JP2004217985A

JP2004217985A - 金属を分離する機能を有するカラム、および金属の分離、回収方法

Info

Publication number: JP2004217985A
Application number: JP2003005691A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Ozaki; 亘彦尾崎; Nozomi Matsukawa; 望松川; Ichiro Yamashita; 一郎山下; Kimi Fuke; 希美深日
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】これまで用いられている吸着剤は、吸着能力、粒形化の困難さ、脱着処理の手間と設備、および、吸着剤の再生にかかるコストや回収の生産性は必ずしも良好とは言えなかった。
【解決手段】カラム内で、金属イオン混在溶液と接する流路領域に配置された、少なくとも一種類以上の機能物質群と、カラムの該領域へ、混在溶液を注入する、少なくとも一つ以上の注入口と、カラムの該領域から、混在溶液を排出する、少なくとも一つ以上の排出口を備え、機能物質が、有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、該内腔部に除去すべき金属を内包、もしくは金属と複合体を形成することにより金属を溶液中から分離することを特徴とする金属を分離する機能を有するカラム。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の金属イオンが存在する水溶液から、金属イオンを連続的かつ、選択的または非選択的に分離する分離剤、カラム、および、金属イオンを含む水溶液の処理方法に関する。具体的には、内腔を有し、金属をその内腔に内包できる機能分子を利用した金属分離カラム、及び機能分子を含有する金属分離剤、または、金属分離カラムを用いた、種々の金属イオンが存在する水溶液から金属イオンを分離、除去する方法、および、それらを用いた種々の金属イオンが存在する水溶液から金属イオンを回収する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銀、金などの貴金属や、銅、鉛、水銀、カドミウムなどの有害重金属を含む水溶液中からこれらの金属を分離する技術は、資源の回収再利用及び環境汚染防止の観点から極めて重要である。これまで、これらの金属の分離方法としては、金属含有水溶液を陽イオン交換樹脂、活性炭、金属キレート化剤、合成ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、活性白土、液膜を通したイオン輸送剤、植物プランクトンなど種々の無機系や有機系の吸着剤に接触させて、金属をこれらに吸着させ分離する方法が主流をなしている。
【０００３】
具体的にイオン輸送剤として使用される物質を例示すると、水銀のみを捕捉するものとしてトロポノイド付加ジチオクラウンエーテル類がある。また、鉛のみを捕捉するものとして環状ポリエーテルジカルボン酸が知られている。また、水銀のみを捕捉するものとして８−キノリル基をもつメチオニン誘導体が挙げられている。また、特許文献１には、銅のみを選択的に捕捉するものとして、α−アミノ酸ジアジド誘導体が開示されている。というように、挙げれば枚挙にいとまがない。
【０００４】
他方、微生物や藻類の中には、特定の金属を蓄積する能力を有するものがあることが知られており、近年、これを利用して、廃液中の有害金属や有価金属を除去したり、回収することが試みられ、例えば植物バイオマス、カビ、さらにはクロレラなどの微細藻類などを用いる方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１６３２４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、の無機系や有機系の吸着剤は、吸着能力に限界がある。例えば、金属キレート樹脂は、その分子構造を利用して金属イオンと錯体を形成することで補足するキレート官能基と、それを固定する担体の樹脂からなる。キレート官能基導入量の大きい樹脂を選べば補足収率は向上するが、基本的には一つのキレート官能基に対し補足される金属錯体は一つであるため、収率には限度がある。このため、多量の廃液を処理するには、吸着材料は多量使用しなければならない問題があった。さらに、吸着材料が特異的な金属と非常に高い選択性を持つ反面、一度吸着させた金属を脱離させることが必ずしも容易ではないため、吸着剤の再生が困難で煩雑な操作を要するという一面も持つ。吸着剤の再生にかかるコストや回収の生産性は必ずしも良好とは言えない。また、これまで用いられている微生物や藻類は、重金属の収率や、粒形化の困難さなどの点で、必ずしも十分に満足しうるものではないのが実状である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、馬、牛などの動物のひぞうや肝臓などに存在するフェリチンが、タンパク質の殻で覆われた内腔に金属イオンを内包することによって、体内での金属イオン濃度を調節している。しかも、フェリチンの内包された金属イオンを金属に還元すると、一つのフェリチン内に、数千個の金属原子が内包されていることに着目し、鋭意研究を重ねた結果、フェリチンなどの、内腔を有し、金属をその内腔に内包できる機能分子を有効に利用することにより、当初の目的を達成するばかりでなく、大幅に収率を向上させることができることを発見した。本発明はかかる発見に基づきさらに研究を進めて完成するに至った。
