(57)【要約】  本発明は浄水法におけるスラッジ処理方法に関し、当該方法は、天然高分子物質を消化可能な少なくとも１の酵素を含む酵素混合物を提供するステップと、選択的な順序で、あるいは同時に酵素混合物と少なくとも１のキレート試薬とを水溶性のスラッジ懸濁液に添加するステップとを具える。キレート剤はクエン酸及びその塩からなる群から選択される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浄水法におけるスラッジ処理方法であって、
ａ）天然高分子物質を消化可能な少なくとも１の酵素を含む酵素混合物を提供するステップと、
ｂ）選択的な順序で、あるいは同時に前記酵素混合物と少なくとも１のキレート試薬とを水溶性のスラッジ懸濁液に添加するステップと、
を含み、前記少なくとも１のキレート試薬がクエン酸及びその塩からなる群から選択され、前記少なくとも１のキレート試薬が約０．１ないし２００ｍＭの濃度を呈することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記少なくとも１のキレート試薬が約１ないし７５ｍＭの濃度を呈することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の方法において、前記酵素混合物中の前記少なくとも１の酵素がグリコシド酵素、リパーゼ、プロテアーゼ、オキシダーゼ、及びフィターゼの群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法において、ｐＨが酸又は塩基を添加することによって、前記少なくとも１のキレート試薬の添加後に６ないし９に調整されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法において、前記処理が任意の嫌気性消化装置で生じることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法において、スラッジ乾燥固形物に対する酵素混合物の質量比は、乾燥固形物１ｇにつき約０．１ないし１４０ｍｇであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記質量比は乾燥固形物１ｇにつき約１ないし７０ｍｇ、好ましくは１ないし５５、より好ましくは１ないし３５、更に好ましくは乾燥固形物１ｇにつき１ないし１４ｍｇであることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法において、更なるステップが少なくとも１の発酵菌種を前記懸濁液に添加するステップであり、これにより、ステップｂ）で取得される、生成した前記スラッジ懸濁液を発酵させることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記発酵菌が酸生成菌、酢酸生成菌、及びメタン生成菌から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記発酵菌がグルコノバクタ・オキシダンス（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒ  ｏｘｙｄａｎｓ）、アセトバクタ属（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐ．）、アセトゲニウム・キブイ（Ａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍ  ｋｉｖｕｉ）、バチルス・マセランス（Ｂ．ｍａｃｅｒａｎｓ）、バチルス・ポリミキサ（Ｂ．ｐｏｌｙｍｙｘａ）、バチルス・コアグランス（Ｂ．ｃｏａｇｕｌａｎｓ）、ブーフナー乳酸杆菌（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｂｕｃｈｎｅｒｉ）、クロストリジウム・サーモアセチクス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃｕｓ）、クロストリジウム・レントセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｅｎｔｏｃｅｌｌｕｍ）、クロストリジウム・フォルミコアセチカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｆｏｒｍｉｃｏａｃｅｔｉｃｕ）、クロストリジウム・サーモセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）、及びシュードモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．）からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記メタン生成菌がメタノサルシナ・バーケリ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｂａｒｋｅｒｉ）、メタノサルシナ・マゼイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｍａｚｅｉｉ）、メタノサルシナ・ショーンゲニイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｓｏｅｈｎｇｅｎｉｉ）、メタノサルシナ・アセチボランス（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ａｃｅｔｉｖｏｒａｎｓ）、及びメタノサエタ属（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｅｔａ  ｓｐ）、ならびにその混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、生成されたメタンが前記スラッジ懸濁液から分離されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法において、前記天然高分子物質がタンパク質、多糖類、ポリフェノール、リグニン、フミン酸塩、脂肪、ろう、及び鉱油であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法において、前記スラッジ懸濁液の温度が４℃ないし９０℃、好ましくは１０℃ないし８０℃、より好ましくは３０℃ないし６０であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法において、前記スラッジ懸濁液が０以上ないし２００ｒｐｍの範囲の撹拌を受けることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法において、前記スラッジが酵素、キレート試薬、及び選択的な細菌の添加前に、重力作用又は沈降分離の増加によって、１ｌのスラッジ懸濁液につき１０ないし８０ｇのスラッジ固形物となる範囲に事前濃縮されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
浄水で用いられる従来の消化に追加することを特徴とする、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法の使用。
【請求項１８】
浄水で用いられる従来の消化に代わることを特徴とする、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は浄水法における新規のスラッジ処理方法及びその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
スラッジの酵素加水分解は最近２０年間で検討されてきており、異なる有機体から数多くの酵素が廃水処理アプリケーションの領域で重要な役割を果たすと報告されてきた。酵素は限定されたスラッジ中にある特定の物質に作用し、ひいては廃棄物の特性を変更できる。スラッジは更なる処理を更に受けやすくなり、付加価値のある生成物への生物変換が促進される。嫌気性消化の前の混合されたスラッジの酵素的処理はスラッジの分解を示し、メタン生成を導く。廃水スラッジの酵素的処理はバイオマス生成のない、スラッジの低減への貢献の可能性を有する。
【０００３】
酵素は多段階のプロセスを通してタンパク質、多糖類、及び脂質のような高分子物質を分解する。最初に、酵素は固形基質へ吸着し、表面に緩く結合された小さな高分子を切断する。更に小さなスラッジのコア部の可溶化は、酵素の表面活性部位及びコア粒子への拡散に依存して低速で生じる。過去の研究はプロテアーゼ、リパーゼ、及びエンドグリカナーゼの組合せが、限定されたスラッジの可溶化を促進したことを示した。しかしながら、酵素はスラッジに捕捉される。この捕捉がスラッジでの酵素の活動を減少させるが、存在する発色可溶基質では減少しない。
【０００４】
英国特許出願第２，１６７，３９９号において、有機物質及びバイオマスの加水分解酵素的処理のための方法が記載されている。この方法はニトリロトリ酢酸（ｎｉｔｒｉｌｅ  ｔｒｉ−ａｃｅｔｉｃ  ａｃｉｄ）の二アンモニウム及び又は三アンモニウム塩の形態でのキレート形成剤が、酸素の存在下での方法、すなわち、曝気又は好気性プロセスに添加される場合のステップについて記載している。加水分解酵素はタンパク質構造を分解する。曝気環境での酵素的処理の最終生成物は二酸化炭素及び水である。
【０００５】
米国特許第５，７８３，０８１号においては、少なくとも１の実質的な純粋培養の少なくとも１のメタン生成菌を添加するステップを含む、嫌気性固形物を操作する消化装置の性能を改善する方法が記載されている。ここに記載される態様においては、キレート剤であるクエン酸が前記消化装置に添加される。本特許に記載されているのは嫌気性環境での、例えば細菌等の微生物とキレート剤との組合せのみである。
【０００６】
当該技術分野内には、より費用効果の大きい方法を得るために浄水法におけるスラッジの分解を増加させる新しい方法を見つけることに対するニーズが未だに存在している。現在用いられる酵素は非常に高価であり、わずかな酵素しか用いられない代替的な方法が提供できれば、工業上の浄水プラントはこのような費用効果の大きい方法の利益を受けるであろう。
【発明の概要】
【０００７】
上述の問題は、本発明によって解決された。
【０００８】
本発明はある態様においては、浄水法におけるスラッジ処理方法に関し、
ａ）天然高分子物質を消化可能な少なくとも１の酵素を含む酵素混合物を提供するステップと、
