説明

ホタテ貝の内臓廃棄物から重金属を除去する方法

【課題】 ホタテ貝の内臓廃棄物(ウロ)からカドミウム等の重金属を効果的且つ経済的に除去して、それらの重金属やウロ中の成分の有効利用を図ることができる技術を提供する。
【解決手段】 ウロを硫酸水溶液に浸漬して、ウロ中の重金属を硫酸水溶液中に浸出させ、浸漬工程後の浸出液に凝集剤を添加してウロ中のタンパク質および脂質を凝集除去する。凝集剤として特に好ましいのは柿渋より製造されたものである。重金属を浸出させるための第1槽とpHを上昇させる第2槽とを用いて浸漬工程を実施することにより、吸着法などの既存技術と組み合わせて重金属を確実に分離回収することができる。また、重金属の電解採取に適した浸出液を得ることもできる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ホタテ貝の内臓廃棄物中よりカドミウム等の重金属を除去することにより、当該重金属およびホタテ貝内臓廃棄物を有効利用する技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
現在ホタテ貝(帆立貝)の養殖は北海道や青森県を代表する産業となっているが、加工工程で発生する貝殻や中腸腺等の軟体部分の廃棄物の処理が大きな課題となっている(なお、このようなホタテ貝の内臓廃棄物は、通称、ウロと呼ばれており、本願の明細書、請求の範囲、図面および要約書においても、ホタテ貝の内臓廃棄物を単にウロと称することがある)。
【0003】
以前はこれらのウロは海洋投棄されていたが、ロンドン条約の批准に伴い海洋投棄は禁止され、コストを要する陸上処理をする必要が生じた。ウロの廃棄物は一方では良質のタンパク質、アミノ酸、脂肪、EPAやDHA等の高機能の脂肪酸、燐やカルシウム等のミネラル分を豊富に含んでおり、処理方法次第で良質の肥料や飼料として高い利用価値が期待できる。しかしながらウロには生物濃縮により海水由来のカドミウム等の重金属が比較的高濃度で含まれており、これがウロの廃棄物の有効利用を阻んでいる。
青森県や北海道のオホーツク海沿岸ではウロが焼却処分されているが、この方法では焼却コストが嵩む他、重金属を含む焼却残渣の処理等の新たな問題も発生している。これに対して北海道では道立工業試験場を中心とした研究機関により平成3年より8年間の歳月をかけて硫酸浸出―電解採取によるカドミウムの除去技術が開発された(非特許文献1:作田庸一、嶋影和宣:湿式精錬プロセスによる水産系廃棄物(ホタテウロ)のリサイクル技術の開発、資源と素材、第120巻、第2号、pp.71−77(2004))。
【0004】
この技術に基づく処理施設が北海道の砂原町(平成17年の合併により現在は森町)で現在稼動している。ここではボイルされたウロを3%の希硫酸水溶液中(pH=0.7)に浸漬させることによりカドミウムを浸出させ、これを電解採取した後、5%の硫酸水溶液中に再度溶解させ、最終的に水酸化ナトリウムの添加により水酸化カドミウムの沈殿として回収されている。
【0005】
ウロの浸漬液中には高濃度のタンパク質や脂肪が溶解しており、これが電解採取の効率を著しく悪化させている。電解採取によりカドミウムを効率的に除去するためには、電解採取に先立ってこのような高濃度のタンパク質や脂肪(脂質)を除去しておくことが望まれる。また電解採取においては浸出液中のカドミウムの濃度が数ppmと希薄なため、多大な電力を要するという問題がある。電解採取を効率的に行うためには、低濃度のカドミウムをイオン交換樹脂やキレート樹脂を用いて吸着・溶離することにより電解採取に適した濃度まで濃縮することが望ましい。しかし多孔性のイオン交換樹脂やキレート樹脂では、ウロの浸漬液中の高濃度のタンパク質や脂肪が樹脂の細孔を塞ぐことにより被毒が起こり樹脂の機能を著しく低下させるという致命的な問題点がある。
【0006】
