JP5782505B2 - 微生物学的成分と触媒特性を有する金属合金 - Google Patents

Description

微生物的に被包された金属（またはゼロ価）ナノ粒子を、触媒となり得る少なくとも第二の金属成分と機械的に合金化することによって、強化された触媒特性を有する新しい材料が生産された。微生物バイオマスは、機械的合金化プロセスにおいて結合剤やプロセス制御剤として作用するため、生物被包（bioencapsulation）は分子再構築のための接触域の最大化を保証する。その結果物は、合金化前の各成分の効果の合計に比べて強化された触媒特性を有し、材料の乾燥質量の少なくとも１％の微生物バイオマスを含む金属合金である。機械的合金化は両成分間の固体−固体反応を起こし、これらの成分のうち少なくとも一方は、微生物的に被包されたナノ粒子を含む。

地下水の改善、土壌または堆積物の改善、水処理、排気ガス処理、燃料電池の構成要素、自動車触媒コンバーターの分野、およびその他様々な触媒分野での用途が考えられる。

不均一系触媒は、反応物よりも多様な凝集状態で存在する。ほとんどの場合、反応物は気相または液相中に存在し、反応は固体の触媒粒子の表面上で起こるが、触媒粒子は反応に参加することはない。不均一系触媒によって触媒される反応の範囲は、系に第二（または第三）の成分または共触媒を添加することによって拡大できることは本分野でよく知られている。このような触媒および共触媒に少なくとも１種の金属成分が含まれる場合、合金が形成される可能性がある。

本願において、用語「合金」は、２種またはそれより多くの成分を含むあらゆる金属系を意味するものとして用いられ、ここにおいてこのような金属系は、少なくとも１種の成分を部分的に他方の表面に埋め込ませることができる高エネルギーの機械的処理（機械的合金化）により得られる。これらの成分が離れている場合、触媒特性を有していてもよいし、または、有していなくてもよい。

二金属触媒は、ほとんどの場合、例えば一方の金属を他方に化学的に制御析出させること（Lin et al., 2004）、または、支持体を金属塩溶液に含浸させること、マイクロ波照射（Lingaiah et al., 2001）、または、アーク溶融（Choi et al.,2009）などの複雑で費用がかかる技術によって生産される。

一方で、生物学的および化学的な触媒作用プロセスの組み合わせに関する文献（例えばHe et al., 2009）で二元金属と生細菌との組み合わせ（ここでパラジウムで被覆した鉄と嫌気性細菌がペンタクロロビフェニルの脱塩素を触媒する）が説明されているが、これは単に化学的プロセスと生物学的なプロセスとを連続的に組み合わせたに過ぎず、両方のプロセスは場所も時間も別である。このような単純な連続的な組み合わせは、両方の成分が別の場所に存在する（混在する場がない）ために一方の成分の他方の成分に対する共触媒性作用を達成することができないという欠点がある。

その他のいくつかの文献において、例えばDeVor et al., 2009のように、ミルでの金属相の機械的合金化が説明されているが、いずれの金属相も粉末形態で存在しており、適切なキャッピング剤を含まず、微生物系の結合剤と結合した１つの成分が存在することも特にない。その結果として、いわゆる「混在部」（極めて反応性が高い二元金属部位）が形成されないか、または、合金化される成分間の相互作用が弱すぎるために、典型的には機械的合金化プロセス中にケークの形成や凝集が起こると予想され、それにより、最適ではない反応性での最終産物の生成に至る。

本発明において、細菌バイオマスが、原子価ゼロの金属ナノ粒子（微生物による還元プロセスによって生産され得る金属ナノ粒子）のための特に適切なキャッピング剤として作用し、さらに、ある最終生成物を生産するためにその他の成分（これは触媒性を有していてもよい）と機械的に合金化される成分として利用することができることを説明する。ここで、最終生成物は、微生物バイオマスがナノ粒子を安定化してそれらと結合し、加えて機械的合金化中にプロセス制御剤として機能してケークの形成および凝集を防止する、比類のない新規の形態の合金である。

本発明の目的は、金属成分を少なくとも１種のその他の成分と機械的合金化することによって（ここでこれらの成分のうち少なくとも１種は、生物学的に（微生物により）被包された金属ナノ粒子を含む）、金属成分の単位表面積あたりの反応速度（変換率）を改変することである。機械的合金化中に、触媒表面における様々な結晶面が露出し、また傷が付けられて、続いて圧縮剪断応力、衝撃応力、剪断流における応力、および／あるいは、加熱部位、化学的な作用が存在する部位、または電場による応力、ボールミル粉砕から選択される方法によって一方の成分が他方の成分に合金化される。好ましい機械的合金化法は、ボールミル粉砕と噴霧乾燥との組み合わせであることが証明された。

