JPH01130787A - 微生物担持体の材料選定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、微生物担持体材料の選定方法に関する。

本発明によれば微生物等が担体に強固に且つ高密度に結
合した結合体が得られるので、本発明は。

過激な条件下で且つ大規模で作用する下水処理や産業廃
水処理の技術分野のみならず極微量成分を取扱うその他
のバイオリアクターを使用する各種技術分野において重
用されるものである。

（従来の技術） 各種のバイオリアクターにおいて、微生物等生物学的物
質を担体に固定化し、これを用いて生物学的反応を有利
に行うことが従来より行われている。

例えば、下水や産業廃水を処理する際、従来。

固定床方式による処理、特に主として好気性の処理が行
われてきている。この固定床方式において。

担体としては、形状や材質が異なるものが数多く用いら
れている。

また、最近になって嫌気性処理方式も脚光を浴びるよう
になってきたが、この固定床方式においても好気処理で
用いられる担体がそのまま転用されており、担体に対し
て格別の配慮はなされていない。

好気性処理の場合も同様であるが、この嫌気性処理にお
いても、水処理効率の向上を計るには、嫌気性菌を高濃
度に且つ強固に担体に固定化し、これと原水とを充分に
接触せしめる必要がある。

すなわち、嫌気的に下水や産業廃水を処理する装置にお
いて、その処理槽内に担体を設置し、嫌気性菌を固定化
して処理効率の向上や水質の安定化を計る必要があるの
である。したがってそのためには嫌気性菌を担体に強固
に且つ高密度に固定化しなければならず、嫌気性菌が付
着しゃすい担体が必要となる。

しかしながら、嫌気性菌に限らず、また好気性菌に限ら
ず、使用する担体については、主として有効表面積の広
さ、表面の形状等についての検討がわずかになされてい
るにすぎず、担体材質については技術的検討はほとんど
なされていない。

現在用いられている担体としては、例えばセラミックス
、抗火石、砂、ガラス繊維、有機系高分子樹脂等がある
が、これらの材質についての検討もなく、材質間での相
対的な付着性の比較もされていないのが技術の現状であ
る。

ましてや、本発明のように、菌体の付着と担体材料の電
気的性質、特に電荷量／表面電位との関係に着目した例
は全く知られておらず新規である。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したように、従来技術では、活性を低下せしめるこ
となく微生物を高濃度で且つ強固に担体に固定化するこ
とは不可能だったのである。換言すれば、このような担
体を効率よく選定することが不可能だったのである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記の欠点を解決するためになされたもので
あって、固定床バイオリアクターにおいては、担体に多
量の微生物を付着させることによりリアクター内に菌体
を高濃度に保持させる必要があり、且つまた従来の固定
化技術では固定菌体量が充分でないばかりか固定強度も
充分でない点に鑑み、従来からの発想を根本的に転換し
て担体の表面粗さや有効表面積の広さのみに着目するの
ではなく、担体材質の上記以外の各種物理的性質と菌体
付着量との関係について広く且つ深く検討を行った。

その結果、担体への菌体付着は、その材料の表面粗さ（
濡れ性）等によってもある程度は影響を受けるが、付着
性との間に極めて密接な関係が存在する点は認められな
かった。これに対して、全く予期せざることに、どのよ
うな担体材質を使用しようとも、菌体の付着には、電気
的性質、特に電荷量及び／又は表面電位が例外なく最も
大きく寄与していることを発見した。また、この点は嫌
気性菌その他機生物の種類を問わず広く一般的に認めら
れるだけでなく、各種細胞、酵素、抗体等生理活性物質
にも適用できることも併せ発見した。

本発明は、これらの新知見に基づき更に研究した結果、
完成されたものである。

すなわち本発明は、担体材料の電荷量及び／又は表面電
位を測定し、所定値を示す材質のものを担体として選択
使用することを重要なポイントとするものである。下水
処理等において用いられる嫌気性菌を高分子合成樹脂製
担体に付着せしめる場合には、電荷量１表面電位が高い
ほど付着量が多く、シたがってこのような処理の際には
、これらの値が高い材料を選択するのが好ましい。

後記する実施例からも明らかなように、市販の有機系高
分子樹脂の内、例えば、ポリ塩化ビニール、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ナイロンの中ではポリ塩化ビニー
ルが電荷容量、表面電位のいずれもが高く、菌体の付着
量も多いことが確認された。したがって、ポリ塩化ビニ
ール材を選定した担体では、他の材質からなる担体より
もリアクター内の菌体濃度を高めることができるので、
処理効率をさらに向上させてプラントの稼動率を大巾に
高めるとともに水質の安定化も併せ図れる。