本発明者らは以前の研究でこれら合成の多孔性樹脂の替わりにミカン搾汁残渣を用いてカドミウムを吸着・濃縮するプロセスを提案した(特許文献1:特開2005−058951「ホタテ貝内臓浸漬液中の重金属および脂肪とタンパク質の分離・除去・濃縮・回収方法」(平成17年3月10日公開))。しかしながらこのプロセスにおいても以下の問題点がある。すなわち、ミカン搾汁残渣の吸着剤では鉛や第2鉄イオン等の陽イオンはpH=2程度の低いpHで吸着が起こるが、カドミウムの吸着が起こるpHは比較的高く、十分な吸着を起こすためにはpHを6程度にまで上げる必要がある。硫酸を用いて得られたpHが1以下の浸漬液のpHを6程度まで上げるためには水酸化ナトリウム等のアルカリを多量に添加する必要があり、大きなコストを要する。
【0007】
ウロ中の重金属を除去するためには、上述のように、希硫酸等の酸水溶液中に浸漬することにより重金属を浸出させるとともに、このようにして水溶液中に浸出させた重金属を経済的に分離・回収する、または環境中への漏出の防止にために固定化することが必要である。重金属の分離・回収方法としては、(1)イオン交換、吸着法あるいは沈殿法、または、(2)電解採取法の2つの方法が考えられるが、現行の技術では、下記のように、これらの方法を有効に活用することができない。
【0008】
イオン交換、吸着法あるいは沈殿法による重金属の分離においては、水溶液のpHをそれらに適したpHに設定することが必要となる。ウロからの重金属の浸出には低いpHの酸水溶液が効果的であるのに対し、浸出された重金属の分離には高いpHの液が好ましい。このため液のpHを上げるためには苛性ソーダや水酸化カルシウム等のアルカリの添加が必要となるが、それには多大のコストを伴う。さらにウロを酸水溶液中に浸漬した場合、大量のタンパク質や脂肪等の溶出が起こるが、これらは重金属の分離を著しく阻害するため、当該水溶液からの重金属の分離は容易ではない。
また、現行の電解採取法により重金属を除去する場合においても、既述のように、pHの低い浸漬液から大量のタンパク質や脂質を予め除去しておくなど、電解採取が効率的に実施できるための手段は未だ充分に確立されていない。
【非特許文献1】作田庸一、嶋影和宣:湿式精錬プロセスによる水産系廃棄物(ホタテウロ)のリサイクル技術の開発、資源と素材、第120巻、第2号、pp.71−77(2004)
【特許文献1】特開2005−058951「ホタテ貝内臓浸漬液中の重金属および脂肪とタンパク質の分離・除去・濃縮・回収方法」(平成17年3月10日公開)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の目的は、ウロからカドミウム等の重金属を効率的且つ経済的に除去して、それらの重金属やウロ中の成分の有効利用を図ることができるような新しい技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者らは、研究を重ねた結果、ウロの硫酸浸出液から、ウロ中のタンパク質や脂質を効率的に凝集させることのできる凝集剤を見出し本発明を導き出した。
かくして、本発明は、ホタテ貝の内臓廃棄物(ウロ)を硫酸水溶液に浸漬して、ウロ中の重金属を硫酸水溶液中に浸出させる工程、および前記浸漬工程後の浸出液に凝集剤を添加してウロ中のタンパク質および脂質を凝集除去する工程を含むことを特徴とするウロから重金属を除去する方法を提供するものである。本発明の特に好ましい態様に従えば、凝集剤は、柿渋より製造された凝集剤である。
【発明の効果】
【0011】
本発明により提供される技術を用いればウロから重金属が除去されることにより、難処理廃棄物のウロが良質の肥料や飼料として有効利用することができる。また浸出液中に高濃度で溶出されたタンパク質や脂肪なども柿渋由来のものに代表される凝集剤により分離・回収され、ウロ自体と同様に良質の肥料や飼料として有効利用することができる。さらに回収された重金属は非鉄金属の製錬所に中間原料として販売可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
ウロ中の重金属はウロに含まれるタンパク質末端のカルボキシル基、ならびに同じタンパク質の窒素原子や硫黄原子が配位した金属キレートとして存在していると考えられる。ウロのタンパク質からこのような重金属を遊離させるためには、カルボキシル基の陽イオン交換反応を利用して、酸水溶液と接触させることが必要である。酸水溶液としては硫酸、塩酸、硝酸、燐酸などの無機酸やクエン酸、リンゴ酸などの有機酸が考えられる。この内、クエン酸、リンゴ酸などの有機酸は重金属の強力な浸出剤として働くが、後の浸出液からの金属の分離に障害を与える。さらに塩酸は装置を腐食させ、硝酸や燐酸は環境汚染を引き起こす。これに対して硫酸は安価で環境に対する負荷も少ないため、浸出液として最適である。
