JP2706075B2 - 焼結担体を用いてバイオ反応を行う方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、請求の範囲第１項の概念による、固定床ま
たは流動床のバイオリアクターにおける微生物固定用の
担体を用いてバイオ反応を行う方法に関する。 （従来の技術） このような担体物質は、特開昭60−256380号（ドイツ
公開特許第34 10 650号）公報によって公知である。そ
れは、生命工学的好気性および嫌気性プロセスの両者に
おいて高い時空収量（容積−および時間単位あたりの増
殖率）を可能とする。 バイオマス（biomass）の最高増殖速度および濃度が
好気系に比べて著しく小さい嫌気系においては、一般
に、リアクター内にバイオマスを保持して、濃度を高め
ることが必要である。そのためには、通例、固定床循環
リアクターが適している。そこには、微生物が固定され
る担体物質が十分に配設され、物質交換を生ぜしめる液
体がその担体物質のそばを流れる。それによって微生物
は、妨害されずに増殖し、嫌気性プロセスでも比較的高
い時空収量を得ることができる。しかし、この方法の重
大な欠点は、液体が本質的に固体物質を含んでいてはい
けないということである。その上、一定の時間間隔でバ
イオリアクターを清浄しながればならなず、さもなくば
固定床が容易に微生物、反応生成物または有機化合物、
たとえば金属硫化物によって詰まってしまうからであ
る。最後に、固定床リアクターには、根本的に、物質交
換が遅く、一様でないという欠点がある。 好気性プロセスでは大抵は微生物の速かな増殖がおこ
り、そのため、一般には、常にバイオマスの一部をバイ
オリアクターから、たとえば浮遊によって除去し、バイ
オリアクターにおいて所望のバイオマス濃度を維持しな
ければならない。その他の多量の栄養素および分解産物
を速やかに運搬しなければならない。このため、流動床
バイオリアクターを利用することが知られている。この
場合は、担体と流動媒体として働く培養液の定常的運転
のため、微生物に栄養素を、そして好気性プロセスでは
酸素をも、十分に供給できると期待される。この期待さ
れる充分な供給量（および廃物処理）を十分に利用する
ために、さらに多孔性担体物質を用い、それによって担
体当りの微生物量を増大させることが公知である。（ド
イツ特許第3410650号）。しかし、物質代謝反応の増加
は期待したよりも小さく、担体はバイオマスの過増殖の
ために詰まり易いことがわかった。以上のことは、代謝
反応にも良くない影響を与える。 （発明が解決すべき問題点） 本発明の目的は、固定床および流動床バイオリアクタ
ーに特に適し、微生物または動物細胞を高濃度で固定す
ることができ、目詰りを著しく減少させ、バイオリアク
ターを運転できる担体を用いてバイオ反応を行う方法を
提供することにある。 （問題点を解決するための手段） この目的は、本発明にしたがい、所定の担体物質を用
いてバイオ反応を行う方法によって達成される。 すなわち、本発明は以下のように特定される。 （１） 無機焼結物質、好ましくはガラス製の多孔質焼
結担体であって、内部で続いており外側に開いている細
孔を有し、該細孔は微生物または動物細胞より数倍大き
く、さらに該細孔を通じて内部との自由な液体やガスの
交換ができるものを用いる反応装置により固体床と流動
床との組み合わせまたは流動床単独の工程でバイオ反応
を行う際に、該担体は球状であり、該流動床の工程では
該担体の密度や直径の選択により微生物および／または
動物細胞の増殖が該担体内部に限定されるように該担体
表面の刈り取り力が設定されることを特徴とする担体を
用いてバイオ反応を行う方法。 （２） 該球状体の直径や細孔構造では、好気性媒体中
で該球状体中の酸素含有量は微生物および／または動物
細胞の存在下において外部から内部に向かって著しく減
少し、該球状体の外部領域が好気性で、該球状体の内部
領域が嫌気性である前記（１）に記載の方法。 （３） 開放細孔特性を維持しながら表面の磨耗抵抗を
増加させるため、プラスチツクで被覆された前記担体を
用いる前記（１）または（２）に記載の方法。 （４） 微生物および／または動物細胞の固定化を促進
するため、開放細孔特性を維持しながら無機および／ま
たは有機の層を備える前記担体を用いる前記（１）また
は（２）に記載の方法。 （５） 一時的に流動床として作用し、球状担体表面で
成長する微生物および／または動物細胞を除去する固定
床連続反応装置を用いる前記（１）〜（４）のいずれか
