(57)【要約】  単一の廃液流を起源とするバイオ由来のポリマーマトリックス複合体、及びそのようなバイオ由来のポリマーマトリックス複合体を、単一の廃液流から製造する方法について、本明細書に開示する。開示する方法は、複合体の主要構成成分であるバイオ由来のポリマーマトリックス及び添加物の両方を、固有の廃液流源から同時に製造することを可能にする。好ましい実施形態において、この発明は、限定されるものではないが、単一のオリーブ圧搾廃液(OMW)流からのポリヒドロキシアルカノエート(PHA)複合体の製造に適用される。このような複合体の用途は、限定されるものではないが、農業用品を作製するための材料としての使用が代表的である。
2017531447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオポリマーを製造する方法であって、
(a)有機炭素及び有機固体を含む廃液を、
(i)精密ろ過に供することによって透過液及び濃縮液を製造し、任意選択で、第1の透過液を
(ii)限外ろ過、及び
(iii)ナノろ過
から選択される少なくとも1つのプロセスに更に供する工程であり、
工程(ii)及び(iii)のそれぞれが、有機炭素を含む更なる透過液、及び更なる濃縮液を製造し、工程(i)、(ii)及び(iii)のうちの最終の透過液が最終透過液であり、工程(ii)及び(iii)のそれぞれへの投入物が、その直前の工程の透過液である、工程と、
(b)最終透過液を逆浸透に供することによって、有機炭素を含む最終濃縮液を製造する工程と、
(c)最終濃縮液を、バイオポリマーを製造する微生物好気性消化を含む生物学的プロセスに供することによって、バイオポリマーを含むバイオマスを製造する工程と、
(d)バイオマスからバイオポリマーを単離する工程と
を含む、方法。
【請求項２】
バイオポリマーマトリックス複合体を製造する方法であって、
(a)有機炭素及び有機固体を含む廃液を用意する工程と、
(b)廃液を
(i)精密ろ過に供することによって透過液及び濃縮液を製造し、任意選択で、第1の透過液を、
(ii)限外ろ過、及び
(iii)ナノろ過
から選択される少なくとも1つのプロセスに更に供する工程であり、
工程(ii)及び(iii)のそれぞれが、有機炭素を含む更なる透過液及び更なる濃縮液を製造し、
最終の工程の透過液が最終透過液であり、工程(ii)及び(iii)への投入物が、その直前の工程の透過液である、工程と、
(c)最終透過液を逆浸透へ供することにより、有機炭素を含む最終濃縮液を製造する工程と、
(d)工程a(i)の濃縮液から微粒子を単離する工程と、
(e)最終濃縮液を、好気性消化を含む生物学的プロセスに供することによって、バイオポリマーを製造する工程と、
(f)バイオポリマーと工程(d)の微粒子とを組み合わせることによって、バイオポリマーマトリックス複合体を製造する工程と
を含む、方法。
【請求項３】
工程(e)において、生物学的プロセスが嫌気性消化を更に含む、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項４】
バイオポリマーマトリックス複合体を製造する方法であって、
(a)有機炭素及び有機固体を含む廃液を、
(i)精密ろ過に供することによって透過液及び濃縮液を製造し、任意選択で、透過液を、
(ii)限外ろ過、及び
(iii)ナノろ過
から選択される少なくとも1つのプロセスに更に供する工程であり、
工程(ii)及び(iii)のそれぞれが、有機炭素を含む更なる透過液、及び更なる濃縮液を製造し、工程(ii)及び(iii)のそれぞれへの投入物が、その直前の工程の透過液であり、工程(i)、(ii)及び(iii)のうちの最終の透過液が最終透過液である、工程と、
(b)最終透過液を逆浸透へ供することによって、有機炭素を含む最終濃縮液を製造する工程と、
(c)工程a(i)の濃縮液から微粒子を単離する工程と、
(d)最終濃縮液を嫌気性消化に供する工程と、
(e)工程(d)の生成物を微生物による好気性消化に供して、バイオポリマーを含むバイオマスを製造する工程と、
(f)バイオマスからバイオポリマーを単離する工程と、
(g)バイオポリマーと工程(d)の微粒子とを組み合わせることによって、バイオポリマーマトリックス複合体を製造する工程と
を含む、方法。
【請求項５】
廃液が、オリーブ圧搾廃液である、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
バイオポリマーが、ポリ(ヒドロキシアルカノエート)である、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ポリ(ヒドロキシアルカノエート)が、ポリ(3-ヒドロキシブチレート)である、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
ポリ(ヒドロキシアルカノエート)が、3-ヒドロキシブチレートと第2のモノマーとのコポリマーである、請求項6に記載の方法。
【請求項９】
第2のモノマーが、3-ヒドロキシブチレート以外のヒドロキシアルカノエートである、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
第2のモノマーが、3-ヒドロキシバレレートである、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
工程(a)の前に、廃液を処理して、粗大懸濁固体及び乳化物の一方又は両方を除去する、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
工程(e)の微生物が、アシドボラクス(Acidovorax)、アシネトバクター(Acinetobacter)、アクチノバチルス(Actinobacillus)、アクチノマイセテス(Actinomycetes)、アエロモナス(Aeromonas)、アルカリゲネス(Alcaligenes)、アロクロマティウム(Allochromatium)、アナベナ(Anabaena)、アファノテーケ(Aphanothece)、アクアスピリラム(Aquaspirillum)、アスチッカコーリス(Asticcaulus)、アクソバクター(Axobacter)、アゾモナス(Azomonas)、アウレオバシジウム(Aureobasidium)、アゾヒドロモナス(Azohydromonas)、アゾスピリラム(Azospirillum)、アゾトバクター(Azotobacter)、バチルス(Bacillus)、ベギアトア(Beggiatoa)、ベイジェリンキア(Beijerinckia)、ベネケア(Beneckea)、ブラシモナス(Brachymonas)、ブラディリゾビウム(Bradyrhizobium)、ブルクホルデリア(Burkholderia)、カリオファノン(Caryophanon)、カウロバクター(Caulobacter)、クロロフレクサス(Chloroflexus)、クロログロエア(Chlorogloea)、クロマチウム(Chromatium)、クロモバクテリウム(Chromobacterium)、クロストリジウム(Clostridium)、コマモナス(Comamonas)、コリネバクテリウム(Corynebacterium)、カプリアビダス(Cupriavidus)、シアノバクテリウム(Cyanobacterium)、デフルビーコッカス(Defluviicoccus)、デルキシア(Derxia)、デルフチア(Delftia)、エクトチオホドスピラ(Ectothiorhodospira)、エルウィニア(Erwinia)、エシェリキア(Escherichia)(組換え型及び野生型)、フェロバチルス(Ferrobacillus)、ガムフォスフェリア(Gamphospheria)、グロエオカプサ(Gloeocapsa)、グロエオテセ(Gloeothece)、ヘモフィルス(Haemophilus)、ハロバクテリウム(Halobacterium)、ハロアーキュラ(Haloarcula)、ハロフェラクス(Haloferax)、ハロモナス(Halomonas)、ハロクアドラツム(Haloquadratum)、ハロテリゲナ(Haloterrigena)、ヒドロゲノファガ(Hydrogenophaga)、ヒフォミクロビウム(Hyphomicrobium)、クレブシエラ(Klebsiella)(組換え型)、ランプロシスティス(Lamprocystis)、ランプロペジア(Lampropedia)、レプトスリックス(Leptothrix)、レジオネラ(Legionella)、メタノモナス(Methanomonas)、メチロバクテリウム(Methylobacterium)、メチロシナス(Methylosinus)、メチロシスチス(Methylocystis)、メチロモナス(Methylomonas)、メチロビブリオ(Methylovibrio)、ミクロコッカス(Micrococcus)、ミクロコレウス(Microcoleus)、ミクロキスティス(Microcystis)、ミクロルナタス(Microlunatus)、ミクロボレウス(Microvoleus)、モラクセラ(Moraxella)、マイコプラナ(Mycoplana)、ニトロバクター(Nitrobacter)、ニトロコッカス(Nitrococcus)、ノカルディア(Nocardia)、ネンジュモ(Nostoc)、オセアノスピリルム(Oceanospirillum)、オシラトリア(Oscillatoria)、パラコッカス(Paracoccus)、パウシスピリラム(Paucispirillum)、ペドミクロビウム(Pedomicrobium)、フォトバクテリウム(Photobacterium)、プロトモナス(Protomonas)、シュードモナス(Pseudomonas)、ラルストニア(Ralstonia)、リゾビウム(Rhizobium)、ロドバクター(Rhodobacter)、ロドコッカス(Rhodococcus)、ロドシュードモナス(Rhodopseudomonas)、ロドスピリラム(Rhodospirillum)、ルブリビバクス(Rubrivivax)、サッカロファガス(Saccharophagus)、シノリゾビウム(Shinorhizobium)、スファエロチラス(Sphaerotilus)、スピリラム(Spirillum)、スピルリナ(Spirulina)、スタフィロコッカス(Staphylococcus)、ステラ(Stella)、ストレプトマイセス(Streptomyces)、シネココッカス(Synechococcus)、シントロホモナス(Syntrophomonas)、チオバチルス(Thiobacillus)、チオカプサ(Thiocapse)、チオコッカス(Thiococcus)、チオシスチス(Thiocystis)、チオディクチオン(Thiodictyon)、チオペジア(Thiopedia)、チオスファエラ(Thiosphaera)、バリオボ��クス(Variovorax)、ビブリオ(Vibrio)、ワウテルシア(Wautersia)(現クプリアビダス(Cupriavidus))、キサントバクター(Xanthobacter)及びズーグロエア(Zoogloea)から選択される1種又は複数種を含む、請求項4から11のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