ｂ）選択的な順序で、あるいは同時に前記酵素混合物と少なくとも１のキレート試薬とを水溶性のスラッジ懸濁液に添加するステップと、によって特徴づけられる。
【０００９】
本発明は更なる態様においては、浄水で用いられる従来の消化に追加する、上述の方法の使用に関する。
【００１０】
本発明は更なる態様においては、浄水で用いられる従来の消化に代わる、上述の方法の使用に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、キレート試薬のない状態と比較した、異なる全酵素用量（１３．７ｍｇ／ｇ、３４．２５ｍｇ／ｇ、及び５４．８ｍｇ／ｇ）で、キレート試薬であるクエン酸（２５ｍＭ及び５０ｍＭで）及びＥＤＴＡ（２５ｍＭ及び５０ｍＭで）を用いた場合に放出されるＣＯＤ（ｍｇ／ｌ）を示す。
【図２】図２は、ケイ酸ナトリウム（Ｚｅｏ＋Ｋｗｅｔ）（ＫｗｅｔはＫｅｍｉｒａ社で販売されたケイ酸ナトリウムの商品名である）と比較した、キレート試薬であるクエン酸（ＣｉｔＡ）、ＥＤＴＡ、ゼオライト（Ｚｅｏ）、フッ化ナトリウム（Ｆｌｕ）、及びゼオライトと共に酵素を用いた場合に放出されるΔＣＯＤ（ｍｇ／ｌ）を示す。
【図３】図３は、２５ｍＭ及び５０ｍＭでキレート試薬であるＣｉｔＡ及びＥＤＴＡの存在下で、ならびに、いかなるキレート試薬もない状態で酵素であるプロテアーゼ及びセルラーゼの活性（酵素活性：Ｕ／ｍｌ）を示す。全サンプル中の酵素の量は１ｇの乾燥固形物のスラッジにつき１３７ｍｇであった。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の方法は浄水法における新規のスラッジ処理方法を提供することである。本発明の方法によって、キレート剤を浄化法に加えることはスラッジの消化を増加させることが理解されよう。更に、キレート剤は酵素がスラッジ表面で捕捉されるのを防ぎ、スラッジの酵素的な可溶化が改善される。本発明は実際に浄水産業に有効かつ費用効果の大きい処理を提供するのに有効であろう。従って、浄水法において酵素の有効性を増加させることは本発明の主要な焦点である。
【００１３】
本発明による方法のある様態においては、少なくとも１のキレート試薬はクエン酸（ＣｉｔＡ）、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、酒石酸、及びそれらの塩、ゼオライトＡ、フッ化ナトリウム、ゼオライトＡと組合わせたチオ硫酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、ゼオライトＡと組合わせたケイ酸ナトリウム、ならびに上のいずれかの組合せからなる群から選択される。従って、キレート試薬は述べた薬剤、又は本明細書に特に述べられていないその他のキレート試薬のうちの２又はそれ以上の組合せであってもよい。その他のキレート試薬は本明細書中に特に述べられていないが、所望の結果が得られる限りにおいては、本発明によって用いてもよいことは当該技術分野の当業者によって理解されるであろう。しかしながら、亜リン酸を含むキレート試薬は、排液中の亜リン酸負荷を増加させるため、好適ではない。
【００１４】
異なるキレート剤の正の効果は本発明による酵素的なスラッジ分解で実証された。その効果は溶液中の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）のより高い数値によって見ることができる。ＥＤＴＡ及びＣｉｔＡのような詳細に示された薬剤以外に、他の薬剤、すなわち、酒石酸、ゼオライトＡ、フッ化物、ゼオライトＡと組合わせたチオ硫酸塩、ゼオライトＡと組合わせたケイ酸ナトリウム、及びケイ酸ナトリウムが試験された。クエン酸が試験された最良の薬剤であった。更にクエン酸は生分解性である。
【００１５】
より大きな凝集体の分解は酵素加水分解で利用可能な特異的な表面領域の増加を生じる。ポリカチオンのスラッジからの除去は網状組織の度合いを減少させるが、スラッジ表面の電荷及び極性を変化させる。例えば、静電結合部位は廃水処理における、及びバイオレメディエーションにおける金属の生物吸着用の重要な指標である。スラッジの電荷変化は非カチオン型を含む総てのイオン間相互作用に影響を与えるであろう。加水分解温度が低くなると、陰性基がわずかしか放出されないことが示されてきた。
【００１６】
少なくとも１のキレート試薬は、最終的に約０．１ないし２００ｍＭの総濃度（全スラッジ懸濁液のうち）でスラッジ懸濁液に添加され、好ましくは最終的に約０．１ないし７５ｍＭ、例えば１ないし７５ｍＭの総濃度（全スラッジ懸濁液のうち）で添加される。例えば、キレート剤は約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、及び７５ｍＭの濃度で添加できる。好ましくは、キレート剤は約０．１ないし５０ｍＭ、好ましくは０．１ないし２５ｍＭ、より好ましくは０．１ないし１０ｍＭ、例えば０．１ないし５ｍＭの濃度で添加してもよい。キレート剤は約１ないし５０ｍＭ、例えば１ないし２５ｍＭの濃度で添加してもよい。
【００１７】
本発明による方法においては、天然高分子物質を消化可能な酵素混合物が提供される。いかなる型の酵素も、本明細書中に特に述べられていないが、所望の効果が得られる限りにおいては、酵素混合物中で用いられうることは、当該技術分野の当業者によって理解されるであろう。