微生物により被包された成分（これは触媒性であってもよい）を、第二および／または第三の成分（これらは触媒性（共触媒性）であってもよく、さらに微生物により被包されていてもよい）と共にボールミル粉砕することによって、所定の表面形態の選択された部位を小さい金属ナノ粒子が占め、触媒回転率が強化された合金が生産される。微生物バイオマスは（触媒性／共触媒性の）成分と結合する三次元の足場として機能するため、ボールミル粉砕の間に微生物バイオマスは混在部の形成を刺激する。この方法において、ナノスケールでの局所的な機械的合金化が起り、（触媒性の）成分の表面に極めて高い反応性の少なくとも二元金属部位または「混在部」が生成され、その結果として、異なる合金化成分間の電子の相互作用によって表面層の再構築と強化された触媒反応性とがもたらされる。混在部は活性部位であり、ここで合金の全ての成分が触媒的変換に関与する。

微生物学的に被包された（触媒性または共触媒性の）ナノ粒子を得る好ましい方法は、例えばＰｄ（ＩＩ）塩またはＡｇ（Ｉ）塩などの触媒性金属の塩の微生物に媒介された生物学的還元、および、還元された金属（これらは原子価ゼロの状態であることが多い）の微生物バイオマス（グリコカリックス、Ｓ層、多糖類、または、その他の微生物細胞の外部の細胞成分）上またはその中への付随する沈殿による方法である。

触媒性能における共金属の作用は、（ｉ）同じ凝集における２種の成分間の密接な相互作用の程度と、（ｉｉ）共金属の化学的な状態に顕著に影響を受ける。
（ｉ）分子レベルでの密接な相互作用を達成することが難しく、また、（ｉｉ）ほとんどの場合、共触媒は、析出プロセス（例えば有機金属錯体または無機塩の析出）によって不均一系触媒の表面上にドープされることにより、共触媒が原子価ゼロの状態ではなくなるので、上記の条件は工業用スケールでこのような触媒性合金を生産する際の問題となる。このようなことは、共金属の理想的な化学的状態が原子価ゼロの金属状態である場合に問題になる。

本出願人の製造方法において、これらの問題は：（ｉ）合金化前に両方の成分をあらかじめ金属状態にすること、（ｉｉ）密接な相互作用が、一方または両方の成分のナノスケールにより指示されること、および、（ｉｉｉ）機械的合金化プロセスに有利な触媒的に不活性なバイオマトリックスで成分を結合させることによって克服した。

微生物により析出させた原子価ゼロの金属ナノ粒子の生産の好ましい実施態様において、微生物バイオマスは、金属ナノ粒子の還元剤として作用し、さらに原子価ゼロの状態に還元した後は保護剤として作用する。

微生物バイオマス中に被包された（または保護された）（さらに、他方の成分の表面と合金化された）金属ナノ粒子を含む少なくとも１種の成分は、好ましくは、パラジウム、白金、銀、金、ルテニウム、ニッケル、または、銅から選択される。

微生物バイオマスは細菌、藻類、または、菌類から得ることができる。
より具体的には、微生物バイオマスは、タンパク質、ＤＮＡ、糖タンパク質、グリコカリックス、または、バイオポリマーから選択することができる。

細菌は、好ましくは、シュワネラ属、ラクトバチルス属、ジオバクター属、エシェリキア属、シュードモナス属、バチルス属、ラクトコッカス属、または、マグネトスピリルム属から選択される。より好ましい種は、シェワネラ・オネイデンシス（Shewanella oneidensis）ＭＲ−１である。

本触媒性組成物は、微生物バイオマスを乾燥質量に基づき好ましくは１〜９５質量パーセント、より好ましくは１〜２０質量％含む。１つの成分と他方の成分との比率は、１：１００〜１：２の範囲で選択することができる。微生物バイオマスによって安定化された金属ナノ粒子は、好ましくは１００ｎｍよりも小さいサイズを有し、より好ましくは個々のナノ粒子が１〜１０ｎｍのサイズを有する。

