(57)【要約】【課題】種々の金属が存在する溶液から金属を選択的に分離する装置を提供すること。【解決手段】少なくとも１種類以上の金属が混在している溶液中から、金属を選択的に分離する装置であって、有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、内腔部に金属を内包、もしくは金属と複合体を形成した機能物質群４を含む流動液に電場をかけることにより、機能物質群に発生したゼータ電位を測定し、ゼータ電位の差により、金属を選択的に分離する機能を有する装置を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種類以上の金属が混在している溶液中から、金属を選択的に分離する装置であって、
有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、該内腔部に金属を内包、もしくは金属と複合体を形成した機能物質群を含む流動液に電場をかけることにより、前記機能物質群に発生したゼータ電位を測定し、前記ゼータ電位の差により、金属を選択的に分離する機能を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記装置において、前記溶液を挟むべく対向配置された一対の電極を備えた流動槽にレーザー光を照射し、前記機能物質群に照射して生じた散乱光を測定することにより、金属を溶液中から選択的に分離することを特徴とする装置であって、前記流動槽に印加する電源と、レーザー光を照射するための光源および散乱光検出手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記装置において、光源から出射された光ビームが、その光路中に設置された第１のミラーにより分割、さらに前記機能物質群を含む流動液に照射され、さらに前記機能物質群より発生した散乱光と、第２のミラーによる反射光とが、モジュレーターにより合成され、前記光検出器に入射するよう配置されていることを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記溶液を挟むべく対向配置された一対の電極を備えた流動槽と、前期流動槽に流動させる前記溶液を収容する溶液槽と、前記流動槽を通過した液を分離する分離槽と、前記流動槽に印加する電源と、前記流動槽に溶液を流したときに前記一対の電極間に発生する流動電位を測定する流動電位測定手段を備え、さらに前記流動槽の両端に溶液を流動させるための圧力を付与する圧力付与手段と、前記溶液槽および前期分離槽の圧力を測定する圧力測定手段とを備えた装置において、前記流動槽に電場をかけることにより、前記機能物質群に発生したゼータ電位を測定し、前記ゼータ電位の差を利用して金属を選択的に分離する機能を有する請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記装置の流動液の圧力を周期的に変化させ、その電極間に発生する電位差を測定することにより、前記機能物質群に発生したゼータ電位を測定し、前記ゼータ電位の差を利用して金属を選択的に分離する機能を有する請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記流動槽の流路中に流動抵抗を設けることにより、溶液の流動速度を小さくすると同時に流動圧力を増大させた状態で、上記流動電位と流動圧力を測定することを特徴とする金属を選択的に分離する機能を有する請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記機能物質を構成する、前記有機物の主要な部分がタンパク質である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記タンパク質分子がフエリチンフアミリ−であることを特徴とする、請求項７に記載の機能物質。
【請求項９】
前記フエリチンフアミリ−がフエリチンまたは、アポフエリチン、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることを特徴とする、請求項８に記載の機能物質。
【請求項１０】
