JP6468639B2 - Autonomous material and method - Google Patents

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Description

本発明は、自律浮沈材料及び自律浮沈方法に関する。さらに詳細には、本発明は、水等の水性媒体中を自律的に浮き沈み可能な材料、及びこの材料を用いた粒状物を水等の水性媒体中で自律的に浮き沈みさせる方法に関する。   The present invention relates to an autonomous floatation material and an autonomous floatation method. More specifically, the present invention relates to a material that can autonomously float and sink in an aqueous medium such as water, and a method for autonomously floating and sinking a granular material using the material in an aqueous medium such as water.

多くの種類の汚染物質が日常生活や産業活動によって、また事故等によって環境に放出されている。石油化学工場や鉱山の精錬所、原子力発電所から排出される毒性の強い有機物、金属、そして放射性セシウムなどによる水や土壌の汚染は水質汚濁や公衆衛生の問題を引き起こしている。特に、福島第一原子力発電所では原子炉建屋内への地下水流入による汚染水が増加し、大型のタンクの中で保存されている。汚染水処理の負担を軽くするための有効な手段を開発することが廃炉作業にとって喫緊の課題となっている。   Many types of pollutants are released into the environment by daily life, industrial activities, and accidents. Water and soil contamination from highly toxic organic matter, metals, and radioactive cesium emitted from petrochemical factories, mine refineries, and nuclear power plants are causing water pollution and public health problems. In particular, at the Fukushima Daiichi NPS, contaminated water due to inflow of groundwater into the reactor building has increased and is stored in large tanks. Developing effective means for reducing the burden of contaminated water treatment is an urgent issue for decommissioning work.

汚染物質には比重が異なり、水面に浮上するもの、水底に沈むもの、水に均一に存在するものなど様々なものがある。たとえば、原油は比重が水よりも小さいため水面上に浮く。一方、ニトロベンゼンは比重が水よりも大きいため水底に沈む。Pb2+、Cd2+、Cs+といった金属イオンの多くは水溶性であり、水中で均一に存在している。このように、異なる比重をもつ様々な汚染物質を効率よく吸着させるためには吸着剤と汚染物質の十分な接触時間を確保する必要があり、汚染物質と同程度の比重を持つことが吸着剤に求められる。また、どんなに優れた吸着能力があるとしても汚染物質を吸着した後、吸着剤を回収することができなければ意味がない。実際の汚染サイトで吸着剤を適応する際には、吸着剤の比重の制御が重要であると同時に、吸着剤が容易に回収される工夫も必要となる。 The pollutants have different specific gravity, and there are various types such as those that float on the water surface, those that sink to the bottom of the water, and those that exist uniformly in the water. For example, crude oil floats on the water surface because its specific gravity is less than water. On the other hand, nitrobenzene sinks to the bottom of the water because its specific gravity is greater than that of water. Many metal ions such as Pb 2+ , Cd 2+ , and Cs + are water-soluble and exist uniformly in water. Thus, in order to efficiently adsorb various pollutants with different specific gravity, it is necessary to ensure sufficient contact time between the adsorbent and the pollutant. Is required. Moreover, no matter how excellent the adsorption capacity is, it is meaningless if the adsorbent cannot be recovered after adsorbing the contaminants. When adapting an adsorbent at an actual contaminated site, it is important to control the specific gravity of the adsorbent, and at the same time, a device for easily recovering the adsorbent is required.

これまで、回収操作の容易さを目的とした吸着剤の研究はいくつか報告されている。たとえば、カーボンナノチューブやDNAなどの吸着剤をアルギン酸ゲルに内包することによって、微細な粉末状の吸着剤の取り扱いの簡便化を目指した研究が行われている(Sone et al.,2009(非特許文献1))。また、マグネタイトを用いる吸着剤の磁性分離(Kuen and Mooney., 2012(非特許文献2))や、ドラックデリバリーシステム(I.C.Kwon et al., 1991(非特許文献3))やナノバブル(Takahashi et al., 2007(非特許文献4))を用いる浮選分離による汚染物質の回収を目指した研究例もある。しかし、どの報告も材料の回収能力や汚染物質のキャリアーとなる薬剤やガスの持続的な供給が難しい。   So far, several studies on adsorbents aimed at ease of recovery have been reported. For example, research aimed at simplifying the handling of fine powdered adsorbents by encapsulating adsorbents such as carbon nanotubes and DNA in alginate gels (Sone et al., 2009 (non-patented) Literature 1)). In addition, magnetic separation of adsorbent using magnetite (Kuen and Mooney., 2012 (Non-patent Document 2)), drug delivery system (ICKwon et al., 1991 (Non-patent Document 3)) and nanobubbles (Takahashi et al. , 2007 (Non-patent Document 4)), there are also examples of research aimed at collecting contaminants by flotation separation. However, all reports are difficult to recover materials and to sustain the supply of chemicals and gases that serve as contaminant carriers.

本発明者らは、吸着剤全体の比重を制御することで、水底または水中に存在する汚染物質との接触時間を確保し、最後に水面に浮上する吸着材料の開発を試みてきた。その試作として、多糖類ゲルのアルギン酸ゲルビーズの中に「重り」と「浮き」の両方を導入し、これらの量的関係を調節することで、水底で一定時間滞留し、その後浮上する吸着剤の開発を報告した(Mihara and Tanaka., 2013(非特許文献5))。   The inventors of the present invention have attempted to develop an adsorbing material that secures a contact time with a pollutant existing in the bottom of the water or water by controlling the specific gravity of the entire adsorbent and finally floats on the water surface. As a prototype, we introduced both “weight” and “float” into the alginate gel beads of the polysaccharide gel, and by adjusting these quantitative relationships, the adsorbent that stays at the bottom of the water for a certain period of time and then floats up. The development was reported (Mihara and Tanaka., 2013 (non-patent document 5)).

H. Sone, B. Fugetsu, S. Tanaka: "Selective elimination lead (II) ions by alginate/polyurethane composite foams" Journal of Hazardous Materials 162. 423-429 (2009).H. Sone, B. Fugetsu, S. Tanaka: "Selective elimination lead (II) ions by alginate / polyurethane composite foams" Journal of Hazardous Materials 162. 423-429 (2009). K. Y. Lee, D. J. Mooney:"Alginate: properties and biomedical applications" Progress in Polymer Science 37, 106-126 (2012).K. Y. Lee, D. J. Mooney: "Alginate: properties and biomedical applications" Progress in Polymer Science 37, 106-126 (2012). I.C. Kwon, Y.H. Bae, S.W. Kim:"Electrically erodible polymer gel for controlled release of drugs" Nature, 354, 291-293 (1991).I.C. Kwon, Y.H. Bae, S.W. Kim: "Electrically erodible polymer gel for controlled release of drugs" Nature, 354, 291-293 (1991). M.Takahashi,K. Chiba, P. Li: "Formation of Hydroxyl Radicals by Collapsing Ozone Microbubbles under Strongly Acidic Conditions"J.Phys.Chem. B, 111-39, 11443-11446 (2007).M. Takahashi, K. Chiba, P. Li: "Formation of Hydroxyl Radicals by Collapsing Ozone Microbubbles under Strongly Acidic Conditions" J. Phys. Chem. B, 111-39, 11443-11446 (2007). Y. Mihara and S. Tanaka: "Development of a new type of adsorbent that can be collected easily on the surface of water after adsorption at the bottom of water" Journal of Environmental Chemistry, 23, 187-194 (2013).Y. Mihara and S. Tanaka: "Development of a new type of adsorbent that can be collected easily on the surface of water after adsorption at the bottom of water" Journal of Environmental Chemistry, 23, 187-194 (2013).

非特許文献5に記載の吸着剤は、「重り」としてCaCO3を用い、その粉末をアルギン酸ゲルビーズに内包し、CaCO3が水に溶解することによってゲルビーズの水底での滞留時間、水面への浮上時間、比重の時間変化を制御する方法を試みた。この研究は、吸着能を有するアルギン酸ゲルビーズを水底に移行させ(ビーズ内に導入したCaCO3により比重を高める)、吸着後、ビーズ内に内包された二酸化炭素の気泡の浮力によって水面に浮上させることにより、水底(湖底や海底等)に沈積した汚染物質を除去し、汚染物質の水面上での回収を容易にすることを可能にした。 The adsorbent described in Non-Patent Document 5 uses CaCO 3 as a “weight”, encapsulates the powder in alginate gel beads, and dissolves the CaCO 3 in water, so that the residence time of the gel beads at the bottom of the water and the surface rise to the water surface. We tried to control the time and the change of specific gravity over time. In this study, alginate gel beads with adsorption ability are transferred to the bottom of the water (the specific gravity is increased by CaCO 3 introduced into the beads), and then adsorbed and floated on the water surface by the buoyancy of carbon dioxide bubbles contained in the beads. This makes it possible to remove pollutants deposited on the bottom of the water (lake bottom, sea bottom, etc.) and facilitate the recovery of the pollutants on the water surface.

