CN111465690A

CN111465690A - 微生物固定化载体

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Publication number: CN111465690A
Application number: CN201880080218.9A
Authority: CN
Inventors: 善木将嗣; 东城哲朗; 竹下昌利; 中园智哉; 石川爱
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: US20210171373A1; JP2019103459A; SG11202005508UA; TW201936920A; JP2022087164A; WO2019117242A1; CN111465690B; US11518698B2; JP7053243B2; KR20200098603A; CA3085566A1

Abstract

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种微生物容易附着于微生物固定化载体并且能够降低微生物固定化载体的制造成本和使用微生物固定化载体的装置的运行成本的微生物固定化载体。本发明解决技术问题的技术方案的微生物固定化载体的特征在于，其为含有碳成分和树脂，Zeta电位为－25mV以上0mV以下，并且表面和/或内部附着有微生物，希望上述微生物为硝化菌群，希望上述碳成分的粒度为1μm以上1000μm以下。

Description

微生物固定化载体

技术领域

本发明涉及一种含有碳成分和树脂的微生物固定化载体，特别是在以生物化学方式进行排水处理时，用作附着微生物的微生物固定化载体。

背景技术

生活排水、工业排水、农业排水所含的氮和磷滞留在自然界的封闭水域中时，会成为富营养化的原因。在日本全国所存在的约2200个废水处理厂中，能够充分进行氮处理的处理厂为100个左右(参照非专利文献1)。

作为排水中所含的氮的处理法，有催化分解法、直接燃烧法、次氯酸注入法、生物分解法等，特别是1～1000ppm水平的氨态氮的分解，从成本方面出发大多利用生物分解法。利用该生物分解法的排水处理是通过使微生物附着于固定化载体(以下，有时简称为载体)、使微生物分解排水中所含的有机物、氮而来进行净化的方法。

附着上述微生物的载体使用有塑料材、无机材料、包括凝胶材料、亲水性凝胶材料等。另外，通过在上述的材料中混合其他的材料，研究了微生物固定量的增加、比重的调整、强度的提高、使用通用材料的价格的降低等。

另外，若微生物迅速附着于载体，则微生物的初始分解速度变快，因此需要使用微生物容易附着的载体。因此，期望与微生物的亲合性高的材料、与微生物的能障小的材料、在载体表面亲水基多的材料等。

另外，流化床载体还期望轻的材料。原因在于通过使载体轻质化，在水中的流动性提高，能够降低搅拌、曝气动力。进一步而言，若将气孔率高的材料用于载体，则微生物的固定部位变多，还可以期待微生物数的增加。

此外，由于利用生物分解的排水处理大量使用载体，其制造成本也需要充分考虑。因此，希望使用尽可能廉价的通用材料、废弃材料。

在下述专利文献1中公开了以热塑性树脂(特别是聚丙烯)为主要成分，含有0.1～5％的碳、玻璃作为填料，填料尺寸为50～3000μm。

另外，在下述专利文献2中公开了以选自天然石墨、人造石墨、碳纤维、焦炭、炭黑和它们的前体中的一种或两种以上为骨料的成型体碳化而成的微生物固定化载体，成型体的表面积为400m²/g以下。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015－71157号公报

专利文献2：日本特开昭62－296878号公报

非专利文献

非专利文献1：《日经商业》(2015年12月28日/2016年1月4日合刊号)

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，专利文献1记载了在微生物固定化载体中优选含有70质量％以上的树脂，树脂较多，因此存在微生物不易附着这样的技术问题。另外，作为碳纤维、活性碳纤维用于载体的材料，还有昂贵这样的问题。

另外，专利文献2的微生物固定化载体是以选自天然石墨、人造石墨、碳纤维、焦炭、炭黑和它们的前体中的一种或两种以上为骨料的成型体碳化、石墨化而得到的，因此可以认为载体的松密度至少为1.3以上，在槽内流动时需要大的能量，存在运行成本变高这样的问题。

本发明是鉴于上述事情而完成的发明，其目的在于提供：微生物容易附着的微生物固定化载体，并且能够降低微生物固定化载体的制造成本和使用了微生物固定化载体的装置的运行成本。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的特征在于：含有碳成分和树脂，Zeta电位为－25mV以上0mV以下，并且表面和/或内部附着有微生物。