微生物が、アゾヒドロモナス・アウストラリカ(Azohydromonas australica)、アゾヒドロモナス・ラタ(Azohydromonas lata)(旧アルカリゲネス・ラトゥス(Alcaligenes latus))、アゾトバクター・ベイジェリンキイ(Azotobacter beijerinckii)、アゾトバクター・クロオコッカム(Azotobacter chrococcum)、アゾトバクター・ビネランディ(Azotobacter vinelandii)、バチルス・メガテリウム(Bacillus megaterium)、バチルス種(Bacillus sp.)、ブルクホルデリア・セパシア(Burkholderia cepacia)(旧シュードモナス・ムルティボランス(Pseudomonas multivorans)及びシュードモナス・セパシア(Pseudomonas cepacia))、カウロバクター・ビブリオイデス(Caulobacter vibrioides)、コマモナス種(Comamonas sp.)、カプリアビダス・ネカトール(Cupriavidus necator)(旧ヒドロゲノモナス・ユートロファ(Hydrogenomonas eutropha)、アルカリゲネス・ユートロフス(Alcaligenes eutrophus)、ラルストニア・ユートロファ(Ralstonia eutropha)及びワウテルシア・ユートロファ(Wautersia eutropha))、ハロモナス・ボリビエンシス(Halomonas boliviensis)、ヒドロゲノファガ・シュードフラバ(Hydrogenophaga pseudoflava)、ノボスフィンゴビウム・ニトロゲニフィゲン(Novosphingobium nitrogenifigen)、シュードモナス・アエルギノサ(Pseudomonas aeruginosa)及びリゾビウム・メリロティ(Rhizobium meliloti)から選択される微生物を含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
微生物が、アゾトバクター・ビネランディである、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
工程(a)が、精密ろ過及び限外ろ過からなる、請求項4から14のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
工程(a)が、精密ろ過、限外ろ過及びナノろ過からなる、請求項4から14のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
工程(c)の微粒子を乾燥する工程を更に含む、請求項4から16のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
乾燥した微粒子を均質化する工程を更に含む、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
微粒子を粉砕によって均質化する、請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
均質化した微粒子が、0.1から100μmの範囲の寸法を有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２１】
工程(g)が、
(i)バイオポリマーを溶媒に溶解することによって、バイオポリマー溶液を形成する工程と、
(ii)微粒子をバイオポリマー溶液に懸濁することによって、懸濁液を形成する工程と、
(iii)溶媒を除去することによって、複合体を形成する工程と
を含む、請求項4から20のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
溶媒を蒸発によって除去して、複合体を薄いフィルムとして製造する、請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
バイオポリマーがPHAであり、溶媒が有機溶媒である、請求項21又は22に記載の方法。
【請求項２４】
有機溶媒が、塩素化又はフッ素化溶媒である、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
溶媒が、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-プロパノール、クロロホルム、ジクロロメタン、又はこれらの2種以上の混合物である、請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
工程(g)が、
(i)バイオポリマーを溶融する工程と、
(ii)溶融したバイオポリマー中に微粒子を分散させて、分散体を形成する工程と、
(iii)分散体を冷却することによって、複合体を形成する工程と
を含む、請求項4から20のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
バイオポリマーがPHAであり、約170℃から約180℃の温度で溶融される、請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
バイオポリマーが、バイオポリマーを加圧下で加熱することにより溶融される、請求項26に記載の方法。
【請求項２９】
バイオポリマー及び微粒子が、カップリング剤及び可塑剤から選択される少なくとも1種の添加物の存在下で組み合わされる、請求項2から28のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
添加物が、グリセロールである、請求項29に記載の方法。
【請求項３１】
好気性消化の生成物からバイオマスを単離する工程を更に含む、請求項4から30のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
バイオマスが、遠心分離によって単離される、請求項31に記載の方法。
【請求項３３】
バイオマスが、細胞内バイオポリマーを有する細菌細胞を含み、工程(f)が、細胞からバイオポリマーを抽出することを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項３４】
抽出プロセスが細胞溶解を含む、請求項32に記載の方法。
【請求項３５】
バイオマスを、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2-ジクロロエタン、アセトン、1,2-プロピレンカーボネート、メチル-t-ブチルエーテル、プロピオン酸イソアミル、吉草酸イソアミル及び酪酸プロピルから選択される溶媒と接触させることにより、バイオポリマーをバイオマスから抽出する、請求項33に記載の方法。
【請求項３６】
バイオマスを、界面活性剤、若しくは次亜塩素酸ナトリウム等の塩に接触させることによって;又は、混合溶媒消化抽出;酵素消化;例えば超臨界二酸化炭素、アンモニア若しくはメタノールを使用する超臨界流体(SCF)抽出;例えばビーズミル若しくは高圧均質化を使用する機械的抽出;超音波処理、若しくはガンマ線曝露から選択されるプロセスによって、バイオポリマーをバイオマスから抽出する、請求項34に記載の方法。
【請求項３７】
工程(e)を行う前に、最終濃縮液を限外ろ過濃縮液と組み合わせる、請求項15に記載の方法。
【請求項３８】
工程(e)を行う前に、最終濃縮液を限外ろ過濃縮液及びナノろ過濃縮液と組み合わせる、請求項16に記載の方法。
【請求項３９】
請求項1から38のいずれか一項に記載の方法によって製造された、バイオポリマーマトリックス複合体。
【請求項４０】
ポリ(ヒドロキシアルカノエート)ポリマーマトリックス及び前記マトリックス中に分散した微粒子を含むバイオポリマーマトリックス複合体であって、前記微粒子がリグニン及び/又はセルロースを含み、0.1から100μmの範囲の寸法のものであり、PHA及び微粒子の総質量に対して0.1から49.9%w/w、好ましくは約10から約40%w/wの量で複合体中に存在する、バイオポリマーマトリックス複合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物から製造されるバイオ由来のポリマーマトリックス複合体に関する。より詳細には、本発明は、単一の廃液流から得られる上述のバイオ複合体、及び一体化されたクローズドプロセスによって、廃液を浄化しながら同時にそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の化石炭素由来のプラスチックは、環境についての重要な関心を代表するもので、限られた化石資源についての問題であると同時に第1の汚染源の一つであり、バイオ由来の生分解性ポリマーを用いて、従来のプラスチックに代わるものとして、持続可能で生態系に優しい材料を製造することへの関心が増大している。バイオ由来の生分解性ポリマーの例は、特に、ポリ乳酸(PLA)、デンプン及びポリヒドロキシアルカノエート(PHA)である。
【０００３】
天然源からのバイオポリマーの製造は目下、操業されているが、人への食物供給が予定されているものとは異なる源からの持続可能なバイオポリマーの製造の有効な方法を見出すべく、今もなお研究が進行中である。廃棄物からのバイオポリマーの工業的製造は、非常に望ましく、多くの研究努力の目的となっている。
【０００４】
廃棄物からバイオポリマーを製造することには、倫理的な関心の他に、それらのコストを減じることが意図されている。なぜならば、バイオポリマーの高い価格は、それらが市場に浸透する際の主な障壁を代表するものであるからである。バイオポリマー製造に適した廃棄物流には、工業廃液及び都市廃液が含まれる。
【０００５】
一般にポリマーについての、より具体的にはバイオポリマーについての重要な関心は、それらの物理的及び機械的特性に関連付けられる。所望の特性を得るために、バイオポリマーには通常、種々のフィラーが加えられる。フィラーはしばしば高価であり、また最終複合体中で高い質量パーセント(1〜40%)で用いられるので、最終ポリマーマトリックス複合体のコストを減少させるために天然繊維等の天然フィラーが提案されてきた。バイオ由来のポリマーマトリックスと天然フィラーが用いられると、結果として得られる複合体は、完全なグリーンプラスチックである。バイオポリマーマトリックス材料については、添加物としての廃棄物由来の天然フィラーが、非常に望ましく、多くの研究努力の目的となっている。
【０００６】
いくつかの工業プロセスは、廃液流を生成する。特に農産工業プロセス、例えば、乳、チーズ、果物ジュース、糖及びオリーブ油の製造の場合には、このような廃棄物はしばしば、有機炭素含有量が豊富である。有機炭素が豊富な、よくある廃液流の他の例は、パルプ及び製紙工場廃液、都市廃水、並びに農場廃水である。これらの水性液体流は、それらの高い化学的酸素要求量(COD)のために、環境への大きなインパクトを有する。しかしながら同時に、廃液から付加価値のある分子を分離することができるため、高いCOD値は、価値ある隠れた源を意味しており、残留する有機分は、バイオポリマー製造のための原材料として用いてもよい。研究者たちは、廃棄物流から価値ある化学物質を分離するための理想的な候補であるサイズ排除膜ろ過技術について、長い間研究してきた。