上記吸着剤は、オンサイトでの環境浄化への応用を期待した全く斬新な技術であるが、応用できる条件として、炭酸カルシウムが溶解できる弱酸性の条件に限られるという弱点があった。また、上記吸着剤は、水底から一度浮上すると再度沈降することはなく、水中の物質を浮き沈みを繰り返しながら継続的に吸着することもできなかった。   The adsorbent is a completely novel technology that is expected to be applied to on-site environmental purification. However, it has a weak point that it can be applied only under weakly acidic conditions where calcium carbonate can be dissolved. The adsorbent did not settle again once it floated from the bottom of the water, and could not continuously adsorb substances in the water while repeating ups and downs.

そこで本発明は、弱酸性の条件を必要とせず、広範囲の水又は水溶液、水性媒体において利用でき、かつ、一度の浮上のみでなく、繰り返し浮き沈みできる自律浮沈材料の提供、及びこの材料を用いた粒状物を水等の水性媒体中で自律的に浮き沈みさせる方法を提供することを解決すべき課題(目的)とする。さらに、本発明は、前記材料及び方法を用いた、水等の水性媒体中の物質を継続的に吸着できる材料及び吸着方法を提供することも解決すべき課題(目的)とする。   Therefore, the present invention provides an autonomous floatation material that can be used in a wide range of water or aqueous solutions and aqueous media and does not need to be weakly acidic, and can float and sink repeatedly as well as once, and this material is used. It is an object (object) to be solved to provide a method for autonomously floating and sinking a granular material in an aqueous medium such as water. Furthermore, this invention makes it the subject (object) which should also be solved to provide the material and adsorption method which can adsorb | suck the substance in aqueous media, such as water, using the said material and method continuously.

本発明者らは、上述した課題を解決するために、発酵プロセスをゲルビーズ内に導入し、発酵で発生するCO2を浮上原理とする新しい吸着体の開発ができるとの着想に至った。実際に発酵システムを導入したゲルビーズを作製し浮上実験を行ったところ、一旦沈降したゲルビーズは発酵で発生した炭酸ガスが浮きとなってゲルビーズは水面に浮上した。しかも、浮上したゲルビーズが再び沈降し、それを繰り返すという、今までに報告されていない特異な現象(鉛直回遊と呼ぶこととする)が観察され、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-described problems, the present inventors have come up with the idea that a new adsorbent can be developed based on the floating principle of CO 2 generated by fermentation by introducing a fermentation process into the gel beads. When a gel bead that actually introduced a fermentation system was prepared and a floating experiment was conducted, the gel bead that had settled once floated on the water surface due to the carbon dioxide generated by the fermentation. In addition, a unique phenomenon (to be referred to as vertical migration), which has not been reported so far, was observed that the gel beads that floated settled again and repeated, and the present invention was completed.

本発明は以下の通りである。
[1]
マトリックス形成材料のマトリックス中に、生体活動により気体及び/又は水性媒体不溶性液体を生成する微生物及び/又は微小生物並びに前記微生物及び/又は微小生物が資化して気体及び/又は水性媒体不溶性液体を生成する物質を含有する、水性媒体中での自律浮沈に用いる組成物。
[2]
マトリックス形成材料は、(1)低分子(物理)ゲル、(2)高分子鎖(ハイドロ)ゲル、又は(3)合成高分子化合物である[1]に記載の組成物。
[3]
前記微生物及び/又は微小生物は、生体活動により気体として、二酸化炭素ガス、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、及び/又はメタンガスを生成する[1]又は[2]に記載の組成物。
[4]
前記微生物及び/又は微小生物は、生体活動は、生体活動により水性媒体不溶性液体として炭化水素化合物を生成する[1]〜[3]のいずれか1項に記載の組成物。
[5]
前記微生物及び/又は微小生物が、酵母菌、腸内菌、乳酸菌、好気性芽胞菌、嫌気性菌、カビ、藻類、及びプランクトンから成る群から選ばれる少なくとも1種の微生物及び/又は微小生物である[4]に記載の材料。
[6]
前記微生物が酵母菌であり、前記微生物が資化して気体を生成する物質が糖である[1]〜[5]のいずれか1項に記載の材料。
[7]
前記マトリックス形成材料のマトリックス中に水をさらに含有する[1]〜[6]のいずれか1項に記載の材料。
[8]
前記マトリックス形成材料のマトリックス中に重り物質をさらに含有する、但し、重り物質は、重り物質を除く材料の比重より大きい比重を有する、[1]〜[7]のいずれか1項に記載の材料。
[9]
1質量部のマトリックス形成材料に、0.01〜10質量部の微生物、0.1〜1000質量部の前記微生物が資化して気体を生成する物質、1〜10000質量部の水を含有する、[1]〜[8]のいずれか1項に記載の材料。
[10]
吸着剤、飼料、医薬剤、イオン交換体、発光体、磁性体、生物、細胞、及び/又はセンサをさらに含有する[1]〜[9]のいずれか1項に記載の材料。
[11]
[1]〜[10]のいずれか1項に記載の材料からなる成形物。
[12]
前記成形物が粒状物、球状物、球状物、円盤状物、シート状物、柱状物、筒状物、又は繊維状物である[11]に記載の成形物。
[13]
[11]又は[12]に記載の成形物を水性媒体に添加して、水性媒体中で自律的に浮き沈みさせる方法、但し、前記成形物の比重は、前記水性媒体より大きい、前記方法。
[14]
前記成形物の比重は、前記水性媒体の1.05倍〜1.8倍の範囲である[13]に記載の方法。
[15]
前記成形物は、水性媒体への添加前は、冷蔵又は冷凍保存される、[13]〜[14]のいずれか1項に記載の方法。
[16]
前記成形物は、吸着剤及び/又はイオン交換体を含む材料からなり、水性媒体中での自律浮沈の間に、水性媒体中の被吸着物質を吸着及び/又はイオン交換する、[13]〜[15]のいずれか1項に記載の方法。
[17]
前記成形物は、水性媒体中での自律浮沈終了後又は自律浮沈の間に、水性媒体から分離回収して、被吸着物質を吸着した吸着剤及び/又はイオン交換体を回収する、[16]に記載の方法。
[18]
前記成形物は、飼料及び/又は医薬剤を含む材料からなり、水性媒体中での自律浮沈の間に、水性媒体中の魚類に捕食されて、魚類に飼料及び/又は医薬剤を供給する、[13]〜[15]のいずれか1項に記載の方法。
The present invention is as follows.
[1]
In the matrix of the matrix forming material, microorganisms and / or micro-organisms that generate gas and / or aqueous medium-insoluble liquid by biological activity, and the microorganisms and / or micro-organisms assimilate to generate gas and / or aqueous medium-insoluble liquid. The composition used for the autonomous floatation in an aqueous medium containing the substance to do.
[2]
The composition according to [1], wherein the matrix forming material is (1) a low molecular (physical) gel, (2) a polymer chain (hydro) gel, or (3) a synthetic polymer compound.
[3]
The composition according to [1] or [2], wherein the microorganism and / or micro-organism generates carbon dioxide gas, oxygen gas, hydrogen gas, nitrogen gas, and / or methane gas as a gas by biological activity.
[4]
The composition according to any one of [1] to [3], wherein the microorganism and / or the micro-organism generates a hydrocarbon compound as an aqueous medium insoluble liquid by biological activity.
[5]
The microorganism and / or micro organism is at least one microorganism and / or micro organism selected from the group consisting of yeast, enterobacteria, lactic acid bacteria, aerobic spore bacteria, anaerobes, mold, algae, and plankton. The material according to [4].
[6]
The material according to any one of [1] to [5], wherein the microorganism is a yeast, and the substance that is assimilated by the microorganism to generate a gas is a sugar.
[7]
The material according to any one of [1] to [6], further comprising water in a matrix of the matrix forming material.
[8]
The material according to any one of [1] to [7], further comprising a weight substance in a matrix of the matrix-forming material, wherein the weight substance has a specific gravity greater than that of the material excluding the weight substance. .
[9]
1 part by weight of a matrix forming material contains 0.01 to 10 parts by weight of microorganisms, 0.1 to 1000 parts by weight of the microorganisms assimilated to produce gas, and 1 to 10,000 parts by weight of water. The material according to any one of [1] to [8].
[10]
The material according to any one of [1] to [9], further comprising an adsorbent, a feed, a pharmaceutical agent, an ion exchanger, a light emitter, a magnetic substance, a living organism, a cell, and / or a sensor.
[11]
[1] A molded article made of the material according to any one of [10].
[12]
The molded product according to [11], wherein the molded product is a granular product, a spherical product, a spherical product, a disk-shaped product, a sheet-shaped product, a columnar product, a tubular product, or a fibrous product.
[13]
[11] A method in which the molded product according to [12] is added to an aqueous medium so as to autonomously float and sink in the aqueous medium, provided that the specific gravity of the molded product is larger than that of the aqueous medium.
[14]
The method according to [13], wherein the specific gravity of the molded product is in a range of 1.05 to 1.8 times that of the aqueous medium.
[15]
The method according to any one of [13] to [14], wherein the molded product is stored refrigerated or frozen before being added to an aqueous medium.
[16]
The molded article is made of a material containing an adsorbent and / or an ion exchanger, and adsorbs and / or ion-exchanges a substance to be adsorbed in an aqueous medium during autonomous floatation in the aqueous medium. [15] The method according to any one of [15].
[17]
The molded product is separated and recovered from the aqueous medium after or after the autonomous floatation in the aqueous medium, and the adsorbent and / or ion exchanger adsorbing the substance to be adsorbed is recovered [16]. The method described in 1.
[18]
The molded article is made of a material containing feed and / or a pharmaceutical agent, and is preyed on by fish in the aqueous medium during the autonomous floatation in the aqueous medium to supply the fish and feed and / or pharmaceutical agent. [13] The method according to any one of [15].

