は、イアトロスキャン(TLC−FID)((株)三菱化学ヤトロンMK−5型)によるシンクロマトグラフィーにより測定した。測定条件を表2に示す。尚、クロマロッドはSIIIシリカゲル焼結薄層棒、細孔径は60オングストローム、粒度は5μmである。
【0027】
【表2】

【0028】
脂肪酸メチルエステルの収率は、ステアリン酸メチル、パルミチン酸メチル、オレイン酸メチル、リノレン酸メチルおよびリノール酸メチルの合計量とした。ステアリン酸メチル、パルミチン酸メチル、オレイン酸メチル、リノレン酸メチルおよびリノール酸メチルのピークの保持時間は、標準品で決定した(ステアリン酸メチル,パルミチン酸メチル:0.07〜0.130min、オレイン酸メチル,リノレン酸メチル,リノール酸メチル:0.150〜0.250min)。
【0029】
[参考例1]リパーゼの供給量の検討
リパーゼの供給量を変えてエステル交換反応を実施した。ねじ蓋付き試験管(15mL)に、アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株))粉末を50、100,150、200mg、米油2mL(2.0mmol)、ジメチルカーボネート(宇部興産(株)製、以下「DMC」と略す)3mL(35.7mmol)を加え、よく攪拌した。50℃の恒温振とう器(アズワン(株)SI−300型)に設置し、反応を開始させた。120時間後に、反応液を30μLサンプリングし、遠心分離機(久保田製作所(株)、KUBOTA1130)で遠心分離し(12000rpm、5min)、上澄み液をデカンテーションして反応液を得た。その後、ヘキサン4mL、水5mLを加え、良く振り混ぜて抽出洗浄した。有機相に無水硫酸ナトリウムを加え、混入した水分を取り除いた。空焼きが終わったクロマロッドにマイクロシリンジを用いて試料をスポッティングした(8〜10滴)。展開槽に展開溶媒(ヘキサン:ジエチルエーテル:酢酸=97:3:0.5)70mLを注ぎ、蒸気を展開槽に充満させた後に、スポッティングしたクロマロッドを漬けた(20〜25min)。クロマロッドを展開溶媒から引き上げ、ロッドドライヤー(ダイアヤトロン(株)、TK−8)を使って120℃、5minで溶媒を除去した。イアトロスキャンによるシンクロマトグラフィーにより脂肪酸メチルエステル(以下「FAME」と略す)の転化率と収率を求めた。アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株)製)粉末が50、100、150、200mgにおけるFAMEの収率は、それぞれ37.2、83.3、84.5、88.8%であった。尚、DMCに基質阻害は認められなかった。
【0030】
[参考例2]アルキルカーボネートの供給量の検討
参考例1において、アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株)製)粉末を200mgし、米油2mLに対するDMCの供給量を,溶媒あり(DMC/ヘキサン)の場合0.125mL/2.875mL、0.25mL/2.75mL、0.5mL/2.5mL、1mL/2mL、2mL/1mL、あるいは溶媒なし(DMCのみ)の場合1,2,3mLのように変化させた以外は、参考例1と同様な条件でエステル交換反応を行った。その結果、DMCの供給量を溶媒あり(DMC/ヘキサン)の場合0.125mL/2.875mL、0.25mL/2.75mL、0.5mL/2.5mL、1mL/2mL、2mL/1mL、あるいは溶媒なし(DMCのみ)の場合1,2、3mLにおけるFAMEの収率は、それぞれ27.2、45.9、70.4、81.1、87.1、86.0、86.3、88.8%であった。
【0031】
[実施例1]
ねじ蓋付き試験管(15mL)に、上記で得た固定化リパーゼ1を200mg、米油2mL(2.0mmol)、DMC3mL(35.7mmol)を加え、よく攪拌した。50℃の恒温振とう器(アズワン(株)SI−300型)に設置し、反応を開始させた。24、48、72、96、120時間後に、反応液を30μLサンプリングし、遠心分離機(久保田製作所(株)、KUBOTA1130)で遠心分離し(12000rpm、5min)、上澄み液をデカンテーションして反応液を得た。その後、ヘキサン4mL、水5mLを加え、良く振り混ぜて抽出洗浄した。有機相に無水硫酸ナトリウムを加え、混入した水分を取り除いた。空焼きが終わったクロマロッドにマイクロシリンジを用いて試料をスポッティングした(8〜10滴)。展開槽に展開溶媒(ヘキサン:ジエチルエーテル:酢酸=97:3:0.5)70mLを注ぎ、蒸気を展開槽に充満させた後に、スポッティングしたクロマロッドを漬けた(20〜25min)。クロマロッドを展開溶媒から引き上げ、ロッドドライヤー(ダイアヤトロン(株)、TK−8)を使って120℃、5minで溶媒を除去した。イアトロスキャンによるシンクロマトグラフィーによりFAMEの転化率と収率を求めた。その結果を表3に示す。ここで、表3中、GDsはモノグリセリド、ジグリセリド、グリセリンカーボネートなどのグリセリン誘導体を示す。ここで、図1として反応途中のイアトロスキャンによるシンクロマトグラフィーのチャートを示す。ここでは、保持時間が0.02〜0.30分をFAME、0.31〜0.36分をトリグリセリド、0.37〜0.5min程度のピークをGDsとしている。
【0032】
[実施例2および実施例3]
固定化リパーゼ1を固定化リパーゼ2および3に変更した以外は、実施例1と同様な条件でエステル交換反応を行った。その結果を表3に示す。
【0033】
[比較例1乃至3]
固定化リパーゼ1を固定化リパーゼ4乃至6に変更した以外は、実施例1と同様な条件でエステル交換反応を行った。その結果を表3に示す。この結果、有機溶媒存在下で固定化処理されたリパーゼのほうが水溶液中で固定化処理されたものに比べてエステル交換反応の速度が向上することが明らかとなった。
【0034】
[実施例4]
固定化リパーゼ1を固定化リパーゼ7に、固定化リパーゼ7の供給量を500mgに変更した以外は実施例1と同様な条件でエステル交換反応を行った。その結果を表3に示す。実施例4においては、実施例1乃至3と比較して格段にエステル交換反応の速度が向上することが明らかとなった。
【0035】
[参考例3]
アルカリジェネス種起源のリパーゼ(QLMリパーゼ,名糖産業(株)製)粉末を固定化処理することなく、そのままエステル交換反応に用いた以外は、実施例1と同様な条件でエステル交換反応を行った。その結果を表3に示す。この結果、リパーゼを固定化処理した実施例1乃至4のほうが反応速度が向上することが明らかとなった。
【0036】
【表3】

【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明における反応途中のイアトロスキャンによるシンクロマトグラフィーのチャートである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
トリグリセリドを含む油脂とアルキルカーボネートをリパーゼ存在下において反応させて脂肪酸アルキルエステルを製造する方法であって、前記リパーゼは、有機溶媒存在下で固定化処理された固定化リパーゼであることを特徴とする脂肪酸アルキルエステルの製造方法。
【請求項2】
前記リパーゼは、アルカリジェネス種起源のリパーゼである請求項1記載の脂肪酸アルキルエステルの製造方法。

【図1】
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【公開番号】特開2009−219417(P2009−219417A)
【公開日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−66714(P2008−66714)
【出願日】平成20年3月14日(2008.3.14)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成20年3月6日社団法人化学工学会発行の「第73年会(2008)化学工学会」研究発表講演要旨集において発表
【出願人】(304020177)国立大学法人山口大学 (579)
【出願人】(000000206)宇部興産株式会社 (2,022)
【Fターム(参考)】