JP3908327B2

JP3908327B2 - Polyvinyl alcohol-based hydrogel production method and enzyme / microbe-immobilized molded product production method

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Publication number: JP3908327B2
Application number: JP10833397A
Authority: JP
Inventors: 将利河西; 中島　　隆; 博司野口
Original assignee: Japan Vam and Poval Co Ltd
Current assignee: Japan Vam and Poval Co Ltd
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: JPH10287711A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形性および強度に優れたポリビニルアルコール系含水ゲルおよび酵素・微生物固定化成形物の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
含水ゲルは生体組織への損傷が少なく、物質透過性に富んでいるなどの理由から、目、皮膚、関節などの生体材料や薬物の徐放性担体などの医用材料、および保水剤、保冷剤として研究され、実用化されている。また、近年、含水ゲルに酵素や微生物を固定化して、生体触媒としての利用が検討されている。
【０００３】
ポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略記する）系樹脂を用いた含水ゲルは、含水率が高いこと、成形物の柔軟性が高く機械的強度が高いこと、生体との親和性が高いことなどの点で有用な素材である。
【０００４】
ＰＶＡ系含水ゲルを製造する方法としては種々の方法が知られている。例えば、ＰＶＡ水溶液を凍結し、脱水を行う方法（特開昭５８−３６６３０号公報）、ＰＶＡ水溶液の凍結、融解を繰り返す方法（特開昭５９−５６４４６号公報）などが提案されているが、これらの方法は、ＰＶＡ水溶液を凍結させるための設備が必要であったり、操作が複雑で、長時間を必要としたり、また、ゲルの耐水性や強度をコントロ−ルすることが困難であり、工業的に有利な方法ではない。また、従来よりＰＶＡ水溶液を飽和ほう酸水溶液と接触させてゲル化する方法、ＰＶＡ水溶液にアルデヒド化合物を反応させてゲル化する方法などが知られている。前者はｐＨが８．０以上で反応を行う必要があり、得られたゲルはｐＨの変化により溶解してしまうという欠点があり、後者はｐＨを４．０以下にしないと、ゲル化しないことから、使用できる用途が限定され、含水ゲルに酵素や微生物を固定化する際には、適用が困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法で得られるゲルを微生物や酵素の生体触媒担体として利用する場合、凍結やｐＨ調整を行うことにより微生物や酵素の活性を低下させてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、微生物や酵素の活性を低下させることなく、機械的強度、柔軟性に優れた工業的に有利なＰＶＡ系樹脂の含水ゲルの製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水溶液中でジアセトンアクリルアミド単位を０．１〜１５モル％含有するジアセトンアクリルアミド共重合ＰＶＡ系樹脂に反応せしめる際、前記ジアセトンアクリルアミド共重合変性ポリビニルアルコール系樹脂水溶液に固体状のヒドラジン化合物もしくはヒドラジン化合物の水溶液を添加し、型に流し込み、型の中でゲル化させることを特徴とするＰＶＡ系含水ゲルの製造方法、その含水ゲル中に酵素又は微生物を固定せしめることを特徴とする酵素又は微生物固定化成形物の製造方法、更には、ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ系樹脂と酵素・微生物の他に少なくとも１種類の多価金属イオンとの接触によりゲル化能を有する水溶性高分子多糖類を含有する混合水溶液を多価金属イオンとヒドラジン化合物を含有する水溶液中に滴下せしめることを特徴とする酵素又は微生物固定化成形物の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
本発明で使用されるジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡは、脂肪酸ビニルエステルとジアセトンアクリルアミドとを共重合して得た重合体を鹸化することにより製造することができる。
【０００９】
上記の共重合に使用する脂肪酸ビニルエステルとして、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ピバリン酸ビニルなどが挙げられ、中でも酢酸ビニルが工業的に好ましいが、これに限定されるものではない。
【００１０】
上記の脂肪酸ビニルエステルとジアセトンアクリルアミドとの共重合方法は、従来より公知のバルク重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合などの各種の重合方法が可能であり、中でもメタノ−ルを溶剤として用いる溶液重合が工業的に好ましい。
【００１１】
脂肪酸ビニルエステルとジアセトンアクリルアミドとを共重合して得た重合体の鹸化方法は、従来より公知のアルカリ鹸化および酸鹸化を適用することができ、中でも重合体のメタノ−ル溶液またはメタノ−ルと水、酢酸メチル、ベンゼン等の混合溶液に水酸化アルカリを添加して加アルコ−ル分解する方法が工業的に好ましい。
【００１２】
本発明で使用されるジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡは、本発明の効果を阻害しない範囲で、脂肪酸ビニルエステルまたはジアセトンアクリルアミドと共重合可能な、例えば、クロトン酸、アクリル酸、メタクリル酸などの不飽和モノカルボン酸およびそのエステル・塩・無水物・アミド・ニトリル類、マレイン酸、イタコン酸、フマル酸などの不飽和ジカルボン酸およびその塩、マレイン酸モノメチル、イタコン酸モノメチル等の不飽和二塩基酸モノアルキルエステル類、炭素数２〜３０のα−オレフィン類、アルキルビニルエ−テル類、ビニルピロリドン類とともに共重合したものであっても良い。この他、得られたジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡを本発明の効果を阻害でアセタ−ル化、ウレタン化、エ−テル化、グラフト化、リン酸エステル化などの反応によって後変性したものでも良い。
【００１３】
本発明で使用されるジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡのジアセトンアクリルアミド単位の含有量は０．１〜１５モル％の範囲であり、好ましくは０．５〜１０モル％である。ジアセトンアクリルアミド単位の含有量が０．１モル％未満であると、含水ゲルの強度は低い。また、上記含有量が１５モル％を超えると、水溶性が低下し作業に問題が生じる。
【００１４】
また、本発明で使用されるジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡの重合度、鹸化度は種々のものとすることができるが、２０℃における４％水溶液粘度が３ｍＰａ・ｓ以上、鹸化度８５モル％以上が好ましい。
【００１５】
本発明で使用される水溶性ヒドラジン化合物としては、各種のものが使用され、例えばヒドラジン、ヒドラジンヒドラ−ト、ヒドラジンの１水和物もしくは塩、フェニルヒドラジン、メチルヒドラジン、エチルヒドラジン、ｎ−プロピルヒドラジン、ｎ−ブチルヒドラジン、エチレン−1,2 −ジヒドラジン、プロピレン−1,3 −ジヒドラジン、ブチレン−1,4 −ジヒドラジンなどの芳香族もしくは脂肪族ヒドラジンおよびその塩、安息香酸ヒドラジド、ギ酸ヒドラジド、酢酸ヒドラジド、プロピオン酸ヒドラジド、ｎ−酪酸ヒドラジド、イソ酪酸ヒドラジド、ｎ−吉草酸ヒドラジド、イソ吉草酸ヒドラジド、ピバリン酸ヒドラジドなどのモノカルボン酸ヒドラジド、シュウ酸ジヒドラジド、マロン酸ジヒドラジド、コハク酸ジヒドラジド、グルタル酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、セバシン酸ジヒドラジド、マレイン酸ジヒドラジド、フマル酸ジヒドラジド、イタコン酸ジヒドラジドなどのジカルボン酸ジヒドラジド、炭酸ジヒドラジンおよびＮ−アミノポリアクリルアミドなどのヒドラジノ基を有する高分子化合物などが挙げられる。これらのヒドラジン化合物は、単独または併用して使用してもよい。
【００１６】
次に、本発明のＰＶＡ系含水ゲルの製造方法について説明する。
ＰＶＡ系含水ゲルは、水溶液中でジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ系樹脂と水溶性ヒドラジン化合物を反応させて得られるが、ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡと水溶性ヒドラジン化合物との混合比率はジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ１００重量部に対して、0.１〜３０重量部が好ましい、更に好ましくは０．５〜２０重量部である。
ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ水溶液の濃度は、必要なゲル強度、成形方法等によって適当な濃度を選択できる。
【００１７】
ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡと水溶性ヒドラジン化合物を反応させる際、前記ＰＶＡ系樹脂水溶液に固体状のヒドラジン化合物を添加しても、ヒドラジン化合物の水溶液を添加しても良い。また、従来公知のゲルの作成方法で成形したジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡをヒドラジン化合物の水溶液に浸漬しても良い。
【００１８】
前記水溶液には、必要に応じて本発明で使用する以外のＰＶＡやデンプン、メチルセルロ−ス、カルボキシメチルセルロ−ス等のセルロ−ス誘導体、ポリアクリル酸誘導体、ゼラチン、寒天、カラギ−ナン、アルギン酸ナトリウム、マンナン、キトサンなどの他の高分子や増粘剤、クレ−、カオリン、タルク、シリカ、炭酸カルシウム等の無機充填剤、グリセリン、エチレングリコ−ル、プロピレングリコ−ル、ソルビト−ル等の可塑剤、消泡剤、キレ−ト剤、着色剤、さらには活性汚泥、バクテリア、酵母等の微生物、酵素などの１種以上を本発明の効果を損なわない範囲で配合することができる。
【００１９】
次に、本発明の酵素・微生物固定化成形物の製造方法について説明する。
ＰＶＡ系含水ゲル中に酵素・微生物を固定せしめる場合、ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ系樹脂とヒドラジン化合物を反応せしめる前に、あらかじめ、ＰＶＡ系樹脂の水溶液に酵素、微生物の１種以上を添加し、次いでヒドラジン化合物またはその水溶液を添加して反応させ含水ゲルを成形することにより酵素・微生物固定化成形物を得ることができる。
【００２０】
本発明の酵素・微生物固定化成形物の製造方法では、種々の形状の成形物を得ることができるが、酵素・微生物固定化成形物をバイオリアクタ−として利用する際の形状としては、流動性、充填効果、耐久性、取り扱い性の点から球状が有利である。
【００２１】
球状の含水ゲルを製造するには、ＰＶＡ系樹脂の水溶液、酵素、微生物の１種以上とヒドラジン化合物などを含む混合液を球状の型に流し込み、型の中でゲル化させる方法により製造することができるが、ＰＶＡ系樹脂と酵素、微生物の１種以上の他に、少なくとも１種類の多価金属イオンとの接触によりゲル化能を有する水溶性高分子多糖類を含有する混合水溶液を多価金属イオンとヒドラジン化合物を含有する水溶液中に滴下し、表面張力により球状になることを利用する方法が工業的に有利である。
【００２２】
本発明に用いる少なくとも１種の多価金属イオンとの接触においてゲル化能を有する水溶性高分子多糖類としては、例えばアルギン酸のナトリウム金属塩、カラギ−ナン、マンナン、キトサン等をあげることができるが、これに限られるものでばない。中でもとりわけアルギン酸ナトリウムが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明に用いる微生物としては、各種のものを使用することができ、例えば、アスペルギルス（Aspergillus ）属、リゾプス（Rhizopus）属等の糸状菌、シュ−ドモナス（Pseudomonas ）属、アセトバクタ−（Acetobactor ）属、ストレプトマイセス（Streptomyces）属、サッカロマイセス（Saccharomyces ）属、キャンデイダ（Candida ）属等の細菌をはじめ、１種以上の微生物を含む活性汚泥なども使用することができる。
【００２４】
また、酵素としても各種のものを使用することができ、例えば各種のオキシダ−ゼ、レダクタ−ゼ、トランスフェラ−ゼ、ヒドロラ−ゼ、リア−ゼ、イソメラ−ゼおよびリガ−ゼなどの酵素を単独で、または２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００２５】
前記球状の酵素・微生物固定化成形物の製造方法においては、先ず、ＰＶＡ系樹脂と水溶性高分子多糖類とのＰＶＡ系混合水溶液を調製するが、この混合水溶液中におけるＰＶＡ系樹脂の濃度は、ＰＶＡ系樹脂以外の添加成分の種類や濃度、液温、滴下装置によって適切な濃度を設定することが重要である。前記ＰＶＡ系混合水溶液を常温で使用する場合は、得られるＰＶＡ系ゲルの成形性および強度の点から、ＰＶＡ系混合水溶液中におけるＰＶＡ系樹脂の濃度は２〜４０重量％が好ましい。
【００２６】
ＰＶＡ系混合水溶液中におけるＰＶＡ系樹脂の濃度は高いほど、より強固なゲルが生成するが、ＰＶＡ系樹脂の濃度が高くなりすぎると、溶液粘度も高くなり、取り扱いが困難になるため、必要なゲル強度が得られる範囲で、ＰＶＡ系樹脂の濃度は低い方が有利である。
【００２７】
次に、ＰＶＡ系混合水溶液中における水溶性高分子多糖類の濃度は、各種の濃度とすることができるが、水溶性高分子多糖類の種類により異なる。最も好適であるアルギン酸ナトリウムを例にすると、混合水溶液全体に対して０．２〜４重量％が好ましく、０．５〜２重量％が更に好ましい。アルギン酸ナトリウムが０．２重量％未満では、ＰＶＡ系混合水溶液の球状化性能が低下する傾向があり、また、４重量％より大きい場合は、固い球状成形物が得られるが、溶液粘度が高くなったり、原料コストが高くなるおそれがある。
【００２８】
また、前記ＰＶＡ系樹脂と水溶性高分子多糖類との混合水溶液に所望の酵素・微生物を混入、攪拌する際、酵素・微生物の添加濃度は各種の濃度を採用することができるが、酵素・微生物を含む菌液の濃度は、混合水溶液全体に対して３〜２０重量％の範囲が好ましい。酵素・微生物の添加濃度が高すぎると、ゲル形成の妨げとなり、酵素・微生物の添加濃度が低すぎると、生体触媒としての性能が満足できなくなるため、好ましくない。
【００２９】
次に、以上のＰＶＡ系混合水溶液とともに使用する多価金属イオン含有化合物、ヒドラジン化合物を含む水溶液について述べる。
【００３０】
多価金属イオン含有化合物としては、各種のものを使用することができるが、例えば、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン等のアルカリ土類金属イオンあるいはアルミニウムイオン、セリウムイオン、ニッケルイオン等の多価金属イオンのうち少なくとも一種を含有する化合物が挙げられるが、とりわけ塩化カルシウムが好ましい。また、多価金属イオン含有化合物の濃度は種々の濃度とすることができるが、０．０５〜１．０モル／L が好ましい。
【００３１】
また、ヒドラジン化合物については、前記の種々の化合物を使用することができ、種々の濃度とすることができるが、０．１〜２０．０重量％にすることが好ましく、０．５〜１０重量％が更に好ましい。濃度が０．１重量％未満では、ゲルの強度が低くなるため、好ましくないが、必要なゲル硬度が得られる範囲で、濃度は低い方がコスト的に有利である。
【００３２】
ＰＶＡ系混合水溶液と、多価金属イオン含有化合物、ヒドラジン化合物を含む水溶液とは任意の温度、ｐＨで使用することができ、通常は使用する酵素・微生物に最適な温度、ｐＨに調整し、ゲルの作成を行うのが好ましい。
【００３３】
以上のようにして得られるＰＶＡ系混合水溶液を多価金属イオン含有化合物、ヒドラジン化合物を含む水溶液に滴下するが、この滴下の手段としては各種の手段が採用される。例えば、ＰＶＡ系混合水溶液を注射器などに充填し、注射針などの管状の口金から押し出して滴下したり、あるいはＰＶＡ系混合水溶液を噴霧口金を有する容器に入れ、噴霧口金から噴霧する手段などをあげることができる。
【００３４】
滴下されたＰＶＡ系混合水溶液の液滴は、多価金属イオン含有化合物、ヒドラジン化合物を含む水溶液に接触すると、表面張力によって球体となり、さらに球体の最表面が薄膜状に固化して、ＰＶＡ系混合水溶液の粘度を調整することによって、直径１〜２０mmに任意に変えることができる。多価金属イオン含有化合物、ヒドラジン化合物を含む水溶液は静置でも良いが、スタ−ラ−等で強制攪拌することにより、ＰＶＡ系混合水溶液の成形物と多価金属イオン含有化合物との反応を促進し、球状成形物同士の融着をほぼ完全に防止することができる。
【００３５】
次いで、球状化したＰＶＡ系混合水溶液の成形物は、ヒドラジン化合物を含む水溶液中に放置することによって、ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ中のカルボニル基とヒドラジノ基が反応し、ＰＶＡ系樹脂が架橋し、安定で強固なゲルを形成する。ゲル形成のための放置時間、温度はＰＶＡ系樹脂、ヒドラジン化合物の種類、濃度、ｐＨ値などにより異なる。
【００３６】
このようにして、得られるＰＶＡ系ゲルは、長時間にわたって変形、破損しない強度を有し、水や各種薬剤に対しても侵されることなく、連続使用が可能となり、種々の酵素・微生物に最適なｐＨで製造できるため、活性の高い酵素・微生物固定化成形物としての実用性が高い。
【００３７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
なお、実施例中の各物性は、以下に記す方法により測定したものである。
【００３８】
１．ゲルの機械的強度
ゲル成形物を平面上に静置し、重力による形状の変化が起こるかどうか、また指でゲルを押さえてゲルが崩壊するかを観察し、次の基準で評価した。
評価基準
○：重力による形状変化が起こらず、指で押さえてもゲルが崩壊しない。
△：重力による形状変化は起こらないが、指で押さえるとゲルが崩壊した。
×：重力により、ゲルが変形した。
２．耐久性
球状ゲル成形物１００個に対して水３００ｇを加え、３０℃にして攪拌し、７日経過後のゲルの残存率を測定し、次の基準で評価した。
評価基準
○：９５％以上
△：９５％未満、４０％以上
×：４０％未満
【００３９】
３．浄化性能
酵素・微生物を固定化した実施例、比較例の球状ゲル成形物のみについて、直径１５cm、高さ７０cmの出入口をメッシュで塞いだ円筒状容器に充填して、バイオリアクタ−とした。該バイオリアクタ−に常温でＣＯＤ濃度が５５０mg/Lの廃水を毎時１．０L の速度で流通させた。流通直後と７日経過後の出口側浄化水のＣＯＤ濃度を測定し、次の基準で評価した。
評価基準
