(57)【要約】【課題】本発明は、微生物を水溶液中から効率的、簡便かつ低コストで回収する方法及びその装置を提供する。【解決手段】本発明は、微生物含有水溶液中で吸着または取り込みにより微生物を含有する磁性粒子を調製し、該磁性粒子を磁気分離または濾過する、水溶液中の微生物を回収する方法に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程（１）および（２）を含む、水溶液中の微生物を回収する方法。
（１）微生物含有水溶液中で吸着または取り込みにより微生物を含有する磁性粒子を調製する工程
（２）工程（１）で調製した磁性粒子を磁気分離または濾過する工程
【請求項２】
前記工程（１）において、微生物含有水溶液中に水溶性鉄塩を添加して微生物を含有する磁性粒子を調製する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程（１）において、微生物含有水溶液中にアルカリを添加して中和する請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記水溶性鉄塩が、塩化鉄、硫酸鉄又は硝酸鉄である、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記水溶性鉄塩が、塩化第一鉄と塩化第二鉄との混合物である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記工程（２）において、前記微生物含有水溶液中に高分子凝集剤を添加して、前記磁性粒子を濾過または磁気分離を行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記微生物が、高度不飽和脂肪酸、天然色素、ビタミン、アミノ酸、ミネラル、アルコール類、水素、糖質、脂質、タンパク質、脂肪酸、有機酸および炭化水素から選ばれる１つ以上の物質を生産する微細藻類である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記微細藻類が炭化水素を生産する微細藻類であって、該微細藻類がオーランチオキトリウム、ボトリオコッカス・ブラウニイ、シュードコリシスチス・エリプソイディアおよびシキゾリウムから選ばれる少なくとも１の藻類またはこれら藻類の変異株もしくは遺伝子組み換え株である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
微生物を含有する磁性粒子を調製する槽を備え、かつ、該槽に該磁性粒子を自動的に濾過または磁気分離を行うための機能が配備された、請求項１〜８のいずれか１項に記載の微生物含有水溶液中の微生物の回収を行うための回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水溶液中の微生物を回収する方法及びそれに用いる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスを用いた液体燃料、健康食品、医薬品、香粧品または動物性飼料等の製造は、持続的な経済発展に不可欠な技術である。例えば、光合成により炭化水素を生産する微生物の一種である微細藻類は潜在的生産能力の高さから期待が大きく、微細藻類を培養することで、炭化水素化合物などのバイオマスを産生させる様々な研究が既に行われている。
【０００３】
微細藻類を用いてのバイオマスの生産には、効率的な微細藻類の培養方法、微細藻類の回収方法、更にはオイル等のバイオマスの抽出方法が開発されておらず、コストが高いという問題点がある。その最大の原因の一つが、微細藻類の効率的な回収方法がないことである。
【０００４】
具体的には、微細藻類は通常、液中に浮遊しながら生育するため、微細藻類をバイオマスとして利用するためには、非常に希薄な濃度の微細藻類を大量の液中から回収しなければならない。加えて、微細藻類の生育のためには光エネルギーが必要であるが、十分な光の照射を確保するためには液中に存在する微細藻類の濃度を過度に高くすることが出来ない。
【０００５】
結果として、液中に浮遊する微細藻類を回収するには、多量の水をろ過する必要があった。また、微細藻類のサイズは一般的に小さく、ろ過も容易ではなかった。このような問題を解決するための回収方法の検討として、沈殿剤を用いる方法、遠心分離機を用いる方法、微細藻類をより大型の生物の餌とした後に、該大型の生物を回収する方法などが試みられたものの、いずれの方法も根本的な解決には至っていない。
【０００６】
