JP2004244622A - 多孔質含水ゲル、その製造法及びそれを使用した微生物担持体 - Google Patents

Abstract

【課題】 微生物の担持性に優れた含水ゲルを提供する。
【解決手段】 エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を製造した後、該樹脂(C)に水を加え、次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、次いで、解凍させた多孔質含水ゲル。
【選択図】 なし

Description

本発明は、新規な多孔質含水ゲル、その製造法及びその用途に関する。

従来から、水硬させた親水性ポリウレタン樹脂が微生物担持体に使用できることは公知(例えば、非特許文献１参照)である。
また、特許文献１には、含水性のポリウレタン樹脂の製造方法が提起されている。

更に、特許文献２には、末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂を水の存在下で反応させて多孔質ゲルを製造する方法が記載されている。

Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, vol.29

特開2001−261841号公報 国際公開第01/3473号公報

非特許文献１において、使用されているポリオールは、樹脂が固形或いは非常に高粘度になり易く水との混合が困難であったのと、親水、疎水の均一性がなく、微生物の担持性が劣るといった問題点があった。

特許文献１で製造された含水性のポリウレタン樹脂は、多孔質でないため、表面積が少ない。そのため、微生物担体には、不利であるという問題点があった。

特許文献２に記載の多孔質ゲルの製造方法で得られたものは、多孔質ではあるが、表面積が十分でないために単位体積当たりの微生物の担持量が少なく、微生物による発酵効率が悪い。

本発明に係わる多孔質含水ゲルは、エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を水に接触させてゲル化させ、次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、次いで、解凍させてなることを特徴としている。

また、本発明に係わる多孔質含水ゲルとして、多孔質含水ゲルが、ゲル化される前の樹脂(C)に対して４〜２０倍の体積膨張倍率が好ましい。

本発明に係わる多孔質含水ゲルの製造方法は、下記工程
（１）エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、
（２）上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を製造した後、
（３）該樹脂(C)と水との両者を重量比率で、該樹脂(C) 1に対して水を４〜２０を混合した後、ゲル化させ、
（４）次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、
（５）次いで、解凍により多孔質化させる
ことを特徴としている。
また、本発明に係わる多孔質含水ゲルの製造方法として、多孔質含水ゲルが、ゲル化される前の樹脂(C)に対して４〜２０倍の体積膨張倍率であることが好ましい。

本発明に係わる微生物担持は、上記した多孔質含水ゲルを含有することを特徴としている。

本発明は、末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂と水とを混合してゲル化させて得られる従来から公知の多孔質含水ゲルを、冷凍させることにより含水ゲルを体積膨張させて含水ゲル内部の気泡部分を広げることにより、微生物を多量に担持させることができるようになった。

以下、上記発明について、更に詳細に説明する。

本発明に係わる多孔質含水ゲルは、エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を水に接触させてゲル化させ、次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、次いで、解凍させてなる。

共重合体(A)は、エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10、好ましくは50/50〜80/20の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる常温で液状の直鎖状若しくは分枝状のポリオール共重合体である。

共重合体(A)は、低粘度で取り扱い易く、又親水性の度合いの調整が容易であるので好ましい。該共重合体(A)としては、具体的には、例えば、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとのランダム共重合物、この共重合物の製造時又は製造後に下記低分子ポリオールを付加させたもの等を使用することができる。

また、共重合体(A)としては、1分子中に平均2個以上、好ましくは2〜4個のアルコール性水酸基を含有し、数平均分子量500〜50,000程度の親水性のものを好適に使用できる。

