JP2003514534A - 窒素欠乏廃水からのバイオポリマー生産方法 - Google Patents

窒素欠乏廃水からのバイオポリマー生産方法

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JP2003514534A JP2001538530A JP2001538530A JP2003514534A JP 2003514534 A JP2003514534 A JP 2003514534A JP 2001538530 A JP2001538530 A JP 2001538530A JP 2001538530 A JP2001538530 A JP 2001538530A JP 2003514534 A JP2003514534 A JP 2003514534A
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アリソン， ハイド スレイド，
トレヴォー， レイモンド スタスリッジ，
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ニュージーランド フォレスト リサーチ インスティテュート リミテッド
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    • Y02W10/40—Valorisation of by-products of wastewater, sewage or sludge processing

Abstract

(57)【要約】 窒素欠乏廃水中で好気的に増殖する微生物を含む処理システムを通して窒素欠乏廃水を通過させ、十分に安定な溶存酸素レベルを維持することによって前記処理システム中の環境を制御し、これによってバイオポリマーを生産する微生物の増殖及び／又は活性を促進し、そして生産されたバイオマス及びバイオポリマーを回収することを含むバイオポリマー生産方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の分野 本発明はパルプ及び紙製造からの廃水の如き窒素欠乏廃水からのバイオポリマ
ー生産方法に関する。
【０００２】 背景 好気的生物学的方法は環境への放出前の工業廃水の処理において一般的に用い
られている。かかる方法においては、微生物は廃水汚染物を消費し、強いエアレ
ーション下のリアクタシステムにおいて増殖するように促進される。活性汚泥、
移動床バイオフィルムリアクタ、膜バイオリアクタ、ばっ気されたラグーン及び
ばっ気された安定化溜めの如き様々な方法形態が知られている。ばっ気されたラ
グーン及びばっ気された安定化溜めは低速生物学的処理システムの例であり、一
方活性汚泥及び変形システム及び移動床バイオフィルムリアクタは高速生物学的
処理システムである。
【０００３】 パルプ及びペーパーミル廃水は生物学的処理のための細菌増殖を支持するのに
必要な栄養窒素が一般的に不足している。パルプ及び紙工業において使用される
一般的な活性汚泥法は典型的には尿素の形でのシステムへの窒素の添加で運転さ
れる。他の工業廃水も窒素不足であり得る。「窒素欠乏廃水」は、廃水中の利用
可能な窒素の不足のため、追加の窒素源が、存在する生物分解可能な有機物質の
生物学的消費のために必要とされる廃水を意味する。
【０００４】 経済的価値を持つバイオポリマーを生産するために工業廃水を用いることも従
来より提案されている。例えば、日本国特許出願３１４３３９７はポリヒドロキ
シアルカノエート（ＰＨＡ）の生産方法を開示する。そこでは炭素源が活性汚泥
に添加されて微生物数を増加させる。次に、この培養物の脱窒が、ポリヒドロキ
シブチル酸の細胞内蓄積を達成するための窒素欠乏条件下でのその好気的培養に
先立って要求される。日本国特許２５１４１３１は廃水が廃水の有機含有物のカ
ルボン酸への変換を達成するために初期嫌気的酸発酵を受けるように処理される
ことを必要とする。発酵された廃水は次に、窒素固定微生物への供給としてのそ
の使用に先立って窒素除去工程を受ける。窒素固定微生物中に蓄積されるＰＨＡ
の如きポリマーの生産のためのこの方法の適用も開示されている。両方法はポリ
マー生産のための廃水の使用に先立つ分離工程における窒素の除去を必要とする
。
【０００５】 発明の概要 本発明は廃水からのヒドロキシアルカン酸又はそのポリマーの生産のための改
良された又は少なくとも代替となる方法を提供する。
【０００６】 広い観点においては、本発明は窒素欠乏廃水中で好気的に増殖する微生物を含
