JP7009687B1 - ｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤメタン生成効率を改善する方法 - Google Patents
ｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤメタン生成効率を改善する方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤ（嫌気性消化）メタン生成効率を改善する方法を提供する。
【解決手段】微生物を含む遠心粒状スラッジを入手して用意し、タンパク質廃水に対して酸性またはアルカリ性のｐＨ前処理を行った後、中性タンパク質廃水を遠心粒状スラッジと混合して嫌気性消化処理を行う。ｐＨ値を調整してタンパク質廃水を前処理し、タンパク質のコンフォメーション及び構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタン化速度の制限を解消する。
【選択図】図１
【解決手段】微生物を含む遠心粒状スラッジを入手して用意し、タンパク質廃水に対して酸性またはアルカリ性のｐＨ前処理を行った後、中性タンパク質廃水を遠心粒状スラッジと混合して嫌気性消化処理を行う。ｐＨ値を調整してタンパク質廃水を前処理し、タンパク質のコンフォメーション及び構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタン化速度の制限を解消する。
【選択図】図１
Description
本発明は、廃水処理の技術分野に関し、具体的にｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前
処理することでＡＤメタン生成効率を改善する方法に関する。
処理することでＡＤメタン生成効率を改善する方法に関する。
食肉処理場、魚、ホエー、カゼイン、チーズ、および特定の野菜加工プロセスからの高濃
度有機廃水は、通常、大量のタンパク質を含み、そのエネルギー密度が高く、バイオアベ
イラビリティ値を無視することはできない。例えば、乳製品の化学的酸素要求量の４０％
以上がタンパク質によるものであり、このような高タンパク質廃水をどのように効率的に
処理して利用することは、現在の下水処理施設が直面している課題である。高タンパク廃
水は生分解性有機栄養素が豊富であることを考慮して、生物学的方法を使用したこのタイ
プの廃水の生体内変化に関する多くの研究が行われている。従来の観点から、好気性生物
処理法は、廃水中の高濃度の有機物を処理することが困難であり、高負荷の影響を受け、
反応器の運転の安定性を悪化させる。同時に、好気性生物処理装置は追加の酸素を供給す
る必要があり、これは運用コストのさらなる増加につながる。対照的に、嫌気性生物処理
は、好気性生物処理の欠点を回避するだけでなく、エネルギーを効果的に回収できるため
、高濃度の有機廃水の処理に理想的な技術である。ブドウ糖、作物残渣、家畜糞尿などの
炭水化物と比較して、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を使用して、廃棄物の流れの中の有機
物の量を測定基準として定量化すると、エネルギー密度の高いタンパク質は、バイオガス
の生産に大きな可能性を秘めている。バスウェルの式によると、標準温度と標準圧力での
単位ＣＯＤあたりのメタン生成の理論値は０．３５ Ｌ、タンパク質とＣＯＤ間の変換係
数は１．５、炭水化物はわずか１．０７である。したがって、嫌気性消化（ＡＤ）システ
ムにおけるタンパク質のメタンへの生物変換のプロセスと効率を研究することは非常に重
要である。
度有機廃水は、通常、大量のタンパク質を含み、そのエネルギー密度が高く、バイオアベ
イラビリティ値を無視することはできない。例えば、乳製品の化学的酸素要求量の４０％
以上がタンパク質によるものであり、このような高タンパク質廃水をどのように効率的に
処理して利用することは、現在の下水処理施設が直面している課題である。高タンパク廃
水は生分解性有機栄養素が豊富であることを考慮して、生物学的方法を使用したこのタイ
プの廃水の生体内変化に関する多くの研究が行われている。従来の観点から、好気性生物
処理法は、廃水中の高濃度の有機物を処理することが困難であり、高負荷の影響を受け、
反応器の運転の安定性を悪化させる。同時に、好気性生物処理装置は追加の酸素を供給す
る必要があり、これは運用コストのさらなる増加につながる。対照的に、嫌気性生物処理
は、好気性生物処理の欠点を回避するだけでなく、エネルギーを効果的に回収できるため
、高濃度の有機廃水の処理に理想的な技術である。ブドウ糖、作物残渣、家畜糞尿などの
炭水化物と比較して、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を使用して、廃棄物の流れの中の有機
物の量を測定基準として定量化すると、エネルギー密度の高いタンパク質は、バイオガス
の生産に大きな可能性を秘めている。バスウェルの式によると、標準温度と標準圧力での
単位ＣＯＤあたりのメタン生成の理論値は０．３５ Ｌ、タンパク質とＣＯＤ間の変換係
数は１．５、炭水化物はわずか１．０７である。したがって、嫌気性消化（ＡＤ）システ
ムにおけるタンパク質のメタンへの生物変換のプロセスと効率を研究することは非常に重
要である。
ＡＤは、嫌気性または低酸素条件下で複数の機能性細菌が協力して代謝微小環境を形成す
ることにより、複雑な高濃度有機廃水を代替のクリーンエネルギーに生物学的に変換する
プロセスである。ＡＤは一般に、加水分解酸性化、酢酸酸性化、メタン生成の３つのステ
ップとして分かれる。特に、タンパク質は、ペプチド結合（またはアミド）によって相互
接続されたアミノ酸ユニットによって形成された天然ポリマーである。機能性細菌によっ
てメタンに変換される前に、タンパク質は最初に細胞外酵素（プロテアーゼと呼ばれる）
によってオリゴマーペプチドとモノマーアミノ酸に加水分解される。その後、アミノ酸が
発酵段階に入る方法は、モノマーアミノ酸の性質と濃度に依存する。しかしながら、タン
パク質の実際の加水分解速度は非常に遅く、ＡＤのメタン生成ははるかに低くなり（０．
５ Ｌ ＣＨ４/ｇタンパク質未満）、これは、大量の高負荷タンパク質廃水の直接的な
影響と嫌気性微生物によるアンモニア阻害のリスクの増加によって引き起こされるシステ
ム障害によるものである。最近の研究では、タンパク質構造の安定性と複雑さがメタン化
を妨げるもう１つの重要な要因であることがわかり、これは、タンパク質が三次元構造を
持っており、多層コンフォメーションにより、安定した水素結合ネットワークなど、ネイ
ティブフォールディングでプロテアーゼによる切断が困難になるためである。したがって
、適切な前処理方法の使用は、ＡＤメタン化プロセスにおけるタンパク質廃水の加水分解
速度制限を取り除くために不可欠である。
ることにより、複雑な高濃度有機廃水を代替のクリーンエネルギーに生物学的に変換する
プロセスである。ＡＤは一般に、加水分解酸性化、酢酸酸性化、メタン生成の３つのステ
ップとして分かれる。特に、タンパク質は、ペプチド結合（またはアミド）によって相互
接続されたアミノ酸ユニットによって形成された天然ポリマーである。機能性細菌によっ
てメタンに変換される前に、タンパク質は最初に細胞外酵素（プロテアーゼと呼ばれる）
によってオリゴマーペプチドとモノマーアミノ酸に加水分解される。その後、アミノ酸が
発酵段階に入る方法は、モノマーアミノ酸の性質と濃度に依存する。しかしながら、タン
パク質の実際の加水分解速度は非常に遅く、ＡＤのメタン生成ははるかに低くなり（０．
５ Ｌ ＣＨ４/ｇタンパク質未満）、これは、大量の高負荷タンパク質廃水の直接的な
影響と嫌気性微生物によるアンモニア阻害のリスクの増加によって引き起こされるシステ
ム障害によるものである。最近の研究では、タンパク質構造の安定性と複雑さがメタン化
を妨げるもう１つの重要な要因であることがわかり、これは、タンパク質が三次元構造を
持っており、多層コンフォメーションにより、安定した水素結合ネットワークなど、ネイ
ティブフォールディングでプロテアーゼによる切断が困難になるためである。したがって
、適切な前処理方法の使用は、ＡＤメタン化プロセスにおけるタンパク質廃水の加水分解
速度制限を取り除くために不可欠である。
近年、酸、アルカリ、熱、超音波、紫外線などの物理的および化学的方法が、下水やスラ
ッジなどのタンパク質が豊富なバイオマスの前処理プロセスに適用され、細胞外ポリマー
のスラッジへの溶解と細胞壁の破壊を促進し、大量の細胞内有機物を放出し、これはさら
にメタンの生成を促進する。ただし、バイオマス組成の複雑さと加水分解後の有機モノマ
ーの供給源の多様性により、ＡＤメタン生成性能とバイオマス成分の間の直接的なリンク
を確立することは非常に困難であり、理論的な寄与値を使用してのみ簡単に推定できる。
この考えに基づいて、タンパク質などの単一の有機材料を前処理することにより、加水分
解物とメタン生成効率の間の変換関係を調査することは論理的である。多くの研究は、タ
ンパク質の加水分解がタンパク質の変性によって加速される可能性があることを示してい
るが、これらのレポートのほとんどは、ＡＤシステムでのタンパク質廃水から水素または
ＶＦＡｓへの変換に重点が置かれている。したがって、タンパク質の本来のコンフォメー
ションと構造の展開と、加水分解およびメタン生成プロセスの強化との間には、本質的な
関係とメカニズムに依然として改善余地がある。
ッジなどのタンパク質が豊富なバイオマスの前処理プロセスに適用され、細胞外ポリマー
のスラッジへの溶解と細胞壁の破壊を促進し、大量の細胞内有機物を放出し、これはさら
にメタンの生成を促進する。ただし、バイオマス組成の複雑さと加水分解後の有機モノマ
ーの供給源の多様性により、ＡＤメタン生成性能とバイオマス成分の間の直接的なリンク
を確立することは非常に困難であり、理論的な寄与値を使用してのみ簡単に推定できる。
この考えに基づいて、タンパク質などの単一の有機材料を前処理することにより、加水分
解物とメタン生成効率の間の変換関係を調査することは論理的である。多くの研究は、タ
ンパク質の加水分解がタンパク質の変性によって加速される可能性があることを示してい
るが、これらのレポートのほとんどは、ＡＤシステムでのタンパク質廃水から水素または
ＶＦＡｓへの変換に重点が置かれている。したがって、タンパク質の本来のコンフォメー
ションと構造の展開と、加水分解およびメタン生成プロセスの強化との間には、本質的な
関係とメカニズムに依然として改善余地がある。
従来技術における問題に対して、本発明者らは、タンパク質廃水がｐＨ前処理に供された
後、ＡＤメタン生成の効率を改善できることを見出した。
後、ＡＤメタン生成の効率を改善できることを見出した。
本発明の目的は、ｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤメタン生成
効率を改善する方法を提供し、微生物調製、ｐＨ前処理および嫌気性消化などのステップ
を含む。
効率を改善する方法を提供し、微生物調製、ｐＨ前処理および嫌気性消化などのステップ
を含む。
上記解決策は、具体的に以下のステップを含む。
ステップ１：微生物調製
嫌気性粒状スラッジを１２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離して可溶性有機物を除去し、
蒸留水で２回洗浄して、遠心粒状スラッジを得て用意する、
ステップ２：ｐＨ前処理
ｐＨ調整処理によりタンパク質廃水のｐＨ値を変化させ、エアバスシェーカーで室温で６
～２４時間振とうし、ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を得る、
ステップ３：嫌気性消化
１）ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を中性ｐＨの初期値に再調整して、中性タンパク質廃