上記低分子ポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリメチレングリコール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、1、4−ブタンジオール、1、3−ブタンジオール、2、3−ブタンジオール、1、2−ブタンジオール、3−メチル−1、2−ブタンジオール、1、2−ペンタンジオール、1、4−ペンタンジオール、2、4−ペンタンジオール、２、３−ジメチルトリメチレングリコール、テトラメチレングリコール、３−メチル−４、３−ペンタンジオール、３−メチル−４、5−ペンタンジオール、２、２、４−トリメチル−1、３−ペンタンジオール、1、6−ヘキサンジオール、1、5−ヘキサンジオール、1、4−ヘキサンジオール、2、5−ヘキサンジオール、1、4−シクロヘキサンジメタノール、ネオペンチルグリコール等のグリコール類；グリセリン、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、トリメチロールメタン、ジグリセリン、トリグリセリン、1、2、6−ヘキサントリオール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、ソルビトール、マンニット等の3価以上のアルコール等が挙げられる。

また、上記低分子ポリオールは、それ自体を、共重合体(A)に加えて、適宜併用することもできる。

更には、ポリエチレングリコール等のポリアルキレングリコールを、共重合体(A)に加えて、適宜併用することもできる。

本発明におけるポリイソシアネート(B)としては、従来からポリウレタン樹脂の製造に使用されている1分子中に平均2個以上、好ましくは2〜4個のイソシアネート基を含有する数平均分子量100〜2,000程度の化合物を好適に使用できる。

ポリイソシアネート(B)としては、具体的には、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート等の如き脂肪族ジイソシアネート類、水素添加キシリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート等の如き環状脂肪族イソシアネート類；トリレンジイソシアネート、4、4'−ジフェニルメタンジイソアネート等の如き芳香族ジイソシアネート類等の有機ジイソシアネート類それ自体、又はこれら有機ジイソシアネート類と多価アルコール、低分子量ポリエステル樹脂、水との付加物、あるいは上記有機ジイソシアネート類同志の環化重合体、更には上記有機ジイソシアネート類のイソシアヌレート・ビウレット体等が挙げられる。

また、ポリイソシアネート(B)の代表的な市販品としては、例えば、「バーノックD-750」、「バーノック800」、「バーノックDN-950」、「バーノック970」、「バーノック15-455」(以上、大日本インキ化学工業(株)製、商品名)、「デスモジュールL」、「デスモジュールN」、「デスモジュールHL」、「デスモジュールIL」、「デスモジュールN3390」(以上、ドイツ国バイエル社製、商品名)、「タケネートD-102」、「タケネート202」、「タケネート110N」、「タケネート123N」(以上、武田薬品工業株式会社製、商品名)、「コロネートL」、「コロネートHL」、「コロネートEH」、「コロネート203」(以上、日本ポリウレタン工業(株)製、商品名)、「デュラネート24A-90CX」(以上、旭化成工業株式会社製、商品名)等が挙げられる。

ポリイソシアネート（B）と共重合体（A）との反応物である末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂（Ｃ）は、成分（A）中の水酸基に対して成分（B）中のイソシアネート基が過剰になるように配合し、通常、１０℃以上、好ましくは２０〜２００℃で、数分〜数時間程度反応させて合成される。得られた樹脂（Ｃ）は、通常、透明な固体又は高粘度液状の樹脂である。

ポリイソシアネート（B）と共重合体（A）との配合割合は、通常、成分（A）中の水酸基１モルに対して成分（B）中のイソシアネート基が約１．０１〜２モル程度、好ましくは約１．１〜２モルの範囲になる割合である。イソシアネート基が２モルを越えると未反応のポリイソシアネート（B）が大量に残存してしまうので好ましくない。また、イソシアネート基が１．０１モル未満になると高分子量化しすぎてゲル化してしまうので好ましくない。

得られる末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂（Ｃ）の数平均分子量は、特に限定されないが、通常、１，０００〜１００，０００程度の範囲であるのが良い。