また、生活排水等による水域内への栄養塩の供給と蓄積が要因として起こる富栄養価により、湖沼等の閉鎖性水域では、アオコ等の藻類の異常増殖が発生する。このような藻類の異常増殖により、水道の取水、水産、農業または観光の場としての水環境の利用への障害が生じる。このため、異常増殖した微細藻類を効率的に回収する浄化技術が必要とされている。
【０００７】
これまでに、水中の微細藻類等の非磁性物質に対し磁性を付し、磁性フロックを形成させ、その後に、磁気分離装置で水中から微細藻類を分離回収する磁気分離方法が開発されている（非特許文献１）。この磁気分離法は、高磁場を利用することで高速分離処理が可能で、装置もコンパクトになること、物理的に処理するために化学薬剤を要しないこと等の利点がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】渡部恒雄、「新しい磁気分離工学の創成を目指して」、分離技術、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．５、ｐｐ．２７４−２７９（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１の技術では、非磁性物質に対し磁性を付与し、磁性フロックを形成させるための工程において時間および手間を要し、さらにはマグネタイトと磁性フロックの形成しやすさが藻類の形態によって異なり、微細藻類の種類によって回収率が変化するため、実用化しにくいという問題点がある。
【００１０】
したがって、本発明は、微細藻類などの微生物を水溶液中から効率的、簡便かつ低コストで回収する方法及びその装置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】
【００１１】
本発明者は上記の目的を達成するため、鋭意検討した結果、水溶液中の微生物を均一系で短時間に回収する方法を見出した。すなわち、本発明は下記の構成により達成されるものである。
【００１２】
［１］以下の工程（１）および（２）を含む、水溶液中の微生物を回収する方法。
（１）微生物含有水溶液中で吸着または取り込みにより微生物を含有する磁性粒子を調製する工程
（２）工程（１）で調製した磁性粒子を磁気分離または濾過する工程
［２］前記工程（１）において、微生物含有水溶液中に水溶性鉄塩を添加して微生物を含有する磁性粒子を調製する、［１］に記載の方法。
［３］前記工程（１）において、微生物含有水溶液中にアルカリを添加して中和する［１］または［２］に記載の方法。
［４］前記水溶性鉄塩が、塩化鉄、硫酸鉄又は硝酸鉄である、［２］または［３］に記載の方法。
［５］前記水溶性鉄塩が、塩化第一鉄と塩化第二鉄との混合物である、［４］に記載の方法。
［６］前記工程（２）において、前記微生物含有水溶液中に高分子凝集剤を添加して、前記磁性微粒子を濾過または磁気分離を行う、［１］〜［５］のいずれか１に記載の方法。
［７］前記微生物が、高度不飽和脂肪酸、天然色素、ビタミン、アミノ酸、ミネラル、アルコール類、水素、糖質、脂質、タンパク質、脂肪酸、有機酸および炭化水素から選ばれる１つ以上の物質を生産する微細藻類である、［１］〜［６］のいずれか１に記載の方法。
［８］前記微細藻類が炭化水素を生産する微細藻類であって、該微細藻類がオーランチオキトリウム、ボトリオコッカス・ブラウニイ、シュードコリシスチス・エリプソイディアおよびシキゾリウムから選ばれる少なくとも１の藻類またはこれら藻類の変異株もしくは遺伝子組み換え株である、［７］に記載の方法。
［９］微生物を含有する磁性粒子を調製する槽を備え、かつ、該槽に該磁性粒子を自動的に濾過または磁気分離を行うための機能が配備された、［１］〜［８］のいずれか１に記載の微生物含有水溶液中の微生物の回収を行うための回収装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、微生物含有水溶液中で磁性粒子を調製することにより、均一系で迅速且つ効率的に微生物を取り込んだ磁性粒子を製造することができる。このようにして得られた微生物含有磁性粒子を濾過または磁気分離することで、簡便且つ効率的に水溶液中から微生物を分離、回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、回収前の試料を示す図である。（回収前）
【図２】図２は、回収後の試料を示す図である。（比較例１）