水を取得する、
２）次に、中性タンパク質廃水１５０ ｍＬ、微量元素原液１ ｍＬ、Ｎａ２ＨＰＯ４０
．３ｇ、ＮａＨＣＯ３１ｇおよび遠心粒状スラッジ１５ｇを反応タンクに入れ混合し、同
時に、ヘリウムガスを反応タンク内の酸素を空にするために導入し、反応タンク内の無酸
素環境を確保する、
３）次に、反応タンク内の温度を３５±１℃に制御し、シェーカーで１２０ｒｐｍの振と
う速度で嫌気性消化を行い、生成したメタンを回収する。
本発明は、ｐＨ値を調整してタンパク質廃水を前処理し、タンパク質のコンフォメーショ
ンおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタ
ン化速度の制限を解消する。
ステップ１：微生物調製
嫌気性粒状スラッジを１２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離して可溶性有機物を除去し、
蒸留水で２回洗浄して、遠心粒状スラッジを得て用意する、
ステップ２：ｐＨ前処理
ｐＨ調整処理によりタンパク質廃水のｐＨ値を変化させ、エアバスシェーカーで室温で６
～２４時間振とうし、ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を得る、
ステップ３：嫌気性消化
１）ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を中性ｐＨの初期値に再調整して、中性タンパク質廃
水を取得する、
２）次に、中性タンパク質廃水１５０ ｍＬ、微量元素原液１ ｍＬ、Ｎａ２ＨＰＯ４０
．３ｇ、ＮａＨＣＯ３１ｇおよび遠心粒状スラッジ１５ｇを反応タンクに入れ混合し、同
時に、ヘリウムガスを反応タンク内の酸素を空にするために導入し、反応タンク内の無酸
素環境を確保する、
３）次に、反応タンク内の温度を３５±１℃に制御し、シェーカーで１２０ｒｐｍの振と
う速度で嫌気性消化を行い、生成したメタンを回収する。
本発明は、ｐＨ値を調整してタンパク質廃水を前処理し、タンパク質のコンフォメーショ
ンおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタ
ン化速度の制限を解消する。
さらに、前記ステップＳ２におけるエアバスシェーカーは、具体的に、室温２５℃で、１
００ ｒｐｍ振とう速度で振とうする。上記温度および振とう速度でタンパク質廃水に対
するｐＨ前処理を十分に行い、ｐＨ前処理によるタンパク質廃水の処理効果を確保する。
本発明の一側面によれば、前記ステップＳ２におけるｐＨ調整処理は、具体的に、酸性前
処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水のｐＨを２～６に調整する。酸
性前処理によりタンパク質廃水を前処理して、タンパク質のコンフォメーションおよび構
造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタン化速度の
制限を解消する。
００ ｒｐｍ振とう速度で振とうする。上記温度および振とう速度でタンパク質廃水に対
するｐＨ前処理を十分に行い、ｐＨ前処理によるタンパク質廃水の処理効果を確保する。
本発明の一側面によれば、前記ステップＳ２におけるｐＨ調整処理は、具体的に、酸性前
処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水のｐＨを２～６に調整する。酸
性前処理によりタンパク質廃水を前処理して、タンパク質のコンフォメーションおよび構
造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタン化速度の
制限を解消する。
本発明の別の側面によれば、前記ステップＳ２におけるｐＨ調整処理は、具体的に、アル
カリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用してタンパク質廃水のｐＨを８
～１２に調整する。アルカリ前処理により、特にｐＨ＝１２の場合、ｐＨ前処理されてい
ない方法におけるメタン生成率より３５．７％増加し、１４９．６±１６．１ｍＬ/ｇタ
ンパク質に達し、これは、アミドＩバンドのＣ＝Ｏ伸縮振動によって引き起こされる水素
結合ネットワークの破壊によるもので、タンパク質の二次構造が秩序から無秩序に変化す
るからであり、しかしながら、時間経済性の評価では、タンパク質廃水（ｐＨ＝１２）の
アルカリ前処理の最適な解決策には、時間の利点とメタンの収量の利点の間のトレードオ
フが必要であることが示されている。
カリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用してタンパク質廃水のｐＨを８
～１２に調整する。アルカリ前処理により、特にｐＨ＝１２の場合、ｐＨ前処理されてい
ない方法におけるメタン生成率より３５．７％増加し、１４９．６±１６．１ｍＬ/ｇタ
ンパク質に達し、これは、アミドＩバンドのＣ＝Ｏ伸縮振動によって引き起こされる水素
結合ネットワークの破壊によるもので、タンパク質の二次構造が秩序から無秩序に変化す
るからであり、しかしながら、時間経済性の評価では、タンパク質廃水（ｐＨ＝１２）の
アルカリ前処理の最適な解決策には、時間の利点とメタンの収量の利点の間のトレードオ
フが必要であることが示されている。
本発明の一側面によれば、前記ステップＳ２では、タンパク質廃水のｐＨ前処理の前に、
タンパク質廃水の可変出力マイクロ波前処理が２０～３０℃の温度範囲で実行され、ただ
し、マイクロ波周波数は２～３ｇＨｚであり、具体的なステップは以下のとおりである。
タンパク質はマイクロ波加水分解によってアミノ酸に迅速に加水分解され、マイクロ波は
タンパク質の二次コンフォメーション変化をさまざまな程度に促進し、次にタンパク質の
加水分解を促進することができ、タンパク質の複雑な構造が単純化されると、嫌気性消化
や代謝などのその後の代謝分解プロセスに有益であり、タンパク質廃水の加水分解・酸性
化工程が大幅に短縮され、タンパク質廃水の資源利用効率を高める。
マイクロ波パワーの可変パラメータ変動は、具体的には次の式（１）を満たす。
（１）
ただし、Ｃはタンパク質廃水の温度を示し、Ｐはマイクロ波前処理のマイクロ波パワーを
示し、ｆはマイクロ波前処理のマイクロ波周波数を示す。研究を通じて、異なる温度、マ
イクロ波出力、およびマイクロ波周波数が、タンパク質廃水中のタンパク質の二次コンフ
ォメーション変化に異なる影響を与えることがわかり、温度環境に適応して調整すること
により、マイクロ波前処理効果がより高い処理効果で維持され、それによってその後のＡ
Ｄメタン生成の効率を高める。
タンパク質廃水の可変出力マイクロ波前処理が２０～３０℃の温度範囲で実行され、ただ
し、マイクロ波周波数は２～３ｇＨｚであり、具体的なステップは以下のとおりである。
タンパク質はマイクロ波加水分解によってアミノ酸に迅速に加水分解され、マイクロ波は
タンパク質の二次コンフォメーション変化をさまざまな程度に促進し、次にタンパク質の
加水分解を促進することができ、タンパク質の複雑な構造が単純化されると、嫌気性消化
や代謝などのその後の代謝分解プロセスに有益であり、タンパク質廃水の加水分解・酸性
化工程が大幅に短縮され、タンパク質廃水の資源利用効率を高める。
マイクロ波パワーの可変パラメータ変動は、具体的には次の式（１）を満たす。
（１）
ただし、Ｃはタンパク質廃水の温度を示し、Ｐはマイクロ波前処理のマイクロ波パワーを
示し、ｆはマイクロ波前処理のマイクロ波周波数を示す。研究を通じて、異なる温度、マ
イクロ波出力、およびマイクロ波周波数が、タンパク質廃水中のタンパク質の二次コンフ
ォメーション変化に異なる影響を与えることがわかり、温度環境に適応して調整すること
により、マイクロ波前処理効果がより高い処理効果で維持され、それによってその後のＡ
Ｄメタン生成の効率を高める。
本発明の一側面によれば、前記ステップＳ３の混合方法は、具体的に、１５０ｍＬの中性
タンパク質廃水を、ゼラチン被覆高炭素鋼球と１５ｇの遠心粒状スラッジの混合スラリー
に添加し、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球は中性タンパク質廃水総体積の２０～３０％を占
め、ただし、ゼラチン被覆高炭素鋼球の混合ゼラチン層に１ｍＬ微量元素原液、１ｇＮａ
ＨＣＯ３および０．３ｇＮａ２ＨＰＯ４が添加される。ゼラチンに微量元素原液、ＮａＨ
ＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４が含まれると中性タンパク質の水域にゆっくりと放出され、
長期の嫌気性発酵処理効率を維持することができる。
タンパク質廃水を、ゼラチン被覆高炭素鋼球と１５ｇの遠心粒状スラッジの混合スラリー
に添加し、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球は中性タンパク質廃水総体積の２０～３０％を占
め、ただし、ゼラチン被覆高炭素鋼球の混合ゼラチン層に１ｍＬ微量元素原液、１ｇＮａ
ＨＣＯ３および０．３ｇＮａ２ＨＰＯ４が添加される。ゼラチンに微量元素原液、ＮａＨ
ＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４が含まれると中性タンパク質の水域にゆっくりと放出され、
長期の嫌気性発酵処理効率を維持することができる。
さらに、前記混合スラリーに中性タンパク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティング
された高炭素鋼球を遠心粒状スラッジと混合し、０．１～０．２Ｔの磁場強度下に１５分
間置く必要がある。処理のためにこの範囲の磁場強度を加えることにより、遠心粒状スラ
ッジは磁気的に活性化され、微生物の活動を改善し、また、ゼラチンコーティングされた
高炭素鋼球を磁化し、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球の高炭素鋼の特性を利用し
て、磁性を長期間保存することができ、中性タンパク質廃水に入れると、微生物の活動を
長時間促進するだけでなく、中性タンパク質廃水水域を磁化することができ、中性タンパ
ク質廃水の嫌気性消化処理を促進することができる。
された高炭素鋼球を遠心粒状スラッジと混合し、０．１～０．２Ｔの磁場強度下に１５分
間置く必要がある。処理のためにこの範囲の磁場強度を加えることにより、遠心粒状スラ
ッジは磁気的に活性化され、微生物の活動を改善し、また、ゼラチンコーティングされた
高炭素鋼球を磁化し、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球の高炭素鋼の特性を利用し
て、磁性を長期間保存することができ、中性タンパク質廃水に入れると、微生物の活動を
長時間促進するだけでなく、中性タンパク質廃水水域を磁化することができ、中性タンパ
ク質廃水の嫌気性消化処理を促進することができる。
さらに、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球の調製方法は、具体的に、粒子サイズ１±０．１ｃ
ｍの高炭素鋼球を選び、微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４をゼラチンと
混合して混合ゼラチンを得、高炭素鋼にコーティングされた混合ゼラチンの厚さが０．６
±０．０５ｃｍになるように、混合ゼラチンを高炭素鋼球の表面にコーティングする。上
記の範囲の高炭素鋼球を選択することで、混合ゼラチン層の粒子サイズが小さく、接着面
が小さいなどの問題を回避でき、粒子サイズが大きすぎると、磁化効率が低く、質量が大
きすぎるため、すばやく沈降しやすくなり、上記の混合ゼラチンの厚さの範囲は、嫌気性
消化処理の全長を満たすことができ、同時に厚い混合ゼラチン層による磁化効率への影響
などを避ける。