前記タンパク質分子がアデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ、および、これらの改変物等の群から選ばれるウイルスであることを特徴とする、請求項７に記載の機能物質。
【請求項１１】
前記タンパク質分子がＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質、および、これらのアミノ酸配列を改変した改変物であることを特徴とする、請求項７に記載の機能物質。
【請求項１２】
前記金属が鉄、鉄酸化物、その他の鉄化合物、ニツケル、ニツケル酸化物、その他のニツケル化合物、コバルト、コバルト酸化物、その他のコバルト化合物、銅、銅酸化物、その他の銅化合物、金、その他の金化合物、白金、その他の白金化合物の少なくとも、いずれか１種類以上であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
ＮａＨＭＰ，ＮａＰＰ，ＳＤＳ，アルミナシクロヘキサン―ＡＯＴの少なくとも、いずれか一つの分散剤を用いることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１種類以上の金属が混在している溶液中から金属を選択的に回収する装置であって、
前記溶液内で、少なくとも一種類以上の金属および機能物質を混合し、
前記機能物質が、有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、金属を含む溶液と混合することにより、前記機能物質の該内腔部に除去すべき金属を内包、もしくは金属と複合体を形成し、
第一の操作により前記機能物質群を溶液から分離する工程と、
第二の操作により前記機能物質群から金属を回収する工程からなり、
前記金属を前記溶液中から回収する機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第一の操作が、請求項１から１３のいずれかに記載の操作であって、前記第二の操作が、窒素雰囲気中、または、大気中で、機能物質の焼失温度以上で、分離された前期機能物質群を加熱することにより、前記金属を回収することである、請求項１４に記載の金属を回収する機能を有することを特徴とする装置。
【請求項１６】
前記第一の操作が、請求項１から１３のいずれかに記載の操作であって、前記第二の操作が、前記機能物質群のみを選択的に凝集させる作用を持つ化合物と混合することであり、かつ、前記作用物質が、尿素、界面活性剤のいずれか一つである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記第一の操作が、請求項１から１３のいずれかに記載の操作であって、前記第二の操作が、前記機能物質群のみを選択的に分解する作用を持つ化合物と混合することであり、かつ、前記分解作用化合物が、タンパク質分解酵素である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記第一の操作が、請求項１から１３のいずれかに記載の操作であって、前記タンパク質分解酵素が、プロテアーゼ、ディスパーゼ、トリプシン、ナガラーゼのいずれか一つ以上である、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の金属が混在する溶液から、金属を選択的に分離する装置に関する。具体的には、内腔を有し、金属をその内腔に内包できる機能分子を利用した金属の分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銀、金などの貴金属や、銅、鉛、水銀、カドミウムなどの有害重金属を含む水溶液中からこれらの金属を分離する技術は、資源の回収再利用及び環境汚染防止の観点から極めて重要である。これまで、これらの金属の分離方法としては、金属含有水溶液を陽イオン交換樹脂、活性炭、金属キレート化剤、合成ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、活性白土、液膜を通したイオン輸送剤、植物プランクトンなど種々の無機系や有機系の吸着剤に接触させて、金属をこれらに吸着させ分離する方法が主流である。
【０００３】
