JP2004275176A - 比表面積、生体親和性及び流動性が改善された生物膜担体 - Google Patents

Abstract

【課題】食品または医薬品を生産したり下廃水を処理したりする微生物培養槽の内部に充填される生物膜担体を提供する。
【解決手段】セラミック粉末が塗布されたり粒状のセラミックが付着されたり、またはその内部に混合される繊維状またはスポンジ状の微生物接触材を堅固な合成樹脂ケースの内部に挿入して比表面積と生体親和性が増大され、比重が調節され、流動性に優れた流動相の生物膜担体を提供する一方、固定手段と設置手段が備えられたケースの内部にセラミック担体を挿入し、固定して、手軽く反応槽に設けられるように構成された固定相の生物膜担体を提供し、本発明は生物膜担体以外にも有害ガスを処理する洗浄塔などの充填材としても多様に利用できる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、食品または医薬品を生産したり、下廃水を処理したりする微生物培養槽に充填される生物膜担体に係り、さらに詳しくは、比表面積、生体親和性及び流動性が改善された流動相の生物膜担体と、耐久性が向上され簡便に設置できるようその設置方法が改善された固定相の生物膜担体に関する。

多様な素材の物質を比表面積が大きい形状に加工して生物膜担体として利用している。そのうち合成樹脂糸が繊毛状またはタワシ状に加工された繊維状の微生物担体と、気泡が互いに連通されるよう加工された発泡樹脂によるスポンジ状の微生物担体が多用されている。

しかし、繊維状の担体を設置する従来の方式は、板状に加工された繊維状担体の先端を折って封裁して形成された設置口に、環棒を挿入して反応槽に設ける固定相なので、加工と設置及び増設が難しく、反応液の混合を阻害したり内部装置の修繕に障害になったり、特に微生物が付着増殖すれば増加された自重を耐えられず環棒と接触する部分の担体が剪断破壊されるため、耐久性に深刻な問題点があった。

スポンジ状の担体は、それ自体の強度と耐久性が小さいにも関わらず、小サイズの正六面体形態に切って反応槽に投入するので、磨耗しやすくなるだけではなく、反応液の流れによって反応槽の流出口側に集まり円滑な流動がなされ難い構成である。スポンジ状の担体が充填された反応槽では、担体が均一に分布されるよう担体をエアリフトポンプ（Air-lift Pump）で強制循環させるため、動力が過多に所要されることは勿論、機械的循環過程で磨耗率がさらに高くなるという問題点があり、代表的な例としてはドイツ企業により開発されたリンポープロセス（Linpor Process）が挙げられる。

このような問題点を改善するため本出願人が開発して商用化した流動相の生物膜担体は、比表面積と空隙率が大きい繊維状の微生物接触材を堅固な網状の合成樹脂ケースに内挿させて構成したもので、水面上に浮上せず、反応槽内で円滑に流動できるように、その内部には比重が大きいセラミックを挿入させて組立済み生物膜担体の加重平均比重が反応液の比重と類似になるよう調節したものである。

上記流動相の生物膜担体は、反応槽で円滑に流動され生物膜の増殖にも有利な点が多い。しかし、比重を調節するために担体の内部に比表面積が小さい塊状のセラミックを内蔵するため、セラミック自体は微生物が付着増殖できる有効空隙と表面積の提供にはさほど寄与できず、ただ比重調節手段としてだけ働き、セラミック挿入量に該当する反応槽の容量が減少される損失を招いている。その解消策として、前記繊維の内部または前記ケーシングの内部に、セラミック粉末が混入できるようセラミック粉末が混合された合成樹脂を放糸または射出する方法も考えられる。ところが、微細な繊維にセラミック粉末が混合されれば剪断及び引張強度が弱化されるため切れやすくなり、セラミックが混合されたケースは外部の他の担体または反応槽の壁面と衝突するので、割れやすく、また磨耗するという問題が発生する。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、比表面積と生体親和性が改善された生物膜担体、特に比重が調節された流動相の生物膜担体および耐久性と設置が便利な固定相の生物膜担体を提供するところにある。