このゲルビーズの鉛直回遊挙動は、吸着材料の能動的な鉛直移動の繰り返しによって、水中の底部または水中に存在する物質を効率よく吸着し、最後は浮上して水面上で回収ができる新たな吸着材料の開発につながる。例えば、撹拌の困難な池や大型のタンク内に汚染物質がある場合、鉛直回遊機能を有する吸着剤を投入すると、吸着材料が水底と水面を行き来しながら汚染物質を吸着し、最後は水面に浮上すれば、比較的容易に汚染物質を吸着した後の吸着材料を回収することができる。   The vertical migration behavior of this gel bead is a new adsorbent material that can efficiently adsorb substances existing in the bottom of the water or in the water by repeated active vertical movement of the adsorbent material, and finally float and recover on the water surface. Leading to the development of For example, if there is a contaminant in a pond or large tank that is difficult to stir, if an adsorbent with a vertical migratory function is introduced, the adsorbent adsorbs the contaminant while moving back and forth between the bottom and the water surface, and finally on the water surface If it floats, the adsorbent material after adsorbing the pollutants can be recovered relatively easily.

鉛直回遊機能を有する吸着剤による水中の汚染物質の吸着処理の模式説明図。The schematic explanatory drawing of the adsorption process of the contaminant in water by the adsorbent which has a vertical migratory function. 実施例2における1個のアルギン酸ゲルビーズの浮沈の時間経過(グルコース濃度依存性)を示す。上からグルコース濃度5wt%、10wt%、30wt%。The time course (glucose concentration dependence) of the sedimentation of one alginate gel bead in Example 2 is shown. From the top, glucose concentration is 5wt%, 10wt%, 30wt%. 実施例2における1個のアルギン酸ゲルビーズと浮沈回数の時間経過(温度(水温)依存性)(投入後12時間までの浮沈回数)を示す。グルコース濃度;10wt%、水温、上から15℃、20℃、25℃及び30℃。The time course (temperature (water temperature) dependence) of one alginate gel bead and the number of floats and sinks in Example 2 (the number of floats and sinks up to 12 hours after charging) is shown. Glucose concentration: 10 wt%, water temperature, 15 ° C, 20 ° C, 25 ° C and 30 ° C from the top. 発酵システムを導入したアルギン酸ゲルビーズの鉛直回遊性の観察(25℃)結果。横軸は時間。Observation (25 ° C) of vertical migration of alginate gel beads with fermentation system. The horizontal axis is time. 実施例4における、プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズの鉛直回遊による溶液中のセシウムイオンの除去実験結果を示す。(◆鉛直回遊(本発明)、■浮遊(Floating)、▲底沈降(Bottom))The removal result of the cesium ion in the solution by the vertical migration of Prussian blue inclusion alginate gel beads in Example 4 is shown. (◆ Vertical migration (present invention), ■ Floating, ▲ Bottom settling) 図5に除去実験結果を示した浮遊(Floating)(上)、底沈降(Bottom)(下)の写真を示す。FIG. 5 shows photographs of floating (top) and bottom sediment (bottom) showing the results of the removal experiment.

<組成物>
本発明は、水性媒体中での自律浮沈に用いる組成物に関し、この組成物は、マトリックス形成材料のマトリックス中に、生体活動により気体及び/又は水性媒体不溶性液体(以下、気体等と総称することがある)を生成する微生物及び/又は微小生物(以下、微生物等と総称することがある)、並びに前記微生物等が資化して気体等を生成する物質(以下、資化物質と呼ぶ)を含有する。
<Composition>
The present invention relates to a composition used for autonomous floatation in an aqueous medium. This composition is generally referred to as a gas and / or an aqueous medium insoluble liquid (hereinafter referred to as a gas or the like) due to biological activity in the matrix of the matrix-forming material. Containing microorganisms and / or micro-organisms (hereinafter sometimes collectively referred to as microorganisms, etc.), and substances (hereinafter referred to as assimilation substances) that are produced by the microorganisms and that produce gases. To do.

マトリックス形成材料は、マトリックス形成材料のマトリックス中に、前記微生物等及び前記資化物質を含有することができる材料であれば良く、より具体的には、微生物等及び資化物質を一定時間マトリックス中に保持できることができ、かつ微生物等が生成する気体等をマトリックス外に移動させることができる材料であればよい。   The matrix-forming material may be any material that can contain the microorganisms and the assimilating substance in the matrix of the matrix-forming material, and more specifically, the microorganisms and the assimilating substance are contained in the matrix for a certain period of time. Any material can be used as long as it can hold the gas and the gas generated by microorganisms or the like can be moved out of the matrix.

さらに後述するように、マトリックス材料は、さらに水を含有することができることら、マトリックス材料は、水と共に存在する微生物等及び資化物質を一定時間マトリックス中に保持できることができ、かつ水を介して微生物等が生成する気体等をマトリックス外に移動させることができる材料であればよい。   As will be described further below, the matrix material can further contain water, so that the matrix material can hold microorganisms and assimilation substances present together with water in the matrix for a certain period of time, and through the water. Any material can be used as long as it can move gas generated by microorganisms or the like out of the matrix.

このような観点から、マトリックス形成材料は、マトリックスを形成し、比較的親水性の材料であることが好ましく、例えば、(1)低分子(物理)ゲル、(2)高分子鎖(ハイドロ)ゲル、又は(3)合成高分子化合物であることができ、これらの混合物であることもできる。但し、マトリックス形成材料は、これらの材料に限定される意図ではない。   From such a viewpoint, the matrix-forming material preferably forms a matrix and is a relatively hydrophilic material. For example, (1) low molecular (physical) gel, (2) high molecular chain (hydro) gel Or (3) a synthetic polymer compound, or a mixture thereof. However, the matrix forming material is not intended to be limited to these materials.

(1)低分子(物理)ゲルの例としては、脂肪酸:天然油脂系脂肪酸、12-ヒドロキシステアリン酸、イオン液体/ポリジメチルシロキサン(IL/PDMS):シリコーンゲル、β-ラクトグロブリンゲル、ヒアルロン酸、キトサン、カルボキシメチルセルロース、ポリ乳酸、ポリエチレングリコール、シリカゲルから成る群から選ばれる少なくとも1種のゲルを挙げることができる。
(2)高分子鎖(ハイドロ)ゲルの例としては、アルギン酸、ポリメタクリル酸、ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリアクリルアミド:ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)、ポリビニルメチルエーテル、ポリロタキサン、ヒドロキシエチルメタクリレート、ゼラチンから成る群から選ばれる少なくとも1種のゲルを挙げることができる。
(3)合成高分子化合物は、例えば、高吸水性樹脂又はイオン交換樹脂であり、
高吸水性樹脂を構成するモノマー(原料)は、N,N-ジメチルアクリルアミド、N-ビニルピロリドン、イオン交換樹脂を構成するモノマー(原料)は、スチレン、ジビニルベンゼンを挙げることができる。
(1) Examples of low molecular (physical) gels include: fatty acid: natural fat fatty acid, 12-hydroxystearic acid, ionic liquid / polydimethylsiloxane (IL / PDMS): silicone gel, β-lactoglobulin gel, hyaluronic acid And at least one gel selected from the group consisting of chitosan, carboxymethylcellulose, polylactic acid, polyethylene glycol, and silica gel.
(2) Examples of polymer chain (hydro) gels include alginic acid, polymethacrylic acid, hydroxyethyl methacrylate, polyacrylamide: poly (N-isopropylacrylamide), polyvinyl methyl ether, polyrotaxane, hydroxyethyl methacrylate, gelatin There may be mentioned at least one gel selected from
(3) The synthetic polymer compound is, for example, a superabsorbent resin or an ion exchange resin,
Examples of the monomer (raw material) constituting the superabsorbent resin include N, N-dimethylacrylamide and N-vinylpyrrolidone, and examples of the monomer (raw material) constituting the ion exchange resin include styrene and divinylbenzene.