１つに記載の方法。 （６） バイオ反応は好気的な条件で生じる前記（１）
〜（４）のいずれか１つに記載の方法。 （７） バイオ反応は嫌気的な条件で生じる前記（１）
〜（４）のいずれか１つに記載の方法。 （８） バイオ反応は好気的な条件と嫌気的な条件の混
合条件で生じる前記（１）〜（４）のいずれか１つに記
載の方法。 （９） 該反応装置に地方自治体や工業上の廃水を加え
てなる前記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の方
法。 （10） 該反応装置に亜硝酸塩や硝酸塩を含有する水を
加えてなる前記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の
方法。 （11） 該反応装置に水槽からの汚れた水を加えてなる
前記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の方法。 （12） 栄養補強に必須な材料および／または薬理学上
の材料および／または発酵生成物を液体媒体に与える微
生物および／または動物細胞を用いる前記（１）〜
（４）のいずれか１つに記載の方法。 （作用） 本発明による担体物質を用いると、固定床リアクター
の利点と流動床リアクターの利点とを一つにすることが
できる。流動床において、焼結体の直径および密度の適
正な選択により、一般的でない球状焼結担体流動媒体の
運動作用（antreibene wirkung）を減少させると、焼結
体表面と流動との間に高い相対速度があらわれ、それに
よって高濃度の場合の速やかな物質交換も、また増えた
バイオマスの刈り取り（shearing）もできるようにする
ことが可能であり、その際、その刈り取りは、球の接触
により相互に効果的に行われ、一様かつ完全に行われ
る。例えば、焼結体の直径および密度は、次のように選
ばれる。所定の細孔およびその担体の密度は、反応装置
内における担体の流動化の程度と共に担体表面に流れる
流体の相対的に高速度を達成するための基準に依存す
る。平均として、密度は担体がほぼ流体の上昇流に浮か
ぶようにすべきである。したがって、担体表面の流体の
相対的な高速度に適応する直径や密度を選ぶべきであ
る。本発明による焼結担体物質が焼結ガラスから直接つ
くられた場合のように、比較的高密度を有するときに、
このことは特にあてはまる。これに、球はその表面積に
対して最大容積をもっているという利点が加わり、その
ため比較的多くの微生物および／または細胞が球状焼結
体の細孔（開いた孔）の中に固定化され、その焼結体を
流動床に用いた場合にも、微生物または細胞は固定床リ
アクターの場合のように、妨害されずに増殖することが
でき、ゆっくり増殖する微生物でも良い生存条件を見出
すことができる。上述のような周囲との良好な物質交換
によって、微生物または細胞の十分な栄養供給および老
廃物除去が、比較的高い濃度および比較的大きい球直径
でも直接的に確実に行われる。本発明に照らして見る
と、公知の流動床バイオリアクターの前記の欠点は、主
として次のことに帰せられるようにみえる。すなわち、
流動床における一般に球形でない担体においては、担体
表面のすぐ近くでは表面と液体流との栄養素および酸素
の著しい欠乏がおこり得る。そのため時空収量は低下す
る。 生物学的活性物質を固定するための担体として、ある
ポリマー合成樹脂で被覆された基礎材料、特に、球状で
多孔性または無孔性ガラスからなる基礎材料は公知であ
る（特開昭56−115727号（ドイツ特許第31 05 768
号））。しかし、そこには、本発明による担体物質の細
孔構造もないし、流動床バイオリアクターへの応用およ
びその際に得られる特別な効果および利益も考慮されて
いない。 本発明による細孔を有する球状焼結体の孔の直径は、
微生物および／または動物細胞の大きさ、形および目指
すバイオ反応によって選択される。微生物および／また
は動物細胞が妨害されずに増殖するためには、細孔直径
は一般に10μｍ以上であり、大ていは100μｍ以上であ
る。増殖する微生物の構造により、場合によっては、本
質的により大きい細孔直径が必要であることもある。 細孔容積は、一般に40〜75vol％の間である。細孔容
積が75％以上の場合には、機械的強度が非常に急速に低
下する。 本発明による担体物質である球状焼結体の必要な大き
さは、目指す生命工学的な方法に依存する。一般的に球
の大きさは、直径１〜10mmの間にある。 本発明による担体物質は、特に、強い微生物増殖を伴