【０００８】
上記課題を解決する本発明に係るカラムは、少なくとも１種類以上の金属イオンが混在している溶液中から金属を選択的、もしくは非選択的に分離する機能を有するカラムが、
カラム内で、金属イオン混在溶液と接する流路領域に配置された
少なくとも一種類以上の機能物質群と、
カラムの該領域へ、混在溶液を注入する、少なくとも一つ以上の注入口と、
カラムの該領域から、混在溶液を排出する、少なくとも一つ以上の排出口を備え、
機能物質が、有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、
該内腔部に除去すべき金属を内包、もしくは金属と複合体を形成することにより金属を溶液中から分離することを特徴とする金属を分離する機能を有する。
【０００９】
機能物質群が担持体に担持もしくは、充填されることにより、カラム内の該領域に配置されることが好ましい。
【００１０】
機能物質群がカラムに化学結合を介して固定されることにより、カラム内の該領域に配置されることが好ましい。
【００１１】
機能物質群がカラムに、少なくとも一種類以上の結合仲介作用を有する化合物を介して化学的に固定されることにより、カラム内の該領域に配置されることが好ましい。
【００１２】
カラムの注入口と排出口を結ぶ、領域が複数配置されていることが好ましい。
【００１３】
さらに、注入口と複数領域を結ぶ流路内に、注入口と所望の流路とを結ぶことができる、切り替えバルブを持ち、
内包する金属種の異なる機能分子が複数領域の各各に固定化されていることが好ましい。
【００１４】
カラムの一つ以上の排出口の先の流路がすくなくとも一つ以上の流路に分岐し、さらに、一方の流路が注入口へとつながることが好ましい。
【００１５】
機能物質が、代表長さが３−３０ｎｍであることが好ましい。
【００１６】
機能物質を構成する、有機物の主要な部分がタンパク質であることが好ましい。
【００１７】
タンパク質分子がフエリチンフアミリ−であることが好ましい。
【００１８】
フエリチンフアミリ−がフエリチンまたは、アポフエリチン、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることが好ましい。
【００１９】
タンパク質分子がアデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ、および、これらの改変物等の群から選ばれるウイルスであることが好ましい。
【００２０】
タンパク質分子がＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることが好ましい。
【００２１】
金属が鉄、鉄酸化物、その他の鉄化合物、ニツケル、ニツケル酸化物、その他のニツケル化合物、コバルト、コバルト酸化物、その他のコバルト化合物、銅、銅酸化物、その他の銅化合物、金、その他の金化合物、白金、その他の白金化合物の少なくとも、いずれか１種であることが好ましい。
【００２２】
上記課題を解決する本発明に係る金属を回収する方法は、
請求項１に記載のカラムを用いて、
少なくとも１種類以上の金属イオンが混在している第一の溶液中から金属を選択的、もしくは非選択的に回収する方法であって、
第一の溶液をカラムの該記注入口から注入し、
カラムの機能物質群が配置された該領域に接触させ、該排出口より排出する工程と、
操作により機能物質群から金属を回収する工程からなり、
操作が、機能物質に内包されていた金属を露出させることにより、金属を得ることを特徴とする金属を回収する方法。
【００２３】
操作が、窒素雰囲気中、または、大気中で、機能物質の焼失温度以上で、前期機能物質群を加熱焼失させることにより、金属の回収を実現することが好ましい。
【００２４】
操作が、機能物質群のみを選択的に分解する作用を持つ化合物を入れることであり、かつ、分解作用化合物が、タンパク質分解酵素、尿素、界面活性剤のいずれか一つ以上であることが好ましい。
【００２５】
タンパク質分解酵素が、プロテアーゼ、ディスパーゼ、トリプシン、ナガラーゼ、のいずれか一つ以上であることが好ましい。
【００２６】
請求項５に記載のカラムを用いて、
少なくとも１種類以上の金属イオンが混在している第一の溶液中から金属を選択的、もしくは非選択的に回収する方法であって、
第一の溶液をカラムの該記注入口から注入し、