【図３】図３は、回収後の試料を示す図である。（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の水溶液中の微生物の回収方法は、以下の工程（１）および（２）を含む、水溶液中の微生物を回収する方法である。
（１）微生物含有水溶液中で吸着または取り込みにより微生物を含有する磁性粒子を調製する工程
（２）工程（１）で調製した磁性粒子を磁気分離または濾過する工程
以下、各工程について説明する。
【００１６】
工程（１）
工程（１）は、微生物含有水溶液中で吸着または取り込みにより微生物を含有する磁性粒子を調製する工程である。本明細書において、「微生物を含有する磁性粒子」とは、微生物を吸着または取り込んだ磁性粒子をいう。微生物としては、高度不飽和脂肪酸、天然色素、ビタミン、アミノ酸、ミネラル、アルコール類、水素、糖質、脂質、タンパク質、脂肪酸、有機酸および炭化水素から選ばれる１つ以上の物質を生産する微細藻類、細菌または菌類がより好ましく、該物質を生産する微細藻類がさらに好ましい。
【００１７】
具体的には、微生物としては、例えば、天然物の色素の一種であるアスタキサンチン生産能を有する微細藻類［例えば、ヘマトコッカス藻（Ｈａｅｍａｔｏｃｏｃｕｓ  ｐｌｕｖｉａｌｉｓ）、クロレラ・ゾフィンギエンシス（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ  ｚｏｆｉｇｉｅｎｓｉｓ）、クロロコックム属（Ｃｈｌｏｒｏｃｏｃｃｕｍ  ｓｐ．）、ファフィア・ロドチーマ（Ｐｈａｆｆｉａ  ｒｈｏｄｏｚｙｍａ）、モノラフィディウム属（Ｍｏｎｏｒａｐｈｉｄｉｕｍ  ｓｐ．）など］、高度不飽和脂肪酸の一種であるＤＨＡ（ドコサヘキサエン酸）またはＥＰＡ（エイコサペンタエン酸）の生産能を有する微細藻類［例えば、ピンギオクリシス属（Ｐｉｎｇｕｉｃｈｒｙｓｉｓ  ｓｐ．）、パブロバ属（Ｐａｖｌｏｖａ  ｓｐ．）、フェダクチラム・トリコヌタム（Ｐｈｅｏｄａｃｔｙｌｕｍ  ｔｒｉｃｏｒｎｕｔｕｍ）、ナノクロロプシス・オーシャニック（Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｏｐｓｉｓ  ｏｃｅａｎｉｃ）など］が挙げられ、特に、炭化水素を生産する微細藻類［例えば、オーランチオキトリウム属（Ａｕｒａｎｔｉｏｃｈｙｔｒｉｕｍ  ｓｐ．）、ボツリオコッカス・ブラウニー（Ｂｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓ  ｂｒａｕｎｉｉ）、クロレラ属（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ  ｓｐ．）、シリンドロテカ属（Ｃｙｌｉｎｄｒｏｔｈｅｃａ  ｓｐ．）、ドナリエラ・プリモレクタ（Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ  ｐｒｉｍｏｌｅｃｔａ）、イソクリシス属（Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓ  ｓｐ．）、ナンノクロリシス属（Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｉｓ  ｓｐ．）、ナンノクロプシス属（Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｏｐｓｉｓ  ｓｐ．）、ネクロリス・オレオアブンダンス（Ｎｅｏｃｈｌｏｒｉｓ  ｏｌｅｏａｂｕｎｄａｎｓ）、ニッチア属（Ｎｉｔｚｓｃｈｉａ  ｓｐ．）、フェオダクチラム・トリコヌタム（Ｐｈａｅｏｄａｃｔｙｌｕｍ  ｔｒｉｃｏｒｎｕｔｕｍ）、シゾキトリウム属（Ｓｃｈｉｚｏｃｈｙｔｒｉｕｍ  ｓｐ．）、テトラセルミス・スエシカ（Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓ  ｓｕｅｃｉｃａ）、シュードコリシスチス・エリプソイディア（Ｐｓｅｕｄｏｃｈｏｒｉｃｙｓｔｉｓ  ｅｌｌｉｐｓｏｉｄｅａ）およびマイクロシスティス属（Ｍｉｃｒｏｃｙｓｔｉｓ  ｓｐ．）など］が好ましく、より好ましくは該微細藻類がオーランチオキトリウム、ボトリオコッカス・ブラウニイ、シュードコリシスティス・エリプソイディアおよびシキゾリウムから選ばれる少なくとも１の微細藻類またはこれら微細藻類の変異株もしくは遺伝子組み換え株である。
【００１８】
微生物含有水溶液としては、例えば、河川水、湖沼水、井戸水、水道原水、地下水、下水、廃水および公園の水等の環境中に存在する水試料、並びに微細藻類、細菌または菌類の培養液等が挙げられる。なお、水溶性物を含有する水溶液は必要に応じて、油水分離、濾過またはｐＨ調整等の前処理を行ってもよい。