う好気性分解、特に他方自治体および工業用の廃水を浄
化する場合に適している。ここでは目詰まりの問題が特
に重大である。たとえば、公知の固定床リアクターを利
用した場合、用いた担体材料の種類に関係なく、リアク
ターは短期間で詰まってしまう。微生物が表面にこびり
つき担体内部へ入ることができなくなる。そこで、地方
自治体の廃水を、流動床で、細孔を有するラシヒリング
状の焼結ガラスから成る担体物質で生命工学的に浄化す
ることが試みられた（ドイツ公開特許第34 10 650
号）。この試みは一部だけ成功した。固定床リアクター
の場合のように、ラシヒリングの内側空所が完全に詰ま
り、外側表面が一部詰まった。このためラシヒリングの
全体的密度が変り、連続運転は不可能である。それに対
して、本発明の担体物質を流動床に用いると、球の内部
から増殖して出てくる微生物および表面にある微生物は
刈りとられ、刈り取られたバイオマスは運び出される。
そこで、流動リアクターにおいては、ほぼ一定量の生き
ているバイオマスが存在する。球の内部では増殖は妨害
されないから、ゆっくり生長する微生物も増殖し、運び
出されないから有効に働くことができる。こうして、本
発明による担体物質を流動床リアクターに使用する場
合、分解しにくい物質でも分解することがてきる。 本発明による担体物質の使用は、地方自治体および工
業用の廃水浄化に限られない。この担体物質は、栄養的
必須および薬理学的物質および醗酵生成物の生命工業的
回収にも用いられる。その際、前述の利点がそれぞれの
形であらわれる。ここで、その他の種類の用途でも、用
途に応じた担体物質を使用するその他の利点として、微
生物が好ましい条件下で固定および増殖し、反応生成物
が容易に分離できるということがわかった。 驚くべきことに、細孔の形と球の直径をそれぞれ選択
することによって、本発明による担体物質に、好気性お
よび嫌気性の状態を同時に作り出すことが出来ることが
判った。これは、製造方法自体を意味するのではなく、
担体の好気性および／または嫌気性の条件の規定によ
る、適応する担体の細孔径や担体直径の選択基準に関す
る。これらの条件は、担体に与えられる拡散条件に原則
的に依存する。細孔が相対的に小さいと、拡散は酸素分
子の小さいな平均自由経路のため相対的に遅くなり、直
径が相対的に大きいと、担体表面から内部への拡散経路
は相対的に長くなるので、大部分の酸素は担体の周辺領
域の好気性微生物により消費される。たとえば、好気性
環境において球の中の酸素含量は、微生物または動物細
胞が存在する場合、外から内側へ非常に著しく減少し、
球の外側領域では好気性条件が球の内部領域では嫌気性
条件があらわれる。このように、好気性および嫌気性の
条件が同時にあるということは、多くの生命工学的方法
にとって大きな意味をもち、特に水中の亜硝酸塩および
硝酸塩化合物を分子窒素に分解する場合に大きな意味を
もつ。 これに関連して、本発明による担体物質は、水槽（Aq
uarium）の水の浄化のために非常に好都合に用いられる
ことが判明した。 本発明による担体物質において、球状焼結体の摩耗に
対する機械的強度は、細孔を保持しながら、表面を薄い
合成樹脂層で覆うことによって高めることができる。特
に焼結ガラスから成る焼結体は、合成樹脂が衝撃エネル
ギーの大部分を吸収するから、この方法で衝撃荷重の影
響をほとんど受けなくなる。 微生物および動物細胞の種類によって、またバイオ反
応そのものによっても、細孔を保持しながら、内部表面
を無機および／または有機層で覆うことが必要であるか
も知れない。ここで、無機層には、例えば、後述の実施
例２に記載のアミノ基またはメルカプト基を含むシラン
でつくられたものが、有機層には、例えばアクリレート
またはメタクリレートのコポリマーでつくられたものが
挙げられる。このような層で覆うことは、微生物および
動物細胞の固定を改善し、ガスまたはその他の物質の吸
収を可能にする。 本発明による担体物質を製造するためには、先ず、微
粒子状の焼結可能物質と、大粒の、焼結生成物から溶出
できる物質で、その融点が焼結可能物質の焼結温度より
高い物質とから成る混合粉末が作られる。混合粉末に結
合剤を添加して、グラニュレーターで所望の直径をもつ
球状に顆粒化する。焼結および冷却後、溶出し得る物質
を洗い出す。 例えば、珪硼酸ガラス［ショット・グラス ヴェルケ
社のガラス型8330］とK₂SO₄から成る細孔をもつ焼結ガ
ラス球を製造するために、8330ガラスと硫酸カリウムと