○：１００mg/L未満
△：１００mg/L以上、５００mg/L未満
×：５００mg/L以上
４．総合評価
上記の各評価を総合して次の基準で評価した。
評価基準
○：ゲル強度、耐久性、浄化性能が優れている。
×：ゲル強度、耐久性、浄化性能が実用レベルに達していない。
【００４０】
合成例１
攪拌機、温度計、および滴下ロ−ト還流冷却器を取り付けたフラスコ中に、酢酸ビニル６７２重量部、ジアセトンアクリルアミド１０重量部、およびメタノ−ル１７８重量部を仕込み、系内の窒素置換を行った後、内温を６０℃まで昇温した。この系に２，２−アゾビスイソブチリロニトリル１重量部をメタノ−ル５０重量部に溶解した溶液を添加し、重合を開始した。重合開始後、５時間かけて、ジアセトンアクリルアミド５５重量部をメタノ−ル３５重量部に溶解した溶液を一定速度で滴下し、６時間後に重合禁止剤としてｍ−ジニトロベンゼンを添加し、重合を停止した。重合収率は７８％であった。得られた反応混合物にメタノ−ル蒸気を加えながら残存する酢酸ビニルを留出し、ジアセトンアクリルアミド共重合成分を含有する酢酸ビニル系重合体の５０％メタノ−ル水溶液を得た。この混合物５００重量部にメタノ−ル５０重量部と水酸化ナトリウムの４％メタノ−ル溶液１０重量部とを加えてよく混合し、４０℃で鹸化反応を行った。得られたゲル状物を粉砕し、メタノ−ルでよく洗浄した後に乾燥して、ジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡを得た。また、元素分析測定により、この樹脂中のジアセトンアクリルアミド単位の含有率は５．０モル％であることが判明した。この樹脂の２０℃における４％水溶液粘度は２６．８ｍＰａ・ｓ、鹸化度は９８．４モル％であった。なお、この粘度はＢ型粘度計を用いて６０ｒｐｍの回転速度で測定した。
【００４１】
合成例２〜５
表１に示すように仕込み組成を変えた以外は合成例１と同様にして表１に示す各種のジアセトンアクリルアミド共重合変性ポリビニルアルコールを得た。
【００４２】
【表１】

【００４３】
実施例１
合成例１で得られた変性度５．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ１０ｇを水１００ｇに溶解し、これに１ｇのＮ−アミノポリアクリルアミドを添加して、良く攪拌して均一な混合液を作成した後、直径１cmの球形の金型に流し込み、１０℃で２時間放置してゲル化させた。
【００４４】
得られたゲルの強度、耐久性を表２に示す。得られたゲルは、指で押さえても優れた弾性と柔軟性を示し、崩壊せず、耐久性も優れていた。なお、本実施例では微生物（菌）を添加しなかったので、微生物の作用に基づく浄化性は期待できなかったため、浄化性能の評価は省略した。
【００４５】
【表２】

【００４６】
実施例２
合成例２で得られた変性度１．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ１０ｇを水１００ｇに溶解し、これに１ｇのＮ−アミノポリアクリルアミドを添加して、良く攪拌して均一な混合液を作成した後、直径１cmの球形の金型に流し込み、１０℃で２時間放置してゲル化させた。
【００４７】
得られたゲルの強度、耐久性を表２に示す。得られたゲルは、指で押さえても優れた弾性と柔軟性を示し、崩壊せず、耐久性も優れていた。なお、本実施例では微生物（菌）を添加しなかったので、微生物の作用に基づく浄化性は期待できなかったため、浄化性能の評価は省略した。
【００４８】
実施例３
合成例３で得られた変性度８．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ１０ｇを水１００ｇに溶解し、これに１ｇのＮ−アミノポリアクリルアミドを添加して、良く攪拌して均一な混合液を作成した後、直径１cmの球形の金型に流し込み、１０℃で２時間放置してゲル化させた。
【００４９】
得られたゲルの強度、耐久性を表２に示す。得られたゲルは、指で押さえても優れた弾性と柔軟性を示し、崩壊せず、耐久性も優れていた。なお、本実施例では微生物（菌）を添加しなかったので、微生物の作用に基づく浄化性は期待できなかったため、浄化性能の評価は省略した。
【００５０】
実施例４
合成例１で得られた変性度５．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ樹脂に濃度が１０重量％になるように水を加え全量４００ｇにし、９５℃で１２０分間処理し、ＰＶＡを溶解した後、室温まで放冷した。これに、４重量％アルギン酸ナトリウム水溶液２００ｇを加えて充分に混合し、ＰＶＡ系混合水溶液を調製した。一方、１１．１ｇの塩化カルシウムと５０ｇのＮ−アミノポリアクリルアミドを１L の水で溶解し、多価金属化合物とヒドラジン化合物との水溶液を調製した。
【００５１】
上記のＰＶＡ系混合水溶液を、先端に内径１mmの注射針で取り付けた内径２mmφのビニル管１本を使用したロ−ラ−ポンプで１mL／分で送液し、スタ−ラ−で攪拌した上記の多価金属化合物とヒドラジン化合物との水溶液に水表面から１５cmの高さより滴下した。滴下した液は直ちに球状化して沈降した。
【００５２】
更に、球状化した成形物を多価金属化合物とヒドラジン化合物との水溶液中に４０℃で１時間浸漬することによって、球状のＰＶＡ系ゲルを得ることができた。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度および耐久性について評価した結果を表２に示す。
【００５３】
表２から明らかなように、強度および耐久性は良好であった。なお、本実施例では微生物（菌）を添加しなかったので、微生物の作用に基づく浄化性は期待できなかったため、浄化性能の評価は省略した。
【００５４】
実施例５
合成例２の変性度１．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡを使用した以外は実施例４と同様にして球状ゲルを作製し、ゲル強度および耐久性の評価を行った。その結果を表２に示す。
表２から明らかなように、強度および耐久性は良好であった。なお、本実施例では微生物（菌）を添加しなかったので、微生物の作用に基づく浄化性は期待できなかったため、浄化性能の評価は省略した。
【００５５】
実施例６
合成例１で得られた変性度５．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ樹脂に濃度が１０重量％になるように水を加え全量４００ｇにし、９５℃で１２０分間処理し、ＰＶＡを溶解した後、室温まで放冷した。これに、４重量％アルギン酸ナトリウム水溶液２００ｇを加えて充分に混合し、さらにサッカロマイセス属の菌体を０．５g-wet cells/mLを含む活性汚泥を６０ｇ加え、充分に攪拌し、ＰＶＡ系混合水溶液を作製し、水酸化ナトリウムでｐＨ６．０に調製した。
一方、１１．１ｇの塩化カルシウムと５０ｇのＮ−アミノポリアクリルアミドを１L の水で溶解し、さらに塩酸を添加し、ｐＨ６．０の多価金属化合物およびヒドラジン化合物水溶液を調製した。
【００５６】
ＰＶＡ系混合水溶液を、先端に内径１mmの注射針を取り付けた内径２mmφのビニル管１本を使用したロ−ラ−ポンプで１mL／分で送液し、スタ−ラ−で攪拌した上記の多価金属化合物とヒドラジン化合物との水溶液に水表面から１５cmの高さより滴下した。滴下した液は直ちに球状化して沈降した。
【００５７】
更に、球状化した成形物を多価金属化合物とヒドラジンとの化合物水溶液中に４０℃で１時間浸漬することによって、球状のＰＶＡ系ゲルを得ることができた。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能について評価した結果を表３に示す。
【００５８】
【表３】

【００５９】
表３より明らかなように、強度、耐久性および浄化性能のすべてにおいて良好であった。
【００６０】
実施例７
合成例２で得られた変性度１．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡを使用した以外は実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表２に示す。
表２から明らかなように、強度、耐久性および浄化性能は良好であった。
【００６１】
実施例８
多価金属化合物とヒドラジン化合物との水溶液の作製の際に、５０ｇのＮ−アミノアクリルアミドの代わりに５０ｇのアジピン酸ジヒドラジドを使用した以外は実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表３に示す。
表３から明らかなように、強度、耐久性および浄化性能は良好であった。
【００６２】
実施例９
ＰＶＡ系樹脂の水溶液濃度を５重量％にした以外は実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は１〜２mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表３に示す。
表３から明らかなように、強度、耐久性および浄化性能は良好であった。
【００６３】
実施例１０
多価金属化合物とヒドラジン化合物との水溶液の作製の際に、Ｎ−アミノアクリルアミドの使用量を１０ｇにした以外は実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表３に示す。
表３から明らかなように、強度、耐久性および浄化性能は良好であった。
【００６４】
比較例１
合成例４で得られた変性度０．０５モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ１０ｇを水１００ｇに溶解し、これに１ｇのＮ−アミノポリアクリルアミドを添加して、良く攪拌して均一な混合液を作成した後、直径１cmの球形の金型に流し込み、１０℃で２時間放置したが、ゲル化しなかった。
【００６５】
比較例２