気体等を生成する微生物等の生体活動は、微生物等の代謝、分解または光合成等、特に制限はなく、二酸化炭素ガス(炭酸ガス)、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、メタンガス等の気体及び/又は水性媒体不溶性液体(例えば、炭化水素化合物)を発生するものであれば特に制限はない。生体活動により気体を生成する微生物及び/又は微小生物は、例えば、酵母菌、腸内菌、乳酸菌、好気性芽胞菌、嫌気性菌、カビ、藻類、プランクトンから成る群から選ばれる少なくとも1種の微生物を挙げることができる。酵母菌、腸内菌、乳酸菌は、発酵により、主に気体として炭酸ガスを生成する。一部の好気性芽胞菌及び嫌気性菌は、発酵により、主に気体として炭酸ガス、水素ガスを生成する。(麹)カビは、糖化によりデンプン(資化物質または重りとなり得る)を分解して炭酸ガスを生成する。藻類は、光合成により酸素ガスを生成する。藻類の一種であるラン藻は、水素ガスを生成するもある。オーランチオキトリウム(Aurantiochytrium)属に属する藻類は、水性媒体不溶性液体として炭化水素(スクアレン=テルぺノイド系の油脂)を生成する。HD-1株(Oleomonas sagaranensis)も、嫌気条件下では、水性媒体不溶性液体として石油を生成する。プランクトンは、呼吸により炭酸ガスを生成する。   There are no particular limitations on the biological activity of microorganisms that generate gas etc., such as metabolism, decomposition or photosynthesis of microorganisms, etc., and gas such as carbon dioxide gas (carbon dioxide gas), oxygen gas, hydrogen gas, nitrogen gas, methane gas and / or There is no particular limitation as long as it generates an aqueous medium-insoluble liquid (for example, a hydrocarbon compound). Microorganisms and / or micro-organisms that generate gas by biological activity are, for example, at least one selected from the group consisting of yeast, enteric bacteria, lactic acid bacteria, aerobic spore bacteria, anaerobes, molds, algae, and plankton. Mention may be made of microorganisms. Yeast, enterobacteria, and lactic acid bacteria produce carbon dioxide mainly as a gas by fermentation. Some aerobic spore bacteria and anaerobic bacteria produce carbon dioxide gas and hydrogen gas mainly as gases by fermentation. (Ii) Mold decomposes starch (which can be an assimilation substance or weight) by saccharification to produce carbon dioxide. Algae generates oxygen gas by photosynthesis. Cyanobacteria, a kind of algae, may produce hydrogen gas. Algae belonging to the genus Aurantiochytrium produce hydrocarbons (squalene = terpenoid oil) as an aqueous medium-insoluble liquid. The HD-1 strain (Oleomonas sagaranensis) also produces petroleum as an aqueous medium insoluble liquid under anaerobic conditions. Plankton produces carbon dioxide by breathing.

生体活動により気体等を生成する微生物等は、以下に示すサッカロミケス属に属する微生物であることができる。
Saccharomyces bayanus
Saccharomyces boulardii
Saccharomyces bulderi
Saccharomyces cariocanus
Saccharomyces cariocus
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces chevalieri
Saccharomyces dairenensis
Saccharomyces ellipsoideus
Saccharomyces florentinus
Saccharomyces kluyveri
Saccharomyces martiniae
Saccharomyces monacensis
Saccharomyces norbensis
Saccharomyces paradoxus
Saccharomyces pastorianus
Saccharomyces spencerorum
Saccharomyces turicensis
Saccharomyces unisporus
Saccharomyces uvarum
Saccharomyces zonatus
Microorganisms or the like that generate gas or the like by biological activity can be microorganisms belonging to the genus Saccharomyces shown below.
Saccharomyces bayanus
Saccharomyces boulardii
Saccharomyces bulderi
Saccharomyces cariocanus
Saccharomyces cariocus
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces chevalieri
Saccharomyces dairenensis
Saccharomyces ellipsoideus
Saccharomyces florentinus
Saccharomyces kluyveri
Saccharomyces martiniae
Saccharomyces monacensis
Saccharomyces norbensis
Saccharomyces paradoxus
Saccharomyces pastorianus
Saccharomyces spencerorum
Saccharomyces turicensis
Saccharomyces unisporus
Saccharomyces uvarum
Saccharomyces zonatus

比較的入手が容易であり、炭酸ガスの生成能力が高いものもある、パン発酵やアルコール発酵で用いられている酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)を微生物等として用いるが好ましい。   It is preferable to use yeast (Saccharomyces cerevisiae) used in bread fermentation or alcohol fermentation, which is relatively easily available and has a high ability to generate carbon dioxide, as a microorganism.

乳酸菌は、常温(15℃から30℃)において、乳酸発酵により主に二酸化炭素(ガス)を産生し、乳酸、酢酸などを生成する。マトリックス内に一定量の乳酸菌が蓄積すると、生成物の蓄積が見られる。
(麹)カビは、比較的冷温化(5℃以上)でも容易に増殖する。マトリックス内での増殖によって、デンプン(資化物質)を糖化して炭酸ガスを生成する。このため、マトリックスは比重の減少または体積膨張によって浮上することができる。
藻類は、常温(15℃から30℃)において光合成または呼吸によってマトリックス内で(炭酸ガス、酸素ガス、または水素ガス)または炭化水素を蓄積することができる。
プランクトン(微小生物の例)は、光合成または摂食によってマトリックス内に炭酸ガスを生成する。このため、マトリックスは水底に沈んだり、水中を浮遊したりする。その挙動は温度、水深、静水圧、光、酸素、塩分などの様々な要因によって変化しやすいが、池、汽水や海洋のような広大な面積と水深のある水圏で、活用できる。
Lactic acid bacteria mainly produce carbon dioxide (gas) by lactic acid fermentation at room temperature (15 ° C to 30 ° C) to produce lactic acid, acetic acid and the like. When a certain amount of lactic acid bacteria accumulates in the matrix, product accumulation is observed.
(Ii) Molds grow easily even at relatively low temperatures (5 ° C or higher). By the growth in the matrix, the starch (assimilable substance) is saccharified to produce carbon dioxide. For this reason, the matrix can float by decreasing specific gravity or volume expansion.
Algae can accumulate (carbon dioxide, oxygen gas, or hydrogen gas) or hydrocarbons in the matrix by photosynthesis or respiration at room temperature (15 ° C. to 30 ° C.).
Plankton (an example of a micro-organism) produces carbon dioxide in the matrix by photosynthesis or feeding. For this reason, the matrix sinks to the bottom of the water or floats in the water. Its behavior is likely to change depending on various factors such as temperature, water depth, hydrostatic pressure, light, oxygen, salinity, etc., but it can be used in large water areas such as ponds, brackish waters and oceans.

微生物等が資化して気体を生成する物質(資化物質)は、微生物等の種類に応じて適宜選択できる。前記微生物が酵母菌である場合には、資化物質はグルコースなどの糖である。あるいは、グルコースなどの糖類の原料となる澱粉と澱粉を分解して糖類を精製する酵素を資化物質として併用することもできる。乳酸菌に対する資化物質は、例えば、グルコース、でんぷん、外界からマトリックス内に取り込まれた有機物を含む。(麹)カビに対する資化物質は、デンプン、セルロースなど固体の有機物、または外界から取り込まれた有機物を含む。カビ(の種菌)は、固体の有機物に担持されていることが望ましい。藻類に対する資化物質は、光合成のために必要な環境の下で有機酸、アルコール類、ビタミン、栄養塩を外界から獲得する。プランクトンに対する資化物質は、植物プランクトンや栄養塩を水底または水中といった外界から獲得する。   A substance (an assimilation substance) that is assimilated by microorganisms or the like to generate gas can be appropriately selected according to the type of the microorganisms. When the microorganism is a yeast, the assimilating substance is a sugar such as glucose. Alternatively, starch as a raw material for saccharides such as glucose and an enzyme that decomposes starch and purifies saccharides can be used in combination as an assimilating substance. The assimilating substance for lactic acid bacteria includes, for example, glucose, starch, and organic matter taken into the matrix from the outside. (Ii) The assimilating substance for mold includes solid organic substances such as starch and cellulose, or organic substances taken from the outside. It is desirable that mold (inoculum) is supported on solid organic matter. The assimilating substances for algae obtain organic acids, alcohols, vitamins, and nutrients from the outside world in the environment necessary for photosynthesis. Utilization substances for plankton obtain phytoplankton and nutrients from the outside world, such as the bottom of the water or water.

本発明においては、最小限の資化物質は、マトリックスないに含有させ、それ以外に水性媒体(外界)に存在する物質を資化物質として利用する事もできる。   In the present invention, the minimum assimilating substance can be contained in the matrix, and other substances existing in the aqueous medium (outside) can be used as the assimilating substance.

マトリックス形成材料のマトリックス中には、水をさらに含有する。水は微生物等の生体活動に用いられ、かつ微生物等が生成する気体を溶解してマトリックス形成材料の表面に移行させる役割も果たす。さらに、水は資化物質を保持しつつ、外界の物質(資化物質も含む)をマトリックス中への輸送を媒介する機能を果たすこともできる。   The matrix of the matrix forming material further contains water. Water is used for biological activities such as microorganisms, and also serves to dissolve gas generated by microorganisms and transfer it to the surface of the matrix-forming material. Furthermore, water can also serve to mediate transport of external materials (including assimilable substances) into the matrix while retaining the assimilable substances.