前述した目的を達成するための本発明に係る流動相の生物膜担体は、無毒性であり、できる限り生体親和性が大きい合成樹脂糸の表面にセラミック粉末を塗布したりあるいは粒状のセラミックを付着させ、これを表面積と空隙率が大きい形状に織ったり重畳させたりして構成した繊維状の微生物接触材を、堅固な網状の合成樹脂ケースに内挿して構成したものである。

ここで、前記セラミックは、粉末または不規則な形態の粒状なので塊状と比較して比表面積が極めて大きいため、合成樹脂糸の表面に付着されれば合成樹脂糸の表面に不規則に突起が形成され粗くなる。そのため、合成樹脂糸の比表面積が増大し、セラミックの特性によって繊維状の微生物接触材の生体親和性が改善されるだけではなく、比重も大きくなる。

前記繊維状の微生物接触材は糸、織布、不織布、タワシ、繊毛が多数形成された織布状の繊維状に多数本の糸を縒ってなされる多重糸であるか、あるいは多数本の糸を編んで中空状の多重糸を重畳させた形態など、多様に構成することができる。不織布などを多重に重畳させて構成する場合は、不織布と不織布との間にも水流と気泡が円滑に通過され、生物膜が付着増殖できるよう、その中間にストローのような間隙材を挿入して構成することができる。

また、合成樹脂糸で繊維状の微生物接触材を先に構成し、前記繊維状の微生物接触材を構成する合成樹脂糸の表面に、セラミックを塗布または付着させる方法も当然に本発明の範囲に含まれる。

組立済み生物膜担体が反応槽で円滑に流動されるためには、その比重が反応液の比重と類似したものが望ましい。そのため、前記繊維状の微生物接触材に付着されたセラミックの比重と付着量によって全比重を調節すれば、組立てが完了された後の各素材の重さと体積によって加重平均された湿潤比重が反応液と類似に調節されうる。

前記網状のケースは円筒形、多角形、正六面体などその形態には制限がないが、流動性と衝突による耐磨耗性面において円球形が望ましい。

また、従来の方式のスポンジ状の微生物接触材の問題点を解消するため、本発明では無毒性であり生体親和性の大きい合成樹脂にセラミック粉末または粒状のセラミックを混合し、空隙が互いに連通されるよう発泡させて比表面積と空隙率が大きくて比重も増大させたスポンジ状の微生物接触材を、堅固な網状の合成樹脂ケースに内挿させた生物膜担体として構成することができる。このとき、反応槽で円滑に流動できるようその比重を調節し、セラミックの比重と混合量を調節することによって組立済みの担体の比重を調節する。

本発明に係るスポンジ状の微生物接触材による流動相の生物膜担体は、耐久性が小さいスポンジ状の微生物接触材が堅固なケース内部で保護されるため磨耗程度が減少し、ケースの内部に小サイズのスポンジ状の微生物接触材を多数充填すればそれぞれ微生物接触材はその内部も嫌気化されないだけではなく、担体の大きさと流動性が増大されるためエアリフトポンプ（Air Lift Pump）により強制に内部循環させるべきリンポープロセス（Linpor Process）の有する問題も解消される。スポンジ状は多方向に絡み合っている構造なので、微細な繊維とは違ってその内部にセラミック粉末を混合しても切れにくく破損されない。

発泡がなされたタワシ状の生物膜接触材の表面にセラミック粉末または粒状のセラミックを付着させることも本発明の範囲に含まれる。

また、本発明ではセラミックを添加しなくても簡便に生物膜担体の比重を調節することができる。無毒性であり生体親和性が大きい合成樹脂糸で構成された繊維状の微生物接触材を堅固な網状の合成樹脂ケースに内挿させて生物膜担体に組立て、前記生物膜担体は反応槽で円滑に流動できるよう前記合成樹脂糸または前記合成樹脂ケース中のいずれか一つは比重が相対的に大きいポリウレタン、ポリ塩化ビニル（polyvinylchloride；以下、「ＰＶＣ」と称す。）、ポリ塩化ビニリデン（polyvinylidene chloride；以下、「ＰＶＤＣ」と称す。）などの材質で構成し、もう一つは比重が相対的に小さいポリエチレン（polyethylene；以下、「ＰＥ」と称す。）、ポリプロピレン（polypropylene；以下、「ＰＰ」と称す。）、ナイロンなどで構成して、相異なる素材の比重と構成比を調整すれば、その組立完了後は反応槽で円滑に流動できるよう組立てられた担体の加重平均比重が反応液と類似した比重に簡便に調節できる。