合成例５で得られた変性度１８．０モル％のジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡは水に溶解しなかったため、含水ゲルを作成することができなかった。
【００６６】
比較例３
合成例１で得られたジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ系樹脂の代わりに鹸化度９８．５モル％、２０℃における４％水溶液粘度が２８．６ｍＰａ・ｓの未変性ＰＶＡを使用した以外は、実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表３に示す。
表３から明らかなように、ゲル強度は弱く、また耐久性も問題があることがわかった。
【００６７】
比較例４
合成例１で得られたジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ系樹脂の代わりに合成例４で得られたジアセトンアクリルアミド共重合変性ＰＶＡ系樹脂を使用した以外は、実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表３に示す。
表３から明らかなように、ゲル強度は弱く、また耐久性も問題があることがわかった。
【００６８】
比較例５
ＰＶＡ系樹脂を使用しない以外は、実施例６と同様にして球状ゲルを作製しようとしたが、ゲルは得られなかった。
【００６９】
比較例６
Ｎ−アミノアクリルアミドを使用しない以外は実施例６と同様にして球状ゲルを作製した。このゲルは粘着性もなく、直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能の評価を行った。結果を表３に示す。
表３から明らかなように、ゲル強度は弱く、また耐久性も問題があることがわかった。
【００７０】
比較例７
鹸化度９８．５モル％、２０℃における４％水溶液粘度が２８．６ｍＰａ・ｓの未変性ＰＶＡを使用した以外は、濃度１０重量％になるように水を加え全量４００ｇにし、９５℃で１２０分間処理し、ＰＶＡを溶解した後、室温まで放冷した。これに、４重量％アルギン酸ナトリウム水溶液２００ｇを加えて充分に混合し、さらにサッカロマイセス属の菌体を０．５g-wet clls/mL を含む活性汚泥を６０ｇ加え、充分に攪拌し、ＰＶＡ系混合水溶液を作製し、水酸化ナトリウムでｐＨ６．０に調製した。一方、飽和ほう酸水溶液１L に１１．１ｇの塩化カルシウムを加え溶解し、さらに塩酸でｐＨを調製し、ｐＨ６．０のほう酸および多価金属化合物の水溶液を調製した。
【００７１】
ＰＶＡ系混合水溶液を、先端に内径１mmの注射針を取り付け内径２mmφのビニル管１本を使用したロ−ラ−ポンプで１mL／分で送液し、スタ−ラ−で攪拌した上記のほう酸および多価金属化合物の水溶液に水表面から１５cmの高さより滴下した。滴下した液はただちに球状化して沈降した。
更に、球状化した成形物をほう酸および多価金属化合物の水溶液中に４０℃で３時間浸漬することによって、球状のＰＶＡ系ゲルを得ることができた。このゲルの直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能について評価した結果を表３に示す。
表３により明らかなように、ゲル強度は弱く、また耐久性も問題があり、これは微生物の最適ｐＨではほう酸によるＰＶＡのゲル化が起こっていないからであると考えられる。
【００７２】
比較例８
ＰＶＡ系混合水溶液およびほう酸、多価金属化合物の水溶液のｐＨを９．０に調製した以外は、比較例７と同様にして球状のＰＶＡ系ゲルを作製した。このゲルの直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能について評価した結果を表３に示す。
表３により明らかなように、ゲル強度、耐久性もやや劣り、浄化性能についても、ＣＯＤ濃度が５２０mg/Lと、ほとんど廃水中の有機物類が浄化されていないことがわかった。これは、ＰＶＡ系ゲルの製造中にｐＨの変化により菌体の分解活性が低下したためと考えられる。
【００７３】
比較例９
鹸化度９８．５モル％、２０℃における４％水溶液粘度が２８．６ｍＰａ・ｓの未変性ＰＶＡに濃度１０重量％になるように水を加え全量４００ｇにし、９５℃で１２０分間処理し、ＰＶＡを溶解した後、室温まで放冷した。これに、４重量％アルギン酸ナトリウム水溶液２００ｇを加えて充分に混合し、さらにサッカロマイセス属の菌体を０．５ｇ-wet cells/mL を含む活性汚泥を６０ｇ加え、充分に攪拌し、ＰＶＡ系混合水溶液を作製し、水酸化ナトリウムでｐＨ６．０に調製した。一方、１１．１ｇの塩化カルシウムと２５％グルタルアルデヒド水溶液５０ｇを１L の水で溶解し、さらに塩酸でｐＨ６．０の多価金属化合物およびグルタルアルデヒドの水溶液を調製した。
【００７４】
ＰＶＡ系混合水溶液を、先端に内径１mmの注射針を取り付けた内径２mmφのビニル管１本を使用したロ−ラ−ポンプで１mL／分で送液し、スタ−ラ−で攪拌した上記の多価金属化合物およびグルタルアルデヒドの水溶液に水表面から１５cmの高さより滴下した。滴下した液は直ちに球状化して沈降した。
更に、球状化した成形物を多価金属化合物およびグルタルアルデヒドの水溶液中に４０℃で３時間浸漬することによって、球状のＰＶＡ系ゲルを得ることができた。このゲルの直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能について評価した結果を表３に示す。
【００７５】
表３により明らかなように、ゲル強度は弱く、また耐久性も問題があり、これは微生物の最適ｐＨではグルタルアルデヒドによるＰＶＡのゲル化が起こっていないからであると考えられる。
【００７６】
比較例１０
ＰＶＡ系混合水溶液および多価金属化合物とグルタルアルデヒドの水溶液のｐＨを３．０に調製した以外は、比較例９と同様にして球状のＰＶＡ系ゲルを作製した。このゲルの直径は３〜４mmであった。ゲル強度、耐久性および浄化性能について評価した結果を表３に示す。
表３により明らかなように、ゲル強度、耐久性は良好であったが、浄化性能については、ＣＯＤ濃度が５１０mg/Lと、ほとんど廃水中の有機物類が浄化されていないことがわかった。これは、ＰＶＡ系ゲルの製造中にｐＨの変化により菌体の分解活性が低下したためと考えられる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によると、工業的に有利な強度の高いＰＶＡ系含水ゲルを製造することができ、得られる含水ゲルを微生物や酵素の固定化担体として使用する際、製造時に微生物や酵素の活性を低下させず、所望の活性を長期間にわたって維持することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a polyvinyl alcohol-based hydrogel and an enzyme / microorganism-immobilized molded article having excellent moldability and strength.
[0002]
[Prior art]
Water-containing gels are less damaging to living tissues and rich in substance permeability. For this reason, biomaterials such as eyes, skin, and joints, medical materials such as sustained-release carriers for drugs, and water and cold-retaining agents Has been studied and put to practical use. In recent years, the use of biocatalysts by immobilizing enzymes and microorganisms in hydrous gels has been studied.
[0003]
A hydrogel using a polyvinyl alcohol (hereinafter abbreviated as PVA) resin has a high water content, a high flexibility and high mechanical strength of a molded product, and a high affinity with a living body. It is a useful material.
[0004]