マトリックス形成材料のマトリックス中には、重り物質をさらに含有することもできる。但し、重り物質は、重り物質を除く材料の比重より大きい比重を有する。重り物質の比重は、重り物質を除く材料の比重より大きければ特に制限はなく、マトリックス形成材料の種類、マトリックス形成材料に添加できる重り物質の量等を考慮して適宜選択できる。重り物質は、具体的には、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、グルコース、デンプン、グリセロール、麦芽糖等であることができる。   A weight substance may be further contained in the matrix of the matrix forming material. However, the weight substance has a specific gravity greater than that of the material excluding the weight substance. The specific gravity of the weight substance is not particularly limited as long as it is larger than the specific gravity of the material excluding the weight substance, and can be appropriately selected in consideration of the type of the matrix forming material, the amount of the weight substance that can be added to the matrix forming material, and the like. Specifically, the weight substance can be calcium carbonate, magnesium carbonate, glucose, starch, glycerol, maltose and the like.

マトリックス形成材料に含有される微生物等、資化物質及び水の量は、各材料の種類や、本発明のマトリックス形成材料を用いて形成する成形物の用途、使用条件などを考慮して適宜決定できる。例示的には、1質量部のマトリックス形成材料に、例えば、0.001〜10質量部の微生物等、0.01〜1000質量部の資化物質、1〜10000質量部の水を含有することができる。但し、この範囲に限定される意図ではない。   The amount of assimilation substances and water contained in the matrix-forming material, such as microorganisms, is appropriately determined in consideration of the type of each material, the use of the molded product formed using the matrix-forming material of the present invention, and usage conditions. it can. Illustratively, 1 part by weight of the matrix-forming material contains 0.01 to 1000 parts by weight of an assimilating substance, such as 0.001 to 10 parts by weight of microorganisms, and 1 to 10,000 parts by weight of water. Can do. However, it is not intended to be limited to this range.

本発明のマトリックス形成材料には、本発明のマトリックス形成材料を用いて形成する成形物の用途に応じて、種々の物質を単独又は組みあわせて含有させることができる。本発明のマトリックス形成材料に含有させることができる物質の例としては、例えば、吸着剤、飼料、医薬剤、イオン交換体、発光体、磁性体、生物、細胞、計測用素子(センサ)等を挙げることができる。但し、これらの物質に限定される意図ではない。   The matrix-forming material of the present invention can contain various substances singly or in combination depending on the use of a molded product formed using the matrix-forming material of the present invention. Examples of substances that can be contained in the matrix-forming material of the present invention include, for example, adsorbents, feeds, pharmaceutical agents, ion exchangers, light emitters, magnetic bodies, organisms, cells, measurement elements (sensors), and the like. Can be mentioned. However, it is not intended to be limited to these substances.

<成形物>
本発明は、上記本発明のマトリックス形成材料からなる成形物に関する。成形物の形状、寸法等は、成形物の用途に応じて適宜決定できる。本発明の成形物は、例えば、粒状物、球状物、円盤状物、シート状物、柱状物、円筒状物、繊維状物(横断面は、円形、多角形、中空体など)等であることができる。但し、これらの形状に限定される意図ではない。
<Molded product>
The present invention relates to a molded article comprising the matrix-forming material of the present invention. The shape, dimensions, etc. of the molded product can be appropriately determined according to the use of the molded product. The molded product of the present invention is, for example, a granular material, a spherical material, a disk-shaped material, a sheet-shaped material, a columnar material, a cylindrical material, a fibrous material (the cross section is circular, polygonal, hollow, etc.), etc. be able to. However, it is not intended to be limited to these shapes.

<自律的浮沈方法>
本発明は、上記本発明のマトリックス形成材料からなる成形物を水性媒体に添加して、水性媒体中で自律的に浮き沈みさせる方法に関する。但し、水性媒体中で自律的に浮き沈みさせるためには、前記成形物の比重は、前記水性媒体より大きい。成形物の比重は、例えば、水性媒体の1.05倍〜1.8倍の範囲であり、下限は好ましくは1.06倍、より好ましくは1.08倍、さらに好ましくは1.1倍である。上限は好ましくは1.5倍、より好ましくは1.3倍、より好ましくは1.2倍である。但し、この数値範囲に制限されない。マトリックス形成材料に含まれる微生物等の種類や量、自律浮沈の周期などを考慮して適宜決定できる。
<Autonomous floating method>
The present invention relates to a method of adding a molded product made of the matrix-forming material of the present invention to an aqueous medium and allowing it to float and sink autonomously in the aqueous medium. However, the specific gravity of the molded product is larger than that of the aqueous medium in order to make it rise and fall autonomously in the aqueous medium. The specific gravity of the molded product is, for example, in the range of 1.05 to 1.8 times that of the aqueous medium, and the lower limit is preferably 1.06 times, more preferably 1.08 times, and even more preferably 1.1 times. is there. The upper limit is preferably 1.5 times, more preferably 1.3 times, and more preferably 1.2 times. However, it is not limited to this numerical range. It can be appropriately determined in consideration of the type and amount of microorganisms contained in the matrix-forming material, the period of autonomous floatation and the like.

水性媒体の種類は特に制限はない。水、溶質を含有する水溶液、分散質を含む分散液、溶質と分散質を含む分散水溶液などであることができ、溶質及び分散質の種類にも特に制限はない。   The type of the aqueous medium is not particularly limited. It may be water, an aqueous solution containing a solute, a dispersion containing a dispersoid, a dispersion aqueous solution containing a solute and a dispersoid, and the kind of solute and dispersoid is not particularly limited.

前記成形物は、水性媒体への添加前は、冷蔵、冷凍又は凍結乾燥で保存される。冷蔵、冷凍又は凍結乾燥によって保存されることで、微生物の代謝を抑制し、気体の生成能喪失を抑制しつつ、長期の保管と、持ち運びやすさを備えることができる。   The molded product is stored by refrigeration, freezing or lyophilization before addition to an aqueous medium. By being stored by refrigeration, freezing, or freeze-drying, it is possible to provide long-term storage and ease of carrying while suppressing metabolism of microorganisms and suppressing loss of gas generation ability.

本発明の自律的浮沈方法の一例としては、成形物は、吸着剤及び/又はイオン交換体を含む材料からなり、水性媒体中での自律浮沈の間に、水性媒体中の被吸着物質を吸着及び/又はイオン交換する方法を挙げることができる。   As an example of the autonomous flotation method of the present invention, the molded article is made of a material containing an adsorbent and / or an ion exchanger, and adsorbs a substance to be adsorbed in the aqueous medium during the autonomous flotation in the aqueous medium. And / or ion exchange methods.

前記成形物は、水性媒体中での自律浮沈終了後又は自律浮沈の間に、水性媒体から分離回収して、被吸着物質を吸着した吸着剤及び/又はイオン交換体を回収することができる。   The molded article can be separated and recovered from the aqueous medium after completion of the autonomous floatation in the aqueous medium or during the autonomous floatation to recover the adsorbent and / or ion exchanger adsorbing the adsorbed substance.

実施例では上記機能を有する吸着材料として、アルギン酸ゲルビーズに、イーストとグルコースからなる発酵システムを導入し、発酵で発生する二酸化炭素の気泡を浮きとして、浮上と沈降を繰り返す鉛直回遊性を有する吸着材料を示した。このアルギン酸ゲルビーズの自律的な浮き沈みを模式的に図1に示す。このような浮き沈みを自律的に行う吸着材料は、撹拌が困難な水環境や大型のタンクなどの汚染物質を効率よく吸着回収でき、吸着剤自らの能動的な鉛直回遊性を有することでエネルギーをほとんど必要としない。また、吸着剤が充てんされたカラムにポンプを用いて汚染水を送る必要もないため、パイプからの水漏れの心配もない。最終的に水面に浮上するので、水面上で比較的容易に回収できるという特徴を有する。   In the embodiment, as an adsorbing material having the above function, an adsorbing material having a vertical migratory property in which a fermentation system composed of yeast and glucose is introduced into alginate gel beads, and bubbles of carbon dioxide generated by fermentation are floated to repeatedly float and settle. showed that. The autonomous ups and downs of the alginate gel beads are schematically shown in FIG. Adsorbent materials that autonomously perform ups and downs can efficiently adsorb and recover pollutants such as water environments and large tanks that are difficult to stir, and the energy of the adsorbent itself by its active vertical migration. Almost no need. In addition, since it is not necessary to send contaminated water to the column filled with the adsorbent using a pump, there is no fear of water leakage from the pipe. Since it finally floats on the water surface, it has a feature that it can be recovered relatively easily on the water surface.

本発明の自律的浮沈方法の別の一例としては、成形物は、飼料及び/又は医薬剤を含む材料からなり、水性媒体中での自律浮沈の間に、水性媒体中の魚類に捕食されて、魚類に飼料及び/又は医薬剤を供給する方法を挙げることができる。   As another example of the autonomous flotation method of the present invention, the molding is made of a material containing feed and / or a pharmaceutical agent, and is preyed on by fish in the aqueous medium during the autonomous flotation in the aqueous medium. And a method of supplying feed and / or pharmaceutical agents to fish.