【０００７】
いくつかの特許及び特許出願は、高COD廃液流を処理及び浄化する方法について記載している。これらの方法は通常、超純水を生み出すための最終の逆浸透(RO)工程を伴う膜ろ過技術に基づいており、この超純水は、プロセス中で再利用されるか又は他の用途のために収集することができる。抽出された有機物は、堆肥化可能な材料を作るために、又は液体流のCODの減少を可能にする微生物消化によるバイオガス製造のために、用いてもよい。ろ過プロセス及び微生物消化の順序は、検討されている具体的なプロセスに応じて逆にすることができる。
【０００８】
膜ろ過、微生物消化及び組み合わせ法による廃液浄化処理の例は、以下の文書、並びにそれらにおいて引用されている参考文献である特許文献及び非特許文献に開示されている。
【０００９】
WO2013/058761は、粗大懸濁固体除去ユニット、粗ろ過ユニット、限外ろ過ユニット(UF)、ナノろ過ユニット(NF)及び逆浸透ネットワークの相互接続構成要素によって有機分を減じる、蒸留酒製造所の廃棄物流に応用される廃液処理のためのシステムについて記載している。このようなシステムからのアウトプットは、飲用水基準を満たし得る。
【００１０】
US2012/0085701も、バイオガス製造のためのバイオリアクター、場合により膜型バイオリアクター、並びに膜ろ過モジュール、即ちナノろ過及び逆浸透によって、パルプ又は製紙工場廃液等の溶存有機炭素を含有する水流を処理して有機分を減じるプロセスについて記載しており、これは生活排水及び工業排水にも応用可能である。このプロセスの目的は、水の処分又はリサイクルのための有機炭素含有水流の浄化である。
【００１１】
EP0824503は、有機的に汚染された廃液から飲用水を高収率で製造する多段階システムについて記載している。このシステムは、限外ろ過及び酸化プロセス等の他の処理の他にも、有機炭素負荷を減じるための二重(嫌気性及び好気性)の微生物消化、並びに飲料に用いるための超純水を製造するための多数の逆浸透工程を含む。
【００１２】
興味深い工業廃液流は、オリーブ圧搾廃液(olive mill wastewater) (OMW)である。OMWは、非常に高い有機炭素含有量を特徴とするので、水の浄化のための処理が、及び/又は高いポリフェノール含有量のため、バイオガス製造のための処理が難しい廃棄物である。それは、膜ろ過技術によって処理して、商業的に高い価値のある分子としてポリフェノールを分離することができる。EP1773721は、オリーブ圧搾廃液の成分を、膜技術を用いて回収するプロセスについて記載している。OMWからポリフェノール溶液及び浄水を回収するために、多工程ろ過プロセス(精密ろ過(MF)、限外ろ過(UF)、ナノろ過(NF)、逆浸透(RO))が用いられる。異なるろ過工程から得られた、ポリフェノール以外の残留有機物は、肥料としての使用又はバイオガス製造が提案されている。
【００１３】
天然供給原料から直接抽出される天然ポリマーに加えて、種々の天然化学物質がバイオポリマー製造のための原材料として用いられ得る(例えば、Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics、S. Ebnesajjad編、2012年参照)。例えば、植物油に由来する不飽和脂肪酸は、その後のダイマー化及び重縮合プロセスを経たポリアミド(PA)合成、又は微生物ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)製造に有用なモノマーである。天然化学物質の他の種類の中でも、糖は、バイオポリマー合成のための優れたプラットフォームを代表するものである。この目的での糖の使用には、(i)糖加水分解によるラクチド製造、乳酸を製造するための発酵、及びその縮合(ラクチドは、開環重合によってポリ(乳酸)(PLA)を製造するために使用されるモノマーである)、(ii)バイオエタノール、エチレン、アクリル酸及びその誘導体、アクロレイン、グリセロール、1,3-プロパンジオール及び他のポリオール、ヒドロキシメチルフルフラール及びその誘導体等の化学物質の製造(これらのバイオ由来の化学物質は全て、様々なポリマーの製造に有用なモノマーである)、(iii)糖又は揮発性脂肪酸(VFA)等の天然に存在する栄養素の微生物消化を通じた、生きた微生物によるPHA等の高分子バイオ材料の直接製造が挙げられる。
【００１４】
再生可能資源からの糖の使用に基づいた、バイオポリマー製造のための種々のプロセスが、操業されている。それにもかかわらず、これらのプロセスの大多数は、サトウキビ、トウモロコシ、デンプン作物等のような食用バイオマスを使用している。都市廃水及び工業廃水流、特に農業食物連鎖に由来するものは、通常、高い有機炭素負荷によって、特にかなり高い濃度の糖によって特徴付けられる。この廃棄物中の糖分の対費用効果の高い回収及び/又は利用は、前の段落に記載した全てのバイオベースのモノマー及びポリマーの製造を可能にすることができる。
【００１５】
糖含有量の高い廃棄物からのポリヒドロキシアルカノエートの製造が開示されている。米国特許第7141400号、US2006/0088921(Yu)及びWO2013/072723は、糖製造の副産物である糖蜜等のスクロース含有量の高い廃棄物からのPHAの微生物製造について記載している。それにもかかわらず、PHAの製造のための微生物消化は、しばしば、糖に加えて、廃棄物に含有される他の種類の天然物質(タンパク質又は脂肪酸等)を利用し(例えば、M. Kollerら、Food Technol. Biotechnol.、2010年、48巻:255〜269頁; C. Duら、Curr. Chem. Biol.、2012年; J.G.C. Gomezら、Advances in Applied Biotechnology、2012年、6巻:14〜25頁; J.-Y. Cheeら、Current Research, Technology and Education Topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology、2010年参照)、そのため、US2013/0040351、US2013/0199997及びWO2012/166822、US8187462及びUS8263373に報告されているように、異なる種類の廃液流が、PHA製造のために検討されている。
【００１６】
バイオ由来の生分解性熱可塑性ポリマーの1種であるポリヒドロキシアルカノエート(PHA)をOMWから製造することに研究努力が費やされてきたが、効果的な工業的プロセスは未だに開示されていない。この技術の例は、未処理の希釈されたOMWの細菌発酵による実験室規模で報告されている(GA. Martinezら、Env. Eng. Manag. J.、2013年、12巻:97〜100頁; F. Cerroneら、J. Microbiol. Biotechnol.、2010年; M. Beccariら、J. Chem. Technol. Biotechnol.、2009年、84巻:901〜908頁)。
【００１７】
プラスチック複合体の中でも、天然繊維等の天然補強剤を生分解性のバイオ由来樹脂と組み合わせることによって得られるバイオポリマーマトリックス複合体は、環境に優しく、持続可能で、堆肥化によって分解可能であるため、魅力的である(例えば、Polymer Composites:1巻、S. Thomasら編、Wiley-VCH、2012年参照)。ジュート、亜麻、サイザル、コイア等の天然繊維及びバイオ由来の補強剤のいくつかは、中でも、PLA、デンプン及びPHA等のバイオポリマーと混合されてきた(例えば、J. Sahariら、Rev. Adv. Mater. Sci.、2011年、30巻:166〜174頁; P. Asokanら、Rev. Adv. Mater. Sci.、2012年、30巻:254〜261頁参照)。農業残渣は、莫大な工業副産物(世界中で年間数十億トン)であり、ポリマー複合体のための補強としてのその使用は、それらの処分又は焼却の現実的な代替案である。天然繊維の使用は、低コスト、豊富さ、低密度、高い特異的特性、及び明らかな生分解性を含めた、多くの利点をもたらす。これらのバイオベースの複合体は、大量生産される消費材製品等の多くの用途において効果的に使用され得る。従来のプラスチックに関しては、天然添加物の添加は、ポリマー樹脂の物理的及び機械的特性を改善し得る。
【００１８】
天然繊維バイオポリマーマトリックス複合体に関しては、物理的及び機械的特性の改善のみならず、改善された生分解性についても報告されている(例えば、O. Farukら、Macromol. Mater. Eng.、2014年、299巻:9〜26頁; H. Kuら、Composites Part B Eng.、2011年、42巻:856〜873頁; P.M. Visakhら、Advances in Natural Polymers、S. Thomasら編、 Springer 2013年; M. Avellaら、Materials、2009年、2巻:911〜925頁; C.-S. Wu、Carbohydrate Polym.、2012年; C.-S. Wu、Polym. Degrad. Stabil.、2012年、97巻:64〜71頁参照)。
【００１９】
PHAは、天然補強剤を伴ったバイオポリマーマトリックス複合体に有用なものの代表である。天然補強剤を添加することによってPHAの生分解性及び物理的特性を改善するべく、多くの研究努力が費やされてきた(例えば、C.-S. Wuら、Polym. Degrad. Stabil.、2014年、99巻:274〜282頁; C.-S. Wu、Polym. Degrad. Stabil.、2013年、98巻: 1473〜1480頁; V. Nagarajanら、Ind. Crops Prod.、2013年、42巻: 461〜468頁; Y. S. Salimら、Appl. Biochem. Biotechnol.、2012年、167巻:314〜326頁; P. Mousaviounら、Polym. Degrad. Stabil.、2012年、97巻:1114〜1122頁参照)。US7887893は、生分解特性を保持しながらPHA単独と比較して改善された特性を有するバイオ材料を目指した細菌ポリヒドロキシアルカノエートポリマー/天然繊維複合体について記載している。US6903053は、植物と接触する農業用品のためのPHAコポリマーの使用、及びそのような材料からの化学物質の制御放出のための方法について記載している。
【００２０】
例えば農業及び包装での用途において有用な、低コストの天然バイオポリマーマトリックス複合体を製造する方法が必要とされている。
【００２１】
以上に述べたことは、上に議論したいずれの点をも先行技術として引用可能である又は技術常識の範囲内であると認めるものではないことを理解されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】WO2013/058761