む処理システムを通して窒素欠乏廃水を通過させ、十分に安定な溶存酸素レベル
を維持することによって前記処理システム中の環境を制御し、これによってバイ
オポリマーを生産する微生物の増殖及び／又は活性を促進し、そして生産された
バイオマス及びバイオポリマーを回収することを含むバイオポリマー生産方法を
含む。
【０００７】 典型的には、処理システム中の溶存酵素レベルは監視され、エアレーションは
実質的に安定な溶存酸素レベルを維持するために制御される。ｐＨ、温度、添加
速度及びいかなる栄養添加も一般的に従来通りであるだろう。
【０００８】 理想的には、方法は廃水から汚染物を除去するためにも運転され、溶存酸素は
バイオマス又はバイオポリマー収率に関して有機物質除去を最適化するレベルに
維持される。
【０００９】 好ましくは、方法は窒素固定微生物の増殖及び／又は活性を促進するためにも
処理システム中の十分に安定な溶存酸素レベルを維持することをも含み、かくし
て窒素補給は必要とされない。
【００１０】 好ましくは、生産されるバイオポリマーはヒドロキシアルカン酸又はそのポリ
エステルを含む。好ましくは、生産されるポリヒドロキシアルカノエートポリエ
ルテルは３−ヒドロキシブチル酸及び／又は３−ヒドロキシバレレート及び／又
は３−ヒドロキシヘキサノエート及び／又は他のヒドロキシアルカン酸同族体を
含む。
【００１１】 好ましくは、方法は同族体の相対比率の如き生産されるバイオポリマーのポリ
マー組成を選択するように選択された安定レベルに溶存酸素レベルを維持するこ
とを含む。
【００１２】 典型的には、廃水はパルプ及び紙廃水である。しかし本発明の方法はいかなる
他の窒素欠乏工業廃水にも代りに適用することができる。
【００１３】 典型的には、窒素欠乏廃水は１００：５より大きい、更に典型的には１００：
２より大きい、最も典型的には１００：１より大きい生物化学的酸素要求量（Ｂ
ＯＤ）対窒素（Ｎ）比を有することができる。
【００１４】 典型的には、処理システムは活性汚泥システムの如き高速生物学的処理システ
ムである。
【００１５】 微生物は廃水に元来存在していることができ、方法条件は種の必要な単離物の
増殖を促進するために制御される。又は廃水はバイオポリマー生産及び／又は窒
素固定微生物で接種されることができる。処理される廃水中に沈められた又は保
持された固体支持体に一種以上の微生物を固定又は限定することができる。
【００１６】 図面の簡単な説明 本発明は実施例において言及される添付の図面を参照して更に説明される。図
中： 図１は本発明の方法の一形態を模式的に示す。
【００１７】 図２は実施例３において言及される単離物８の顕微鏡写真である（ＰＨＡ染色
、１０００倍）。
【００１８】 図３はＰＨＡの生産を確認する実施例３において記述されるように生産された
窒素欠乏廃水からのバイオマスからの抽出物のエチルエステル誘導体の総イオン
クロマトグラムである。
【００１９】 詳細な説明 我々は窒素欠乏廃水を媒体として含む好気的生物学的処理システムにおいて十
分に安定な溶存酸素レベルを維持することによって、ＰＨＡ又は他のバイオポリ
マー生産微生物の増殖及び蓄積が生じ、促進されることを見出した。窒素欠乏廃
水は活性汚泥システムの如き処理システムに供給される。前記処理システムは生
物学的増殖を促進するための正常運転ｐＨ、リンレベル及び温度で、及び溶存酸
素レベルの監視及び溶存酸素レベルを実質的に安定なレベルに維持するためのエ
アレーション制御を伴って典型的に運転される。溶存酸素レベルはバイオポリマ
ーの生産に最適で好ましくは有機物質の除去に有効でしかも受入可能なバイオマ
ス収率を生産するレベルに制御される。溶存酸素レベルの安定性は特定レベルよ
りも大きな重要度を持つと考えられる。
【００２０】 パルプ及び紙廃水の如きいくつかの工業廃水は有機炭素含有量に比べて低い窒
素含有量を典型的に有する。窒素は尿素として又は他の形態で添加されることが
できる。しかし、本発明の方法においては微生物は大気中の窒素の固定により増
殖に十分な窒素を得ることもできる。実質的に安定な溶存酸素レベルを維持する
ことも窒素固定微生物を促進する。
【００２１】 パルプ及び紙廃水からバイオポリマーを生産する公知の方法はバイオポリマー
生産微生物の好気的増殖の前に嫌気的発酵を必要とするかもしれない。我々は本
発明の方法においてはパルプ及び紙廃水からの微生物はＰＨＡ生産微生物の生産
的増殖に先立つ嫌気的発酵の必要性なしにＰＨＡを生産することができるという
ことを見出した。
【００２２】 本発明の方法は活性汚泥処理システム中で有効に行うことができるが、他の形
