(57)【要約】【課題】  従来焼却処分されていた重金属汚染植物から生分解性プラスチックの原料である乳酸を低コストで製造する技術を確立すること並びに発酵液に溶出した重金属を選択的に除去すること。【解決手段】  重金属汚染植物を用いて、乳酸発酵により乳酸を製造する方法において、該植物を粉砕する第一の工程、該第一の工程で得られた粉砕植物を糖化酵素および乳酸菌を用いて乳酸発酵させる第二の工程および該第二の工程で得られた乳酸発酵液から重金属を除去する第三の工程を含むことを特徴とする重金属汚染植物から乳酸を製造する方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重金属汚染植物を用いて、乳酸発酵により乳酸を製造する方法において、該植物を粉砕する第一の工程、該第一の工程で得られた粉砕植物を糖化酵素および乳酸菌を用いて乳酸発酵させる第二の工程および該第二の工程で得られた乳酸発酵液から重金属を除去する第三の工程を含むことを特徴とする重金属汚染植物から乳酸を製造する方法。
【請求項２】
重金属汚染植物が、イネ科に属するサトウキビまたはスィートソルガムである請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重金属汚染植物からの乳酸の製造方法に関する。詳しくは、これまで焼却処分されてきた重金属を含む植物を原料として乳酸を製造する方法に関する。
【０００２】
より詳細には、重金属汚染植物を粉砕したのち、糖化酵素と乳酸菌を用いて乳酸発酵を行って乳酸を製造する方法に関する。また、発酵液中に存在する重金属を除去し、精製された乳酸を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、カドミウムなどの重金属に汚染された土壌に生育した植物のほとんどは、焼却により廃棄されている。しかし、この方法は環境に対する負荷がかなり大きい。
近年は、重金属汚染土壌を浄化するために、該土壌に積極的に植物を生育させて植物に重金属を吸収させる試験が行われている。しかし、環境浄化に使用された重金属汚染植物の処分については、焼却による廃棄方法しかなかった。
一方、環境保全のための有用な生分解性プラスチックが開発されているが、該プラスチックの原料である乳酸の価格が高いため、広く利用されるには至っていない。
仮に、重金属汚染植物から低コストで乳酸を生産することが可能になれば、生分解性プラスチックの広範囲にわたる実用化も期待される。また、農業を主体とする地域では、農業用のビニルフィルムが大量に使用されているが、近年のダイオキシン問題で、使用済みの該ビニルフィルムの焼却処分ができないため、その処理が大きな問題となっている。従って、この方面への生分解性樹脂の応用が期待されている。
【０００４】
カドミウムなどの重金属を含む植物体を焼却する場合は、ダイオキシン対策のため高温で焼却せざるを得ないが、植物中に存在するカドミウム等の重金属の一部は気化する。これをバグフィルター等で捕集することを試みても、ある程度のものは焼却炉の煙突から排出され、煙突から飛散することが避けられない。
その飛散の範囲は、風向や風力などの気象条件によって予知し得ない方向と距離に及ぶため、野放しに汚染を広げることになる。そのため、これらの汚染重金属は常に制御の及ぶ範囲におかれることが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
重金属汚染土壌を浄化する方法として、植物により重金属を吸収除去する方法が経済性などから優れているとされている。しかし、あまりに高濃度に重金属を蓄積する植物を野外で栽培することは周辺生態系への悪影響、即ち、高重金属含有植物を食する鳥、虫等の野生生物への害も心配される。
従って、このような手法ではバイオマスが大きく、重金属濃度は比較的低い植物を選択して栽培することが望ましい。そのためには、多量に収穫されるバイオマスを有効な物質に変換するバイオマス変換技術が特に必要となる。現在のところ、重金属に汚染された植物は、焼却するしか現実的な処分方法がない。