【特許文献２】US2012/0085701
【特許文献３】EP0824503
【特許文献４】EP1773721
【特許文献５】米国特許第7141400号
【特許文献６】US2006/0088921
【特許文献７】WO2013/072723
【特許文献８】US2013/0040351
【特許文献９】US2013/0199997
【特許文献１０】WO2012/166822
【特許文献１１】US8187462
【特許文献１２】US8263373
【特許文献１３】US7887893
【特許文献１４】US6903053
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics、S. Ebnesajjad編、2012年
【非特許文献２】M. Kollerら、Food Technol. Biotechnol.、2010年、48巻:255〜269頁
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【非特許文献４】J.G.C. Gomezら、Advances in Applied Biotechnology、2012年、6巻:14〜25頁
【非特許文献５】J.-Y. Cheeら、Current Research, Technology and Education Topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology、2010年
【非特許文献６】GA. Martinezら、Env. Eng. Manag. J.、2013年、12巻:97〜100頁
【非特許文献７】F. Cerroneら、J. Microbiol. Biotechnol.、2010年
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【非特許文献２１】Y. S. Salimら、Appl. Biochem. Biotechnol.、2012年、167巻:314〜326頁
【非特許文献２２】P. Mousaviounら、Polym. Degrad. Stabil.、2012年、97巻:1114〜1122頁
【非特許文献２３】Droussiら、J. Hazard. Mater.、2009年、164巻: 1281〜1285頁
【非特許文献２４】Garcia-Ibanezら、Fuel Process. Technol.、2006年、87巻: 103〜107頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、(i)単一の廃液流から得られる天然バイオポリマーマトリックス複合体、(ii)単一の廃液流からの同時での水浄化及び天然添加物の回収、並びに(iii)バイオポリマー製造のための基質として使用される、高い有機炭素負荷を有する濃縮溶液を提供することにより、最先端技術の様々な問題を解決することを目的とし、そのようにして、バイオポリマー製造プロセスのコスト及び容易さの観点での最終的な利点を伴いながら、処理される溶液の体積を減らすものである。
【００２５】
したがって、本発明の目的は、単一の廃液流を起源とするバイオ由来のポリマー及びポリマーマトリックス複合体を提供すること、並びにそのようなバイオ由来のポリマーマトリックス複合体を単一の廃液流から製造する方法を提供することにある。
【００２６】
本発明の別の目的は、有機炭素が豊富な廃液流を、予備処理の後に膜ろ過技術によって処理して、有機負荷を濃縮することにある。
【００２７】
本発明の更に別の目的は、ろ過工程において、乾燥され場合によっては更なる処理に供されて、例えば複合体の補強剤として働く天然添加物として用いられるミクロサイズの材料が豊富な濃縮液を製造する少なくとも精密ろ過(MF)工程を提供することにある。
【００２８】
更に、この発明のある特定の実施形態の目的は、超純水及び高有機負荷濃縮液を生じる少なくとも1つの逆浸透(RO)工程を含む連続工程において、MF透過液の更なる処理を提供することにある。
【００２９】
本発明の別の目的は、RO濃縮液を、先のろ過工程の結果得られた濃縮液と任意選択で組み合わせて、複合体のポリマーマトリックスとして使用するバイオポリマーの製造のための基質として使用する方法を提供することにある。
【００３０】
固有の廃液流から得られる複合体は、従来の生物学的/化学的な廃棄物処理によって得ることができる標準的なバイオポリマーと比較して改善された製品の代表である。膜ろ過は、水の浄化又は廃棄物からの付加価値のある分子の回収に使用されてきた。しかしながら、公知の廃液処理プロセスは、ポリマーマトリックス複合体用の天然のミクロサイズの天然添加物の源として廃液流を使用するものではなく、又は、バイオポリマー製造に好適な高COD基質として使用するためのろ過濃縮液中の有機負荷の濃度を増加させるものでもない。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
好ましい実施形態において、本発明は、オリーブ圧搾廃液(OMW)流等の単一の廃液流からポリヒドロキシアルカノエート(PHA)複合体を製造する方法を提供する。
【００３２】
一実施形態において、本発明は、バイオポリマーを製造する方法であって、(a)有機炭素及び有機固体を含む廃液を、(i)精密ろ過に供することによって透過液及び濃縮液を製造し、任意選択で、第1の透過液を(ii)限外ろ過及び(iii)ナノろ過から選択される少なくとも1つのプロセスに更に供する工程であり、工程(ii)及び(iii)のそれぞれが、有機炭素を含む更なる透過液、及び濃縮液を製造し、工程(i)、(ii)及び(iii)のうちの最終の透過液が最終透過液であり、工程(ii)及び(iii)のそれぞれへの投入物が、その直前の工程の透過液である、工程と、(b)最終透過液を逆浸透へ供することによって、有機炭素を含む最終濃縮液を製造する工程と、(c)最終濃縮液を、バイオポリマーを製造する化学的又は生物学的プロセスに供することによって、バイオポリマーを含むバイオマスを製造する工程と、(d)バイオマスからバイオポリマーを単離する工程とを含む、方法を提供する。
【００３３】
一実施形態において、本発明は、バイオポリマーマトリックス複合体を製造する方法であって、(a)有機炭素及び有機固体を含む廃液を、(i)精密ろ過に供することによって透過液及び濃縮液を製造し、任意選択で、第1の透過液を、(ii)限外ろ過及び(iii)ナノろ過から選択される少なくとも1つのプロセスに更に供する工程であり、工程(ii)及び(iii)のそれぞれが、有機炭素を含む更なる透過液、及び濃縮液を製造し、工程(i)、(ii)及び(iii)のうちの最終の透過液が最終透過液であり、工程(ii)及び(iii)のそれぞれへの投入物が、その直前の工程の透過液である、工程と、(b)最終透過液を逆浸透へ供することにより、有機炭素を含む最終濃縮液を製造する工程と、(c)工程a(i)の濃縮液から微粒子を単離する工程と、(d)最終濃縮液を、バイオポリマーを製造する化学的又は生物学的プロセスに供することによって、バイオポリマーを含むバイオマスを製造する工程と、(e)バイオマスからバイオポリマーを単離する工程と、(f)バイオポリマーと工程(c)の微粒子とを組み合わせることによって、バイオポリマーマトリックス複合体を製造する工程とを含む、方法を提供する。好ましい実施形態において、廃液は、工程(a)の前に、粗大固体及び乳化物を除去するために前処理される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】廃棄物流の一部を炭素源として使用して製造されたバイオポリマーを含み、別の一部から製造された天然添加物を、複合体のフィラーとして使用される天然添加物として含み、前者のバイオポリマーがマトリックスである、複合体材料を製造するための一体化されたクローズドプロセスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、有機固体を含む廃液流が、例えば農業及び包装用途において有用な、好適な生分解性及び低コスト材料である、バイオポリマーマトリックス複合体の製造のための出発材料として使用され得るという知見に関する。
【００３６】
本発明のプロセスの一実施形態を、図に概略的に示す。廃液流からの廃液は、任意選択で、粗大固体及び/又は乳化物を除去するために前処理される。前処理された廃液は、精密ろ過に供され、その結果得られた濃縮液は、微粒子を得るために流用され乾燥される。精密ろ過の透過液は、任意選択で、例えば限外ろ過及び/又はナノろ過によって更に処理され、最終透過液、すなわち、精密ろ過、限外ろ過又はナノろ過工程のうちの最後からの透過液は、逆浸透に供される。逆浸透の結果得られた濃縮液には、任意選択で、限外ろ過及び/又はナノろ過工程からの濃縮液が添加されて、複合濃縮液が製造される。逆浸透の濃縮液又は複合濃縮液は、バイオポリマーを製造する化学的又は生物学的プロセスに供される。
【００３７】
次いで、バイオポリマーを精密ろ過の濃縮液からの微粒子と組み合わせて、ポリマーマトリックス複合体を製造する。
【００３８】
一実施形態において、バイオポリマーは、生物学的プロセス、例えば、微生物、好ましくは細菌好気性消化等の好気性消化を含み、任意選択で嫌気性消化を更に含むプロセスによって製造される。一実施形態において、生物学的プロセスは、嫌気性消化と、その後の好気性消化とを含む。
【００３９】
好ましい実施形態において、バイオポリマーマトリックス複合体を製造する方法は、(a)有機炭素及び有機固体を含む廃液を、(i)精密ろ過に供することによって透過液及び濃縮液を製造し、任意選択で、透過液を、(ii)限外ろ過及び(iii)ナノろ過から選択される少なくとも1つのプロセスに更に供する工程であって、工程(ii)及び(iii)のそれぞれが、有機炭素を含む透過液、及び濃縮液を製造し、工程(i)、(ii)及び(iii)のうちの最終の透過液が最終透過液であり、工程(ii)及び(iii)のそれぞれへの投入物が、その直前の工程の透過液である、工程と、(b)最終透過液を逆浸透へ供することによって、有機炭素を含む最終濃縮液を製造する工程と、(c)工程a(i)の濃縮液から微粒子を単離する工程と、(d)最終濃縮液を嫌気性消化に供する工程と、(e)工程(d)の生成物を微生物による好気性消化に供して、バイオポリマーを含むバイオマスを製造する工程と、(f)バイオマスからバイオポリマーを単離する工程と、(g)バイオポリマーと工程(c)の微粒子とを組み合わせることによって、バイオポリマーマトリックス複合体を製造する工程とを含む。
【００４０】
「バイオポリマー」は、この用語が本明細書において使用されるときは、天然源から、抽出する、又は合成プロセス、すなわちバイオ由来モノマーの重合等の生きた微生物を伴わないプロセス、及び自然プロセス、すなわち細菌消化等の微生物を伴うプロセスにより製造することができる、生分解性炭素系ポリマー材料である。
【００４１】