態の高速システムにも潜在的に適用することができる。活性汚泥システムを用い
ると、有機物添加量、固型分保持時間及び食糧対微生物比と結合された溶存酸素
レベルはＰＨＡの如きバイオポリマーの最良の生産及び所望により有機物質の除
去（ＣＯＤ，ＢＯＤ又はＴＯＣによって測定されるような）を与えるように選択
される。活性汚泥システムは例えば異なる条件下で運転する複数のタンク又は領
域を含むことができ、かかる複数のタンク／領域システムにおいては本発明の方
法は例えばそれぞれが異なるしかし安定な溶存酸素レベルを有する２つの独立し
た環境で運転することができる。例えば第一タンク／領域は有機物除去を最適化
することができ、一方第二タンク／領域はＰＨＡ生産を最適化するために使用さ
れることができる。両方のタンクは窒素固定環境であることができる。加えて、
本発明のＰＨＡ生産窒素固定システムは単一のタンクシステムとしてであれ又は
複数タンクシステムとしてであれ、低い可溶性窒素含有量を有する処理廃水及び
ＰＨＡを生産するための補給の窒素の必要性なしに、窒素欠乏廃水を処理する通
常の非窒素固定システムと共に及びかかるシステムに先立って用いられることが
できる。
【００２３】 我々はまた、処理が行われる溶存酸素レベルを選択することによって、生産さ
れるＰＨＡポリマーのポリマー組成、特に同族体の相対比率を制御することがで
きることを見出した。ポリマー組成はヒドロキシブチレート、ヒドロキシバレレ
ート及び他の高級炭素鎖ヒドロキシ脂肪酸を含むことができる。同族体の異なる
比率は異なる溶存酸素レベルによって生産される。例えば、我々は大きなヒドロ
キシバレレート画分は低い溶存酸素濃度で生産されることができ、小さなヒドロ
キシバレレート画分は高い溶存酸素濃度で生産されることができることを見出し
た。
【００２４】 本発明の方法の条件下では、ＰＨＡ生産微生物及び所望により窒素固定微生物
も増殖するであろう。しかしながら、好適な生物を用いた処理システムの接種は
除外されない。処理システムを接種するために用いることができる窒素を固定し
及び／又はＰＨＡを生産することが知られているメンバーを含む微生物は以下の
ものを含む：アゾトバクター科、エンテロバクター科、スピロヘータ科、リゾビ
ウム科、シュードモーナス科（Pseudomonadaceae）、ロドスピリルム科、クロマ
チア科、バシルス科（Bacillaceaeae）、メチロコックス科、ベイジュリンキア
（Beijerinckia）種、デルキシア（Derxia）種、アゾスピリルム（Azospirillum
）種、キサントバクテル（Xanthobacter）種、アゾリゾビウム（Azorhizobium）
種。
【００２５】 上記のものは網羅的であることを意図されない。本発明の方法において均等に
又は一層有効に用いることができる他の種のバイオポリマー生産及び／又は窒素
固定生物もあり得る。
【００２６】 本発明は以下の非限定的実施例によって更に説明される：
【００２７】 実施例１ 細胞内バイオポリマーの生産及び可溶性有機物質（ＣＯＤ）の除去は、三つの
異なる供給基質濃度下で再利用なしに連続撹拌タンクリアクタ（ＣＳＴＲ）中で
研究された。ＣＳＴＲは制御された溶存酸素の窒素固定条件下で運転された。Ｂ
ＯＤ：Ｎ比は約１００：０．３であった。
【００２８】 表１は３つの異なる供給基質濃度についてこの研究で得られた主要なパラメー
タのまとめを与える。
【００２９】
【表１】
【００３０】 表１はバイオマスの窒素含有量についてのデータを表わす。すべての供給基質
濃度について、バイオマスの窒素含有量は細胞組織の平均組成である１２％（Pi
rt，１９７５）と比較して低かった（０．０７ｍｇ Ｎ／ｍｇ ＴＳＳ又は７％
）。このシステムにおいて観察された低い値は、高い細胞炭素含有量及び低いバ
イオマス窒素濃度による増大したＣ：Ｎ比を生ずるポリマーの細胞内貯蔵に帰せ
られる。これはＰＨＡの検出に特異的な染色を用いた顕微鏡検査によって確認さ
れた。
【００３１】
【表２】
【００３２】 Gerhardt等、１９９４のＰＨＡ染色技術が用いられた。この技術を用いると、
ＰＨＡ粒子は図２に示す通り明るい背景に対して暗く染まる。
【００３３】 上記結果は、ＰＨＡは窒素固定パルプ及び紙処理システムにおいて良好な処理
性能(ＣＯＤ除去によって測定される通り）で処理システムに元来存在する微生
物によって合成されることができるという証拠である。
【００３４】 実施例２ 約１００：０．８のＢＯＤ：Ｎ比を持つパルプ及び紙廃水を処理する窒素固定
バイオリアクタは窒素固定条件下で運転された。混合液からのサンプルは特性決
