JP4599246B2

JP4599246B2 - ビニルアルコール系ポリマーの分解方法

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Publication number: JP4599246B2
Application number: JP2005217845A
Authority: JP
Inventors: 祐子二階堂; 桂子岡; 隆一郎近藤
Original assignee: Kyushu University NUC; Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Kuraray Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: JP2007031591A

Description

本発明は、ビニルアルコール系ポリマーの分解方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、キカイガラタケ属菌（Gloeophyllum.sp）又は該菌の培養物を用いた、ビニルアルコール系ポリマーの分解方法に関する。

ビニルアルコール系ポリマー(以下、「PVA」と称することがある)は、ビニロン繊維、フィルム、繊維・紙加工、接着剤、エマルジョン等の多様な用途に用いられている。これらの用途に使用された後のPVA廃棄物、特に水に難溶であるがゆえに生分解を受けがたい繊維、フィルム等の固体状PVA廃棄物は通常、焼却処理されている。近年、焼却時のダイオキシン発生等による環境汚染を防ぐという観点から、PVAをはじめ各種プラスチック廃棄物は高温での焼却処理が求められている。しかし、高温での焼却処理には、多量のエネルギーが必要であるだけでなく、温度制御が可能な高度な処理設備が必要となるほか、焼却炉の損傷等の問題が指摘されている。

一方、微生物によるPVAの効率的な分解方法が開発されれば、省エネルギー的なPVA廃棄物分解処理方法につながると考えられる。また、コンポスト化等によるPVA廃棄物のマテリアルリサイクルも可能となると考えられる。

このような微生物を用いたPVAの分解方法としては、シュードモナス属、スフィンゴモナス属、バチルス属等の各種バクテリアを用いた方法が知られている（例えば、特許文献１、２、３、４等参照）。また、菌を用いたPVA分解も報告されている（非特許文献１、２等参照）。
特開平７−１０８２９７号公報特開平８−１４０６６７号公報特開２００３−２５０５２７号公報特開平１０−７５７７３号公報 Daniel m. Larking他、Enhanced Degradation of Polyvinyl Alcohol by Pycnoporus cinnabarium after Pretreatment with Fenton’s Reagent、Applied and Environmental Microbiology, 65（4）1798-1800（1999） Amanda Ines Mejia他、Biodegradation of poly(vinyl alcohol-co-ethylene) with the fungus Phanerochaete chrysosporium、Mat.Res.Innovat.,4,148-154（2001）

しかし、前記のバクテリアは、乾燥条件下では生育できないため、PVAを分解させるためには、PVAを水へ溶解させる又は浸水条件下におくことが必要とされており、フィルム等の固体状のPVAに対しては分解効率が非常に悪いという問題があった。そのため、フィルム等の固体状PVAの分解にバクテリア等を適用しようとすると、ポリマーを熱水へ溶解させる操作や大規模な処理槽が必要となり、依然として多大なエネルギー及びコストが必要であった。

一方、前記の菌を用いたPVA分解の報告は、いずれも水溶液状や浸水条件下での分解の報告に限られており、しかも分解効率が悪いため工業用途への応用は困難であった。

PVA分解処理方法の実用化の観点から、固体状のPVAが水への溶解又は浸漬操作の有無によらず分解される方法の確立が求められるが、上記のように、微生物を用いて固体状のPVAを水への溶解又は浸漬操作の有無によらず分解することのできる十分に効率的な方法は、未だ確立されていないのが現状である。

上記の現状に鑑み、本発明の課題は、微生物を用いてPVAを効率的に分解する方法、特に固体状のPVAを水への溶解又は浸漬操作を経なくても効率的に分解することができる方法を提供することである。

本発明者は、上記の課題を解決するため、さまざまな微生物を用いてPVAの分解実験を行った。

その結果、本発明者は、木材褐色腐朽性の菌の一種であるキカイガラタケ属菌が、固体状のPVAを水への溶解又は浸漬操作の有無によらず分解可能なことを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、
［１］キカイガラタケ属菌（Gloeophyllum.sp）又は該菌の培養物をビニルアルコール系ポリマーに接触させる工程を含む、該ビニルアルコール系ポリマーの分解方法
に関する。