本明細書において使用する用語「廃液」は、工業、農場若しくは農業プロセス等の人が関連するプロセスによって生成される任意の液体水性流、又は都市廃水を指し、高レベルの有機炭素を含有する。廃液中の有機炭素の量は、水サンプル中の有機材料を完全に酸化するのに必要な酸素の指標である化学的酸素要求量(COD)によって測定することができる。そのような廃液は、典型的には、専用の場所で処分するか、又は処分前に更に処理して環境へのインパクトを減じることになる。
【００４２】
用語「複合体」は、少なくとも2種の成分によって形成される複合材料を指し、それらの成分のうちの1種は、典型的には、複合体の全質量の約50%から約99.9%の範囲の量のマトリックスである。複合体は、マトリックスを、典型的には複合体の質量に対して約0.1質量%から約50質量%の範囲の量で使用される添加物又はフィラーと組み合わせることによって形成される。添加物の存在は、マトリックス単独と比較してマトリックスの生分解性を改善し、所望の用途に応じてマトリックス単独の機械的特徴を調節し、添加物がマトリックスより安価である場合には複合体のコストを減じる。
【００４３】
廃液は、任意の廃液流から得ることができるが、好ましくは、高い化学的酸素要求量、例えば、約50mg/L、200mg/L、500mgL又は1000mg/Lより高いCODを有する廃液である。廃液は、固体粒子等の有機固体を好ましくは更に含む。
【００４４】
一実施形態において、廃液は、粗大懸濁固体及び/又は乳化物を除去するために、本方法の工程(a)の前に処理される。この処理は、例えば0.1から2mmの範囲の孔サイズを有する、大孔フィルターによるろ過、低回転速度での遠心分離、及び/又は凝集を含むことができる。この実施形態では、結果として得られたろ液又は上清が、前処理された廃液であり、本発明の方法における工程(a)のための供給原料である。
【００４５】
一実施形態において、工程(a)における廃液は、マイクロメートルサイズの懸濁固体を含有し、ろ過プロセスに供される。一実施形態において、廃液は膜精密ろ過モジュールに送られる。好適なろ過モジュールとしては、例えば、制御された孔サイズを有する管状のセラミック及び/又はポリマー膜を有するものが挙げられる。廃液の流れの方向は、機械ポンプによって動かされ、透過液及び濃縮液を製造する膜に対して正接である。透過液は、膜を通過し膜のカットオフサイズよりも小さいサイズを有する成分を含有する溶液である。濃縮液は、膜のカットオフサイズよりも大きいサイズを有し、したがって膜を通過することができない成分が豊富な溶液である。
【００４６】
好ましい実施形態において、廃液は、セラミック又はポリマー膜を用いた精密ろ過に供される。セラミック膜は、ポリマー膜よりも、高コストであるが、優れた耐性を有する。後に次のろ過工程又は逆浸透に送られる透過液中の化学成分の回収率を最大にするため、濃縮液を、それが分離されたのと同じ膜を通して再度希釈し再循環させるプロセスであるダイアフィルトレーションが、任意選択で使用される。100μmから0.1μm、好ましくは0.2〜2μmの範囲の孔寸法を有する精密ろ過膜の使用は、約100μmから約0.1μmまでの寸法を有する濃縮液中の固体粒子の単離を可能にする。そのような粒子は、好ましくは適切な処理の後に、最終バイオポリマーマトリックス複合体中でフィラーとして使用される。例えば、MF濃縮液からの微粒子を乾燥し、本発明のバイオポリマーマトリックス複合体中でフィラーとして直接使用することができる。好ましくは、これらの微粒子は、例えば粉砕によって、均質化される。好ましい実施形態においては、高エネルギービーズミルを使用して微粒子を粉砕する。一実施形態において、微粒子は約0.1から100μmの範囲の寸法を有する。
【００４７】
精密ろ過工程からの透過液は、液体廃棄物流からの種々の成分を分離するため、任意選択で更にろ過される。例えば、この透過液は、限外ろ過(UF)及び/又はナノろ過(NF)に供することができる。本発明の好ましい実施形態においては、ろ過工程からの透過液を、それに続くろ過工程のための投入物として使用する。UF及び/又はNF工程からの濃縮液は、回収することができ、ろ過システムを通して再度送る、又は所望の用途に応じて他の濃縮液と組み合わせることができる。本発明によれば、精密ろ過濃縮液を回収して、最終バイオポリマーマトリックス複合体中のフィラーとして使用される天然のミクロサイズの粒子を得る。
【００４８】
一実施形態において、精密ろ過透過液は、限外ろ過に供される。好ましい実施形態において、UFモジュールにおいて使用されるUFポリマー膜のカットオフサイズは、1〜50kDaの範囲である。この膜は、場合によってMF透過液中に存在する、タンパク質の種類の高分子、及び長鎖脂肪酸、並びに/又は超分子凝集体に富む濃縮液の分離を可能にする。UF濃縮液は、任意選択でダイアフィルトレーションに供され、次いで、バイオポリマー製造において使用される有機物を増加させるために、RO濃縮液に最終的に添加される。
【００４９】
UF透過液は、任意選択でナノろ過(NF)に供される。NF濃縮液は、任意選択でダイアフィルトレーションに供され、次いで、バイオポリマー製造において使用される有機物を増加させるために、RO濃縮液に最終的に添加される。透過液のUF及び/又はNFは、RO膜のファウリングを防止するのに役立ち、RO膜の寿命を延ばす。使用されるろ過工程に応じて、最終透過液、例えばMF透過液、UF透過液又はNF透過液が、RO処理に供される。好ましい実施形態において、ROモジュールにおいて使用されるROポリマー膜のカットオフサイズは、RO濃縮液中の糖、揮発性脂肪酸(VFAs)、アミノ酸及び無機塩の粗完全な回収を可能にする10〜150Daの範囲、例えば約150Daである。廃液流からの単純な炭水化物としての糖の回収の有用な方法は、約150Daより小さい分子カットオフを有する膜を用いた膜ろ過である。糖単位は、通常、質量が150Daよりも大きいので、溶解している塩と共に濃縮される。RO透過液は、ダイアフィルトレーション及び細菌によるバイオポリマー製造でのようにプロセスにおける希釈工程に有用な超純水である。
【００５０】
上に記載した全てのろ過工程における膜の寿命及び効率は、膜の定期的な逆洗浄、すなわち、各ろ過モジュールを通る廃棄物流のろ過とは反対の方向に脱イオン水を流すことによって延長される。
【００５１】
好ましい実施形態において、廃液流は、オリーブ油製造の副産物であるオリーブ圧搾廃液(OMW)である。OMWは、高いCOD値(最高で170g/L)及びわずかに酸性のpH(4〜5)により特徴付けられる、多量(オリーブ100kg当たり40〜120L)に生成される茶緑色スラッジである。OMWに含有される様々な化学成分の中でも、ポリフェノール及び炭水化物は注目に値する。ポリフェノールは、酸化防止剤として価値があり、OMW中に最大で10質量%存在し、最も豊富なものはオレウロペイン及びヒドロキシチロソールである。還元糖は、約2から20質量%の範囲の総濃度でOMW中に存在し、バイオポリマー製造のための好適な原材料である。OMWは、水の浄化及びバイオポリマーマトリックス複合体製造のために処理するのが困難な廃棄物流の代表である。本発明のプロセスは、OMW等の水性廃棄物流からバイオポリマー複合体を効率的に製造する。
【００５２】
廃液がOMWである場合、MF濃縮液は高密度の茶緑色スラッジである。好ましい実施形態においては、このスラッジを乾燥させ、好ましくは空気乾燥させ、次いで、例えば高エネルギービーズミルを用いて、粉砕することによって微細に均質化する。単離された固体の固体状態FT-IR及び熱重量分析は、以前に示されているように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンの存在を示す(Droussiら、J. Hazard. Mater.、2009年、164巻: 1281〜1285頁; Garcia-Ibanezら、Fuel Process. Technol.、2006年、87巻: 103〜107頁)。これらの材料は、オリーブ油の製造プロセスからの圧搾オリーブ残渣に恐らく由来する。
【００５３】
セルロース及びリグニンは、ポリマーマトリックス複合体中の天然補強剤として使用するのに好適な物質である。
【００５４】
好ましい実施形態において、MF透過液はUFに供される。好ましい実施形態において、UFモジュールにおいて使用されるポリマー膜のカットオフサイズは、1〜50kDaの範囲である。この膜は、場合によってMF透過液中に存在する、タンパク質の種類の高分子、及び長鎖脂肪酸、並びに/又は超分子凝集体に富む濃縮液の分離を可能にする。UF濃縮液は、任意選択でダイアフィルトレーションに供され、次いで、バイオポリマー製造のために細菌により消化される有機物を増加させるために、任意選択でRO濃縮液に添加される。OMWのUF透過液は、ポリフェノール、糖及び塩に富んでおり、任意選択で、NFによって処理して、フェノール化合物、特にオレウロペイン等の高分子量のフェノール化合物を、タンニン及びアントシアニンと共に部分的に除去する。この実施形態において、ヒドロキシチロソール、チロソール、コーヒー酸、p-クマル酸、フェルラ酸等の低分子量ポリフェノールが、NF透過液と濃縮液との間で分配される。UF及びNFは、RO膜のファウリングを防止し、RO膜の寿命を延ばすのに役立つ。ろ過により処理された溶液からのポリフェノールの完全な除去は、NF膜の適切な選択によって、又は当技術分野で公知のアフィニティークロマトグラフィーによって達成される。ポリフェノールは、細菌の増殖を阻害し得るその抗微生物活性のために、細菌によるバイオポリマー製造工程の前に好ましくは実質的に除去される。
【００５５】
フェノールを除去した後、RO濃縮液は、最大で10%w/wの高濃度の総還元性炭水化物を含有しているので、RO濃縮液は、細菌によるバイオポリマー製造のための培地としての使用に好適である。好ましい実施形態において、RO濃縮液は、ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)の細菌による製造のために、糖及びVFA等の適切な炭素源を含有する培地として使用される。このプロセスは、工業規模又は小さな実験室規模で実施することができる。
【００５６】
ある特定の実施形態において、PHA等のバイオポリマーは、フェドバッチ供給条件下で又は連続流モードで製造される。フェドバッチプロセスは、廃棄物流濃縮液を蓄積し、定期的にそれを細菌消化に供することによって、連続流ろ過プロセスに連結される。連続製造プロセスは、ろ過システムから出る廃棄物流濃縮液をバイオリアクターラインに直接供給し、流れを自動的に制御することを含む。
【００５７】
本明細書に記載のフェドバッチプロセスでのPHA製造の例は例示的なものである。本発明の適用は、バッチプロセスの使用に限定されず、当技術分野で公知の連続操作モード等も含む。
【００５８】
