(57)【要約】【課題】低ｐＨ微細藻類培養水を、従来法と比較してより低コストで効率的に処理して含有される有機化合物を分解し、低ｐＨ微細藻類培養水の再利用を可能とする。【解決手段】低ｐＨの微細藻類培養水を微生物で処理して、該培養水中の有機化合物を分解することを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。微生物保持担体に合成排水を接触させて予め微生物を担体に付着させた後、微生物が付着した微生物保持担体に低ｐＨ微細藻類培養水を接触させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
低ｐＨの微細藻類培養水を微生物で処理して、該培養水中の有機化合物を分解することを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【請求項２】
請求項１において、前記低ｐＨ微細藻類培養水のｐＨが２〜４であることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記微生物が、Acidisoma  sp.、Acidisphaera  sp.、Singulisphaera  sp.、Acidobacterium  sp.、Dyella  sp.、Humibacter  sp.、およびThermosporothrix  sp.のいずれか１種又は２種以上を含む従属栄養細菌であることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、流動床、固定床、散水濾床、および精密濾過膜のいずれかの微生物保持担体に前記微生物を付着させ、該微生物を付着させた担体に、前記低ｐＨ微細藻類培養水を接触させることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【請求項５】
請求項４において、前記微生物保持担体に合成排水を接触させて予め前記微生物を該担体に付着させた後、該微生物が付着した微生物保持担体に前記低ｐＨ微細藻類培養水を接触させることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記微生物保持担体への前記微生物の付着量が５０〜１，０００ｍｇ／Ｌ−担体であることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低ｐＨの微細藻類培養水を、従来法と比較してより低コストで効率的に処理して、その再利用を可能とする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細藻類は、数μｍ〜数十μｍの大きさの単細胞生物である。この微細藻類は、太陽エネルギーを効率よく炭化水素に転換して蓄積し、また各種ミネラルや不飽和脂肪酸などを高濃度に含有する。一部の微細藻類は、デンプン、油脂や糖類などの有用物質を含有するため、これを回収・精製して、医薬品、飼料や燃料として使用するプロセスが提案されている。
【０００３】
微細藻類の培養には、オープンポンドと呼ばれる屋外開放池が広く使用されるが、このプロセスでは、目的とする微細藻類以外にも、細菌や他の微細藻類が増殖し、目的とする微細藻類の生産性を低下させる問題があった。この問題を解決するために、低いｐＨに耐性のある微細藻類、例えばEugrena  sp.やPseudochlorella  sp.を使用し、酸剤、例えば炭酸、塩酸や硫酸を用いて培養水のｐＨを低く、例えばｐＨ２〜４に保つことで、他の微細藻類や原生生物の増殖を抑えるプロセスが提案されている（非特許文献１，２）。
【０００４】
しかし、このプロセスでは、培養液の作成に都度酸剤を使用するだけでなく、微細藻類を培養した後、酸性の排水を廃棄するために、脱気やアルカリ剤を添加することによって、ｐＨを中和する必要があった。ここで、微細藻類培養後の培養水をｐＨ調整することなく再利用することができれば、この課題を解決することができる。
【０００５】
しかし、微細藻類の培養水には微細藻類が分泌した低濃度の有機化合物がＴＯＣとして例えば５〜１５ｍｇ／Ｌ程度含まれる。このように培養水に有機化合物が含まれる場合、培養水の再利用を繰り返すことで、培養水中のＴＯＣ濃度が増加して微生物や他の微細藻類が発生し、目的とする微細藻類の生産性が低下する。これを防ぐため、何らかの方法で、微細藻類培養水に含まれる有機化合物を分解して除去する必要がある。
【０００６】
有機化合物を含む一般排水の処理方法としては、物理化学的方法、例えばＵＶ、オゾンや過酸化水素を用いて排水中の有機化合物を分解除去する方法があるが、エネルギーコストや薬品コストが高く、大量に排出される微細藻類培養水の再利用のための分解方法としては不適当である。
【０００７】
有機化合物の処理に生物学的処理方法を適用した場合、物理化学的方法と比較してエネルギーコストおよび薬品コストを低減できると考えられる。
【０００８】
しかし、上記のような低ｐＨの微細藻類培養水を処理する場合には、次の問題点があった。
（１）  微細藻類培養水中の有機化合物を生物学的に処理するためには、対象排水を中和する必要があるが、そのために脱気プロセスや多量のアルカリ剤が必要である。
（２）  （１）の方法で得られた処理水を微細藻類の培養に再利用するためには、ｐＨを再度酸性にする必要があり、酸剤、例えば炭酸、塩酸や硫酸などを添加する必要がある。
（３）  （１）および（２）のプロセスを繰り返すと、循環水の塩類濃度が上昇し、微細藻類の生産性が低下する。
（４）  微細藻類培養水は有機化合物濃度が低いため、槽内の微生物はフロックを作らず分散傾向を示す。従って、菌体を活性汚泥法のように高濃度で維持することができず、有機化合物の分解が極めて低い速度で進行することになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】鷲見芳彦、微細藻類（マイクロアルジェ）が開く未来−有用性とその利用−、科学技術動向、Science  ＆  Technology  Trends  September  2009  102，p.11-22.