の混合物にタイローズ（Tylose）水溶液を加えた。混合
グラニュレーター中で、所望の大きさの球ができるまで
顆粒化した。その後、乾燥し、続いて焼結した。焼結し
た球状物質を用途に応じて分別し、それから洗い流す。 石灰−水酸化ナトリウム−珪酸ガラス（ソーダガラ
ス）とNaClから成る細孔の焼結ガラス球を製造するため
に、ソーダガラスとNaClから成る混合物にNaClを飽和し
たタイローズ溶液を加える。顆粒化、乾燥および焼結を
上記と同様に行う。 本発明による担体物質である球状焼結体の顆粒化、乾
燥および焼結による製造方法は、より複雑な形の、たと
えばラシヒリング状の焼結体の製造よりも遥かに簡単で
ある。球状焼結体の細孔容積および密度は、製造時に、
焼結可能材料の、溶出可能物質に対する重量比の適当な
選択によって調節することができ、一方、細孔の大きさ
は、溶出可能物質の粒度の大きさの選択によって定ま
る。溶出可能物質としては、真先に天然に現れる価格の
安い水溶性塩、特に、NaClおよびK₂SO₄が対象になる。
焼結可能物質の焼結温度は、溶出可能物質の融点より低
いはずであるから、これに適しているのは真先に、ガラ
スか、天然鉱物と低融点ガラス（結合剤として）との混
合物である。 本発明による担体物質は、固定または流動床リアクタ
ーに用いられる。球の表面から微生物および動物細胞を
除去するために、一時的に流動床のような条件を作り得
る固定床リアクターを用いることが特に有利である。こ
のような方法で担体物質の表面をきれいにし、剥された
物質を、リアクターを開けることなくリアクターの液相
によって洗い流すことができる。 本発明による担体物質は、好気性プロセスにも嫌気性
プロセスにも用いることができる。この両プロセスは、
目詰りに関して根本的には異ならず、目詰りの発生速度
が異なるだけである。 （実施例） 実施例１ 比較研究おいて、細孔をもつ焼結ガラス体を、浸漬体
（Touchkorper）リアクター、固定床リアクターおよび
流動体リアクターで試験した。 細孔を有する焼結ガラスを、管形浸漬体リアクター、
ラシヒリング形固定床リアクターおよびラシヒリングお
よび球形の流動床リアクター（実施例１の同類）に入れ
た。管およびラシヒリングは、40重量％ガラス粉末およ
び60重量％塩粉末の混合、押出、或いはプレス、焼結お
よび塩の洗い流しによって作られた。ガラスでは、実施
例１のように、ショット・グラス ヴルケ社の珪硼酸ガ
ラスが重要であり、塩ではK₂SO₄が重要である。 時間の経過と共に起る微生物の固定化および微生物の
分解能力を試験した。提供される担体物質表現は、0.7m
²/リアクター容量であった。実験経過において、化学
的酸素必要量1000mg/を示す合成廃水を入れた。リア
クターはいづれも同じ空気挿入量であった。 次に固定化を、水圧下、滞留時間10時間およびその後
６時間の滞留時間観察した。 浸漬体リアクター中の管状担体および固定床リアクタ
ー中のラシヒリングは、好気性微生物が急速に増加し、
短時間で完全に覆いかくされた。 流動床リアクターでは、ラシヒリングの幾何学に由来
する中心の孔が、数時間後、バイオマスのフレークで一
杯になった。孔の低級な乱流は、目詰りをおこすに十分
である。流動床の剪断力によってラシヒリングの角は丸
くなり、外側表面には微生物はほとんどない。ラシヒリ
ングの孔の中のバイオマスフレークは、流動中のラシヒ
リングを一緒に連れ出し、運び出すのに十分であった。
さらに、細孔中のバイオマスは担体物質の自由な流れを
妨げ、そのため、孔の表面では好気性代謝がおこり得な
い。 ラシヒリングの外側表面の微生物増殖物の最上層のみ
が、純粋に好気性代謝に貢献する。しかし、全体的ミネ
ラル化には半好気性および嫌気性反応段階も関与し得る
から、酸素制限は或る細孔の深さまでは容認される。こ
こで、ミネラル化とは、有機物質が無機物質に変換され
ることをいう。 細孔径が60〜300μｍで、細孔容積が55〜65容量％で
ある場合、孔空間における覆った微生物の深さは２〜3m
mである。そこで、この深さまではミネラル化があらわ
れる。 実施例１にしたがって製造された直径５〜6mmの球
は、流動層リアクター中で孔空間においてのみバイオマ
ス増殖を示した。あとから成長した、すなわち細孔から
球の表面に現れてきた微生物部分は刈りとられた。微生
物に覆われた後、バイオマスの弾性のために、担体物質
の摩耗は劇的に減少した。 流動床リアクター中の球状担体上に固定された微生物
の分解能力は、固定床リアクターに比べてファクター1.