廃液濃縮液からのPHAの製造には、種々のアプローチが可能である。そのようなアプローチとしては、ある特定の栄養素(例えばリン及び/又は窒素)の制限がPHAを蓄積することができる適応種の増殖を促進する、細菌の混合培養による濃縮液の消化が含まれる。好ましい実施形態において、単一細菌培養が、乾燥細胞バイオマスの単位当たりに蓄積されるPHAのパーセンテージが高いので、使用される。細菌及び古細菌の両方を含めた多くの微生物属を、PHAを製造し蓄積するために使用することができ(例えば、Koller、Food Technol. Biotechnol.、2010年、48巻、255〜269頁参照)、そのような微生物属には、アシドボラクス(Acidovorax)、アシネトバクター(Acinetobacter)、アクチノバチルス(Actinobacillus)、アクチノマイセテス(Actinomycetes)、アエロモナス(Aeromonas)、アルカリゲネス(Alcaligenes)、アロクロマティウム(Allochromatium)、アナベナ(Anabaena)、アファノテーケ(Aphanothece)、アクアスピリラム(Aquaspirillum)、アスチッカコーリス(Asticcaulus)、アクソバクター(Axobacter)、アゾモナス(Azomonas)、アウレオバシジウム(Aureobasidium)、アゾヒドロモナス(Azohydromonas)、アゾスピリラム(Azospirillum)、アゾトバクター(Azotobacter)、バチルス(Bacillus)、ベギアトア(Beggiatoa)、ベイジェリンキア(Beijerinckia)、ベネケア(Beneckea)、ブラシモナス(Brachymonas)、ブラディリゾビウム(Bradyrhizobium)、ブルクホルデリア(Burkholderia)、カリオファノン(Caryophanon)、カウロバクター(Caulobacter)、クロロフレククサス(Chloroflexus)、クロログロエア(Chlorogloea)、クロマチウム(Chromatium)、クロモバクテリウム(Chromobacterium)、クロストリジウム(Clostridium)、コマモナス(Comamonas)、コリネバクテリウム(Corynebacterium)、カプリアビダス(Cupriavidus)、シアノバクテリウム(Cyanobacterium)、デフルビーコッカス(Defluviicoccus)、デルキシア(Derxia)、デルフチア(Delftia)、エクトチオドスピラ(Ectothiorhodospira)、エルウィニア(Erwinia)、エスケリキア(Escherichia)(組換え型及び野生型)、フェロバチルス(Ferrobacillus)、ガムフォスフェリア(Gamphospheria)、グロエオカプサ(Gloeocapsa)、グロエオテセ(Gloeothece)、ヘモフィラス(Haemophilus)、ハロバクテリウム(Halobacterium)、ハロアーキュラ(Haloarcula)、ハロフェラクス(Haloferax)、ハロモナス(Halomonas)、ハロクアドラツム(Haloquadratum)、ハロテリゲナ(Haloterrigena)、ヒドロゲノファガ(Hydrogenophaga)、ヒフォミクロビウム(Hyphomicrobium)、クレブシエラ(Klebsiella)(組換え型)、ランプロシスティス(Lamprocystis)、ランプロペディア(Lampropedia)、レプトスリックス(Leptothrix)、レジオネラ(Legionella)、メタノモナス(Methanomonas)、メチロバクテリウム(Methylobacterium)、メチロシナス(Methylosinus)、メチロシスチス(Methylocystis)、メチロモナス(Methylomonas)、メチロビブリオ(Methylovibrio)、ミクロコッカス(Micrococcus)、ミクロコレウス(Microcoleus)、ミクロキスティス(Microcystis)、ミクロルナタス(Microlunatus)、ミクロボレウス(Microvoleus)、モラクセラ(Moraxella)、マイコプラナ(Mycoplana)、ニトロバクター(Nitrobacter)、ニトロコッカス(Nitrococcus)、ノカルディア(Nocardia)、ネンジュモ(Nostoc)、オセアノスピリルム(Oceanospirillum)、オシラトリア(Oscillatoria)、パラコッカス(Paracoccus)、パウシスピリラム(Paucispirillum)、ペドミクロビウム(Pedomicrobium)、フォトバクテリウム(Photobacterium)、プロトモナス(Protomonas)、シュードモナス(Pseudomonas)、ラルストニア(Ralstonia)、リゾビウム(Rhizobium)、ロドバクター(Rhodobacter)、ロドコッ��ス(Rhodococcus)、ロドシュードモナス(Rhodopseudomonas)、ロドスピリラム(Rhodospirillum)、ルブリビバクス(Rubrivivax)、サッカロファガス(Saccharophagus)、シノリゾビウム(Shinorhizobium)、スファエロチラス(Sphaerotilus)、スピリラム(Spirillum)、スピルリナ(Spirulina)、スタフィロコッカス(Staphylococcus)、ステラ(Stella)、テオキスチス(Thiocystis)、チオディクチオン(Thiodictyon)、チオペジア(Thiopedia)、チオスファエラ(Thiosphaera)、バリオボラクス(Variovorax)、ビブリオ(Vibrio)、ワウテルシア(Wautersia)(現カプリアビダス(Cupriavidus))、キサントバクター(Xanthobacter)及びズーグレア(Zoogloea)が含まれる。
【００５９】
製造されるPHAの性質は、使用する微生物菌株、並びに細菌の増殖及び蓄積を支援する栄養素として働く廃液濃縮液中の炭素源に依存する。好適な栄養素としては、フルクトース、グルコース、キシロース、スクロース、ラクトース等の糖;酢酸、プロピオン酸、及び酪酸、乳酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、オレイン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、吉草酸、及び4-ヒドロキシヘキサン酸を含めた、揮発性脂肪酸(VFA)等の有機酸;グリセロール及び1,3-ブタンジオール等のアルコール及び多価アルコール;並びにメタン及び二酸化炭素等のガスが挙げられる。アルコール、VFA及び糖等の小分子は、本明細書に記載のろ過/逆浸透プロセスによって、廃液から効果的に単離されることが見出された。このように、本発明の方法を使用して製造される典型的な廃液濃縮液は、これらの栄養素の多くを含み、したがって、細菌によるPHA製造の源として役立ち得る。
【００６０】
好ましい実施形態において、廃液はOMWであり、RO濃縮液は糖及びVFAを含む。
【００６１】
このような炭素源からPHAを効果的に蓄積することができる細菌種としては、アゾヒドロモナス・アウストラリカ(Azohydromonas australica)、アゾヒドロモナス・ラタ(Azohydromonas lata)(旧アルカリゲネス・ラトゥス(Alcaligenes latus))、アゾトバクター・ベイジェリンキイ(Azotobacter beijerinckii)、アゾトバクター・クロオコッカム(Azotobacter chrococcum)、アゾトバクター・ビネランディ(Azotobacter vinelandii)、バチルス・メガテリウム(Bacillus megaterium)、バチルス種(Bacillus sp.)、ブルクホルデリア・セパシア(Burkholderia cepacia)(旧シュードモナス・ムルティボランス(Pseudomonas multivorans)及びシュードモナス・セパシア(Pseudomonas cepacia))、カウロバクター・ビブリオイデス(Caulobacter vibrioides)、コマモナス種(Comamonas sp.)、カプリアビダス・ネカトール(Cupriavidus necator)(旧ヒドロゲノモナス・ユートロファ(Hydrogenomonas eutropha)、アルカリゲネス・ユートロフス(Alcaligenes eutrophus)、ラルストニア・ユートロファ(Ralstonia eutropha)及びワウテルシア・ユートロファ(Wautersia eutropha))、ハロモナス・ボリビエンシス(Halomonas boliviensis)、ヒドロゲノファガ・シュードフラバ(Hydrogenophaga pseudoflava)、ノボスフィンゴビウム・ニトロゲニフィゲン(Novosphingobium nitrogenifigen)、シュードモナス・アエルギノサ(Pseudomonas aeruginosa)及びリゾビウム・メリロティ(Rhizobium meliloti)が挙げられる。
【００６２】
好ましい実施形態において、本発明の方法において使用される細菌種はアゾトバクター・ビネランディである。別の好ましい実施形態において、本発明において使用される細菌株は、アゾトバクター・ビネランディUWDである。天然の炭素源に添加された他のモノマーが存在しない場合、アゾトバクター・ビネランディ種によって蓄積されたポリマーは、短鎖長(scl)PHAであるポリ-3-ヒドロキシ-ブチレート(PHB)である。ある特定の実施形態において、3-ヒドロキシ-ブチレート(3-HB)以外の特定のモノマーが細菌消化に添加される。そのような追加のモノマーの非限定的な例は、3-ヒドロキシバレレート(3-HV)であり、これはコポリマーであるポリ(3-HB-co-3-HV)(PHB-HV)の製造につながる。最終PHB-HVコポリマー中のHVモノマーのパーセンテージは、所望の熱機械的特性等の所望の特性をコポリマー生成物に付与するように選択することができる。ある特定の細菌種、例えばカプリアビダス・ネカトールは、外因的なヒドロキシ酸モノマーを添加することなく天然の炭素源からコポリマーを直接製造する。
【００６３】
本発明において、PHA等のバイオポリマーの細菌による製造は、嫌気性消化及び好気性消化工程からなり、これらの工程各々は、異なるバイオリアクターで好ましくは実施される。各工程は、好ましくは、当技術分野において公知の好適な温度及びpH制御を受ける。消化工程に供される流れは、任意選択で他の濃縮液、例えばUF濃縮液及び/又はNF濃縮液と組み合わせられた、上に記載したRO濃縮液である。
【００６４】
一実施形態において、最初の供給材料は嫌気性消化に供され、そうすることで、部分的糖発酵によってVFAの濃度が増加し、酸発酵として知られるプロセスを通じて主に酢酸、プロピオン酸及び酪酸が生成する。この手法は、細菌が第2の好気性消化においてジオキシック増殖を受けることを可能にする。混合微生物培養物を含有する新鮮なスラッジを、接種材料として最初の供給材料に添加して、嫌気性消化及び酸発酵を開始する。スラッジは、好ましくは、工業、都市又は農場スラッジであり、例えば、都市水処理プラントからのスラッジである。スラッジは、嫌気性消化プロセスを開始する。本発明の好ましい実施形態において、嫌気的条件は、ヘリウム又はアルゴン等の不活性ガスを出発混合物にバブリングすることによって生成する。
【００６５】