【００１８】
本発明の一様態においては、酵素混合物中の少なくとも１の酵素はグリコシド酵素、リパーゼ、プロテアーゼ、オキシダーゼ、フィターゼから選択される。従って、酵素混合物は１又はそれ以上の酵素を含むことができる。用いることができる他の酵素の例は、アミラーゼ、セルラーゼ、キシラナーゼ、デキストラナーゼ、及びグリカナーゼ（ｇｌｙｃａｎｓｅ）である。酵素はスラッジの型及び発生源に応じて選択できる。好ましい酵素はＡｌｃａｌａｓｅ（商業上入手可能なプロテアーゼの商品名）のようなプロテアーゼ、及びＬｉｐｏｌａｓｅ（商業上入手可能なリパーゼの商品名）のようなリパーゼである。Ａｌｃａｌａｓｅは非常に広範な特異性、すなわち、Ｐｈｅ、Ｔｒｐ、及びＴｙｒのような芳香族アミノ酸、Ｇｌｕのような酸性アミノ酸、Ｍｅｔのような硫黄含有アミノ酸、ならびにＬｅｕ及びＡｌａのような脂肪族アミノ酸に対し高い特異性を有するプロテアーゼである。上述のプロテアーゼはいくつかのプロテアーゼに別個に結合する特異性を共有する。同様のことが広範な基質特異性を有する商業上入手可能なＬｉｐｏｌａｓｅに対しても有効である。言い換えれば、それは広範な種々のトリグリセリドの加水分解を促進する。
【００１９】
本発明の更なる様態においては、酵素混合物は例えば、少なくとも２の酵素の組合せであり、例えば、組合せはα−アミラーゼ及びセルラーゼ、ラッカーゼ及びＬｉｐｏｌａｓｅ、ラッカーゼ及びα−アミラーゼの組合せ、又は上のその他の組合せなどを含む。更なる酵素の組合せは例えば、Ａｌｃａｌａｓｅのようなプロテアーゼ及びＬｉｐｏｌａｓｅのようなリパーゼである。酵素混合物中の１又はそれ以上の酵素は天然高分子物質を消化できるべきであり、すなわち、現存の天然高分子物質を消化する能力を有するべきである。そうでなければスラッジが消化及び／又は分解されないため、このことは１又はそれ以上の酵素の重要な特徴である。言い換えれば、１又はそれ以上の酵素は天然高分子物質を消化するために浄水プロセスに添加される。従って、酵素は現存の天然高分子物質を消化するために有効量で添加される。
【００２０】
本発明の利点は本発明による酵素的な溶解プロセスが従来の酵素的な溶解プロセスと比較して非常に速いことである。例えば、酵素的な溶解プロセスは１ないし１２時間、好ましくは３ないし８時間、より好ましくは４ないし６時間、例えば４時間で生じる。従来の酵素的な溶解プロセスは少なくとも１２時間は必要であろう。
【００２１】
スラッジ中の有機物の主要な発生源のうちの１つは細胞外高分子物質（ＥＰＳ）であり、可溶性及び結合性のＥＰＳという２の形態で見られ、スラッジの発生源によって決まる。可溶性のＥＰＳは遠心分離のみによって抽出できるが、バイオマスのフロック中の結合性のＥＰＳは更なる処理を要求する。ＥＰＳの主成分は多糖類及び複合糖質である。従って、スラッジを加水分解するために選択される実現可能なキー酵素はエンドグリカナーゼであった。ほとんどの酵素の最適ｐＨ値は酸性領域にあり、分子質量は約５０ｋＤａである。それらは単鎖のポリペプチド鎖からなり、周囲温度以上５０℃までで安定である。しかしながら、用いられるキー酵素の型に応じて、ｐＨは中性の範囲にあってもよい。
【００２２】
スラッジのフロックの構築は、スラッジ中にあるポリカチオンによって結合されるフミン酸塩と同様に、微生物高分子と、酸性多糖類と、複合糖質と、レクチン様タンパク質を結合した多糖類との間の相互作用に依存する。
【００２３】
酸又は塩基を添加することによって、例えば、ＨＣＩ又はＮａＯＨ、あるいはその他の好適な塩基又は酸を添加することによって、少なくとも１のキレート試薬の添加後に、本発明による方法においてスラッジ懸濁液のｐＨを約６ないし９、好ましくは７ないし８に調整することが時に要求される。
【００２４】
本発明のある様態においては、その処理は任意の嫌気性消化装置内で、すなわち、酸素の存在なく生じる。嫌気性プロセスの最終生成物はメタンであり、嫌気性プロセスから回復させて、他のアプリケーションで用いられる更なる生成物を得ることができる。従って、スラッジの消化の増加が得られるだけではなく、付加価値のある生成物がプロセスから更に得られる。従って、本発明の非常に重要な様態は嫌気性環境における本発明の方法の使用であり、これによってメタンのような付加価値のある生成物が分離及び再利用できる。
【００２５】
スラッジ乾燥固形物に対する酵素混合物の質量比は、１ｇの乾燥固形物につき約０．１ないし１４０ｍｇであり、好ましくは１ｇの乾燥固形物につき０．１−７０ｍｇ、例えば、１ｇの乾燥固形物につき１ないし７０ｍｇであり、より好ましくは１ないし５５、それより好ましくは１ないし３５、更に好ましくは１ｇの乾燥固形物につき１ないし１４ｍｇである。スラッジ乾燥固形物に対する酵素混合物の質量比は例えば、節約上の理由により好ましくは１ｇの乾燥固形物につき０．１ないし５、０．１ないし１０、又は２ないし６ｍｇ程度に小さくしてもよい。
【００２６】