本発明の自律的浮沈方法の別の一例としては、成形物は発光体及び/又は磁性体を含む材料からなり、水槽内で自律浮沈の間に化学反応または外界からの刺激によって発光または特定箇所に集合する照明器具または玩具を挙げることができる。   As another example of the autonomous floatation method of the present invention, the molded article is made of a material containing a light emitter and / or a magnetic material, and emits light or a specific portion by a chemical reaction or a stimulus from the outside during autonomous floatation in a water tank. Luminaires or toys that gather together.

本発明の自律的浮沈方法の別の一例としては、成形物はセンサを含む材料からなり、特定の水圏で自律浮沈の間に、水性媒体の物理的もしくは化学的な変化を記録できる装置または端末を挙げることができる。   As another example of the autonomous floatation method of the present invention, the molding is made of a material including a sensor, and can record a physical or chemical change of an aqueous medium during autonomous floatation in a specific hydrosphere. Can be mentioned.

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not intended to be limited to the examples.

実施例1
1)製造方法
1wt%アルギン酸水溶液は、アルギン酸ナトリウム粉末を1.00 g秤量し、蒸留水100 mLを加えて調製した。炭酸水素ナトリウム0.75 gとドライイースト0.30 g、グルコースを1.25 g、2.50 gまたは7.50g(5、10、30 w/w%)の範囲で秤量し、これらをねじ口試験管に移してから撹拌混合した。次いで、氷中にて、1wt%アルギン酸水溶液を、試料全体の質量が25 gになるまでねじ口試験管に加えたのち、全体がよく混ざるように撹拌した。この溶液をペリスタポンプで送液して、0.1 M硝酸カルシウム水溶液100 mL(pH5.0, 5℃)に滴下し、アルギン酸ゲルビーズを作製した。内径5.0 mmのノズルを用いると、試料25 gにつき、直径5.0±0.1mmのアルギン酸ゲルビーズが約125粒作製できた。得られたアルギン酸ゲルビーズの比重はそれぞれ1.065、1.092、1.162であった。
Example 1
1) Manufacturing method A 1 wt% aqueous alginate solution was prepared by weighing 1.00 g of sodium alginate powder and adding 100 mL of distilled water. Weigh 0.75 g of sodium bicarbonate and 0.30 g of dry yeast, glucose in the range of 1.25 g, 2.50 g, or 7.50 g (5, 10, 30 w / w%), transfer them to a screw test tube, and stir and mix did. Next, a 1 wt% alginate aqueous solution was added to the screw-cap test tube in ice until the mass of the entire sample became 25 g, and then stirred so that the whole was well mixed. This solution was fed with a peristaltic pump and added dropwise to 100 mL of a 0.1 M aqueous calcium nitrate solution (pH 5.0, 5 ° C.) to produce alginate gel beads. When a nozzle having an inner diameter of 5.0 mm was used, about 125 alginate gel beads having a diameter of 5.0 ± 0.1 mm could be produced per 25 g of the sample. The specific gravity of the obtained alginate gel beads was 1.065, 1.092 and 1.162, respectively.

実施例2
実施例1で調製したアルギン酸ゲルビーズの自律浮沈について試験した。
5-10L(高さ1-2m)の筒型容器を用い、グルコースの濃度や水温の変化に伴うゲルビーズの浮沈回数の変化を測定した。
Example 2
The alginate gel beads prepared in Example 1 were tested for autonomous floatation.
Using a cylindrical container of 5-10 L (height 1-2 m), the change in the number of times the gel beads were floated and lowered with changes in glucose concentration and water temperature was measured.

グルコース濃度を変えた場合の結果を図2に示す。グルコースの含有量によるアルギン酸ゲルビーズの自律浮沈(回遊)時間は、グルコース濃度が5(w/w%)のときに、およそ6時間であったのに対し、グルコース濃度が10(w/w%)、30(w/w%)になるにつれ、およそ12時間、48時間と延長された。   The result when the glucose concentration is changed is shown in FIG. When the glucose concentration was 5 (w / w%), the self-sustaining floatation time of the alginate gel beads depending on the glucose content was approximately 6 hours, whereas the glucose concentration was 10 (w / w%). 30 (w / w%), it was extended to about 12 hours and 48 hours.

水温を15℃、20℃、25℃又は30℃とした場合の結果を図3に示す。
温度条件が20℃のとき、アルギン酸ゲルビーズ投下後12時間までの浮沈回数は9回であった。しかし、浮沈回数は水温によって大きく異なった。たとえば、水温15℃のときのゲルビーズを投下後12時間までの浮沈の繰り返し数は4回と他の水温のときよりも少なかった。この理由として、イーストは温度の低い条件でも発酵する。しかし、アルギン酸ゲルビーズの浮力に変化を与える炭酸ガスの生成量は少ないためと考えられる。一方、水温30℃では、イーストの活性が高くなり、アルギン酸ゲルビーズの浮力に変化を与える炭酸ガスの生成量も増加するが、ゲル内に蓄積される炭酸ガスも増加するために、水面上に浮いている時間が長くなった。このため、グルコース発酵に関与するイーストの活性は、水中の温度管理によって最適化され、アルギン酸ゲルビーズの浮沈回数にも影響を与える。
The results when the water temperature is 15 ° C., 20 ° C., 25 ° C. or 30 ° C. are shown in FIG.
When the temperature condition was 20 ° C., the number of floats until 12 hours after dropping the alginate gel beads was 9 times. However, the number of ups and downs varied greatly depending on the water temperature. For example, the number of repetitions of ups and downs for 12 hours after dropping the gel beads at a water temperature of 15 ° C. was 4 times, which was less than at other water temperatures. The reason for this is that yeast ferments even at low temperatures. However, it is considered that the amount of carbon dioxide gas that changes the buoyancy of alginate gel beads is small. On the other hand, when the water temperature is 30 ° C, the activity of yeast increases, and the amount of carbon dioxide that changes the buoyancy of alginate gel beads increases, but the amount of carbon dioxide that accumulates in the gel also increases, so it floats on the surface of the water. The time that has been extended. For this reason, the activity of the yeast involved in glucose fermentation is optimized by temperature control in water, and also affects the number of floats and sinks of alginate gel beads.

内包させるグルコースやイーストの量や水温を変えることで、浮上に必要なゲル内に生じる炭酸ガスの発生量や発生時間も異なってくることから、これらの因子制御することでゲルビーズの浮力を制御することができた。   By changing the amount of glucose and yeast to be encapsulated and the water temperature, the amount of carbon dioxide generated in the gel and the generation time required for the floatation will also differ. By controlling these factors, the buoyancy of the gel beads is controlled. I was able to.

実施例3
鉛直回遊性を持つゲルビーズの形態観察と発酵速度定数の解析
ゲルビーズは発酵システムを導入することによって浮沈を繰り返すのかを検討するために、アルギン酸ゲルビーズ内部での炭酸ガスの蓄積過程の様子や水面上でのゲル表面上の炭酸ガスの消失過程の様子を、顕微鏡での観察から考察した(図4)。
Example 3
Observation of morphology of gel beads with vertical migratory properties and analysis of fermentation rate constants In order to investigate whether gel beads repeatedly float and sink by introducing a fermentation system, the state of carbon dioxide accumulation inside alginate gel beads and on the water surface The state of the disappearance process of carbon dioxide on the gel surface was examined from observation with a microscope (FIG. 4).

上記観察の結果、ゲルビーズの鉛直回遊のメカニズムは、次の様なものであると考えられる。イースト菌によるグルコースの発酵によって発生した二酸化炭素の気泡は、最初はゲルビーズの内部に留まり、浮きとして作用しゲルビーズを浮上させる。ゲルビーズの浮上に伴って、水圧が緩和され二酸化炭酸の気泡の体積は徐々に増大し、気泡の一部はゲルの表面にも出てくるが、ゲルビーズに付着したまま浮上する。ゲルビーズが水面上に浮上すると、ゲルビーズの表面に付着していた気泡がゲルから離れるため、ゲルビーズは浮力を失って沈降を始める。発酵が持続している間は、二酸化炭素の気泡が発生し、その浮力によってゲルは再び浮上した。この挙動が繰り返されることによって、ゲルビーズに鉛直回遊性が付与されるものである。1個のゲルビーズの浮沈の様子は、実施例2で示した図1及び2のようになり、沈降と浮上を十数回繰り返すことが観察できる。最後は、グルコースが全て消費されることでゲルビーズが軽くなり水面に浮上した。浮上したゲルビーズは水面上で容易に回収できた。   As a result of the above observation, it is considered that the mechanism of the vertical migration of the gel beads is as follows. The bubbles of carbon dioxide generated by the fermentation of glucose by yeasts initially remain inside the gel beads and act as floats, causing the gel beads to float. As the gel beads float, the water pressure is relaxed and the volume of carbon dioxide bubbles gradually increases, and some of the bubbles also emerge on the surface of the gel, but float while remaining attached to the gel beads. When the gel beads float on the water surface, the bubbles adhering to the surface of the gel beads are separated from the gel, so that the gel beads lose buoyancy and start to settle. While the fermentation continued, carbon dioxide bubbles were generated and the buoyancy caused the gel to rise again. By repeating this behavior, vertical migration is imparted to the gel beads. One gel bead floats and sinks as shown in FIGS. 1 and 2 shown in Example 2, and it can be observed that sedimentation and floating are repeated ten times or more. Finally, all the glucose was consumed, and the gel beads became light and floated on the water surface. The floated gel beads could be easily recovered on the water surface.