【0013】
このように、ウロからの金属の浸出には低いpH、すなわちより高濃度の酸水溶液(硫酸水溶液)が好ましい。そして、硫酸水溶液で浸出を行うとウロから大量のタンパク質や脂質も同時に水溶液中に溶出し、浸漬液はコロイド状になっている。本発明においては、コロイド状で低pHの液中においてタンパク質および脂質に対する凝集能を有する凝集剤を用いて、ウロ中のタンパク質および脂質を凝集除去する。凝集剤としては、生化学の分野等においてタンパク質や脂質を凝集させる目的で使用されている各種の凝集剤が使用可能である。但し、水処理で広く使用されている合成の凝集剤は、一般に、上記のようなコロイド状の低いpHの液に対しては凝集機能を発現せず、また、溶出したタンパク質や脂質を後に肥料や飼料として利用する観点からも好ましくない。
【0014】
本発明者らは、本発明において用いられる凝集剤として柿渋より製造された凝集剤が特に適していることを見出した。柿渋から成る凝集剤は清酒中の米由来のタンパク質を分離・除去するために古来より使用されてきた天然の凝集剤であり、その安全性も確立されている。よく知られているように、柿渋は、水分、糖分、柿タンニンなどからなり、主成分である柿タンニンは、水の作用で縮合して高分子物質となる縮合型タンニンの一つである。本発明に適用する柿渋由来の凝集剤としては市販品をそのまま用いるのが便利である(例えば、株式会社トミヤマから吟醸玉渋無菌の名で販売されているものを使用することができる)が、必要に応じて、調製することもできる。柿渋の凝集剤の製造は、一般に、手作業または機械を用いて柿渋を搾汁する工程、およびその後の熟成工程から成る。柿渋凝集剤の使用濃度や浸出液に対する添加比率などは、適用する柿渋凝集剤に応じて実験により簡単に定めることができる。例えば、上記の(株)トミヤマ製の柿渋凝集剤は、一般に、10%水溶液として使用する(後述の実施例参照)。
【0015】
かくして、本発明に従えば、凝集剤、とりわけ、柿渋より製造された凝集剤を用いることにより、従来からの重金属の分離・回収方法、すなわち、(1)イオン交換、吸着法あるいは沈殿法、および(2)電解採取法における既述の問題点を解消して、重金属およびウロの有効利用を図ることができる。以下、それらの既存の方法と組み合わせると好適な本発明の実施の態様に沿って本発明を詳述する。
【0016】
(I)イオン交換、吸着法あるいは沈殿法による重金属の除去
先に述べたように重金属の浸出には可及的に低いpHの液が好ましい。一方、重金属のイオン交換、吸着あるいは沈殿による除去にはpHを高くする必要がある。pHを高めるためには、通常は苛性ソーダ等のアルカリ物質の添加が必要である。しかしこれはコストの上昇を伴う。本発明に従えば、浸出液の初期pHおよびウロと浸出液との固液比を適切な値に保つことにより外部からのアルカリ物質の添加無しに自然分離に適したpHとなる。
【0017】
図1は、これらのことによりイオン交換、吸着法あるいは沈殿法により重金属を除去するのに適した方法のフローシートの1例を示すものである。
図1にも示されるように、本発明の好ましい態様に従えば、2つの槽を用いて、浸漬工程を実施する。すなわち、第1の槽において、pH1〜2の希硫酸水溶液を用いてウロ中の重金属を浸出させ、さらに、第1槽で得られた浸出液を第2の槽に移し、その第2槽において当該浸出液に第1槽におけるよりも多い量のウロを浸漬して、その浸出液のpHが2.5〜5になるまで浸漬を行う。このように、第1槽は重金属を浸出させるためのものであり、第2槽はpHを上昇させるためのものである。
【0018】
ウロからの金属の浸出には低いpHの酸水溶液、すなわちより高濃度の酸水溶液が好ましい。しかし浸出された重金属を後に吸着法などにより分離する場合には、高濃度の酸は障害を与える。このため、吸着などによる重金属の分離に障害を与えず、かつウロから重金属を効果的に浸出させる最適の酸濃度あるいは最適のpHの範囲を見出すことが肝要である。本発明者は、そのpHの範囲は1〜2、好ましくは1.3〜1.9であることを見出している。図1に示す例では、pHが1.5の希硫酸水溶液を用いて重金属の浸出を行っている。