发明效果

利用本发明，实现微生物容易附着的微生物固定化载体并且能够降低微生物固定化载体的制造成本等这样优异的效果。

附图说明

图1是载体A1的截面SEM照片。

具体实施方式

在本发明中，碳成分是指碳纳米材料和碳纤维以外的碳材料。如上述构成，Zeta电位为－25mV以上0mV以下时，与微生物的Zeta电位(例如硝化菌群的Zeta电位约为－22～－27mV)的差异小，因此容易发生相互作用，能够在微生物固定化载体中附着大量微生物。另外，由于是碳成分与树脂的混合物，因此能够削减微生物附着载体的制造成本(原材料成本)。特别是在大量使用微生物附着载体的排水处理大型设备中，成本降低效果极高。

另外，碳成分与树脂相比，物理强度、化学稳定性高。因此，添加碳成分作为填料等时，微生物附着载体在水中的强度提高。其中，上述微生物包括下述硝化菌群等，但不含厌氧氨氧化菌群。

作为上述微生物，希望好氧性的微生物。好氧性的微生物需要曝气，但本发明的微生物固定化载体如上所述，物理强度和化学稳定性高，因此能够进一步发挥其优点。

在好氧性的微生物中，更希望为硝化菌群。通过使用硝化菌群，能够顺利完成排水处理等。作为该硝化菌群，可以例示氨氧化细菌、亚硝酸氧化细菌。

希望上述碳成分的粒度为1μm以上1000μm以下，特别希望为2μm以上500μm以下。

通过添加具有如此宽的粒度分布的碳成分作为填料等，载体在水中的强度提高。另外，通过在载体表面大量存在大小不同的气孔，多种微生物能够高效地形成生物膜。碳成分的粒度分布优选2μm以上500μm以下，但并不限定于该范围，在3μm以上600μm以下、4μm以上700μm以下、1μm以上400μm以下等、1μm以上1000μm以下的范围内广泛分布时，能够发挥本发明的效果。其中，为了使碳成分广泛分布，希望粒度的下限为10μm以下(若也考虑上述记载，则粒度的下限为1μm以上10μm以下)，希望粒度的上限为300μm以上(若也考虑上述记载，则粒度的上限为300μm以上1000μm以下)。

希望上述碳成分为石墨，特别希望为各向同性石墨。作为碳成分，希望为石墨、特别希望为各向同性石墨是由于能够顺利地发挥上述的作用、效果，并且廉价，因此能够降低微生物附着载体的制造成本。作为碳成分，可以列举石墨、活性炭、炭黑等。另外，作为石墨，可以列举人造石墨、天然石墨等，作为上述人造石墨，可以列举各向同性石墨、各向异性石墨。作为上述天然石墨，可以列举土状石墨、鳞片状石墨等。其中，合适的是这些碳成分以粉末状或糊状的形态而使用。

希望上述碳成分的比例为50重量％以上75重量％以下，上述树脂的比例为20重量％以上40重量％以下。

为上述比例时，容易形成连续气孔，并且水中的强度提高。考虑到这一点，更优选使碳成分为55重量％以上70重量％以下，使树脂为25重量％以上35重量％以下。其中，作为碳成分和树脂以外的成分，有后述的交联剂。

希望内部具有连续的气孔，该气孔的直径为1μm以上1000μm以下。

利用上述构成，微生物的固定化部位变多，因此能够在微生物固定化载体上附着更多的微生物。

(其他的事项)

(1)作为树脂，优选为热塑性树脂等；作为该热塑性树脂，可以例示选自聚乙烯醇、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、氯乙烯中的任1种以上。在热塑性树脂中，优选为具有羟基的热塑性树脂。通过具有羟基，亲水性变高，与水的亲和性良好。还容易形成气孔。作为具有羟基的亲水性树脂，可以列举聚乙烯醇。

(2)作为具有上述羟基的热塑性树脂的交联剂，可以使用具有羧基和/或醛基的化合物。通过使用该化合物，能够进行热塑性树脂的交联反应，制作更牢固的成型体。作为上述具有羧基的化合物，优选甲酸、乙酸、柠檬酸、草酸；作为上述具有醛基的化合物，优选甲醛。这些化合物能够大量且廉价地制作。通过使用交联剂，耐磨损性提高。

