JPS6219083A - 微生物の固定化方法 - 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、最近、醗酵工業の分野で極めて注目を集めて
いる固定化微生物を用いたバイオリアクターの技術にお
いて、不可欠な要因である微生物の固定化法の新規な方
法を提供するものであり、さらに、本発明方法によって
得られた固定化微生物によって、＃Ｉｌｌ酵工業のみな
らず下水などの有機性廃水の生物処理、上水処理におけ
る生物学的前処理の分野、嫌気性消化、などの種々の生
物学的水処理、汚泥処理を効率的に遂行させることを利
用分野としている。

「従来の技術」 従来の微生物固定化法のうち最もバイオリアクターに応
用しやすい方法は第２図のように＾分子ゲル内に微生物
を包括固定化するものであり、その代表的な方法はポリ
アクリルアミドゲル化法、アルギン酸ソーダ法、カラギ
ーナン法、ウレタンプレポリマー法および光架橋性樹脂
法である。

このうち、最も広く採用されている方法は、ポリアクリ
ルアミドの七ツマー溶液内に微生物懸濁液を添加混合し
、架橋剤（ＢＩＳ）、１合促進剤（ＤＭＡＰＮ）及び重
合開始剤（Ｋ２Ｓ２０８）を添加して、アクリルアミド
モノマーの重合を進行させて、ポリアクリルアミドのゲ
ルをつくり、このゲル内の全体に微生物を包括固定化す
るというものである。

しかしながら、この方法は次のような重大欠点があり、
理想的な微生物固定化方法にはなっていなかった。

すなわち、 ■　七ツマ−が微生物に対して強い毒性を持つ。

■　七ツマ−の重合反応が進行する過程で著しく反応熱
が発生し、この熱によって微生物が失活する。

■　多量のゲル内部に少量の微生物が分散された状態で
固定化されるので、中位微生物重量当りの固定化用の樹
脂の必要量が膨大なものであり、固定化微生物の製造コ
ストが高い。

■　粒状の固定化微生物として利用するために、塊状ゲ
ルを成型機でカットする必要があるので、Ｔ業的規模で
大■かつ容易に粒状の固定化微生物を得る方法としては
不適当である。

■　微生物をとりまくゲルの−が多量であるためゲル内
への基質の分子拡散が速やかでない。

なお、アルギン酸ソーダ法、カラギーナン法、および光
架橋樹脂法、ウレタンプレポリマー法のいずれも共通し
て上記■および０項の欠点を克服していない。

特に０項は、有価物を生産しない廃水処理の分野に固定
化微生物を用いたバイオリアクターを適用する場合に実
用トの致命的欠点と言えるほど重大な問題点であると言
ってよい。

［発明が解決しようとする問題点１ 本発明が解決しようとする問題点は次のとおりであり、
従来の微生物固定化法の諸欠点を解決することを目的と
している。

■　七ツマ−の毒性、および重合反応熱による微生物活
性の低下を防止する。

■　固定化された微生物への物質移動が容易に進むよう
にする。

■　固定化用樹脂の使用量を著しく減少させ、固定化コ
ストを低減する。

■　粒状の固定化微生物を、容易にかつ人岨生産に好適
な方法によってＴ業的規模で製造する新方式を開発する
。

Ｆ問題点を解決づるための手段」 あらかじめ培養しておいた任意の微（１−物、たとえば
ＢＯｒ）資化菌、脱窒素、硝化菌、メタン醗酵菌、生物
学的脱リン菌などの懸濁液に、有機高分子凝集剤、たと
えばポリアクリルアミド系、ポリアクリルエステル系、
ポリエチレンイミン系など神々の分子構造の凝集剤を添
加して攪拌槽内で撹４￥せしめることによって凝集造粒
を進行させペレッ］〜状（通常ほぼ球状）凝集粒子を形
成させる。

なお、これらの高分子凝集剤は廃水処理におＩＪる）り
泥処理の分野で広く利用されているものである。

凝集粒子にゲル化機能を持つ高分子樹脂または、これら
のプレポリマーあるいは七ツマ−（たとえ　゛ば、アク
リルアミドモノマー、ウレタンプレポリマー、アルギン
酸ソーダ、カラギーナン、光架橋性樹脂のプレポリマー
などが好適である）を該ベレット粒子に接触せしめて表
面付着あるいは同時に内部にも浸透させたのちゲル化処
理を行なって微生物の固定化を行う。

