凝聚剂及凝聚方法

1.凝聚剂，其特征在于以对培养γ-聚谷氨酸产生菌而得的培养 物进行放射线照射而得到的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线 交联体为主要成分。
2.根据权利要求1的凝聚剂，其特征在于放射线交联体内部存 在的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体的分子量为1000 万以上。
3.凝聚剂，其特征在于在γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射 线交联体中添加选自铝、钙、铁、镁中一种以上的金属离子。
4.根据权利要求3的凝聚剂，其特征在于γ-聚谷氨酸或γ-聚 谷氨酸盐的放射线交联体的分子量为1000万以上。
5.凝聚方法，其特征在于将γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放 射线交联体添加到被处理液中使其浓度为0.1mg/L～10mg/L。
6.根据权利要求5的凝聚方法，其特征在于γ-聚谷氨酸或γ- 聚谷氨酸盐的放射线交联体的分子量为1000万以上。

技术领域\n本发明涉及上水道、食品制造、发酵工业、下水处理、废水处理等 领域使用的凝聚剂，更详细地是涉及以γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的 放射线交联体为主要成分，在被处理液中投入少量凝聚剂即可显示高 效凝聚活性，而且对环境、生物尤其对人体无害的凝聚剂或凝聚方法。\n背景技术\n以往下废水处理使用的凝聚剂，多使用聚丙烯酰胺等合成高分子 凝聚剂。但这种凝聚剂放到环境中难以分解而有在环境中积累的倾 向，而且其单体有毒。\n因此，这种合成高分子凝聚剂只用于下废水处理，不能作为上水 道、食品产业、发酵工业等领域的凝聚剂。而且，在环境净化的趋势 下，即使对下废水处理也正在研究比较安全的新型凝聚剂。\n其中，特开平8-257306号介绍了一种由γ-聚谷氨酸得到的凝聚 剂。这种谷氨酸是纳豆粘丝成分，换句话说，它本身就是-种食品。 因此，这种γ-聚谷氨酸对人体无害，同时也是具有利用微生物的生物 降解性的极其安全的物质。\n这种安全的γ-聚谷氨酸具有凝聚活性的发现对于凝聚领域来说 具有划时代的意义。γ-聚谷氨酸的本身就是一种食品，所以不仅可作 为下废水处理的凝聚剂，也可作为上水道、食品产业、发酵工业等人 体摄取领域的凝聚剂。\nγ-聚谷氨酸具有生物降解性，即使放到环境，由微生物分解成 水、二氧化碳，不会在环境中积累。而且γ-聚谷氨酸即使残留在水道 水、食品和发酵物中，也对人体无害，非常安全。\n从前述特开平8-257306号公报中可知，γ-聚谷氨酸具有如此优 良的性质，但是作为凝聚剂尚存在投入量及凝聚活性不够充分的问 题。\n尤其是，前述公开文本中图2显示γ-聚谷氨酸浓度为20mg/L左 右凝聚活性出现一峰。这意味着1升被处理液必需投入20mg的γ-聚 谷氨酸。目前γ-聚谷氨酸的价格还很高，对于下水废水处理那样需要 凝聚大量被处理液的场合，凝聚处理费用相当高。\n按照图2，即使将γ-聚谷氨酸的浓度定为20mg/L，凝聚活性也只 达到4左右。这个公开文本中凝聚活性以1/OD550表示，具体定义的量 为1/样品值-1/空白值。样品值是凝聚后上层澄清液的OD550，空白值 是未凝聚液、即污浊液的OD550。这里的OD550是指使用550nm波长的光 时，以log10(I0/I)定义的光密度。\n因此，凝聚活性为4时，1/log10(I0/I)＝4，所以I＝I0/1.8 ＝0.55I0。即凝聚活性为4时，透过光量I被衰减到入射光量I0的 1/2左右。即意味着即使进行凝聚处理后，仍然污浊在光量被减半的程 度。这表明γ-聚谷氨酸的凝聚力不够充分。\n测定凝聚活性时，使用高岭土作为污浊组分。高岭土为粘土状物 质，其初期浓度高时会自然发生自凝聚。在前述公开文本中，测定的 高岭土悬浊液浓度为5g/L，处于浓度很高的白浊状态。即在最高条件 凝聚活性即使是4，测定中若有自凝聚发生，则实际凝聚活性是小于4 的。\n要准确测定凝聚活性，即使使用高岭土也需要使用低浓度的处理 液。为了更准确测定凝聚活性，需要将自然界中存在的低浓度的污浊 水作为被处理液进行凝聚实验。\n为此，本发明的目的是提供一种凝聚剂和凝聚方法，此凝聚剂通 过物理改性γ-聚谷氨酸，以小投入量的凝聚剂也就是浓度较低的凝聚 剂即可显示高效凝聚活性。