CN1464864A - 凝聚剂及凝聚方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通过对γ－聚谷氨酸进行物理改性，提供投入量小、凝聚活性效率高的凝聚剂。即本发明中的凝聚剂以γ－聚谷氨酸或γ－聚谷氨酸盐放射线交联体为主要成分，特别是将γ－聚谷氨酸产生菌产生的安全的γ－聚谷氨酸进行放射线交联。还可以对培养γ－聚谷氨酸产生菌的所得培养物进行放射线照射。分子量1000万以上的γ－聚谷氨酸或γ－聚谷氨酸盐放射线交联体具有特别高的凝聚活性。γ－聚谷氨酸本身就是一种食品，所以可保证凝聚剂的安全性，不仅可作为下废水处理的凝聚剂，也能安全地用作食品加工、发酵工业和上水道处理等领域的凝聚剂。

Description

凝聚剂及凝聚方法
技术领域
本发明涉及上水道、食品制造、发酵工业、下水处理、废水处理等领域使用的凝聚剂，更详细地是涉及以γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分，在被处理液中投入少量凝聚剂即可显示高效凝聚活性，而且对环境、生物尤其对人体无害的凝聚剂或凝聚方法。
背景技术
以往下废水处理使用的凝聚剂，多使用聚丙烯酰胺等合成高分子凝聚剂。但这种凝聚剂放到环境中难以分解而有在环境中积累的倾向，而且其单体有毒。
因此，这种合成高分子凝聚剂只用于下废水处理，不能作为上水道、食品产业、发酵工业等领域的凝聚剂。而且，在环境净化的趋势下，即使对下废水处理也正在研究比较安全的新型凝聚剂。
其中，特开平8-257306号介绍了一种由γ-聚谷氨酸得到的凝聚剂。这种谷氨酸是纳豆粘丝成分，换句话说，它本身就是一种食品。因此，这种γ-聚谷氨酸对人体无害，同时也是具有利用微生物的生物降解性的极其安全的物质。
这种安全的γ-聚谷氨酸具有凝聚活性的发现对于凝聚领域来说具有划时代的意义。γ-聚谷氨酸的本身就是一种食品，所以不仅可作为下废水处理的凝聚剂，也可作为上水道、食品产业、发酵工业等人体摄取领域的凝聚剂。
γ-聚谷氨酸具有生物降解性，即使放到环境，由微生物分解成水、二氧化碳，不会在环境中积累。而且γ-聚谷氨酸即使残留在水道水、食品和发酵物中，也对人体无害，非常安全。
发明要解决的课题
从前述特开平8-257306号公报中可知，γ-聚谷氨酸具有如此优良的性质，但是作为凝聚剂尚存在投入量及凝聚活性不够充分的问题。
尤其是，前述公开文本中图2显示γ-聚谷氨酸浓度为20mg/L左右凝聚活性出现一峰。这意味着1升被处理液必需投入20mg的γ-聚谷氨酸。目前γ-聚谷氨酸的价格还很高，对于下水废水处理那样需要凝聚大量被处理液的场合，凝聚处理费用相当高。
按照图2，即使将γ-聚谷氨酸的浓度定为20mg/L，凝聚活性也只达到4左右。这个公开文本中凝聚活性以1/OD550表示，具体定义的量为1/样品值-1/空白值。样品值是凝聚后上层澄清液的OD550，空白值是未凝聚液、即污浊液的OD550。这里的OD550是指使用550nm波长的光时，以log10(I0/I)定义的光密度。
因此，凝聚活性为4时，1/log10(I0/I)＝4，所以I＝I0/1.8＝0.55 I0。即凝聚活性为4时，透过光量I被衰减到入射光量I0的1/2左右。即意味着即使进行凝聚处理后，仍然污浊在光量被减半的程度。这表明γ-聚谷氨酸的凝聚力不够充分。
测定凝聚活性时，使用高岭土作为污浊组分。高岭土为粘土状物质，其初期浓度高时会自然发生自凝聚。在前述公开文本中，测定的高岭土悬浊液浓度为5g/L，处于浓度很高的白浊状态。即在最高条件凝聚活性即使是4，测定中若有自凝聚发生，则实际凝聚活性是小于4的。
要准确测定凝聚活性，即使使用高岭土也需要使用低浓度的处理液。为了更准确测定凝聚活性，需要将自然界中存在的低浓度的污浊水作为被处理液进行凝聚实验。
为此，本发明的目的是提供一种凝聚剂和凝聚方法，此凝聚剂通过物理改性γ-聚谷氨酸，以小投入量的凝聚剂也就是浓度较低的凝聚剂即可显示高效凝聚活性。
发明内容
本申请的权利要求1的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体。
本申请的权利要求2的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是由γ-聚谷氨酸产生菌产生的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体。
