(57)【要約】【課題】水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤。【解決手段】γ−ポリグルタミン酸（γ-ＰＧＡ、Ｈ体）及び／又は一種以上のその塩（即ち、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体及びγ−ポリグルタメートＮＨ4+体）及び／又はγ−ポリグルタメートヒドロゲルの使用。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物の使用。
【請求項２】
前記重金属が、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｅである、請求項１に記載の使用。
【請求項３】
前記水又は水系のｐＨが５．０〜８．０である、請求項１に記載の使用。
【請求項４】
水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタメートヒドロゲルの使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物をジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリオキシエチレンソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル又はこれらの混合物を用いて架橋し調製されることを特徴とする使用。
【請求項５】
前記重金属が、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｅである、請求項４に記載の使用。
【請求項６】
前記水又は水系のｐＨが５．０〜８．０である、請求項４に記載の使用。
【請求項７】
水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物とγ−ポリグルタメートヒドロゲルとの組合わせ使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物をジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリオキシエチレンソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル又はこれらの混合物を用いて架橋し調製されることを特徴とする使用。
【請求項８】
前記重金属が、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｅである、請求項７に記載の使用。
【請求項９】
前記水又は水系のｐＨが５．０〜８．０である、請求項７に記載の使用。
【請求項１０】
水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタメートヒドロゲルの使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物にγ線又は電子ビームを照射することによって架橋し調製されることを特徴とする使用。
【請求項１１】
前記重金属が、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｅである、請求項１０に記載の使用。
【請求項１２】
前記水又は水系のｐＨが５．０〜８．０である、請求項１０に記載の使用。
【請求項１３】
水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物とγ−ポリグルタメートヒドロゲルとの組合わせ使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物にγ線又は電子ビームを照射することによって架橋し調製されることを特徴とする使用。
【請求項１４】
前記重金属が、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｅである、請求項１３に記載の使用。
【請求項１５】
前記水又は水系のｐＨが５．０〜８．０である、請求項１３に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）及び／又はγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体及び／又はＮＨ4+体）及び／又はγ−ポリグルタメートヒドロゲル（γ−ポリグルタメートＮａ+体、Ｋ+体及び／又はＮＨ4+体から調製）を用いて水又は水系から有毒金属を完全に除去することに関する。この除去は、γ−ＰＧＡ、γ−ポリグルタメート及び／又はγ−ポリグルタメートヒドロゲルと有害重金属とのキレート化合物からなる包み込まれた会合体（enveloped aggregates）を生成させることによって行う。本発明は更に、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）及び／又はγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体及び／又はＮＨ4+体）及び／又はγ−ポリグルタメートヒドロゲル（γ−ポリグルタメートＮａ+体、Ｋ+体及び／又はＮＨ4+体から調製）を溶解剤として用いて、水又は水系からカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去することに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、重金属分離にはイオン交換（非特許文献１参照）や沈澱法、膜分離等が使用されている。膜技術としては、ナノろ過や限外ろ過、逆浸透等が利用されている。金属キレート性基を含有するマイクロろ過膜もまた重金属の吸着及び分離に使用されている（非特許文献２参照）。金属イオン捕捉のための種々の吸着剤やイオン交換剤が報告されている。従来のイオン交換基としては、アミン類、スルホン酸基及びカルボン酸基が挙げられ、例えばアミドキシムやリン酸（非特許文献３参照）、アクリル酸（非特許文献４参照）、アミノメチルリン酸（ＡＭＰ）（非特許文献５参照）等が文献に報告されている。報告によれば、ＡＭＰ樹脂とのキレート安定性はＣｕ2+＞Ｐｂ2+＞Ｎｉ2+＞Ｃａ2+の順である。重金属を回収すると同時に再利用を目的とする高品質の水を得るため、既存のイオン交換樹脂が広く用いられてきた。