具体的にイオン輸送剤として使用される物質を例示すると、水銀のみを捕捉するものとしてトロポノイド付加ジチオクラウンエーテル類がある。また、鉛のみを捕捉するものとして環状ポリエーテルジカルボン酸が知られている。また、水銀のみを捕捉するものとして８−キノリル基をもつメチオニン誘導体が挙げられている。また、特許文献１には、銅のみを選択的に捕捉するものとして、α−アミノ酸ジアジド誘導体が開示されている。というように、挙げれば枚挙にいとまがない。
【０００４】
他方、微生物や藻類の中には、特定の金属を蓄積する能力を有するものがあることが知られており、近年、これを利用して、廃液中の有害金属や有価金属を除去したり、回収することが試みられ、例えば植物バイオマス、カビ、さらにはクロレラなどの微細藻類などを用いる方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１６３２４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の無機系や有機系の吸着剤は、吸着能力に限界があるため、多量の廃液を処理するには、多量使用しなければならない上、脱着処理に多大の手間と設備を要するなどの欠点を有し、実用化には、多くの解決しなければならない問題があった。さらに、吸着材料が特異的な金属と非常に高い選択性を持つ反面、一度吸着させた金属を脱離させることが必ずしも容易ではないため、吸着剤の再生が困難で煩雑な操作を要し、吸着剤の再生にかかるコストや回収の生産性は必ずしも良好とは言えない。また、これまで用いられている微生物や藻類は、重金属の吸着能力や、粒形化の困難さなどの点で、必ずしも十分に満足しうるものではないのが実状である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、肝細胞内や肝・脾の網内系細胞内に存在するフェリチンが、タンパク質の殻で覆われた内腔に鉄を内包することによって、体内の鉄の濃度を調節していることに着目し、フェリチンなどの、内腔を有し、金属をその内腔に内包できる機能分子を有効に利用することにより、金属を選択的かつ効率的に、分離する装置の提供を目的としている。
【０００８】
本発明は、少なくとも１種類以上の金属が混在している溶液中から、金属を選択的に分離する装置であって、有機物で構成され、さらに、その物質が内腔を有し、かつ、該内腔部に金属を内包、もしくは金属と複合体を形成した機能物質群を含む流動液に電場をかけることにより、前記機能物質群に発生したゼータ電位を測定し、前記ゼータ電位の差により金属を選択的に分離することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の機能分子群を用いた金属の分離、回収方法の実施の形態を、図を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の多種類の金属が混在している溶液中から金属を選択的に分離する装置の１例を示す概略図である。
【００１０】
流動槽１は、注入口２と分離口３を持ち、内部に一対の電極７，８が対向配置されており、流動槽１は、電源９と接続されている。また機能分子４、金属５およびその複合体粒子６を含む溶液は、注入口２から注入し、注入された溶液は、流動槽１を通って分離口３から排出される。その工程で、光源１０から出射された光ビームがその光路中に設置されたミラー１１により分割、さらに流動槽１に照射され、機能分子４、金属５およびその複合体粒子６より発生した散乱光と、ミラー１２による反射光とが、モジュレーター１３により合成され、光検出器１４に入射するよう構成されており、そのデータは随時コンピューター１５に送られる。そして下記に述べる公知の方法にて、複合体粒子６に発生したゼータ電位がリアルタイムで解析され、ゼータ電位の差により、目的の複合体粒子を分離口３から回収することができる。
【００１１】
流動している複合体粒子にレーザー光を照射すると、粒子からの散乱光は、ドップラー効果により周波数がシフトし、シフト量は流動速度Ｖに比例することから、このシフト量を測定することにより粒子の泳動速度Ｖを求めることができる。屈折率（ｎ）の溶媒に分散した試料に、波長のλのレーザー光を照射し、散乱角（θ）で検出する場合の、泳動速度（ｖ）とドップラーシフト量（Δν）とすると、たとえば、下記に示すＳｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉの式（３）等の公知のゼータ電位算出式を用いて、ゼータ電位を算出することができる。