Various methods are known as a method for producing a PVA-based hydrogel. For example, a method of freezing and dehydrating a PVA aqueous solution (JP-A-58-36630), a method of repeating freezing and thawing of a PVA aqueous solution (JP-A-59-56446), etc. have been proposed. These methods require equipment for freezing the PVA aqueous solution, are complicated in operation, require a long time, and are difficult to control the water resistance and strength of the gel. It is not an industrially advantageous method. Further, conventionally known are a method of gelling by bringing a PVA aqueous solution into contact with a saturated boric acid aqueous solution, a method of gelling by reacting an aldehyde compound with a PVA aqueous solution, and the like. The former requires a reaction at a pH of 8.0 or higher, and the resulting gel has the disadvantage of dissolving due to a change in pH. The latter does not gel unless the pH is reduced to 4.0 or lower. Therefore, the applications that can be used are limited, and application is difficult when immobilizing enzymes and microorganisms in the hydrogel.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When the gel obtained by the above method is used as a biocatalyst carrier for microorganisms or enzymes, there is a problem that the activity of the microorganisms or enzymes is reduced by freezing or pH adjustment.
[0006]
An object of the present invention is to provide an industrially advantageous method for producing a hydrous gel of a PVA resin having excellent mechanical strength and flexibility without reducing the activity of microorganisms and enzymes.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention reacts with a diacetone acrylamide copolymer PVA resin containing 0.1 to 15 mol% of diacetone acrylamide units in an aqueous solution. At this time, a solid hydrazine compound or an aqueous solution of a hydrazine compound is added to the diacetone acrylamide copolymer-modified polyvinyl alcohol resin aqueous solution, poured into a mold, and gelled in the mold. A method for producing a PVA water-containing gel, characterized in that an enzyme is contained in the water-containing gel Or Enzyme characterized by immobilizing microorganisms Or A method for producing a microorganism-immobilized molded article, and further, a water-soluble polymer having gelation ability by contact with a diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin and at least one polyvalent metal ion in addition to an enzyme / microorganism. An enzyme characterized in that a mixed aqueous solution containing a saccharide is dropped into an aqueous solution containing a polyvalent metal ion and a hydrazine compound. Or This is a method for producing a microorganism-immobilized molded article.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
The diacetone acrylamide copolymer-modified PVA used in the present invention can be produced by saponifying a polymer obtained by copolymerizing a fatty acid vinyl ester and diacetone acrylamide.
[0009]
Examples of the fatty acid vinyl ester used for the copolymerization include vinyl formate, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl pivalate, and the like. Among them, vinyl acetate is industrially preferable, but is not limited thereto.
[0010]
As the copolymerization method of the above fatty acid vinyl ester and diacetone acrylamide, various conventional polymerization methods such as bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization can be used. The solution polymerization used is industrially preferred.
[0011]
As a method for saponifying a polymer obtained by copolymerizing a fatty acid vinyl ester and diacetone acrylamide, conventionally known alkali saponification and acid saponification can be applied, and among them, a methanol solution or methanol of the polymer. A method in which an alkali hydroxide is added to a mixed solution of water, water, methyl acetate, benzene and the like to perform alcohol decomposition is industrially preferable.
[0012]
The diacetone acrylamide copolymer-modified PVA used in the present invention is copolymerizable with a fatty acid vinyl ester or diacetone acrylamide, for example, such as crotonic acid, acrylic acid, methacrylic acid, etc., as long as the effects of the present invention are not impaired. Unsaturated monocarboxylic acids and their esters / salts / anhydrides / amides / nitriles, unsaturated dicarboxylic acids such as maleic acid, itaconic acid and fumaric acid and their salts, and unsaturated dibasic compounds such as monomethyl maleate and monomethyl itaconic acid It may be copolymerized with acid monoalkyl esters, α-olefins having 2 to 30 carbon atoms, alkyl vinyl ethers, and vinyl pyrrolidones. In addition, the obtained diacetone acrylamide copolymer-modified PVA may be post-modified by a reaction such as acetalization, urethanization, etherification, grafting or phosphoric esterification by inhibiting the effects of the present invention. good.