この方法はスポンジ状の微生物接触材にも当然適用できるところ、無毒性であり生体親和性の大きい合成樹脂を空隙が互いに連通されるよう発泡させたスポンジ状の微生物接触材を堅固な網状の合成樹脂ケースに内挿させて生物膜担体に組立て、前記生物膜担体は反応槽で円滑に流動できるよう前記スポンジ状の微生物接触材と前記合成樹脂ケースのうちいずれか一つは比重が相対的に大きいポリウレタン、ＰＶＣ、ＰＶＤＣなどの材質で構成し、もう一つは比重が相対的に小さいＰＥ、ＰＰ、ナイロンなどで構成すれば、その組立済み担体の加重平均比重が水中でよく流動できるよう簡便に調節されうる。

従来の方式の固定相の耐久性と煩わしい設置及び増設方法を改善するため、本発明では無毒性であり生体親和性が大きい合成樹脂糸を表面積と空隙率が大きい形態に織ったり重畳させたりして構成された多様な形状の繊維状の微生物接触材を、その内部に収納させ離脱されないように固定させる組立手段と組立て済み固定相の担体が反応槽の内部の一定位置に設けられるようにする固定手段とが備えられた堅固な網状の合成樹脂ケースの内部に収納させ、前記微生物接触材が前記ケースの外部に離脱されないよう前記組立手段で固定させた担体ユニットを構成し、前記ケースに備えられた固定手段によって前記担体ユニットを反応槽内部の一定箇所に設けた固定相の生物膜担体を構成した。

前記固定相の生物膜担体を設置する具体的な方法は、細長い円形または角形の構造材に前記担体ユニットに備えられた固定手段を用いて一つ以上の前記担体ユニットを固定させ、前記構造材には踏み台または懸架台を備えて反応槽内の反応液を揚水しなくても反応槽の底部に立てたり、反応槽の上部から懸架させたりして反応槽内の一定位置に設置できるようにした。

また、本発明では前記固定相の生物膜担体を構成するケース内部に収納される前記微生物接触材は無毒性であり、生体親和性の大きい合成樹脂を空隙が互いに連通されるよう発泡させて比表面積と空隙率を増大させたスポンジ状の微生物接触材を適用することができる。また、前記微生物接触材の表面には比表面積を増大させ生体親和性が改善できるようセラミック粉末を塗布したり付着させたりする場合もある。

そして、前記繊維状の微生物接触材を構成する繊維は、その断面が円形のものよりは薄くて狭長いリボン状の繊維で構成すればその比表面積が増大される。特に、このようなリボン状の繊維を螺旋形に捩って構成すれば、比表面積をさらに大きくすることができ、微生物が付着増殖されうる表面積を大幅に増大させることができる。

本発明に係る生物膜担体は、比表面積と生体親和性が大きく、比重が調節され、流動性が改善され、多量の微生物を増殖させうるため、反応効率が優秀である。のみならず、反応槽内で設置と増設が容易であり、耐久性が増大され、設置と組立てが簡便であり、寿命が半永久的であり、生物学的下廃水処理に利用されることは勿論、脱臭塔、吸収塔または有害ガスを除去する洗浄塔の充填剤として多様に利用できる。

また、本発明は、一つの金型で射出されたケースによって、微生物担体を両面で堅固に保護するよう収納できる。また、組立ても容易であり、金型製作費を節約し、別の部品が所要されない一種のケースなので、在庫管理も容易になる。

以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例を詳述する。

（第１実施例）
図１は本発明に係る流動相の生物膜担体の実施例に対する一部切開斜視図であり、図２は図１の生物膜担体を横方向に切断して示す断面図である。本発明の第１実施例による流動相の生物膜担体１０は、微生物接触材１１が網状のケース１２の内部空間に挿入された構造よりなる。