【００１２】
Δν＝２Ｖｎｓｉｎ（θ／２）／λ  （１）
ここで、（１）式におけるｎは溶媒の屈折率、θは検出角度である。
【００１３】
Ｕ＝Ｅ／Ｖ  （２）
ここで、（２）式におけるＵは電気移動度、Ｖは流動速度、Ｅは電場である。
【００１４】
ζ＝４πηＵ／ε  （３）
ここで、（３）式におけるηは溶媒の粘度、εは溶媒の誘電率である。
【００１５】
機能分子４は、有機物で構成され、さらに、その分子構造が内腔を有し、かつ、該内腔部に除去すべき金属５を内包、もしくは金属５と機能分子４が、複合体６を形成している。このような機能分子４は、前記有機物の主要な部分がタンパク質である。機能分子４は、直径３−３０ｎｍの粒子であることが望ましい。具体的に、機能分子４として用いられるタンパク質分子は、例えば図３に模式的に示すように、無機材料原子の芯２５を内腔部に保持し、この周囲をタンパク質の殻２６で覆った金属タンパク質複合体であって、肝細胞内や肝・脾の網内系細胞内から抽出したフェリチンや、内腔に各種の無機材料原子を内包したアポフェリチン等が好ましく使用される。
【００１６】
フェリチンの場合、芯２５の無機材料原子は、通常は、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）で、芯２５の直径は６ｎｍ程度、酸化鉄の総数は３０００個程度であり、殻２６は分子量２万程度のタンパク質の２４量体で、２４量体全体の外径は１２ｎｍ程度である。
【００１７】
また機能分子４は、上記のこれらのタンパク質のアミノ酸配列を改変した改変物であってもよい。タンパク質を改変させる手段は、遺伝子組み替え技術など当業者に公知の技術を用いて実現される。例えば、アポフェリチンの金属導入部に位置するグルタミン酸およびアスパラギン酸を、電荷を持たず、かつサイズの小さいセリンで置換する。次に、内腔部に位置するグルタミン酸をリジン等の塩基性アミノ酸または中性アミノ酸で置換する。さらに、内腔部にひとつ以上のシステイン結合を導入することで、負電荷を持つ（ＡｕＣｌ４）−と負電荷を持つアミノ酸との間に発生する静電相互作用による斥力を防ぐことができ、（ＡｕＣｌ４）−が内腔に取りこまれ易くなる。内腔に取りこまれた（ＡｕＣｌ４）−は、当業者に公知の技術でＡｕに還元することができる。よって、この改変したアポフェリチンを機能分子４として使えば、溶液中の金を金粒子として分離する装置が提供できる。
【００１８】
その他には、ＤｐｓＡタンパク質またはＭｒｇＡタンパク質が挙げられる。Ｄｐｓタンパク質の場合は、図示は省略するが、芯１の直径は４ｎｍ程度、殻２は正四面体の１２量体で、１２量体全体の外径は９ｎｍ程度である。また、アデノウィルス、ロタウィルス、ポリオウィルス、ＨＫ９７、ＣＣＭＶ等の群から選ばれるウイルスも好適に使用され得る。
【００１９】
光源１０としては、具体的には半導体レーザー、波長可変レーザー、ヘリウムネオンレーザーなどが組み込まれた装置、および発光ダイオード、面発光ダイオードなどが組み込まれた装置を用いることができる。
【００２０】
また流動槽１の流路中に流動抵抗を設けることにより、溶液の流動速度を小さくすると同時に流動圧力を増大させた状態で、上記流動電位と流動圧力を測定することによって、大きな粒子を含む溶液であっても、少ない溶液量のもとに、測定することが可能となる。
【００２１】
また流動槽１に注入する機能分子４は、１種類に限定されない。図１には、例として２種類の異なる機能分子４を示している。流動槽１の注入口２から注入された溶液に含まれる金属５は、機能分子４の内腔部に内包され、複合体粒子６が形成される。流動槽１にレーザー光を照射することにより複合体粒子６に発生したゼータ電位をリアルタイムで解析し、そのゼータ電位の差により、目的の複合体粒子６を分離口３から回収することができる。
【００２２】
こうして回収した目的の複合体粒子６は、窒素雰囲気中、または、大気中で、加熱することにより、機能物質４の焼失温度以上、好適には、タンパク質の焼失温度以上で、機能物質４を加熱焼失させることにより、前記金属５の回収を行うことができる。