ｍの高炭素鋼球を選び、微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４をゼラチンと
混合して混合ゼラチンを得、高炭素鋼にコーティングされた混合ゼラチンの厚さが０．６
±０．０５ｃｍになるように、混合ゼラチンを高炭素鋼球の表面にコーティングする。上
記の範囲の高炭素鋼球を選択することで、混合ゼラチン層の粒子サイズが小さく、接着面
が小さいなどの問題を回避でき、粒子サイズが大きすぎると、磁化効率が低く、質量が大
きすぎるため、すばやく沈降しやすくなり、上記の混合ゼラチンの厚さの範囲は、嫌気性
消化処理の全長を満たすことができ、同時に厚い混合ゼラチン層による磁化効率への影響
などを避ける。
本発明は、以下の有益な効果を有する。
（１）本発明の方法は、ｐＨ値を調整することによってタンパク質廃水を前処理し、タン
パク質のコンフォメーションおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおける
タンパク質廃水の低いメタン化速度の制限を解消する。
（２）本発明は、タンパク質廃水のｐＨ値を調整するための様々な解決策を提供し、時間
のメリットとメタンの収量のメリットのトレードオフに応じてタンパク質廃水のｐＨ調整
に最適な解決策を選択することができる。
（３）本発明は、マイクロ波前処理方法を提供し、温度の変化に応じてマイクロ波出力お
よびマイクロ波周波数を調整することにより、タンパク質廃水中のタンパク質の二次コン
フォメーション変化を促進する効果を改善し、さらに、その後のＡＤメタン生成の効率を
改善する。
（４）本発明は、嫌気性消化の各成分を加える方法を提供し、ゼラチンに微量元素原液、
ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４が含まれると中性タンパク質の水域にゆっくりと放出
され、長期の嫌気性発酵処理効率を維持することができる同時に、高炭素鋼の磁化により
、微生物の活動を長時間促進し、中性タンパク質廃水水域を磁化し、中性タンパク質廃水
の嫌気性消化処理を促進することができる。
（１）本発明の方法は、ｐＨ値を調整することによってタンパク質廃水を前処理し、タン
パク質のコンフォメーションおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおける
タンパク質廃水の低いメタン化速度の制限を解消する。
（２）本発明は、タンパク質廃水のｐＨ値を調整するための様々な解決策を提供し、時間
のメリットとメタンの収量のメリットのトレードオフに応じてタンパク質廃水のｐＨ調整
に最適な解決策を選択することができる。
（３）本発明は、マイクロ波前処理方法を提供し、温度の変化に応じてマイクロ波出力お
よびマイクロ波周波数を調整することにより、タンパク質廃水中のタンパク質の二次コン
フォメーション変化を促進する効果を改善し、さらに、その後のＡＤメタン生成の効率を
改善する。
（４）本発明は、嫌気性消化の各成分を加える方法を提供し、ゼラチンに微量元素原液、
ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４が含まれると中性タンパク質の水域にゆっくりと放出
され、長期の嫌気性発酵処理効率を維持することができる同時に、高炭素鋼の磁化により
、微生物の活動を長時間促進し、中性タンパク質廃水水域を磁化し、中性タンパク質廃水
の嫌気性消化処理を促進することができる。
以下は、本発明の利点をよりよく反映するために、特定の実施形態を参照して本発明をさ
らに詳細に説明する。特に明記しない限り、実施例で使用される材料および試薬はすべて
、当技術分野で従来から使用されているか、または市販されている。
らに詳細に説明する。特に明記しない限り、実施例で使用される材料および試薬はすべて
、当技術分野で従来から使用されているか、または市販されている。
実施例１
一種ｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤメタン生成効率を改善す
る方法、包括以下ステップ：
ステップ１：微生物調製
嫌気性粒状スラッジを１２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離して可溶性有機物を除去し、
蒸留水で２回洗浄して、遠心粒状スラッジを得て用意する、
ステップ２：ｐＨ前処理
ｐＨ調整処理によりタンパク質廃水のｐＨ値を変化させ、エアバスシェーカーで室温で６
～２４時間振とうし、ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を得、前記ステップＳ２におけるｐ
Ｈ前処理は、具体的に、酸性前処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水
のｐＨを３に調整する。酸性前処理によりタンパク質廃水を前処理して、タンパク質のコ
ンフォメーションおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質
廃水の低いメタン化速度の制限を解消する。
前記ステップＳ２中エアバスシェーカーは、具体的に、室温２５℃で、１００ ｒｐｍ振
とう速度で振とうする。上記温度および振とう速度でタンパク質廃水に対するｐＨ前処理
を十分に行い、ｐＨ前処理によるタンパク質廃水の処理効果を確保する。
ステップ３：嫌気性消化
１）ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を中性ｐＨの初期値に再調整して、中性タンパク質廃
水を取得する、
２）次に、中性タンパク質廃水１５０ ｍＬ、微量元素原液１ ｍＬ、Ｎａ２ＨＰＯ４０
．３ｇ、ＮａＨＣＯ３１ｇおよび遠心粒状スラッジ１５ｇを反応タンクに入れ混合し、同
時に、ヘリウムガスを反応タンク内の酸素を空にするために導入し、反応タンク内の無酸
素環境を確保する、
３）次に、反応タンク内の温度を３５±１℃に制御し、シェーカーで１２０ｒｐｍの振と
う速度で嫌気性消化を行い、生成したメタンを回収する。
本発明は、ｐＨ値を調整してタンパク質廃水を前処理し、タンパク質のコンフォメーショ
ンおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタ
ン化速度の制限を解消する。
一種ｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤメタン生成効率を改善す
る方法、包括以下ステップ：
ステップ１：微生物調製
嫌気性粒状スラッジを１２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離して可溶性有機物を除去し、
蒸留水で２回洗浄して、遠心粒状スラッジを得て用意する、
ステップ２：ｐＨ前処理
ｐＨ調整処理によりタンパク質廃水のｐＨ値を変化させ、エアバスシェーカーで室温で６
～２４時間振とうし、ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を得、前記ステップＳ２におけるｐ
Ｈ前処理は、具体的に、酸性前処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水
のｐＨを３に調整する。酸性前処理によりタンパク質廃水を前処理して、タンパク質のコ
ンフォメーションおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質
廃水の低いメタン化速度の制限を解消する。
前記ステップＳ２中エアバスシェーカーは、具体的に、室温２５℃で、１００ ｒｐｍ振
とう速度で振とうする。上記温度および振とう速度でタンパク質廃水に対するｐＨ前処理
を十分に行い、ｐＨ前処理によるタンパク質廃水の処理効果を確保する。
ステップ３：嫌気性消化
１）ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を中性ｐＨの初期値に再調整して、中性タンパク質廃
水を取得する、
２）次に、中性タンパク質廃水１５０ ｍＬ、微量元素原液１ ｍＬ、Ｎａ２ＨＰＯ４０
．３ｇ、ＮａＨＣＯ３１ｇおよび遠心粒状スラッジ１５ｇを反応タンクに入れ混合し、同
時に、ヘリウムガスを反応タンク内の酸素を空にするために導入し、反応タンク内の無酸
素環境を確保する、
３）次に、反応タンク内の温度を３５±１℃に制御し、シェーカーで１２０ｒｐｍの振と
う速度で嫌気性消化を行い、生成したメタンを回収する。
本発明は、ｐＨ値を調整してタンパク質廃水を前処理し、タンパク質のコンフォメーショ
ンおよび構造を展開することによって、ＡＤプロセスにおけるタンパク質廃水の低いメタ
ン化速度の制限を解消する。
実施例２
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
前処理は、具体的に、酸性前処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水の
ｐＨを２に調整する。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
前処理は、具体的に、酸性前処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水の
ｐＨを２に調整する。
実施例３
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、酸性前処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水
のｐＨを６に調整する。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、酸性前処理を使用し、つまり４Ｍ塩酸を使用してタンパク質廃水
のｐＨを６に調整する。
実施例４
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、アルカリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用し
てタンパク質廃水のｐＨを１２に調整する。アルカリ前処理により、特にｐＨ＝１２の場
合、ｐＨ前処理されていない方法におけるメタン生成率より３５．７％増加し、１４９．
６±１６．１ｍＬ/ｇタンパク質に達し、これは、アミドＩバンドのＣ＝Ｏ伸縮振動によ
って引き起こされる水素結合ネットワークの破壊によるもので、タンパク質の二次構造が
秩序から無秩序に変化するからであり、しかしながら、時間経済性の評価では、タンパク
質廃水（ｐＨ＝１２）のアルカリ前処理の最適な解決策には、時間の利点とメタンの収量
の利点の間のトレードオフが必要であることが示されている。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、アルカリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用し
てタンパク質廃水のｐＨを１２に調整する。アルカリ前処理により、特にｐＨ＝１２の場
合、ｐＨ前処理されていない方法におけるメタン生成率より３５．７％増加し、１４９．
６±１６．１ｍＬ/ｇタンパク質に達し、これは、アミドＩバンドのＣ＝Ｏ伸縮振動によ
って引き起こされる水素結合ネットワークの破壊によるもので、タンパク質の二次構造が
秩序から無秩序に変化するからであり、しかしながら、時間経済性の評価では、タンパク
質廃水（ｐＨ＝１２）のアルカリ前処理の最適な解決策には、時間の利点とメタンの収量
の利点の間のトレードオフが必要であることが示されている。
実施例５
本実施例は、以下のことを除いて実施例４と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、アルカリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用し
てタンパク質廃水のｐＨを８に調整する。