(3)微生物固定化载体可以为板状、筒状、波板状、球状、中空管状、圆柱状、立方体、长方体、片状的形状。通过采用这些形状，会成为微生物的附着量充分的载体。

实施例

以下，对第一实施例和第二实施例进行说明。但是，以下的实施例只是示例，本发明不限定于以下的实施例。

(第一实施例)

(实施例1)

首先，向浓度30重量％的聚乙烯醇(和光纯药工业株式会社制造，聚合度500，皂化度86摩尔％以上90摩尔％以下，将量控制为使得在制作微生物固定化载体后，聚乙烯醇相对于载体总量的比例成为30重量％)中添加作为碳成分的各向同性石墨粉末(人造石墨的一种、东洋炭素株式会社制造、粒度：2μm以上500μm以下)65重量％、作为交联剂的柠檬酸(和光纯药工业株式会社制造)5重量％，得到糊剂。接着，将该糊剂以厚度2mm涂布于脱模纸并干燥后，利用冲头、模具得到直径5mm、厚度2mm的颗粒状的成型体。最后，对该成型体在150℃进行18小时加热处理，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体A1。

(实施例2)

除了使用天然石墨(粒度2μm以上10μm以下)作为碳成分以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体A2。

(实施例3)

除了使用碳纳米管(直径5μm以上100μm以下、长度1μm以上10μm以下)作为碳成分以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体A3。

(比较例1)

除了使用各向同性石墨粉末(东洋炭素株式会社制造、粒度：最小的粉末的直径超过500μm)作为碳成分以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体Z1。

(比较例2)

除了使用各向同性石墨粉末(东洋炭素株式会社制造、粒度：最大的粉末的直径小于2μm)作为碳成分以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体Z2。

(比较例3)

除了使聚乙烯醇的比例成为85重量％并且使各向同性石墨粉末的比例成为10重量％以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体Z3。

(比较例4)

除了使聚乙烯醇的比例成为10重量％并且使各向同性石墨粉末的比例成为85重量％以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体Z4。

(比较例5)

除了使用磷酸作为交联剂以外，与上述实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体Z5。

(实验)

使用上述载体A1～A3、Z1～Z5，进行关于下述(1)水中的强度～(5)微生物固定量的实验，将它们的实验结果示于下述表1。

(1)在水中的强度

向1.5L的容器中加入水1L和载体100mL，以转速600rpm连续搅拌24小时。然后，测定搅拌结束后的载体的重量，由此测定磨损量，利用下述(A)式算出载体的重量减少率。之后，将载体的重量减少率小于0.1％的情况记为◎，将0.1％以上且小于0.3％的情况记为○，将0.3％以上且小于0.5％的情况记为△，将0.5％以上的情况记为×。

重量减少率＝[(实验后的载体重量－实验前的载体重量)/实验前的载体重量]×100···(A)

(2)在水中的悬浮性

利用目测确认载体在水中的悬浮性。将在容器内均匀分散的情况记为◎，将大部分悬浮的情况记为○，将部分悬浮的情况记为△，将全部不悬浮的情况记为×。

(3)连续气孔的观察

利用扫描型显微镜对按照上述的方法制作的成型体(载体)进行载体表面和截面的观察(参照图1)。将大量存在连续气孔的情况记为◎，将某种程度地存在连续气孔的情况记为○，将不存在连续气孔的情况记为×。

(4)Zeta电位的测定

按照下述(i)～(iv)所示的顺序测定Zeta电位。

(i)利用研钵使成型体(载体)成为粉状后，向水50ml中加入该粉状物(凝聚体)1g。

(ii)利用药匙搅拌1分钟后，使用超声波清洗机(AsOne制造的超声波清洗机ASU－10)，以频率40Hz、输出240W搅拌5分钟。

(iii)搅拌后立即向浸渍池内填充上清液1ml，使用Zeta电位测定装置(Malvern公司制造的Ztasizer Nano－ZS90)，利用波长633nm的红色激光进行测定。其中，测定时的pH为7。另外，测定进行3次，将其平均值作为载体的Zeta电位。