カラムの機能物質群が配置された該領域に接触させ、該排出口より排出する工程と、
第二の溶液をカラムの該記注入口から注入し、
カラムの機能物質群が配置された該領域に接触させ、該排出口より排出する工程と、
請求項１５から１８に記載の操作により機能物質群から金属を回収する工程からなり、
第二の溶液が、機能物質群をカラムに固定している結合を切断する機能を有することが好ましい。
【００２７】
カラムに固定されている結合仲介物質が抗原であり、第二の溶液が機能物質より抗原とのアフィニティーが高い抗体を含有する溶液であることが好ましい。
【００２８】
カラムに固定されている結合仲介物質が核酸であり、操作が６０℃以上の加熱（デイネイチャー）であることが好ましい。
【００２９】
カラムに固定されている結合仲介物質が核酸であり、第二の溶液が核酸を溶かす溶液であることが好ましい。
【００３０】
カラムに固定されている結合仲介物質が核酸であり、第二の溶液が制限酵素を含有する溶液であることが好ましい。
【００３１】
機能物質が、直径３−３０ｎｍの粒子であることが好ましい。
【００３２】
機能物質を構成する、有機物の主要な部分がタンパク質であることが好ましい。
【００３３】
タンパク質分子がフエリチンフアミリ−であることが好ましい。
【００３４】
フエリチンフアミリ−がフエリチンまたは、アポフエリチン、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることが好ましい。
【００３５】
タンパク質分子がアデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ、および、これらの改変物等の群から選ばれるウイルスであることが好ましい。
【００３６】
タンパク質分子がＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることが好ましい。
【００３７】
金属が鉄、鉄酸化物、その他の鉄化合物、ニツケル、ニツケル酸化物、その他のニツケル化合物、コバルト、コバルト酸化物、その他のコバルト化合物、銅、銅酸化物、その他の銅化合物、金、その他の金化合物、白金、その他の白金化合物の少なくとも、いずれか１種であることが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の金属分離能を有する機能分子、それを用いた金属分離カラム、および金属の分離、回収方法の実施の形態を、図を用いて説明する。
（第１の実施の形態）（カラム／除去のみ）
図１は、本発明の多種類の金属イオンが混在している溶液中から金属を分離する機能を有するカラムの１例の概略を示す概念図である。
【００３９】
明細書中のカラムの定義は、溶液を注入、排出するための器もしくは反応場であり、分析化学、特に、クロマトグラフィーに用いられるカラムの意味に限定されない。一つ以上の注入口側から排出口側への溶液の流れが生じている管であってもよい。
【００４０】
カラム１は、注入口４と排出口５を持ち、金属イオン含有液２を注入口４から注入することができる。注入された金属イオン含有液２は、機能分子６群が固定化された流路１０の領域を通って、排出口５から排出される。
【００４１】
機能分子６は、有機物で構成され、さらに、その分子構造が内腔を有し、かつ、
該内腔部に除去すべき金属７を内包、もしくは金属７と複合体８を形成することにより金属７を溶液２中から分離することができる。
【００４２】
このような機能分子６は、その構造を構成する有機物の主要な部分がタンパク質である。機能分子６は、直径３−３０ｎｍの粒子であることが望ましい。具体的に、機能分子６として用いられるタンパク質分子は、アポフェリチン等が好ましく使用できる。アポフェリチンは、図３に模式的に示すように、無機材料原子の芯３１を内腔部に保持し、この周囲をタンパク質の殻３２で覆った金属タンパク質複合体となることができる。アポフェリチンのファミリーである、内部に鉄イオンを含有できるフェリチンは、馬、牛等の動物のひ臓や肝臓等の臓器から取り出すことができる。
【００４３】
フェリチンの場合、芯３１の無機材料原子は、通常は、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）で、芯３１の直径は６ｎｍ程度、酸化鉄の総数は４０００個程度であり、殻３２は分子量４５万程度のタンパク質の２４量体で、２４量体全体の外径は１２ｎｍ程度である。
【００４４】
また、機能分子６は、上記のこれらのタンパク質のアミノ酸配列を改変した改変物であってもよい。タンパク質を改変させる手段は、遺伝子組み替え技術など当業者に公知の技術を用いて実現される。例えば、アポフェリチンの金属導入部に位置するグルタミン酸およびアスパラギン酸を、電荷を持たず、かつサイズの小さいセリンで置換する。次に、内腔部に位置するグルタミン酸をリジン等の塩基性アミノ酸または中性アミノ酸で置換する。さらに、内腔部にひとつ以上のシステイン結合を導入することで、負電荷を持つ（ＡｕＣｌ_４）⁻と負電荷を持つアミノ酸との間に発生する静電相互作用による斥力を防ぐことができ、（ＡｕＣｌ_４）⁻が内腔に取りこまれ易くなる。内腔に取りこまれた（ＡｕＣｌ_４）⁻は、当業者に公知の技術でＡｕに還元することができる。よって、この改変したアポフェリチンを機能分子６として使えば、溶液中の金イオンを金粒子として分離するカラムが作製できる。