本発明は、重金属で汚染された植物から、生分解性プラスチックの原料として有用な乳酸を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者は、上記の問題を解決して重金属汚染植物から効率よく乳酸を生産させるための条件について検討した。その結果、重金属汚染植物を粉砕し、さらにヘミセルラーゼ、インベルターゼなどの酵素で多糖類などを単糖化した溶液を乳酸発酵させることにより、効率よく乳酸を製造できることを見出した。この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、重金属汚染植物を用いて、乳酸発酵により乳酸を製造する方法において、該植物を粉砕する第一の工程、該第一の工程で得られた粉砕植物を糖化酵素および乳酸菌を用いて乳酸発酵させる第二の工程および該第二の工程で得られた乳酸発酵液から重金属を除去する第三の工程を含むことを特徴とする重金属汚染植物から乳酸を製造する方法である。
請求項２に記載の本発明は、金属汚染植物が、イネ科に属するサトウキビまたはスィートソルガムである請求項１記載の方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来焼却処分されていた重金属汚染植物を粉砕処理し、次いで糖化酵素および乳酸菌を作用させることにより、高効率で乳酸を生産させることができる。そのため、廃棄物の減量と環境負荷の低減を期待できる。さらに、本発明によれば、生分解性プラスチックの原料として有用な乳酸を低コストで製造することが期待できる。また、重金属を選択的に除去することにより乳酸発酵後の残渣を肥料化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の重金属汚染植物から乳酸を製造する方法について詳細に説明する。
本発明の方法において用いる重金属で汚染された植物の例としては、イネ科に属するさとうきび、スイートソルガムなどセルロース、ヘミセルロースで構成され、さらに糖を多く含む植物が挙げられる。その他、米、麦などセルロース、ヘミセルロースで構成されている植物であって、重金属で汚染されたものに対しても適用できる。
【００１０】
本発明の方法は、重金属汚染植物を粉砕する第一の工程と前記第一の工程の粉砕植物を含む溶液をセルラーゼ、ヘミセルラーゼ、アミラーゼ、グルコアミラーゼ、インベルターゼ等の糖化酵素および乳酸菌を用いて乳酸発酵させる第二の工程を具備する。さらに、乳酸発酵液中に遊離した重金属を、例えばキレート交換樹脂を用いて選択的に除去する第三の工程を具備する。
【００１１】
本発明の第一の工程は、重金属汚染植物を粉砕することにより、酵素による多糖の分解及び乳酸発酵に利用可能とするものである。植物体は、葉、茎、根を含むが、これらの一部であっても良い。
本発明における粉砕処理は、重金属汚染植物を予め乾燥させた後、粉砕することにより行う。具体的には、該植物を４０〜１８０℃、好ましくは１０５℃で、２時間〜４日間、好ましくは２日間乾燥させ、次いでこの乾燥物を粉砕機で粉砕する。粉砕物の粒径は５〜５０ミクロン、好ましくは２０ミクロンが適当である。
粉砕処理の１例を示すと、重金属汚染植物を粉砕機（例えば、Wonder Blender：大阪ケミカル株式会社製）に入れて、室温で１０秒ほど粉砕する操作を数回繰り返すことにより行う。
【００１２】
このようにして重金属汚染植物を粉砕した後、酵素分解および乳酸発酵に供する。
まず、粉砕処理で得られた植物粉砕物を水に懸濁し、糖化酵素で処理する。糖化酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、アミラーゼ、グルコアミラーゼ、インベルターゼが単独で、または２種以上を組み合わせて用いられる。これら酵素は、精製した酵素剤のみならずセルラーゼ、ヘミセルラーゼ、グルコアミラーゼを含有する菌体培養液を用いても良い。また、市販のセルラーゼ、ヘミセルラーゼ、グルコアミラーゼなどを用いることもできる。
このようにして、粉砕した重金属汚染植物を水に懸濁して得た懸濁液を糖化酵素処理によって単糖化し、水に可溶性の液体を得ることができる。
なお、酵素処理物が、単糖を含む懸濁液であるときは、これをそのまま用いて乳酸発酵を行っても良いが、必要に応じて濃縮して用いる。その場合に用いられる濃縮方法としては、蒸留濃縮、膜濃縮、凍結濃縮など公知の方法を用いることができる。
【００１３】