温度及び初期pH値は、酸発酵収率を最大にするように選択され、出発供給材料の組成に依存する。好ましい実施形態において、任意選択でUF及び/又はNF濃縮液と混合された、OMW RO濃縮液のpHは、4.5から6.0の範囲であり、温度は恒温槽によって所望の値に維持される。ある特定の実施形態において、温度は、25〜45℃の範囲、好ましくは約37℃に維持される。
【００６６】
別の好ましい実施形態において、溶液中のVFAの濃度を増加させるのに十分な時間にわたって、酸発酵期を行う。ある特定の実施形態において、酸発酵期は、約24から約48時間、好ましくは約24から約30時間、より好ましくは約27時間行われる。この時間の終わりに、嫌気性消化された溶液は、選択された細菌株を接種した後、好気性消化に供され、任意選択で更になる処理に供される。
【００６７】
好ましい実施形態において、嫌気性消化された溶液を、好気性消化の前に、更に処理して懸濁固体を除去し、pHを調整し、且つ/又は物理的に滅菌する。例えば、ある特定の実施形態において、嫌気性消化された溶液を、溶液中に懸濁している可能性のある粗大固体粒子を除去するのに十分な高速度及び十分な時間で、好ましくは2000〜9000rpmの範囲の速度で2から20分間、より好ましくは8000rpmで10分間、遠心分離する。別の好ましい実施形態において、遠心分離の結果として得られる上清のpHは、約6.0から8.0の範囲の値、より好ましくは約7.0に調整される。ある特定の実施形態において、pHは、水酸化ナトリウム若しくは水酸化アンモニウム水溶液等の塩基性水溶液、又は任意の他の塩基の添加によって調整される。水酸化アンモニウムは、溶液中で窒素源としても働くことができる。別の好ましい実施形態においては、好気性消化段階において選択された細菌株以外の微生物の増殖を回避するために、pH調整された溶液を物理的膜ろ過によって滅菌する。例えば、0.2μm以下の孔寸法を有するポリマー膜を物理的滅菌に使用することができる。
【００６８】
好ましい実施形態において、嫌気性消化された溶液は、上に述べたような任意選択の更なる処理に続いて、選択された細菌株を接種した後に好気性消化するための第2のバイオリアクターに送られる。
【００６９】
本出願人は、本明細書に記載のろ過/ROプロセスが、出発廃液より糖及び他の小分子が5から7倍濃縮されたRO濃縮液を生じることができ、したがって、PHA等の細菌性バイオポリマーの製造及び細胞内蓄積のために非常に望ましい濃縮栄養培地を提供することを見出した。
【００７０】
本発明の好ましい実施形態において、嫌気性消化された溶液は、上に記載したpH調整及び滅菌に続いて、好気性消化段階におけるPHA製造に最適な条件を得るために脱イオン水で希釈される。好ましい実施形態において、嫌気性消化された溶液の体積の添加される脱イオン水の体積に対する比は、1.0から99.0%の範囲である。別の好ましい実施形態において、この比は70%v/v未満、好ましくは10から50%v/vの範囲である。別の好ましい実施形態において、この比は、20から40%v/vの範囲である。廃棄物流濃縮液の希釈が低いほど、等しい出発量の廃液からPHA等のバイオポリマーを同量製造するのに必要な体積は少なくなる。
【００７１】
本発明によれば、pH調整及び滅菌後に任意選択で希釈された、嫌気性消化された廃棄物流濃縮液は、選択された細菌株の接種に続いて好気性消化に供される。好ましい実施形態において、細菌株は、アゼトバクター・ビネランディUWDである。選択された細菌株は、接種のための所望の細胞密度を得るために、バイオリアクターに添加される前に、同じ培地中、すなわち嫌気性消化された廃棄物流濃縮液中で予備増殖される。別の好ましい実施形態において、106細胞/mLの接種菌液が使用される。好気性消化は、インキュベーション時間が長すぎるときに、蓄積されたバイオポリマーが結果的に増殖培地中に分散した分散体に起こり得る、細菌細胞の溶解を避けつつ、細胞内PHA等のバイオポリマーの蓄積を最大化するのに充分な時間にわたって、好ましくは継続する。好ましい実施形態において、インキュベーションは約24から120時間の範囲で実施される。より好ましい実施形態において、インキュベーションは約48から96時間実施される。
【００７２】
好気性インキュベーションの終わりに、細胞内に蓄積されたバイオポリマー、例えばPHAの顆粒を抽出して、バイオポリマー生成物を回収する。好ましい実施形態において、細菌細胞及び細胞内に蓄積されたバイオポリマーを含む、好気性消化の結果得られるバイオマスは、遠心分離によって単離され、好ましくはリン酸緩衝溶液で洗浄され、例えば真空又は凍結乾燥によって乾燥される。次いで、乾燥されたバイオマスは、細胞内バイオポリマー顆粒を抽出するために、細菌細胞膜の溶解を伴う抽出プロセスに好ましくは供される。PHAを抽出するのに好適な方法としては、例えば、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2-ジクロロエタン等の塩素化溶媒、又はアセトン及び1,2-プロピレンカーボネート、又はメチル-t-ブチルエーテル、プロピオン酸イソアミル、吉草酸イソアミル及び酪酸プロピル等の非ハロゲン化溶媒を使用する溶媒抽出;例えば、界面活性剤、又は次亜塩素酸ナトリウム等の塩を使用する非溶媒消化法;混合溶媒消化抽出;酵素消化;例えば超臨界二酸化炭素、アンモニア又はメタノールを使用する、超臨界流体(SCF)抽出;例えばビーズミル又は高圧均質化を使用する、機械的抽出;超音波又はガンマ線曝露が挙げられる。
【００７３】
選択された抽出方法は、抽出されたバイオポリマーの特性のうちの化学的特性に影響を及ぼす。本発明の好ましい実施形態において、抽出方法は、抽出されたバイオポリマーの所望の特性を維持しながら、且つ好ましくは環境に優しいプロセスを維持しながら、抽出収率を最大にするように選択される。
【００７４】
バイオポリマーがPHAである場合、それは白色粉末の形態で単離され、従来のプラスチック製作手法で加工することができる。本出願人は、上に記載したプロセス、すなわちOMWのRO濃縮液のアゾトバクター・ビネランディUWDによる細菌消化によって製造されたPHAがポリ(3-ヒドロキシブチレート)であることを見出した。
【００７５】
上に記載したようにして製造されたPHAは、バイオ複合体のマトリックスとして使用することができ、ここで、添加物としては、PHAを製造するために使用されたのと同じプロセスの生成物である天然の作用物質が挙げられる。好ましい実施形態において、このような添加物はMF濃縮液中に回収される。しかしながら、本発明は、遠心分離を含めた他の方法を使用して廃液流から天然添加物を回収することも企図している。
【００７６】
天然添加物が回収され、前述の方法に従ってPHAバイオマトリックスが製造されたら、それらを組み合わせて所望の複合体を得る。天然添加物は、複合体の意図される用途に応じて、種々の量及び形態でバイオポリマーマトリックスに添加することができる。更に、複合体の調製は、いくつかの技術によって達成することができる。本発明の好ましい実施形態において、複合体は、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-プロパノール等のフッ素化有機溶媒並びにクロロホルム及びジクロロメタン等の塩素化有機溶媒を含めた、PHAを溶解することができる溶媒又は溶媒混合物中で、溶媒の質量に対して0.1から20%w/w、好ましくは1から5%w/wの間の範囲のPHA濃度と、適切な添加物濃度、例えばPHA及び添加物の総質量に対して0.1から49.9%w/w、好ましくは10から40%w/wの添加物濃度とを有する懸濁液からキャスティングすることによって、薄いフィルムの形態で調製される。
【００７７】
他の好ましい実施形態において、複合体は、有機溶媒を使用することなく調製される。例えば、最終の複合体を均質化するために、PHAマトリックスは、その溶融温度まで、典型的には170〜180℃の範囲で、又はPHAの溶融を誘発するための機械的圧力の付随的な印加を伴って、より低い温度に加熱され得る。この実施形態では、PHBマトリックスは、加熱されて、任意選択でプレスされて、溶融すると、天然添加物のための粘性の分散マトリックスとして作用し、所望の形態、好ましくは、シートの形態、又は農業用品の調製及び包装に使用することができる種々の形状の容器の形態へ、加工処理され、均質化され、室温まで冷却され得る。有機溶媒を使用しないか又は限定的に使用して複合体を調製するのに好適な技術としては、限定されるものではないが、ハンド/ウェットレイアップ法、押出、引抜、溶接、複合化、積層、圧縮、射出及び真空バッグ成形、並びにホットプレスが挙げられる。
【００７８】
好ましい実施形態において、天然添加物は、微細なミクロサイズで実質的に単分散した粉体の形態で添加される。別の好ましい実施形態において、MFにより回収された天然添加物の分粒は、乾燥させた凝集した粉体を機械的圧力に供し、任意選択で高エネルギービーズミルによる粉砕に供することによって達成される。添加物の他の形態は、複合体の調製に好適なものであり、廃液から分離された後で且つ最終の複合体中のPHAマトリックスに添加される前の天然添加物の前処理に依存する。
【００７９】
PHAマトリックスと天然添加物は反対の溶解特性を有するので、それらの間の界面接着を改善するために、カップリング剤及び可塑剤を任意選択で使用することができる。ある特定の実施形態において、そのような作用物質は、最終バイオ複合体の素地特性(green nature)、生分解性、堆肥化性及び/又は環境適合性(biocompatibility)を保つように選択される。そのような作用物質の例としては、限定されるものではないが、グリセロールが挙げられる。好ましい実施形態において、添加物のPHAマトリックスへの溶解性を高めるため、及びPHAの脆性を減少させることによって最終の複合体の機械的特性を可塑性の観点で改善するため、天然のカップリング剤及び可塑剤としてグリセロールが使用される。グリセロールは、脂肪酸の天然形態であるグリセリド(モノ、ジ及びトリ)中に豊富に存在する天然の化学物質であり、更にバイオディーゼル製造の副産物(最終のバイオディーゼルに対して10%w/w)であり、したがって、環境に優しいバイオ複合体中の作用物質として使用される理想的な候補である。
【００８０】
好ましくはPHAに対して0.1から30%w/wのパーセンテージ、より好ましくは7〜25%の範囲での最終バイオ複合体中でのグリセロールの使用は、最終製品の脆性を大きく減少させ、従来のプラスチック作製技術によって様々な形態に成形することを容易にする。
【００８１】