本実施例は、以下のことを除いて実施例４と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、アルカリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用し
てタンパク質廃水のｐＨを８に調整する。
実施例６
本実施例は、以下のことを除いて実施例４と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、アルカリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用し
てタンパク質廃水のｐＨを１０に調整する。
本実施例は、以下のことを除いて実施例４と同じであり、前記ステップＳ２におけるｐＨ
調整処理は、具体的に、アルカリ前処理を使用し、つまり４Ｍ水酸化ナトリウムを使用し
てタンパク質廃水のｐＨを１０に調整する。
実施例７
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、ステップＳ２のｐＨ前処理はエ
アバスシェーカーで６ｈ振とうする。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、ステップＳ２のｐＨ前処理はエ
アバスシェーカーで６ｈ振とうする。
実施例８
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、ステップＳ２のｐＨ前処理はエ
アバスシェーカーで２４ｈ振とうする。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、ステップＳ２のｐＨ前処理はエ
アバスシェーカーで２４ｈ振とうする。
実施例９
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２では、タンパ
ク質廃水のｐＨ前処理の前に、タンパク質廃水の可変出力マイクロ波前処理が２５℃の温
度範囲で実行され、ただし、マイクロ波周波数は２．８ｇＨｚであ。タンパク質はマイク
ロ波加水分解によってアミノ酸に迅速に加水分解され、マイクロ波はタンパク質の二次コ
ンフォメーション変化をさまざまな程度に促進し、次にタンパク質の加水分解を促進する
ことができ、タンパク質の複雑な構造が単純化されると、嫌気性消化や代謝などのその後
の代謝分解プロセスに有益であり、タンパク質廃水の加水分解・酸性化工程が大幅に短縮
され、タンパク質廃水の資源利用効率を高める。
マイクロ波パワーの可変パラメータ変動は、具体的には次の式（１）を満たす。
（１）
ただし、Ｃはタンパク質廃水の温度を示し、Ｐはマイクロ波前処理のマイクロ波パワーを
示し、ｆはマイクロ波前処理のマイクロ波周波数を示す。研究を通じて、異なる温度、マ
イクロ波出力、およびマイクロ波周波数が、タンパク質廃水中のタンパク質の二次コンフ
ォメーション変化に異なる影響を与えることがわかり、温度環境に適応して調整すること
により、マイクロ波前処理効果がより高い処理効果で維持され、それによってその後のＡ
Ｄメタン生成の効率を高める。
上記Ｃは２５、ｆは２．８であり、式（１）に代入されると、Ｐ＝７８４Ｗであった。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ２では、タンパ
ク質廃水のｐＨ前処理の前に、タンパク質廃水の可変出力マイクロ波前処理が２５℃の温
度範囲で実行され、ただし、マイクロ波周波数は２．８ｇＨｚであ。タンパク質はマイク
ロ波加水分解によってアミノ酸に迅速に加水分解され、マイクロ波はタンパク質の二次コ
ンフォメーション変化をさまざまな程度に促進し、次にタンパク質の加水分解を促進する
ことができ、タンパク質の複雑な構造が単純化されると、嫌気性消化や代謝などのその後
の代謝分解プロセスに有益であり、タンパク質廃水の加水分解・酸性化工程が大幅に短縮
され、タンパク質廃水の資源利用効率を高める。
マイクロ波パワーの可変パラメータ変動は、具体的には次の式（１）を満たす。
（１）
ただし、Ｃはタンパク質廃水の温度を示し、Ｐはマイクロ波前処理のマイクロ波パワーを
示し、ｆはマイクロ波前処理のマイクロ波周波数を示す。研究を通じて、異なる温度、マ
イクロ波出力、およびマイクロ波周波数が、タンパク質廃水中のタンパク質の二次コンフ
ォメーション変化に異なる影響を与えることがわかり、温度環境に適応して調整すること
により、マイクロ波前処理効果がより高い処理効果で維持され、それによってその後のＡ
Ｄメタン生成の効率を高める。
上記Ｃは２５、ｆは２．８であり、式（１）に代入されると、Ｐ＝７８４Ｗであった。
実施例１０
本実施例は、以下のことを除いて実施例９と同じであり、マイクロ波前処理のパラメータ
が異なり、具体的に、
上記Ｃは２０、ｆは２であり、式（１）に代入されると、Ｐ＝３２０Ｗであった。
本実施例は、以下のことを除いて実施例９と同じであり、マイクロ波前処理のパラメータ
が異なり、具体的に、
上記Ｃは２０、ｆは２であり、式（１）に代入されると、Ｐ＝３２０Ｗであった。
実施例１１
本実施例は、以下のことを除いて実施例９と同じであり、マイクロ波前処理のパラメータ
が異なり、具体的に、
上記Ｃは３０、ｆは３であり、式（１）に代入されると、Ｐ＝１０８０Ｗであった。
本実施例は、以下のことを除いて実施例９と同じであり、マイクロ波前処理のパラメータ
が異なり、具体的に、
上記Ｃは３０、ｆは３であり、式（１）に代入されると、Ｐ＝１０８０Ｗであった。
実施例１２
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ３の混合方法は
、具体的に、１５０ｍＬの中性タンパク質廃水を、ゼラチン被覆高炭素鋼球と１５ｇの遠
心粒状スラッジの混合スラリーに添加し、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球は中性タンパク質
廃水総体積の２０～３０％を占め、ただし、ゼラチン被覆高炭素鋼球の混合ゼラチン層に
１ｍＬ微量元素原液、１ｇＮａＨＣＯ３および０．３ｇＮａ２ＨＰＯ４が添加される。ゼ
ラチンに微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４が含まれると中性タンパク質
の水域にゆっくりと放出され、長期の嫌気性発酵処理効率を維持することができる。
ただし、前記混合スラリーに中性タンパク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティング
された高炭素鋼球を遠心粒状スラッジと混合し、０．１５Ｔの磁場強度下に１５分間置く
必要がある。処理のためにこの範囲の磁場強度を加えることにより、遠心粒状スラッジは
磁気的に活性化され、微生物の活動を改善し、また、ゼラチンコーティングされた高炭素
鋼球を磁化し、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球の高炭素鋼の特性を利用して、磁
性を長期間保存することができ、中性タンパク質廃水に入れると、微生物の活動を長時間
促進するだけでなく、中性タンパク質廃水水域を磁化することができ、中性タンパク質廃
水の嫌気性消化処理を促進することができる。
前記ゼラチン被覆高炭素鋼球の調製方法は、具体的に、粒子サイズ１ｃｍの高炭素鋼球を
選び、微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４をゼラチンと混合して混合ゼラ
チンを得、高炭素鋼にコーティングされた混合ゼラチンの厚さが０．６ｃｍになるように
、混合ゼラチンを高炭素鋼球の表面にコーティングする。上記の範囲の高炭素鋼球を選択
することで、混合ゼラチン層の粒子サイズが小さく、接着面が小さいなどの問題を回避で
き、粒子サイズが大きすぎると、磁化効率が低く、質量が大きすぎるため、すばやく沈降
しやすくなり、上記の混合ゼラチンの厚さの範囲は、嫌気性消化処理の全長を満たすこと
ができ、同時に厚い混合ゼラチン層による磁化効率への影響などを避ける。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１と同じであり、前記ステップＳ３の混合方法は
、具体的に、１５０ｍＬの中性タンパク質廃水を、ゼラチン被覆高炭素鋼球と１５ｇの遠
心粒状スラッジの混合スラリーに添加し、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球は中性タンパク質
廃水総体積の２０～３０％を占め、ただし、ゼラチン被覆高炭素鋼球の混合ゼラチン層に
１ｍＬ微量元素原液、１ｇＮａＨＣＯ３および０．３ｇＮａ２ＨＰＯ４が添加される。ゼ
ラチンに微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４が含まれると中性タンパク質
の水域にゆっくりと放出され、長期の嫌気性発酵処理効率を維持することができる。
ただし、前記混合スラリーに中性タンパク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティング
された高炭素鋼球を遠心粒状スラッジと混合し、０．１５Ｔの磁場強度下に１５分間置く
必要がある。処理のためにこの範囲の磁場強度を加えることにより、遠心粒状スラッジは
磁気的に活性化され、微生物の活動を改善し、また、ゼラチンコーティングされた高炭素
鋼球を磁化し、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球の高炭素鋼の特性を利用して、磁
性を長期間保存することができ、中性タンパク質廃水に入れると、微生物の活動を長時間
促進するだけでなく、中性タンパク質廃水水域を磁化することができ、中性タンパク質廃
水の嫌気性消化処理を促進することができる。
前記ゼラチン被覆高炭素鋼球の調製方法は、具体的に、粒子サイズ１ｃｍの高炭素鋼球を
選び、微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４をゼラチンと混合して混合ゼラ
チンを得、高炭素鋼にコーティングされた混合ゼラチンの厚さが０．６ｃｍになるように
、混合ゼラチンを高炭素鋼球の表面にコーティングする。上記の範囲の高炭素鋼球を選択
することで、混合ゼラチン層の粒子サイズが小さく、接着面が小さいなどの問題を回避で
き、粒子サイズが大きすぎると、磁化効率が低く、質量が大きすぎるため、すばやく沈降
しやすくなり、上記の混合ゼラチンの厚さの範囲は、嫌気性消化処理の全長を満たすこと
ができ、同時に厚い混合ゼラチン層による磁化効率への影響などを避ける。
実施例１３
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球
は中性タンパク質廃水の総体積の２０％を占めている。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球
は中性タンパク質廃水の総体積の２０％を占めている。
実施例１４
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球
は中性タンパク質廃水の総体積の３０％を占めている。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記ゼラチン被覆高炭素鋼球
は中性タンパク質廃水の総体積の３０％を占めている。
実施例１５
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記混合スラリーに中性タン
パク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球を遠心粒状スラッジ
と混合し、０．１Ｔの磁場強度下に１５分間置く必要がある。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記混合スラリーに中性タン