少なくとも（（共）触媒性の）第二の金属成分は、好ましくは、パラジウム、鉄、白金、金、ルテニウム、銅、銀、マグネシウム、または、ニッケルから選択される。
また本発明は触媒性組成物の製造方法にも関し、本方法は、微生物バイオマスに被包された（触媒性の）金属ナノ粒子を含む少なくとも１種の成分を、少なくとも第二の成分の表面に機械的に合金化するプロセスを含む。

好ましい実施態様において、少なくとも１種の成分、少なくとも第二の成分のいずれかまたはその両方が触媒特性を有する。
好ましくは、機械的合金化プロセスは、メカノフュージョン、乾式衝撃混合（dry impact blending）、ボールミル粉砕、衝撃固化コーティング（impaction coating）、超微粉砕、または、上述の操作のあらゆる組み合わせから選択される工程を含み、これらの工程は、プラネタリー式ボールミル、ハイブリッド装置、ピン型粉砕機、ジェットミル、ドラムミル、超音波粉砕機、電磁ミル、楕円ローター式ミキサー、パールミル、または、アトリションミルで実施される。

その他の好ましい実施態様において、少なくとも１種の成分、少なくとも第二の成分のいずれかまたはその両方は、乾燥粉末状である。この乾燥粉末の形態は、好ましくは噴霧乾燥によって得られる。

いくつかの用途において、これらの成分のうち一方またはその両方は、例えばアルコールまたは揮発性アルカンのような液相中に分散されていてもよいし、または、水またはその他の水ベースの溶媒を用いたスラリー中に分散されていてもよい。

一般的に、金属ナノ粒子を含む少なくとも１種の成分は、微生物バイオマスの還元工程によって得ることができる。
本発明において、驚くべきことに、微生物により析出させた金属ナノ粒子スラリーを噴霧乾燥して粉末にすることによって、特定の表面形状を有する三次元構造が形成されることが見出された。このような（触媒性の）ナノサイズの成分を含む「微生物によって安定化した」構造を、粉末またはスラリー状で（（共）触媒性の）成分と共にボールミル粉砕することによって、例えば新しい触媒特性、様々な表面形状（よじれ、端部、ひび割れ、角および低指数面において特徴を有する）、新しい磁気特性、新しい導電特性、新しい抗菌特性、および、両親媒特性などの改変された物理化学的な特性を有する合金が形成される。微生物バイオマスは、合金化を妨害しないし、むしろバイオマスがボールミル粉砕中に個々のナノ粒子を混在部を形成するのに適した位置に配置するようであるので、ケークの形成および凝集を予防することによって機械的合金化プロセスに好ましい作用を有する。

以下の実施例において、このようにして生産された微生物学的な成分との金属合金の触媒特性が高いことが証明された。このようにして生産された金属合金との触媒作用によって、塩素化溶剤とポリ塩化ビフェニルとの水素化脱塩素反応の変換速度が増加し、脱塩素された最終生成物がより多く生成することが見出された。合金に微生物学的な成分が存在しない場合、反応性が低下した。最良の結果は、生物学的な還元工程によってナノサイズの成分をバイオマスに被包することによって得られた。

この実験室スケールで開発されたプロセスは容易にアップスケール可能である。

実施例Ｉ．パラジウム−鉄−バイオマス合金の製造
Ｄ５０が１０μｍ未満のゼロ価鉄の粉末をアルファ・エイサー（Alfa Aesar, ドイツ国カールスルーエ）から得た。

２０ｍ^３の発酵反応容器で生物学的に沈殿させたパラジウムナノ粒子を生産した。触媒性パラジウムナノ粒子を生産し、続いてシェワネラ・オネイデンシスＭＲ−１細菌細胞のグリコカリックスで安定化した。シェワネラ・オネイデンシスＭＲ−１を２０ｍ^３のルリア・ベルターニ発酵液体培地中で２４時間発酵し、遠心分離によって、３．８７％の乾燥物質を含む総量５０１ｋｇに濃縮した培養液を得た。この濃縮した培養液３２０ｋｇを２５ｍＭギ酸ナトリウムを含むＭ９無機塩溶液２４．４ｍ^３に添加した。無機塩溶液を含む反応容器で１．１６の光学密度（ＯＤ６１０）を得た。この溶液に、７３００グラムのパラジウム（Ｐｄ^２＋）をナトリウムテトラクロロパラジウム（ＩＩ）酸ナトリウム塩として添加した。この溶液のｐＨは７．２であり、懸濁液には１リットルあたり約１２．２グラムの乾燥質量が含まれていた。２４時間反応させた後、この溶液は完全に黒色になったが、これは、シェワネラ・オネイデンシスＭＲ−１細胞によってＰｄ^２＋がＰｄ^０に還元される生物学的還元プロセスが起ったことを示す。