定され、エステル交換反応、エチル／プロピルエステル誘導体化及びＧＣ−ＭＳ
技術を用いて定量された。
【００３５】 バイオマスの乾燥重量の１．２％〜１１％の範囲のＰＨＡ含有量が微生物バイ
オマスにおいて測定された。
【００３６】 図３は窒素固定バイオリアクタからの抽出物のエチルエステル誘導体の豊富さ
を示すクロマトグラムである。生産されたＰＨＡは３−ヒドロキシブチレート（
３ＨＢ）、３−ヒドロキシバレレート（３ＨＶ）及び３−ヒドロキシヘキサノエ
ート単位からなる。安息香酸は内部標準として用いられた。異なる相対モノマー
組成を有するＰＨＡが異なるバイオリアクタ条件下で生産されたことが観察され
た。
【００３７】 実施例３ 以下の結果は単一段階の活性汚泥パイロットプラントから得られた。パイロッ
トプラントへの供給は１００：０．８のＢＯＤ：Ｎ比及び１．０７ ｋｇＢＯＤ ５ ．ｍ−３．ｄ−１のＢＯＤ５添加率を持つ熱機械パルプ化廃水（ＴＭＰ）で
あった。窒素は補給されなかった。溶存酸素は実験の相１においては１４％に制
御され、実験の相２においては５％に制御された。
【００３８】
【表３】
【００３９】 バイオマス生産速度：パイロット汚泥排出：一日当たり一立方メートルの廃水
当たり１３５．５リットル。汚泥乾燥重量濃度：５ｇ／ｌ廃棄された汚泥。
【００４０】 汚泥排出速度：一日当たり一立方メートルの廃水当たり６７７．５ｇ。ＰＨＡ
収率：４０ｇ／ｋｇ乾燥重量汚泥。
【００４１】 ＰＨＡ生産速度：一日当たり一立方メートルの廃水当たり２７ｇのＰＨＡ。
【００４２】 結果はポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）が窒素補給なしに又は窒素除
去工程の必要なしに窒素欠乏処理システムから生産されたことを示す。この実施
例においては、ＰＨＡ組成は溶存酸素濃度を選択することによって変化され、低
い溶存酸素濃度下では大きなヒドロキシバレレート画分が生産された。ヒドロキ
シアルカノエートモノマー組成はＰＨＡポリマーの物理的特性を決定する。例え
ば、Ｃ５−Ｃ１２同族体の比率が高いと柔かいプラスチップをもたらす。この実
施例はヒドロキシブチレート及びヒドロキシバレレートの如き同族体の比率を変
化させることができ、それによってポリマー組成の物理的特性を制御することが
できるということを示す。
【００４３】 以上が本発明及びその実施例の説明である。当業者には自明であるような変更
及び修正はその範囲内に組入れられることを意味される。
【００４４】
【参考文献】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の方法の一形態を模式的に示す。
【図２】 図２は実施例３において言及される単離物８の顕微鏡写真である（ＰＨＡ染色
、１０００倍）。
【図３】 図３はＰＨＡの生産を確認する実施例３において記述されるように生産された
窒素欠乏廃水からのバイオマスからの抽出物のエチルエステル誘導体の総イオン
クロマトグラムである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１０月１９日（２００１．１０．１９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 スタスリッジ， トレヴォー， レイモン ド ニュー・ジーランド， ロトルア， バル ウィン アヴェニュー 30 Ｆターム(参考） 4B064 AD64 CA01 CC12 CC30 DA16 4D028 AB00 CA07 CB02 CC07 CD01

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒素欠乏廃水中で好気的に増殖する微生物を含む処理システ
    ムを通して窒素欠乏廃水を通過させ、十分に安定な溶存酸素レベルを維持するこ
    とによって前記処理システム中の環境を制御し、これによってバイオポリマーを
    生産する微生物の増殖及び／又は活性を促進し、そして生産されたバイオマス及
    びバイオポリマーを回収することを含むバイオポリマー生産方法。
  2. 【請求項２】 窒素固定微生物の増殖及び／又は活性を促進するためにも処
    理システム中の十分に安定な溶存酸素レベルを維持することを含む請求項１に記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 生産されるバイオポリマーがヒドロキシアルカン酸又はその