[0013]
The content of diacetone acrylamide units in the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA used in the present invention is in the range of 0.1 to 15 mol%, preferably 0.5 to 10 mol%. When the content of diacetone acrylamide units is less than 0.1 mol%, the strength of the hydrogel is low. Moreover, when the said content exceeds 15 mol%, water solubility will fall and a problem will arise in an operation | work.
[0014]
The diacetone acrylamide copolymer-modified PVA used in the present invention can have various polymerization and saponification degrees, but the viscosity of a 4% aqueous solution at 20 ° C. is 3 mPa · s or more, and the saponification degree is 85 mol%. The above is preferable.
[0015]
As the water-soluble hydrazine compound used in the present invention, various compounds are used. For example, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine monohydrate or salt, phenyl hydrazine, methyl hydrazine, ethyl hydrazine, n-propyl hydrazine Aromatic or aliphatic hydrazines such as n-butylhydrazine, ethylene-1,2-dihydrazine, propylene-1,3-dihydrazine, butylene-1,4-dihydrazine and their salts, benzoic hydrazide, formic hydrazide Monohydric acid hydrazides such as hydrazide, propionate hydrazide, n-butyric acid hydrazide, isobutyric acid hydrazide, n-valeric acid hydrazide, isovaleric acid hydrazide, pivalic acid hydrazide, oxalic acid dihydrazide, malonic acid dihydrazide, succinic acid dihydrazide Gluta Examples include acid dihydrazide, adipic acid dihydrazide, sebacic acid dihydrazide, maleic acid dihydrazide, fumaric acid dihydrazide, dicarboxylic acid dihydrazide such as itaconic acid dihydrazide, and polymer compounds having hydrazino groups such as dihydrazine carbonate and N-aminopolyacrylamide. . These hydrazine compounds may be used alone or in combination.
[0016]
Next, the manufacturing method of the PVA type hydrous gel of this invention is demonstrated.
The PVA water-containing gel is obtained by reacting a diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin with a water-soluble hydrazine compound in an aqueous solution. The mixing ratio of diacetone acrylamide copolymer-modified PVA and the water-soluble hydrazine compound is diacetone. The amount is preferably 0.1 to 30 parts by weight, more preferably 0.5 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the acrylamide copolymer-modified PVA.
An appropriate concentration of the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA aqueous solution can be selected depending on the required gel strength, molding method, and the like.
[0017]
When reacting diacetone acrylamide copolymer-modified PVA with a water-soluble hydrazine compound, a solid hydrazine compound or an aqueous solution of a hydrazine compound may be added to the PVA-based resin aqueous solution. Further, diacetone acrylamide copolymer-modified PVA formed by a conventionally known gel preparation method may be immersed in an aqueous solution of a hydrazine compound.
[0018]
In the aqueous solution, PVA other than those used in the present invention, cellulose, cellulose derivatives such as methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyacrylic acid derivatives, gelatin, agar, carrageenan, alginic acid Other polymers such as sodium, mannan, chitosan, thickeners, inorganic fillers such as clay, kaolin, talc, silica, calcium carbonate, glycerin, ethylene glycol, propylene glycol, sorbitol, etc. One or more plasticizers, antifoaming agents, chelating agents, colorants, activated sludge, bacteria, microorganisms such as yeast, enzymes and the like can be blended within a range that does not impair the effects of the present invention.
[0019]
Next, the manufacturing method of the enzyme / microbe fixed molded article of the present invention will be described.
When immobilizing enzymes / microorganisms in PVA water-containing gel, before reacting diacetone acrylamide copolymerization modified PVA resin and hydrazine compound, add one or more enzymes and microorganisms to PVA resin aqueous solution in advance. Subsequently, the hydrazine compound or an aqueous solution thereof is added and reacted to form a hydrous gel, whereby an enzyme / microorganism-immobilized molded article can be obtained.
[0020]
In the method for producing an enzyme / microorganism-immobilized molded article according to the present invention, molded articles having various shapes can be obtained. From the viewpoint of filling effect, durability, and handleability, a spherical shape is advantageous.
[0021]
In order to produce a spherical water-containing gel, it is produced by a method in which a mixed liquid containing an aqueous solution of PVA resin, an enzyme, one or more microorganisms and a hydrazine compound is poured into a spherical mold and gelled in the mold. In addition to one or more of PVA resin, enzyme, and microorganism, mixed aqueous solution containing water-soluble polymeric polysaccharide having gelation ability by contact with at least one polyvalent metal ion It is industrially advantageous to use a method of dropping into an aqueous solution containing a metal ion and a hydrazine compound and making it spherical due to surface tension.
[0022]
Examples of the water-soluble polymeric polysaccharide having gelling ability in contact with at least one polyvalent metal ion used in the present invention include sodium metal salt of alginic acid, carrageenan, mannan, chitosan and the like. However, it is not limited to this. Of these, sodium alginate is particularly preferable.
[0023]
Furthermore, various microorganisms can be used as the microorganism used in the present invention. For example, filamentous fungi such as Aspergillus genus, Rhizopus genus, Pseudomonas genus, Acetobactor (Acetobactor) In addition, bacteria such as genus, genus Streptomyces, genus Saccharomyces, genus Candida, and activated sludge containing one or more microorganisms can also be used.
[0024]
In addition, various enzymes can be used. For example, various enzymes such as oxidase, reductase, transferase, hydrolase, lyase, isomerase and ligase can be used. It can be used alone or in combination of two or more.
[0025]
In the method for producing the spherical enzyme / microorganism-immobilized molded article, first, a PVA-based mixed aqueous solution of a PVA-based resin and a water-soluble polymer polysaccharide is prepared. The concentration of the PVA-based resin in this mixed aqueous solution is It is important to set an appropriate concentration according to the type and concentration of additive components other than the PVA resin, the liquid temperature, and the dropping device. When the PVA-based mixed aqueous solution is used at room temperature, the concentration of the PVA-based resin in the PVA-based mixed aqueous solution is preferably 2 to 40% by weight from the viewpoint of moldability and strength of the obtained PVA-based gel.
[0026]
The higher the concentration of the PVA-based resin in the PVA-based mixed aqueous solution, the stronger the gel is generated. However, if the concentration of the PVA-based resin is too high, the solution viscosity becomes high and handling becomes difficult. The lower the concentration of the PVA-based resin, the better the gel strength can be obtained.
[0027]
Next, the concentration of the water-soluble polymer polysaccharide in the PVA-based mixed aqueous solution can be various concentrations, but varies depending on the type of the water-soluble polymer polysaccharide. Taking the most suitable sodium alginate as an example, the content is preferably 0.2 to 4% by weight, more preferably 0.5 to 2% by weight, based on the entire mixed aqueous solution. If the sodium alginate is less than 0.2% by weight, the spheroidizing performance of the PVA mixed aqueous solution tends to be lowered. If it is more than 4% by weight, a hard spherical molded product is obtained, but the solution viscosity becomes high. Or the raw material cost may be high.
