JP3114148B2

JP3114148B2 - バイオポリエステルの製造方法

Info

Publication number: JP3114148B2
Application number: JP03254199A
Authority: JP
Inventors: 稔秋山; 義治土肥
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 2000-12-04
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: JPH0564592A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３−ヒドロキシブチレ
ート（３ＨＢ）をモノマー単位として含有する脂肪族ポ
リエステルを、微生物の生合成機能を利用して製造する
方法に関するものである。ポリ（３−ヒドロキシブチレ
ート）（ＰＨＢ）に代表される一群の微生物産生ポリエ
ステルは、石油由来の合成高分子とは異なり、微生物
や、ヒトを含めた高等動物の体内で容易に分解される性
質（生分解性）を有している。近年夥しい量の合成高分
子がプラスチック等として多方面で利用されると共に、
使用済みのプラスチックが腐らない嵩高い廃棄物として
蓄積し、自然環境の汚染を起こすことが深刻な問題とな
っている。該ポリエステルは生分解されることにより自
然の物質循環に取り込まれるので、環境保全を可能とす
るプラスチックとして利用することができる。また、医
療分野においては、回収不用のインプラント材料、薬物
担体としての利用が可能である。

【０００２】

【従来の技術】従来、多種の細菌がＰＨＢを菌体内に生
成し、粒子として蓄積することが報告されてきた〔H.Br
andl et al,Adv.Biochem. Eng./Biotechnol., 41,77-93
(1990)〕。特に、アルカリゲネス・ユートロファス（Al
caligenes eutrophus)〔特開昭５７−１５０３９３〕、
ノカルディア属（Nocardia) 、コリネバクテリウム属(C
orynebacterium) 、ロドコッカス属(Rhodococcus) のあ
る種の菌〔欧州特許90304267.9, April, 1990 〕、ロド
スピリルム・ルブルム（Rhodospirillum rubrum)〔H.Br
andl et al,Int.J.Biol.Macromol.,11,49-55(1989)〕等
は、一定の炭素源から３ＨＢと３−ヒドロキシ吉草酸
（３ＨＶ）の共重合体または３ＨＢ、３ＨＶを共に含有
成分とする共重合体を生成することが報告されている。
３ＨＢと３ＨＶの共重合体（Ｐ（ＨＢ／ＨＶ））は、硬
くて脆い欠点を有するＰＨＢの物性を改良した熱可塑性
樹脂として工業的利用が進められている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような３ＨＢ単位
含有ポリエステルを微生物によって工業的に製造する場
合、原料、特に主原料である炭素源の種類、使用炭素源
に基づく収率、該ポリエステルの乾燥菌体含有率等が重
要な成立要件となる。炭素源の種類に関しては、メタノ
ール（特開昭５６−１１７７９３）、果糖（特公平２−
２０２３８）、ぶどう糖（特開昭５７−１５０３９
３）、蔗糖（特公昭６３−３２４３８）等の利用が報告
されている。しかし、生成ポリエステルの分子量が低
い、大量の入手に難がある、使用炭素源に基づく収率が
不十分である、単独重合体ＰＨＢにのみ適用が限定され
ている、といった欠点を各々有していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために、各種の炭素源で３ＨＢ含有ポリエス
テル生産菌の培養を実施した結果、従来炭素源としての
利用が知られていない長鎖脂肪酸ないしその誘導体を必
須炭素源としてアルカリゲネス属の細菌を培養すること
により、ＰＨＢまたはＰ（ＨＢ／ＨＶ）を高い収率、高
い乾燥菌体含有率にて生成することを見出した。

【０００５】すなわち、本発明は、長鎖脂肪酸とその誘
導体からなる化合物群の少なくとも１種を必須炭素源と
する液体培地を用いて、アルカリゲネス属に属する３Ｈ
Ｂ含有ポリエステル生産菌を培養し、菌体内に３ＨＢ含
有ポリエステルを蓄積させ、これを採取する該ポリエス
テルの製造法を提供することにある。

【０００６】使用するアルカリゲネス属（Alcaligenes
）の細菌としては、A.faecalis（アルカリゲネス・フ
ェカリス）、A.denitrificans （アルカリゲネス・デニ
トリフィカンス）、A. eutrophus （アルカリゲネス・
ユートロファス）、A.paradoxus （アルカリゲネス・パ
ラドキサス）、A.aquamarinus （アルカリゲネス・アク
アマリナス）等の公知の菌種も使用可能であるが、本発
明者が分離した菌 A.lipolytica(アルカリゲネス・リポ
リティカ）ＡＫ２０１（微工研菌寄No. １２１９８）
は、この目的のために特に優れた性質を有している。上
記の公知の菌に関しては、バージーズ・マニュアル〔Be
rgey's Manual of Systematic Bacteriology,Vol.1(198
4)〕にその菌学的性質、主要な収集株が示されている。