また、別の材料からなる担体に塩ビのコーティングを施
した材料、または塩ピコポリマーのような複合材料も有
利に使用することができる。

このように菌体の付着は、担体材質の（正又は負の）電
荷量及び／又は表面電位の値に相関しており、上記した
場合においては、これらの電気量が高い程菌体の付着量
が多いので、そのような材質のものを選択すればよいの
である。そしてその場合、担体の形状（例えば、サドル
型、ラシヒリング型、網目状型、波板型等）には格別左
右されるものではない。

また、担体の材質、付着せしめる生物学的物質の種類に
応じて、最も付着量が多くなる電荷量及び／又は表面電
位がそれぞれ存在するのであるから、これらを測定する
ことによって付着量が大きくなるような材質を選定すれ
ばよいのである。

したがって、担体としては、上記した合成高分子樹脂の
ほか；セラミックス、活性炭、抗火石、砂、多孔性ガラ
ス、ガラス繊維、粘土鉱物等無機材料；アガロース、デ
キストラン、セルロース、澱粉誘導体等天然又は半合成
高分子材料；アルブミン粒子、赤血球、リンパ球等生物
系材料等が広く使用することができ、電荷や表面電位の
ない材料又はそれが低いものについてはこれらを有する
材料で処理すればよく１本発明においてはすべての担体
が使用できるという大きな利点がある。また、免疫反応
において多用される担体であるポリスチレン等のラテッ
クスの選定にも本発明は有利に利用できる。そのうえ、
本発明は、担体の形状、大きさには特に影響を受けるも
のではなく、小型の担体、大型の担体、試験管や反応容
器や測定キュベツト等容器も兼用するような担体、膜状
担体、ホローファイバーやカテーテル等中空繊維ないし
パイプ状の担体等にも適用できる。

本発明によれば、電荷量及び／又は表面電位が所定の値
を示す担体を使用することによって、嫌気性菌のみでな
く好気性菌も固定化することができるし、活性汚泥等微
生物の集合体も固定化することができる。そのうえ、付
着固定化しようとする生物学的物質に応じて最適の電荷
量／表面電位が存在するのであるから、最も適した担体
をそれぞれ選定すれば、所望する生物学的物質を適宜担
体に付着せしめることができる。生物学的物質としては
、微生物のほか、細胞、血球、酵素、抗原、抗体、ハプ
テン、レセプタ、ポリペプチド、ホルモン等生体生理活
性物質等が挙げられる。

したがって本発明は、バイオリアクターに広く且つ有利
に応用することができ、下水処理、産業廃水処理のばか
例えば次のような技術に応用することができる：物質の
製造、精製；バイオアッセイ、イムノアッセイ等分析、
測定、同定；ワクチンの製造；徐放性医薬の製造；人工
透析、血漿交換、治療用プラズマフエレーシス技術；そ
の他発計、醸造、微生物工業、医療、免疫等各種バイオ
テクノロジー。また、イムノアッセイに多用される担体
であるラテックスについても、本発明にしたがってラテ
ックスの選定を行えば、使用する又は測定目的とする抗
原、抗体に最適のラテックスを使用することができ、迅
速且つ正確にラテックス凝集反応その他各種のイムノア
ッセイを実施することができる。

次に本発明の実施例について述べる。

実施例 電荷量の異なる４種類（ナイロン、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、塩化ビニール）の材料を用い、各種担体の
形状を内径１２ｍ／ｍＸ外径１５ｍ／ｍＸ長さｌｏｍ／
ｍの筒状に同一加工しく第１図）、それぞれを同一形状
のりアクタ−に３００ケづつ設置し、メタン発酵用の嫌
気性菌を投入し担体へ付着せしめた。

第２図の装置を用いて次のように操作した。恒温水槽内
にリアクターＲを収容せしめ、ヒーターＨにより恒温水
槽ひいてはりアクタ−の温度を３７℃に保持した。基質
、すなわち処理原水としてはペプトンとコーンステイー
プリカーの混合溶液を用い、原水供給槽Ｆから原水弁ｖ
４、ポンプＰ及び循環供給弁ｖ３を介してリアクターＲ
に給送した。