【非特許文献１】セングプタ（Sengupta），Ａ．Ｋ．（編集）、「イオン交換技術（Ion Exchange Technology）」、Ｔｅｃｈｎｏｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏ．Ｉｎｃ．、ペンシルベニア州、１９９７
【非特許文献２】コニシ（Konishi）ら、「キレート多孔質膜を透過させることによるバイナリー金属イオンのソープション（Binary Metal Ion Sorption During Permeation Through Chelating Porous Membranes）」、Ｊ．Ｍｅｍｒ．Ｓｃｉ．、１１１：１、１９９６
【非特許文献３】ジョー（Jyo），Ａ．ら、「強力なカチオン交換能を備えたリン酸樹脂のマクロレクティキュラーポリグリシジルメタクリレート−Ｃｏ−ジビニルベンゼンビーズからの調製及びそれらの金属イオン取込みにおける挙動（Preparation of Phosphoric Acid Resins with Large Cation Exchange Capacities from Macrorecticular Polyglycidyl Mathacrylate-Co-Divinyl-Benzene Beads and Their Behavior in Uptake of Metal Ions）」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｏ．、６３：１３２７、１９９７
【非特許文献４】イブラキン（Ibrakin），Ｎ．ら、「アクリル酸／Ｎ−メチロールアクリルアミド混合物とセルロースとの重合／架橋によって生じる新規カチオン交換複合体（Novel Cation Exchange Composites Resulting from Polymerization/Cross-linking of Acrylic acid/N-Methylolacrylamide Mixtures with Cellulose）」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．、４９：２９１、１９９３
【非特許文献５】マエダ（Maeda），Ｈ．ら、「樹脂の選択的吸着の研究ＸＸＸ、メチルメタクリレート／ジビニルベンゼンコポリマービーズからのアミノメチルリン酸基を含有するマクロレクティキュラーキレート樹脂の調製及びその吸着能（Studies of Selective Adsorption Resin XXX, Prep. of Macrorecticular Chelating Resins Containing Aminomethylphosphoric Acid Groups From Methylmethacrylate/Divinylbenzene Copolymer Beads and their Adsorption Capacity）」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．、３３：１２７５、１９８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
キレート剤を含有する多孔質膜を用いると、対流による物質移動が改善される（コニシ（Konishi）ら、「キレート多孔質膜を透過させることによるバイナリー金属イオンの吸収（Binary Metal Ion Sorption During Permeation Through Chelating Porous Membranes）、Ｊ．Ｍｅｍｒ．Ｓｃｉ．、１１１：１、１９９６参照）。多くの金属を結合するために多数のポリマー鎖を含有して膜の捕捉能を向上させた機能化膜が報告されている（バッタチャリア（Bhattacharyya）ら、「重金属の高吸収のための新規ポリ−Ｌ−グルタミン酸機能化マイクロろ過膜（Novel Poly-L-Glutamic Acid Fictionalized Microfiltration Membranes for Sorption of Heavy Metals at High Capacity）」、Ｊ．Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、１４１、１９９８、１２１〜１３５参照）。セルロースとその誘導体は最も多機能且つ安価な出発原料である。水和半径０．４ｎｍのＰｂ++イオンを捕捉しようとすると、Ｐｂ++イオン１個の反応に対し、利用可能部位が唯一個である場合にさえ、膜１ｇ当たりＰｂ３４ｍｇの最大表面捕捉能が必要となり、これは５０ｍ2／ｇ ＢＥＴ表面積の膜に相当する。従って、産業上の利用の観点からは金属吸収能が未だ低いことは明白である。
【０００４】