【０００７】A.lipolytica ＡＫ２０１の菌学的性質
は、以下のとおりである。（ａ）形態学的性状 1)細胞の形及び大きさ：桿菌、０．４〜０．７×０．７
〜１．５μｍ 2)細胞の多形性：なし 3)運動性：あり 4)胞子：なし 5)グラム染色性：陰性

【０００８】（ｂ）培養性状 1)肉汁寒天平板培養：白色、生育良好 2)肉汁寒天斜面培養：白色、生育良好 3)肉汁液体培養：クリーム色、生育良好

【０００９】（ｃ）生理学的性質 1)硝酸塩の還元：陰性 2)脱窒反応：陰性 3)インドールの生成：陰性 4)クエン酸の利用：陽性 5)無機窒素源の利用：陽性 6)色素の生成：陰性 7)ウレアーゼ：陽性 8)オキシダーゼ：陽性 9)カタラーゼ：陽性 10)生育温度およびｐＨ：２０〜３７℃、ｐＨ６〜８ 11)酸素に対する態度：好気性 12)Ｏ−Ｆテスト：陰性（アルカリ性反応を示した） 13)グルコースからの酸生成：陰性 14)ゼラチンの分解：陰性 15)糖の資化性：Ｄ−グルコース、Ｌ−アラビノース、
Ｄ−マンノース、Ｄ−マンニトール、麦芽糖に対し全て
陰性

【００１０】本菌は、以上のとおり好気性、グラム陰
性、非発酵性、運動性桿菌であり、オキシダーゼ陽性、
Ｏ−Ｆテスト陰性等の他の菌学的性質を勘案してアルカ
リゲネス属に属すると同定されたものである。なお、菌
学的性質の試験は駒形和男〔長谷川武治（編）、微生物
の分類と同定（１９９０）；好気性細菌〕、ザ・プロカ
リオーツ第１巻〔The Procaryotes ；A Handbook on Ha
bitats,Isolation and Identification of Bacteria,(E
d.) M.P.Starr et al (1981 ）〕に記載の方法にて行っ
た。また、菌の同定にはバージーズ・マニュアル〔 Ber
gey'ｓ ManualofSystematic Bacteriology,Vol.1(198
4）〕にしたがった。

【００１１】本菌の菌学的性質、資化性をアルカリゲネ
ス属の既存菌種に関する性質、資化性との比較を表１〜
３に示した。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【表２】

【００１４】

【表３】

【００１５】以上の如き照合の結果、本菌はアルカリゲ
ネス属に属する新種の菌と判定した。また、生育および
ポリエステル合成に対し、炭素源として油脂および長鎖
脂肪酸を良く資化することを特徴とするのでA.lipolyti
caと命名した。

【００１６】本発明に用いる長鎖脂肪酸とは、炭素数１
１〜２２までの直鎖脂肪酸を意味する。好ましくは、炭
素数１１〜１８までのものである。また、長鎖脂肪酸の
誘導体には、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等の金属塩
とアンモニウム塩、炭素数１〜３までのアルキルアルコ
ール、アルキレングリコール、グリセロールのモノまた
はポリエステル、およびアミド（−ＣＯＮＨ₂）が含ま
れる。特に、長鎖脂肪酸のトリグリセライドあるいはそ
の混合物である油脂が、該誘導体に含まれることは言う
までもない。

【００１７】また、本発明に記述する“必須炭素源”と
は、３ＨＢ含有ポリエステルの蓄積、または該ポリエス
テルの蓄積のみでなく菌体そのものの増殖をも誘起する
炭素源であって、しかも、本発明の該ポリエステル製造
に必ず使用されるものを意味する。したがって、単に菌
体を増殖させるために増殖に有効な他の炭素源のみを使
用することを排除するものではない。