実施例4
プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズによるセシウムの吸着除去
プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズを用いた鉛直回遊のセシウムイオンの吸着効率を調べるために、水面に浮いたままのアルギン酸ゲルビーズ(比重<水)や、沈んだ状態(比重>水)のアルギン酸ゲルビーズと比べて溶液中のセシウムイオンの濃度変化を調査した。
Example 4
Removal of cesium by Prussian Blue-encapsulated alginate gel beads In order to investigate the adsorption efficiency of cesium ions in vertical migration using Prussian blue-encapsulated alginate gel beads, alginate gel beads floating on the water surface (specific gravity <water) or in a submerged state ( The concentration change of the cesium ion in the solution was investigated as compared with the alginate gel beads having a specific gravity> water.

プルシアンブルーを内包したアルギン酸ゲルビーズの作製方法:
(1)プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズ(比重>水)の作製方法(比較例):1wt%アルギン酸水溶液は、アルギン酸ナトリウム粉末を1.00 g秤量し、蒸留水100 mLを加えて調製した。グルコースを7.50g (30 w/w%)とプルシアンブルー粉末125 mgを秤量し、それらをねじ口試験管に移してから撹拌混合した。次いで、氷中にて、1wt%アルギン酸水溶液を、試料全体の質量が25 gになるまでねじ口試験管に加えたのち、全体がよく混ざるように撹拌した。この溶液をペリスタポンプで送液して、0.1 M硝酸カルシウム水溶液100 mL(pH5.0, 5℃)に滴下し、プルシアンブルーを内包したアルギン酸ゲルビーズ(比重1.383)を作製した。
Preparation method of alginate gel beads containing Prussian blue:
(1) Method for producing Prussian blue-encapsulated alginate gel beads (specific gravity> water) (Comparative example): A 1 wt% aqueous alginate solution was prepared by weighing 1.00 g of sodium alginate powder and adding 100 mL of distilled water. 7.50 g (30 w / w%) of glucose and 125 mg of Prussian blue powder were weighed, transferred to a screw-cap test tube, and mixed with stirring. Next, a 1 wt% alginate aqueous solution was added to the screw-cap test tube in ice until the mass of the entire sample became 25 g, and then stirred so that the whole was well mixed. This solution was fed with a peristaltic pump and dropped into 100 mL of 0.1 M calcium nitrate aqueous solution (pH 5.0, 5 ° C.) to produce alginate gel beads (specific gravity 1.383) enclosing Prussian blue.

(2)プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズ(比重<水)の作製方法(比較例):1wt%アルギン酸水溶液は、アルギン酸ナトリウム粉末を1.00 g秤量し、蒸留水100 mLを加えて調製した。中空ガラスビーズ(φ100μm)を0.6g、グルコースを7.50g (30 w/w%)とプルシアンブルー粉末125 mgを秤量し、それらをねじ口試験管に移してから撹拌混合した。次いで、氷中にて、1wt%アルギン酸水溶液を、試料全体の質量が25 gになるまでねじ口試験管に加えたのち、全体がよく混ざるように撹拌した。この溶液をペリスタポンプで送液して、0.1 M硝酸カルシウム水溶液100 mL(pH5.0, 5℃)に滴下し、プルシアンブルーを内包したアルギン酸ゲルビーズ(比重0.655)を作製した。 (2) Method for producing Prussian blue-encapsulated alginate gel beads (specific gravity <water) (Comparative Example): A 1 wt% aqueous alginate solution was prepared by weighing 1.00 g of sodium alginate powder and adding 100 mL of distilled water. 0.6 g of hollow glass beads (φ100 μm), 7.50 g (30 w / w%) of glucose and 125 mg of Prussian blue powder were weighed, transferred to a screw test tube, and mixed with stirring. Next, a 1 wt% alginate aqueous solution was added to the screw-cap test tube in ice until the mass of the entire sample became 25 g, and then stirred so that the whole was well mixed. This solution was fed with a peristaltic pump and dropped into 100 mL of a 0.1 M calcium nitrate aqueous solution (pH 5.0, 5 ° C.) to produce alginate gel beads (specific gravity 0.655) enclosing Prussian blue.

(3)プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズ(鉛直回遊機能を有する)の作製方法(本発明):
1wt%アルギン酸水溶液は、アルギン酸ナトリウム粉末を1.00 g秤量し、蒸留水100 mLを加えて調製した。炭酸水素ナトリウム0.75 gとドライイースト0.30 g、グルコース7.50g (30 w/w%)、プルシアンブルー粉末125 mgを秤量し、それぞれをねじ口試験管に移してから撹拌混合した。次いで、氷中にて、1wt%アルギン酸水溶液を、試料全体の質量が25 gになるまでねじ口試験管に加えたのち、全体がよく混ざるように撹拌した。この溶液をペリスタポンプで送液して、0.1 M硝酸カルシウム水溶液100 mL(pH5.0, 5℃)に滴下し、アルギン酸ゲルビーズ(作成時の比重1.132)を作製した。
(3) Method for producing Prussian blue encapsulated alginate gel beads (having a vertical migration function) (the present invention):
The 1 wt% alginate aqueous solution was prepared by weighing 1.00 g of sodium alginate powder and adding 100 mL of distilled water. Sodium hydrogen carbonate 0.75 g, dry yeast 0.30 g, glucose 7.50 g (30 w / w%) and Prussian blue powder 125 mg were weighed and transferred to a screw test tube, followed by stirring and mixing. Next, a 1 wt% alginate aqueous solution was added to the screw-cap test tube in ice until the mass of the entire sample became 25 g, and then stirred so that the whole was well mixed. This solution was fed with a peristaltic pump and added dropwise to 100 mL of a 0.1 M calcium nitrate aqueous solution (pH 5.0, 5 ° C.) to produce alginate gel beads (specific gravity at the time of creation: 1.132).

水分散系でのセシウムイオンの除去実験:セシウムイオンの濃度が100ppmに調製された水溶液5L入った円筒状のカラムに、プルシアンブルー内包アルギン酸ゲルビーズを100粒加えた試料を用意した。経時時間おきにカラムの中層および水底か採水し、セシウムイオンの濃度変化を原子吸光光度法にて求めた。結果を図5に示す。浮遊(Floating(比重<水))の場合の写真を図6の上に、底沈降(Bottom(比重>水))の場合の写真を図6の下に示す。   Cesium ion removal experiment in an aqueous dispersion: A sample was prepared by adding 100 grains of Prussian blue-encapsulated alginate gel beads to a cylindrical column containing 5 L of an aqueous solution prepared with a cesium ion concentration of 100 ppm. Water was collected from the middle and bottom of the column every time, and the change in the concentration of cesium ions was determined by atomic absorption spectrophotometry. The results are shown in FIG. A photograph in the case of floating (Floating (specific gravity <water)) is shown in FIG. 6, and a photograph in the case of bottom sedimentation (Bottom (specific gravity> water)) is shown in the lower part of FIG.

本実施例において、アルギン酸ゲルビーズにセシウムに対する吸着能を有するプルシアンブルーを内包し、鉛直回遊性を有するものと、単に表面に浮いているだけのものと、単に水底に留まるものとを用い、高さが約1メートルある水槽にアルギン酸ゲルビーズを入れ、水中のセシウムイオンの除去効率を比較した(図4)。その結果、水面に浮いているだけの吸着剤、水底に留まるだけの吸着剤と比較して、鉛直回遊性を有する吸着剤では十分速くセシウムイオンを除去できることが判明した。   In this example, alginate gel beads encapsulating Prussian blue, which has the ability to adsorb cesium, have a vertical migratory property, simply float on the surface, and simply stay on the bottom of the water. Alginate gel beads were placed in a water tank with about 1 meter, and the removal efficiency of cesium ions in water was compared (FIG. 4). As a result, it was found that the cesium ions can be removed sufficiently quickly with an adsorbent having a vertical migratory property as compared with an adsorbent that floats on the water surface and an adsorbent that only remains at the bottom of the water.

鉛直回遊性を有する吸着剤は、今後水圏の様々な場所で応用が可能である。特に、撹拌やカラム法を用いることが困難な場所でその威力が発揮される。例えば、池や大きなタンクに蓄えられた水中の汚染物質の除去において、本発明によって開発された吸着剤を投入すると、吸着剤が能動的に水中を鉛直回遊しながら汚染物質を吸着し、最後は水面に浮上するので、ネットなどを用いて容易に回収できる。攪拌機やポンプなども不要なことから、ほとんどエネルギーを消費することなく処理が可能となる。   Adsorbents with vertical migratory properties can be applied in various places in the hydrosphere. In particular, the power is exhibited in a place where it is difficult to use stirring or the column method. For example, in the removal of pollutants in water stored in a pond or a large tank, when the adsorbent developed by the present invention is introduced, the adsorbent actively adsorbs pollutants while moving around vertically in the water, and finally Since it floats on the surface of the water, it can be easily recovered using a net. Since neither a stirrer nor a pump is required, processing can be performed with almost no energy consumption.