【００４５】
そのほかには、ＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質が挙げられる。Ｄｐｓタンパク質の場合は、図示は省略するが、芯３１の直径は４ｎｍ程度、殻３２は正四面体の１２量体で、１２量体全体の外径は９ｎｍ程度である。また、アデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ等の群から選ばれるウイルスも好適に使用され得る。
【００４６】
機能分子群６がカラム１の流路１０に、少なくとも一種類以上の結合仲介作用を有する化合物９を介して化学的に固定されていてもよい。
【００４７】
図１に示した金属イオン分離カラムの作用は、カラム１の注入口４から注入された金属イオン含有水溶液２に含まれる金属イオン７は、溶液に添加した還元剤により還元されるとともに、機能分子６の内腔部に内包され、除去後の水溶液３が排出口５より排出される。カラム内を流れる流速を制御し、還元反応が起こる時間から逆算したタイミングで還元剤を流路内で混合させることで、機能分子６を固定化した流路１０内で金属イオンの内包が行われる。
【００４８】
カラム１の流路１０に固定される機能分子群６は、図４に示したように、１種類に限定されない。図４には、例として３種類の異なる機能分子６Ａ，６Ｂ，６Ｃを流路１０に固定化している。金属イオン７Ａだけを特異的に内包する機能分子６Ａ、金属イオン７Ｂだけを特異的に内包する機能分子６Ｂ、および、金属イオン７Ｃだけを特異的に内包する機能分子６Ｃを用いれば、このカラム１は、多種の金属イオンを含有している溶液２から、同時に複数の金属イオンを除去することが可能となる。
【００４９】
カラム１は、注入口４、排出口５に対して、流路１０を複数配置されていてもよい。注入口から流路１０に至る流管部分に切り替えバルブを持ち、バルブの切り替えにより所望の流路を選択できる構成が望ましい。各流路１０に、それぞれ異なる金属を内包できる機能分子を固定化しておけば、注入口から注入された金属イオン含有溶液は、バルブの切り替えにより、除去すべき金属を内包できる機能分子が固定化されている流路を選択することにより、各金属イオン含有溶液２に対し、それぞれ個別の所定の金属だけを除去することが可能となる。
【００５０】
（実施の形態２）［カラム回収Ｂｕｆｆｅｒでリンカー／熱とＰ］
図２は、本発明の多種類の金属イオンが混在している溶液中から金属を回収する機能を有するカラムの１例の概略を示す概念図である。
【００５１】
まず、図１に示したカラム１を用い、実施の形態１に明示した方法で、金属含有溶液２からカラム１の機能分子群６内に金属７を内包させる。その後、解離溶液１２を注入口４より注入する。
【００５２】
解離溶液１２は、カラム１に固定化された機能分子群６を流路１０から剥離させる作用を持つ。機能分子６と流路壁との化学結合、または、機能分子６と流路壁１０を結合させている結合助長化合物９と、機能分子６の間の結合、もしくは、結合助長化合物９と流路壁１０の間の結合を切断することが望ましい。
【００５３】
解離溶液１２によって、機能分子６はカラム１から剥離し、排出口５より排出される溶液には、複合体８が含有される（排液１３）。
【００５４】
続いて、機能物質群６から金属７を回収するために、解離した金属ー機能分子複合体１８から金属７を露出させる。
【００５５】
窒素雰囲気中、または、大気中で、加熱源１５を用いて、機能物質６の焼失温度以上、好適には、タンパク質の焼失温度以上で、複合体１８を加熱焼失させることにより、金属の回収を実現することが望ましい。
【００５６】
また、複合体１８を選択的に分解する作用を持つ化合物、もしくは化合物を含有する溶液１４を反応層に入れ、複合体１８を分解して金属７を回収してもよい（１９）。
【００５７】
複合体分解溶液１４は、例えば、複合体１８がタンパク質の場合、タンパク質分解酵素、尿素、界面活性剤などが好適に用いられる。
【００５８】
具体的に、タンパク質分解酵素として、プロテアーゼ、ディスパーゼ、トリプシン、ナガラーゼが、当業者に公知の処理方法で用いられる。
【００５９】
また、複合体１８の芯に内包されている化合物が、金属化合物の場合、当業者に公知の方法で、金属化合物を金属に酸化、還元する処理をも含む。
【００６０】
解離溶液１２を用いず、カラム１の機能分子６が固定化された流路１０内をそのまま、窒素雰囲気中、または、大気中で、加熱源を用いて、機能物質６の焼失温度以上、好適には、タンパク質の焼失温度以上で、複合体８を加熱焼失させることにより、金属７の回収を実現することもできる。または、複合体分解溶液１４をカラム１の注入口４から注入することによって、カラム１の流路１０内で複合体１８を分解して金属７を排出口５から回収してもよい。
