JPH074242B2 - 非凝集性微生物の固定化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、凝集性の無い微生物
を構造体に固定化する方法に関し、食品・発酵分野や化
学・環境分野などにおいて利用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】構成が簡易で効率の良いバイオリアクタ
の開発は、食品・発酵分野のみならず化学・環境分野に
おいても切望されている。このバイオリアクタの開発で
最も重要なことは、微生物の固定化である。微生物の固
定化方法としては、大別してゲル包括法と物理付着法と
の２種類がある。ゲル包括法は、アクリルアミド等のゲ
ル化剤に微生物を混入して、数mm径のビーズ中に微生物
を固定化する方法である。また、物理付着法は、微生物
をスポンジの空隙やポリプロピレン繊維の間隙などに直
接固定化する方法であり、現在活性汚泥による汚水処理
などに使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ゲル包
括法には、ビーズを作成するための操作が煩雑で、コス
ト高となり、また、この方法で微生物の固定化が行なわ
れたバイオリアクタでは、細かなビーズを液中で浮遊さ
せ循環させながら使用する必要があるが、ビーズが偏在
したり、ビーズによる装置の閉塞が起こり易く、さら
に、微生物がゲル中に閉じ込められた状態であるので、
微生物の種類によってはその機能が損われ、また、ビー
ズ周囲における反応生成物や反応物質の入れ替わりが悪
くて、バイオリアクタとしての効率が良くない、などと
いった多くの問題点がある。

【０００４】一方、物理付着法は、凝集性の有る微生物
については、有効な固定化法であるが、殆んどの種類の
微生物は凝集性を持っておらず、従って、この固定化法
を利用することができる分野は、汚水処理関係など、一
部に限られる。このように、物理付着法は、凝集性の無
い微生物の固定化方法としては殆んど利用できないもの
である。

【０００５】この発明は、以上説明したような事情に鑑
みてなされたものであり、凝集性を持たない様々な種類
の微生物を簡易な操作により、低コストで固定化するこ
とができ、その固定化によって微生物の機能が損われる
こともなく、高い性能を備えたバイオリアクタを製造す
ることができるような非凝集性微生物固定化方法を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明では、微生物の
固定化を、２つの操作を組み合わせることにより行なう
ようにした。１つの操作は、非凝集性微生物と水中での
浮遊性を有する水中浮遊性多孔質粉粒体、例えば、粒子
の大きさが１０〜２，０００μｍで孔隙の径が３〜１０
０μｍ程度であるパーライト（真珠岩）、モミガラ燻蒸
炭、活性炭、シリカ粉末、軽石等とを水中において接触
させることにより、非凝集性微生物を前記多孔質粉粒体
の孔隙内に充填し固定化する微生物固定化操作であり、
他の１つの操作は、多数の水中浮遊性多孔質粉粒体とこ
の多孔質粉粒体より大きい空隙を多数有する担持構造
体、例えばスポンジ、ポリプロピレン繊維集合物等とを
水中において接触させることにより、前記多数の多孔質
粉粒体を前記担持構造体の空隙内に充填し固定化する粉
粒体固定化操作である。

【０００７】上記した２つの操作は、先に微生物固定化
操作を行なった後、粉粒体固定化操作を行なうようにし
て、非凝集性微生物が固定化された多数の水中浮遊性多
孔質粉粒体を担持構造体に固定化するようにしていもよ
いし、また、先に粉粒体固定化操作を行なった後、微生
物固定化操作を行なうようにして、担持構造体に固定化
された多数の多孔質粉粒体に非凝集性微生物を固定化す
るようにしてもよい。また、両操作を併行して行なうよ
うにし、非凝集性微生物を水中浮遊性多孔質粉粒体に固
定化しながら、水中浮遊性多孔質粉粒体を担持構造体に
固定化するようにしてもよい。

【０００８】

【作用】この発明に係る上記方法では、微生物固定化操
作によって非凝集性微生物が水中浮遊性多孔質粉粒体上
で集合するとともに、粉粒体固定化操作によって多数の
水中浮遊性多孔質粉粒体が担持構造体上に保持されるた
め、これら２つの操作により、凝集性の無い微生物がバ
イオリアクタ内の担持構造体に多孔質粉粒体を介して固
定化されることになる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の好適な実施例について説明
する。

【００１０】この発明に係る方法は、凝集性を持たない
微生物を、水中での浮遊性を有する水中浮遊性多孔質粉
粒体に固定化する操作と、水中浮遊性多孔質粉粒体をバ
イオリアクタ内の担持構造体に固定化する操作とを組み
合わせたものである。それら両操作は、何れか一方を先
に行なった後、続けて他の操作を行なうようにしてもよ
いし、同時に行なうようにしてもよい。