パク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球を遠心粒状スラッジ
と混合し、０．１Ｔの磁場強度下に１５分間置く必要がある。
実施例１６
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記混合スラリーに中性タン
パク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球を遠心粒状スラッジ
と混合し、０．２Ｔの磁場強度下に１５分間置く必要がある。
本実施例は、以下のことを除いて実施例１２と同じであり、前記混合スラリーに中性タン
パク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球を遠心粒状スラッジ
と混合し、０．２Ｔの磁場強度下に１５分間置く必要がある。
タンパク質廃水中のＡＤメタン生産効率実験
次に、ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン、米国Ｅｑｕｉｔｅｃｈ-Ｂｉｏから購入）を炭素源
として使用して、合成タンパク質廃水を調製し、ＣＯＤの設定値は５０００ｍｇ / Ｌ
を維持し、同時に、嫌気性粒状汚泥は、中国江蘇省の都市下水処理施設のＵＡＳＢリアク
ターから得られ、微量元素原液はハンター微量元素溶液を使用する。
バイオガス中のメタン含有量は、ガスクロマトグラフィー（ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＴＭ
ＴＲＡＣＥ１３１０）によって測定され、熱伝導度検出器を搭載し、キャリアガスとして
窒素を使用し、円二色性（ＣＤ）、蛍光分光法、およびＦＴＩＲ分光法は、タンパク質の
二次構造の変化を説明するために使用され、要するに、ＪＡＳＣＯソフトウェアによって
制御されるＪＡＳＣＯ Ｊ-７１５自動記録分光光度計（東京、日本）を使用し、室温で
０．１ｃｍの石英セルを使用してＣＤスペクトルを取得し、前処理されたサンプルは、約
４５ ｍｇ ＢＳＡ / Ｌの濃度に希釈され、次に、光路長１ｃｍの石英セルに移し、
１９０～２５０ ｎｍの範囲で分子の楕円率を測定し、帯域幅は１ ｎｍに維持され、ス
キャン速度は５０ ｎｍ / ｍｉｎであり、スキャンプロセスでは、ブランクとして蒸
留水を選択し、各スペクトルを自動的に修正する。
次の式（２）および（３）に従ってα-ヘリックス含有量を計算する。
（２）
ただし、ＭＲＥは平均残基楕円率（
）であり、ＣＰはタンパク質のモル濃度であり、ｎはアミノ酸残基の数（ＢＳＡは５８３
）であり、Ｌはセルパスの長さ（ｍｍ）である。
（３）
ただし、
は２０８ｎｍで観測されたＭＲＥであり、４０００は、ベータフォームとランダムコイル
コンフォメーションが２０８ｎｍで交差するＭＲＥであり、３３０００は、２０８ｎｍで
の純粋なスパイラルのＭＲＥ値である。
三次元励起発光マトリックス蛍光分光法と同期蛍光分光法は、タンパク質サンプルの発光
分光法を特徴づけるために使用され（Ｆｌｕｏｒｏｍａｘ-４ Ｓｐｅｃｔｒｏｆｌｕｏ
ｒｏｍｅｔｅｒ、ＨＯＲＩＢＡ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、フランス）、サンプルは最初に
０．４５ｍｍの親水性フィルターメンブレンでろ過され、次に、機器の測定範囲を超えな
いように、テスト前におよその濃度に希釈され、同期蛍光スペクトルを得るために、励起
波長は５ ｎｍステップで２５０～４５０ｎｍであり、オフセット量（Δλ）は６０ｎｍ
で一定とし、フーリエ赤外分光法は、タンパク質の官能基の特徴的な吸収ピークを検出す
るために使用され、スキャン範囲は５００～４０００ ｃｍ-１である。
次に、ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン、米国Ｅｑｕｉｔｅｃｈ-Ｂｉｏから購入）を炭素源
として使用して、合成タンパク質廃水を調製し、ＣＯＤの設定値は５０００ｍｇ / Ｌ
を維持し、同時に、嫌気性粒状汚泥は、中国江蘇省の都市下水処理施設のＵＡＳＢリアク
ターから得られ、微量元素原液はハンター微量元素溶液を使用する。
バイオガス中のメタン含有量は、ガスクロマトグラフィー（ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＴＭ
ＴＲＡＣＥ１３１０）によって測定され、熱伝導度検出器を搭載し、キャリアガスとして
窒素を使用し、円二色性（ＣＤ）、蛍光分光法、およびＦＴＩＲ分光法は、タンパク質の
二次構造の変化を説明するために使用され、要するに、ＪＡＳＣＯソフトウェアによって
制御されるＪＡＳＣＯ Ｊ-７１５自動記録分光光度計（東京、日本）を使用し、室温で
０．１ｃｍの石英セルを使用してＣＤスペクトルを取得し、前処理されたサンプルは、約
４５ ｍｇ ＢＳＡ / Ｌの濃度に希釈され、次に、光路長１ｃｍの石英セルに移し、
１９０～２５０ ｎｍの範囲で分子の楕円率を測定し、帯域幅は１ ｎｍに維持され、ス
キャン速度は５０ ｎｍ / ｍｉｎであり、スキャンプロセスでは、ブランクとして蒸
留水を選択し、各スペクトルを自動的に修正する。
次の式（２）および（３）に従ってα-ヘリックス含有量を計算する。
ただし、ＭＲＥは平均残基楕円率（
）であり、Ｌはセルパスの長さ（ｍｍ）である。
ただし、
コンフォメーションが２０８ｎｍで交差するＭＲＥであり、３３０００は、２０８ｎｍで
の純粋なスパイラルのＭＲＥ値である。
三次元励起発光マトリックス蛍光分光法と同期蛍光分光法は、タンパク質サンプルの発光
分光法を特徴づけるために使用され（Ｆｌｕｏｒｏｍａｘ-４ Ｓｐｅｃｔｒｏｆｌｕｏ
ｒｏｍｅｔｅｒ、ＨＯＲＩＢＡ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、フランス）、サンプルは最初に
０．４５ｍｍの親水性フィルターメンブレンでろ過され、次に、機器の測定範囲を超えな
いように、テスト前におよその濃度に希釈され、同期蛍光スペクトルを得るために、励起
波長は５ ｎｍステップで２５０～４５０ｎｍであり、オフセット量（Δλ）は６０ｎｍ
で一定とし、フーリエ赤外分光法は、タンパク質の官能基の特徴的な吸収ピークを検出す
るために使用され、スキャン範囲は５００～４０００ ｃｍ-１である。
次に、次の実験的調査を行う。
一、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対する酸性前処理の異なるｐＨの影響の
調査
実施例１～３異なるｐＨでの酸性前処理試験の比較とし、異なるｐＨ勾配で前処理された
タンパク質廃水のＡＤメタン生成性能を図１Ａに示される。最初の１２時間では、メタン
生成率に有意な改善はなく、グループ間で差はない。これは、嫌気性粒状スラッジを短期
間で適応させる必要があり、この適応では前処理条件の違いによる違いが見られないため
である。図１Ａに示すように、１２０時間で前処理を行わなかった場合の５ ｇ ＣＯＤ
/ ＬＢＳＡ合成廃水のメタン生成率は１１０．２±５．１ｍＬ / ｇタンパク質であ
った。酸性前処理後、１２０時間での合成廃水の最低および最高のメタン生成速度は１２
５．５±２．６ｍＬ / ｇタンパク質（ｐＨ＝５）および１４２．６±４．０ｍＬ /
ｇタンパク質（ｐＨ＝３）であった。対照組と比較して、メタン生成率はそれぞれ１３．
９％（ｐＨ＝５）と２９．４％（ｐＨ＝３）増加し、ただし、対照組はｐＨ前処理なしの
組である。タンパク質分子が低ｐＨ条件下で不安定な中間溶融ボール状態になり、タンパ
ク質のコンフォメーションが変化し、加水分解酵素の影響を受けやすい活性部分が露出し
、これにより、嫌気性発酵の加水分解および酸性化効率が大幅に向上し、メタン生成率を
より高める。
二、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するアルカリ前処理の異なるｐＨの影
響の調査
実施例４～６を異なるｐＨのアルカリ前処理の実験比較とし、ｐＨ＝８-１２のアルカリ
性条件下での前処理後、図１Ｂに示すように、１２０時間での最低および最高のメタン生
成率は、それぞれ１３８．４±３．８ｍＬ / ｇタンパク質（ｐＨ＝８）および１４９
．６±１６．１ｍＬ / ｇタンパク質（ｐＨ＝１２）であり、対照組（１１０．２±５
．１ｍＬ/ｇタンパク質）と比較すると、それぞれ２５．６％および３５．７％増加し、
ただし、対照組はｐＨ前処理なしの組である。さらに、嫌気性発酵機能性細菌は、酸前処
理よりもアルカリ前処理タンパク質廃水に適応しやすいようである。特に嫌気性発酵の２
４時間後、メタン蓄積の有意差が観察され、その中で、ｐＨ＝１２およびｐＨ＝３の前処
理されたタンパク質廃水のメタン生成率は、それぞれ４７．４±１．４ｍＬ / ｇタン
パク質および１６．９±４．２ｍＬ / ｇタンパク質であるが、対照組は１３．０±０
．９ｍＬ/ｇタンパク質であった。アルカリ前処理タンパク質廃水のメタン生成率の急激
な増加は６０時間まで続き、その後、２つの前処理の増加傾向は同じである傾向がある。
三、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するさまざまなｐＨ前処理でのエアバ
スシェーカーの振とう時間の影響の調査
実施例１、７、８を異なるエアバスシェーカー振とう時間の実験比較とし、合成タンパク
質廃水のさまざまな前処理時間（６時間、１２時間、１８時間、および２４時間）によっ
てＡＤのメタン生成性能を得る。図２Ａに示すように、ｐＨ＝３で６時間前処理した後、
メタン生成速度はメタン化プロセスを通じて１３４．３±１．３ｍＬ / ｇタンパク質
に達する可能性があり、４時間前処理した実験組（１４２．６±４．０ｍＬ / ｇタン
パク質）と比較して、７４．４％のメタンゲイン効果を達成した。したがって、酸性前処
理（ｐＨ＝３）では、合成タンパク質廃水を６時間前処理することを経済的である。同様
に、ｐＨ＝１２の条件下での合成タンパク質廃水のアルカリ前処理し（図２Ｂ）、前処理
時間が６時間の場合、１２０時間のメタン生成プロセスの後、メタン生成率は１４２．６
±１７．３ｍＬ / ｇタンパク質に達する可能性があることを示している。２４時間の
アルカリ前処理のメタン生成率（１４９．６±１６．１ｍＬ / ｇタンパク質）と比較
して、メタンゲイン効果は８２．２％に達した。したがって、酸性前処理であろうとアル
カリ前処理であろうと、経済的考慮に基づいて、６時間の前処理時間を選択することは科
学的かつ合理的である。さらに、酸性の前処理された合成廃水と比較して、前処理時間の
長さに関係なく、嫌気性発酵機能性細菌は、アルカリ性前処理廃水に対してより良い適応
性を持っている。
四、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するマイクロ波前処理の使用/非使用
の影響の調査
実施例１、９は、それぞれマイクロ波前処理の非使用／使用の方法であり、２０時間後の
メタン生成率をそれぞれ測定し、実施例１では１２０時間後のメタン生成率が約１４２．
６±４．０ｍＬ/ｇタンパク質であるが、実施例９では１２０時間後のメタン生成率が約
１５１．３±８．９ｍＬ/ｇタンパク質であり、両者を比較すると、マイクロ波前処理さ
れた実施例９は、実施例１より高いメタン生成効率を有する。
五、マイクロ波前処理下でのタンパク質廃水ＡＤメタン生成の効率に対するさまざまなマ
イクロ波前処理パラメーターの影響の調査
実施例９～１１はそれぞれ異なるマイクロ波前処理パラメータの方法であり、１２０時間
後のメタン生成率をそれぞれ測定し、実施例９では１２０時間後のメタン生成率が約１５
１．３±８．９ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１０では１２０時間後のメタン生成率
が約１４９．１±７．３ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１１では１２０時間後のメタ