本発明により、菌を用いてPVAを効率的に分解する方法、特に固体状のPVAを水への溶解又は浸漬操作を経なくても効率的に分解することができる方法が提供されるため、省エネルギー的なPVA廃棄物の分解処理が可能になるという効果が奏される。

また、PVAを分解させた後に分解物をコンポスト化することで、コンポストとして用いることができる。

本発明は、キカイガラタケ属菌又は該菌の培養物をビニルアルコール系ポリマーに接触させる工程を含む、該ビニルアルコール系ポリマーの分解方法に関する。かかる構成を有することにより、固体状のPVAを水への溶解又は浸漬操作を経なくても効率的に分解することができる。

ここで、PVAの分解とは、PVAが水溶液中に溶解している場合はPVAの主鎖を切断することをいい、PVAが固体状である場合はPVAの重量が減少することをいう。PVAの主鎖の切断は、例えば、ゲル濾過クロマトグラフィー法にてPVAの分子量を測定し、PVAの分子量の低下を確認することにより評価できる。PVAの重量の減少は、例えば、PVAフィルムを凍結乾燥後、電子天秤にてPVAフィルムの重量を測定することにより評価できる。

本発明の分解方法で用いられる菌は、キカイガラタケ属に属する菌であればよい。良好なPVAの分解の観点から、前記のキカイガラタケ属に属する菌は、キチリメンタケ（以下、Gloeophyllum trabeumという）ヒロハノキカイガラタケ（以下、Gloeophyllum striatuｍという）から選択される菌であることが好ましく、より好ましくはGloeophyllum trabeum NBRC番号6430、Gloeophyllum trabeum NBRC番号6509、またはGloeophyllum striatum NBRC番号30341である。
尚、菌は、菌糸または子実体であってもよく、それらの破砕物や抽出物を菌として使用することもできる。

前記の菌は、独立行政法人製品評価技術基盤機構から入手することができ、また、自然界からPVA分解活性を指標に公知の方法でスクリーニングすることにより得ることもできる。

前記の菌を培養するのに適した培地としては、特に限定されず、通常の木材腐朽菌の培養や酵素調製用に使用される培地を好適に用いることができる。かかる培地の具体例としては、例えば、ポテト・デキストロース培地、グルコース・コーンスティープリカー培地、麦芽エキス培地、フスマ培地、サブロー培地、高・低窒素合成培地、木粉等が挙げられる。これらの培地は、単独で用いてもよいが、２種以上を組合せて用いてもよい。

本発明において、菌の培養物とは、前記の菌を前記の培地等を用いて培養したものであれば、PVA分解能を発現する限り、特に限定はなく、菌体と培地との混合物、菌培養後の培地由来成分、菌培養後の培地由来の酵素液等であってもよい。

なお、本発明の分解方法においては、前記の菌又は菌の培養物（以下、菌等と略称することがある）を単独で用いてもよいが、２種以上を共に用いてもよい。

本発明の分解方法において分解されるビニルアルコール系ポリマーとは、ビニルアルコールユニットを主成分とするポリマーをいう。ビニルアルコール系ポリマーは、公知の化学合成方法により調製することができる。ビニルアルコール系ポリマーは、かかるポリマーであれば特に限定されず、分解が進行する範囲内で他の構成単位を有してもよく、また、後述の架橋剤で架橋された構造を有していてもよい。

前記の他の構成単位としては、例えば、酢酸ビニル等のビニルエステル、エチレン、プロピレン、ブチレン等のオレフィン類、アクリル酸及びその塩、アクリル酸メチル等のアクリル酸エステル、メタクリル酸及びその塩、メタクリル酸メチル等のメタクリル酸エステル類、アクリルアミド、Ｎ−メチルアクリルアミド等のアクリルアミド誘導体、メタクリルアミド、Ｎ−メチロールメタクリルアミド等のメタクリルアミド誘導体、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド等のＮ−ビニルアミド類、ポリアルキレンオキシドを側鎖に有するアリルエーテル類、メチルビニルエーテル等のビニルエーテル類、アクリロニトリル等のニトリル類、塩化ビニル等のハロゲン化ビニル、マレイン酸及びその塩又はその無水物やそのエステル等の不飽和ジカルボン酸等がある。