【００１９】
本発明では、微生物含有水溶液中で磁性粒子を調製することによって、磁性粒子の調製過程において、磁性粒子中に微生物を吸着又は取り込んだ、微生物を含有する磁性粒子を調製することができれば、いかなる調製方法であってもよい。
【００２０】
微生物を含有する磁性粒子の調製方法としては、例えば、微生物含有水溶液において、水溶性鉄塩を添加することにより、水溶液中で微生物を含有する磁性粒子を調製することができる。かかる磁性粒子の調製過程において、微生物と反応しつつ水溶性鉄塩が反応して、微生物を含有する磁性粒子が得られるものと推定され、かつ、かかる調製工程を経ることにより、微生物が非常に効率よく、かつ短時間で磁性粒子に吸着ないし取り込まれる。
【００２１】
水溶性鉄塩としては、塩化鉄、硫酸鉄または硝酸鉄が利用できる。水溶性鉄塩としては、それぞれの２価及び３価の水溶性鉄塩の混合物が好ましく、特に、塩化第一鉄と塩化第二鉄との混合物が好ましい。微生物含有水溶液中への水溶性鉄塩の添加量は、塩化第二鉄は塩化第一鉄に対して２倍量であることが好ましく、より好ましくは１．２３倍量である。
【００２２】
更に、磁性粒子を効率よく調製するために、水溶液中にアルカリを添加して中和することが好ましい。アルカリを水溶液中に添加する時期は限定的ではないが、磁性粒子を製造するための原料化合物を水溶液中に添加した後であることが好ましい。アルカリは、磁性粒子の形成を助けるものであれば特に限定されないが、例えば、経済性および取扱性の観点から、水酸化ナトリウム、アンモニア水および尿素等が挙げられる。磁性粒子を調製するｐＨは８以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。また、撹拌することにより、磁性粒子の調製にかかる時間を短縮することができるため好ましい。
【００２３】
磁性粒子としては、例えば、マグネタイト、酸化ニッケル、フェライト、コバルト鉄酸化物、バリウムフェライト、炭素鋼、タングステン鋼、ＫＳ鋼、希土類コバルト磁石およびヘマタイト等の磁性粒子が挙げられる。
【００２４】
磁性粒子の濾過または磁気分離が可能であれば特に限定されないが、回収効率の観点から、磁性粒子の粒径は1〜１０μｍに調製することが好ましく、3〜７μｍであることがより好ましい。
【００２５】
工程（２）
工程（２）は、工程（１）で調製した磁性粒子を磁気分離または濾過する工程である。工程（１）で調製した磁性粒子は、そのままでも沈殿凝集し、分離することができるが、濾過または磁気分離をすることにより、迅速に且つ効率的に磁性粒子を回収することができる。磁気分離は、永久磁石、電磁石、超伝導磁石または磁気カラムなどの従来公知の方法を用いることができる。
【００２６】
磁気粒子の濾過は、工業用濾紙、メンブランフィルタ、中空フィルタ、カートリッジフィルタ、ガラス濾紙または濾過板などの公知のフィルタを用いて、従来公知の方法により行うことができる。フィルタの孔径は特に限定的ではないが、濾過速度の向上、目詰まり防止の点で、０．２μｍ以上であることが好ましい。上限は特に限定的でないが、生成した磁性微粒子の濾過時の回収漏れを防ぐ点で、１μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
更に、磁気分離または濾過の速度を速めるために、磁性粒子の調製後、高分子凝集剤を添加してもよい。高分子凝集剤は生成した磁性粒子を凝集できる凝集剤であれば特に限定されないが、例えば、ポリアクリル酸などのポリアニオン性高分子凝集剤が挙げられる。
【００２８】
本発明の方法を適用できる微生物含有水溶液の微生物の濃度は特に限定的ではないが、１０００ｐｐｍ〜１ｐｐｍの微生物濃度の微生物含有水溶液に幅広く適用できる。なお、本発明において、微生物濃度（ｐｐｍ）は、質量濃度［（微生物の質量）／（水溶液の体積）］を示す。
【００２９】
また、本発明の方法における、微生物を含有する磁性粒子の調製工程及び濾過または磁気分離工程のそれぞれの温度及び処理時間も特に限定的ではないが、温度は好ましくは２０〜１００℃であり、より好ましくは５０℃〜７０℃である。
【００３０】
また、適用する微生物含有水溶液の濃度、磁気分離に使用する磁石の磁力、濾過に使用するフィルタの性能にもよるが、本発明の方法を適用することにより、磁性粒子の調製工程は５分以内、好ましくは２〜３分程度と、従来の方法に比して大幅に時間を短縮することができ、濾過または磁気分離工程と併せても、好ましくは２０分以内、より好ましくは１０〜２０分程度で微生物を分離・回収することができる。