【００６１】
このように、カラムを使った金属の分離・回収方法は、所定の溶液を注入口４から加えるだけで実現でき、処理の連続化および自動化への応用が容易である。
【００６２】
カラム１の流路１０に固定される機能分子群６は、図５に示したように、１種類に限定されない。図５には、例として３種類の異なる機能分子６Ａ，６Ｂ，６Ｃを流路１０に固定化している。金属イオン７Ａだけを特異的に内包する機能分子６Ａ、金属イオン７Ｂだけを特異的に内包する機能分子６Ｂ、および、金属イオン７Ｃだけを特異的に内包する機能分子６Ｃを用いれば、このカラム１は、多種の金属イオンを含有している溶液２から、同時に複数の金属イオンを除去することが可能となる。
（実施の形態３）［カラム個別回収アフィニ］
図６は、本発明の多種類の金属イオンが混在している溶液中から金属を選択的に回収する機能を有するカラムの１例の概略を示す概念図である。
【００６３】
図６では、例示として、３種類の金属（７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）から金属７Ａのみを回収する方法を示している。まず、図１に示したカラム１を用い、実施の形態１に明示した方法で、金属含有溶液２からカラム１の機能分子群６内に金属７を内包させる。その後、機能物質６Ａよりも結合助長化合物９と結合力が強い高アフィニティー物質を含有する溶液を注入口４より注入する。結合助長物質９は、機能物質６Ａとの結合を離し、代わりに高アフィニティー化合物と結合するため、排出口５より金属７Ａの複合体８Ａのみを含有する溶液を排出する。
【００６４】
その溶液を、窒素雰囲気中、または、大気中で、実施の形態２に明示した加熱源１５を用いて、機能物質６の焼失温度以上、好適には、タンパク質の焼失温度以上で、複合体８を加熱焼失させることにより、金属７Ａの回収を実現することが望ましい。また、実施の形態２に明示した複合体分解溶液１４を溶液に添加し、複合体１８Ａを分解して金属７Ａを回収してもよい。
【００６５】
このような結合助長物質９には、抗体が用いられることが望ましい。機能物質６は、抗原―抗体結合を介して、結合助長物質９と結合することが望ましい。
（実施の形態４）［カラム回収ＤＮＡ／デネイチャとＢｕｆｆｅｒと制限酵素］
図７は、本発明の多種類の金属イオンが混在している溶液中から金属を選択的または、非選択的に回収する機能を有するカラムの１例の概略を示す概念図である。
【００６６】
図７では、例示として、３種類の金属（７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）から金属７Ｃのみを回収する方法を示している。まず、図１に示したカラム１を用い、実施の形態１に明示した方法で、金属含有溶液２からカラム１の機能分子群６内に金属７を内包させる。その後、機能物質６Ｃの結合助長化合物９Ｃだけを選択的に切断する切断物質を含有する溶液を注入口４より注入する。結合助長物質９Ｃは、切断酵素溶液によって切断され、排出口５より排出される排出液には、金属７Ａの複合体８Ｃのみを含有する溶液が排出される。
【００６７】
その溶液を、窒素雰囲気中、または、大気中で、実施の形態２に明示した加熱源１５を用いて、機能物質６の焼失温度以上、好適には、タンパク質の焼失温度以上で、複合体８を加熱焼失させることにより、金属７Ａの回収を実現することが望ましい。また、実施の形態２に明示した複合体分解溶液１４を溶液に添加し、複合体１８Ｃを分解して金属７Ａを回収してもよい。
【００６８】
このような結合助長物質９には、核酸を一部に含む物質が用いられることが望ましい。機能物質６と核酸９は、例えば、アミノカップリング法など、当業者に公知の技術を用いて結合される。切断物質は、好適には制限酵素が用いられる。図５は、二本鎖核酸を介してカラムに固定化された機能物質６の例をしめしているが、切断する溶液は、上記に記した制限酵素サイトを持つ二本鎖核酸を特異的に切断する制限酵素溶液だけに限らず、金属を非特異的に回収するが、例えば、ＤＮＡを溶解する溶液であってもよい。または、ＴＥなどの、ＤＮＡのバッファーであってもよい。その際は、外部からカラム内のバッファーを、６５℃以上、好適には、９５℃程度に加熱源１５を用いて、加熱して、二本鎖ＤＮＡを一本鎖に乖離させる操作が必要である。
【００６９】
【実施例】
（実施例１）
以下に、本発明の方法により、機能物質であるアポフェリチンを石英カラム内壁に固定化し、カラム内で水溶液中から亜鉛イオンを除去し、そのままカラムを加熱し、亜鉛を回収した例を説明する。
（アポフェリチンの精製）