飲用水、水道水、娯楽又はその他産業上の使用又は再利用に用いられる水供給システムから有害重金属イオンを除去することは、万人にとって重要な問題である。現代生活において、安全性及び健康面に関することは常に最重要課題である。γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）及び／又は一種以上のγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体及び／又はＮＨ4+体）及び／又は一種以上のγ−ポリグルタメートヒドロゲル（γ−ポリグルタメートＮａ+体、Ｋ+体及び／又はＮＨ4+体から調製）を使用することによって、有害重金属を水系から除去し、カルシウムスケール又はマグネシウムスケールを溶解させる容易で効率的な信頼性のある方法を完成した。更に、重金属とγ−ポリグルタメートから生成する凝集物は、加圧ろ過や膜限外ろ過又はその他の遠心分離装置によって容易に分離できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体及び／又はγ−ポリグルタメートＮＨ4+体及び／又は架橋されたγ−ポリグルタメートヒドロゲル（γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体及び／又はγ−ポリグルタメートＮＨ4+体から調製）の使用に関する。
【０００６】
γ−ポリグルタメートは生分解性であって、Ｌ−グルタミン酸から液内発酵プロセス（ホ・グアン−フェイ（Ho, Guan-Huei）ら、「枯草菌（納豆菌）(Bacillus Subtilis var. natto)によって生産されるγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ）((-Polyglutamic Acid ((-PGA) Produced by Bacillus subtilis var. natto)」、構造の特性化(Structural Characterization)、化学的性質(Chemical Properties)及び生物学的機能性(Biological Functionality)、経済省(Ministry of Economic Affairs, ROC)に提出（２００３−０７−２７）、第２回国際バイオテクノロジー・医療革新賞２００３金賞受賞(a Gold Prize Winner of The Second International Biotechnology and Medical Care Innovation Award 2003)、２００３−１１−０６、ＲＯＣ；ユーン（Yoon），Ｓ．Ｈ．ら、「ポリ−γ−グルタミン酸の生産（Production of Poly-(-Polyglutamic Acid）」、Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２２：５８５〜５８８、２０００）によって生産される無毒性バイオポリマーである。図１にγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ）及びγ−ポリグルタメート（Ｎａ+、Ｋ+、ＮＨ4+、Ｃａ++、Ｍｇ++体）の分子構造を示し、図２、図３及び図４に、1Ｈ−ＮＭＲ、13Ｃ−ＮＭＲ及びＦＴ−ＩＲスペクトルをそれぞれ示す。これらスペクトルの分析データを表１にまとめた。図５に滴定曲線を示す。γ−ポリグルタメートは吸水性に優れ、水中又は水系に通常存在する有害重金属に対し良好なキレート能及び保持能を有する。また、γ−ポリグルタメートのポリアニオン性は、廃水システムにおいて正帯電コロイド又はスケールを凝集させる用途に関して研究されている（ヨカイ（Yokai）ら、「枯草菌(Bacillus Subtilis)によって生産されるγ−ＰＧＡのフロキュレーション特性（Floculation Properties of (-PGA Produced by Bacillus subtilis）」、Ｊ．Ｆｅｒｍｅｎｔ．Ｂｉｏｅｎｇ．８２（１）、８４〜８７、１９６６及びバッタチャリア（Bhattacharyya）ら、「重金属の高キャパシティソープションのための新規ポリ−Ｌ−グルタミン酸機能化マイクロろ過膜（Novel Poly-L-Glutamic Acid Fictionalized Microfiltration Membranes for Sorption of Heavy Metals at High Capacity）」、Ｊ．Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、１４１、１９９８、１２１〜１３５参照）。
【０００７】
【表１】
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【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
一実施形態において本発明は、水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物の使用に関する。
【０００９】
本発明は更に、水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタメートヒドロゲルの使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物をジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリオキシエチレンソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル又はこれらの混合物を用いて架橋し調製されることを特徴とする使用に関する。
【００１０】