本申请的权利要求3的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是放射线交联体，此交联体是用放射线照射由培养γ-聚谷氨酸产生菌所得的培养物而得到的。
本申请的权利要求4中的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是分子量是1000万以上的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐交联体的放射线交联体。
本申请的权利要求5中的发明为凝聚剂，其特征在于在γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐交联体中加入选自铝、钙、铁、镁中一种以上的金属离子。
本申请的权利要求6中的发明为凝聚方法，其特征在于将γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体添加到被处理液中，使其浓度为0.1～10mg/L。
发明的具体实施方式
以下，详细说明本发明凝聚剂和凝聚方法的具体实施方式。
本发明者等以凝聚活性的高效化为目的，专心研究发现由放射线照射γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐而得到的放射线交联体与γ-聚谷氨酸相比，具有高效凝聚活性，因而完成本发明。
γ-聚谷氨酸是一种链状多肽，其凝聚机理尚有很多不清楚之处。与一般的无机金属离子通过阳离子性发挥凝聚力进行对比，γ-聚谷氨酸结构上含有正极性基，有提案称这种正极性基有凝聚作用。但是其实质还并不清楚。
放射线照射γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐而得到的放射线交联体具有更高效的凝聚力，这一发现为本发明者首次发现。但对于这种放射线交联体的凝聚机理尚不清楚。
放射线交联体是由γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的链状长分子相互交联而形成的，在内部形成很多大的袋状空间。本发明者认为被处理液可能被吸收在此袋状空间里，使得污浊物在袋状空间内积蓄，不过，这也是种想象。了解选择性吸收污浊物的机理尤其迫切。
本发明中γ-聚谷氨酸可用许多种制造方法生产。例如，制造方法有微生物培养法、化学合成法等。用化学合成法合成时，从安全性角度考虑以下废水处理为中心。
微生物培养法，能利用杆菌属的枯草杆菌、炭疽杆菌、巨大芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌等菌，从生产量上考虑特别优选的是枯草杆菌的F-2-01株杆菌·枯草菌素。这种菌株能产生分子量为几十万～几百万的γ-聚谷氨酸，因为分子量较大，所以能通过放射线有效地制造交联体。
微生物产生的γ-聚谷氨酸，很早以前就作为纳豆粘性物食用，是对人畜无害的天然物质，具有生物降解性的特征。这种γ-聚谷氨酸不仅具有生物降解性，而且即使误食也完全无害，反而是很好的营养成分。因此，作为凝聚剂原料，不仅适合下废水处理，也很好地适于上水道领域、食品领域、发酵领域。
前述微生物产生的γ-聚谷氨酸是无分枝的直链γ-缩氨酸，为L-谷氨酸和D-谷氨酸的共聚物，即是杂聚物。这种杂聚物结构的γ-聚谷氨酸最适于作为本发明中的凝聚剂原料。
微生物产生的γ-聚谷氨酸通过下列方法得到，即，在混入所需养分的液体培养基上种植微生物，在所需温度下培养所需时间，从培养液中分离得到γ-聚谷氨酸。也可以利用固体培养基。不仅γ-聚谷氨酸单体可作为凝聚剂，从培养液中沉淀得到的含γ-聚谷氨酸的培养物，或培养液自身也可作为凝聚剂。还可将固体培养基作为凝聚剂。
化学合成的γ-聚谷氨酸中生成有L-谷氨酸均聚物、D-谷氨酸均聚物和这两种均聚物的混合物等多种结构的聚合物。这些化学合成的γ-聚谷氨酸也可作为本发明的凝聚剂原料。
本发明使用的γ-聚谷氨酸盐，是γ-聚谷氨酸与碱性化合物中和反应生成的盐。将γ-聚谷氨酸和碱性化合物在室温下溶解于水等溶剂中，边加热边搅拌，有效反应生成产物。碱性化合物包括碱金属氢氧化物和碱土金属氢氧化物等，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化钡等，以及胺等有机碱性化合物。
关于γ-聚谷氨酸与碱性化合物的反应条件，优选的加热温度为5～100℃。5℃以下，反应慢，超过100℃，有作为溶剂的一种的水沸腾、反应不稳定的情况。优选的pH值是中性～碱性，尤其优选的是pH5～10。γ-聚谷氨酸和碱性化合物的量以既不过量也不少量的化学计算反应量为宜。