前記の他の構成単位の導入は公知の方法、例えば共重合による方法や後反応による方法によって行うことができる。これらのビニルアルコールユニットではない構成単位成分の含有量は、効率的な分解の観点から、PVAの全構成単位中、通常４４モル％以下が好ましく、２０モル％以下がより好ましく、５モル％以下がさらに好ましい。

本発明の分解方法において分解されるPVAはまた、１種あるいは２種以上の、構成単位の種類や導入量が異なるPVA又は分子量の異なるPVAのブレンド物や、これら以外の重合体、例えばでんぷん、セルロース等の天然高分子や、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン等の生分解性を有する合成高分子とのブレンド物でもよい。

さらに、本発明の分解方法において分解されるPVAには、本発明の目的が損なわれない範囲内で、架橋剤、充填材、可塑剤及び他の熱可塑性樹脂、香料、着色剤、発泡剤、消臭剤、増量剤、滑剤、剥離剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、加工安定剤、耐候安定剤、帯電防止剤、難燃剤、離型剤、補強材等の添加剤が配合されていてもよい。

前記の架橋剤としては、例えば、ホルムアルデヒド等のアルデヒド類が挙げられる。

前記添加剤のPVA中における含有量は、PVAの十分な分解の観点から、好ましくは３０重量％以下が好ましく、１０重量％以下がより好ましい。

本発明において分解されるPVAの形状は、特に限定されず、PVAの水溶液、フィルム、繊維又は任意の成型体等であってもよい。

菌をPVAに接触させる工程においては、前記の菌等と前記のPVAとが接触する限り、特に限定はない。かかる工程としては、例えば、前記のPVAと菌とこの菌の培養に適した培地とを共にインキュベーションする工程、前記PVAを含有する廃棄物に前記の菌等を直接添加してインキュベーションする工程等が挙げられ、PVAの十分な分解の観点から、前記のPVAと菌とこの菌の培養に適した培地とを共にインキュベーションする工程が好ましい。以下、インキュベーションする工程について説明する。

本発明の分解方法において、インキュベーションとは、少なくとも前記のPVAと菌等とを含む試料を一定の範囲の温度条件に保つことを言う。インキュベーションは、恒温槽等の装置内において行われてもよいし、温度条件が一定の範囲に保たれるのであれば、屋外に静置された状態、又は土中に埋設された状態等で行われてもよい。

また、PVAと菌等とこの菌の培養に適した培地とを共にインキュベーションする場合、前記の試料中において、PVA、菌等及び培地は混合されてもよいが、菌等のPVA分解能が発揮されるのであれば、混合せずに接触させて静置するだけでもよい。

例えば、前記のPVAを含む培地に前記の菌を添加して、インキュベーションする態様等が好ましい。また、菌と培地とを含有する培養物、又はその処理物、例えばそれらを破砕して得られる酵素液などをPVAに接触させてインキュベーションする態様等も好ましい。

前記の試料中におけるPVA、菌及び培地の含有量比としては、用いる菌の種類により適宜選択でき、特に限定されるものではないが、PVAの十分な分解及び分解にかかるコストの観点から、インキュベーション開始時の菌の乾燥重量に対してPVA重量が乾燥重量で３〜200倍であることが好ましく、１０〜３０倍であればより好ましい。また、菌の良好な生育及び培地にかかるコストの観点から、インキュベーション開始時の菌の体積に対して培地体積が50〜2500倍であることが好ましく、100〜1000倍であればより好ましい。