ウマひぞうフェリチン（Ｓｉｇｍａ）から２４量体だけ精製する。具体的には、１０ｍＭＣｄＳＯ_４を加え、低速で遠心分離する。その沈殿物からＣｄを除去するために、１５０ｍＭＮａＣｌに溶かし、高速遠心分離を３回行う。その後、５０ｍＭＴｒｉｓＨＣｌ（ｐＨ８．０）、１５０ｍＭＮａＣｌで十分平衡化したＧ４０００ＳＷＸＬＰＥＥＫカラム（ＴＯＳＯＨ）を用いて、２４量体だけを分取し、１５０ｍＭＮａＣｌバッファー中に溶かした。フェリチンは、さらに、１ｗｔ％チオグリコール酸、０．１Ｍ酢酸バッファー（ｐＨ５．６）を用いて４℃で３時間透析後、さらに、０．１Ｍ酢酸バッファー（ｐＨ５．６）を用いて４℃で４時間透析して、アポフェリチン化した後、５０ｍＭＴｒｉｓＨＣｌ（ｐＨ８．５）で透析する。
（カラムへの固定）
カラムは石英で構成される。カラムの内壁部分（内容量：約１５ｃｃ）にシランカップリング処理を施しアポフェチリンを固定化した。
【００７０】
以下に、その詳細を記す。
【００７１】
カラムのフェリチンを固定化すべき領域に１．５％ｖ／ｖ３−アミノプロピルジメチルエトキキシランを含むトルエン溶液を２時間曝した。未結合のシランを取り除くために超音波洗浄をトルエン溶液中で行った。この処理が固定化にとって重要である。
【００７２】
次に、１０％ｖ／ｖグルタルアルデヒドを含有した、１００ｍＭリン酸カリウム溶液（ｐＨ７．０）を、室温で１時間曝し、反応させた。
【００７３】
脱イオン水でカラム内壁を洗浄後、１ｍｇ／ｍＬの濃度のアポフェリチン溶液を、前述の活性化した表面に滴下し、更に室温で１時間反応させ、アポフェリチンをカラム内壁に固定化した。その後、脱イオン水で内壁に洗浄した。
（亜鉛イオンの分離・回収）
１００μＭ硫酸亜鉛溶液に、希硫酸を加え、ｐＨ１．５に調整して、カラムの注入口より流速５ｍＬ／ｍｉｎで注入した。１５分後、注入溶液は、アポフェリチンが固定化された領域に到達した。排出口より排液を完全に排出した。廃液に対して、フレーム原子吸光分析法を用いて、廃液中の残留亜鉛量を測定した。排出液に塩酸を加え、終濃度０．１Ｍの塩酸溶液とし、アセチレン・空気フレームに直接噴霧し、亜鉛は波長２１３．９ｎｍの吸光度で定量した。測定排液には、亜鉛が０．９μｇ（濃度：０．１ｐｐｍ）しか含まれていなかった。
【００７４】
完全に排出した後、次に、注入口から１５０ｍＭＮａＣｌバッファーを注入し、石英からなるカラム内を洗浄した。カラムを炉に入れて７００℃で１時間、加熱した。加熱中、炉内には、窒素ガスを流速毎分２００ｍＬで流した。約３時間後、炉内が１００℃以下になるのを待ってカラムを取り出したところ、金属塊４．９ｍｇが得られた。
【００７５】
各注入容量に対して残留金属イオン量を測定し、換算吸着量を図８に示す。最大の吸着が見られた注入量において、一つのアポフェリチン分子は約３０００個の亜鉛原子を内包する能力を持つことが示された。固定化するために使用したアポフェリチンの濃度から換算して、単位質量当たりのフェリチンの回収容量はこれより３６２ｍｇ／ｇと算出された。同様に測定した、イミノジ酢酸形のキレート樹脂の吸着容量は４．４ｍｇ／ｇであり、本特許のアポフェリチンは非常に大きな吸着容量を示した。
【００７６】
（実施例２）
実施例１と同様に脾臓からフェリチンを抽出・精製し、アポフェリチン化した。
（アポフェリチンのカラムへの固定）
カラムは、最表面に金を真空蒸着した。以下の方法で、カラム内壁の金にアミノウンデカンチオール（Ｈ_２Ｎ−Ｃ_１１Ｈ_２２−ＳＨ）からなるＳＡＭ膜（ＳｅｌｆＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒ、自己組織化単分子膜）を介してアポフェリチンを固定化した。具体的な固定方法は以下に示す。
【００７７】
金表面部分のみにピラニア溶液（硫酸：３０％過酸化水素水＝３：１）に１０〜１５分間反応させ、純水で十分洗浄し、金最表面に付着する有機物を完全に除去した。その後、金に１ｍＭアミノウンデカンチオール（Ｈ_２Ｎ−Ｃ_１１Ｈ_２２−ＳＨ）、１０ｍＭエタノール水溶液を２０分間曝した。
【００７８】
エタノール、純水の順に金表面を洗浄し、さらに、金表面を窒素雰囲気下で乾燥させた。２μＭの濃度のアポフェリチン、リン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を電極上で６０分間反応させ、アポフェリチンを固定化した。
（鉛イオンの分離・回収）
１００μＭの濃度で鉛（ＩＩ）イオンが溶解した溶液に希硫酸を加え、ｐＨ１．５に調整して、カラムの注入口より流速５ｍＬ／ｍｉｎで注入した。１５分後、注入溶液は、アポフェリチンが固定化された領域に到達した。排出口より排液を完全に排出した。
【００７９】
完全に排出した後、次に、注入口から１００ｍＭ水酸化カリウムを注入した。水酸化カリウムにより金とＳＡＭとの結合はチオール基に還元され、ＳＡＭ膜の結合が脱離したものと思われる。排出口より排出された脱離フェリチン溶液は石英容器に受けられる。排出液を７００℃で１時間加熱した。加熱中、炉内には、窒素ガスを流速毎分２００ｍＬで流した。約３時間後、炉内が１００℃以下になるのを待ってカラムを取り出したところ、鉛の金属塊が得られた。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の機能分子は、多量の金属イオンを内包することができる。しかも、簡便な操作で金属を容易に脱離させ、回収することができる。