高分子凝集剤の最適添加−はあらかじめ予備試験によっ
て容易に把握することが出来るが、本発明者の実験例に
よれば微生物の乾燥型１１　Ｋｇ当り１０〜２０９の高
分子凝集剤の注入量がベレット状の凝集粒子を形成させ
るのに適当な節回であった。

なお、形成されるベレット状粒子の粒径は攪拌強度に影
響されるが通常２〜４ＩＭＲ程度のベレツ］・が形成さ
れる。生成されたベレットの状態を第４図に示づ。

また微生物の荷電（ｚｅｔａボテンシアル）は通常プラ
ス荷電を持つもの即ちカヂＡン性高分子凝集剤がぺｌノ
ッ［〜状の凝集粒子を形成するのに適していたが、アル
ミニウム、鉄などの多価金属塩を併用するとアニオン性
もしくは、ノニオン性の高分子凝集剤を使用しても良好
なペレット状粒子を形成させることができ、さらにカチ
オン性とアニオン性の高分子凝集剤を併用すると最も良
好なペレット状粒子を形成することが認められた。

この原因は反対荷電の高分子がイオン反応によって強固
に結合するためと思われる。

また高分子凝集剤の添加によって効率よくペレット状の
凝集粒子を形成するには、高分子凝集剤の添加を受けた
微生物を円筒状の攪拌槽内で、カイ型インペラなどによ
って均一な旋回流を与える方法が推奨できるが、この方
法に限定されるものではない。

本発明によって工業的に人品の固定化微生物を製造する
場合の代表的なフローの一例を第１図に示づ。即ち、 生存状態にある微生物の懸濁液１に有機高分子凝集剤２
を加え、これを攪拌凝集造粒槽３の中で攪拌造粒し、造
粒されたペレット４をスクリーン５を通して分離水６を
分離し、これを前に例示したような、ゲル化機能を持つ
高分子樹脂またはプレポリマー又はモノマーの溶液槽７
の中に投入して浸漬し、浸漬したペレットをスクリーン
８をとおして溶液を分離しゲル化進行槽９の中に投入し
てゲル化を行わせ、マイクロカプセル状の固定化微生物
１０を得る。

次に本発明の微生物の固定化法を実施例によって、さら
に詳しく説明する。

実施例１ 実施例１は固定化剤としてアクリルアミドモノマーを使
用した場合で、上述のようにして、粒径２〜４Ｍに凝集
造粒された微生物をスクリーン上で水切りしたのち、ア
クリルアミドモノマー（４〜１５％濃度）と架橋剤（略
号Ｂ１５）（０，２〜０．８％濃度）の混合液に浸漬し
、前記ペレット状凝集粒子の内部及び表面に、アクリル
アミドモノマーと８１８を浸透および付着させる。しか
るのち、ペレットを取り出し、次にＤＭＡＰＮ（０，５
％溶液）及び重合開始剤（Ｋ、、Ｓ、、０８）の０．５
％溶液中に浸漬すると、数分〜数十分でアクリルアミド
モノマーの重合が進行し、微生物ペレットの表面が強度
の大きなポリアクリルアミドゲルによって被覆される。

又一部の七ツマ−はペレット粒子の内部に浸透している
ので、ペレット内部でも七ツマ−のゲル化が進行し、さ
らに強度の大きなペレット状固定化微生物が形成用きる
。

第３図に固定化微生物粒子の断面の状態の模型図を示す
。

実施例２ 実施例２は実施例１のアクリルアミドモノマー以外のゲ
ル化機能を持った樹脂を使用した場合について説明する
。

有機高分子凝集剤によって、凝集造粒して得たペレット
状微生物を、数％〜１０％程度のｍ度のアルギン酸ソー
ダ、カラギーナン、光架橋性樹脂またはウレタンのプレ
ポリマーの、いずれかの溶液に浸漬したのち取り出し、
アルギン酸ソーダの場合はＣａｃ、ｇ、、溶液（濃度５
〜１０％）との接触、カラギーナンの場合はＫＣｉ！溶
液（１１度５〜１０％）との接触、光架橋性樹脂の場合
は光照射によって、各々の樹脂をゲル化せしめることに
よって第３図に示した、いわばマクロカプセル状の固定
化微生物を得ることが容易に出来る。

なおウレタンポリマーを使用する場合は、ペレット状微
生物内および粒子表面の１−１２０とウレタンプレポリ
マーのイソシアネート基が反応しゲル化が進行するので
、特別なゲル化のための第三の手段は不要である。