インキュベーションする工程における温度条件は、用いる菌の種類により適宜選択でき、特に限定されるものではないが、菌の良好な生育およびPVAの十分な分解の観点から、一般的には１０℃以上であることが好ましく、２０℃以上であればより好ましい。また、この温度条件は、同じく菌の良好な生育の観点から、４５℃以下であることが好ましく、４０℃以下であればより好ましい。

また、インキュベーションする工程における相対湿度の条件は、用いる菌の種類により適宜選択でき、特に限定されるものではないが、菌の良好な生育の観点およびPVAの十分な分解から、一般的には２０％以上であることが好ましく、４０％以上であればより好ましい。また、この相対湿度は、同じく菌の良好な生育の観点およびPVAの十分な分解から、９０％以下であることが好ましく、８０％以下であればより好ましい。

さらに、インキュベーションする工程におけるインキュベーション日数は、用いる菌の種類により異なるので、特に限定されるものではないが、PVAの十分な分解の観点から、一般的には１日間以上であることが好ましい。また、このインキュベーション日数は、PVAの経済的な分解の観点から、３００日間以下であることが好ましく、２００日間以下であればより好ましく、１００日間以下であればさらに好ましい。

インキュベーションする工程において、菌の良好な生育およびPVAの十分な分解の観点から、通気撹拌してもよいが、菌の生育に十分な酸素の供給が可能であれば通気撹拌をしなくてもよい。すなわち、インキュベーションする工程においては、通気撹拌の有無に関わらず菌にPVAを分解させることができる。

本発明の分解方法は、前記のインキュベーションする工程のようなキカイガラタケ属の菌等をPVAに接触させる工程のみからなる方法であってもよいが、かかる工程の前に、例えば、PVAを小断片に粉砕する、又は水に溶解もしくは浸漬させる工程、菌を前培養する工程、前培養した菌を小片に破砕する工程、及び／又はPVAもしくは培地を滅菌する工程等の他の工程を含んでもよい。

図１は、本発明の分解方法の一例を表わす工程図である。本発明の分解方法は、図１に示されるように、前記のPVAと菌とこの菌の培養に適した培地とを共にインキュベーションする工程（C）を有し得る。

本発明の分解方法において、菌によるPVAの分解は、PVAの表面から内部へと向かって進行する。そのため、PVAを小断片に粉砕したり、水に溶解又は浸漬させた場合には、PVAの表面積が大きくなり、PVAの分解の進行が促進されるという効果が得られる。

従って、本発明の分解方法は、例えば、図１に示されるように、インキュベーションする工程（C）の前に、PVAを小断片に粉砕する、又は水に溶解もしくは浸漬する工程（A）を含むことができる。なお、工程（A）において、PVA廃棄物を省エネルギー的に分解処理する観点から、PVAを小断片に粉砕する方法が望ましい。

また、本発明の分解方法に生育期の菌を用いた場合、より短時間で菌体量が増加することから、効率的にPVAの分解を進行させることができる。したがって、本発明の分解方法は、例えば、図１に示されるように、インキュベーションする工程（C）の前に、菌を前培養する工程（B）を含むことが望ましい。

菌を前培養する工程に用いられる培地の種類は、特に限定されず、例えば、ポテト・デキストロース寒天培地等の通常の木材腐朽菌の培養や酵素調製用に使用される培地を好適に用いることができる。

菌を前培養する工程における温度条件は、特に限定されるものではないが、菌の良好な生育の観点から、一般的には１０℃以上であることが好ましく、２０℃以上であればより好ましい。また、同じく菌の良好な生育の観点から、４５℃以下であることが好ましく、４０℃以下であればより好ましい。

菌を前培養する工程における培養日数は、用いる菌の種類により異なるので、特に限定されるものではないが、菌の十分な生育の観点から、一般的には１日間以上であることが好ましく、菌の十分な生存の観点から、３０日間以下であることが好ましい。