【００８１】
よって、本特許は、産業廃棄物、鉱山排水、工場排水などの中の有価金属や有害金属を効率よく吸収し、回収あるいは除去することができ、これは、資源の回収再利用及び環境汚染防止の観点から極めて重要である。特に、本特許に示した金属の分離・回収方法は、連続処理できるため、工程水の回収、再利用の自動化に威力を発揮する。
【００８２】
また、機能分子の主成分がタンパク質に代表される生体分子であるため、血液処理などの医療分野、食品分野にも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における、金属を分離するカラムの動作の概略を示す概念図
【図２】本発明の一実施の形態における、カラムに分離した金属を回収する方法の概略を示す図
【図３】本発明の機能分子であるフェリチンタンパク質の分子構造を示す図
【図４】本発明の一実施の形態における、金属を分離するカラムの動作の概略を示す概念図
【図５】本発明の一実施の形態における、カラムに分離した金属を回収する方法の概略を示す図
【図６】本発明の一実施の形態における、アフィニティー差を利用したカラムの動作および金属回収方法の概略を示す図
【図７】本発明の一実施の形態における、核酸を利用したカラムの動作および金属回収方法の概略を示す図
【図８】各注入容量に対して、残留金属イオン量から換算した換算吸着を示す図
【符号の説明】
１：カラム
２：金属イオン含有液
３：金属イオン除去後液
４：注入口
５：排出口
６：機能分子
６Ａ：機能分子Ａ
６Ｂ：機能分子Ｂ
６Ｃ：機能分子Ｃ
７：金属イオン
７Ａ：金属イオンＡ
７Ｂ：金属イオンＢ
７Ｃ：金属イオンＣ
８：金属−機能分子複合体
８Ａ：金属−機能分子複合体Ａ
８Ｂ：金属−機能分子複合体Ｂ
８Ｃ：金属−機能分子複合体Ｃ
９：結合助長化合物
１０：流路
１２：解離溶液
１３：複合体含有水溶液
１４：複合体分解溶液
１５：加熱源
１８：解離した金属−機能分子複合体
１９：分解した金属−機能分子複合体
３１：Ｆｅ_２Ｏ_３の芯
３２：タンパク質の殻
４２Ａ：高アフィニティー溶液Ａ
４３Ａ：脱離複合体８Ａ含有溶液
４９Ａ：抗体Ａ
５２Ａ：制限酵素Ａ溶液
５３Ａ：脱離複合体８Ａ含有溶液
５５：カラム加熱源
５９Ａ：二本鎖核酸（制限酵素サイトＡ）

Claims

少なくとも１種類以上の金属イオンが混在している溶液中から金属を選択的、もしくは非選択的に分離する機能を有するカラムが、
前記カラム内で、前記金属イオン混在溶液と接する流路領域に配置された
少なくとも一種類以上の機能物質群と、
前記カラムの該領域へ、前記混在溶液を注入する、少なくとも一つ以上の注入口と、
前記カラムの該領域から、前記混在溶液を排出する、少なくとも一つ以上の排出口を備え、
前記機能物質が、有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、
該内腔部に除去すべき金属を内包、もしくは金属と複合体を形成することにより前記金属を溶液中から分離することを特徴とする金属を分離する機能を有するカラム。
前記機能物質群が担持体に担持もしくは、充填されることにより、カラム内の該領域に配置される、請求項１に記載のカラム。
前記機能物質群がカラムに化学結合を介して固定されることにより、カラム内の該領域に配置される、請求項１に記載のカラム。
前記機能物質群がカラムに、少なくとも一種類以上の結合仲介作用を有する化合物を介して化学的に固定されることにより、カラム内の該領域に配置される、請求項３に記載のカラム。
カラムの注入口と排出口を結ぶ、前記領域が複数配置されている、請求項１から４のいずれかに記載のカラム。
さらに、注入口と前記複数領域を結ぶ流路内に、注入口と所望の前記流路とを結ぶことができる、切り替えバルブを持ち、
内包する金属種の異なる前記機能分子が前記複数領域の各各に固定化されている、請求項５に記載のカラム。
カラムの一つ以上の排出口の先の流路がすくなくとも一つ以上の流路に分岐し、さらに、一方の流路が注入口へとつながることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のカラム。
前記機能物質が、代表長さが３−３０ｎｍであることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のカラム。
前記機能物質を構成する、前記有機物の主要な部分がタンパク質である、請求項１から８のいずれかに記載のカラム。
前記タンパク質分子がフエリチンフアミリ−であることを特徴とする、請求項９に記載のカラム。
前記フエリチンフアミリ−がフエリチンまたは、アポフエリチン、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることを特徴とする、請求項１０に記載のカラム。