\n发明内容\n本申请的权利要求1的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是γ -聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体。\n本申请的权利要求2的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是由γ -聚谷氨酸产生菌产生的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联 体。\n本申请的权利要求3的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是放 射线交联体，此交联体是用放射线照射由培养γ-聚谷氨酸产生菌所得 的培养物而得到的。\n本申请的权利要求4中的发明为凝聚剂，其特征在于主要成分是 分子量是1000万以上的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐交联体的放射 线交联体。\n本申请的权利要求5中的发明为凝聚剂，其特征在于在γ-聚谷氨 酸或γ-聚谷氨酸盐交联体中加入选自铝、钙、铁、镁中一种以上的金 属离子。\n本申请的权利要求6中的发明为凝聚方法，其特征在于将γ-聚谷 氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体添加到被处理液中，使其浓度为 0.1～10mg/L。\n具体实施方式\n以下，详细说明本发明凝聚剂和凝聚方法的具体实施方式。\n本发明者等以凝聚活性的高效化为目的，专心研究发现由放射线 照射γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐而得到的放射线交联体与γ-聚谷 氨酸相比，具有高效凝聚活性，因而完成本发明。\nγ-聚谷氨酸是一种链状多肽，其凝聚机理尚有很多不清楚之处。 与一般的无机金属离子通过阳离子性发挥凝聚力进行对比，γ-聚谷氨 酸结构上含有正极性基，有提案称这种正极性基有凝聚作用。但是其 实质还并不清楚。\n放射线照射γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐而得到的放射线交联体 具有更高效的凝聚力，这一发现为本发明者首次发现。但对于这种放 射线交联体的凝聚机理尚不清楚。\n放射线交联体是由γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的链状长分子相 互交联而形成的，在内部形成很多大的袋状空间。本发明者认为被处 理液可能被吸收在此袋状空间里，使得污浊物在袋状空间内积蓄，不 过，这也是种想象。了解选择性吸收污浊物的机理尤其迫切。\n本发明中γ-聚谷氨酸可用许多种制造方法生产。例如，制造方法 有微生物培养法、化学合成法等。用化学合成法合成时，从安全性角 度考虑以下废水处理为中心。\n微生物培养法，能利用杆菌属的枯草杆菌、炭疽杆菌、巨大芽孢 杆菌、纳豆芽孢杆菌等菌，从生产量上考虑特别优选的是枯草杆菌的 F-2-01株杆菌·枯草菌素。这种菌株能产生分子量为几十万～几百万的 γ-聚谷氨酸，因为分子量较大，所以能通过放射线有效地制造交联 体。\n微生物产生的γ-聚谷氨酸，很早以前就作为纳豆粘性物食用，是 对人畜无害的天然物质，具有生物降解性的特征。这种γ-聚谷氨酸不 仅具有生物降解性，而且即使误食也完全无害，反而是很好的营养成 分。因此，作为凝聚剂原料，不仅适合下废水处理，也很好地适于上 水道领域、食品领域、发酵领域。\n前述微生物产生的γ-聚谷氨酸是无分枝的直链γ-缩氨酸，为L -谷氨酸和D-谷氨酸的共聚物，即是杂聚物。这种杂聚物结构的γ- 聚谷氨酸最适于作为本发明中的凝聚剂原料。\n微生物产生的γ-聚谷氨酸通过下列方法得到，即，在混入所需养 分的液体培养基上种植微生物，在所需温度下培养所需时间，从培养 液中分离得到γ-聚谷氨酸。也可以利用固体培养基。不仅γ-聚谷氨 酸单体可作为凝聚剂，从培养液中沉淀得到的含γ-聚谷氨酸的培养 物，或培养液自身也可作为凝聚剂。还可将固体培养基作为凝聚剂。\n化学合成的γ-聚谷氨酸中生成有L-谷氨酸均聚物、D-谷氨酸 均聚物和这两种均聚物的混合物等多种结构的聚合物。这些化学合成 的γ-聚谷氨酸也可作为本发明的凝聚剂原料。\n本发明使用的γ-聚谷氨酸盐，是γ-聚谷氨酸与碱性化合物中和 反应生成的盐。将γ-聚谷氨酸和碱性化合物在室温下溶解于水等溶剂 中，边加热边搅拌，有效反应生成产物。