別の実施形態において本発明は、水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物とγ−ポリグルタメートヒドロゲルとの組合わせ使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物をジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリオキシエチレンソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル又はこれらの混合物を用いて架橋し調製されることを特徴とする使用に関する。
【００１１】
本発明は更に、水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタメートヒドロゲルの使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物にγ線又は電子ビームを照射することによって架橋し調製されることを特徴とする使用に関する。
【００１２】
更に本発明は、水又は水系から重金属を除去するためのキレート剤としての及び／又はカルシウムスケール及び／又はマグネシウムスケールを除去するための溶解剤としてのγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物とγ−ポリグルタメートヒドロゲルとの組合わせ使用において、前記γ−ポリグルタメートヒドロゲルは、γ−ポリグルタメートＮａ+体、γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮＨ4+体又はこれらの混合物にγ線又は電子ビームを照射することによって架橋し調製されることを特徴とする使用に関する。
【００１３】
γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）は、重合度が１０００〜２００００までのグルタミン酸のポリマーであり、グルタミック単位同士のγ−ペプチド結合のみから成る。γ−ＰＧＡは末端アミンと多数のα−カルボン酸基とを含む。このポリマーは一般に、ｐＨやイオン強度、その他のカチオン性種等の環境条件により、幾つかの状態、即ち、ヘリックス、ランダムコイル、β−シート、ヘリックスコイル転移領域及び包み込まれた会合体として存在する。通常、円偏光二色性（ＣＤ）を用いて、ヘリックス体の存在量を２２２ｎｍにおけるスペクトル強度の関数として測定する。ヘリックスコイル転移は均一な水溶液中で、約ｐＨ３〜５から生じ、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ）は非結合の形態となり、ｐＨがより高い５〜７にシフトすると結合した形態となる。ランダムコイルから包み込まれた会合体への転移は、γ−ＰＧＡの直鎖状コイルから包み込まれた会合体への大規模な構造変化によって二価以上の金属イオンとの配位錯体が形成される場合に生じる。
【００１４】
γ−ＰＧＡ（高分子電解質アニオン）への金属イオンの吸着には二つの可能な機構、即ち、（Ａ）金属イオンとカルボキシル部位との直接相互作用及び（Ｂ）ＣＯＯ-基により生じる静電ポテンシャル場による移動可能な重金属対イオンの保持が関与していると考えられるが、いかなる理論に拘束されることを意図するものではない。カルボキシル基との相互作用の他に、アミド結合も弱い相互作用部位を提供することができる。γ−ＰＧＡの配座構造とイオン化に加え、水溶液中に存在する加水分解金属種の種類を知ることも重要である。種々の異なる化学種が生成するので、結果として金属に対する吸着能に差が生じ得る。本明細書中において「重金属」とは一般に、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｅを意味するが、これらに限定されない。金属イオンのキレート化及び金属イオン−リガンドの相関関係については、ハンコック(Hancock)とマーテル(Martell)の優れた総説（ハンコック，Ｒ．Ｄ．及びマーテル，Ａ．Ｅ．、水溶液中の金属イオンの選択的錯化のためのリガンド設計(Ligand Design for Selective Complexation of Metal Ions in Aqueous Solution)Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．８９（１９８９）、１８７５〜参照）がある。金属イオン−キレート／錯化の安定度定数ＬｏｇＫ1（Ｌ）は、金属イオンの酸性度に伴って上昇する（第一金属加水分解定数、ＬｏｇＫ1（ＯＨ-））。グルタミン酸とＣｄ++、Ｐｂ++、Ｎｉ++、Ｃｕ++、Ｆｅ+++とのＬｏｇＫ1（Ｌ）は、それぞれ４．０、４．５、５．５、７．７、１２である。対応するＬｏｇＫ1（ＯＨ-）は、それぞれ４．２、６．３、４．６、７．０、１１である。種々の異なる化学種が生成するので、全金属イオン１ｍｏｌ当たりの吸収能に差が生じ得る。
【００１５】
更に本発明によれば、処理対象となる水又は水溶液のシステムは通常ｐＨ５．０〜８．０である。
【００１６】
γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）及びこれらγ−ポリグルタメートヒドロゲルは、有害重金属イオンＰｂ++、Ｃｄ++、Ａｌ+++、Ｆｅ++、Ｆｅ+++、Ｃｕ++、Ｍｎ++、Ｃｒ+++、Ｚｎ++、Ｎｉ++、Ｓｅ++++と強力且つ選択的に結合し、通常のろ過装置又は膜ろ過システムによって容易に除去可能な凝集キレート化合物を生成して沈澱することが示された。よって、有害重金属を含有しない高品質の飲用水、水道用水、工業用水を得ることができる。
【００１７】