【非特許文献２】Hiraoka，S.,Higuchi,S.，Uzuka，A.，Nozaki，  H.，Miyagishima，S.(2014)．Acidophilic  Green  Alga  Pseudochlorella  sp.  YKT1  Accumulates  High  Amount  of  Lipid  Droplets  under  a  Nitrogen-Depleted  Condition  at  a  Low-pH.  PloS  ONE.9(9)，e107702.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記の従来技術に鑑みてなされたものであり、低ｐＨ微細藻類培養水を、従来法と比較してより低コストで効率的に処理して含有される有機化合物を分解し、低ｐＨの培養水の再利用を可能とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、微生物により培養水中の有機化合物を処理するに当たり、まず、低いｐＨ条件下で炭素源を分解する従属栄養細菌を担体に高濃度に付着させ、その後微細藻類培養水を接触させることにより、低ｐＨの微細藻類培養水中の有機化合物を効率的に分解することができることを見出した。
本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下を要旨とする。
【００１２】
［１］  低ｐＨの微細藻類培養水を微生物で処理して、該培養水中の有機化合物を分解することを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【００１３】
［２］  ［１］において、前記低ｐＨ微細藻類培養水のｐＨが２〜４であることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【００１４】
［３］  ［１］又は［２］において、前記微生物が、Acidisoma  sp.、Acidisphaera  sp.、Singulisphaera  sp.、Acidobacterium  sp.、Dyella  sp.、Humibacter  sp.、およびThermosporothrix  sp.のいずれか１種又は２種以上を含む従属栄養細菌であることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【００１５】
［４］  ［１］ないし［３］のいずれかにおいて、流動床、固定床、散水濾床、および精密濾過膜のいずれかの微生物保持担体に前記微生物を付着させ、該微生物を付着させた担体に、前記低ｐＨ微細藻類培養水を接触させることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【００１６】
［５］  ［４］において、前記微生物保持担体に合成排水を接触させて予め前記微生物を該担体に付着させた後、該微生物が付着した微生物保持担体に前記低ｐＨ微細藻類培養水を接触させることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【００１７】
［６］  ［４］又は［５］において、前記微生物保持担体への前記微生物の付着量が５０〜１，０００ｍｇ／Ｌ−担体であることを特徴とする低ｐＨ微細藻類培養水の処理方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低ｐＨ微細藻類培養水中の有機化合物を、微生物によってその低ｐＨ値を維持してより低コストで効率的に処理して、含有される有機化合物を分解除去することができる。このため、本発明による処理水を、低ｐＨ微細藻類培養水としてそのまま繰り返し再利用することが可能となり、水コスト、培養コスト、排水処理コストを低減することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明者は、低ｐＨの微細藻類培養水中の有機化合物を微生物により分解するべく、以下のような検討を行った。
【００２１】
一般的に、微生物保持担体に処理対象となる排水中の有機化合物分解菌を付着させるために、処理対象となる排水を繰り返し供給することで、担体の菌体濃度を高める方法がしばしば用いられるが、本発明で処理対象とする低ｐＨの微細藻類培養水では、有機化合物濃度が低いために、担体に十分に菌体が付着する前にバイオフィルムが剥離してしまうことから、微細藻類培養水の処理に必要な十分量の菌体を担体に付着、蓄積させることができなかった。
そこで本発明者は鋭意検討し、まず、微細藻類培養水とは別に、ｐＨ酸性に調整した合成排水を担体に供給することで、低ｐＨ条件下でグルコースなど一般的な炭素源を分解する従属栄養細菌を担体に高濃度に付着させた。