細菌細胞を含む金属パラジウムナノ粒子を遠心分離で回収し、塩溶液で洗浄し、遠心分離で濃縮して水性スラリーにした。実施例ＩＩＩで説明されているように、パラジウムナノ粒子個々のサイズを透過型電子顕微鏡法で調べた。

続いてこのパラジウムを含む水性のスラリーを粉末状になるまで噴霧乾燥処理した。噴霧乾燥を以下の手順に従って行った：噴霧乾燥の前に、スラリーを連続的に混合してパラジウムの均一な分散液を得た。表１に噴霧のパラメーターを示す。

噴霧プロセス後に、パラジウムを含む粉末を得て、これをさらに実施例ＩＶで説明されているようにして電子顕微鏡法で試験した。
レッチェ（Retsch）ＰＭ４００ボールミルミリングステーションの粉砕カップの一つに、合計で９５グラムのゼロ価鉄の粉末と、５グラムの金属パラジウム粒子を含むシェワネラ・オネイデンシスの微生物バイオマス中で安定化した１２グラムの噴霧乾燥させたナノ粒子とを共に加えた。酸化プロセスを防止するために窒素ガス雰囲気下で、粉末をボールミルで４５分間粉砕した。別の試験で、９９グラムのゼロ価鉄の粉末と、２．４グラムのシェワネラ・オネイデンシスの微生物バイオマス中で安定化した噴霧乾燥させたパラジウムナノ粒子とを用いて合金を作製した。

両方の試験で得られたボールミルで粉砕した粉末は磁性を有することがわかった。
比較例ＩＩ．化学的なナノパラジウム−鉄合金の製造
合金化プロセス中のバイオマスの存在の影響、すなわち「微生物によって安定化した」ナノ粒子の存在が生産された合金の最終的な触媒反応性に与える影響を調査するために、以下のサンプルをさらに製造した。

Ｄ５０が１０μｍ未満のゼロ価鉄の粉末をアルファ・エイサー（ドイツ国カールスルーエ）から得た。
ビバナノ社（Vivenano Company, ７００ベイストリート, スイート１１００, トロント, カナダ, www.vivenano.com）からナノパラジウム粉末（ビバナノパラジウム（Vive Nano Palladium））を得た。これらのパラジウムナノ結晶を化学的還元によって生産し、ポリアクリル酸ナトリウムで安定化した。それらには１０〜３０質量％のパラジウムが含まれていた。

実施例Ｉに記載の粉砕条件に従ってレッチェＰＭ４００ボールミルミリングステーションでボールミル粉砕することによって（化学的な）ナノパラジウム−鉄合金を得た。実施例Ｉで生産された合金と比較例ＩＩで生産された合金とでパラジウムと鉄との比率は同じであった。

実施例ＩＩＩ．透過型電子顕微鏡法を用いた微生物バイオマス中のナノパラジウムの粒度の決定
ＴＥＭ解析のための薄い断片を製造するために、２．５％グルタルアルデヒドおよび２％ホルムアルデヒドを含む０．１Ｍカコジル酸緩衝液（ｐＨ７．４）中で細菌のペレットを固定し、３％低融点アガロース（米国ミシガン州デトロイトのディフコ・ラボラトリーズ（Difco Laboratories)製）中に埋め込んだ。これらのサンプルを１％四酸化オスミウム中で後固定した。固定工程中およびその後に、サンプルを蒸留水で洗浄した。その後サンプルを高濃度のエタノール中で、最後に無水プロピレンオキシド中で脱水した。試料ブロックをエポン−スプール（Epon-Spurr）培地に埋め込んだ後、ＴＭ６０のトリミングユニット（オーストリア国ウィーンのライヘルト・ユング社（Reichert-Jung A. G.）製）で形を整えて、０．５×１ｍｍ^２〜１×２ｍｍ^２の断面を得て、ウルトラカット（Ｕｌｔｒａｃｕｔ）マイクロトーム（ライヘルト・ユング社製，オーストリア国ウィーン）を用いて金色から艶消し銀色に至る干渉色の範囲でごく薄い切片を切り出した。この切片をピオロフォーム（pioloform）と炭素でコーティングした銅グリッド（２００メッシュ）上に載せた。これが終わったら、薄い切片を２％酢酸ウラニル、続いてクエン酸鉛で染色し、細胞の超微細構造を決定した。化学物質およびグリッドは、アガー・サイエンティフィック（Agar Scientific, イギリス国スタンステッド）から得た。ＥＭ２０８Ｓ透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ製，オランダ国アイントホーフェン）を８０ｋＶで稼動させることにより画像化を行った。