【００１８】本発明で製造される３ＨＢ含有ポリエステ
ルは、３ＨＢの単独重合体（ＰＨＢ）または３ＨＢと３
ＨＶとの共重合体（Ｐ（ＨＢ／ＨＶ））である。いずれ
のポリエステルが生成するかは、使用する炭素源の分子
構造に依存することが判明した。例えば、炭素源として
偶数炭素数の長鎖脂肪酸とその誘導体からなる１群中の
化合物のみで該菌株を培養し、菌体の増殖とポリエステ
ルの蓄積を誘起した場合は、ＰＨＢまたはＰ（ＨＢ／Ｈ
Ｖ）が生成する。一方、炭素源として奇数炭素数の長鎖
脂肪酸とその誘導体からなる１群中の化合物のみで該菌
体を同様に培養した場合、Ｐ（ＨＢ／ＨＶ）を生成す
る。また、偶数炭素数、奇数炭素数の上記各群中の化合
物を併用した場合もＰ（ＨＢ／ＨＶ）を生成する。生成
ポリエステルの種類は、上記のように、使用する必須炭
素源に依存するばかりでなく、ポリエステル生成に利用
される付加的な炭素源にも依存する。すなわち、偶数炭
素数の上記の１群中の化合物を必須炭素源とし、付加的
な炭素源として、前記化１式で示される化合物群の少な
くとも１種を併用した場合、Ｐ（ＨＢ／ＨＶ）を生成す
る。

【００１９】ポリエステル製造のための菌の培養は、液
体培地中にて行う。培養温度は２０〜４０℃、好ましく
は２４〜３３℃である。培養の初発ｐＨは６．０〜８．
０、好ましくは６．５〜７．５である。液体培地には、
合成、半合成、天然の培地を含め各種のものを用いるこ
とができる。無機培地を用いる場合には、そこに炭素源
の１種または複数種を加えて培養する。

【００２０】菌体の増殖とポリエステルの蓄積の各進行
時期の前後関係から、操作上２種の培養方式に大別され
るが、本発明においては、両方の培養方式を目的に応じ
て使い分けることができる。そのうち、１段培養方式で
は、長鎖脂肪酸とその誘導体からなる化合物群中の少な
くとも１種を炭素源に用いて培養を行い、菌体増殖とポ
リエステルの蓄積を生起させる。この際、菌体の増殖を
促進するか、かつ（または）生成ポリエステルの特性を
制御するために付加的な炭素源を用いてもよい。もう一
方の２段培養方式では、１段目（前段）で専らまたは主
として菌体の増殖を生起させ、回収した菌体を２段目
（後段）の培地に投入して再び培養するが、後段では専
らまたは主としてポリエステルの蓄積を生起させる。し
たがって、２段培養で用いられる炭素源は、前段におい
ては菌体増殖に有利な炭素源を用い、後段においては長
鎖脂肪酸とその誘導体からなる化合物群中の少なくとも
１種を単独で、または付加的な炭素源と共に用いる。２
段培養の後段では、菌体増殖を抑制し、ポリエステル生
成を促進するために、必須栄養源の少なくとも１種、例
えば、窒素源や燐源を減量または全く除いて培養するの
が有利である。

【００２１】菌体の増殖やポリエステルの蓄積に有効な
付加的な炭素源には、各種の化合物や天然物由来にもの
が利用できる。そのような例としては、炭素数２〜１０
までの直鎖脂肪酸；クエン酸、グルコン酸、コハク酸、
グルタール酸、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン
酸、乳酸等の有機酸；メタノール、エタノール、グリセ
ロール等のアルコール；グルコース、フルクトース、蔗
糖等の糖類；ｎ−オクタン、ｎ−ノナン等の直鎖脂肪族
炭化水素等が挙げられる。既述の化１式の化合物も、付
加的な炭素源に含まれることは言うまでもない。また、
各種のアミノ酸、ポリペプトン、肉エキス、カザミノ
酸、酵母エキス、糖蜜等の含窒素有機栄養源は、２段培
養の前段における炭素源として適当である。

【００２２】培地中の窒素源としては、無機アンモニウ
ム塩、例えば、燐酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、
塩酸アンモニウム等、また、前記したアミノ酸類、含窒
素有機栄養源、および有機酸アンモニウム、有機酸アミ
ドが用いられる。無機イオンとしては、ナトリウム、カ
リウム、マグネシウム、カルシウム、塩素、硫酸、燐酸
の他、微量の鉄、マンガン、亜鉛、銅、コバルト等が全
て、または一部と組み合わせて用いられる。