上記のような本発明の分解方法によれば、菌を用いてPVAを水への溶解又は浸漬操作を経なくても効率的に分解することが可能となり、さらには省エネルギー的なPVA廃棄物分解処理方法につながると考えられる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実験準備
１．PVAフィルムの調製
PVAとして表1に示す３種のポリビニルアルコール、または１種のエチレンを４％共重合させたポリビニルアルコールを用い、これらを７０℃ドラム流延法により、厚さ９０−１００μｍのPVAフィルムに成形した。このPVAフィルムを５０ｍｍ角の大きさに切断し、PVAフィルム試料No.１〜４を作製した。

２．使用菌株
以下の実施例及び比較例において、PVAフィルム試料の分解試験に用いた菌を以下の表２に示す。また、各菌は表２中の対応する供試菌略号で表されることがある。

３．使用菌株の前培養
使用菌株の前培養のための培地として、ポテト・デキストロース粉末(日水製薬社製：ポテト浸出液末4.0g、ブドウ糖20.2g、寒天15.0g含有)39.0ｇとイオン交換水1.0Lの組成からなるポテト・デキストロース培地を作製した。このポテト・デキストロース培地をオートクレーブ内で１２１℃、１５分間滅菌処理を実施した後、滅菌済みシャーレ（BIOBIK製φ90mm）に15ｍｌずつ分注して、固化させ、ポテト・デキストロース培地プレートを作製した。次いで、このポテト・デキストロース培地プレート上に、表２記載の使用菌株を植菌して、３０℃で１０日間培養した。

実施例１
(i) 菌処理
PVAフィルム試料分解試験用の培地として、表３に示す組成からなる低窒素合成培地を調製し、滅菌処理（121℃、15分）後、滅菌済みシャーレ（BIOBIK製φ90mm）に１５ｍｌずつ分注して、固化させ、試験用寒天培地を作製した。上記培地上に、70％エタノール中に30秒間浸して滅菌し、滅菌水中で5分間洗浄したPVAフィルム試料(表１中のNo.1)を１枚置いた。

供試菌aを前培養したポテト・デキストロース培地プレートをコルクボーラー（アズワン（株）製）で打抜き、直径９mm、厚さ3mmの菌ペレットを作製した。この菌ペレットを上記の培地上のPVAフィルムの上に１個置くことにより、植菌を行った。この様にして植菌した培地を、恒温槽内において、３０℃、湿度９０％の条件で、２８日間インキュベーションを行った。

インキュベーション終了後、シャーレ内からPVAフィルム試料を回収した。PVAフィルム試料に付着した菌糸や培地等をイオン交換水で洗い落とした後、PVAフィルム試料を−80℃で凍結後、真空凍結乾燥機 FZ-1型（LABCONCO社製）を用いて室温（25℃）にて１０ｍｍHgで１５〜２０ｈ乾燥させた。

(ii) 重量減少率
得られた菌処理済のPVAフィルム試料の重量を測定し、下記の式に基づいて試験開始時のフィルム試料の重量からの重量減少率を求めた。

重量減少率（％）＝(試験開始時フィルム重量−菌処理済フィルム試料重量)÷ 試験開始時フィルム重量×１００

なお、上記のPVAフィルム試料分解試験用培地上に、表１のＮｏ．１に記載のPVAフィルム試料１枚を置き、植菌することなく上記と同様にインキュベーションを行った後、回収したフィルムについて、上記と同様にして重量減少率を求めた。この値をブランク値として上記の菌処理済試料の重量減少率から差し引いた値を表４に示す。

実施例２〜９
供試菌(キカイガラタケ属菌a〜ｃから選択した)、PVAフィルム試料および分解試験用培地の組合せを変更した以外は、実施例１と同様にして、菌処理後のフィルムの重量減少率からブランク値を差し引いた値を求めた。結果を表４に示す。

比較例１
供試菌に、水溶液状のポリビニルアルコールを分解したという報告がある木材白色腐朽菌の1種である供試菌ｄを使用した以外は、実施例１と同様にして、菌処理後のフィルムの重量減少率からブランク値を差し引いた値を求めた。結果を表４に示す

