JP3203026B2 - 生体触媒固定化ゲル - Google Patents

生体触媒固定化ゲル

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bacteria
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弘明 藤井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、好気性反応と嫌気性反
応の両方の生体触媒反応に有用なポリビニルアルコール
を主成分とする生体触媒固定化ゲルに関する。本発明の
ゲルは、たとえば、排水処理、観賞魚用水槽の浄化、養
殖水域の浄化など、水の浄化全般に利用できる。
【0002】
【従来の技術】近年、酵素、微生物などの生体触媒を固
定化して、その機能を効率よく利用する研究が行われ、
一部実用化されている。生体触媒を固定化する方法の一
つに、高分子素材を用いて生体触媒をそのまま包み込む
包括固定化法があり、この方法によく用いられる高分子
素材として、寒天、アルギン酸塩、カラギーナン、ポリ
アクリルアミド、ポリビニルアルコール、光硬化性樹脂
等がある。このうち、ポリビニルアルコール(以下PV
Aと略記することがある)含水ゲルは、生体触媒を包括
させることにより、優れた固定化担体として利用できる
ことが知られている。従来、PVAゲルは活性表面積を
大きくするために、直径4mm未満の球状や一辺が4m
m未満のサイコロ状のものが用いられてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の直径4mm未満
の球状PVAゲルは、好気性反応に使用すると酸素がゲ
ルの中心部まで透過するため、同じゲル内で嫌気反応を
行うことは不可能であり、嫌気性反応を併用したい場合
には、別に反応槽を設けなければならない。たとえば、
排水処理における窒素除去において、アンモニア性窒素
の除去(硝化)には硝化菌を用いた好気性反応が必要
で、硝酸性窒素の除去(脱窒)には脱窒菌を用いた嫌気
性反応が必要であるため、装置のコンパクト化は難し
い。本発明は、以上の問題点を解決するものであり、従
来不可能であった好気性反応と嫌気性反応とを一つのリ
アクターで行うことが可能となるため、装置のコンパク
ト化に大きく貢献することができる。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、鋭意検討した結果、表面までの最短距離が2mm
以上である点をゲル内部に有し、表面近傍に好気性菌が
固定され、中心部近傍に嫌気性菌が固定されたポリビニ
ルアルコールを主成分とする生体触媒固定化ゲルを見出
し本発明を完成させるに至った。表面までの最短距離が
2mm以上、好ましくは2.5mm以上である点をゲル
内部に少なくとも1点有していれば、ゲルの中心部近傍
に嫌気性の領域が発現し、ゲルの表面近傍には好気性な
領域が発現し、その結果、好気性および嫌気性の両方の
性質を有する生体触媒固定化ゲルとなる。それに対し
て、ゲル内部の全ての点から表面までの最短距離が2m
m未満の場合にはゲル表面近傍が好気性環境であれば、
ゲルの中心部近傍にも酸素が透過し、その結果、全体が
好気性となる。ゲル表面までの最短距離が2mm以上で
ある点をゲル内部に有していれば、ゲルの形状は球状、
サイコロ状、繊維状、シート状、管状など特に制限はな
い。本発明に使用するPVAは平均重合度が1000以
上、好ましくは1700以上で、ケン化度は98.5モ
ル%以上、好ましくはケン化度99.85モル%以上の
完全ケン化PVAがPVAゲルの形成上、好ましい。ま
た本発明のPVAとしては、本発明の目的を阻害しない
範囲において、公知の種々の変性PVAを用いることが
できる。ゲルを成形する時のPVA水溶液の濃度は、P
VAを主成分とするゲル形成能の範囲から、1〜40重
量%が好ましく、PVA濃度が高いほど強固なゲルが得
られるが、必要なゲル強度が得られる範囲であれば原料
コスト面からはPVA濃度が低い方が有利である。また
ゲル成形時に、アルギン酸ナトリウムのような水溶性高
分子多糖類を用いてもよい。また、このPVA水溶液に
は、PVAのゲル化を阻害しない範囲で、微生物の培地
または固定化担体の強度を向上させるための補強剤、生
成ゲルの比重を調整するための充填材等を添加してもよ
い。
【0005】ゲルの成形方法としては、種々の方法が考
えられているが、以下の2つの方法が挙げられる。PV
A水溶液を−5℃以下、好ましくは−10℃以下に凍結
し、少なくとも1時間以上、好ましくは10時間以上保
持後、解凍する。凍結および解凍の操作を少なくとも1
回以上、好ましくは2回以上繰り返す。PVA水溶液を
PVAの離液作用のある物質を含む水溶液、たとえば硫
酸ナトリウム水溶液に接触させる。硫酸ナトリウム水溶
液の濃度は100mg/リットル(以下、mg/lと略
記する)以上が好ましく、飽和水溶液であることがさら
により好ましい。浸漬時間は10分以上、好ましくは3
0分以上が好ましい。本発明のゲルを用いて、好気性反
応および嫌気性反応をより効率的に行うためには、あら
かじめ微生物を固定したゲルを用いることが好ましい。
固定される微生物としては、好気性菌でも嫌気性菌でも
よい。好気性菌をあらかじめ固定した場合には、中心部
近傍が嫌気性となるため、後で中心部近傍に嫌気性菌が
増殖してくる。嫌気性菌をあらかじめ固定した場合に
は、表面近傍が好気性となるため、後で表面近傍に好気
性菌が増殖してくる。いずれの場合にも、最終的には表