【0019】
第1槽における浸出時間は、例えば、30℃で操業する場合は24時間であるが、温度を上げることにより時間を短縮することも可能である。第1槽における固液比は、例えば、1:20〜1:8、好ましくは1:12〜1:9である。このような浸出操作を行うことにより第1槽に入れられたウロの中のカドミウムなどの重金属の濃度は環境基準値以下に低減できる。第1槽での浸出が完了した後は第1槽の浸出液は全て第2槽に移され、その後新たな浸出液が加えられる。この場合の新たな浸出液の硫酸の濃度は、例えば、40〜60mol/m、このましくは45〜55mol/mである。また第1槽における浸出中にも、第2槽に関連して後述するように、タンパク質に因りpHの増加が起こるが、第1槽におけるpHの増加はカドミウムなどの重金属の完全なる除去に障害をもたらすので微量の硫酸を添加することによりpHを適正値、例えば、pH1.5に保つことが好ましい。
【0020】
第1槽における浸出が完了した後は、第1槽で得られた浸出液は全て第2層に移される。すなわち、第1槽と第2槽の液量は同じである。第2槽においては、如上の第1槽で得られた浸出液に、第1槽におけるよりも多い量のウロを浸漬する。図1では第1槽の2倍量のウロを第2槽において浸漬している例を示している。かくして、第2槽における固液比は、例えば、1:10〜1:3、好ましくは1:6〜1:4となる。浸漬時間は、一般に、5〜6時間である。
【0021】
このような操作が第2槽で行われると、浸出液のpHが次第に上昇する。これは、ウロ中のタンパク質の加水分解反応に因るものと理解される。ここで、後に、凝集剤、特に柿渋の凝集剤を用いてタンパク質や脂肪の凝集・除去を行う場合、液のpHが高すぎると凝集の結果生成されるフロック中に重金属が含まれる。重金属の効果的な分離・除去のためにはタンパク質や脂肪と重金属とを個々別々に分離することが重要であり、フロック中に重金属が含まれることは分離操作が複雑となり、コストの上昇を招く。本発明者らはフロック中に重金属が含まれないためのpHが約5以下、好ましくは約4.5以下であることを見出した。
【0022】
かくして、第2槽におけるpHを上昇させるための操作は、その浸出液のpHが、一般的には2.5〜5、好ましくは3〜4.5、特に好ましくは3〜4になるまで浸漬を行う。
如上の本発明の浸漬工程のさらに好ましい態様においては、第2槽で浸漬後のウロの一部を第1槽に移し、且つ、第1槽に移したウロに相当する量の新しいウロを第2槽に補充する。図1に示す場合では、好ましい例として、第2槽で浸漬したウロの半分を第1槽に移し、それに相当する新たなウロを補充している。このようにウロと希硫酸の浸出液を互いに逆方向に移動させることを繰り返すことにより連続操作により浸漬工程を実施することができる。
以上のようにして、第1槽から得られカドミウム等の重金属を除去したウロは、肥料や飼料としての利用に供される。
【0023】
他方、第2槽からの浸出液に柿渋から成る凝集剤を加えると液中の溶解しているタンパク質や脂肪の大部分はフロックとなり、ろ過により容易に除去できる。この場合に添加される柿渋凝集剤の濃度および量は、例えば、10%水溶液として、浸出液1mに対して50〜20L、好ましくは35〜30Lである。ろ過して除去したフロック中には重金属は含まれておらず、全て天然の柿渋、タンパク質、脂肪であるので肥料や飼料として利用可能である。
フロックをろ過・分離した後のろ液中の重金属は従来の沈殿法やイオン交換・吸着法により容易に除去することが可能である(図1参照)。
【0024】
(II)電解採取による重金属の除去