[0028]
Further, when a desired enzyme / microorganism is mixed and stirred in a mixed aqueous solution of the PVA resin and the water-soluble polymer polysaccharide, various concentrations can be adopted as the enzyme / microorganism addition concentration. The concentration of the bacterial solution containing microorganisms is preferably in the range of 3 to 20% by weight with respect to the entire mixed aqueous solution. If the addition concentration of the enzyme / microorganism is too high, gel formation will be hindered. If the addition concentration of the enzyme / microorganism is too low, the performance as a biocatalyst will not be satisfactory.
[0029]
Next, an aqueous solution containing a polyvalent metal ion-containing compound and a hydrazine compound used together with the above PVA-based mixed aqueous solution will be described.
[0030]
Various compounds can be used as the polyvalent metal ion-containing compound, for example, alkaline earth metal ions such as magnesium ion, calcium ion, strontium ion, barium ion, aluminum ion, cerium ion, nickel ion, etc. Among them, compounds containing at least one of the polyvalent metal ions can be mentioned, and calcium chloride is particularly preferable. The concentration of the polyvalent metal ion-containing compound can be various concentrations, but 0.05 to 1.0 mol / L is preferable.
[0031]
Moreover, about a hydrazine compound, the said various compounds can be used and it can be set as various density | concentrations, However, It is preferable to set it as 0.1-20.0 weight%, 0.5-10 weight % Is more preferable. If the concentration is less than 0.1% by weight, the strength of the gel is low, which is not preferable.
[0032]
The PVA-based mixed aqueous solution and the aqueous solution containing the polyvalent metal ion-containing compound and hydrazine compound can be used at any temperature and pH. Normally, the gel is adjusted to the optimal temperature and pH for the enzyme / microorganism used. It is preferable to create
[0033]
The PVA-based mixed aqueous solution obtained as described above is dropped into an aqueous solution containing a polyvalent metal ion-containing compound and a hydrazine compound, and various means are employed as the dropping means. For example, filling a syringe or the like with a PVA-based mixed aqueous solution and pushing it out from a tubular base such as an injection needle, or dropping the PVA-based mixed aqueous solution into a container having a spray base and spraying from the spray base be able to.
[0034]
When the droplets of the dropped PVA mixed aqueous solution come into contact with an aqueous solution containing a polyvalent metal ion-containing compound and a hydrazine compound, they become spheres due to surface tension, and the outermost surface of the spheres solidifies into a thin film, and PVA mixed By adjusting the viscosity of the aqueous solution, the diameter can be arbitrarily changed to 1 to 20 mm. The aqueous solution containing the polyvalent metal ion-containing compound and the hydrazine compound may be left standing, but by forcibly stirring with a stirrer or the like, the reaction between the molded product of the PVA mixed aqueous solution and the polyvalent metal ion-containing compound is promoted. In addition, fusion between the spherical molded products can be almost completely prevented.
[0035]
Next, the molded product of the spheroidized PVA-based mixed aqueous solution is left in an aqueous solution containing a hydrazine compound, so that the carbonyl group and hydrazino group in diacetone acrylamide copolymer-modified PVA react to crosslink the PVA resin. Forms a stable and strong gel. The standing time and temperature for gel formation vary depending on the type, concentration, pH value, etc. of the PVA resin and hydrazine compound.
[0036]
Thus, the obtained PVA-based gel has strength that does not deform or break for a long time, and can be used continuously without being attacked by water and various drugs, making it ideal for various enzymes and microorganisms. Since it can be produced at a low pH, it is highly practical as a highly active enzyme / microorganism-immobilized molded product.
[0037]
【Example】
The present invention will be specifically described below with reference to examples.
In addition, each physical property in an Example is measured by the method described below.
[0038]
1. Mechanical strength of gel
The gel molding was allowed to stand on a flat surface, and whether or not the shape change due to gravity occurred was observed, and whether or not the gel collapsed by pressing the gel with a finger was evaluated according to the following criteria.
Evaluation criteria
○: The shape does not change due to gravity, and the gel does not collapse even when pressed with a finger.
Δ: No change in shape due to gravity, but the gel collapsed when pressed with a finger.
X: The gel was deformed by gravity.
2. durability
300 g of water was added to 100 spherical gel molded products, the mixture was stirred at 30 ° C., the residual ratio of the gel after 7 days was measured, and evaluated according to the following criteria.
Evaluation criteria
○: 95% or more
Δ: Less than 95%, 40% or more
×: Less than 40%
[0039]
3. Purification performance
Only the spherical gel moldings of Examples and Comparative Examples in which enzymes and microorganisms were immobilized were filled into a cylindrical container having a diameter of 15 cm and a height of 70 cm closed with a mesh to obtain a bioreactor. Waste water having a COD concentration of 550 mg / L was passed through the bioreactor at a normal temperature at a rate of 1.0 L / hour. The COD concentration of outlet side purified water immediately after distribution and after 7 days was measured and evaluated according to the following criteria.
Evaluation criteria
○: Less than 100 mg / L
Δ: 100 mg / L or more and less than 500 mg / L
×: 500 mg / L or more
4). Comprehensive evaluation
The above evaluations were combined and evaluated according to the following criteria.
Evaluation criteria
○: Gel strength, durability, and purification performance are excellent.
X: Gel strength, durability, and purification performance do not reach practical levels.
[0040]
Synthesis example 1
Into a flask equipped with a stirrer, thermometer, and dropping funnel reflux condenser, 672 parts by weight of vinyl acetate, 10 parts by weight of diacetone acrylamide, and 178 parts by weight of methanol were charged, and the system was purged with nitrogen. After that, the internal temperature was raised to 60 ° C. A solution prepared by dissolving 1 part by weight of 2,2-azobisisobutyronitrile in 50 parts by weight of methanol was added to this system, and polymerization was started. Over 5 hours after the start of polymerization, a solution prepared by dissolving 55 parts by weight of diacetone acrylamide in 35 parts by weight of methanol was added dropwise at a constant rate, and 6 hours later, m-dinitrobenzene was added as a polymerization inhibitor to conduct polymerization. Stopped. The polymerization yield was 78%. The remaining vinyl acetate was distilled while adding methanol vapor to the resulting reaction mixture to obtain a 50% aqueous methanol solution of a vinyl acetate polymer containing a diacetone acrylamide copolymer component. To 500 parts by weight of this mixture, 50 parts by weight of methanol and 10 parts by weight of a 4% methanol solution of sodium hydroxide were added and mixed well, and a saponification reaction was carried out at 40 ° C. The obtained gel-like material was pulverized, washed thoroughly with methanol and then dried to obtain diacetone acrylamide copolymer-modified PVA. Elemental analysis revealed that the content of diacetone acrylamide units in the resin was 5.0 mol%. This resin had a 4% aqueous solution viscosity at 2O 0 C of 26.8 mPa · s and a saponification degree of 98.4 mol%. This viscosity was measured using a B-type viscometer at a rotation speed of 60 rpm.
[0041]
Synthesis Examples 2-5
Various diacetone acrylamide copolymer-modified polyvinyl alcohols shown in Table 1 were obtained in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the charged composition was changed as shown in Table 1.
[0042]
[Table 1]

[0043]
Example 1
Dissolve 10 g of diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a modification degree of 5.0 mol% obtained in Synthesis Example 1 in 100 g of water, add 1 g of N-aminopolyacrylamide to this, mix well, and mix uniformly. After preparing the liquid, it was poured into a spherical mold having a diameter of 1 cm and allowed to stand at 10 ° C. for 2 hours to gel.
[0044]
Table 2 shows the strength and durability of the gel obtained. The obtained gel exhibited excellent elasticity and flexibility even when pressed with a finger, did not collapse, and was excellent in durability. In this example, since no microorganism (fungus) was added, the purification performance based on the action of the microorganism could not be expected, and thus the evaluation of the purification performance was omitted.