前記タンパク質分子がアデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ、および、これらの改変物等の群から選ばれるウイルスであることを特徴とする、請求項９に記載のカラム。
前記タンパク質分子がＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることを特徴とする、請求項９に記載のカラム。
前記金属が鉄、鉄酸化物、その他の鉄化合物、ニツケル、ニツケル酸化物、その他のニツケル化合物、コバルト、コバルト酸化物、その他のコバルト化合物、銅、銅酸化物、その他の銅化合物、金、その他の金化合物、白金、その他の白金化合物の少なくとも、いずれか１種であることを特徴とする、請求項８から１４のいずれかに記載のカラム。
請求項１に記載のカラムを用いて、
少なくとも１種類以上の金属イオンが混在している第一の溶液中から金属を選択的、もしくは非選択的に回収する方法であって、
前記第一の溶液を前記カラムの該記注入口から注入し、
前記カラムの前記機能物質群が配置された該領域に接触させ、該排出口より排出する工程と、
操作により前記機能物質群から金属を回収する工程からなり、
前記操作が、前記機能物質に内包されていた前記金属を露出させることにより、前記金属を得ることを特徴とする金属を回収する方法。
前記操作が、窒素雰囲気中、または、大気中で、機能物質の焼失温度以上で、前期機能物質群を加熱焼失させることにより、前記金属の回収を実現することである、請求項１５に記載の金属を回収する方法。
前記操作が、前記機能物質群のみを選択的に分解する作用を持つ化合物を入れることであり、かつ、前記分解作用化合物が、タンパク質分解酵素、尿素、界面活性剤のいずれか一つ以上である、請求項１５に記載の金属を回収する方法。
前記タンパク質分解酵素が、プロテアーゼ、ディスパーゼ、トリプシン、ナガラーゼ、のいずれか一つ以上である、請求項１７に記載の金属を回収する方法。
請求項５に記載のカラムを用いて、
少なくとも１種類以上の金属イオンが混在している第一の溶液中から金属を選択的、もしくは非選択的に回収する方法であって、
前記第一の溶液を前記カラムの該記注入口から注入し、
前記カラムの前記機能物質群が配置された該領域に接触させ、該排出口より排出する工程と、
第二の溶液を前記カラムの該記注入口から注入し、
前記カラムの前記機能物質群が配置された該領域に接触させ、該排出口より排出する工程と、
請求項１５から１８に記載の操作により前記機能物質群から金属を回収する工程からなり、
前記第二の溶液が、前記機能物質群を前記カラムに固定している結合を切断する機能を有することを特徴とする金属を回収する方法。
前記カラムに固定されている前記結合仲介物質が抗原であり、第二の溶液が前記機能物質より前記抗原とのアフィニティーが高い抗体を含有する溶液である、請求項１９に記載の金属を回収する方法。
前記カラムに固定されている前記結合仲介物質が核酸であり、前記操作が６０℃以上の加熱（デイネイチャー）である、請求項１９に記載の金属を回収する方法。
前記カラムに固定されている前記結合仲介物質が核酸であり、第二の溶液が核酸を溶かす溶液である、請求項１９に記載の金属を回収する方法。
前記カラムに固定されている前記結合仲介物質が核酸であり、第二の溶液が制限酵素を含有する溶液である、請求項１９に記載の金属を回収する方法。
前記機能物質が、直径３−３０ｎｍの粒子であることを特徴とする、請求項１５から２３のいずれかに記載の方法。
前記機能物質を構成する、前記有機物の主要な部分がタンパク質である、請求項１５から２４のいずれかに記載の方法。
前記タンパク質分子がフエリチンフアミリ−であることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
前記フエリチンフアミリ−がフエリチンまたは、アポフエリチン、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
前記タンパク質分子がアデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ、および、これらの改変物等の群から選ばれるウイルスであることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
前記タンパク質分子がＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
前記金属が鉄、鉄酸化物、その他の鉄化合物、ニツケル、ニツケル酸化物、その他のニツケル化合物、コバルト、コバルト酸化物、その他のコバルト化合物、銅、銅酸化物、その他の銅化合物、金、その他の金化合物、白金、その他の白金化合物の少なくとも、いずれか１種であることを特徴とする、請求項２４から２９のいずれかに記載の方法。