ここで、微生物接触材１１は、その表面にセラミック粉末が塗布されたり、粒状のセラミックが付着されたりした繊維状であるか、あるいはその内部にセラミックが混合されたスポンジ状である。ケース１２は、図１及び図２に示す通り、水流と気泡が内部によく流通できるように、表面の側壁に複数の開放部１２ａが多数形成された網状の合成樹脂ケースである。ケース１２は網状であり、流動が円滑になされうる形状ならばその形態には制限がないが、円滑な流動のためには円形状であることが望ましい。

微生物接触材１１は、セラミックを繊維状に付着または混合した形態以外の他の構成になる場合もある。すなわち、微生物接触材１１は、比重が相対的に大きいポリウレタン、ＰＶＣ、ＰＶＤＣのうちいずれか一つの材質で構成し、ケース１２は、比重が相対的に小さいＰＥ、ＰＰ、ナイロンのうちいずれか一つの材質で構成して、これら微生物接触材１１とケース１２を組立てた後の比重が反応液と類似になるように調節できる。勿論、微生物接触材１１の比重を小さくし、ケース１２の比重を大きい素材で構成して比重を調節することもできる。

（第２実施例）
図３ないし図４は本発明に係る固定相の生物膜担体の第２実施例に対する図である。
本発明の第２実施例による固定相の生物膜担体は、図３ないし図４に示す通り、ケース２２が、複数のフレーム２２ａの間に開放部２２ｂが形成された板状の網体で構成されており、このケース２２の内部に微生物接触材２１を挿入して、ピン状の複数個の固定手段２３で微生物接触材２１をケース２２に固定した構造よりなる固定相の生物膜担体ユニット２０である。

すなわち、ケース２２は、図３に示す通り、フレーム２２ａにピン状の固定手段２３が貫通する結合孔２２ｃが備えられており、図４に示す通り、ケース２２に設けられる微生物接触材２１の反対側からピン状の固定手段２３を貫通させ、この固定手段２３の先端を結合孔２２ｃに挿入することによって、微生物接触材２１をケース２２に固定するようになっている。

また、ケース２２には、フレーム２２ａの両側縁部に垂直方向に折曲成形された側板２２ｄが具備されている。側板２２ｄには、他の生物膜担体ユニットと連結できるよう複数個の連結口２２ｅが具備されている。

（第３実施例）
本発明に係る固定相の生物膜担体の第３実施例は、図５ないし図７に示されている。この第３実施例による固定相の生物膜担体ユニット３０は、図５に示した通り、互いに向かい合って結合される一対のケース３２と、ケース３２間に配置され、各ケース３２に具備されたピン状の固定手段３２ｆによって固定される板状の微生物接触材３１からなる。

各ケース３２は、複数個のフレーム３２ａが一定間隔を設けて形成され、その間に開放部３２ｂが形成された網体で構成され、一側縁部にはフレーム３２ａについて直角方向に折曲成形された側板３２ｄを備える。そして、一側フレーム３２ａの内側面には内側方向に突出されたピン状の固定手段３２ｆが具備されている。一対のケース３２は、その間に微生物接触材３１を挿入して、各側板３２ｄが微生物接触材３１の両側の側面をそれぞれ包むよう配置された状態で向かい合うケース３２側に押すと、図７に示した通り、一方のケース３２に具備された固定手段３２ｆが微生物接触材３１を貫通して、他方のケース３２のフレーム３２ａ上に具備された結合孔３２ｃに挿着されることによって、図６に示した通り一体に結合された生物膜担体ユニット３０が作られる。

そして、各ケース３２の側板３２ｄには、他の生物膜担体ユニットと連結できるよう連結口３２ｅが具備されている。

（第４実施例）
図８及び図９には、本発明に係る固定相の生物膜担体の第４実施例が示されている。

図８に示した本発明の第４実施例の生物膜担体は、板状に成形された繊維状の微生物接触材４１と、微生物接触材４１の左右側の両端をそれぞれ挟み込んで固定ピン４３で固定する一対の支持フレーム４２とで構成された固定相の生物膜担体ユニット４０である。