既述のように、現在行われている電解採取においては3%の希硫酸水溶液(pH=0.7)が浸漬液として使用されている。本発明に従えば、このようなpHのきわめて低い液に対しても柿渋から成る凝集剤を加えると液中に溶解しているタンパク質や脂肪の大部分はフロックとなり、ろ過により容易に除去できる。この場合も添加される柿渋凝集剤の濃度および量は、例えば、10%水溶液として、浸出液1mに対して50〜20L、好ましくは35〜30Lである。ろ過して除去したフロック中には重金属は含まれておらず、全て天然の柿渋、タンパク質、脂肪であるので肥料や飼料として利用可能である。他方、凝集およびろ過処理後の浸出液は、タンパク質や脂質を含有していないので、カドミウムなどの重金属を除去するための効率的な電解採取を可能にする。
以下に、実施例により本発明の実施の形態を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
【実施例1】
【0025】
ウロの浸出液のpHの時間変化
この実施例は、ウロの希硫酸浸出液のpHがウロにより上昇する事実を示すものである。図2に100gのウロの試料を初期pHが1.6および1.9の希硫酸浸出液1Lに浸漬した場合の液のpHと時間との関係を示す。pHは時間とともに増加していることが分かる。初期pHが1.9の場合に15時間の後、pHが急激に増加しているのは、この時点で50gのウロの試料を新たに加えたためである。
【実施例2】
【0026】
ウロからカドミウムの全量を浸出・除去するのに必要な時間
この実施例は、硫酸水溶液を用いてウロからカドミウムを浸出・除去するための所要時間を例示するものである。図3に30℃においてpH=1.5の希硫酸浸出液を用いた場合のウロ(100g:約30個の試料)からのカドミウムの浸出・除去%と浸漬時間との関係を示す。100%の浸出・除去を達成するには24時間以上の浸漬時間が必要なことがわかる。
【実施例3】
【0027】
図1に示すプロセスによるウロの処理
この実施例は、そのフローシートを図1に示すプロセスによりウロを処理した場合の1例を示す。100gのウロを平板上の笊の上に置き、50mM(M=mol/L)の濃度の希硫酸水溶液(pH=1.5)1Lの入ったビーカー(1番目のビーカー:第1槽)中にいれ、マグネチックスターラーで水溶液を攪拌した。この場合水溶液を加熱することにより液の温度を30℃に保った。24時間後、ウロを取り出し、浸出液は2番目のビーカー(第2槽)に移した。取り出したウロを王水で全溶解し、液中のカドミウムの濃度を島津製ICPS−8100型ICP原子発光分光分析装置を用いて測定したところ全く含まれてないことを確認した。2番目のビーカー中に1番目のビーカーと同様な方法で200gのウロを入れ、同様な方法で攪拌した。5時間後の液のpHは4.0であり、カドミウムの濃度は3.16ppmであった。
ウロを取り出した後、浸出後液に水で10%に希釈した(株)トミヤマ製の柿渋凝集剤、吟醸玉渋無菌を33mL添加して攪拌した。生成したフロックをろ過して取り除き、ろ液中のカドミウムの濃度を同様な方法で分析したところ3.05ppmであった。凝集操作の前後でカドミウムの濃度が3.16から3.05ppmに減少したのは33mLの柿渋液の添加による希釈のためである。したがって浸出されたカドミウムはフロックには行かず全量がろ液に移行したと認められる。
ろ液に少量の水酸化カルシウムを添加することにより、カドミウムを始めとする全ての金属分を水酸化物の沈殿とし、これをろ過して分離した。ろ液中にはカドミウムは検出されなかった。
以上のようにそのフローシートを図1に示すプロセスに従ってウロを処理した場合、ウロ中のカドミウムは全て除去され、除去されたカドミウムは水酸化物の沈殿として安価なコストで回収できることが明らかとなった。
【実施例4】
【0028】
電解採取用希硫酸浸漬液からのタンパク質や脂肪の除去
この実施例は、電解採取によりカドミウム等を除去するために実際に運転されているプラント由来の低pH希硫酸浸漬液からタンパク質や脂肪を除去するのに本発明が適用できることを示すものである。
平成18年2月3日に砂原のウロの処理施設において採取したpHが0.7の実際の希硫酸浸漬液15mL中に10%に希釈した(株)トミヤマ製の柿渋凝集剤、吟醸玉渋無菌を0.5mL添加したところ良好なる凝集・分離が達成された。最初の浸漬液とフロックをろ過して取り除いた後の液中の亜鉛とカドミウムの濃度を島津製ICPS−8100型原子吸光発光分析装置により測定した。その結果を表1に示す。両金属の濃度は凝集の前後で殆ど変化しておらず、フロックに移行していないことが分かる。すなわち、カドミウム等の重金属を含有せず肥料や飼料として利用できるフロックが得られるとともに、タンパク質や脂質を含有せず電解採取に適した浸出液が得られることが確認できた。