この樹脂の水溶液は、ガラス板、シリコン加工シート等の離型性基材やポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、アルミニウム等のシートや加工物である基材に、流し塗り、バーコーター、ロールコーター等により塗布し、架橋硬化させた後、基材から剥離することにより、成形体被膜を得ることができる。この場合、必要に応じて、シート状基材には両面塗装することもできる。 また、成形体は、上記混合物を型枠に入れてから、架橋反応させて得ても良い。更に、成形体被膜や型枠から取り出した成形体を、適宜、切断、裁断、粉砕等の二次加工をして、目的の形状とすることができる。

かくして得られた含水ゲルを冷凍する。冷凍温度は、0℃以下であればよい。冷凍処理後は、解凍を行う。解凍温度は10℃以上、好ましくは室温以上であれば良い。

本発明の多孔質含水ゲルは、弾性を有し、圧縮破壊強度0.1 kg/cm²以上、好ましくは圧縮強度１〜１００kg/cm²の強度を有している。冷凍−解凍処理により、気泡を生じ、多孔質になるが、その強度を損なうものではない。

本発明の多孔質含水ゲルは、 ゲル化される前の樹脂(C)に対して４〜２０倍の体積膨張倍率を有することができる。

本発明の多孔質含水ゲルは、下記工程
（１）エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、
（２）上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を製造した後、
（３）該樹脂(C)と水との両者を重量比率で、該樹脂(C) 1に対して水を４〜２０を混合した後、ゲル化させ、
（４）次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、
（５）次いで、解凍により多孔質化させる
ことにより製造方法できる。
冷凍温度は、0℃以下であればよい。冷凍処理後は、解凍を行う。解凍温度は10℃以上、好ましくは室温以上であれば良い。

本発明の製造方法により得られた多孔質含水ゲルは、弾性を有し、圧縮破壊強度0.1 kg/cm²以上、好ましくは圧縮強度１〜１００kg/cm²の強度を有している。冷凍−解凍処理により、気泡を生じ、多孔質になるが、その強度を損なうものではない。

本発明の製造方法により得られた多孔質含水ゲルは、 ゲル化される前の樹脂(C)に対して４〜２０倍の体積膨張倍率を有することができる。

本発明の多孔質含水ゲルは、多孔質であるため、表面積が広く微生物担持用として、好適に使用できる。
本発明の微生物担持体は、上記した多孔質含水ゲル又は上記した製造方法により得られた多孔質含水ゲルを含有する微生物担持体である。

本発明の微生物担持体は、弾性を有する含水ゲルであるので微生物の付着に適しており、微生物やその菌体を大量に付着させることができる。

該担持体に付着させうる微生物は、特に限定されず、嫌気性微生物、好気性微生物のどちらにも用いることができる。また、一種の又は二種以上の微生物を付着せしめる担持体として好適であり、例えば活性汚泥のような多種の微生物の混合物を付着せしめる担持体としても、好適である。微生物の具体例としては、例えば、アスペルギルス属、ペニシリウム属、フザリウム属等のカビ類；サッカロミセス属、ファフィァ属、カンジダ属等の酵母類；ザイモモナス属、ニトロソモナス属、ニトロバクター属、パラコッカス属、ビブリオ属、メタノサルシナ属、バチルス属等の細菌類等を挙げることができる。

該担持体である含水ゲルへの微生物の付着は、例えば、微生物が懸濁している発酵槽又はバイオリアクターに投入するだけで簡単に行なうことができる。

また、培地中にあらかじめ担持体である含水ゲルを投入しておき、微生物を植菌後培養することにより、微生物を付着させることもできる。微生物の付着を行った後、バイオリアクターに投入することもできる。培養槽、発酵槽、バイオリアクター等に投入する該担持体の量は、特に規定されるわけではないが、通常、培地の１〜６０容量％程度の範囲内が好ましい。

該担持体は、流動層型のバイオリアクター又は攪拌型の発酵槽等に使用するのが最も適しているが、固定床型のバイオリアクター、発酵槽等に適用することも可能である。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより一層具体的に説明する。