実験期間及びその間の基質濃度と負荷は次表のとおりと
した。

表 なお、馴養期間と試験期間ともに、原水と処理水は１日
１回、回分式にて供給と排出を行なった。

リアクターＲ内の循環はポンプＰを用いて行い、常時固
定床ＡＦの上部より溢流してきた処理水は、処理水弁Ｖ
いポンプＰ、循環供給弁Ｖ、のコントロールを受けて、
リアクター内の上昇流速が０．１ｍ／ｈ程度になるよう
リアクターＲ下部のホッパ一部に返送した。この循環処
理を行うことによって、微生物の増殖と担体への付着と
を促進せしめた。なお、ｖ２は中間排水弁、ｖｓは排水
弁であり、Ｅは排水受槽である。リアクターＲから発生
したガス、例えばメタンは、ガスパイプＧを介してリア
クターから取出した。

試験期間終了後、リアクターより担体を取り出し、付着
量を測定した。又、あらかじめ、各種材質の電荷量と表
面電位をエレクトロメーター及び表面電位計により測定
しておいた。これら材質の測定値と付着量の関係は、第
３，４図に示す通りである。

これらの結果から、担体への嫌気性菌の付着は材質の電
荷容量や表面の電位の高い、塩化ビニールに付着量が大
きく、付着量と電荷の容量（正又は負）や表面電位とは
高い相関を示すことが判明した。

本実施例より、嫌気性微生物が担体に付着する過程は次
のとおりであると認定することができた。

初めに糸状性の細菌や桿菌類が付着し始め、それが時間
の経過と共に付着量が多くなり厚みも増加する。さらに
時間の経過と共に担体の表面は嫌気性の微生物で一面に
厚くおおわれる。

一定の厚みになると、嫌気性微生物の付着は平衡状態に
なり、わずかづつ厚みを増す。

すなわち、菌の付着は、担体への接着→増殖→肥大→平
衡と進行していくのである。この場合、担体の付着量は
その材質によって相違するが、付着の過程は同じである
。

バイオリアクター内の微生物の初期濃度、担体との接触
頻度、微生物の増殖速度等が一定であると、新しい担体
に、初期の微生物付着が多くなる材質を選択しておけば
、（一定）時間の経過と共に微生物膜の厚みは増大し、
リアクター内の微生物濃度を高めることが出来る。

材質の異なる担体ごとに微生物を付着させて一定の厚み
を確保しようとすると、材質間で、初期の付着から平衡
状態になるまでの時間に大きな相違があり、初期付着と
付着微生物を保持する量が多い材質程早く平衡状態に達
する。

塩化ビニール、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピン
、間で微生物の付着量が相違するのは、この材質間の静
電容量が異なるためと推定される。

第５図は、各材料における担体１イ当りの菌体付着量、
つまり菌の付着密度と電荷量との関係を図示したもので
あるが、電荷量が小さい、ポリプロピレンは付着量も少
なく、正又は負に電荷量が大きな材質程、付着量は増加
していることがわかる。

したがって、固定化しゃすい担体の材料選択は、この電
荷量を測定することにより容易に判断することが出来る
。

またバイオリアクター内の微生物濃度を高めると、廃水
中の有機物を効率よく分解出来、処理水　４質を向上さ
せたり、メタンガスの生産性を向上させることが出来る
。

一定の負荷量当りに対する担体の付着量とガス発生量は
第６図に示す通り、付着量の多い担体はどガスの発生率
は高い。

（発明の効果） 本発明は、菌体の担体への付着に関して電荷量と表面電
位という全く新規な概念を導入することに成功したもの
である。

本発明によれば、これらの電気的性質を利用することに
より、微生物のみならず細胞その他の生物学的物質に対
して最適の担体を選択することができるので、下水処理
のような大規模なバイオリアクターのみでなくイムノア
ッセイ等極く小規模なバイオリアクターにおいてもこれ
らを有効に稼動せしめることができ、したがって本発明
は、下水処理、微生物工業、酵素の固定化、医療１分析
、診断等バイオテクノロジーの技術分野において広範に
且つ非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例で用いた担体の斜視図であり、第２図
は実施例において使用したりアクタ−である。第３図及
び第４図は、各種担体の電荷量及び表面電位と菌の付着
量との関係をそれぞれ図示したグラフである。第５図は
、担体の電荷量と担体１ｄ当りの菌体付着量との関係を
図示したグラフであり、第６図は、菌体付着量、負荷量
及びガス発生量との関係を図示したグラフである。 代理人　弁理士　戸　１）親　男 第　　３　　図 塩４皇押Δトの軽量と信羞量の関係 第　　４　　図 ８檀担体の表面電位と４′！ｒ羞量の関係表ぬ電１位　
（Ｖ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 微生物担持体として使用可能な材料を選定するにあたり
   、材料の電荷量及び／又は表面電位を測定し、所定値以
   上の測定値を示すものを微生物担持体の材料として選定
   使用すること、を特徴とする微生物担持体の材料選定方
   法。