【００２３】
また、複合体６を選択的に分解する作用を持つ化合物を用いて、複合体６を分解して金属５を回収してもよい。複合体を分解する化合物としては、例えば、複合体６がタンパク質の場合、タンパク質分解酵素が好適に用いられる。具体的に、タンパク質分解酵素として、プロテアーゼ、ディスパーゼ、トリプシン、ナガラーゼが、当業者に公知の処理方法で用いられる。
【００２４】
また、複合体粒子６の芯に内包されている化合物が、金属化合物の場合、当業者に公知の方法で、金属化合物を酸化、還元する処理をも含む。
（実施の形態２）
図２は、本発明の多種類の金属が混在している溶液中から金属を選択的に回収する装置の一例を示す概略図である。
【００２５】
内部に一対の電極１６，１７が対向配置された流動槽１８は、その一端が溶液槽２０と連通しており、また他端は、分離槽２１に連通している。ゼータ電位を測定する溶液は、流動槽の電極１６、１７間に存在する。各電極１６、１７には、電位計２２が接続されており、この電位計２２によって、流動槽中を機能物質および金属を含む溶液が流れることによって、電極１６、１７間に生じる電位差、つまり流動電位が測定される。また流動槽には電源１９が接続されている。溶液槽２０には、流動槽１８に流す溶液が保持されており、さらに内部の圧力を測定するために、溶液槽２０と分離槽２１には圧力計２３が設けられている。電位計２２および圧力計２３の出力はコンピューター２４に送られ、たとえば下記（４）に示すヘルムホルツ―スモルコウスキの式等の公知のゼータ電位算出式を用いて、ゼータ電位が算出される。さらに算出されたゼータ電位の違いにより、分離槽２１から、複合体粒子６を回収することができる。
【００２６】
ζ＝ｋ・Ｅ／Ｐ  （４）
なお、（４）式におけるｋは液の誘電率、粘性および誘電率によって定まる定数である。
【００２７】
こうして回収された複合体粒子６は、窒素雰囲気中、または、大気中で、加熱することにより、機能物質４の焼失温度以上、好適には、タンパク質の焼失温度以上で、機能物質４を加熱焼失させることにより、前記金属５を回収することができる。
【００２８】
また、機能物質４を選択的に分解する作用を持つ化合物を用いて、機能物質４を分解して金属５を回収してもよい。
【００２９】
複合体を分解する化合物としては、例えば、機能物質４がタンパク質の場合、タンパク質分解酵素が好適に用いられる。具体的に、タンパク質分解酵素として、プロテアーゼ、ディスパーゼ、トリプシン、ナガラーゼが、当業者に公知の処理方法で用いられる。
【００３０】
また、複合体粒子６の芯に内包されている化合物が、金属化合物の場合、当業者に公知の方法で、金属化合物を酸化、還元する処理をも含む。
【００３１】
このように、本発明は、金属カチオンまたは金属アニオンのゼータ電位は小さいが、これらをタンパク質に内包させることにより金属特異的にゼータ電位を変化させることができるという知見に基づいてなされたものである。内包される金属の種類によってゼータ電位が異なるので、選択したい金属に応じて適切なゼータ電位を選択し、当該ゼータ電位を電極７・８間に印加すれば、当該選択したい金属を包含するタンパク質を電極７（または電極８）の近傍に集めることができる。すなわち、複数種の金属（そのアニオンまたはカチオンを含む）を含有する溶液に、フェリチンに代表されるタンパク質を添加した後、当該複数種の金属の中から選択したい金属に応じたゼータ電位を電極７・８間に印加すれば、当該選択したい金属を包含するタンパク質を電極７（または電極８）の近傍に集め、次いでこのタンパク質を上記溶液から分離し、最後にタンパク質を除去すれば、複数種の金属を含有する溶液の中から選択したい金属を取り出すことができる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実験例を説明する。
（アポフェリチンの精製）