リグニン及びセルロース画分を主な成分とするMF天然添加物組成物は、最終の複合体の剛性又は柔軟性の調節の観点で、バイオポリマーマトリックスに種々の特性を付与するのに好適である。そのような製品は、バイオポリマーマトリックス自体とは異なる特性を有している。最終バイオポリマーマトリックス複合体に組み込まれる天然添加物の質量及び形態は、その完全な生分解性及び堆肥化性を維持しつつ、複合体の所望の用途のための目標とする機械的特性を得るべく、変更してもよい。生分解性及び堆肥化性は、実際には、最終の複合体並びに農業及び包装におけるその用途にとって非常に重要である。PHAマトリックス自体は、埋立地中だけでなく、湖沼、海水及び土壌中においても、6ヶ月以内に完全に分解されることが可能である。PHAマトリックスの分解は、複合体中に含有される天然添加物の、環境中への分散を可能にする。本出願人は、この挙動が本発明の複合体物の堆肥化性を増加させることを見出した。なぜならば、MF又は他の前述の技術によって出発廃液から回収される天然添加物が堆肥として使用するのに好適な材料であるためである。したがって、以下でより十分に説明される用途においてこのバイオ複合体を使用する利点は、処分されバイオ分解されて、準ゼロCO2排出、すなわち準中立炭素サイクルによって生体内変化サイクルを完了するという、製品ライフサイクルの終わりのバイオ複合廃棄物材料の高い能力に関連する。本出願人は、本発明が、コストの観点においても工業的に当を得た、全て天然からなる有利な材料を提供することを見出した。実際に、本発明のバイオ複合体物は、PHA系製品の代替材料として使用するのに好適である。PHAが市場で採択されることの主な限界の1つは、その高い価格に確実に関係しており、その価格は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート等の化石炭素由来ポリマーの代替としてのその使用を制限している。本発明の廃液流から抽出される天然添加物の市場潜在的コストは、これらの天然添加物が堆肥材料として販売される場合には、質量単位当たりのPHAの市場価格よりも概して3桁低い。これらの天然添加物は、最終の複合体中で最大50質量%のパーセンテージで使用されるので、複合体コストは、単位質量当たり、PHA自体に対して1/2に低減することができる。したがって、本発明の複合体物で作られた製品は、生分解特性を保ち、改善された堆肥化性、及び機械的特性が調整される可能性を伴いながら、純粋なPHAから作られた相当する製品よりも安価である。
【００８２】
一実施形態において、本発明はバイオポリマー複合体に関する。一実施形態において、バイオポリマー複合体は、本発明の方法によって製造される。
【００８３】
ある特定の実施形態において、バイオポリマー複合体は、ポリ(3-ヒドロキシブチレート)又はポリ(3-ヒドロキシブチレート-co-3-ヒドロキシバレレート)等のPHAを含む。ある特定の実施形態において、バイオポリマー組成物は、例えばリグニン及び/又はセルロースを含む有機微粒子を好ましくは更に含む。ある特定の実施形態において、微粒子は0.1から100μmの範囲の寸法のものである。一実施形態において、微粒子は、PHA及び微粒子の総質量に対して0.1から49.9%w/w、好ましくは約10から約40%w/wの量で複合体中に存在する。
【００８４】
本発明のバイオ複合体は、例えば農業、また一般に包装における用途を有する一連の製品の調製において使用することができる。特に、埋立地に処分され、大量の廃棄物を生成することになるか、又は土壌と接触し、環境汚染を防止するために除去されなければならない、短いライフサイクルを有する従来のプラスチック用品は、対象のバイオ複合体を用いて有利に作製され得る。主な利点は、バイオ複合体が、製品寿命の終わりに、自然の嫌気性及び好気性微生物分解プロセスによって分解され、したがって汚染残留物を生じることなく環境中に安全に処分され得ることである。このように、本材料は効率的に生分解される。これは、土壌及び植物と接触する農業用品にとって有利である。なぜならば、それらは、それらの使用後に除去される必要がなく、完全に生分解されるまでそれらが使用された場所にそのまま放置することができるからである。純粋なPHAベース材料に関しては、それらはより安価で、有機材料、すなわちバイオポリマーマトリックスの生分解時に放出される複合体中に含まれる天然添加物を、土壌に送ることができる。
【００８５】
本発明の複合体を用いて作製することができる製品の例としては、限定されるものではないが、貯蔵容器及び包装容器、フィルム、バッグ、カップ、プレート、カトラリー、並びに農業用品が挙げられる。本発明の複合体で作製することができる農業用品の例としては、限定されるものではないが、植物を土壌中に残した後に土壌中に放置して経時的に生分解させることができる移植コンテナー及び地中ポット;腐食及び湿気制御のためのカバーフィルム、及び植物成長期後に除去される必要がないマルチ;土及び植物又は種子と接触するバッグ、ネット及び撚り糸;  過酷な条件又は鳥類から種子を保護するために使用することができる、制御された分解時間を有する種子用のフィルム、ラップ又はバッグ;バイオポリマー複合体の生分解時の土壌中への化学物質又は生物活性物質の制御された徐放のために、そのような物質が予め充填された、様々な農業用品;並びに植物の湿度、温度及びUV曝露を調節するための、温室又は水耕栽培のためのカバー又はテントとしてのフィルムが挙げられる。
【００８６】
以上の製品は、純粋なPHAの代わりに本発明のバイオ複合体を原材料として使用すると都合よく製造され、バイオ複合体中の天然添加物の量を調整することによって機械的特性を調節することが可能であり、製品ライフサイクルの終わりの廃棄物材料の生分解性及び堆肥化性が改善され、原材料のコストが低下する。
【００８７】
上述の用途において本発明のバイオ複合体を使用する利益は、本明細書に記載の一体化プロセスにより、そのような生分解性で堆肥化可能で低コストのプラスチック原材料を固有の廃液流から製造するという利点と組み合わされる。したがって、本発明のバイオ複合体のようなコスト及び性能の観点で工業的に応用可能な材料は、環境に安全であり、カーボンニュートラルプロセスで製造され、汚染を生じない。実際、バイオ複合体の製造は、工業プロセスからの廃液流から、価値あるものを効率的に処理し抽出することによって、汚染を効果的に減じる。
【実施例】
【００８８】
オリーブ圧搾廃液(OMW)を10L/hの速度で大孔フィルター(0.5mm孔サイズ)に通して、粗大な懸濁固体を除去し、その後の工程での膜ファウリングを制限した。次いで、前処理されたOMWを、ダイアフィルトレーション技術による精密ろ過(MF)、限外ろ過(UF)及び逆浸透(RO)に供した。全てのプロセスは、制御された温度(20℃、熱交換器を使用)にてN2雰囲気下で実施した。精密ろ過には、総面積8m2の管状ポリプロピレン膜(カットオフ0.1〜0.3μm)を使用した。限外ろ過には、カットオフが7kDaで総面積が16m2の、ポリアミド及び微量のポリスルホンから作製された2つのスパイラル膜を使用した。Durasan(商標)及びポリスルホンから構成され全面積が9m2のスパイラル薄膜(TFM)を逆浸透に使用した。元のオリーブ粉砕廃棄物流、精密ろ過透過液(MFP)及び逆浸透濃縮液(ROC)の特徴を以下の表に示す。
【００８９】
【表１】
2017531447.tif 000003
【００９０】
MF濃縮液は、高密度の茶緑色スラッジの形態で回収され、その後空気中で乾燥し、最終的には高エネルギービーズミルで微細に均質化した。単離された固体についての固体状態FT-IR(3400cm-1広帯域νO-H;2925、2855cm-1νC-H;1745、1630cm-1νC=0;1550-800cm-1νC=N + νC=C + νC-N + νC-O + νC-C;νC-H + νO-H + νN-H;炭水化物、多糖類及び芳香族エーテルに典型的な1050cm-1を中心とする強い吸収帯)並びにTGA(動態:5℃〜900℃、10℃/分;N2流量:50mL/分)分析は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンの存在を示した。
【００９１】
可溶性ポリフェノールを除去するためRO濃縮液を固相抽出によって処理し、その最終濃度を0.15g/Lまで低下させた。RO濃縮液中の総還元糖濃度を測定したところ、pH5.26で8.4g/Lであった。嫌気性消化は、サーモスタット並びにガス注入口及び排出口を備えたガラスバイオリアクター内で実施した。RO濃縮液をバイオリアクターに注ぎ入れ、新しい活性スラッジを添加して(初期COD値に対して10%w/w)嫌気性発酵を開始した。発酵を開始する前に、培地をヘリウムで20分間パージして、溶存酸素を除去した。嫌気性消化は、連続的で穏やかな撹拌下で、37℃にて、選択された時間、典型的には24から48時間の間行った。この時間の終わりに、消化された流れを8000rpmで10分間遠心分離し、孔サイズ0.2μmのポリマー膜に通すことによって滅菌した。結果として得られた培地を、2度蒸留された水で所望の濃度(例えば20%、40%、60%、80%v/v)に希釈し、NH4OHの濃縮溶液を滅菌条件下で滴下添加することによってpHを7.2に調整した。
【００９２】
希釈した培地を、アゼトバクター・ビネランディUWD株による好気性消化のための基質として使用した。この菌株は、同じ液体流中で予備増殖した後、106細胞/mLの濃度で接種した。好気性消化は、細胞内PHAの蓄積を最大化するため、所望の時間にわたって継続し、典型的には24から120時間の範囲であった。この期間の終わりに、固体バイオマスを8000rpmで10分間の遠心分離によって回収し、凍結乾燥させた。細胞に蓄積された固体ポリ(ヒドロキシブチレート)(PHB)は、NaClO水溶液を使用して細胞膜を弱めて、細胞内バイオポリマーの回収のために膜破壊を容易にする、従来の抽出方法の改変法によって抽出した。結果として得られたPHBは、任意選択で結晶化により精製した。単離された固体を、1H-NMR(600MHz、CDCl3:5.24sex、1H;2.51, m, 2H;1.25, d, 3H)により分析し、得られたポリマーの構造がポリ-3-ヒドロキシブチレートであることを確認した。熱分析(m.p.=175℃(DSC)、Tg=3〜4℃(DSC)、Td=274℃(TGA))により、得られた生成物の性質を更に確認した。
【００９３】
上に記載したようにしてMF工程から単離された固体材料を、所望のパーセンテージでPHBマトリックス複合体の添加物として使用した。典型的な手順では、前述のOMWの微生物消化から製造されたPHB(200mg)、及びグリセロール(20mg)を、超音波処理及び穏やかな加熱を用いて、PHB最終濃度2%w/wとなるように1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-プロパノールに溶解した。PHBが完全に溶解した後、MFから単離した固体材料(80mg)を溶液に添加し、均質な粘性分散体が得られるまで溶液を激しく撹拌した。分散体をペトリ皿にキャスティングし、溶媒が完全に蒸発するまで60℃にて数分間加熱することにより、PHBベースのポリマー複合体を薄いフィルム(5〜20μmの厚さ)の形態に成形した。
【００９４】
この発明について、その好ましい実施形態を参照しながら、詳細に示し、説明してきたが、その中において、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々な変更がなされ得ることは、当業者によって理解される。
【図１】
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【国際調査報告】
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