本発明によれば、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）及びこれらγ−ポリグルタメートヒドロゲルは、カルシウム塩やマグネシウム塩と反応し、それぞれ水溶性の安定なカルシウムγ−ポリグルタメートやマグネシウムγ−ポリグルタメートを形成する。γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、γ−ポリグルタメート及び／又はγ−ポリグルタメートヒドロゲルは、水道管、タンク及びその他の処理装置等の水系に通常見られるカルシウム塩スケールを溶解し、強固なカルシウム／マグネシウム混合塩のスケール形成を制御するのに優れている。
【００１８】
マイクロろ過、限外ろ過、イオン交換又は逆浸透による処理は不十分であり、飲用水や水道用水システムには有害重金属が残存していることが多い。γ−ポリグルタメートと、γ−ポリグルタメート又はγ−ＰＧＡをベースとしたヒドロゲルとを用いてキレート化又は錯化により有害重金属の残存分を完全に取り除くことができる。重金属イオンＰｂ++、Ｃｄ++、Ａｌ+++、Ｆｅ++、Ｆｅ+++、Ｃｕ++、Ｍｎ++、Ｃｒ+++、Ｚｎ++、Ｎｉ++、Ｓｅ++++をキレート化すると直ちに、γ−ポリグルタメート分子は多座配位の錯体形成によってオープン直鎖状コイルから包み込まれた会合体へと構造を変え、キレートした重金属イオンに強力に結合する。次いで、巨大な凝集物が液体から析出するため、いかなるタイプのろ過システムを用いても水相から分離できる。γ−ポリグルタミン酸、γ−ポリグルタメート及び／又はγ−ポリグルタメートヒドロゲルは、水又は水系から有害重金属イオンを完全に取り除くことにより重金属イオンを含有しない飲用水や水道用水を生成する理想的な吸着剤である。
【００１９】
γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）は、多数の金属を結合する部位として多数のカルボキシペンダント基を含む。γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）は、周囲の環境条件によって少なくとも５種類の異なる構造状態で存在する。即ち、低ｐＨではα−ヘリックス（ザヌイ(Zanuy)，Ｄ．ら、「非イオン化ポリ−（γ−Ｄ−グルタミン酸）のらせん形構造について（On the Helical Conformation of Un-Ionized Poly-((-D-Glutamic Acid)）」、インターナショナルジャーナルオブバイオロジカルマクロモレキュール(Int'l. J. of Biological Macromolecules)２３（１９９８）、１７５〜１８４参照）、微生物細胞のエンベロープにおいてはβ−シート、中性ｐＨ付近では直鎖状コイル、ある種の金属イオンと結合した際の包み込まれた会合体、ヘリックス−ランダムコイル遷移状態（ホルツァー（Holtzer）Ａ．ら、「塩水溶液中におけるらせん形ポリ（Ｌ−グルタミン酸）の凝集状態（The State of Aggregation of a Helical-Poly(l-Glutamic Acid) in Aqueous Salt Solutions）」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１８（１９９６）、４２２０〜参照）である。繰り返し単位の長さはそれぞれα−ヘリックス構造状態で０．１５ｎｍ、直鎖状ランダムコイル構造状態で０．３５ｎｍであり、３残基毎の並進長(translational turn)は４．８Åである。γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）の側鎖α−カルボキシル基のｐＫａは４．０６である。ｐＨ４．０６では、水溶液中に非イオン化型α-ヘリックス体とイオン化型直鎖状コイル体がほぼ等量存在する。
【００２０】
本発明者らの研究により、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ）は重金属イオンをキレート化すると直ちに、直鎖状ランダムコイル構造から高度の包み込まれた会合体へと構造を変化させて液層から析出するため、水系から有毒金属イオンを取り除くことができることが示された。
【００２１】
市販目的量のγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）及びその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）は、液内発酵プロセスにより、枯草菌（納豆菌）(Bacillus subtilis var. natto)を用いて生産することができ、また、バシラス・リシェニフォルミス（Bacillus licheniformis）（ＪＰ０５−３１６９９９参照）を用いＬ−グルタミン酸及びグルコースを主な供給原料として使用して生産することができる。微生物培養培地は、炭素源、窒素源、各種無機ミネラル分及び他の栄養分が適量含む。通常、炭素源の一部としてＬ−グルタミン酸量を３〜１２％とし、グルコースを５〜１２％の濃度範囲で用い、クエン酸を０．２〜２％の濃度で用い、ペプトンと硫酸アンモニウム又は尿素とを窒素源として用い、酵母エキスを栄養源として用い、Ｍｎ++、Ｍｇ++やＮａＣｌをミネラル源として用いる。培養は、適切な通気・撹拌下、３０〜４０℃に維持し、ｐＨを尿素溶液又は水酸化ナトリウム溶液を用いて６〜７．５に維持する。培養時間は通常４８〜８４時間である。γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）及びその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）は細胞外に蓄積される。
【００２２】
γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）及びその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）は通常、発酵用ブロスから一連の手続により抽出するが、その手続には超遠心や加圧ろ過により細胞を分離し、３〜４倍のエタノールを添加してγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）やその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）を沈澱させる工程が含まれる。沈澱物を水に再度溶解し、新たにエタノールを使用しγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）やその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）を沈澱させる。この溶解−沈澱ステップを数回繰り返し、純粋なγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）やその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）を回収する。
【００２３】
通常、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）やその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）は、水やエタノール、メタノール等の適切な溶媒に溶解し、ｐＨは５．０〜７．５に調節する。定常的に撹拌しながら、この溶液に、適切に選択した多官能化学架橋剤、例えばポリグリセロールポリグリシジルエーテルやソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリアクリレートを添加する。添加量は、架橋剤の種類やヒドロゲルに要求される品質により異なるが、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）又はその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）の重量の０．０１〜２０％の範囲である。通常、ゲル化反応は、使用する器具や条件により異なるが、５０〜１２０℃の反応温度で１〜４時間で完了する。次に、生成したヒドロゲルを凍結乾燥し、乾燥した架橋γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）又はその塩、即ちγ−ポリグルタメートヒドロゲル（Ｎａ+体、Ｋ+体及びＮＨ4+体のγ−ポリグルタメートから調製）を生成する。これは、超吸水能を有し、非水溶性であり、水中で完全に膨張すると、無色透明で生分解性ヒドロゲルを生成する。
【００２４】
分子量が５０００〜９０００００のγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）又はその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）は、選択された特定の反応条件（ｐＨ、温度、反応時間、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）濃度）において制御された酸加水分解により生成することができる。ｐＨについては、ＨＣｌやＨ2ＳＯ4、他の有機酸等の適切な酸類（acidulants）でｐＨ２．５〜６．５に調節できる。加水分解は、５０〜１００℃の範囲で行うことができる。反応時間は０．５〜５時間とし、分子量１×１０6以上のγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）の濃度は、適宜必要ないかなる濃度とすることもできる。高純度で、低分子量から中程度の分子量のγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）又はその塩、即ちγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）を選択的に生成するためには、反応終了後、透析や膜ろ過による更なる精製と乾燥を行う必要がある。酸加水分解速度はｐＨが低い程、温度が高い程、また、γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）の濃度が高い程速い。γ−ポリグルタメート塩（Ｎａ+体、Ｋ+体、ＮＨ4+体）は、選択したγ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）を、選択した金属イオン（Ｎａ+、Ｋ+、ＮＨ4+）塩基性水酸化物溶液又は酸化物と反応させることにより生産することができ、ｐＨは必要に応じて５．０〜７．２の所望の値に調節できる。
【実施例】
【００２５】
本発明を更に説明するため、以下に実験例を示し、本発明がどのように有毒金属イオンを水から除去し、またカルシウム及び／又はマグネシウム由来のカルシウムスケールやマグネシウムスケールを溶解するかを示す。しかしながら、本発明の範囲はこれら実験例によって何ら限定されるものではない。
【００２６】
実験例１
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）によるＰｂ++の吸収
γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体、分子量８９０×１０3）を脱イオン水に溶解させ、２％γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）ワーキング溶液（１００ｍＬ）を調製し、ｐＨを２０％ＮａＯＨ溶液で６．０に調整した。１０-2Ｍ Ｐｂ（ＮＯ3）2ワーキング溶液（２５ｍＬ）をＣ．Ｐ．グレードのＰｂ（ＮＯ3）2から調製した。段階的にＰｂ（ＮＯ3）2濃度が異なる溶液（各１５ｍＬ、最終濃度：０．０９、０．１２、０．１７、０．２２、０．３６、０．４５ｍｍｏｌ／Ｌ）を調製し、０．０１６％γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）２５ｍＬを各Ｐｂ（ＮＯ3）2溶液に加え、十分混和し、次いでｐＨを１０％ＮａＯＨ溶液でｐＨ６．０に調整後、脱イオン水を加え最終体積を５０ｍＬにした。混合液を十分混和し、３０分間静置してキレーションを完了させ、次いで限外ろ過膜ろ過カートリッジ（分画分子量：２００００ダルトン）を用いて沈澱物をろ過し、沈澱物を分離した。次いで、透明なろ液中の残存Ｐｂ++イオン濃度をＩＣＰ／ＭＳ分析器を用いて測定した。
【００２７】
実験例１で得られた結果を表２に示した。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
上の結果から、Ｐｂ++イオンがγ−ポリグルタメートによってキレート化され、Ｐｂ++、γ−ＰＧＡ錯体凝集物として安定な白色沈澱物を形成したことが示された。飽和吸収能はγ−ＰＧＡ１グラム当たりＰｂ++約４ｍＭｏｌ．である。
【００３０】
実験例２
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）によるＣｄ++の吸収
実験例１において、Ｐｂ（ＮＯ3）2に代えＣ．Ｐ．グレードのＣｄ（ＮＯ3）2を用いて、段階的にＣｄ（ＮＯ3）2濃度が異なる溶液（最終濃度：０．０９、０．１２、０．１７、０．２１、０．３４、０．４２ｍＭｏｌ．／Ｌ）を調製し、実験例１と同様の実験を行った。
【００３１】
実験例２で得られた結果を表３に示した。
【００３２】
【表３】
2007152188.tif 000004
【００３３】
上の結果から、Ｃｄ++イオンがγ−ポリグルタメートによってキレート化され、Ｃｄ++、γ−ＰＧＡ錯体凝集物として安定な沈澱物を形成したことが示された。飽和吸収能はγ−ＰＧＡ１グラム当たりＣｄ++約３．７ｍＭｏｌ．である。
【００３４】
実験例３
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）によるＣｕ++の吸収
実験例１において、Ｐｂ（ＮＯ3）2に代えＣ．Ｐ．グレードのＣｕ（ＮＯ3）2を用いて、段階的にＣｕ（ＮＯ3）2濃度が異なる溶液（最終濃度：０．０８、０．１１、０．１６、０．２０、０．３３、０．４２ｍＭｏｌ．／Ｌ）を調製し、実験例１と同様の実験を行った。
【００３５】
実験例３で得られた結果を表４に示した。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
上の結果から、Ｃｕ++イオンがγ−ポリグルタメートによってキレート化され、Ｃｕ++、γ−ＰＧＡ錯体凝集物として安定な青緑色の沈澱物を形成したことが示された。飽和吸収能はγ−ＰＧＡ１グラム当たりＣｕ++約４．５ｍＭｏｌ．である。
【００３８】
実験例４
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）によるＦｅ++の吸収
実験例１において、Ｐｂ（ＮＯ3）2に代えＣ．Ｐ．グレードのＦｅ（ＮＯ3）2を用いて、段階的にＦｅ（ＮＯ3）2濃度が異なる溶液（最終濃度：０．０２４、０．０３１、０．０４５、０．０６０、０．０９３、０．１２６ｍＭｏｌ．／Ｌ）を調製し、ｐＨ４．０で実験例１と同様の実験を行った。
【００３９】
実験例４で得られた結果を表５に示した。
【００４０】
【表５】
2007152188.tif 000006
【００４１】
上の結果から、Ｆｅ++イオンがγ−ポリグルタメートによってキレート化され、Ｆｅ++、γ−ＰＧＡ錯体凝集物として安定な黄色沈澱物を形成したことが示された。飽和吸収能はγ−ＰＧＡ１グラム当たりＦｅ++約０．５ｍＭｏｌ．である。
【００４２】
実験例５
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）によるＡｌ+++の吸収
実験例１において、Ｐｂ（ＮＯ3）2に代えＣ．Ｐ．グレードのＡｌ（ＮＯ3）3を用いて、段階的にＡｌ（ＮＯ3）2濃度が異なる溶液（最終濃度：０．０４１、０．０５３、０．０７３、０．０９２、０．１５３、０．１９３ｍＭｏｌ．／Ｌ）を調製し、ｐＨ４．０で実験例１と同様の実験を行った。
【００４３】
実験例５で得られた結果を表６に示した。
【００４４】
【表６】
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【００４５】
上の結果から、Ａｌ+++イオンがγ−ポリグルタメートによってキレート化され、Ａｌ+++、γ−ＰＧＡ錯体凝集物として安定な白色沈澱物を形成したことが示された。飽和吸収能はγ−ＰＧＡ１グラム当たりＡｌ+++約２．０ｍＭｏｌ．である。
【００４６】
実験例６
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）とＰｂ++、Ｃｄ++、Ｃｕ++の混合物中における競合的吸収
実験例１において、Ｃ．Ｐ．グレードのＰｂ（ＮＯ3）2、Ｃｄ（ＮＯ3）2及びＣｕ（ＮＯ3）2を用い、Ｐｂ（ＮＯ3）2、Ｃｄ（ＮＯ3）2及びＣｕ（ＮＯ3）2について濃度が異なる溶液（最終体積：５０ｍＬ）を調製し、実験例１と同様の実験を行った。
【００４７】
実験例６で得られた結果を表７に示した。
【００４８】
【表７】
2007152188.tif 000008
【００４９】