その後、供給水を微細藻類培養水に変更して担体を馴養したところ、１週間程度は微細藻類培養水中の有機化合物を同化できない微生物の自己分解が生じ、担体への菌体付着量が減少するとともに培養水中には自己分解によって生じたと考えられる溶存性有機物の濃度が増加したが、その後担体の菌体付着量が安定し、高い速度で微細藻類培養水中の有機化合物を分解することができるようになることを確認した。
【００２２】
本発明では、このようにして、低ｐＨ微細藻類培養水中の有機化合物を、微生物によって効率的に分解することを可能とした。
ここで、低ｐＨ微細藻類培養水のｐＨ値とは、前述のオープンポンドにおける微細藻類の培養等において、目的とする微細藻類を選択的に生産するためのｐＨ条件であり、通常、１〜５、好ましくは２〜４の範囲である。
【００２３】
本発明で処理する低ｐＨ微細藻類培養水中の有機化合物濃度には特に制限はないが、通常ＴＯＣ濃度として３〜２０ｍｇ／Ｌ程度の比較的低濃度ＴＯＣ含有水である。
【００２４】
前述の通り、このような低ＴＯＣ濃度の低ｐＨ微細藻類培養水を、微生物で効率的に処理するには、微生物保持担体を用い、この微生物保持担体に微生物を予め高濃度に付着させることが好ましい。
【００２５】
この微生物保持担体としては、流動床、固定床、散水濾床の他、精密濾過膜などを用いることができる。
【００２６】
流動床担体を用いる場合、その形状は、球状、ペレット状、中空筒状、糸状等任意であり、大きさも０．１〜１０ｍｍ程度の径である。材料は天然素材、無機素材、高分子素材等任意であり、ゲル状物質を用いても良い。好ましくは、ポリウレタンフォーム（ポリウレタンスポンジ）等の発泡樹脂製担体である。
【００２７】
固定床担体についても、その形状は、糸状、板状、短冊状等任意であり、材料についても天然素材、無機素材、高分子素材等任意で、ゲル状物質を用いても良い。固定床担体についてもポリウレタンフォーム等の発泡樹脂製担体を用いることが好ましい。
【００２８】
散水濾床としては２０〜６０ｍｍのプラスチック製濾材またはポリウレタン製濾材を用いる方法が好ましい。精密濾過膜としては中空糸を用いることが好ましい。
【００２９】
このような微生物保持担体に微生物を付着させるには、グルコース、酵母エキス等の有機物を含み、ＴＯＣ濃度は低ｐＨ微細藻類培養水のＴＯＣよりも高く５０〜１，０００ｍｇ／Ｌ程度で、ｐＨが処理する低ｐＨ微細藻類培養水と同等のｐＨ値の合成排水を調製し、この合成排水を微生物保持担体に接触させて、Acetobacteraceae科に属する細菌例えばAcidisoma  sp.、Isosphaeraceae科に属する細菌例えばSingulisphaera  sp.、Rhodanobacteraceae科に属する細菌例えばDyella  sp.、Conexibacteraceae科に属する細菌例えばConexibacter  sp.、Isosphaeraceae科に属する細菌例えばSingulisphaera  sp.、Microbacteriaceae科に属する細菌例えばHumibacter  sp.、Thermosporotrichaceae科に属する細菌例えばThermosporothrix  sp.、Acidodacteriaceae科に属する細菌例えばAcidobacterium  sp.、Patulibacteraceae科に属する細菌例えばPatulibacter  sp.、Microbacteriaceae科に属する細菌例えばCurtobacterium  sp.、Legionellaceae科に属する細菌例えばLegionella  sp.、Patulibacteraceae科に属する細菌例えばPatulibacter  sp.、Micropepsaceae科に属する細菌例えばRhizomicrobium  sp.などの、グルコース等の一般的な炭素源の分解能を有する従属栄養細菌を付着させる。この場合、微生物保持担体への従属栄養細菌の付着量が少な過ぎると、優先化させたい細菌が十分付着せず、その後の低ｐＨ微細藻類培養水との接触において、有機化合物を効率的に分解する細菌が生残しない可能性があるため、担体への従属栄養細菌の付着量は、５０ｍｇ／Ｌ−担体以上、好ましくは１００ｍｇ／Ｌ−担体以上、より好ましくは３００ｍｇ／Ｌ−担体以上となるようにする。担体への従属栄養細菌の付着量が多い程低ｐＨ微細藻類培養水の処理において、有機化合物の分解速度を高めることができるが、付着量を多くするための合成排水による処理に長時間を要するようになるため、従属栄養細菌の付着量は１０００ｍｇ／Ｌ−担体以下でよく、５０ｍｇ／Ｌ−担体以下であってもよい。