【００３１】
微生物含有水溶液を磁性粒子調製槽に導入した後、磁性粒子を生成させるために、上記温度の範囲とする操作は、金属塩及びアルカリを添加する前でもよく、金属塩及びアルカリを添加する間でもよく、金属塩及びアルカリを添加した後でもよい。
【００３２】
生成した磁性粒子を含む反応液は、遠心分離等の分離操作によっても分離が可能であるが、濾過または磁気分離を用いることにより迅速かつ効率的な分離回収が可能となる。磁気分離の操作は、永久磁石、電磁石または超伝導磁石等の磁力を用いて、磁性粒子を反応液から分離する既知の方法、装置を用いることができる。
【００３３】
また、微生物の回収効率は９７〜９９．９％であり、従来の処理効率よりも優れた微生物処理効率を達成することができる。また、回収される沈殿物も微生物の濃度により変化するが、水溶性鉄塩を使用した磁性粒子の使用量と比して微増程度であり、従来の方法と比較して格段に回収効率を向上することができる。
【００３４】
また、本発明の方法によれば、磁性粒子調製槽に高濃度の微生物含有水溶液を導入し、上記方法に従い微生物を含有する磁性粒子を調製した後、該槽に自動的に磁性粒子を濾過または磁気分離するための機能を配備することにより、微生物を含有する磁性粒子を効率よく、かつ自動的に回収し、廃棄することができる。更に、該磁性粒子を回収した後の水溶液を上記磁性粒子の調製工程に再利用するように、処理装置を設計することが好ましい。
【００３５】
具体的には、例えば、生成した磁性粒子を含む反応液を磁性粒子調製槽の外部に設置した磁石により磁集し、調製槽内に保持させ、反応液を排出させた後、磁石を取り除き磁性粒子を回収する方法、磁石を調製槽中に設置し、その表面に磁性粒子を磁収させた後、反応液と分離し、磁集した磁性粒子を磁石の表面から掻き落して回収する方法、磁場中に設置した磁性体カラムに反応液を通して、磁性体カラム内に磁性粒子を磁集した後、磁場を除き磁性粒子を回収する方法等が挙げられる。
【実施例】
【００３６】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【００３７】
なお、オーランチオキトリウムの濃度の測定は、株式会社島津製作所社製ＵＶ−１７００ＰｈａｒｍａＳｐｅｃを用いて、測定波長４０３ｎｍで測定した。また、本実施例で使用した水は、ミリポア社製純水製造装置「Ｅｌｉｘ  ＵＶ  ３５」によって精製された導電率１４．７ＭΩｃｍの精製水である。
【００３８】
＜実施例１＞
６０ｍｌのサンプル瓶にオーランチオキトリウム培養液（濃度０．０３ｗｔ％、ｐＨ：９．９７、高砂熱学工業（株）より入手）を２５ｍｌと塩化第二鉄・六水和物水溶液（濃度１７．３ｗ／ｖ％）を０．３１２ｍｌ添加し、続いて塩化第一鉄・四水和物水溶液（濃度６．４ｗ／ｖ％）０．６２４ｍｌ添加し、室温で回転数３００ｒｐｍにて２分攪拌した。攪拌を継続しながら８ｗ／ｖ％水酸化ナトリウム水溶液を５．５ｍｌ添加し、ウォーターバス中の液温が６０℃に到達後、２分間攪拌を継続した。その後、攪拌を停止し、生成した磁性粒子と一緒にオーランチオキトリウムを４０００Ｇのネオジウム磁石にて回収した。磁性粒子回収後の上清を採取し、透過率を測定した結果、１００％であった。また、回収前の透過率は１１．０％であった。
【００３９】
＜比較例１＞
６０ｍｌの三口フラスコにオーランチオキトリウム培養液（濃度０．０３ｗｔ％、ｐＨ：９．９７、高砂熱学工業（株）より入手）を２５ｍｌと磁性粒子を０．０５ｇ添加し、室温で回転数３００ｒｐｍにて２分攪拌した。その後、攪拌を停止し、生成した磁性粒子と一緒にオーランチオキトリウムを４０００Ｇのネオジウム磁石にて回収した。磁性粒子回収後の上清を採取し、透過率を測定した結果、６０．４％であった。また、回収前の透過率は１１．０％であった。
【００４０】
回収前の試料、回収後の比較例１の試料および回収後の実施例１を観察した結果を図１〜図３にそれぞれ示す。図１〜図３に示すように、実施例１では、比較例１に対し、高効率でオーランチオキトリウムが回収できたことが目視によっても確認された。
【００４１】
上記の結果から、本発明の方法によれば、水溶液中から微生物を効率的かつ簡便に回収できることがわかった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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