碱性化合物包括碱金属氢氧 化物和碱土金属氢氧化物等，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁、 氢氧化钙、氢氧化钡等，以及胺等有机碱性化合物。\n关于γ-聚谷氨酸与碱性化合物的反应条件，优选的加热温度为 5～100℃。5℃以下，反应慢，超过100℃，有作为溶剂的一种的水沸 腾、反应不稳定的情况。优选的pH值是中性～碱性，尤其优选的是pH 5-10。γ-聚谷氨酸和碱性化合物的量以既不过量也不少量的化学计 算反应量为宜。\n本发明使用的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐，合适的分子量分布 为几十万～几百万。由微生物产生的情况下，其分子量分布为几十万～ 几百万。由化学合成的情况下，聚合成几十万以上为宜。原料分子的 分子量小，则放射线交联体的分子量小，不适于作为凝聚剂。\n在本发明中，将前述γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐用放射线交 联，生成分子量为1000万以上的交联体。γ-聚谷氨酸以 (-NH(COOH)CH-CH2-CH2-CO-)n表示，下标n为聚合度， 由聚合度n得到分子量为几十万～几百万的适宜原料。\n放射线照射这种γ-聚谷氨酸，通过脱氢反应，CH2变为CH-，2条 γ-聚谷氨酸直链通过CH-HC联结，交联为[(-NH(COOH)CH-CH-CH2-CO-)n]2。 若交联度更大，则生成[(-NH(COOH)CH-CH-CH2-CO-)n]m 那样分子量大的放射线交联体。这里m表示交联度，可给出交联联结 的γ-聚谷氨酸直链的条数。\n交联度m大，可使γ-聚谷氨酸放射线交联体的分子量达到1000 万以上。由于γ-聚谷氨酸属于多肽链，因此，通过-CH-HC-联结，成 为其内部形成很多大的空间的网络结构。如前所述，在这种大量的内 部空间内吸收污水，使内部蓄积污物。\n本发明的特征在于利用放射线将γ-聚谷氨酸交联。由化学合成进 行交联时，需要高温，为此作为原料的γ-聚谷氨酸会发生热变性。利 用放射线交联，因可以在低温交联，所以可不使γ-聚谷氨酸变性而实 现交联。因此，由放射线交联能够得到不含变性物的γ-聚谷氨酸交联 体。\n尤其是，微生物产生的γ-聚谷氨酸是一种多肽，由氨基酸的耐热 性差方面考虑，采用加热交联是很难的。考虑到纳豆的粘性物是一种γ -聚谷氨酸，很显然纳豆加热会发生热变性。因此本发明具有为了实 现低温交联而利用放射线交联的特征。\n不仅放射线照射γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐单体，而且放射线 照射培养液、培养物、固体培养基等，能够得到γ-聚谷氨酸或γ-聚 谷氨酸盐的放射线交联体的单体及混入了放射线交联体的物质。其中 哪一种都能作为本发明的凝聚剂。特别是放射线照射培养液时生成放 射线交联体含有液，在被处理液中添加时，处理方法和浓度调整都很 容易。\n作为交联用的放射线，能利用α射线、β射线、γ射线、X射线、 电子射线、中子射线、离子射线等。其中，因γ射线、X射线、电子射 线的操作性好而较优选。X射线可利用X射线管球或非管球式的，也可 利用由近年普及的电子环放射的放射光。电子射线可利用众所周知的 应用射束能的电子射线照射装置。\nγ射线在可利用的放射线源方面有优势，γ射线源有钴60、锶90、 锆95、铯137、铈141和钌177等，从半衰期和能量的角度，优选的 为钴60、铯137。\n在本发明中，由放射线交联γ-聚谷氨酸，生成分子量1000万以 上的γ-聚谷氨酸放射线交联体。使分子量交联为1000万以上，γ-聚 谷氨酸交联体的凝聚特性急剧增加，与γ-聚谷氨酸单体的凝聚特性相 比，具有特别优良的凝聚效果。\n要将γ-聚谷氨酸交联成分子量1000万以上，γ-聚谷氨酸原料需 要1～500kGy的射线吸收量，1kGy以下，无法进行交联，超过500kGy， 就会过于交联，从而交联体网络结构形成的内部空间变小，反而凝聚 活性降低。从交联和凝聚活性的角度，优选的射线吸收量是5～ 100kGy。\nγ-聚谷氨酸及γ-聚谷氨酸盐本身具有不溶于乙醇和丙酮等有机 溶剂的性质。γ-聚谷氨酸盐溶解于水，但γ-聚谷氨酸不溶于水。实 施放射线交联进行改性从而使放射线交联体表面对水、含水乙醇·含水 丙酮等含水有机溶剂的亲和性。\n本发明也着眼于经放射线交联的γ-聚谷氨酸及γ-聚谷氨酸盐表 面改性的特性。