以上のように、本発明による微生物固定化方法の技術的
思想の骨子は、まず微生物群を有機高分子凝集剤によっ
て凝集造粒させることによってペレット状の微生物集合
体を形成せしめたのち、このペレットの表面もしくは表
面および内部にて、ゲル化機能を持つ樹脂のゲル化を進
行させて、強度の大きなペレット状固定化微生物を得る
という技術的思想に存する。

しかして、本発明法によって得られた、ベレット状固定
化微生物は、種々の＃１１酵■業におけるバイオリアク
ターへの適用のほか、水処理における生物処理の場合に
は生物処理槽〈たとえば曝気槽）内に、ペレット状固定
化微生物を投入して、下水などの各種有機性廃水と接触
させることによってＢＯＩ’）の除去、ＮＨ３−Ｎの硝
化、脱窒素、メタン醗酵などの目的を効率よく達成する
ことができる。

これは固定化微生物内に高濃度の活性のある菌が包括さ
れており、しかも生物反応槽に投入するベレット状固定
化微生物の個数を多くすることによって数万■／ア程度
の高濃度のＭＬＳＳを生物反応系内に絹持できるからで
ある。

「発明の効果」 ■　高分子凝集剤によって凝集造粒された微生物のペレ
ット状凝集体粒子の表面およびその近傍にのみ、アクリ
ルアミドの七ツマ−が接触するので大部分の微生物はア
クリルアミドモノマーの毒性の影響を受けない。

■　従来の包括固定化法では、大量のゲルの内部に微生
物がとじこめられているので、基質及び代謝産物のゲル
内の拡散が速やかでないが、本発明では第３図に示した
ようにゲルは微生物ペレットの表面に皮膜状に存在する
だけであるから、基質の拡散、物質移動および代謝産物
の排出が極めて容易に進行する。

■　さらに、従来の包括固定化法に比べてゲル形成用の
樹脂の所要量が著しく少量（約１／１０〜＋／２０）で
よいので、微生物固定化用のコストが非常に安価である
。

■　ペレット状（ほぼ球状）の微生物集合体粒子に高分
子凝集剤を添加したのら、攪拌造粒することによって容
易に得ることができ、またこのペレットの表面をゲル化
剤で被覆する操作も、例えば第１図のフローシートのよ
うに比較的容易に行なえるので、連続かつ大量に球状の
固定化微生物を製造することが出来る。

１なわち従来のように、ゲルを成型機でカットしたり、
ノズルから押出して球状化するなどの煩雑な操作が省略
出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微生物の固定化方法の代表的なフロー
の一例を示す。 第２図は従来法による包括固定化微生物の一態様の断面
を示す。 第３図は本発明による固定化微生物の一態様の断面を示
す。 第４図は本発明の、有機高分子凝集剤によって形成され
たペレット状微生物の粒子構造、主として粒径を示１゜ １・・・・・・生存状態にある微生物懸濁液、２・・・
・・・有機高分子凝集剤、３・・・・・・攪拌凝集造粒
槽、４・・・・・・微生物ペレット、５，８・・・・・
・スクリーン、７・・・・・・ゲル化機能を持つ高分子
樹脂又はプレポリマー又はモノマーの溶液、９・・・・
・・ゲル化進行槽、１０・・・・・・マクロカプセル状
固定化微生物、１１・・・・・・微生物菌体、１２・・
・・・・高分子ゲルマトリックス、１３・・・・・・ゲ
ル化した高分子樹脂。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、あらかじめ培養した微生物懸濁液に、有機高分子凝
   集剤を添加して攪拌し凝集造粒せしめ、ほぼ球状のペレ
   ット粒子を形成させたのち、アクリルアミド、ウレタン
   、アルギン酸ソーダ、カラギーナン、光架橋性樹脂など
   の、ゲル化機能を持つ高分子樹脂またはこれらのプレポ
   リマー、あるいはモノマーを該ペレット粒子に接触せし
   め、表面付着あるいは同時に内部に浸透せしめたのち、
   ゲル化処理を行なうことを特徴とする微生物の固定化方
   法。 ２、前記有機高分子凝集剤として、カチオン性およびア
   ニオン性の高分子凝集剤を併用する特許請求の範囲第１
   項記載の微生物の固定化方法。 ３、前記微生物がＢＯＤ資化菌、脱窒素、硝化菌、メタ
   ン醗酵菌および生物学的脱リン菌より選ばれる特許請求
   の範囲第１項記載の微生物の固定化方法。