次に、第二の工程である乳酸の製造方法について述べる。前記第一の工程で得られた単糖を含む水可溶化液を、予めｐＨ５.０〜８.０、好ましくはｐＨ６．５〜７．０に調整した後、微生物を作用させて発酵を行い、高濃度、かつ高選択的に乳酸を生成させる。ｐＨを調整するには、炭酸カルシウムや水酸化ナトリウム溶液のほかに、アンモニア水などのアルカリ性の試薬を用いることができる。
【００１４】
乳酸発酵に用いる微生物については特に制限はなく、Ｌ乳酸を生産し得るものであれば良い。このような微生物の一例としては、ラクトバチルス（Lactobacillus）属、ストレプトコッカス（Streptococcus）属、ペディオコッカス（Pediococcus）属、ロイコノストック（Leuconostoc）属などに属する乳酸菌を挙げることができる。これらの乳酸菌は、市販のものや、寄託機関に保存されている菌株などを用いることができる。
これらのうち、乳酸のみを生産することができるホモ型乳酸菌が工業生産の観点から好ましく用いることができる。
【００１５】
乳酸発酵の条件は、重金属汚染植物の種類、用いる微生物の種類、その至適ｐＨ、至適温度のほか、乳酸の生成速度、用いる発酵槽のタイプや大きさ等に応じて適宜設定することができる。
具体的には、発酵槽内の発酵温度は２０〜８０℃の範囲、好ましくは３０〜５０℃の範囲に設定する。乳酸発酵を行う糖含有液のｐＨ値は、４．０〜９．０の範囲、好ましくは５．０〜７．０の範囲に設定する。また、発酵槽のタイプについては制限がなく、攪拌式発酵槽や固定化菌体によるバイオリアクターなどを用いることができる。発酵時間については、通常１〜１０日間、好ましくは３〜５日間である。
【００１６】
ところで、酵素処理と乳酸発酵は、上記のように、酵素処理後に乳酸発酵を行う方法の他、粉砕した重金属汚染植物の水懸濁液に酵素と乳酸菌を同時に入れ、乳酸を生産することも可能である。
粉砕した重金属汚染植物を水に懸濁して得た懸濁液の糖化酵素処理と乳酸菌による糖化と乳酸生産を同時に行う技術について具体的に説明する。糖化酵素としては、前記したものが用いられ、対象植物がセルロース、ヘミセルロースで構成されている場合は、セルラーゼ、ヘミセルラーゼが用いられる。また、でんぷんを含む植物に対しては、アミラーゼとグルコアミラーゼを用いる。さらに、シュクロースを含む植物に対しては、インベルターゼを用いて、それぞれを単糖化する。
これら酵素は、精製した酵素剤のみならずセルラーゼ、ヘミセルラーゼ、グルコアミラーゼを含有する菌体培養液を用いても良い。また、市販の酵素を用いても良い。粉砕した重金属汚染植物の水懸濁液はｐＨを５.０〜８.０、好ましくはｐＨ６．５〜７．０に調整した後、酵素剤と微生物を作用させて、高濃度、高選択的に乳酸を生成させる。ｐＨを調整するには、前記したように、炭酸カルシウムや水酸化ナトリウム溶液、またはアンモニア水などのアルカリ性の試薬を用いることができる。
【００１７】
得られた発酵液は、Ｌ乳酸を主成分とする溶液である。この溶液は、重金属のほかに種々の不純物を含んでいるので、Ｌ乳酸を高純度で得るためには精製処理を行うのがよい。例えば粉砕した植物の分解物、酵素、無機塩類、着色物質などについては、イオン交換樹脂または合成吸着剤を用いて除去することができる。なお、イオン交換樹脂代わりに電気透析膜を用いても目的を達成することができる。
【００１８】
得られた発酵液には、重金属も遊離している。この溶液から重金属を選択的に除去するには、キレート交換樹脂を作用させればよく、これにより重金属を選択的に吸着除去することができる。
【実施例】
【００１９】
以下に、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらにより何等限定されない。
【００２０】
実施例１
スイートソルガムであるハイブリッドソルゴー（Sorghum bicolor (L.) Moench）10ｇをモデル重金属汚染植物として用いた。粉砕機で粒径20ミクロンに粉砕されたハイブリッドソルゴーの水洗いにより抽出される糖分を調べた。即ち、100mlの蒸留水にサンプルであるハイブリッドソルゴーを加えてシェイカーで３０分攪拌し、これにより洗い出される糖分の分析を行った。
単糖およびシュークロースの分析は、DX500糖分析システム(Dionex製)を用いて行った。その結果、植物体に含まれるグルコース濃度は25g/kg乾燥重量、フルクトース濃度は15g/kg乾燥重量しか検出されなかった。一方、シュークロース濃度は50g/kg乾燥重量しか検出されなかった。