本発明のコンテキストにおいては、スラッジ懸濁液に対する酵素混合物の質量比は、１ｇの乾燥固形物につき０．１ないし１４０ｍｇの範囲に規定された。酵素混合物は酵素に加えて、他の量の水又は好適な有機若しくは無機溶媒のような成分、あるいは他の成分を含む。本発明の方法で用いられる酵素混合物は例えば、適切な１又はそれ以上の酵素と、これらの１又はそれ以上の酵素のための、適切な量の１又はそれ以上の溶媒及び他の成分とを含む商業上入手可能な酵素生成物にできるであろう。これらの他の成分及び溶媒が重要な酵素活性を妨げないことは当然ながら重要である。以下のＮｏｖｏｚｙｍｅ  Ａ／Ｓ社から商業上入手可能な酵素生成物であるＴｅｒｍａｍｙｌ３００Ｌ、３００ＫＮＵ／ｇの公示された活性度（３７℃、ｐＨ５．６）を有するＴｙｐｅＤＸ（アミラーゼ）、１００ＫＬＵ／ｇ（３０℃、ｐＨ７．０）のＬｉｐｏｌａｓｅ１００Ｌ（リパーゼ）、７００ＥＧＵ／ｇ（３０℃、ｐＨ５．６）のＣｅｌｌｕｃｌａｓｔ１．５Ｌ（セルラーゼ）、１０００ＡＸＵ／ｇのＰｕｌｐｚｙｍｅＨＣ（エンドキシラナーゼ）、及びＤｅｘｔｒａｎａｓｅＰｌｕｓＬ（デキストラナーゼ）、２．４ＡＵ−Ａ／ｇ（３７℃、ｐＨ８．５）のＡｌｃａｌａｓｅ２．４ＬＦＧ（プロテアーゼ）は、本発明の方法において用いられる酵素混合物に含まれてもよいであろう。上を更に説明するために、本発明の限定されない実施例は、スラッジ乾燥固形物に対する酵素混合物の質量比が１３．７ｍｇ／ｇの場合であり、この限定されない例において、１ｇのスラッジ乾燥固形物につき商業上のいくつかの酵素生成物のうちの１つ又はその混合物が１３．７ｍｇであることを示している。その方法において用いられる酵素混合物は、商業上入手可能な酵素生成物の上述の特異的な例に限定すべきではない。
【００２７】
プロセスの状態、すなわち、温度、スラッジの型、求められる効率などを考慮して、スラッジの有効な分解を得るための酵素混合物中に必要な要求酵素量が、当該技術分野の当業者は理解できよう。
【００２８】
本発明の別の様態においては、その方法は少なくとも１の発酵菌種を懸濁液に添加するステップを更に含み、これによって本発明の方法のステップｂ）で取得される、生成した前記スラッジ懸濁液を発酵させる。従って、例えば発酵菌などの異なる発酵性微生物を懸濁液に添加することによって、スラッジの分解を更に増加させることも可能である。発酵菌は例えば、酸生成菌、酢酸生成菌、及びメタン生成菌から選択される。好ましくは、発酵菌はグルコノバクタ・オキシダンス（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒ  ｏｘｙｄａｎｓ）、アセトバクタ属（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐ．）、アセトゲニウム・キブイ（Ａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍ  ｋｉｖｕｉ）、バチルス・マセランス（Ｂ．ｍａｃｅｒａｎｓ）、バチルス・ポリミキサ（Ｂ．ｐｏｌｙｍｙｘａ）、バチルス・コアグランス（Ｂ．ｃｏａｇｕｌａｎｓ）、ブーフナー乳酸杆菌（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｂｕｃｈｎｅｒｉ）、クロストリジウム・サーモアセチクス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃｕｓ）、クロストリジウム・レントセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｅｎｔｏｃｅｌｌｕｍ）、クロストリジウム・フォルミコアセチカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｆｏｒｍｉｃｏａｃｅｔｉｃｕ）、クロストリジウム・サーモセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）、及びシュードモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．）からなる群から選択される。その他の細菌種は特に述べられていないが、当然ながら本発明のこの様態において用いてもよい。更に、メタン生成菌はメタノサルシナ・バーケリ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｂａｒｋｅｒｉ）、メタノサルシナ・マゼイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｍａｚｅｉｉ）、メタノサルシナ・ショーンゲニイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｓｏｅｈｎｇｅｎｉｉ）、メタノサルシナ・アセチボランス（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ａｃｅｔｉｖｏｒａｎｓ）、及びメタノサエタ属（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｅｔａ  ｓｐ）、ならびにその混合物からなる群から選択される。
【００２９】
生成されたメタンをスラッジ懸濁液から分離することは、本発明によって更に可能である。上述したように、更なる効果は、付加価値のある生成物の形態でこの特別な様態によって得られる。
【００３０】