【００３０】
微生物保持担体に合成排水を接触させて、担体に従属栄養細菌を高濃度に付着させた後は、低ｐＨ微細藻類培養水との接触に切り換える。低ｐＨ微細藻類培養水との接触に切り換え初期には、一旦、微細藻類培養水中の有機化合物を同化できない微生物の自己分解で担体への菌体付着量が減少し、微生物の自己分解で発生した溶存性有機物の増加で、処理水のＴＯＣ濃度は、微細藻類培養水のＴＯＣよりも多くなるが、接触を継続すると、担体への菌体付着量が安定し、高速度で微細藻類培養水中の有機化合物を分解できるようになり、処理水のＴＯＣ濃度は低減する。その後は、担体に付着した従属栄養細菌により、微細藻類培養水中の有機化合物を安定的に分解することができるようになる。
【００３１】
この処理は具体的には、反応槽に前述の微生物保持担体を充填し、この反応槽に前述の合成排水を所定の菌体付着量となるように通水し、その後通水を微細藻類培養水に切り換える操作により行うことができる。
【００３２】
このようにして、有機化合物を分解して得られる処理水は、微細藻類培養水として有効に再利用することができる。なお、微細藻類培養水としての再利用のために、処理水中の有機化合物はＴＯＣ濃度で５ｍｇ／Ｌ以下までに低減することが好ましい。
【実施例】
【００３３】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３４】
以下の実施例では、微細藻類として、Euglena  gracilis  ＮＩＥＳ−４８を使用した。Euglena  gracilis  ＮＩＥＳ−４８を培養するための培地には、純水にＮＨ４−ＮおよびＰＯ４−Ｐ濃度がそれぞれ１０ｍｇ／Ｌ、０．５ｍｇ／Ｌとなるように硫酸アンモニウムとリン酸二水素カリウムを添加し、硫酸でｐＨを３．０に調整したものを用いた。菌体を十分に増殖させた後、得られた培養液を０．４５μｍのフィルターで濾過することで、微細藻類培養水を得た。この微細藻類培養水のＴＯＣ濃度は１０ｍｇ／Ｌであった。
合成排水には、グルコース、酵母エキスを超純水で希釈してｐＨを３．０に調整した合成培地を用いた。この合成排水のＴＯＣ濃度は１００ｍｇ／Ｌに調整した。
微生物保持担体には、ポリウレタンスポンジ（０．５ｃｍ×０．５ｃｍ×０．５ｃｍの直方体）を用いた。
【００３５】
［実施例１］
１Ｌ容のメスシリンダーに３００ｍＬの微生物保持担体を入れ、合成排水を１Ｌとなるように分注した。経時的にＴＯＣ濃度を測定し、ＴＯＣ濃度の減少が緩やかになった後、メスシリンダー内の合成排水を捨て、新しい合成排水に入れ替えた。合成排水の入れ替えを１０回繰り返した後、メスシリンダーに微細藻類培養水を１Ｌとなるように分注し、経時的にＴＯＣ濃度を測定した。その結果、ＴＯＣ濃度が１０ｍｇ／Ｌから１００ｍｇ／Ｌまで上昇した。メスシリンダー内の微細藻類培養水を捨て、新しい微細藻類培養水を分注した。この操作を繰り返したところ、微細藻類培養水を２回交換した後、ＴＯＣ濃度が経時的に減少した。ＴＯＣ濃度の減少速度は微細藻類培養水を入れ替える度に高くなり、微細藻類培養水を３回入れ替えた場合、４時間で１０ｍｇ／ＬのＴＯＣを分解することができた。
【００３６】
［比較例１］
１Ｌ容のメスシリンダーに３００ｍＬの微生物保持担体を入れ、微細藻類培養水を１Ｌとなるように分注した。経時的にＴＯＣ濃度を測定し、ＴＯＣ濃度の減少が緩やかになった後、メスシリンダー内の微細藻類培養水を捨て、新しい微細藻類培養水に入れ替えた。ＴＯＣの減少速度は微細藻類培養水を入れ替える度にやや高くなったが、微細藻類培養水の入れ替えを１０回繰り返した後の１０ｍｇ／ＬのＴＯＣ分解に要する時間は約５００時間であり、微細藻類培養水の入れ替えを１００回繰り返した後の１０ｍｇ／ＬのＴＯＣ分解に要する時間は約２５０時間であった。
【００３７】
以上の結果から、予めｐＨ酸性の合成排水を接触させて微生物保持担体に従属栄養細菌を高濃度に付着させた後、微細藻類培養水の処理に用いることで、低ｐＨ微細藻類培養水中の有機化合物を効率的に分解することができ、有機化合物を分解除去した処理水を培養水として再利用することができるようになることが分かる。
【００３８】
なお、実施例１において、合成排水から微細藻類培養水に切り換えた後の微生物保持担体に付着した微生物をクローンライブラリ法により調べたところ、担体には、低ｐＨ条件下でグルコースなどの一般的な炭素源を分解する従属栄養細菌のAcidisoma  sp.、Acidisphaera  sp.、Singulisphaera  sp.、Acidobacterium  sp.、Dyella  sp.、Humibacter  sp.、Thermosporothrix  sp.等が約１０ｍｇ／Ｌ−担体付着していることが確認された。