【００２３】培養終了後は、遠心分離、濾過などにより
菌体を集める。１段培養では、この後、そのままポリエ
ステル分離のための菌体処理をする。例えば、集めた菌
体を蒸留水で洗浄後、凍結乾燥によって乾燥菌体を得
る。次いで、該菌体からポリエステルをクロロホルム等
の良溶媒で加熱下に抽出し、濃縮後、メタノール、ヘキ
サンなどの貧溶媒で再沈澱することによりポリエステル
を得る。２段培養の場合は、集めた菌体を後段の培地中
に投入し、再び培養を行う。後段培養終了後の集菌、菌
体処理、ポリエステル分離は、既述の方法にしたがって
行われる。

【００２４】

【実施例】以下に、アルカリゲネス・リポリティカＡ
Ｋ２０１を用いた３ＨＢ含有ポリエステルの製造を実施
例をもって説明する。

【００２５】実施例１〜４アルカリゲネス・リポリティカＡＫ２０１を表４に
示す組成の無機培地１００mlに炭素源として各々ウンデ
カン酸（実施例１）、ペンタデカン酸（実施例２）、ス
テアリン酸ナトリウム（実施例３）、菜種油（実施例
４）を３ｇ／ｌの割合で加えた液体培地を含む５００ml
容積の坂口フラスコに無菌的に植菌後、３０℃、４８時
間、毎分１３０ストロークで振盪培養した。

【００２６】

【表４】ただし、微量元素溶液は１Ｍ塩酸１ｌに次の各無機塩を
溶解したものである：ＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ（２．７８ｇ）、ＭｎＣｌ₂・４
Ｈ₂Ｏ（１．９８ｇ）、ＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ（２．８
１ｇ）、ＣａＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ（１．６７ｇ）、ＣｕＣ
ｌ₂・２Ｈ₂Ｏ（０．１７ｇ）、ＺｎＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ
（０．２９ｇ）。

【００２７】培養終了後、培養液を遠心分離（８０００
ｒｐｍ，１５分）し、水洗を経て集菌した。菌体を凍結
乾燥して乾燥菌体を得た。菌体中に蓄積したポリエステ
ルは、乾燥菌体から熱クロロホルムで抽出後、溶液を濃
縮し、ヘキサンを加えて沈澱させた。沈澱を濾過、乾燥
してポリエステルを得た。

【００２８】ポリエステルの分析には、組成決定のため
にガスクロマトグラフィー、融点、融解熱、ガラス転移
温度の測定に示差熱分析、分子量、分子量分布の決定に
ゲル濾過クロマトグラフィーを利用した。なお、ガスク
ロマトグラフィーには、乾燥菌体をメタノリシスして菌
体内ポリエステルをモノマーのメチルエステルとしたも
のを試料に用いた〔H.Brandl et al,Int.J.Biol.Macrom
ol.,11,49-55(1989)〕。また、ポリエステルの分析は、
以下の実施例においても同様にして行った。

【００２９】上記実施例１〜４のポリエステル生合成の
結果を表５に示す。

【表５】

【００３０】実施例５〜７ラード（豚油）（実施例５）、オリーブ油（実施例
６）、ラウリン酸エチル（実施例７）を唯一の炭素源と
して、実施例１〜４と同様に培養を行った後、生成ポリ
エステルを分析した。

【００３１】実施例５〜７のポリエステル生合成の結果
を表６に示す。

【表６】

【００３２】実施例８必須炭素源として菜種油２ｇ／ｌ、付加的炭素源として
プロピオン酸ナトリウム１ｇ／ｌを併用する以外は、実
施例１〜４と同様の条件で７２時間培養した後、生成ポ
リエステルを分析した。その結果、乾燥菌体重量は１．
９ｇ／ｌ、ポリエステル含有率２２％で、該ポリエステ
ルの組成は３ＨＢ９４％、３ＨＶ６％であった。また、
融点は１５３℃であった。