ン生成率が約１５２．６±９．５ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例９～１１のメタン生
成率が有意差がなく、式（１）により、温度変化に応じたマイクロ波前処理パラメータの
動的調整により、メタン生成効率の比較的安定した促進効果を維持できる。
同時に、実施例１０、１１の温度２０℃、３０℃を基準にして、実施例９のマイクロ波パ
ワー７８４Ｗで前処理を行い、結果を対照例１、対照例２とし、対照例１では１２０時間
後のメタン生成率が約１４１．３±９．１ｍＬ/ｇタンパク質であり、対照例２では１２
０時間後のメタン生成率が約１４３．７±８．８ｍＬ/ｇタンパク質であり、比較すると
、対照例１は実施例１０よりも、対照例２は実施例１１よりも、メタン生成効率がある程
度低下した。
六、タンパク質廃水からのＡＤメタン生成の効率に対する嫌気性消化のさまざまな混合方
法の影響の調査
実施例１、１２では、直接混合し、ゼラチン被覆高炭素鋼球の方法を採用し、１２０時間
後のメタン生成率をそれぞれ測定し、実施例１では１２０時間後のメタン生成率が約１４
２．６±４．０ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１２では１２０時間後のメタン生成率
が約１５６．５±３．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、両者を比較すると、ゼラチン被覆高
炭素鋼球を採用する実施例１２は実施例１よりも高いメタン生成効率を有する。
同時に、実施例１２にゼラチンが導入されることを考慮して、実施例１を基に、実施例１
２と同じ含有量のゼラチンを添加して、対照例３とし、対照例３では１２０時間後のメタ
ン生成率が約１４５．２±５．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、両者を比較すると、実施例
１２はいぜんとして同じ量のゼラチンを含有する対照例３よりも高いメタン生成効率を有
する。
七、ンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するゼラチンコーティングされた高炭素
鋼球のさまざまな投与量の影響の調査
実施例１２～１４は異なるゼラチン被覆高炭素鋼球の投入量の方法であり、１２０時間後
のメタン生成率をそれぞれ測定し、実施例１２では１２０時間後のメタン生成率が約１５
６．５±３．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１３では１２０時間後のメタン生成率
が約１５０．５±３．３ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１４では１２０時間後のメタ
ン生成率が約１５７．５±３．９ｍＬ/ｇタンパク質であり、メタン生成率は投与量の２
０～２７％の範囲でより明らかに増加し、メタン生成率は２７～３０％の範囲でゆっくり
と増加するため、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球の投与量は、実際のコストおよ
び他の観点に基づいて、実際のニーズに応じて選択すればよい。
八、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するさまざまな磁場強度の影響の調査
実施例１２、１５、１６は、それぞれ異なる磁場強度の方法であり、１２０時間後のメタ
ン生成率をそれぞれ測定し、実施例１２では１２０時間後のメタン生成率が約１５６．５
±３．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１３では１２０時間後のメタン生成率が約１
５２．７±３．５ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１４では１２０時間後のメタン生成
率が約１５７．３±４．０ｍＬ/ｇタンパク質であり、比較すると、メタン生成率は０．
１～０．１５ Ｔの範囲で明らかに増加するため、経済的な観点から、実施例１２の磁場
強度がより適切である。
同時に、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するｐＨ前処理の影響をさらに調
査するために、酸塩基前処理後のタンパク質廃水の内因性蛍光特性、タンパク質二次構造
特性、およびＢＳＡのフーリエ変換赤外分光法を調べ、具体的には以下のとおりである。
一、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対する酸性前処理の異なるｐＨの影響の
調査
実施例１～３異なるｐＨでの酸性前処理試験の比較とし、異なるｐＨ勾配で前処理された
タンパク質廃水のＡＤメタン生成性能を図１Ａに示される。最初の１２時間では、メタン
生成率に有意な改善はなく、グループ間で差はない。これは、嫌気性粒状スラッジを短期
間で適応させる必要があり、この適応では前処理条件の違いによる違いが見られないため
である。図１Ａに示すように、１２０時間で前処理を行わなかった場合の５ ｇ ＣＯＤ
/ ＬＢＳＡ合成廃水のメタン生成率は１１０．２±５．１ｍＬ / ｇタンパク質であ
った。酸性前処理後、１２０時間での合成廃水の最低および最高のメタン生成速度は１２
５．５±２．６ｍＬ / ｇタンパク質（ｐＨ＝５）および１４２．６±４．０ｍＬ /
ｇタンパク質（ｐＨ＝３）であった。対照組と比較して、メタン生成率はそれぞれ１３．
９％（ｐＨ＝５）と２９．４％（ｐＨ＝３）増加し、ただし、対照組はｐＨ前処理なしの
組である。タンパク質分子が低ｐＨ条件下で不安定な中間溶融ボール状態になり、タンパ
ク質のコンフォメーションが変化し、加水分解酵素の影響を受けやすい活性部分が露出し
、これにより、嫌気性発酵の加水分解および酸性化効率が大幅に向上し、メタン生成率を
より高める。
二、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するアルカリ前処理の異なるｐＨの影
響の調査
実施例４～６を異なるｐＨのアルカリ前処理の実験比較とし、ｐＨ＝８-１２のアルカリ
性条件下での前処理後、図１Ｂに示すように、１２０時間での最低および最高のメタン生
成率は、それぞれ１３８．４±３．８ｍＬ / ｇタンパク質（ｐＨ＝８）および１４９
．６±１６．１ｍＬ / ｇタンパク質（ｐＨ＝１２）であり、対照組（１１０．２±５
．１ｍＬ/ｇタンパク質）と比較すると、それぞれ２５．６％および３５．７％増加し、
ただし、対照組はｐＨ前処理なしの組である。さらに、嫌気性発酵機能性細菌は、酸前処
理よりもアルカリ前処理タンパク質廃水に適応しやすいようである。特に嫌気性発酵の２
４時間後、メタン蓄積の有意差が観察され、その中で、ｐＨ＝１２およびｐＨ＝３の前処
理されたタンパク質廃水のメタン生成率は、それぞれ４７．４±１．４ｍＬ / ｇタン
パク質および１６．９±４．２ｍＬ / ｇタンパク質であるが、対照組は１３．０±０
．９ｍＬ/ｇタンパク質であった。アルカリ前処理タンパク質廃水のメタン生成率の急激
な増加は６０時間まで続き、その後、２つの前処理の増加傾向は同じである傾向がある。
三、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するさまざまなｐＨ前処理でのエアバ
スシェーカーの振とう時間の影響の調査
実施例１、７、８を異なるエアバスシェーカー振とう時間の実験比較とし、合成タンパク
質廃水のさまざまな前処理時間（６時間、１２時間、１８時間、および２４時間）によっ
てＡＤのメタン生成性能を得る。図２Ａに示すように、ｐＨ＝３で６時間前処理した後、
メタン生成速度はメタン化プロセスを通じて１３４．３±１．３ｍＬ / ｇタンパク質
に達する可能性があり、４時間前処理した実験組（１４２．６±４．０ｍＬ / ｇタン
パク質）と比較して、７４．４％のメタンゲイン効果を達成した。したがって、酸性前処
理（ｐＨ＝３）では、合成タンパク質廃水を６時間前処理することを経済的である。同様
に、ｐＨ＝１２の条件下での合成タンパク質廃水のアルカリ前処理し（図２Ｂ）、前処理
時間が６時間の場合、１２０時間のメタン生成プロセスの後、メタン生成率は１４２．６
±１７．３ｍＬ / ｇタンパク質に達する可能性があることを示している。２４時間の
アルカリ前処理のメタン生成率（１４９．６±１６．１ｍＬ / ｇタンパク質）と比較
して、メタンゲイン効果は８２．２％に達した。したがって、酸性前処理であろうとアル
カリ前処理であろうと、経済的考慮に基づいて、６時間の前処理時間を選択することは科
学的かつ合理的である。さらに、酸性の前処理された合成廃水と比較して、前処理時間の
長さに関係なく、嫌気性発酵機能性細菌は、アルカリ性前処理廃水に対してより良い適応
性を持っている。
四、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するマイクロ波前処理の使用/非使用
の影響の調査
実施例１、９は、それぞれマイクロ波前処理の非使用／使用の方法であり、２０時間後の
メタン生成率をそれぞれ測定し、実施例１では１２０時間後のメタン生成率が約１４２．
６±４．０ｍＬ/ｇタンパク質であるが、実施例９では１２０時間後のメタン生成率が約
１５１．３±８．９ｍＬ/ｇタンパク質であり、両者を比較すると、マイクロ波前処理さ
れた実施例９は、実施例１より高いメタン生成効率を有する。
五、マイクロ波前処理下でのタンパク質廃水ＡＤメタン生成の効率に対するさまざまなマ
イクロ波前処理パラメーターの影響の調査
実施例９～１１はそれぞれ異なるマイクロ波前処理パラメータの方法であり、１２０時間
後のメタン生成率をそれぞれ測定し、実施例９では１２０時間後のメタン生成率が約１５
１．３±８．９ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１０では１２０時間後のメタン生成率
が約１４９．１±７．３ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１１では１２０時間後のメタ
ン生成率が約１５２．６±９．５ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例９～１１のメタン生
成率が有意差がなく、式（１）により、温度変化に応じたマイクロ波前処理パラメータの
動的調整により、メタン生成効率の比較的安定した促進効果を維持できる。
同時に、実施例１０、１１の温度２０℃、３０℃を基準にして、実施例９のマイクロ波パ
ワー７８４Ｗで前処理を行い、結果を対照例１、対照例２とし、対照例１では１２０時間
後のメタン生成率が約１４１．３±９．１ｍＬ/ｇタンパク質であり、対照例２では１２
０時間後のメタン生成率が約１４３．７±８．８ｍＬ/ｇタンパク質であり、比較すると
、対照例１は実施例１０よりも、対照例２は実施例１１よりも、メタン生成効率がある程
度低下した。
六、タンパク質廃水からのＡＤメタン生成の効率に対する嫌気性消化のさまざまな混合方
法の影響の調査
実施例１、１２では、直接混合し、ゼラチン被覆高炭素鋼球の方法を採用し、１２０時間
後のメタン生成率をそれぞれ測定し、実施例１では１２０時間後のメタン生成率が約１４
２．６±４．０ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１２では１２０時間後のメタン生成率
が約１５６．５±３．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、両者を比較すると、ゼラチン被覆高
炭素鋼球を採用する実施例１２は実施例１よりも高いメタン生成効率を有する。
同時に、実施例１２にゼラチンが導入されることを考慮して、実施例１を基に、実施例１
２と同じ含有量のゼラチンを添加して、対照例３とし、対照例３では１２０時間後のメタ
ン生成率が約１４５．２±５．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、両者を比較すると、実施例