表７の結果から、２５℃、ｐＨ６．０では、γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）による重金属イオンの競合的キレート化は、Ｐｂ++＞Ｃｕ++＞Ｃｄ++の順であることが示された。Ｐｂ++、Ｃｄ++、Ｃｕ++イオンそれぞれについて、初期イオン濃度は０．０３ｍＭｏｌ．／Ｌから０．０００２、０．００３２、０．０１４７ｍＭｏｌ．／Ｌに減少した。飽和量を超えるγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）を用いれば、重金属イオンＰｂ++、Ｃｄ++、Ｃｕ++を完全に吸収でき、その結果キレート複合体凝集物として沈澱させることができる。
【００５０】
実験例７
γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）とＰｂ++、Ｃｄ++、Ｃｕ++との混合物中における競合的吸収に対するｐＨの影響
実験例１において、Ｃ．Ｐ．グレードのＰｂ（ＮＯ3）2、Ｃｄ（ＮＯ3）2及びＣｕ（ＮＯ3）2を用い、Ｐｂ（ＮＯ3）2、Ｃｄ（ＮＯ3）2及びＣｕ（ＮＯ3）2について濃度が異なる溶液（最終体積：５０ｍＬ）を調製し、実験例１と同様の実験を２５℃、ｐＨ４．２８で行った。
【００５１】
実験例７で得られた結果を表８に示した。
【００５２】
【表８】
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【００５３】
表８の結果から、２５℃、ｐＨ４．２８では、γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）による重金属イオンの競合的キレート化は、Ｐｂ++＞Ｃｕ++＞Ｃｄ++の順であることが示された。Ｐｂ++、Ｃｕ++、Ｃｄ++イオンそれぞれについて、初期イオン濃度は０．０３ｍＭｏｌ．／Ｌから０．００２６、０．００２６５、０．０３１２ｍＭｏｌ．／Ｌに減少した。明らかに、溶液のｐＨが低いほど、γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）のキレート能が低下する。Ｐｂ++、Ｃｕ++、Ｃｄ++イオンそれぞれについて、キレート能は１．５２、１．４６、０．９１ｍＭｏｌ．／吸着ｇから１．４５、０．２９、０．０９ｍＭｏｌ．／Ｌに低下した。Ｐｂ++、Ｃｕ++、Ｃｄ++イオンに対するγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）のキレート能が最大であるのはｐＨ６〜ｐＨ７．５の範囲であると考えられ、これはγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）が完全に開いた線形状ランダムコイル構造となるｐＨの範囲と一致する。飽和量を超えるγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）を用いれば、重金属イオンＰｂ++、Ｃｄ++、Ｃｕ++を完全に吸収でき、その結果キレート複合体凝集物として沈澱させることができる。
【００５４】
実験例８
水中におけるγ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）によるＰｂ++、Ｃｄ++、Ｃｕ++の飽和結合
実験例１において、Ｃ．Ｐ．グレードのＰｂ（ＮＯ3）2、Ｃｄ（ＮＯ3）2及びＣｕ（ＮＯ3）2を用い、γ−ポリグルタメート（Ｎａ+体）の濃度を変えて、実験例１と同様の実験を２５℃、ｐＨ６．０で行った。
【００５５】
実験例８で得られた結果を表９に示した。
【００５６】
【表９】
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【００５７】
上の結果から、Ｐｂ++、Ｃｄ++及びＣｕ++イオンがγ−ポリグルタメートによってキレート化され、γ−ＰＧＡと金属イオンの錯体凝集物としてそれぞれ安定な白色、白色、青緑色の沈澱物を形成したことが示された。飽和吸収能は約２．０ｍＭｏｌ．である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（Ａ）γ−ポリグルタミン酸（γ−ＰＧＡ、Ｈ体）、（Ｂ）γ−ポリグルタメートＫ+体、γ−ポリグルタメートＮａ+体及びγ−ポリグルタメートＮＨ4+体、（Ｃ）γ−ポリグルタメートＣａ++体及びγ−ポリグルタメートＭｇ++体（Ｍ（Ｉ）＝Ｋ+、Ｎａ+、又はＮＨ4+、Ｍ（ＩＩ）＝Ｃａ++又はＭｇ++）の化学構造。
【図２】ｐＨ中性、温度３０℃のＤ2Ｏにおける各種（Ａ）γ−ポリグルタメートＮａ+体、（Ｂ）γ−ポリグルタメートＫ+体、（Ｃ）γ−ポリグルタメートＮＨ4+体の４００ＭＨｚ1Ｈ−ＮＭＲスペクトル。化学シフトは内部標準からｐｐｍ単位で測定。Ｘは不純物ピーク。
【図３】ｐＨ中性、温度３０℃のＤ2Ｏにおける各種（Ａ）γ−ポリグルタメートＫ+体、（Ｂ）γ−ポリグルタメートＮａ+体、（Ｃ）γ−ポリグルタメートＣａ++体及び（Ｄ）γ−ポリグルタメートＭｇ++体の13Ｃ−ＮＭＲスペクトル。化学シフトは内部標準からｐｐｍ単位で測定。
【図４】ＫＢｒペレットによる（Ｃ）γ−ポリグルタメートＣａ++体及び（Ｄ）γ−ポリグルタメートＭｇ++体の赤外（ＦＴ−ＩＲ）吸収スペクトル。
【図５】（Ａ）１０％γ−ＰＧＡと０．２Ｎ ＮａＯＨ、（Ｂ）２％γ−ＰＧＡとＣａ（ＯＨ）2及び（Ｃ）４％γ−ＰＧＡと５Ｎ ＮＨ4ＯＨの２５℃でのｐＨ滴定曲線。
【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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【外国語明細書】
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