本発明は、水性媒体中で自律的に浮き沈みできる様々な用途に有用である。   The present invention is useful for various applications that can float and sink autonomously in an aqueous medium.

Claims (20)

(1)低分子(物理)ゲル又は(2)高分子鎖(ハイドロ)ゲルであるマトリックス形成材料のマトリックス中に、生体活動により水性媒体不溶性液体として炭化水素化合物を生成する微生物及び/又は微小生物並びに前記微生物及び/又は微小生物が資化して水性媒体不溶性液体を生成する物質を含有する、水性媒体中での自律浮沈に用いる組成物。 Microorganism and / or micro-organism that generates a hydrocarbon compound as an aqueous medium-insoluble liquid by biological activity in a matrix of a matrix-forming material that is (1) a low molecular (physical) gel or (2) a polymer chain (hydro) gel And a composition used for autonomous floatation in an aqueous medium, containing a substance that the microorganisms and / or micro-organisms assimilate to produce an aqueous medium-insoluble liquid. 前記マトリックス形成材料のマトリックス中に重り物質をさらに含有する、但し、重り物質は、重り物質を除く材料の比重より大きい比重を有する、請求項1に記載の組成物The composition of claim 1, further comprising a weight substance in a matrix of the matrix-forming material, wherein the weight substance has a specific gravity greater than the specific gravity of the material excluding the weight substance. 吸着剤、飼料、医薬剤、イオン交換体、発光体、磁性体、生物、細胞、及び/又はセンサをさらに含有する請求項1〜2のいずれか1項に記載の組成物The composition according to any one of claims 1 to 2, further comprising an adsorbent, a feed, a pharmaceutical agent, an ion exchanger, a light emitter, a magnetic substance, an organism, a cell, and / or a sensor. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の組成物からなる成形物。 The molded article which consists of a composition of any one of Claims 1-3. 前記成形物が粒状物、球状物、球状物、円盤状物、シート状物、柱状物、筒状物、又は繊維状物である請求項4に記載の成形物。 The molded product according to claim 4, wherein the molded product is a granular product, a spherical product, a spherical product, a disk-shaped product, a sheet-shaped product, a columnar product, a cylindrical product, or a fibrous product. 高分子鎖(ハイドロ)ゲル中に、生体活動により気体を生成する微生物及び/又は微小生物並びに前記微生物及び/又は微小生物が資化して気体を生成する物質を含有し、生成した気体をゲルビーズ内部に溜めること及び溜まった気体の一部をゲルビーズ表面に出すことができる、水性媒体中での自律浮沈に用いるゲルビーズ。 The polymer chain (hydro) gel contains microorganisms and / or micro-organisms that generate gas by biological activity and substances that are produced by the microorganisms and / or micro-organisms, and the generated gas is contained inside the gel beads. Gel beads used for autonomous floatation in an aqueous medium, which can be stored in a portion and a part of the accumulated gas can be discharged to the surface of the gel beads. 高分子鎖(ハイドロ)ゲルは、水及び炭酸水素ナトリウムの存在下で調製されたゲルである、請求項6に記載のゲルビーズ。 The gel beads according to claim 6, wherein the polymer chain (hydro) gel is a gel prepared in the presence of water and sodium hydrogen carbonate. 15℃で少なくとも4回自律浮沈を繰り返す、水性媒体中での繰返自律浮沈に用いる請求項6又は7に記載のゲルビーズ。 The gel beads according to claim 6 or 7, wherein the gel beads are used for repeated autonomous floatation in an aqueous medium, which repeats autonomous floatation at 15 ° C at least four times. 前記微生物及び/又は微小生物は、生体活動により気体として、二酸化炭素ガスを生成する請求項6〜8のいずれかに記載のゲルビーズ。 The gel bead according to any one of claims 6 to 8, wherein the microorganism and / or micro-organism generates carbon dioxide gas as a gas by biological activity. 前記微生物が酵母菌であり、前記微生物が資化して気体を生成する物質が糖である請求項6〜9のいずれか1項に記載のゲルビーズ。 The gel bead according to any one of claims 6 to 9, wherein the microorganism is a yeast, and the substance that is assimilated by the microorganism to generate a gas is a sugar. ゲル中に重り物質をさらに含有する、但し、重り物質は、重り物質を除く材料の比重より大きい比重を有する、請求項6〜10のいずれかに記載のゲルビーズ。 The gel beads according to any one of claims 6 to 10, further comprising a weight substance in the gel, wherein the weight substance has a specific gravity greater than a specific gravity of a material excluding the weight substance. 1質量部のゲル形成材料に、0.01〜10質量部の微生物、0.1〜1000質量部の前記微生物が資化して気体を生成する物質、1〜10000質量部の水を含有する、請求項6〜11のいずれか1項に記載のゲルビーズ。 1 part by weight of gel-forming material contains 0.01 to 10 parts by weight of microorganisms, 0.1 to 1000 parts by weight of the microorganisms assimilated to produce gas, and 1 to 10000 parts by weight of water. The gel bead according to any one of claims 6 to 11. 吸着剤、飼料、医薬剤、イオン交換体、発光体、磁性体、生物、細胞、及び/又はセンサをさらに含有する請求項6〜12のいずれか1項に記載のゲルビーズ。 The gel beads according to any one of claims 6 to 12, further comprising an adsorbent, a feed, a pharmaceutical agent, an ion exchanger, a light emitter, a magnetic substance, a living organism, a cell, and / or a sensor. 請求項4又は5に記載の成形物を水性媒体に添加して、水性媒体中で自律的に浮き沈みさせる方法、但し、前記成形物の比重は、前記水性媒体より大きい、前記方法。 A method of adding the molded product according to claim 4 or 5 to an aqueous medium and allowing the molded product to float and sink autonomously in the aqueous medium, wherein the specific gravity of the molded product is larger than that of the aqueous medium. 高分子鎖(ハイドロ)ゲル中に、生体活動により気体を生成する微生物及び/又は微小生物並びに前記微生物及び/又は微小生物が資化して気体を生成する物質を含有するゲルビーズを水性媒体中で自律浮沈させる方法であって、前記自律浮沈は、ゲルビーズ中の微生物及び/又は微小生物が気体を生成する物質を資化して生成した気体をゲルビーズ内部に溜めること及び溜まった気体の一部をゲルビーズ表面に出して表面に付着することで行う、但し、前記ゲルビーズの比重は、前記水性媒体より大きい、方法。 In a polymer chain (hydro) gel, gel beads containing microorganisms and / or micro-organisms that generate gas by biological activity and substances that are assimilated by the microorganisms and / or micro-organisms to generate gas are autonomous in an aqueous medium. A method for floating and sinking, wherein the autonomous floating and sinking comprises storing a gas generated by utilizing a substance in which the microbe and / or micro-organism in the gel bead generates a gas, and a part of the accumulated gas on the surface of the gel bead. In which the specific gravity of the gel beads is greater than that of the aqueous medium. 前記成形物又はゲルビーズの比重は、前記水性媒体の1.05倍〜1.8倍の範囲である請求項14又は15に記載の方法。 The method according to claim 14 or 15, wherein the specific gravity of the molded product or gel beads is in the range of 1.05 to 1.8 times that of the aqueous medium. 前記成形物又はゲルビーズは、水性媒体への添加前は、冷蔵又は冷凍保存される、請求項14〜16のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 14 to 16, wherein the molded product or gel beads are stored refrigerated or frozen before being added to an aqueous medium. 前記成形物又はゲルビーズは、吸着剤及び/又はイオン交換体を含み、水性媒体中での自律浮沈の間に、水性媒体中の被吸着物質を吸着及び/又はイオン交換する、請求項14〜17のいずれか1項に記載の方法。 The molded article or gel bead includes an adsorbent and / or an ion exchanger, and adsorbs and / or ion-exchanges a substance to be adsorbed in an aqueous medium during an autonomous floatation in the aqueous medium. The method of any one of these. 前記成形物又はゲルビーズは、水性媒体中での自律浮沈終了後又は自律浮沈の間に、水性媒体から分離回収して、被吸着物質を吸着した吸着剤及び/又はイオン交換体を回収する、請求項18に記載の方法。 The molded product or gel beads are separated and recovered from the aqueous medium after or after the autonomous floatation in the aqueous medium, and the adsorbent and / or ion exchanger adsorbing the adsorbed substance is collected. Item 19. The method according to Item 18. 前記成形物又はゲルビーズは、飼料及び/又は医薬剤を含み、水性媒体中での自律浮沈の間に、水性媒体中の魚類に捕食されて、魚類に飼料及び/又は医薬剤を供給する、請求項14〜19のいずれか1項に記載の方法。 The molded article or gel bead includes a feed and / or a pharmaceutical agent, and is preyed on by fish in the aqueous medium and supplies the fish and feed and / or pharmaceutical agent during the autonomous floatation in the aqueous medium. Item 20. The method according to any one of Items 14 to 19.
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