即由于成为放射线交联体，γ-聚谷氨酸及γ-聚谷氨 酸盐对水和有机溶剂具有亲和性，具体地溶解于被处理水中。这种表 面改性的机理还不太清楚，但本发明是基于这个事实进行的。\n本发明中的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体溶解于下 废水、上水道水、含食品水、发酵水等被处理水中，作为含有物质的 凝聚剂发挥凝聚作用。即可以从下废水、上水道水中将污物凝聚沉淀， 得到洁净的清水，也可以通过凝聚沉淀从含食品水、发酵水中得到食 品、发酵物。\n在1升被处理液中，添加0.1～20mg左右本发明中的γ-聚谷氨 酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体，具有较好的凝聚效果。因此，优选 的凝聚剂浓度范围是0.1～20mg/L，更优选的是0.5～10mg/L。0.1 mg/L以下，凝聚效果差，20mg/L以上，凝聚效果稍微降低，同时凝聚 成本过高。\n以本发明中的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐放射线交联体作为凝 聚剂，即使单独使用就能发挥充分的凝聚作用，但与金属离子共同使 用时，可与金属离子的凝聚作用相辅相成，发挥优异的凝聚作用。金 属离子，如将选自铝、钙、铁、镁等中一种以上的金属离子添加到被 处理水中。对于食品加工等领域，从安全性角度不推荐添加金属离子， 添加金属离子的适宜处理污浊浓度高的下废水。\n实施例\n实施例1：γ-聚谷氨酸放射线交联体的制造\n选择F-2-01枯草杆菌作为γ-聚谷氨酸产生菌。为大量生产，在 1×103m3的容器中放置液体培养基。培养基组成如下：\n        葡萄糖                 10重量％\n        L-谷氨酸               8重量％\n        胨                     0.7重量％\n        尿素                   0.68重量％\n        NaNO3                0.5重量％\n        KH2PO4              0.24重量％\n        纯净水                 剩余量\n在这种液体培养基中种植上述菌株，调pH为7.5，保持37℃恒温 状态。边通气搅拌边连续培养6天，在培养液中蓄积γ-聚谷氨酸及其 盐类。离心分离培养液，从培养液中分离菌体，再离心分离上述γ-聚 谷氨酸类。\nγ-聚谷氨酸的产量也依赖于培养条件，但在培养液中可达5～50 (g/L)，它证实了工业化大量生产γ-聚谷氨酸类的可能。可以知道 生产的γ-聚谷氨酸类的分子量分布为50万～200万。\n这种γ-聚谷氨酸类的5重量％的水溶液用钴60射线源照射20kGy γ射线，生成γ-聚谷氨酸放射线交联体。通过这种放射线照射，水溶 液凝胶化，γ-聚谷氨酸放射线交联体的分子量约为1500万。将这种 凝胶状物质脱水得到γ-聚谷氨酸放射线交联体粉末。该粉末呈白色。\n如前所述，γ-聚谷氨酸盐是水溶性的，但由于γ-聚谷氨酸不溶 于水，所以即使将所得的γ-聚谷氨酸类原样添加到污水中也很难发挥 凝聚作用。但是，γ-聚谷氨酸类放射线交联体对水具有亲和性，由于 其对水是可溶的，因此其原样即可用作凝聚剂。\n实施例2：凝聚试验\n为试验自然水的净化，对K市为代表的壕沟(外堀)污水进行净 化试验。在容积为5.4×9.0×1.3(m3)的约27吨的试验槽中投入壕 沟污水。在此试验槽中投入实施例1得到的γ-聚谷氨酸放射线交联体 40g，搅拌使之溶解。最终投入浓度为1.5mg/L。然后静置2小时， 肉眼观察沉淀生成。\n从投入到3个小时沉淀后，测定澄清洁净的上层水和沉淀前污水 的光密度(OD)。使用500nm和700nm波长的光，各种OD值如表1所 示。\n               <表1>沉淀前和上层澄清水的光密度\n                      沉淀前          上层澄清水\n  700nm               0.065           0.015\n  500nm               0.072           0.022\n为了与公开文献特开平8-257306号公报的数据进行对比，求出 700nm和500nm处的凝聚活性值。凝聚活性值以1/OD700和1/OD500表 示，分别定义为1/样品值-1/空白值。样品值是上层澄清水的值，空 白值是沉淀前污水的值。