実施例Ｉで説明したようにシェワネラ・オネイデンシス属での生産によって得られたナノパラジウム粒子のＴＥＭ画像（示さず）を得た。これらの画像によって、組成物中に球状のナノパラジウム粒子が細菌細胞表面上の沈殿物の形態で形成されたことが確認された。

シェワネラ・オネイデンシスＭＲ−１における生産によって得られたナノＰｄの粒度を得た（ここでバイオマスの乾燥質量とパラジウムとの比率は２．８９：１であった）。
直径は、３ｎｍ〜５６ｎｍの範囲であり、平均は１１ｎｍであった。

実施例ＩＶ．微生物バイオマス中のナノパラジウム、鉄およびＦｅＰｄ合金の形態のＳＥＭ研究
ＪＳＭ６１００走査電子顕微鏡を用いて、噴霧乾燥後のシェワネラ・オネイデンシスＭＲ−１で生産されたナノパラジウムの乾燥サンプル、金属鉄の粉末、および、ボールミルで粉砕したＦｅＰｄ合金をシリコンウェーハ上で試験した。

鉄粒子（アルファ・エイサー，ドイツ）は１０μｍ未満のＤ５０を有し、回転楕円面体の形状を有していた。噴霧乾燥させた微生物バイオマス中のナノパラジウムは、サイズが約１〜２マイクロの不規則な表面の湾曲を有する個々の回転楕円面体の粒子からなる。この粉末は、よじれ、端部、ひび割れ、縁および低指標面において特徴がある表面形状を有するマイクロサイズの回転楕円面体構造を有することがわかった。

ボールミル粉砕の後に合金が得られ、ここで個々の粒子は、約１．５マイクロメートルの平均直径と回転楕円面体の形状を有していた。ボールミル粉砕後には、噴霧乾燥させた個々の回転楕円面体は検出されなかった。

実施例Ｖ：ＦｅＰｄのＳＥＭ−ＥＤＸ解析
実施例Ｉで作製された金属鉄の粉末と微生物バイオマスにおいて生産されたパラジウムナノ粒子との合金のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）解析を、ＥＤＸ検出器（ジェオールＵＳＡ社（JEOL USA, Inc.）より入手可能）を備えたＪＳＭ６１００走査電子顕微鏡を２０．０ｋｅＶの入射エネルギーに相当する解像度で用いて行った。表２に解析結果（いずれも質量％および原子％で示す）を示したが、これから明らかに、主として有機物質（炭素含量の高さによる）、パラジウムおよび鉄の存在が実証され、それらの合計含量は乾燥質量で約９８．５質量％であった。ボールミルで粉砕した生成物の残りは微量元素Ｎａ、ＳｉおよびＰからなり、これらの大部分は乾燥させた生物学的なマトリックスからの無機残留物に起因するものである。

実施例ＶＩ．パラジウム−鉄−バイオマス合金の使用
塩素化溶剤１，１，１−トリクロロエタン（１，１，１−ＴＣＡ）で起こる可能性がある水素化脱塩素反応の触媒作用、および、ポリ塩化ビフェニル類（ＰＣＢ１１８）の脱塩素に関して、ボールミルで粉砕した合金を２種の前駆体粉末と比較することにより触媒反応性試験を行った。