本発明のコンテキストにおいて、「天然高分子物質（ｎａｔｕｒａｌ  ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」というフレーズは、例えばタンパク質、多糖類、ポリフェノール、リグニン、フミン酸塩、脂肪、ろう、及び鉱油であり、酵素によって消化されるものである。本明細書中に特に記載されていないが、スラッジ中にあり、かつ現存の酵素によって更に得られるその他の物質又は成分を、当然ながらこのフレーズは含む。
【００３１】
本発明のコンテキストにおいては、「キレート試薬（ｃｈｅｌａｔｉｎｇ  ｒｅａｇｅｎｔ）」、「キレータ（ｃｈｅｌａｔｏｒ）」及び「キレート剤（ｃｈｅｌａｔｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）」といった語は、互換的に用いられる。しかしながら、それらは総て一般的に知られているキレート剤の定義と同一の方法で解釈すべきである。
【００３２】
本発明の方法におけるスラッジ懸濁液の温度は、約４℃ないし約９０℃、好ましくは約１０℃ないし約８０℃、より好ましくは約３０℃ないし約６０℃、更に好ましくは３７℃ないし約４０℃である。温度は現存の酵素と、天然高分子物質上でのその活動とに基づいて選択される。当該技術分野の当業者は有効な分解を得るために最適な状態を決定できる。
【００３３】
本発明の方法を更に最適にするために、スラッジ懸濁液は０以上ないし２００ｒｐｍの範囲の撹拌を受けてもよい。撹拌は効率の観点から有益である。撹拌によってスラッジがより利用可能になされるため、酵素はより有効に作用できる。
【００３４】
本発明の更なる様態においては、スラッジは酵素、キレート試薬、及び選択的な細菌の添加前に、重力作用又は沈降分離の増加によって、１ｌのスラッジ懸濁液につき１０ないし８０ｇのスラッジ固形物となる範囲に事前濃縮される。
【００３５】
要約すると、本発明の方法により、ＣｉｔＡ又はＥＤＴＡのようなキレート剤の存在下において、スラッジの可溶化が明白に増加し、固形物に添加された酵素の捕捉が有意に減少し、酵素活性が固体及び液体部分の双方で増加するといった有益な効果が観察されることが以下の実施例を考慮して示された。酵素は単独で用いられる場合よりもキレート剤と一緒の方がより有効である。このことはキレート試薬のない状態と比べて、キレート試薬を伴う方が酵素の投与量をより小さくできることを示す。それによって、そのプロセスは費用効果をより大きくできる。
【００３６】
本発明の更なる説明のために、以下の限定的ではない実験が本発明の有益な効果を示すために提供される。
【００３７】
［実験］
［物質及び方法］
［スラッジ及び試薬］
過剰な生物学的なスラッジが本明細書中の実験で用いられ、ルンド市（スウェーデン王国）にある地方自治体の廃水処理プラントから得られた。新規に収集されたスラッジは４℃で２ないし４時間沈殿させ、更に７０００ｇ、４℃で１０分間、遠心分離によって濃縮された。スラッジは使用前４℃で一晩置かれた。
【００３８】
全固形物（ＴＳ）成分は２％ないし４％の範囲内であった。
【００３９】
用いられる総ての試薬が分析用の純度であった。脂肪アルコールエトキシレート（ＦＡＥ、Ｓｙｎｐｅｒｏｎｉｃ９１／６）及び低分子量のポリプロピレングリコール（ＰＰＧ４、ポリプロピレングリコールＰ４００Ｅ）は、スウェーデン王国マルメ市のＭＢ−Ｓｖｅｄａ社からの寄贈品であった。クエン酸（ＣｉｔＡ）及びエチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩二水和物（ＥＤＴＡ）はＭｅｒｃｋ社によって供給された。
【００４０】
用いられた総ての酵素は工業銘柄であった。プロテアーゼ（Ａｌｃａｌａｓｅ２．４Ｌ）、リパーゼ（Ｌｉｐｏｌａｓｅ１００Ｌ）、及びデキストラナーゼ（ＤｅｘｔｒａｎａｓｅＰｌｕｓＬ）、エンドキシラナーゼ（ＰｕｌｐｚｙｍｅＨＣ）、セルラーゼ（Ｃｅｌｌｕｃｌａｓｔ１．５Ｌ）、α−アミラーゼ（Ｔｅｒｍａｍｙｌ  ３００Ｌ）であるグリカナーゼはデンマーク王国のＮｏｖｏｚｙｍｅ  Ａ／Ｓ社からの寄贈品であった。
【００４１】
［分析方法］
総てのスラッジサンプルが７０００ｇ、４℃で１０分間遠心分離され、固相及び液相が更に分析された。化学的酸素要求量（ＣＯＤ）はＭｅｒｃｋ社のＣＯＤ細胞試験（番号１．１４５４１．０００１）を用いて液相において決定された。各々について、スラッジＴＳの新規処理単位は標準規格の方法（ＡＰＨＡ１９９５）によって決定された。
【００４２】
酵素活性はアイルランド共和国のＭｅｇａｚｙｍｅ社のアッセイ方法による可溶性発色基質（Ｍｅｇａｚｙｍｅ社）を用いてスラッジの固体及び液体の双方の部分で測定される。以下の基質は（ｉ）プロテアーゼであるＡＺＯ−Ｃａｓｅｉｎ（０．１Ｍリン酸バッファにおける２％溶液、ｐＨ７．０）のために、かつ（ｉｉ）セルラーゼであるＡＺＯ−ＣＭ−Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ（０．１Ｍ酢酸ナトリウムバッファにおける２％溶液、ｐＨ４．５）のために用いられた。１の酵素ユニットの活性度は標準アッセイ状態（ｉ：ｐＨ７．０又はｉｉ：４．５、かつ４５℃）下で、１分ごとに１マイクロモルの可溶基質を加水分解するのに要求される酵素量として定義される。
【００４３】
［酵素のスラッジ処理］