【００２１】
実施例２
実施例１と同様にして粉砕したハイブリッドソルゴー10ｇの入った100ml蒸留水に市販のセルラーゼＡおよびセルラーゼＴ（YN-C株式会社ヤクルト製）、ヘミセルラーゼ（R-10株式会社ヤクルト製）、インベルターゼ（SIGMA-ALDRICH Co.製）をそれぞれ10mgづつ添加して37℃で反応させた。
生成した糖の分析を、実施例１と同じくDX500糖分析システム(Dionex製)を用いて行った。その結果、図１に示したように、酵素で処理することによりグルコース、フルクトースなどの単糖が増加した。特に、ヘミセルラーゼの処理が単糖生成に最も効果があった。また、本実施例に用いたヘミセルラーゼは粗酵素であり、高いインベルターゼ活性を有していた。
【００２２】
実施例３
実施例１と同様にして粉砕したハイブリッドソルゴー10ｇに100mlの0、1、2または5％の乳酸溶液を加えて振盪し、懸濁液を調製した。懸濁液のｐＨは、乳酸無添加で4.5、1%添加で3.0、2%添加で2.6、5%添加で2.2であった。
この懸濁液から適宜、適量のサンプリングを行い、上澄液と残渣に分け、残渣には蒸留水を加えて洗浄し、吸引ろ過して水分を取り除いた後、105℃で1日乾燥した。洗浄した残渣0.3gに濃硝酸5mlおよび過酸化水素1mlを加え、MICROWAVE ETHOS1600(MILE STONE GENERAL製)で分解し、10mlに調整した後、CID高周波プラズマ発光分光分析装置（ジャーレル・アッシュ株式会社製）を用いてカドミウム濃度を測定した。
洗浄した残渣のカドミウム濃度は、図２に示したように、30分程度の振盪で2％の乳酸溶液に浸した場合、約0.5mg/kg乾燥重量に、5％溶液に浸した場合は、0.2mg/kg乾燥重量まで減少した。
【００２３】
実施例４
実施例１と同様にして粉砕したハイブリッドソルゴー10ｇを蒸留水100mlに懸濁して得た懸濁液に水酸化ナトリウム溶液を加えてｐＨを６．０に調整した。この懸濁液にヘミセルラーゼ（YN-C株式会社ヤクルト製）10mgを添加し、乳酸菌、ラクトバチルス・ラムノザス（Lactobacillus rhamnosus）  NBRC14710株の種培養液1mlを植菌し、３７℃で７日間静置培養を行った。培養終了後、生成した乳酸量を酵素法（Ｆ−キットＤ/Ｌ乳酸、J.K.インターナショナル）にて測定した。
その結果、図３に示すように、培養７日目で20g/lのＬ乳酸を得ることができた。このときの培養液のｐＨは3.0であった。また、発酵液中のカドミウム濃度を、実施例３と同様にして測定したところ、4.8mg/kg乾燥重量であり、これは試験に用いた粉末サンプルのカドミウム濃度の87％に相当した。
【００２４】
実施例５
キレート交換樹脂DIAION−CR20（三菱化学製）を用いてカドミウム除去実験を行った。即ち、実施例４の乳酸発酵試験でサンプリングされた、カドミウムを含む乳酸発酵液10mlに該樹脂1、0.5または0.1gをそれぞれ添加し、所定の時間に上澄液をサンプリングして残存するカドミウム濃度を測定した。なお、カドミウム濃度の測定方法は、実施例３に示した方法と同じである。
その結果、上澄液10mlに対しキレート交換樹脂1gの割合で加えると、10分程度の振盪でカドミウム濃度は約0.1mg/kg乾燥重量まで低下した（図４参照）。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例２におけるインベルターゼまたはヘミセルラーゼを加えたときのサンプル植物体中のグルコースまたはフルクトース濃度の推移を示す。
【図２】実施例３における乳酸を添加したサンプル植物体懸濁液から得た残渣からのカドミウム（Cｄ)除去効果を示す。
【図３】実施例４における乳酸発酵での乳酸濃度の経時的推移と生成した乳酸中に溶出したカドミウム（Cｄ)濃度の推移を示す。
【図４】実施例５における乳酸発酵液中のカドミウム除去効率を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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