５０ｍｌの脱気したミリＱ（milliQ）水を含むバイトン（Viton）製ゴム栓を備えた１００ｍｌの密閉したペニシリン用ビン中の１，１，１−ＴＣＡを用いた試験を行い、ここにメタノール中の１，１，１−ＴＣＡストック溶液から１０ｍｇ／Ｌの１，１，１−ＴＣＡを添加した。例えばアルゴンガスでフラッシングすることによって脱気を行い、水相中に酸素が存在しないようにした。実験開始時には、ペニシリン用ビンの上部空間に１００％のアルゴンガスが含まれていた。全ての実験を二連に設定した。各ペニシリン用ビンに上記粉末を以下の濃度で添加した：２０００ｍｇ／ｌの鉄粉末（Ｆｅ）、２５０ｍｇ／ｌのバイオマスを含む１２０ｍｇのパラジウムナノ粒子（Ｐｄ）、および、２１４０ｍｇ／ｌのバイオマス合金（ＦｅＰｄ）。分析物を２８℃でインキュベートした。塩素化した成分に応じて、上部空間のサンプル水相、または、水相中で解析を行った。ＧＣ−ＦＩＤ解析装置（バリアン（Varian））によって上部空間中のエタン、エテンおよび１，１，１−ＴＣＡを測定した。

１，１，１−ＴＣＡについて、キャピラリーカラム（バリアンのファクター・フォー・ロー・ブリード（Factor Four Low Bleed）ＶＦ６２４ｍｓ，３０ｍ×０．２５ｍｍ）を用いた。インジェクターの温度は２００℃であり、分割比は５であった。３０℃で２分間、１℃／分で４０℃まで高め、最後に５℃／分で１０５℃まで高める温度プログラムの設定を用いた。キャリアーガスは流速３ｍｌ／分のヘリウムであった。ＦＩＤ検出器の温度を２５０℃に維持した。検出限界は１０μｇ／ｌであった。

バリアンのポラプロット（Poraplot）Ｑカラム（２５ｍ×０．５３ｍｍ）でエタンとエテンを分離した。ＧＣインジェクションを３０℃で行った。この温度を３分維持し、続いて３０℃／分で８０℃まで高めて、最後に１０℃／分で１５０℃まで高めた。インジェクターの温度は２００℃であり、分割比は５であった。キャリアーガスは流速１０ｍｌ／分のヘリウムであった。ＦＩＤ検出器の温度は２４０℃であった。

３０ｍｌのミリＱ水を含むバイトン製ゴム栓を備えた１００ｍｌの密閉したペニシリン用ビン中でＰＣＢ１１８を用いた試験を行った。メタノールストック溶液からＰＣＢ１１８を最終濃度が１ｍｇ／ｌになるように添加した。全ての実験を二連に設定した。各ペニシリン用ビンに上記粉末を以下の濃度で添加した：２０００ｍｇ／ｌの鉄粉末（Ｆｅ）、２５０ｍｇ／ｌのバイオマスを含む１２０ｍｇのパラジウムナノ粒子（Ｐｄ）、および、２１４０ｍｇ／ｌのバイオマス合金（ＦｅＰｄ）。低気圧およびＡｒの超過圧力の連続サイクルで懸濁液を脱気した。

無酸素の上部空間は、Ｐｄを用いた試験では最終的に、００％のＨ_２ガスで飽和させ、その他全ての試験では１００％のアルゴンガスで充填した。
電子捕獲型検出器（ＥＣＤ）を備えたガスクロマトグラフ（ＧＣ）、バリアン３８００（バリアン，オランダ国ミッデルブルク）を用いてＰＣＢを解析した。キャリアーガスとしてＮ_２を流速１．３ｍｌ／分で用いた。１μｌの抽出サンプルをスプリットレス注入した。ＰＣＢおよびそれらの脱塩素産物検出のために、温度を１００℃で２分間保持し、１５℃／分の割合で１６０℃に高め、続いて５℃／分で２７０℃まで高めて、２７０℃で１０分間保持した。キャピラリーカラムの圧力は１．０９ｋｇ／ｃｍ^２であった。

表３および４に、これらの反応性試験の結果を示す。

表３に記載された結果から、ゼロ価鉄の粉末、および、微生物により生産されたパラジウムナノ粒子は１，１，１−ＴＣＡ脱塩素にとって効果のない触媒であるが、それに対してＦｅＰｄバイオマス合金は、７２時間以内に完全な１，１，１−ＴＣＡの除去を達成し、さらに上部空間において有意な量のエタンが生成されたこと（これは、十分で有効な水素化脱塩素反応が起ったことを示す）を観察することができた。時間経過に伴う１，１，１−ＴＣＡの増加は、解析時における液体と気相との平衡が失われことによる可能性が最も高い。