実施例１
トリレンジイソシアネート３モルと数平均分子量３，０００（水酸基当量１，０００）のグリセリンで分岐したエチレンオキサイド／プロピレンオキサイド＝８０／２０（重量比）のランダム共重合トリオール１モルとを混合し、８０℃で１０時間反応させて、数平均分子量約４，０００の３官能性末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂を得た。

この樹脂10ｇに120ｇの水道水を添加し、よく攪拌し、白濁した樹脂水溶液を得た。これをポリエチレン板に膜厚3ｍｍに流し塗りし、室温で１時間放置したところプリン状の含水ゲルを得た。

これを剥離して、−６℃〜−７℃にて冷凍し、４０℃のぬるま湯で解凍を行った。さらに、３ｍｍ角に裁断し、排水の曝気槽に活性汚泥担持体として水量の１０重量％添加したところ、活性汚泥だけの場合と比べ、窒素酸化物を硝酸イオンに変換する硝化活性が約3倍に上昇した。

比較例１
実施例１において、冷凍しない含水ゲルのものは、実施例１と同様にして活性汚泥担持体として水量の１０重量％添加したところ、活性汚泥だけの場合と比べ、窒素酸化物を硝酸イオンに変換する硝化活性が約２．５倍で悪かった。

実施例２
実施例１のポリウレタン樹脂10ｇに110ｇの水道水を添加しよく攪拌し、白濁した樹脂水溶液を得た。これをポリエチレン板に膜厚2ｍｍに流し塗りし、室温で1時間放置したところプリン状の含水ゲルを得た。これを剥離して、−20℃にて冷凍し、室温で解凍を行った。さらに5ｍｍ角の吸水ゲルとなった。

ついで、５００ｍ１三角フラスコに、ＧＹ−１０培地（酵母エキス１ｇ／Ｌ、グルコース１００ｇ／Ｌからなる）１００ｍｌとこの含水ゲル１０ｇを加えた後、２重量％濃度になるようザイモモナスモビリスＩＦ０ １３７５６を加え、３０℃で２４時間静置培養を行った。培養後、含水ゲルの表面を蒸留水で洗浄後、発酵液を新しい培地と交換し、２４時間、静置培養を行った結果、エタノール濃度は全体の7.0重量％で良好にアルコールを生産した。

比較例２
実施例２において、冷凍しない含水ゲルのものは、実施例１と同様にして培養試験を行った結果、エタノール濃度は全体の６.４重量％であった。

本発明の多孔質含水ゲルは、多孔質含水ゲルとして使用でき、例えば、表面積が広く微生物担持用として、好適に使用できる。

Claims (5)

1. エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を水に接触させてゲル化させ、次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、次いで、解凍させてなることを特徴とする多孔質含水ゲル。
2. 多孔質含水ゲルが、ゲル化される前の樹脂(C)に対して４〜２０倍の体積膨張倍率である請求項１に記載の多孔質含水ゲル。
3. 下記工程
   （１）エチレンオキサイド(a)とプロピレンオキサイド(b)との両者の重量比率(a)/(b)を基準として50/50〜90/10の範囲になるようにランダム共重合反応させてなる共重合体(A)を製造し、
   （２）上記共重合体(A)を70重量％以上含む液状ポリオールと、ポリイソシアネート(B)を反応させて末端イソシアネート基含有ポリウレタン樹脂(C)を製造した後、
   （３）該樹脂(C)と水との両者を重量比率で、該樹脂(C) 1に対して水を４〜２０を混合した後、ゲル化させ、
   （４）次いで、０℃以下の温度でゲルを冷凍させ、
   （５）次いで、解凍により多孔質化させる
   ことを特徴とする多孔質含水ゲルの製造方法。
4. 多孔質含水ゲルが、ゲル化される前の樹脂(C)に対して４〜２０倍の体積膨張倍率である請求項３に記載の多孔質含水ゲルの製造方法。
5. 請求項1、２、３又は４に記載の多孔質含水ゲルを含有することを特徴とする微生物担持体。