微生物接触材４１を支持する支持フレーム４２は、図８及び図９に示した通り、板状の微生物接触材４１の先端を挟んで収容するよう長手包囲抗に長溝４２ａが形成されたチャンネル状よりなり、長溝４２ａの両側の側壁には固定ピン４３が貫通できるよう複数個のピン結合孔４２ｂが貫通されている。従って、微生物接触材４１の左右側の先端にそれぞれ各支持フレーム４２を挟み込み、支持フレーム４２の向かい合う一対のピン結合孔４２ｂ毎に固定ピン４３を挟み込めば、微生物接触材４１は支持フレーム４２に堅固に固定され１個の生物膜担体ユニット４０が構成される。そして、複数個の生物膜担体ユニット４０を１組に連結できるよう支持フレーム４２の側壁に複数個の連結口４２ｃを備えている。

上記実施例によれば、一つの金型から射出されたケースによって微生物接触材を両面で堅固に保護して収納できるようになる。また、組立ても容易であり、金型製作費を節減することができる。さらに、別の部品を要しない１種のケースなので、在庫管理も容易である。

上記固定相の生物膜担体を構成する微生物接触材は、タワシ状、スポンジ状または多孔性のセラミックなど、微生物の付着増殖に有利ならばいずれの材質と形態も制限なしに利用できる。繊維状の微生物接触材には、織布または不織布の一面または両面に合成樹脂繊維が突出され、繊毛層を形成した繊毛状も含まれる。

また、タワシ状またはスポンジ状の表面にセラミック粉末を塗布して比表面積を大きくし、生体親和性を改善することができる。この場合、固定相なのでセラミックの付着は流動のための比重調節とは無関係である。

図１０は本発明に係る固定相の生物膜担体を反応槽１に設けた状態を概略的に示す図である。図１０の左側反応槽部分に示した通り、少なくとも一つ以上の生物膜担体ユニット２０，３０，４０をその両側連結口２２ｅ，３２ｅ，４２ｃにそれぞれ長い環棒２を挟み込んで互いに連結した後、環棒２を反応槽１の上端に横設された懸架台３に連結して固定する。

また、図１０の右側反応槽１に示されている通り、少なくとも一つ以上の生物膜担体ユニット２０，３０，４０を両側連結口２２ｅ，３２ｅ，４２ｃにそれぞれ長い環棒２を挟み込んで互いに連結した後、環棒２の下端に踏み台４を備えて、反応液を揚水しなくても反応槽１の底部に立設することもできる。

今まで説明した本発明に係る固定相の生物膜担体において、前記ケースは前記実施例のような形態に限らず、反応液の流通と微生物接触材の収納が容易ならば、その形態に制限がなく、固定手段は前記構造材と結合させうる構造ならば制限なく利用できる。

本発明は、食品または医薬品を生産したり下廃水を処理したりする微生物培養槽に充填される生物膜担体に係り、生物膜担体以外にも有害ガスを処理する洗浄塔などの充填材としても多様に利用できる。

本発明に係る流動相の生物膜担体の第１実施例を示す一部切開斜視図である。 図１の生物膜担体の横断面図である。 本発明に係る固定相の生物膜担体の第２実施例を示す分離斜視図である。 図３の生物膜担体の結合状態を示す横断面図である。 本発明に係る固定相の生物膜担体の第３実施例を示す分離斜視図である。 図５の生物膜担体の結合状態を示す斜視図である。 図６の横断面図である。 本発明に係る固定相の生物膜担体の第４実施例を示す斜視図である。 図８の横断面図である。 本発明に係る固定相の生物膜担体の設置状態を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 反応槽
２ 環棒
３ 懸架台
４ 踏み台
１０ 流動相の生物膜担体
１１ 微生物接触材
１２，２２，３２ ケース
１２ａ，２２ｂ，３２ｂ 開放部
２０，３０，４０ 固定相の生物膜担体ユニット
２１ 微生物接触材
２２ａ，３２ａ フレーム
２２ｃ，３２ｃ 結合孔
２２ｄ，３２ｄ 側板
２２ｅ，３２ｅ，４２ｃ 連結口
２３ 固定手段
３１ 微生物接触材
３２ｆ 固定手段
４１ 微生物接触材
４２ 支持フレーム
４２ａ 溝
４２ｂ ピン結合孔
４３ 固定ピン