【００３３】実施例９ポリペプトン１０ｇ、肉エキス５ｇ、酵母エキス１０
ｇ、（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄５ｇを水１ｌに溶解した培地の
１００mlを含む坂口フラスコに該菌株を無菌的に植菌
後、３０℃、２４時間振盪培養した。培養終了後、培養
液を遠心分離（８０００ｒｐｍ，１０分）して菌体を集
め、これを後段の培地（表４の無機培地から（ＮＨ₄）
₂ＨＰＯ₄を除き、炭素源を加えたものを使用）１００
mlに投入して、３０℃、４８時間振盪培養した。炭素源
には、必須炭素源としてパルミチン酸ナトリウム３ｇ／
ｌ、付加的炭素源としてｎ−ノニル酢酸２ｇ／ｌを用い
た。培養後、生成ポリエステルを分析した。その結果、
乾燥菌体重量は７．４ｇ／ｌ、ポリエステル含有率４６
％で、該ポリエステルの組成は３ＨＢ８７％、３ＨＶ１
３％であった。また、融点は１３４℃であった。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、天然に豊富な油脂や、
長鎖脂肪酸から効率よく生分解性、熱可塑性の該ポリエ
ステルを生産することができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素数１１〜２２までの長鎖脂肪酸、お
よびその誘導体であるＮａ ⁺ 、Ｋ ⁺ 、Ｃａ ²⁺ またはＭｇ
²⁺ の金属塩とアンモニウム塩、炭素数１〜３までのアル
キルアルコール、アルキレングリコール、グリセロール
のモノまたはポリエステル、およびアミド（−ＣＯＮＨ
₂ ）、さらには長鎖脂肪酸のトリグリセライドあるいは
その混合物である油脂からなる化合物群の少なくとも１
種を必須炭素源とする液体培地を用いて、アルカリゲネ
ス属に属する３−ヒドロキシブチレート含有ポリエステ
ル生産菌を培養し、菌体内に３−ヒドロキシブチレート
含有ポリエステルを蓄積させ、これを採取することを特
徴とするバイオポリエステルの製造法。
【請求項２】必須炭素源が奇数炭素数であり、炭素数
１１〜２２までの長鎖脂肪酸、およびその誘導体である
Ｎａ ⁺ 、Ｋ ⁺ 、Ｃａ ²⁺ またはＭｇ ²⁺ の金属塩とアンモニ
ウム塩、炭素数１〜３までのアルキルアルコール、アル
キレングリコール、グリセロールのモノまたはポリエス
テル、およびアミド（−ＣＯＮＨ ₂ ）、さらには長鎖脂
肪酸のトリグリセライドあるいはその混合物である油脂
からなる化合物群の少なくとも１種であり、ポリエステ
ルが３−ヒドロキシブチレートと３−ヒドロキシ吉草酸
の共重合体である請求項１記載の製造法。
【請求項３】必須炭素源が偶数炭素数であり、炭素数
１１〜２２までの長鎖脂肪酸、およびその誘導体である
Ｎａ ⁺ 、Ｋ ⁺ 、Ｃａ ²⁺ またはＭｇ ²⁺ の金属塩とアンモニ
ウム塩、炭素数１〜３までのアルキルアルコール、アル
キレングリコール、グリセロールのモノまたはポリエス
テル、およびアミド（−ＣＯＮＨ ₂ ）、さらには長鎖脂
肪酸のトリグリセライドあるいはその混合物である油脂
からなる化合物群の少なくとも１種であり、ポリエステ
ルがポリ（３−ヒドロキシブチレート）または３−ヒド
ロキシブチレートと３−ヒドロキシ吉草酸の共重合体で
ある請求項１記載の製造法。
【請求項４】偶数炭素数であり、炭素数１１〜２２ま
での長鎖脂肪酸、およびその誘導体であるＮａ ⁺ 、
Ｋ ⁺ 、Ｃａ ²⁺ またはＭｇ ²⁺ の金属塩とアンモニウム塩、
炭素数１〜３までのアルキルアルコール、アルキレング
リコール、グリセロールのモノまたはポリエステル、お
よびアミド（−ＣＯＮＨ ₂ ）、さらには長鎖脂肪酸のト
リグリセライドあるいはその混合物である油脂からなる
化合物群の少なくとも１種を必須炭素源とし、下記化１【化１】ＣＨ₃（ＣＨ₂）_2n-1Ｘ（式中、ＸはＣＯＲまたはＣＨ₂ＯＲ’を表わし、Ｒは
水素、メトキシまたはエトキシ、Ｒ’は水素、アセチル
またはプロピオニル、ｎは１〜４の整数を表わす。）で
示される化合物群の少なくとも１種を付加的炭素源とす
る液体培地を用いて、アルカリゲネス属に属する３−ヒ
ドロキシブチレート含有ポリエステル生産菌を培養し、
菌体内に３−ヒドロキシブチレートと３−ヒドロキシ吉
草酸の共重合体を蓄積させ、これを採取することを特徴
とするバイオポリエステルの製造法。
【請求項５】必須炭素源が炭素数１１〜２２までの長
鎖脂肪酸のトリグリセライドまたはその混合物である請
求項１ないし４のいずれかに記載の製造法。