(5)微生物固定量(每1g载体的目标基因的复制数)的测定

向1L的容器内连续流入无机合成排水(NH4－N 40mg/L)作为原水，进行处理。添加载体10mL，使用了伴有曝气的处理运转150天后的载体，进行目标菌群为氨氧化细菌的实时PCR分析。此时，以氨氧化酶基因amoA、亚硝酸氧化细菌Nitrobacter属所具有的亚硝酸氧化还原酶基因norB为目标，调查每1g载体的菌的复制数。使用MORA-EXTRACT kit(KyokutoPharmaceutical,Tokyo)进行DNA提取。在PCR(聚合酶链反应测定)中，使引物分别为amoA:amoA-F1,amoA-2R,norB:NxrBF1,NxrB1R，使用标准DNA Nitrosonas europium NBRC14298(amoA基因复制数测定用)、Nitrobacter winogradskyi SYBR(R)Premix Ex TaTM II(Takara,Shiga)、MightyAmp(R)for Real Time(Takara,Shiga)，实时PCR装置使用Rotor-GeneTMQ(QIAGEN,Germany)。

[表1]

(实验结果)

根据上述表1可以明确地确认，载体A1～A3的Zeta电位高至－10.1mV～－9.1mV，与之相对，载体Z1～Z4的Zeta电位低至小于－25mV。

另外，确认了在载体A1～A3中，在载体的表面和截面存在1～1000μm的连续的气孔，确认了特别是在载体A1中，大量存在该气孔。与之相对，在载体Z1～Z4中，确认了载体的表面和截面不存在连续的气孔。

如上所述，在载体A1～A3中，由于与硝化菌的Zeta电位的差异小，微生物(氨氧化细菌)容易被载体固定，并且大量存在连续的气孔，因此微生物的固定化部位变多。由此，在载体A1～A3中，微生物固定量(每1g载体的目标基因的复制数)为1.9×10⁹，可知大量微生物被固定。与之相对，在载体Z1～Z4中，由于与硝化菌的Zeta电位的差异比较大，微生物难以被载体固定，并且不存在连续的气孔，因此微生物的固定化部位变少。由此，在载体Z1～Z3中，微生物固定量为1.9×10⁸，可知微生物未能很好地被固定。其中，载体Z4、Z5由于强度低而崩解，不能测定微生物固定量。

另外，还确认了载体A1～A3的强度(水中的接触强度)高，特别是载体A1的强度极高。与之相对，确认了载体Z3的强度高，但载体Z1、Z2、Z4、Z5的强度低，特别是载体Z4、Z5的强度极低。

此外，还确认了载体A1～A3的悬浮性高，特别是载体A1的悬浮性极高。与之相对，确认了载体Z1～Z3的悬浮性高，但载体Z4的悬浮性变低了。

其中，载体Z2所使用的天然石墨的金属杂质的量多，另外，载体Z3所使用的碳纳米管与人造石墨相比，非常昂贵。因此，作为用于载体的碳成分，最合适的是载体Z1所使用的各向同性石墨(人造石墨)。但是，不仅要使用各向同性石墨，还应该考虑以下的情况。即使使用了各向同性石墨，若全部的各向同性石墨的粒径过大或过小，则强度和悬浮性也下降，无法形成连续气孔，并且微生物难以被载体固定(如载体A1与载体Z1、Z2的比较)。因此，不优选全部的各向同性石墨的粒径过大或过小。

另外，亲水基多的聚乙烯醇的比例过多时，虽然强度提高，但Zeta电位下降，无法形成连续气孔，并且微生物难以被载体固定(参照载体Z3)。另一方面，聚乙烯醇的比例过少时，虽然Zeta电位稍高，但强度和悬浮性显著下降，无法形成连续气孔。另外，由于在投入水中后立即崩解，无法测定微生物固定量(参照载体Z4)。若考虑以上的情况，则希望聚乙烯醇的比例为20～40重量％。

此外，交联剂使用磷酸时，无法使交联反应充分进行，因此除了强度小以外，无法利用实验判明。

(第二实施例)

(实施例1)

利用打泡器将上述第一实施例的实施例1所示的糊剂混合后，通过挤出而成棒状，以150℃进行18小时加热处理。之后，切成5～10mm见方尺寸的颗粒状，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体B1。

(实施例2)

制作糊剂时，以聚乙烯醇:淀粉＝5:1的重量比添加作为造孔剂的淀粉(和光纯药制造、型号196－13185)，并切成颗粒状后，利用90℃的热水清洗5小时，除去作为造孔剂的淀粉，除此以外，与上述第二实施例的实施例1同样操作，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体B2。

(实施例3)