酵素的処理は制御された温度条件（４５±１℃）下で１Ｌの反応器中で行われ、ｐＨはプロセス中一定（ｐＨ７）であった。キレート剤、例えばクエン酸（ＣｉｔＡ）又はＥＤＴＡは、２５ｍＭ又は５０ｍＭの最終濃度まで粉末としてスラッジに添加された。５０ｍＭのＥＤＴＡ又はＣｉｔＡの添加によってｐＨはそれぞれ５．５及び３．３に減少した。酵素が添加される前、スラッジのｐＨは１ＭのＮａＯＨを用いて７に調整された。酵素Ａ及びＢの混合物は１ｇのスラッジＴＳにつき６８．５ｍｇ（６０ｍｇのＡ及び８．５ｍｇのＢ）、５４．８ｍｇ（４８ｍｇのＡ及び６．８ｍｇのＢ）、３４．２５ｍｇ（３０ｍｇのＡ及び４．２５ｍｇのＢ）、及び１３．７ｍｇ（１２ｍｇのＡ及び１．７ｍｇのＢ）という、別々の酵素濃度になるまで、事前濃縮されたスラッジ（ＴＳは２％）に添加され、４時間反応させた。処理の間、スラッジはプロペラ撹拌機を用いて２００ｒｐｍで連続的に混合した。
【００４４】
６０ｍｇの酵素混合物Ａは、Ｔｅｒｍａｍｙｌ３００Ｌ、公示された活性度が３００ＫＮＵ／ｇ（３７℃、ｐＨ５．６）のＴｙｐｅＤＸ（アミラーゼ）、１００ＫＬＵ／ｇ（３０℃、ｐＨ７．０）のＬｉｐｏｌａｓｅ１００Ｌ（リパーゼ）、７００ＥＧＵ／ｇ（３０℃、ｐＨ５．６）のＣｅｌｌｕｃｌａｓｔ１．５Ｌ（セルラーゼ）、１０００ＡＸＵ／ｇのＰｕｌｐｚｙｍｅＨＣ（エンドキシラナーゼ）、及びＤｅｘｔｒａｎａｓｅＰｌｕｓＬ（デキストラナーゼ）といった、Ｎｏｖｏｚｙｍｅ  Ａ／Ｓ社の各１２ｍｇの酵素配合物を含み、酵素は１．２ｍｇのＰＰＧ４及び０．１２ｍｇのＦＡＥ中に懸濁された。８．５ｍｇの酵素混合物Ｂは２．４ＡＵ−Ａ／ｇ（３７℃、ｐＨ８．５）のＡｌｃａｌａｓｅ２．４ＬＦＧ（プロテアーゼ）である８．５ｍｇの酵素配合物を含んでいた。
【００４５】
酵素的処理は基準用にキレート剤なしで行われた。ＣＯＤ値についての、酵素を伴うＣｉｔＡ及びＥＤＴＡの添加結果は図１に示される。実験室規模においては、例えば１ｇのＴＳにつき１３．７ｍｇの低投与量の酵素では、２５ｍＭのＥＤＴＡの添加は、キレート剤のない酵素処理と比べて、ＣＯＤ放出（ＣＯＤは酵素的なスラッジが溶解した指標である）をほぼ３倍にし、２５ｍＭのＣｉｔＡの添加の影響は更に良好であった。
【００４６】
別の実験は１ｇのスラッジＴＳにつき、ＥＤＴＡ、ゼオライトＡ、ＣｉｔＡ、ゼオライトＡ＋ケイ酸ナトリウム（Ｚｅｏ＋Ｋｗｅｔ）、及びフッ化ナトリウム（Ｆｌｕ）といった６８．５ｍｇ（６０ｍｇのＡ及び８．５ｍｇのＢ）の酵素混合物を有する、異なる濃度のキレート試薬を用いてなされた。ＣＯＤ放出が測定され、図２に示された。結果はΔＣＯＤ（ｄｅｌｔａ  ＣＯＤ）として示される（ΔＣＯＤは、キレートなしの酵素的処理のＣＯＤ値が酵素及びキレートを伴う処理のＣＯＤ値から減算された値である）。最良の結果はＣｉｔＡとＥＤＴＡとについて見られる。
【００４７】
第３の実験においては、１ｇのスラッジＴＳにつき１３７ｍｇの高い酵素混合物量（１２０ｍｇのＡ及び１７ｍｇのＢ）を用いて、第１の実験によってスラッジが処理された。プロテアーゼ及びセルラーゼの活性度は、前述した方法による処理から２４時間後に固体及び液体部分から測定された。キレートを伴う酵素は酵素のみでの処理と比べて、かなりの活性度が残ったままであった。図３に示されたように、プロテアーゼ及びセルラーゼの双方の酵素活性は液相及び固相の双方において、キレート剤なしの処理と比べて、ＣｉｔＡ及びＥＤＴＡというキレート剤の存在下で明らかに高くなる。本質的な活性の増加は２５ｍＭのＣｉｔＡの存在下で液相中のプロテアーゼによって示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年2月16日(2010.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浄水法におけるスラッジ処理方法であって、
ａ）天然高分子物質を消化可能な少なくとも１の酵素を含む酵素混合物を提供するステップと、
ｂ）選択的な順序で、あるいは同時に前記酵素混合物と少なくとも１のキレート試薬とを水溶性のスラッジ懸濁液に添加するステップと、
を含み、前記少なくとも１のキレート試薬がクエン酸及びその塩からなる群から選択され、前記少なくとも１のキレート試薬が約０．１ないし２００ｍＭの濃度を呈することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記少なくとも１のキレート試薬が約１ないし７５ｍＭの濃度を呈することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の方法において、前記酵素混合物中の前記少なくとも１の酵素がグリコシド酵素、リパーゼ、プロテアーゼ、オキシダーゼ、及びフィターゼの群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法において、ｐＨが酸又は塩基を添加することによって、前記少なくとも１のキレート試薬の添加後に６ないし９に調整されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法において、前記処理が任意の嫌気性消化装置で生じることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法において、スラッジ乾燥固形物に対する酵素混合物の質量比は、乾燥固形物１ｇにつき約０．