本发明使用的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐，合适的分子量分布为几十万～几百万。由微生物产生的情况下，其分子量分布为几十万～几百万。由化学合成的情况下，聚合成几十万以上为宜。原料分子的分子量小，则放射线交联体的分子量小，不适于作为凝聚剂。
在本发明中，将前述γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐用放射线交联，生成分子量为1000万以上的交联体。γ-聚谷氨酸以(-NH(COOH)CH-CH2-CH2-CO-)n表示，下标n为聚合度，由聚合度n得到分子量为几十万～几百万的适宜原料。
放射线照射这种γ-聚谷氨酸，通过脱氢反应，CH2变为CH-，2条γ-聚谷氨酸直链通过CH-HC联结，交联为[(-NH(COOH)CH-CH-CH2-CO-)n]2。若交联度更大，则生成[(-NH(COOH)CH-CH-CH2-C-)n]m那样分子量大的放射线交联体。这里m表示交联度，可给出交联联结的γ-聚谷氨酸直链的条数。
交联度m大，可使γ-聚谷氨酸放射线交联体的分子量达到1000万以上。由于γ-聚谷氨酸属于多肽链，因此，通过-CH-HC-联结，成为其内部形成很多大的空间的网络结构。如前所述，在这种大量的内部空间内吸收污水，使内部蓄积污物。
本发明的特征在于利用放射线将γ-聚谷氨酸交联。由化学合成进行交联时，需要高温，为此作为原料的γ-聚谷氨酸会发生热变性。利用放射线交联，因可以在低温交联，所以可不使γ-聚谷氨酸变性而实现交联。因此，由放射线交联能够得到不含变性物的γ-聚谷氨酸交联体。
尤其是，微生物产生的γ-聚谷氨酸是一种多肽，由氨基酸的耐热性差方面考虑，采用加热交联是很难的。考虑到纳豆的粘性物是一种γ-聚谷氨酸，很显然纳豆加热会发生热变性。因此本发明具有为了实现低温交联而利用放射线交联的特征。
不仅放射线照射γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐单体，而且放射线照射培养液、培养物、固体培养基等，能够得到γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体的单体及混入了放射线交联体的物质。其中哪一种都能作为本发明的凝聚剂。特别是放射线照射培养液时生成放射线交联体含有液，在被处理液中添加时，处理方法和浓度调整都很容易。
作为交联用的放射线，能利用α射线、β射线、γ射线、X射线、电子射线、中子射线、离子射线等。其中，因γ射线、X射线、电子射线的操作性好而较优选。X射线可利用X射线管球或非管球式的，也可利用由近年普及的电子环放射的放射光。电子射线可利用众所周知的应用射束能的电子射线照射装置。
γ射线在可利用的放射线源方面有优势，γ射线源有钴60、锶90、锆95、铯137、铈141和钌177等，从半衰期和能量的角度，优选的为钴60、铯137。
在本发明中，由放射线交联γ-聚谷氨酸，生成分子量1000万以上的γ-聚谷氨酸放射线交联体。使分子量交联为1000万以上，γ-聚谷氨酸交联体的凝聚特性急剧增加，与γ-聚谷氨酸单体的凝聚特性相比，具有特别优良的凝聚效果。
要将γ-聚谷氨酸交联成分子量1000万以上，γ-聚谷氨酸原料需要1～500kGy的射线吸收量，1kGy以下，无法进行交联，超过500kGy，就会过于交联，从而交联体网络结构形成的内部空间变小，反而凝聚活性降低。从交联和凝聚活性的角度，优选的射线吸收量是5～100kGy。
γ-聚谷氨酸及γ-聚谷氨酸盐本身具有不溶于乙醇和丙酮等有机溶剂的性质。γ-聚谷氨酸盐溶解于水，但γ-聚谷氨酸不溶于水。实施放射线交联进行改性从而使放射线交联体表面对水、含水乙醇含水丙酮等含水有机溶剂的亲和性。
本发明也着眼于经放射线交联的γ-聚谷氨酸及γ-聚谷氨酸盐表面改性的特性。即由于成为放射线交联体，γ-聚谷氨酸及γ-聚谷氨酸盐对水和有机溶剂具有亲和性，具体地溶解于被处理水中。这种表面改性的机理还不太清楚，但本发明是基于这个事实进行的。
本发明中的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体溶解于下废水、上水道水、含食品水、发酵水等被处理水中，作为含有物质的凝聚剂发挥凝聚作用。即可以从下废水、上水道水中将污物凝聚沉淀，得到洁净的清水，也可以通过凝聚沉淀从含食品水、发酵水中得到食品、发酵物。