１２はいぜんとして同じ量のゼラチンを含有する対照例３よりも高いメタン生成効率を有
する。
七、ンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するゼラチンコーティングされた高炭素
鋼球のさまざまな投与量の影響の調査
実施例１２～１４は異なるゼラチン被覆高炭素鋼球の投入量の方法であり、１２０時間後
のメタン生成率をそれぞれ測定し、実施例１２では１２０時間後のメタン生成率が約１５
６．５±３．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１３では１２０時間後のメタン生成率
が約１５０．５±３．３ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１４では１２０時間後のメタ
ン生成率が約１５７．５±３．９ｍＬ/ｇタンパク質であり、メタン生成率は投与量の２
０～２７％の範囲でより明らかに増加し、メタン生成率は２７～３０％の範囲でゆっくり
と増加するため、ゼラチンコーティングされた高炭素鋼球の投与量は、実際のコストおよ
び他の観点に基づいて、実際のニーズに応じて選択すればよい。
八、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するさまざまな磁場強度の影響の調査
実施例１２、１５、１６は、それぞれ異なる磁場強度の方法であり、１２０時間後のメタ
ン生成率をそれぞれ測定し、実施例１２では１２０時間後のメタン生成率が約１５６．５
±３．７ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１３では１２０時間後のメタン生成率が約１
５２．７±３．５ｍＬ/ｇタンパク質であり、実施例１４では１２０時間後のメタン生成
率が約１５７．３±４．０ｍＬ/ｇタンパク質であり、比較すると、メタン生成率は０．
１～０．１５ Ｔの範囲で明らかに増加するため、経済的な観点から、実施例１２の磁場
強度がより適切である。
同時に、タンパク質廃水中のＡＤメタン生成の効率に対するｐＨ前処理の影響をさらに調
査するために、酸塩基前処理後のタンパク質廃水の内因性蛍光特性、タンパク質二次構造
特性、およびＢＳＡのフーリエ変換赤外分光法を調べ、具体的には以下のとおりである。
一、タンパク質廃水の内因性蛍光特性
タンパク質の内因性蛍光は、主に分子内のトリプトファン（Ｔｒｐ）残基、チロシン（Ｔ
ｙｒ）残基、およびフェニルアラニン（Ｐｈｅ）残基に由来する。強い蛍光を発するタン
パク質高分子として、ＢＳＡは各分子に２つのＴｒｐ残基、２１のＴｙｒ残基、２６のＰ
ｈｅ残基を持ち、これらの３つの発色団には、独自の特徴的な蛍光ピークがある。Ｔｒｐ
残基には、それぞれドメインＩおよびドメインＩＩに位置するＴｒｐ１３４およびＴｒｐ
２１２が含まれ、蛍光は主に２１２位のＴｒｐ残基から放出される。チロシンはこの波長
では吸収されないため、トリプトファン残基のみによって引き起こされる蛍光は、２９５
ｎｍ付近の励起によって選択的に測定できる。さらに、Ｔｒｐ残基は、ＴｙｒおよびＰｈ
ｅ残基よりも高い環境極性感度と蛍光量子収率を示し、したがって、タンパク質のコンフ
ォメーションと構造の秘密を解き明かす上で、長期的かつ実りある光学分光法の役割を果
たす。
２９２ ｎｍの励起波長で、未処理のＢＳＡサンプルのＴｒｐ残基の最大発光ピークは３
４５ｎｍであると決定され、遊離Ｌ-Ｔｒｐの最大発光ピークは３５２ｎｍにあり、Ｔｒ
ｐ残基の最大発光波長は７ｎｍだけ青方偏移する。これは、ＢＳＡのＴｒｐ残基のほとん
どが分子の内部、低極性の疎水性微小環境にカプセル化されており、水との自由な接触が
制限されていることを示す。ｐＨ＝３で２４時間酸性前処理した後、ＢＳＡのＴｒｐ残基
の蛍光ピークの位置が３４５ｎｍから３５０ｎｍに変化し、これにより、赤方偏移とスト
ークスシフト（Δλ）がわずかに増加する。同時に、ピーク位置での蛍光強度も大幅に減
少し、微小環境がより極性の高い環境に変化したことを示し、Ｔｒｐ残基は、分子内の元
の疎水性空洞から露出しているためである。しかしながら、同じ条件下では、蛍光ピーク
の発光波長は遊離Ｌ-Ｔｒｐの発光波長よりもわずかに小さく、ピーク位置にはまだある
程度の青方偏移があり、ＢＳＡ分子のＴｒｐ残基が、ｐＨ＝３で２４時間前処理した後、
水環境に完全にさらされておらず、それらの一部が分子の疎水性空洞にまだ存在している
ことを示す。
逆に、ｐＨ＝１２のアルカリ性条件下で２４時間処理したＢＳＡのＴｒｐ残基の蛍光ピー
ク位置は、３４５ｎｍから３４０ｎｍに変化し、発光波長に青方偏移があり、その蛍光ピ
ークの強度は４３．８％減少した（１２２６７０ ａ．ｕ．から６８９９８９ ａ．ｕ．
に低下した）。タンパク質の蛍光強度の低下は、２つの要因によって引き起こされること
が多く、１つは芳香族残基の蛍光の消光と蛍光ピーク位置のシフトであり、もう１つは芳
香族残基の酸化である。ータから、蛍光強度の低下は、２つの消光経路の相乗効果の結果
であることが分かった。さらに、疎水性の増加は、Ｔｒｐ残基がタンパク質分子内の疎水
性領域に位置していることを示し、これは、タンパク質のコンフォメーションがシフトし
た可能性があることも示す。他のｐＨ条件下では、酸性またはアルカリ性の条件にかかわ
らず、蛍光強度の低下は、蛍光の最大発光のブルーシフトがないため、蛍光消光ではなく
、芳香族アミノ酸の酸化によってのみ引き起こされる可能性がある。
図３および表１に示すように、２４時間の前処理時間を除いて、酸性前処理条件下での蛍
光消光は、明らかなピーク位置の変化が見られなかったため、芳香族アミノ酸の酸化に起
因する可能性がある。酸性前処理と異なり、アルカリ前処理したタンパク質廃水の蛍光強
度が大幅に低下し、これは、異なる前処理時間での最大蛍光ピークの発光波の青方偏移が
原因で、蛍光消光が起こった可能性がある。さらに、前処理時間に関係なく、アルカリ前
処理はタンパク質のコンフォメーションと構造を大幅に変化させる傾向があり、これは、
青方偏移によって引き起こされる疎水性の増加によるものである。したがって、アルカリ
前処理（ｐＨ＝１２）でタンパク質の変性を達成するのに６時間しかかからない。
タンパク質の内因性蛍光は、主に分子内のトリプトファン（Ｔｒｐ）残基、チロシン（Ｔ
ｙｒ）残基、およびフェニルアラニン（Ｐｈｅ）残基に由来する。強い蛍光を発するタン
パク質高分子として、ＢＳＡは各分子に２つのＴｒｐ残基、２１のＴｙｒ残基、２６のＰ
ｈｅ残基を持ち、これらの３つの発色団には、独自の特徴的な蛍光ピークがある。Ｔｒｐ
残基には、それぞれドメインＩおよびドメインＩＩに位置するＴｒｐ１３４およびＴｒｐ
２１２が含まれ、蛍光は主に２１２位のＴｒｐ残基から放出される。チロシンはこの波長
では吸収されないため、トリプトファン残基のみによって引き起こされる蛍光は、２９５
ｎｍ付近の励起によって選択的に測定できる。さらに、Ｔｒｐ残基は、ＴｙｒおよびＰｈ
ｅ残基よりも高い環境極性感度と蛍光量子収率を示し、したがって、タンパク質のコンフ
ォメーションと構造の秘密を解き明かす上で、長期的かつ実りある光学分光法の役割を果
たす。
２９２ ｎｍの励起波長で、未処理のＢＳＡサンプルのＴｒｐ残基の最大発光ピークは３
４５ｎｍであると決定され、遊離Ｌ-Ｔｒｐの最大発光ピークは３５２ｎｍにあり、Ｔｒ
ｐ残基の最大発光波長は７ｎｍだけ青方偏移する。これは、ＢＳＡのＴｒｐ残基のほとん
どが分子の内部、低極性の疎水性微小環境にカプセル化されており、水との自由な接触が
制限されていることを示す。ｐＨ＝３で２４時間酸性前処理した後、ＢＳＡのＴｒｐ残基
の蛍光ピークの位置が３４５ｎｍから３５０ｎｍに変化し、これにより、赤方偏移とスト
ークスシフト（Δλ）がわずかに増加する。同時に、ピーク位置での蛍光強度も大幅に減
少し、微小環境がより極性の高い環境に変化したことを示し、Ｔｒｐ残基は、分子内の元
の疎水性空洞から露出しているためである。しかしながら、同じ条件下では、蛍光ピーク
の発光波長は遊離Ｌ-Ｔｒｐの発光波長よりもわずかに小さく、ピーク位置にはまだある
程度の青方偏移があり、ＢＳＡ分子のＴｒｐ残基が、ｐＨ＝３で２４時間前処理した後、
水環境に完全にさらされておらず、それらの一部が分子の疎水性空洞にまだ存在している
ことを示す。
逆に、ｐＨ＝１２のアルカリ性条件下で２４時間処理したＢＳＡのＴｒｐ残基の蛍光ピー
ク位置は、３４５ｎｍから３４０ｎｍに変化し、発光波長に青方偏移があり、その蛍光ピ
ークの強度は４３．８％減少した（１２２６７０ ａ．ｕ．から６８９９８９ ａ．ｕ．
に低下した）。タンパク質の蛍光強度の低下は、２つの要因によって引き起こされること
が多く、１つは芳香族残基の蛍光の消光と蛍光ピーク位置のシフトであり、もう１つは芳
香族残基の酸化である。ータから、蛍光強度の低下は、２つの消光経路の相乗効果の結果
であることが分かった。さらに、疎水性の増加は、Ｔｒｐ残基がタンパク質分子内の疎水
性領域に位置していることを示し、これは、タンパク質のコンフォメーションがシフトし
た可能性があることも示す。他のｐＨ条件下では、酸性またはアルカリ性の条件にかかわ
らず、蛍光強度の低下は、蛍光の最大発光のブルーシフトがないため、蛍光消光ではなく
、芳香族アミノ酸の酸化によってのみ引き起こされる可能性がある。
図３および表１に示すように、２４時間の前処理時間を除いて、酸性前処理条件下での蛍
光消光は、明らかなピーク位置の変化が見られなかったため、芳香族アミノ酸の酸化に起
因する可能性がある。酸性前処理と異なり、アルカリ前処理したタンパク質廃水の蛍光強
度が大幅に低下し、これは、異なる前処理時間での最大蛍光ピークの発光波の青方偏移が
原因で、蛍光消光が起こった可能性がある。さらに、前処理時間に関係なく、アルカリ前
処理はタンパク質のコンフォメーションと構造を大幅に変化させる傾向があり、これは、
青方偏移によって引き起こされる疎水性の増加によるものである。したがって、アルカリ
前処理（ｐＨ＝１２）でタンパク質の変性を達成するのに６時間しかかからない。
二、タンパク質の二次構造特性
タンパク質分解はＡＤの律速段階であり、その理由は、タンパク質自体の複雑なコンフォ
メーションと構造のために、メタン機能細菌が使用する前に、加水分解酵素の作用下でペ
プチドとアミノ酸に分解する必要があるためである。ネイティブＢＳＡの二次構造は、主
に水素結合を介したペプチド骨格の折り畳みによって形成されるα-ヘリックスとβ-シー
ト構造であり、この変化はタンパク質のバイオアベイラビリティに大きな影響を与える。
図４に示すように、遠紫外線ＣＤスペクトルのさらなる調査により、異なるｐＨ作業条件
下での前処理されたタンパク質のコンフォメーションと構造変化パターンが明らかになる
。結果から分かるように、図４（Ａ-Ｄ）のスペクトルでは、約２０８ｎｍと２２２ｎｍ
に２つの明らかな負のピークがあり、通常はα-ヘリックス構造の特徴である。図４（ａ-
ｄ）に示すように、ＢＳＡ分子の二次コンフォメーションと構造における４つのモノマー
の含有量の変化は、さまざまなｐＨ作業条件下での相関計算によって得られる。詳細には
、ブランク組のα-ヘリックス、β-シート、β-ターンおよび無秩序構造の含有量は、そ
れぞれ４９．０％、８．２％、１４．５％および２２．０％であった。酸性条件下で前処
理されたすべてのサンプルのα-ヘリックス含有量は減少し、その中で、ｐＨ＝３で前処
理されたサンプルのα-ヘリックス含有量は４７．５％に低下し、酸性の前処理がＢＳＡ
分子のペプチド鎖の規則正しいらせんの減少を刺激し、タンパク質のしわと無秩序な構造
の増加をもたらしたことを示した。さらに、図４Ｃおよび図４ｃに示すように、酸性前処
理（ｐＨ＝３）の時間経済性の調査から分かるように、前処理時間の増加に伴い、ＢＳＡ
分子の二次コンフォメーションと構造に明らかな違いがないため、酸性前処理の最初の選
択肢として６時間を決定できる。