在第一实施例的实施例1所示的糊剂中，以聚乙烯醇:甲醛＝2:1的重量比使用甲醛(和光纯药制造、型号064－00406)代替作为交联剂的柠檬酸，再以聚乙烯醇:淀粉＝5:1的重量比添加作为造孔剂的淀粉，得到糊剂。接着，将该糊剂投入烧杯中，在60℃进行22小时固化处理后，利用蒸馏水清洗试样。然后，利用90℃的热水清洗5小时，除去作为造孔剂的淀粉。之后，切成5～10mm见方尺寸的颗粒状，制作微生物固定化载体。

以下，将如此制作的微生物固定化载体称为载体B3。

(实验)

使用上述载体A1和上述载体B1～B3，进行关于下述(1)Zeta电位的测定～(7)每1g载体的目标基因的复制数的测定的实验，将它们的实验结果示于下述表2。

(1)松密度

称量干燥后的样品30g，将其投入500mL的烧杯后，拍打100次。该拍打后测定体积，由此算出松密度。

(2)吸水率

称量干燥后的样品(各载体)30g，投入500mL的烧杯后，向该烧杯中投入水300mL。接着，在烧杯内将两者充分搅拌后，静置24小时，再除去水分，测定重量。然后，利用下述(B)式算出吸水率。

吸水率＝[(实验后的载体重量－实验前的载体重量)/实验前的载体重量]×100···(B)

(3)溶胀率

将吸水率测定后的样品投入500mL的烧杯中，测定100次拍打后的体积。然后，利用下述(C)式算出溶胀率。

溶胀率＝[1+(实验后的载体体积－实验前的载体体积)/实验前的载体体积]×100···(C)

(4)耐久性

将测定溶胀率后的样品投入3L的烧杯后，向烧杯中投入水2.5L。接着，将搅拌翼设置于2L的高度(从烧杯的底壁起大约2/3高度的部位)，以300rpm搅拌24小时。测定搅拌前后的重量，利用下述(D)式算出耐久性(重量维持率)。

重量维持率＝(搅拌后的重量/搅拌前的重量)×100···(D)

(5)沉降性

将干燥后的样品(各载体)在水中静置24小时后，调查沉降于烧杯底部的样品的比例。具体而言，利用下述(E)式算出。

沉降性＝(沉降于烧杯底部的样品重量/全部样品重量)×100···(E)

(6)Zeta电位

利用与上述第一实施例的实验所示的方法相同的方法进行测定。

(7)每1g载体的目标基因的复制数的测定

[表2]

如上述表2所明确的那样，载体B1与载体A1相比，确认了松密度变小，并且吸水率变高了。考虑这是由于，如载体B1的制作所示，利用打泡器将糊剂混合后，通过挤出器制作颗粒时，在载体内大量形成孔。但是，在载体B1中，溶胀率低，耐久性下降了。另外，沉降性变低。

另外，在相对于载体B1使用了作为造孔剂的淀粉的载体B2中，与载体B1相比，松密度、溶胀率、耐久性、沉降性变高了。另外，吸水率下降了。

进一步而言，在相对于载体B2将交联剂变更为甲醛并且增加了交联剂的添加量(减少PVA和各向同性石墨粉末的量)的载体B3中，与载体B2相比，可以确认吸水率非常高。此外，与载体B2相比，虽然松密度稍低，但溶胀率、柔软性、沉降性为同等水平。

产业上的可利用性

本发明能够用于使用硝化菌群等的废水处理装置。

Claims

1.一种微生物固定化载体，其特征在于：

含有碳成分和树脂，Zeta电位为－25mV以上0mV以下，并且表面和/或内部附着有微生物。

2.如权利要求1所述的微生物固定化载体，其特征在于：

所述微生物为硝化菌群。

3.如权利要求1或2所述的微生物固定化载体，其特征在于：

所述碳成分的粒度为1μm以上1000μm以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的微生物固定化载体，其特征在于：

所述碳成分为石墨。

5.如权利要求4所述的微生物固定化载体，其特征在于：

所述石墨为各向同性石墨。

6.如权利要求1～5中任一项所述的微生物固定化载体，其特征在于：

所述碳成分的比例为50重量％以上75重量％以下，所述树脂的比例为20重量％以上40重量％以下。

7.如权利要求1～6中任一项所述的微生物固定化载体，其特征在于：

内部具有连续的气孔，该气孔的直径为1μm以上1000μm以下。