在1升被处理液中，添加0.1～20mg左右本发明中的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体，具有较好的凝聚效果。因此，优选的凝聚剂浓度范围是0.1～20mg/L，更优选的是0.5～10mg/L。0.1mg/L以下，凝聚效果差，20mg/L以上，凝聚效果稍微降低，同时凝聚成本过高。
以本发明中的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体作为凝聚剂，即使单独使用就能发挥充分的凝聚作用，但与金属离子共同使用时，可与金属离子的凝聚作用相辅相成，发挥优异的凝聚作用。金属离子，如将选自铝、钙、铁、镁等中-种以上的金属离子添加到被处理水中。对于食品加工等领域，从安全性角度不推荐添加金属离子，添加金属离子的适宜处理污浊浓度高的下废水。
实施例实施例1：γ-聚谷氨酸放射线交联体的制造
选择F-2-01枯草杆菌作为γ-聚谷氨酸产生菌。为大量生产，在1×103m3的容器中放置液体培养基。培养基组成如下：
        葡萄糖                    10重量％
        L-谷氨酸                  8重量％
        胨                        0.7重量％
        尿素                      0.68重量％
       NaNO3                    0.5重量％
       KH2PO4                 0.24重量％
        纯净水                    剩余量
在这种液体培养基中种植上述菌株，调pH为7.5，保持37℃恒温状态。边通气搅拌边连续培养6天，在培养液中蓄积γ-聚谷氨酸及其盐类。离心分离培养液，从培养液中分离菌体，再离心分离上述γ-聚谷氨酸类。
γ-聚谷氨酸的产量也依赖于培养条件，但在培养液中可达5～50(g/L)，它证实了工业化大量生产γ-聚谷氨酸类的可能。可以知道生产的γ-聚谷氨酸类的分子量分布为50万～200万。
这种γ-聚谷氨酸类的5重量％的水溶液用钴60射线源照射20kGyγ射线，生成γ-聚谷氨酸放射线交联体。通过这种放射线照射，水溶液凝胶化，γ-聚谷氨酸放射线交联体的分子量约为1500万。将这种凝胶状物质脱水得到γ-聚谷氨酸放射线交联体粉末。该粉末呈白色。
如前所述，γ-聚谷氨酸盐是水溶性的，但由于γ-聚谷氨酸不溶于水，所以即使将所得的γ-聚谷氨酸类原样添加到污水中也很难发挥凝聚作用。但是，γ-聚谷氨酸类放射线交联体对水具有亲和性，由于其对水是可溶的，因此其原样即可用作凝聚剂。实施例2：凝聚试验
为试验自然水的净化，对K市为代表的壕沟(外堀)污水进行净化试验。在容积为5.4×9.0×1.3(m3)的约27吨的试验槽中投入壕沟污水。在此试验槽中投入实施例1得到的γ-聚谷氨酸放射线交联体40g，搅拌使之溶解。最终投入浓度为1.5mg/L。然后静置2小时，肉眼观察沉淀生成。
从投入到3个小时沉淀后，测定澄清洁净的上层水和沉淀前污水的光密度(OD)。使用500nm和700nm波长的光，各种OD值如表1所示。
<表1>沉淀前和上层澄清水的光密度
           沉淀前   上层澄清水
700nm     0.065       0.015
500nm     0.072       0.022
为了与公开文献特开平8-257306号公报的数据进行对比，求出700nm和500nm处的凝聚活性值。凝聚活性值以1/OD700和1/OD500表示，分别定义为1/样品值-1/空白值。样品值是上层澄清水的值，空白值是沉淀前污水的值。因此，1/OD700＝1/0.015-1/0.065＝51，1/OD500＝1/0.022-1/0.072＝32。
前述公开文本的凝聚活性值(1/OD550)的最大值为4，本试验凝聚活性值1/OD700＝51、1/OD500＝32，无论哪一个凝聚活性值都增大10倍以上。而且投入凝聚剂的浓度，以前是20mg/L，本实施例中1.5mg/L即可，投入量可减为1/15。
如前所述，γ-聚谷氨酸本身就是一种安全的食品，其放射线交联体也是安全的，可作为食品加工、发酵工业、上水道处理等人体吸收领域的凝聚剂使用。实施例3：与阳离子并用的凝疑试验
为观察与阳离子凝聚助剂共用的凝聚效果，把35g AlCl3·6H2O与实施例1中的40gγ-聚谷氨酸放射线交联体一起投入。γ-聚谷氨酸放射线交联体的投入浓度最终为1.5mg/L，氯化铝的投入浓度为1.3mg/L。其它试验条件与实施例2完全相同。