因此，1/OD700＝1/0.015-1/0.065＝51， 1/OD500＝1/0.022-1/0.072＝32。\n前述公开文本的凝聚活性值(1/OD550)的最大值为4，本试验凝聚 活性值1/OD700＝51、1/OD500＝32，无论哪-个凝聚活性值都增大10 倍以上。而且投入凝聚剂的浓度，以前是20mg/L，本实施例中1.5mg/L 即可，投入量可减为1/15。\n如前所述，γ-聚谷氨酸本身就是一种安全的食品，其放射线交联 体也是安全的，可作为食品加工、发酵工业、上水道处理等人体吸收 领域的凝聚剂使用。\n实施例3：与阳离子并用的凝聚试验\n为观察与阳离子凝聚助剂共用的凝聚效果，把35g AlCl3·6H2O与 实施例1中的40gγ-聚谷氨酸放射线交联体一起投入。γ-聚谷氨酸 放射线交联体的投入浓度最终为1.5mg/L，氯化铝的投入浓度为1.3 mg/L。其它试验条件与实施例2完全相同。\n由于添加铝离子，凝聚沉淀很快出现，投入凝聚剂、搅拌的同时 开始沉淀，立即生效性很高。静置1小时，待沉淀结束，测定700nm 和500nm处的光密度，结果如表2所示。\n              <表2>沉淀前和上层澄清水的光学浓度\n                           沉淀前          上层澄清水\n   700nm                   0.065           0.012\n   500nm                   0.072           0.019\n求出凝聚活性值，1/OD700＝1/0.012-1/0.065＝68，1/OD500＝ 1/0.0l9-1/0.072＝39。与前述公开文本的凝聚活性值(1/OD550)最 大为4相比，本实施例中，凝聚活性值1/OD700＝68，1/OD500＝39， 具有10倍以上的凝聚活性。而且γ-聚谷氨酸放射线交联体和三氯化 铝的总投入浓度为2.8mg/L，可以控制为以往技术最高条件的投入 浓度20mg/L的1/7以下。\n添加阳离子，可实现立即生效性高的凝聚沉淀，因为混入阳离子， 所以不推荐其作为人体吸收领域的凝聚剂。因此混入阳离子的凝聚剂 可用于下废水处理。而且作为高活性凝聚剂，其凝聚活性值是以前的 100倍以上。\n发明效果\n按照本申请的权利要求1的发明，凝聚剂的主要成分是γ-聚谷氨 酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体，所以不仅能用于下废水处理，而 且因其对人体和生物无害，也能用作上水道领域、食品领域和发酵等 领域的凝聚剂。其凝聚活性值很高，可减少投入量，发挥高效而便宜 的凝聚效果。\n按照本申请的权利要求2的发明，由于以γ-聚谷氨酸产生菌产生 的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体为主要成分，它具有 与化学合成物不同的极高的安全性，可很好地用作上水道领域、食品 领域和发酵领域等的凝聚剂。\n按照本申请的权利要求3的发明，由于直接照射培养γ-聚谷氨酸 产生菌所得的培养物，所以无需从培养物中离心分离出γ-聚谷氨酸， 可直接将培养物中的γ-聚谷氨酸转变为放射线交联体。这种放射线交 联的培养物能作为凝聚剂使用，所以凝聚剂的生产价格低。尤其是液 体培养基培养得到的培养液，因为可直接将其作为凝聚剂原液使用， 添加凝聚剂时可省去水溶液调节等的麻烦，处理简单。\n按照本申请的权利要求4的发明，主要成分为分子量1000万以上 的γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐的放射线交联体，即使γ-聚谷氨酸 本身不溶于水，但放射线交联体具有水溶性，在非处理水中添加时极 易溶解。所以与γ-聚谷氨酸相比，凝聚处理操作容易。\n按照本申请的权利要求5的发明，在γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸 盐的放射线交联体中添加选自铝、钙、铁、镁中一种以上的金属离子， 所以可发挥立即生效的凝聚效果，提高凝聚作用的时间性能，可净化 大量的被处理水，例如，可有效地处理下废水。\n按照本申请权利要求6的发明，将γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸盐 的放射线交联体添加到被处理液中使其浓度为0.1～10mg/L，所以与 由γ-聚谷氨酸构成的凝聚剂相比，可使凝聚剂的添加量降低，而且可 提供具有高效凝聚活性值的凝聚剂。