    ポリエステルを含む請求項１又は２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 生産されるポリヒドロキシアルカノエートポリエステルが３
    −ヒドロキシブチル酸及び／又は３−ヒドロキシバレレート及び／又は３−ヒド
    ロキシヘキサノエート及び／又は他のヒドロキシアルカン酸同族体を含む請求項
    ３記載の方法。
  5. 【請求項５】 方法が嫌気的培養条件から好気的培養条件への移行、又は窒
    素補給の要求、又は窒素除去工程を除外する請求項１〜４のいずれか一項記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 窒素欠乏廃水中のＢＯＤ：窒素比が１００：５より大きい請
    求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
  7. 【請求項７】 窒素欠乏廃水中のＢＯＤ：窒素比が１００：２より大きい請
    求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
  8. 【請求項８】 窒素欠乏廃水中のＢＯＤ：窒素比が１００：１より大きい請
    求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
  9. 【請求項９】 廃水がパルプ又はパルプ及び紙製造から生ずる窒素欠乏廃水
    である請求項１〜８のいずれか一項記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記実質的に安定な溶存酸素レベルを維持するために処理
    システム中のエアレーションを制御することを含む請求項１〜９のいずれか一項
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】 有機物質除去に関して良好な処理性能を達成するように選
    択された安定レベルに溶存酸素レベルを維持することを含む請求項１〜１０のい
    ずれか一項記載の方法。
  12. 【請求項１２】 生産されるバイオポリマーのポリマー組成を選択するよう
    に選択された安定レベルに溶存酸素レベルを維持することを含む請求項１〜１１
    のいずれか一項記載の方法。
  13. 【請求項１３】 生産されるポリヒドロキシアルカノエートポリマーの同族
    体の相対比率を選択するように選択された安定レベルに溶存酸素レベルを維持す
    ることを含む請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 同族体の相対比率を増大させるための低溶存酸素濃度と生
    産される同族体の相対比率を減少させるための高溶存酸素濃度との間で選択する
    ことを含む請求項１２又は１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 処理システムが高速生物学的処理システムである請求項１
    〜１４のいずれか一項記載の方法。
  16. 【請求項１６】 高速生物学的処理システムが活性汚泥システムである請求
    項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 処理システムが溶存酸素レベルがバイオポリマー生産を最
    適化するレベルに維持される一つの制御領域、及び溶存酸素レベルが有機物質除
    去に関する処理性能を最適化するレベルに維持される他の制御領域を含む請求項
    １〜１６のいずれか一項記載の方法。
  18. 【請求項１８】 窒素補給なしの、非窒素固定生物を含む通常の廃水処理プ
    ラントを通して制御された環境からの流出物を続いて処理することを更に含む請
    求項１〜１７のいずれか一項記載の方法。
  19. 【請求項１９】 窒素補給ありで行われる請求項１〜１８のいずれか一項記
    載の方法。
  20. 【請求項２０】 制御された環境がバイオポリマー生産及び／又は窒素固定
    微生物で接種される請求項１〜１９のいずれか一項記載の方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１〜２０のいずれか一項記載の方法によって生産さ
    れるバイオポリマー。
JP2001538530A 1999-11-18 2000-11-20 窒素欠乏廃水からのバイオポリマー生産方法 Pending JP2003514534A (ja)

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