由于添加铝离子，凝聚沉淀很快出现，投入凝聚剂、搅拌的同时开始沉淀，立即生效性很高。静置1小时，待沉淀结束，测定700nm和500nm处的光密度，结果如表2所示。
<表2>沉淀前和上层澄清水的光学浓度
           沉淀前    上层澄清水
700nm      0.065       0.012
500nm      0.072       0.019
求出凝聚活性值，1/OD700＝1/0.012-1/0.065＝68，1/OD500＝1/0.019-1/0.072＝39。与前述公开文本的凝聚活性值(1/OD550)最大为4相比，本实施例中，凝聚活性值1/OD700＝68，1/OD500＝39，具有10倍以上的凝聚活性。而且γ-聚谷氨酸放射线交联体和三氯化铝的总投入浓度为2.8mg/L，可以控制为以往技术最高条件的投入浓度20mg/L的1/7以下。
添加阳离子，可实现立即生效性高的凝聚沉淀，因为混入阳离子，所以不推荐其作为人体吸收领域的凝聚剂。因此混入阳离子的凝聚剂可用于下废水处理。而且作为高活性凝聚剂，其凝聚活性值是以前的100倍以上。
发明效果
按照本申请的权利要求1的发明，凝聚剂的主要成分是γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体，所以不仅能用于下废水处理，而且因其对人体和生物无害，也能用作上水道领域、食品领域和发酵等领域的凝聚剂。其凝聚活性值很高，可减少投入量，发挥高效而便宜的凝聚效果。
按照本申请的权利要求2的发明，由于以γ-聚谷氨酸产生菌产生的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分，它具有与化学合成物不同的极高的安全性，可很好地用作上水道领域、食品领域和发酵领域等的凝聚剂。
按照本申请的权利要求3的发明，由于直接照射培养γ-聚谷氨酸产生菌所得的培养物，所以无需从培养物中离心分离出γ-聚谷氨酸，可直接将培养物中的γ-聚谷氨酸转变为放射线交联体。这种放射线交联的培养物能作为凝聚剂使用，所以凝聚剂的生产价格低。尤其是液体培养基培养得到的培养液，因为可直接将其作为凝聚剂原液使用，添加凝聚剂时可省去水溶液调节等的麻烦，处理简单。
按照本申请的权利要求4的发明，主要成分为分子量1000万以上的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体，即使γ-聚谷氨酸本身不溶于水，但放射线交联体具有水溶性，在非处理水中添加时极易溶解。所以与γ-聚谷氨酸相比，凝聚处理操作容易。
按照本申请的权利要求5的发明，在γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体中添加选自铝、钙、铁、镁中一种以上的金属离子，所以可发挥立即生效的凝聚效果，提高凝聚作用的时间性能，可净化大量的被处理水，例如，可有效地处理下废水。
按照本申请权利要求6的发明，将γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体添加到被处理液中使其浓度为0.1～10mg/L，所以与由γ-聚谷氨酸构成的凝聚剂相比，可使凝聚剂的添加量降低，而且可提供具有高效凝聚活性值的凝聚剂。

Claims (6)

1.凝聚剂，其特征在于以γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分。
2.凝聚剂，其特征在于以γ-聚谷氨酸产生菌产生的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分。
3.凝聚剂，其特征在于以对培养γ-聚谷氨酸产生菌而得的培养物进行放射线照射而得到的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分。
4.凝聚剂，其特征在于以分子量为1000万以上的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分。
5.凝聚剂，其特征在于在γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体中添加选自铝、钙、铁、镁中一种以上的金属离子。
6.凝聚方法，其特征在于将γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体添加到被处理液中使其浓度为0.1mg/L～10mg/L。
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