１ないし１４０ｍｇであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記質量比は乾燥固形物１ｇにつき約１ないし７０ｍｇ、好ましくは１ないし５５、より好ましくは１ないし３５、更に好ましくは乾燥固形物１ｇにつき１ないし１４ｍｇであることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法において、更なるステップが少なくとも１の発酵菌種を前記懸濁液に添加するステップであり、これにより、ステップｂ）で取得される、生成した前記スラッジ懸濁液を発酵させることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記発酵菌が酸生成菌、酢酸生成菌、及びメタン生成菌から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記発酵菌がグルコノバクタ・オキシダンス（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒ  ｏｘｙｄａｎｓ）、アセトバクタ属（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐ．）、アセトゲニウム・キブイ（Ａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍ  ｋｉｖｕｉ）、バチルス・マセランス（Ｂ．ｍａｃｅｒａｎｓ）、バチルス・ポリミキサ（Ｂ．ｐｏｌｙｍｙｘａ）、バチルス・コアグランス（Ｂ．ｃｏａｇｕｌａｎｓ）、ブーフナー乳酸杆菌（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｂｕｃｈｎｅｒｉ）、クロストリジウム・サーモアセチクス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃｕｓ）、クロストリジウム・レントセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｅｎｔｏｃｅｌｌｕｍ）、クロストリジウム・フォルミコアセチカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｆｏｒｍｉｃｏａｃｅｔｉｃｕ）、クロストリジウム・サーモセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）、及びシュードモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．）からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記メタン生成菌がメタノサルシナ・バーケリ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｂａｒｋｅｒｉ）、メタノサルシナ・マゼイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｍａｚｅｉｉ）、メタノサルシナ・ショーンゲニイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｓｏｅｈｎｇｅｎｉｉ）、メタノサルシナ・アセチボランス（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ａｃｅｔｉｖｏｒａｎｓ）、及びメタノサエタ属（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｅｔａ  ｓｐ）、ならびにその混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、生成されたメタンが前記スラッジ懸濁液から分離されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法において、前記天然高分子物質がタンパク質、多糖類、ポリフェノール、リグニン、フミン酸塩、脂肪、ろう、及び鉱油であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法において、前記スラッジ懸濁液の温度が４℃ないし９０℃、好ましくは１０℃ないし８０℃、より好ましくは３０℃ないし６０であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法において、前記スラッジ懸濁液が０以上ないし２００ｒｐｍの範囲の撹拌を受けることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法において、前記スラッジが酵素、キレート試薬、及び選択的な細菌の添加前に、重力作用又は沈降分離の増加によって、１ｌのスラッジ懸濁液につき１０ないし８０ｇのスラッジ固形物となる範囲に事前濃縮されることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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