表４の結果から、水素化脱塩素反応によるＰＣＢ１１８の除去は、ナノ粒子が水素ガス分子で飽和しておりＦｅＰｄバイオマス合金にＨ_２が添加されない場合であっても、バイオマスによって被包されたパラジウムナノ粒子よりもＦｅＰｄバイオマス合金を用いた場合により有効であったことを観察することができる。その理由は恐らく、ＦｅＰｄの「混在部」における鉄の存在に起因するパラジウム表面での以下の反応によるより有効なヒドリド形成である。

（酸素を含まない）鉄表面上で、以下の反応が起こる：
Ｆｅ（０） ＋ ２Ｈ^＋ → Ｆｅ（II） ＋ Ｈ_２（ｐＨ＜７）
パラジウム表面上で、以下の反応が起こる：
Ｒ−Ｃｌ ＋ Ｈ_２→ Ｒ−Ｈ ＋ ＨＣｌ
ＰｄとＦｅとが合金化によって、パラジウム表面上に水素をより効果的にチャージできる。

時間経過に伴うＰＣＢ１１８の増加は、恐らく解析時の液体と気相との平衡が失われことによる可能性が最も高い。
これらの結果からさらに、ゼロ価鉄それ自身はＰＣＢ１１８変換の触媒ではないことも明かである。

実施例ＶＩＩ．銀−パラジウム−バイオマス合金の製造および使用
生物学的に沈殿させたパラジウムナノ粒子を実施例Ｉの場合と同様にして生産した。金属銀は親切にもジャンセンＰＭＰ（Janssen PMP, ベルギー国ベーアセ）からの提供を受けた。

レッチェＰＭ４００ボールミルミリングステーションの粉砕カップの一つに、６６グラムの金属銀の粉末と、微生物バイオマスシェワネラ・オネイデンシス中で安定化した３３グラムの噴霧乾燥させたパラジウムナノ粒子とを添加した。この粉末をボールミルで４５分間粉砕した。

塩素化溶剤、塩化ビニルで起こる可能性がある水素化脱塩素反応の触媒作用に関して、ボールミルで粉砕した粉末の触媒反応性を２種の前駆体粉末と比較した。
脱気した５０ｍｌのミリＱ水を含むバイトン製ゴム栓を備えた１００ｍｌの密閉したペニシリン用ビン中で塩化ビニルを用いて、続いてその上部空間に当量の５０ｐｐｍの塩化ビニルを入れることにより試験を行った。まず例えばアルゴンガスでフラッシングすることによって脱気を行い、水相中に酸素が存在しないようにした。実験開始時には、ペニシリン用ビンの上部空間に１００％のアルゴンガスが含まれていた。全ての実験を二連に設定した。各ペニシリン用ビンに上記粉末を以下の濃度で添加した：６２５ｍｇ／ｌの銀粉末（Ａｇ）、２５０ｍｇ／ｌのバイオマスを含む１２０ｍｇのパラジウムナノ粒子（Ｐｄ）、および、７７０ｍｇ／ｌのバイオマス合金（ＡｇＰｄ）。分析物を２８℃でインキュベートした。

実施例ＶＩで説明されたのと同じプロトコールを用いてＧＣ−ＦＩＤによる解析を行った。表５に、これらの反応性試験の結果を示す。

表５から、原子価ゼロの銀粉末（Ａｇ）、および、微生物により生産されたパラジウムナノ粒子（Ｐｄ）は、ビニルの脱塩素についてはそれほど有効ではない触媒であるが、それに対してＡｇＰｄ合金を用いたところ６時間以内に十分な塩化ビニルの除去が達成され、上部空間に有意な量のエタンが形成されたこと（これは、十分で有効な水素化脱塩素反応が起ったことを示す）を観察することができた。

時間経過に伴うＶＣの増加は、解析時における液体と気相との平衡が失われたことによる可能性が最も高い。
実施例ＶＩＩＩ．塩化ビニルの触媒性の脱塩素に関する化学的なナノパラジウム−鉄合金の性能とパラジウム−鉄−バイオマス合金の性能との比較
本発明の実施例Ｉで説明されている方法に従って生産されたパラジウム−鉄−バイオマス合金の触媒性の脱塩素性能を、比較例ＩＩに従って生産された化学的なナノパラジウム−鉄合金の性能と比較した。この調査の目的は、合金の触媒性能で起こり得る変化が微生物学的な成分の存在または非存在によるものかどうかを決定することである。