ウマ脾臓フェリチン（Ｓｉｇｍａ）から、２４量体だけ精製する。具体的には、０．５ｍＭ  ＥＤＴＡ、１０ｍＭ  Ｔｒｉｓ（ｐＨ８．５）を用いて、４℃で一昼夜、透析する。その後、１０ｍＭ  ＴｒｉｓＨＣｌ（ｐＨ８．５）、１５０ｍＭ  ＮａＣｌで十分平衡化したＧ４０００ＳＷＸＬ  ＰＥＥＫカラム（ＴＯＳＯＨ）を用いて、２４量体だけを分取した。フェリチンは、さらに、１ｗｔ％チオグリコール酸、０．１Ｍ  酢酸バッファー（ｐＨ５．６）を用いて４℃で３時間透析後、さらに、０．１Ｍ  酢酸バッファー（ｐＨ５．６）を用いて４℃で４時間透析して、アポフェリチン化した後、５０ｍＭ  ＴｒｉｓＨＣｌ（ｐＨ８．５）で透析する。最終的に１５０ｍＭ  ＮａＣｌバッファー中に溶かした。
【００３３】
（準備１）
フェリチン内部に鉄を包含した複合体をアルミナ―シクロヘキサン（ＡＯＴ）溶媒にとかし、その分散剤の濃度を０．１  ｍＭから１００ｍＭまで変化させた時の、ゼータ電位変化について測定を行った。その結果を図４に示す。横軸にはＡＯＴ添加濃度、縦軸にはゼータ電位変化をプロットした。その結果、ＡＯＴ添加濃度によってゼータ電位が変化していく様子が観察され、ＡＯＴを１０  ｍＭ添加したときのゼータ電位が最も大きく、フェリチンと鉄の複合体の分散状態が良いことがわかった。
【００３４】
（実施例１）
１００μＭの硫酸鉄溶液、１００μＭの硫酸ニッケル溶液、１００μＭの硫酸銅溶液、１００μＭのＮａ（ＡｕＣｌ４）溶液、１００μＭのＮａ（ＰｔＣｌ４）溶液をそれぞれ等量ずつ混合した混合溶液に、アポフェリチンを終濃度０．１μＭの濃度になるように溶解した溶液を加えた。そこに、希硫酸を加え、ｐＨ１．５に調整して、室温で６０分間反応させた後、１０ｍＭ  ＣｄＳＯ４を加え、低速で遠心分離する。フェリチンは沈殿に含まれていた。
【００３５】
このようにして、鉄、ニッケル、銅、金、白金の５種類の金属と、フェリチンを含む溶液を混合し、その混合液について、金属の分離を行った。金属とフェリチンの混合液を図１に示した装置の注入口に注入し、ゼータ電位を測定した結果を図５に示した。その結果、図５に示したように、ゼータ電位のピークの差が観察され、それぞれのピークにおいて分離口３から複合体粒子の回収を行った。
【００３６】
さらに、回収した複合体それぞれについて、１１０  ℃・５分間ベイクしてフェリチンを除去したところ、それぞれ図に示したとおり、ゼータ電位３０ｍＶでＰｔが、ゼータ電位４８ｍＶでＮｉが、ゼータ電位５５ｍＶでＣｕが、ゼータ電位６５ｍＶでＦｅが、ゼータ電位７５ｍＶでＡｕが回収された。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の機能分子は、その分子構造が内腔を有し、該内腔に、金属を内包した複合体を形成することが可能であるため、複数の金属イオンに対し、優れた分離能を示し、簡便な操作で金属を容易に脱離させ、回収することができる。
【００３８】
よって、本特許は、産業廃棄物、鉱山排水、工場排水などの中の有価金属や有害金属を効率よく吸収し、回収あるいは除去することができ、これは、資源の回収再利用及び環境汚染防止の観点から極めて重要である。
【００３９】
また、機能分子の主成分がタンパク質に代表される生体分子であるため、血液処理などの医療分野、食品分野にも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における、金属を分離する機能を有する装置の概略図
【図２】本発明の一実施の形態における、金属を分離する機能を有する装置の概略図
【図３】フェリチンの模式図
【図４】本発明の実施の形態２によって、分散剤濃度を変化させたときの、鉄を含有したフェリチンタンパク質のゼータ電位変化を示すグラフ
【図５】本発明の実施の形態１によって、異種の金属を含有しているフェリチンタンパク質のゼータ電位の測定結果を表すグラフ
【符号の説明】
１：流動槽
２：注入口
３：分離口
４：機能分子
５：金属
６：金属−機能分子複合体
７：電極
８：電極
９：電源
１０：光源
１１：  ミラー
１２：ミラー
１３：モジュレーター
１４：検出器
１５：コンピューター
１６：電極
１７：電極
１８：流動槽
１９：電源
２０：  溶液槽
２１：分離槽
２２：電位計
２３：圧力計
２４：コンピューター
２５：芯
２６：タンパク質の殻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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