比較例２〜６
PVAフィルム試料および分解試験用培地の組合せを変更した以外は、比較例１と同様にして、菌処理後のフィルムの重量減少率からブランク値を差し引いた値を求めた。結果を表４に示す。

実施例1の結果から、供試菌ａを用いた菌処理により、固体状ＰＶＡフィルムの有意な重量減少が生じたことが分かった。即ち、供試菌ａが固体状ＰＶＡの分解に有効であることが確認された。
また、実施例１〜６の結果から、供試菌ａが、重合度及び／又はけん化度が異なる種々の固体状ＰＶＡ分解に有効であることが確認された。また、供試菌ａが、高窒素合成培地又は低窒素合成培地のいずれにおいても固体状ＰＶＡ分解に有効であることも確認された。
また、実施例７の結果から、供試菌ａが、共重合成分を含む固体状ＰＶＡの分解にも有効であることが確認された。
また、実施例８の結果から、供試菌ａと同じくGloeophyllum trabeumに属する供試菌ｂもまた、供試菌ａと同様に固体状ＰＶＡ分解に有効であることが確認された。
さらに、実施例９の結果から、Gloeophyllum trabeumではないが、供試菌ａ及びｂと同じくキカイガラタケ属に属する供試菌ｃもまた、供試菌ａ及びｂと同様に固体状ＰＶＡ分解に有効であることが確認された。

一方、比較例１〜６の結果から、白色腐朽菌である供試菌ｄを用いた菌処理によっては、高窒素合成培地又は低窒素合成培地のいずれにおいても、重合度及び／またはけん化度の異なる種々のＰＶＡフィルムは、ほとんど分解されなかった。
以上より、本発明に用いるキカイガラタケ属菌は、固体状のＰＶＡの分解において、従来の微生物には見られない効果を奏することが分かった。

実施例１０
表１中のＮｏ．１のＰＶＡのペレット試料をオートクレーブにて１１０℃、２０分加熱して、２重量％のＰＶＡ水溶液を調製した。表３記載の低窒素合成培地から寒天を除いた液体培地に、前記のＰＶＡ水溶液をＰＶＡ濃度が0.03重量％となるように添加して分解試験用培地とした。回転子を入れた培養瓶(タイテック株式会社製、φ５５ｍｍ)に前記の分解試験用培地２００ｍｌ及び実施例１と同様にして調製した供試菌ａの菌ペレットを８枚添加し、３０℃
２００ｒｐｍで撹拌培養した。培養０日目および８日目の培養液をフィルター（ミリポア製、孔径０．２μｍ）で濾過した濾液を用いて、ゲル濾過クロマトグラフィー法（カラムTSK gel GMPW_XL, 東ソー株式会社製）にて濾液中のＰＶＡの分子量を測定した。分子量標準物質としてプルラン（株式会社林原生物化学研究所製）を用いた。その結果、PVAの平均分子量が、０日目では９３０００だったのに対し、８日目では２４０００に低下したことから、ＰＶＡの分解が生じたことが分かった。即ち、供試菌ａは、水溶液状ＰＶＡ分解能力も有することが確認された。

本発明の分解方法によれば、PVA廃棄物、特に水に難溶であるがゆえに生分解を受けがたい繊維、フィルム等の固体状PVA廃棄物を省エネルギー的に分解処理することができる。

本発明のPVAの分解処理方法の一例を表わす工程図である。

Claims

キカイガラタケ属菌（Ｇｌｏｅｏｐｈｙｌｌｕｍ．ｓｐ）又は該菌の培養物をビニルアルコール系ポリマーに接触させる工程を含む、該ビニルアルコール系ポリマーの分解方法。
ビニルアルコール系ポリマーが固体状のビニルアルコール系ポリマーである請求項１記載の方法。
キカイガラタケ属菌が、キチリメンタケ（Ｇｌｏｅｏｐｈｙｌｌｕｍｔｒａｂｅｕｍ）及びヒロハノキカイガラタケ（Ｇｌｏｅｏｐｈｙｌｌｕｍｓｔｒｉａｔｕｍ）である請求項１又は２記載の方法。