【0029】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0030】
平成12年の北海道におけるホタテ貝の漁獲量は約40万トンであり、また、青森県においても平成14年のホタテ貝の漁獲量は9万5千トンであり、ホタテ貝による収益は、これらの地域において産業上の重要な地位を占めている。ホタテ貝の内、市場に出るのは主として貝柱の部分であり、殻や内臓の部分は廃棄物となる。この内、中腸腺の部分にはかなりの高濃度のカドミウム等の重金属が含まれており、難処理有害廃棄物となっている。一方で内臓中には良質のタンパク質や脂肪が豊富に含まれており、重金属を除去することができれば良質の肥料や飼料の原料となる。
本発明はこのようなホタテ貝の内臓廃棄物の資源化と重金属の有効利用に寄与する技術を提供するものであり、北海道や青森県を初めとする地域の産業に大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明に従い、ホタテ貝の内臓廃棄物(ウロ)から重金属を除去して重金属およびウロの有効利用を図ることのできる方法のフローシートを例示する。
【図2】本発明を実施するに際して希硫酸浸出液を用いた場合のウロの浸出液のpHの時間変化を例示する。
【図3】本発明を実施するに際して希硫酸浸出液を用いた場合のカドミウムの浸出・除去%と浸漬時間の関係を例示する。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ホタテ貝の内臓廃棄物(ウロ)を硫酸水溶液に浸漬して、ウロ中の重金属を硫酸水溶液中に浸出させる工程、および前記浸漬工程後の浸出液に凝集剤を添加してウロ中のタンパク質および脂質を凝集除去する工程を含むことを特徴とするウロから重金属を除去する方法。
【請求項2】
凝集剤が柿渋より製造された凝集剤であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
浸漬工程が、第1の槽において、pH1〜2の希硫酸水溶液を用いてウロ中の重金属を浸出させ、さらに、第2の槽において、第1槽で得られた浸出液に第1槽におけるよりも多い量のウロを浸漬して、その浸出液のpHが2.5〜5になるまで浸漬を行うことから成ることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の方法。
【請求項4】
第2の槽で浸漬後のウロの一部を第1槽に移し、且つ、第1槽に移したウロに相当する量の新しいウロを第2槽に補充することを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項5】
凝集剤添加工程後の重金属含有液がイオン交換、吸着法または沈殿法による重金属の分離・回収に供されることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の方法。
【請求項6】
浸漬工程が、3%の希硫酸水溶液(pH0.7)を用いて行われたものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の方法。
【請求項7】
凝集剤添加工程後の重金属含有液が電解採取による重金属の分離・回収に供されることを特徴とする請求項6に記載の方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2007−229618(P2007−229618A)
【公開日】平成19年9月13日(2007.9.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−54267(P2006−54267)
【出願日】平成18年3月1日(2006.3.1)
【出願人】(504209655)国立大学法人佐賀大学 (176)
【Fターム(参考)】