【００１１】水中浮遊性多孔質粉粒体としては、例えば
パーライト（真珠岩）、モミガラ燻蒸炭、活性炭、シリ
カ粉末、軽石などが使用され、その粒子の大きさは、例
えば１０〜２，０００μｍ程度、孔隙の径は、例えば３
〜１００μｍ程度のものが使用される。そして、非凝集
性微生物を多孔質粉粒体に固定化するには、非凝集性微
生物と多孔質粉粒体とを水中で水流により循環、混合さ
せて接触させるようにする。この操作により、非凝集性
微生物が多孔質粉粒体の孔隙内に充填され固定化され
る。

【００１２】また、担持構造体としては、上記多孔質粉
粒体より大きい空隙を多数有する、例えばスポンジやポ
リプロピレン繊維集合物などが使用される。そして、水
中浮遊性多孔質粉粒体を担持構造体に固定化するには、
担持構造体を内蔵したバイオリアクタ容器内に水を入
れ、その中で多数の多孔質粉粒体を水流により循環さ
せ、多孔質粉粒体と担持構造体とを接触させるようにす
る。この操作により、多数の多孔質粉粒体が担持構造体
の空隙内に充填され固定化される。

【００１３】表１に、繊維構造体への多孔性物質並びに
酵母の付着量について実験した結果を示す。実験は、長
さ６０mm、内径２５mmのネットリングを長さ６０mm、内
径５０mmのネットリングの中央に差し込み、そのネット
リングの間に一定量のポリプロピレン繊維を均一に充填
し、その繊維構造体に各多孔性物質をそれぞれ付着限界
量以上に加え続け、水流を起こして付着させ、それぞれ
の多孔性物質の付着量を求めた。また、それぞれの多孔
性物質が付着した繊維構造体並びに多孔性物質を付着さ
せていない繊維構造体をそれぞれ内蔵した発酵槽内へ、
３０℃で４日間、静置前培養した酵母を付着限界量以上
加え続け、水流を起こして酵母をそれぞれ付着させた
後、それぞれの酵母の付着量から発酵槽当りの酵母量を
求めた。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１に示した結果より、水中で浮遊し易い
粒子ほど繊維構造体への付着量が多く、粒状活性炭のよ
うに浮遊し難い物質は、繊維構造体への付着量が少ない
ことが分かる。また、浮遊性の多孔性物質を繊維構造体
へ付着させることにより、繊維構造体に何も付着させな
い場合に比べて、発酵槽の単位容積当りの酵母量が約
９．２〜１３．２ｇ／ｌと著しく増加し、従来法の１つ
であるアルギン酸ゲル包括法によって酵母を固定化した
ものでは、その酵母量が約７ｇ／ｌであることからみ
て、この発明に係る方法によれば、従来法以上の量の酵
母を発酵槽内に保持することが可能であることが分か
る。

【００１６】また、図１に、繊維構造体に固定化された
酵母によるアルコール発酵における経時変化を示す。図
中の曲線Ｉが、多孔性物質（モミガラ燻蒸炭）を付着さ
せた繊維構造体に酵母を固定化した場合のもの、曲線II
が、繊維構造体に直接酵母を固定化した場合のものであ
る。実験は、３０℃で４日間、静置前培養した酵母の付
着限界量以上を加え続け、それぞれの繊維構造体（表１
に関する上記説明と同じ構造のもの）に水流を起こして
付着させた後、装置内の液を抜き取り、酵母を固定化し
た各繊維構造体が浸る程度の量の新しい培地（１０％グ
ルコース培地）を入れ、回分発酵を行なった。

【００１７】図１に示した結果より、多孔性物質付着繊
維構造体に酵母を固定化したものの方が、繊維構造体に
直接酵母を固定化したものより、相当効率の良いアルコ
ール発酵を行なえることが分かる。このように、この発
明に係る方法によって酵母を固定化した構造体を内蔵し
たバイオリアクタは、高い発酵能を示す。

【００１８】また、表２に、従来の幾つかの方法によっ
て酵母を固定化した発酵槽におけるアルコール生産性
と、この発明に係る方法によって酵母を固定化した発酵
槽（多孔性物質としてモミガラ燻蒸炭を使用し、表１に
関する上記説明と同じ構造の繊維構造体を使用）におけ
るアルコール生産性とを比較した結果を示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】表２に示した結果から明らかなように、こ
の発明に係る方法によって酵母を固定化した発酵槽は、
従来の酵母固定化方法を利用した何れの場合に比べて
も、同等もしくはそれ以上の高い発酵能を示す。