面近傍に好気性菌が固定され、中心部近傍に嫌気性菌が
固定化された構造になる。このようにして得られたPV
Aを主成分とするゲルは、一つのリアクター内で好気性
反応と嫌気性反応との2つ反応を同時に行うことが可能
となる。
【0006】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例により限定されるもので
はない。 実施例1 (株)クラレ製のPVA(平均重合度1740、ケン化
度99.85モル%)を40℃の温水で約1時間洗浄
後、PVA濃度16重量%になるようにPVAに水を加
えて全量を400gにし、pH6に調整した。これをオ
ートクレーブで120℃、30分処理し、PVAを溶解
した後、室温まで放冷した。このPVA水溶液に4重量
%のアルギン酸ナトリウム水溶液200gを加えて混合
し、さらに(株)クラレ岡山工場(岡山県岡山市海岸通
り1丁目2番1号)の排水処理槽より採取し、濃縮操作
を施して得られた活性汚泥[MLSS 80000(m
g/l)]を200g加え、充分に攪拌した。この混合
液を内径4mmφのビニル管1本を使用したローラーポ
ンプで1ミリリットル/分で送液し、スターラーで攪拌
した0.5モル/リットルの塩化カルシウム(CaCl
↓2)水溶液に、表面30cmの高さより滴下した。滴
下した液滴はCaCl↓2水溶液中で直ちに球状化して
沈降した。球状化したPVAを主成分とするゲルをCa
Cl↓2水溶液と分離し、蒸留水で軽く洗浄した後、−
20℃の冷凍庫で24時間凍結せた後、室温で解凍させ
た。さらにこの凍結、解凍操作を2回繰り返した。これ
により、不透明な褐色の柔軟性に富んだ球状のゲルが得
られた。このゲルは球状に成形され、粘着性もない。粒
径は5〜5.5mmφであった。上記の方法により得ら
れた菌が固定されたPVAを主成分とするゲルを(株)
クラレ岡山工場の活性汚泥曝気槽に10日間浸漬し、ゲ
ル中の菌体の培養を行った。培養後のゲル500gと
(株)クラレ岡山工場の排水未処理水をTOC(Tot
al Organic Carbon)値100(mg
/l)、アンモニア性窒素濃度を50(mg/l)に調
整した排水液5リットルとを試験曝気槽に入れ曝気し
た。図1にTOC、アンモニア性窒素濃度、亜硝酸・硝
酸性窒素濃度を示す。時間の経過とともにTOC、アン
モニア性窒素濃度が減少していくことから、好気性菌が
働いていることがわかる。また亜硝酸・硝酸性窒素濃度
が初期に上昇し、後に減少していることから、アンモニ
ア性窒素の酸化により発生した、亜硝酸・硝酸性窒素が
嫌気性菌により脱窒されたことがわかる。実験後のゲル
の断面を観察したところ、表面から約1.5mmのまで
の部分には好気性微生物群が存在し、中心部には嫌気性
微生物群が存在することが判明した。
【0007】比較例1 活性汚泥を加えたPVAおよびアルギン酸ナトリウム水
溶液を内径1mmφの注射針から1ミリリットル/分
で、CaCl↓2水溶液に滴下した以外は実施例1と同
様にして、PVAを主成分とする球状のゲルを得た。ゲ
ルは粘着性もなく、粒径は2.5〜3mmφであった。
得られた菌が固定されたPVAゲルを(株)クラレ岡山
工場の活性汚泥曝気槽に10日間浸漬し、ゲル中の菌体
の培養を行った。培養後のゲル500gと(株)クラレ
岡山工場の排水未処理水をTOC(Total Org
anic Carbon)値100(mg/l)、アン
モニア性窒素濃度を50(mg/l)に調整した排水液
5リットルとを試験曝気槽に入れ曝気した。図2にTO
C、アンモニア性窒素濃度、亜硝酸・硝酸性窒素濃度を
示す。時間の経過とともにTOC、アンモニア性窒素濃
度が減少していくことから、好気性菌がはたらいている
ことがわかる。一方、亜硝酸・硝酸性窒素濃度が上昇し
続けることから、嫌気性菌が働かず、脱窒が進まなかっ
たことを示している。実験後のゲルの断面を観察したと
ころ、ゲルの中心部まで好気性微生物群が存在すること
が判明した。
【0008】
【発明の効果】本発明のPVAを主成分とするゲルは、
表面近傍に好気性菌が固定され、中心部近傍に嫌気性菌
が固定された構造であることから、ひとつのリアククタ
ーを用いるだけで、嫌気性反応と好気性反応との両方の
生体触媒反応を同時に行うことができ、生体触媒による
反応の実用化が広範囲に促進される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1におけるTOC(○)、アンモニア性
窒素濃度(□)、亜硝酸・硝酸性窒素濃度(△)を示
す。
【図2】比較例1におけるTOC(○)、アンモニア性
窒素濃度(□)、亜硝酸・硝酸性窒素濃度(△)を示
す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI // C02F 3/30 C02F 3/30 B 3/34 101 3/34 101D

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面までの最短距離が2mm以上である
    点をゲル内部に有し、表面近傍に好気性菌が固定され、
    中心部近傍に嫌気性菌が固定されたポリビニルアルコー
    ルを主成分とする生体触媒固定化ゲル。
  2. 【請求項2】 表面までの最短距離が2mm以上である
    点をゲル内部に有するポリビニルアルコールを主成分と
    するゲルを用いて、好気性反応と嫌気性反応とを同時に
    行うことを特徴とする生体触媒による水の浄化方法
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