コントロール処理として、非触媒性のゼロ価の鉄（両方の合金における第二の成分）を用いた。その他の処理は、化学的なナノパラジウム−鉄合金に添加される微生物バイオマスからなる。この最後の処理において、微生物学的なパラジウム金属成分は、生物学的に金属パラジウム塩を「微生物によって安定化した」金属パラジウムナノ粒子に還元するのに使用されるのではなく、化学的なナノパラジウム−鉄機械的合金化プロセス中のプロセス制御剤としてを添加された。後者のケースにおいて、ボールミル粉砕中に、この混合物に噴霧乾燥させたシェワネラ・オネイデンシスＭＲ−１バイオマスを１０％（ｗ／ｗ）の比率で添加した。

実施例ＶＩで説明した試験の設定プロトコールに従ってバイトン製ゴム栓を備えた１００ｍｌの密閉したペニシリン用ビン中で塩化ビニルを用いた試験を行った。塩化ビニルを４５００μｇ／Ｌで入れた。

実施例ＶＩで説明されたのと同じプロトコールを用いてＧＣ−ＦＩＤによる解析を行ったが、ここで全てのパラジウムを含む合金は、試験分析における１００ｍｇ／ＬのＰｄと等量で用いられた。「Ｆｅ」処理における鉄は１０ｇ／Ｌで用いられた。

表６に結果を示す。

Claims (14)

1. 微生物バイオマスに被包された金属ナノ粒子を含む少なくとも１種の成分；
   少なくとも第二の金属成分、
   を含み、ここで前記の少なくとも１種の成分は、前記の少なくとも第二の金属成分の表面に機械的に合金化されており、
   前記微生物バイオマスは、組成物中に乾燥質量で少なくとも１質量パーセントで含まれており、
   前記少なくとも１種の成分は、パラジウムであり、
   前記少なくとも第二の金属成分は、鉄、銀、またはマグネシウムから選択される、脱塩素反応用の触媒組成物。
2. 前記少なくとも１種の成分、前記少なくとも第二の金属成分、またはその両方が、触媒特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の脱塩素反応用の触媒組成物。
3. 前記微生物バイオマスが、細菌、藻類、または菌類から得られることを特徴とする、請求項１または２に記載の脱塩素反応用の触媒組成物。
4. 前記得られた微生物バイオマスが、タンパク質、ＤＮＡ、グリコカリックス、糖タンパク質、またはバイオポリマーから選択されることを特徴とする、請求項３に記載の脱塩素反応用の触媒組成物。
5. 前記細菌が、シュワネラ属、ラクトバチルス属、ジオバクター属、エシェリキア属、シュードモナス属、バチルス属、ラクトコッカス属、またはマグネトスピリルム属から選択されることを特徴とする、請求項３または４に記載の脱塩素反応用の触媒組成物。
6. 前記金属ナノ粒子が、１００ｎｍよりも小さいサイズを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の脱塩素反応用の触媒組成物。
7. 前記脱塩素反応用の触媒組成物が、乾燥質量に基づき１〜９５質量パーセントの微生物バイオマスを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の脱塩素反応用の触媒組成物。
8. 脱塩素反応用の触媒組成物の製造方法であって、該方法は、微生物バイオマスに被包された金属ナノ粒子を含む少なくとも１種の成分を少なくとも第二の金属成分の表面に機械的に合金化するプロセスを含み、ここで微生物バイオマスは、組成物中に乾燥質量で少なくとも１質量パーセントで含まれており、前記少なくとも１種の成分は、パラジウムであり、前記少なくとも第二の金属成分は、鉄、銀、またはマグネシウムから選択される、上記方法。
9. 前記少なくとも１種の成分、前記少なくとも第二の金属成分、またはその両方が、触媒特性を有することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記機械的合金化プロセスが、メカノフュージョン、乾式インパクトブレンド、ボールミル粉砕、衝撃固化コーティング、超微粉砕、または、上述の操作のあらゆる組み合わせから選択される工程を含み、これらの工程は、プラネタリー式ボールミル、ハイブリッド装置、ピン型粉砕機、ジェットミル、ドラムミル、超音波粉砕機、電磁ミル、楕円ローター式ミキサー、パールミル、またはアトリションミルで実施されることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１種の成分、前記少なくとも第二の金属成分、またはその両方が、乾燥粉末状であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記乾燥粉末状の形態が、噴霧乾燥により得られることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記少なくとも１種の成分、前記少なくとも第二の金属成分、またはその両方が、液相またはスラリー中に分散されることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記金属ナノ粒子を含む少なくとも１種の成分が、微生物バイオマスの還元工程により得られることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。