逆に、図４Ｂおよび図４ｂに示されるように、ｐＨ＝１２で前処理されたＢＳＡの第２の
構造は、秩序から無秩序へ、および折り畳みから無秩序への明確な移行を示した。なお、
αヘリックス、βシート、βターンおよび無秩序構造の含有量は、それぞれ２６．３％、
２９．５％、１８．９％および３２．２％であった。ＢＳＡの酸性前処理と比較して、ア
ルカリ前処理（ｐＨ＝１２）はタンパク質の二次構造をより効果的に破壊し、タンパク質
の秩序から無秩序への移行、特にβシートと無秩序構造をもたらし、これは、タンパク質
の分解と利用に積極的に関連する。さらに、ｐＨ値が中性に調整される前に、ＡＤメタン
生成プロセス中のα-ヘリックスの含有量は４６．３％減少し、ｐＨ＝１２のアルカリ性
条件下では、タンパク質の水素結合ネットワークが不可逆的に破壊される可能性があるこ
とを示す。さらに、図４Ｄおよび図４ｄに示すように、アルカリ前処理（ｐＨ＝１２）の
時間経済的調査は、時間が長くなるほど、タンパク質の二次コンフォメーションと構造の
変化がより明白になることを示す。したがって、アルカリ前処理（ｐＨ＝１２）中のタン
パク質のコンフォメーションと構造の変化は時間に依存する。
タンパク質分解はＡＤの律速段階であり、その理由は、タンパク質自体の複雑なコンフォ
メーションと構造のために、メタン機能細菌が使用する前に、加水分解酵素の作用下でペ
プチドとアミノ酸に分解する必要があるためである。ネイティブＢＳＡの二次構造は、主
に水素結合を介したペプチド骨格の折り畳みによって形成されるα-ヘリックスとβ-シー
ト構造であり、この変化はタンパク質のバイオアベイラビリティに大きな影響を与える。
図４に示すように、遠紫外線ＣＤスペクトルのさらなる調査により、異なるｐＨ作業条件
下での前処理されたタンパク質のコンフォメーションと構造変化パターンが明らかになる
。結果から分かるように、図４（Ａ-Ｄ）のスペクトルでは、約２０８ｎｍと２２２ｎｍ
に２つの明らかな負のピークがあり、通常はα-ヘリックス構造の特徴である。図４（ａ-
ｄ）に示すように、ＢＳＡ分子の二次コンフォメーションと構造における４つのモノマー
の含有量の変化は、さまざまなｐＨ作業条件下での相関計算によって得られる。詳細には
、ブランク組のα-ヘリックス、β-シート、β-ターンおよび無秩序構造の含有量は、そ
れぞれ４９．０％、８．２％、１４．５％および２２．０％であった。酸性条件下で前処
理されたすべてのサンプルのα-ヘリックス含有量は減少し、その中で、ｐＨ＝３で前処
理されたサンプルのα-ヘリックス含有量は４７．５％に低下し、酸性の前処理がＢＳＡ
分子のペプチド鎖の規則正しいらせんの減少を刺激し、タンパク質のしわと無秩序な構造
の増加をもたらしたことを示した。さらに、図４Ｃおよび図４ｃに示すように、酸性前処
理（ｐＨ＝３）の時間経済性の調査から分かるように、前処理時間の増加に伴い、ＢＳＡ
分子の二次コンフォメーションと構造に明らかな違いがないため、酸性前処理の最初の選
択肢として６時間を決定できる。
逆に、図４Ｂおよび図４ｂに示されるように、ｐＨ＝１２で前処理されたＢＳＡの第２の
構造は、秩序から無秩序へ、および折り畳みから無秩序への明確な移行を示した。なお、
αヘリックス、βシート、βターンおよび無秩序構造の含有量は、それぞれ２６．３％、
２９．５％、１８．９％および３２．２％であった。ＢＳＡの酸性前処理と比較して、ア
ルカリ前処理（ｐＨ＝１２）はタンパク質の二次構造をより効果的に破壊し、タンパク質
の秩序から無秩序への移行、特にβシートと無秩序構造をもたらし、これは、タンパク質
の分解と利用に積極的に関連する。さらに、ｐＨ値が中性に調整される前に、ＡＤメタン
生成プロセス中のα-ヘリックスの含有量は４６．３％減少し、ｐＨ＝１２のアルカリ性
条件下では、タンパク質の水素結合ネットワークが不可逆的に破壊される可能性があるこ
とを示す。さらに、図４Ｄおよび図４ｄに示すように、アルカリ前処理（ｐＨ＝１２）の
時間経済的調査は、時間が長くなるほど、タンパク質の二次コンフォメーションと構造の
変化がより明白になることを示す。したがって、アルカリ前処理（ｐＨ＝１２）中のタン
パク質のコンフォメーションと構造の変化は時間に依存する。
三、酸塩基前処理後のＢＳＡのフーリエ変換赤外分光法
一般に、ＦＴＩＲスペクトルでは、アミドＩおよびアミドＩＩのバンドはＢＳＡの二次構
造に関連し、その中で、１６００～１７００ｃｍ-１の領域でのＣ＝Ｏ引張振動に関連す
る吸収をアミドＩとし、約１５５０ ｃｍ-１を中心とするＮ-Ｈ曲げ振動およびＣ-Ｎ引張
振動に関連する吸収をアミドＩＩとする。図５に示すように、ブランク組と比較すると、
酸性またはアルカリ性の条件で前処理されているかどうかに関係なく、ＢＳＡの振動周波
数と振動強度は変化する。振動周波数の変化について、酸性またはアルカリ性条件で前処
理されたタンパク質分子は、アミドＩおよびアミドＩＩバンドに赤方偏移があり、分子内
の水素結合が切断されていることを示す。特に、アミドＩバンドのスペクトル範囲の約１
６４５ ｃｍ-１を中心とする吸収は、α-ヘリックス構造の露出に起因する可能性がある
。露出したα-ヘリックスピークの動きは、ヘリックス構造の展開によりＢＳＡの本来の
構造が歪んでいることを示しており、ＣＤの結果の観察と一致する。動強度については、
アルカリ前処理の方が振動振幅が大きく、アルカリ前処理中の水素結合破壊度が酸性前処
理よりも大きかったことから、アルカリ前処理のメタン生成性能が優れていると理解でき
る。したがって、アミドＩＩバンドと比較してＢＳＡ二次構造変化に対するアミドＩバン
ドの感度が高いことは、Ｃ＝Ｏ伸縮振動は、α-ヘリックス構造の展開の主なトリガーで
あり、水素結合の切断につながる可能性がある。
表１ ｐＨ＝３とｐＨ＝１２の異なる前処理時間での蛍光スペクトルパラメータ
一般に、ＦＴＩＲスペクトルでは、アミドＩおよびアミドＩＩのバンドはＢＳＡの二次構
造に関連し、その中で、１６００～１７００ｃｍ-１の領域でのＣ＝Ｏ引張振動に関連す
る吸収をアミドＩとし、約１５５０ ｃｍ-１を中心とするＮ-Ｈ曲げ振動およびＣ-Ｎ引張
振動に関連する吸収をアミドＩＩとする。図５に示すように、ブランク組と比較すると、
酸性またはアルカリ性の条件で前処理されているかどうかに関係なく、ＢＳＡの振動周波
数と振動強度は変化する。振動周波数の変化について、酸性またはアルカリ性条件で前処
理されたタンパク質分子は、アミドＩおよびアミドＩＩバンドに赤方偏移があり、分子内
の水素結合が切断されていることを示す。特に、アミドＩバンドのスペクトル範囲の約１
６４５ ｃｍ-１を中心とする吸収は、α-ヘリックス構造の露出に起因する可能性がある
。露出したα-ヘリックスピークの動きは、ヘリックス構造の展開によりＢＳＡの本来の
構造が歪んでいることを示しており、ＣＤの結果の観察と一致する。動強度については、
アルカリ前処理の方が振動振幅が大きく、アルカリ前処理中の水素結合破壊度が酸性前処
理よりも大きかったことから、アルカリ前処理のメタン生成性能が優れていると理解でき
る。したがって、アミドＩＩバンドと比較してＢＳＡ二次構造変化に対するアミドＩバン
ドの感度が高いことは、Ｃ＝Ｏ伸縮振動は、α-ヘリックス構造の展開の主なトリガーで
あり、水素結合の切断につながる可能性がある。
表１ ｐＨ＝３とｐＨ＝１２の異なる前処理時間での蛍光スペクトルパラメータ
Ｆ*は蛍光強度を表す。
Claims (6)
- ステップＳ１：微生物調製
嫌気性粒状スラッジを１２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離して可溶性有機物を除去し、
蒸留水で２回洗浄して、遠心粒状スラッジを得て用意するステップと、
ステップＳ２：ｐＨ前処理
ｐＨ調整処理によりタンパク質廃水のｐＨ値を変化させ、エアバスシェーカーで室温で６
～２４時間振とうし、ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を得るステップと、
ステップＳ３：嫌気性消化
１）ｐＨ前処理後のタンパク質廃水を中性ｐＨの初期値に再調整して、中性タンパク質廃
水を取得し、
２）次に、中性タンパク質廃水１５０ｍＬ、微量元素原液１ｍＬ、Ｎａ２ＨＰＯ４０．３
ｇ、ＮａＨＣＯ３１ｇおよび遠心粒状スラッジ１５ｇを反応タンクに入れ混合し、同時に
、ヘリウムガスを反応タンク内の酸素を空にするために導入し、反応タンク内の無酸素環
境を確保し、
３）次に、反応タンク内の温度を３５±１℃に制御し、シェーカーで１２０ｒｐｍの振と
う速度で嫌気性消化を行い、生成したメタンを回収するステップと、
を含み、
前記ステップＳ３の混合方法は、１５０ｍＬの中性タンパク質廃水を、ゼラチン被覆高炭
素鋼球と１５ｇの遠心粒状スラッジの混合スラリーに添加し、前記ゼラチン被覆高炭素鋼
球は中性タンパク質廃水総体積の２０～３０％を占め、ゼラチン被覆高炭素鋼球の混合ゼ
ラチン層に１ｍＬ微量元素原液、１ｇＮａＨＣＯ ３ および０．３ｇＮａ ２ ＨＰＯ ４ が添加
される、
ことを特徴とするｐＨ調整に基づいてタンパク質廃水を前処理することでＡＤメタン生成
効率を改善する方法。 - 前記ステップＳ２におけるｐＨ調整処理は、酸性前処理を使用し、４Ｍ塩酸を使用してタ
ンパク質廃水のｐＨを２～６に調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記ステップＳ２におけるｐＨ調整処理は、アルカリ前処理を使用し、４Ｍ水酸化ナトリ
ウムを使用してタンパク質廃水のｐＨを８～１２に調整する、ことを特徴とする請求項１
に記載の方法。 - 前記ステップＳ２におけるエアバスシェーカーは、室温２５℃で、１００ｒｐｍ振とう速
度で振とうする、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記混合スラリーに中性タンパク質廃水を投入する前に、ゼラチンコーティングされた高
炭素鋼球を遠心粒状スラッジと混合し、０．１～０．２Ｔの磁場強度下に１５分間置く、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記ゼラチン被覆高炭素鋼球の調製方法は、粒子サイズ１±０．１ｃｍの高炭素鋼球を選
び、微量元素原液、ＮａＨＣＯ３およびＮａ２ＨＰＯ４をゼラチンと混合して混合ゼラチ
ンを得、高炭素鋼にコーティングされた混合ゼラチンの厚さが０．６±０．０５ｃｍにな
るように、混合ゼラチンを高炭素鋼球の表面にコーティングする、ことを特徴とする請求
項１に記載の方法。
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| CN104176825B (zh) * | 2014-09-05 | 2016-01-27 | 北京坦思环保科技有限公司 | 厌氧产甲烷厌氧氨氧化联合处理大豆蛋白废水装置及方法 |
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| CN110357364A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-22 | 黎兴才 | 一种基于微生物技术的工业废水处理装置 |
| CN111498991B (zh) * | 2020-04-29 | 2021-07-02 | 南京大学 | 一种促进厌氧颗粒污泥增殖与活性提高的方法 |
-
2021
- 2021-07-03 CN CN202110752658.8A patent/CN113462727B/zh active Active
- 2021-08-13 JP JP2021131898A patent/JP7009687B1/ja active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| CN113462727B (zh) | 2023-08-18 |
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