【００２１】次に、図２に、多孔性物質付着繊維構造体
に固定化された酵母により繰り返しアルコール発酵を行
なったときの経過を示す。実験は、多孔性物質付着繊維
構造体（多孔性物質：モミガラ燻蒸炭；繊維構造体：表
１に関する上記説明と同じ構造のもの）に酵母を回転付
着させ、さらにその繊維構造体が浸る程度の量の新しい
培地（１０％グルコース培地）を加え、１２時間を１サ
イクルとして繰り返し回分発酵させることにより行なっ
た。

【００２２】図２に示した結果から分かるように、３０
回（１５日間）の繰返し発酵においても、約４．５％の
濃度のエタノールを安定して生産することができ、この
発明に係る方法によって酵母を固定化した発酵槽は、長
時間の繰返し発酵が可能である。

【００２３】また、図３は、繊維構造体に固定化された
酢酸菌による酢酸発酵における経時変化を示す線図であ
る。図中の曲線Ｉが、多孔性物質（シリカ粉末）を付着
させた繊維構造体に酢酸菌を固定化した場合のもの、曲
線IIが、繊維構造体に直接酢酸菌を固定化した場合のも
のであり、図において、ｐＨの低下は酢酸の生成量の増
加を示している。実験は、３０℃で５日間、前培養した
一定量の酢酸菌をそれぞれの繊維構造体（表１に関する
上記説明と同じ構造のもの）に曝気付着させ、装置内の
液を抜き取った後、同量の新しい培地（５％エタノール
培地）で、散水方式により回分発酵を行なった。

【００２４】図３に示した結果より、多孔性物質付着繊
維構造体に酢酸菌を固定化したものの方が、繊維構造体
に直接酢酸を固定化したものより、ｐＨの低下が著し
く、従って効率の良い酢酸発酵を行なえることが分か
る。このように、この発明に係る方法は、酢酸菌の固定
化に適用した場合にも、優れた効果を示す。

【００２５】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
かつ作用するので、この発明に係る方法によれば、凝集
性の無い微生物を簡易な操作により低コストで高濃度に
固定化することができる。また、この発明に係る方法に
よって微生物を固定化した構造体においては、微生物と
水中浮遊性多孔質粉粒体、多孔質粉粒体と担持構造体と
はそれぞれ、緩やかな物理的自然吸着により互いに一体
化していると思われ、従って、液の循環により液中の原
料物質が微生物と接触し易く、また、反応生成物が微生
物の周辺より除去され易くて、微生物の機能が固定化に
よって損われることが全く無いので、この発明に係る方
法によって微生物が固定化されたバイオリアクタは効率
が良く、高い性能を示す。また、この発明に係る方法に
よって微生物を固定化した構造体は、繰り返し発酵等の
微生物作用を行なわせても、常に安定した効果が得られ
る。さらに、この発明に係る方法は、細菌、酵母などあ
らゆる種類の微生物の固定化に適用することができ、そ
の適用範囲が広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】繊維構造体に固定化された酵母によるアルコー
ル発酵における経時変化を示す図である。

【図２】多孔性物質を付着させた繊維構造体に固定化さ
れた酵母により繰り返しアルコール発酵を行なったとき
の経過を示す図である。

【図３】繊維構造体に固定化された酢酸菌に対する酢酸
発酵における経時変化を示す図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非凝集性微生物と水中での浮遊性を有す
   る水中浮遊性多孔質粉粒体とを水中において接触させる
   ことにより、非凝集性微生物を前記多孔質粉粒体の孔隙
   内に充填し固定化する微生物固定化操作と、多数の水中
   浮遊性多孔質粉粒体とこの多孔質粉粒体より大きい空隙
   を多数有する担持構造体とを水中において接触させるこ
   とにより、前記多数の多孔質粉粒体を前記担持構造体の
   空隙内に充填し固定化する粉粒体固定化操作との組合せ
   からなる非凝集性微生物の固定化方法。
2. 【請求項２】 微生物固定化操作を行なった後、粉粒体
   固定化操作を行なうようにする請求項１記載の非凝集性
   微生物の固定化方法。
3. 【請求項３】 粉粒体固定化操作を行なった後、微生物
   固定化操作を行なうようにする請求項１記載の非凝集性
   微生物の固定化方法。
4. 【請求項４】 微生物固定化操作と粉粒体固定化操作と
   を併行して行なうようにする請求項１記載の非凝集性微
   生物の固定化方法。
5. 【請求項５】 水中浮遊性多孔質粉粒体として粒子の大
   きさが１０〜２，０００μｍで孔隙の径が３〜１００μ
   ｍであるパーライト、モミガラ燻蒸炭、活性炭、シリカ
   粉末又は軽石を使用する請求項１ないし請求項４のいず
   れかに記載の非凝集性微生物の固定化方法。
6. 【請求項６】 担持構造体としてスポンジ又はポリプロ
   ピレン繊維を使用する請求項１ないし請求項５のいずれ
   かに記載の非凝集性微生物の固定化方法。