5だけ、浸漬体リアクターに競べてファクター1.8だけ上
昇した。 実施例２ ストレプトマイセス テンダエ（Streptomyces tenda
e）のような坑生物質を生産するための菌糸形成性細菌
の固定は、細孔を有する球状焼結担体材料では若干の困
難を伴う。細菌は提供された表面で増殖するが、連続的
被覆は起こらなかった。孔空間は時々覆われるだけであ
った。 おおい茂る微生物は、特殊は被膜により著しく高める
ことができた。ストレプトマイセス テンダエ（Strept
omyces tendae）の場合は、たとえばアミノ基またはメ
ルカプト基を含むシランで被膜を生成するのが最も効果
的であった。 増殖して担体を覆うために用いられるバイオマスの種
類およに生理学的状態は、同様に重要である。それらは
孔空間における増殖物の密度を定め、表面で増殖してい
るバイオマスの一部が刈り取られるから、それはそれで
流動床では生産性に決定的に寄与する。 二次的代謝産物（坑生物質は物質代謝的に二次的代謝
産物とみなされる）の産生時には増殖および生産性の関
係はほとんどなくなるから、バイオマスの刈り取りは、
増殖と関連したプロセスにおけるようは顕著な役割を演
じない。ここで、焼結担体の直径の選択基準は、細孔外
における二次的代謝産物の運搬の最適条件と一致させる
べきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カールハインツ ローマン ドイツ連邦共和国 ディー‐6500 マイ ンツ 21 ゼルトリウスリンク ９ (72)発明者 ハンス デュロルフ ドイツ連邦共和国 ディー‐6500 マイ ンツ 21 ゼルトリウスリンク 11 (56)参考文献 特開 昭60−256380（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−115399（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．無機焼結物質、好ましくはガラス製の多孔質焼結担
   体であって、内部で続いており外側に開いている細孔を
   有し、該細孔は微生物または動物細胞より数倍大きく、
   さらに該細孔を通じて内部との自由な液体やガスの交換
   ができるものを用いる反応装置により固体床と流動床と
   の組み合わせまたは流動床単独の工程でバイオ反応を行
   う際に、該担体は球状であり、該流動床の工程では該担
   体の密度や直径の選択により微生物および／または動物
   細胞の増殖が該担体内部に限定されるように該担体表面
   の刈り取り力が設定されることを特徴とする担体を用い
   てバイオ反応を行う方法。 ２．該球状体の直径や細孔構造では、好気性媒体中で該
   球状体中の酸素含有量は微生物および／または動物細胞
   の存在下において外部から内部に向かって著しく減少
   し、該球状体の外部領域が好気性で、該球状体の内部領
   域が嫌気性である特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．開放細孔特性を維持しながら表面の磨耗抵抗を増加
   させるため、プラスチックで被覆された前記担体を用い
   る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ４．微生物および／または動物細胞の固定化を促進する
   ため、開放細孔特性を維持しながら無機および／または
   有機の層を備える前記担体を用いる特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の方法。 ５．一時的に流動床として作用し、球状担体表面で成長
   する微生物および／または動物細胞を除去する固定床連
   続反応装置を用いる特許請求の範囲第１〜４項のいずれ
   か１項に記載の方法。 ６．バイオ反応は好気的な条件で生じる特許請求の範囲
   第１〜４項のいずれか１項に記載の方法。 ７．バイオ反応は嫌気的な条件で生じる特許請求の範囲
   第１〜４項のいずれか１項に記載の方法。 ８．バイオ反応は好気的な条件と嫌気的な条件の混合条
   件で生じる特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に
   記載の方法。 ９．該反応装置に地方自治体や工業上の廃水を加えてな
   る特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の方
   法。 １０．該反応装置に亜硝酸塩や硝酸塩を含有する水を加
   えてなる特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記
   載の方法。 １１．該反応装置に水槽からの汚れた水を加えてなる特
   許請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の方法。 １２．栄養補強に必須な材料および／または薬理学上の
   材料および／または発酵生成物を液体媒体に与える微生
   物および／または動物細胞を用いる特許請求の範囲第１
   〜４項のいずれか１項に記載の方法。