Claims (10)

1. 側壁に多数の貫通孔が形成され網状をなす合成樹脂ケースと、該合成樹脂ケースの内部空間に挿入され、表面にセラミック粉末または粒状のセラミックが付着され生体親和性と比表面積及び比重が増大された多数の合成樹脂糸が表面積と空隙率の大きい形状に織ったり重畳させたりして構成された繊維状の微生物接触材とを含み、該微生物接触材は表面に付着されるセラミックの比重と付着量によって全比重が調節された流動相の生物膜担体。
2. 網状の合成樹脂ケースと、無毒性の合成樹脂糸を表面積と空隙率が大きい形状に織ったり重畳させたりして多様な形状に構成され、前記合成樹脂ケースの内部空間に挿入された繊維状の微生物接触材とからなり、前記合成樹脂糸または前記合成樹脂ケースのうちいずれか一つは比重が相対的に大きいポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンのうちいずれか一つの材質で構成し、もう一つは比重が相対的に小さいポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンのうち選択されたいずれか一つの材質で構成して、相異なる素材の比重と構成比を調節することによって組立てられた担体の加重平均比重が反応槽で円滑に流動できるよう調節された流動相の生物膜担体。
3. 堅固な網状の合成樹脂ケースと、セラミック粉末または粒状のセラミックを混合して比重を増大させた無毒性の合成樹脂を空隙が互いに連通されるよう発泡させて比表面積と空隙率を増大させたスポンジ状で構成され、前記合成樹脂材ケースの内部に挿入された微生物接触材とからなり、前記合成樹脂に混合されるセラミックの比重と混合量を調節することによってその比重が調節された流動相の生物膜担体。
4. 堅固な網状の合成樹脂ケースと、無毒性の合成樹脂を空隙が互いに連通されるよう発泡させて比表面積と空隙率を増大させたスポンジ状で構成され、前記合成樹脂ケースの内部空間に挿入された微生物接触材とからなり、前記微生物接触材または前記合成樹脂ケースのうちいずれか一つは比重が相対的に大きいポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンのうちいずれか一つの材質で構成し、もう一つは比重が相対的に小さいポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンのうちいずれか一つの材質よりなって相異なる素材の比重と構成比を調節することによって組立てられた担体の加重平均比重が反応槽で円滑に流動できるよう調節された流動相の生物膜担体。
5. 多数個のフレームが一定間隔に固定配置され網状よりなる合成樹脂ケースと、無毒性の合成樹脂糸を表面積と空隙率が大きい形状に織ったり重畳させたりして多様な形状に構成され前記合成樹脂ケース内に収納される微生物接触材と、該微生物接触材を前記合成樹脂ケースに固定する組立手段よりなる担体ユニットと、該担体ユニットを反応槽内部の一定位置に設置されるよう固定する固定手段とを含む固定相の生物膜担体。
6. 前記合成樹脂糸の表面に、セラミック粉末を塗布したり粒状のセラミックを付着させたりして比表面積と生体親和性を増大させたことを特徴とする請求項５に記載の固定相の生物膜担体。
7. 前記微生物接触材は、織布または不織布の表面に多くの繊毛が突出された繊毛状の繊維状であることを特徴とする請求項５に記載の固定相の生物膜担体。
8. 前記微生物接触材は、無毒性の合成樹脂を空隙が互いに連通されるよう発泡させ、比表面積と空隙率を増大させたスポンジ状よりなることを特徴とする請求項５に記載の固定相の生物膜担体。
9. 少なくとも一つ以上の請求項５に記載の担体ユニットと、前記各担体ユニットの固定手段に結合され前記担体ユニットを固定する環棒の構造材と、前記担体ユニットを反応槽の底部に立設したり、反応槽の上部から懸架したりするよう前記構造材に備えられた踏み台または懸架台を含む固定相の生物膜担体。
10. 無毒性の合成樹脂糸を表面積と空隙率の大きい形状に織ったり重畳させたりして板状に成形した微生物接触材と、該微生物接触材の上下側両端をそれぞれ挟み込んで収容し、ピン状の固定手段で固定した一対の支持フレームとからなる固定相の生物膜担体。

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