[0045]
[Table 2]

[0046]
Example 2
10 g of diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a modification degree of 1.0 mol% obtained in Synthesis Example 2 is dissolved in 100 g of water, 1 g of N-aminopolyacrylamide is added to this, and the mixture is stirred well and mixed uniformly. After preparing the liquid, it was poured into a spherical mold having a diameter of 1 cm and allowed to stand at 10 ° C. for 2 hours to gel.
[0047]
Table 2 shows the strength and durability of the gel obtained. The obtained gel exhibited excellent elasticity and flexibility even when pressed with a finger, did not collapse, and was excellent in durability. In this example, since no microorganism (fungus) was added, the purification performance based on the action of the microorganism could not be expected, and thus the evaluation of the purification performance was omitted.
[0048]
Example 3
Dissolve 10 g of diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a degree of modification of 8.0 mol% obtained in Synthesis Example 3 in 100 g of water, add 1 g of N-aminopolyacrylamide to this, mix well, and mix uniformly. After preparing the liquid, it was poured into a spherical mold having a diameter of 1 cm and allowed to stand at 10 ° C. for 2 hours to gel.
[0049]
Table 2 shows the strength and durability of the gel obtained. The obtained gel exhibited excellent elasticity and flexibility even when pressed with a finger, did not collapse, and was excellent in durability. In this example, since no microorganism (fungus) was added, the purification performance based on the action of the microorganism could not be expected, and thus the evaluation of the purification performance was omitted.
[0050]
Example 4
Water was added to the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin having a modification degree of 5.0 mol% obtained in Synthesis Example 1 to a concentration of 10% by weight to make a total amount of 400 g, and the PVA was treated at 95 ° C. for 120 minutes. After dissolution, it was allowed to cool to room temperature. To this, 200 g of a 4% by weight sodium alginate aqueous solution was added and mixed well to prepare a PVA mixed aqueous solution. On the other hand, 11.1 g of calcium chloride and 50 g of N-aminopolyacrylamide were dissolved in 1 L of water to prepare an aqueous solution of a polyvalent metal compound and a hydrazine compound.
[0051]
The above PVA-based mixed aqueous solution was fed at 1 mL / min with a roller pump using one vinyl tube with an inner diameter of 2 mmφ attached to the tip with an injection needle with an inner diameter of 1 mm, and stirred with a stirrer. The polyvalent metal compound and the hydrazine compound were dropped from a surface of water at a height of 15 cm. The dropped liquid immediately spheroidized and settled.
[0052]
Furthermore, a spherical PVA-based gel could be obtained by immersing the spheroidized molded article in an aqueous solution of a polyvalent metal compound and a hydrazine compound at 40 ° C. for 1 hour. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. Table 2 shows the results of evaluation on gel strength and durability.
[0053]
As is apparent from Table 2, the strength and durability were good. In this example, since no microorganism (fungus) was added, the purification performance based on the action of the microorganism could not be expected, and thus the evaluation of the purification performance was omitted.
[0054]
Example 5
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 4 except that diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a modification degree of 1.0 mol% in Synthesis Example 2 was used, and gel strength and durability were evaluated. The results are shown in Table 2.
As is apparent from Table 2, the strength and durability were good. In this example, since no microorganism (fungus) was added, the purification performance based on the action of the microorganism could not be expected, and thus the evaluation of the purification performance was omitted.
[0055]
Example 6
Water was added to the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin having a modification degree of 5.0 mol% obtained in Synthesis Example 1 to a concentration of 10% by weight to make a total amount of 400 g, and the PVA was treated at 95 ° C. for 120 minutes. After dissolution, it was allowed to cool to room temperature. To this was added 200 g of a 4% by weight aqueous sodium alginate solution and mixed well. Further, 60 g of activated sludge containing 0.5 g-wet cells / mL of Saccharomyces spp. Was added, stirred well, and mixed with PVA. And adjusted to pH 6.0 with sodium hydroxide.
On the other hand, 11.1 g of calcium chloride and 50 g of N-aminopolyacrylamide were dissolved in 1 L of water, and hydrochloric acid was further added to prepare pH 6.0 polyvalent metal compound and hydrazine compound aqueous solution.
[0056]
The PVA-based mixed aqueous solution was fed at 1 mL / min with a roller pump using one vinyl tube with an inner diameter of 2 mmφ with a 1 mm inner diameter injection needle attached to the tip, and stirred with a stirrer. It was dripped at the height of 15 cm from the water surface to the aqueous solution of a valent metal compound and a hydrazine compound. The dropped liquid immediately spheroidized and settled.
[0057]
Furthermore, a spherical PVA-based gel could be obtained by immersing the spheroidized molding in a compound aqueous solution of a polyvalent metal compound and hydrazine at 40 ° C. for 1 hour. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. Table 3 shows the results of evaluation on gel strength, durability, and purification performance.
[0058]
[Table 3]

[0059]
As is clear from Table 3, the strength, durability and purification performance were all good.
[0060]
Example 7
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6 except that diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a modification degree of 1.0 mol% obtained in Synthesis Example 2 was used. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 2.
As is clear from Table 2, the strength, durability and purification performance were good.
[0061]
Example 8
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6 except that 50 g of adipic acid dihydrazide was used instead of 50 g of N-aminoacrylamide when preparing an aqueous solution of a polyvalent metal compound and a hydrazine compound. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 3.
As is clear from Table 3, the strength, durability and purification performance were good.
[0062]
Example 9
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6 except that the concentration of the aqueous solution of the PVA resin was changed to 5% by weight. This gel was not sticky and had a diameter of 1-2 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 3.
As is clear from Table 3, the strength, durability and purification performance were good.
[0063]
Example 10
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6 except that the amount of N-aminoacrylamide used was 10 g when the aqueous solution of the polyvalent metal compound and the hydrazine compound was prepared. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 3.
As is clear from Table 3, the strength, durability and purification performance were good.
[0064]
Comparative Example 1
10 g of diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a modification degree of 0.05 mol% obtained in Synthesis Example 4 is dissolved in 100 g of water, 1 g of N-aminopolyacrylamide is added thereto, and the mixture is stirred well to be uniformly mixed. After preparing the liquid, it was poured into a spherical mold having a diameter of 1 cm and left at 10 ° C. for 2 hours, but did not gel.
[0065]
Comparative Example 2
Since the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA having a modification degree of 18.0 mol% obtained in Synthesis Example 5 was not dissolved in water, a hydrous gel could not be prepared.
[0066]
Comparative Example 3
Instead of the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin obtained in Synthesis Example 1, unmodified PVA having a saponification degree of 98.5 mol% and a 4% aqueous solution viscosity at 20 ° C of 28.6 mPa · s was used. A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 3.
As apparent from Table 3, the gel strength was weak and the durability was problematic.
[0067]
Comparative Example 4
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6 except that the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin obtained in Synthesis Example 4 was used instead of the diacetone acrylamide copolymer-modified PVA resin obtained in Synthesis Example 1. Was made. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 3.
As apparent from Table 3, the gel strength was weak and the durability was problematic.
[0068]
Comparative Example 5
An attempt was made to produce a spherical gel in the same manner as in Example 6 except that no PVA-based resin was used, but no gel was obtained.
[0069]
Comparative Example 6
A spherical gel was prepared in the same manner as in Example 6 except that N-aminoacrylamide was not used. This gel was not sticky and had a diameter of 3-4 mm. The gel strength, durability and purification performance were evaluated. The results are shown in Table 3.
As apparent from Table 3, the gel strength was weak and the durability was problematic.
[0070]
Comparative Example 7
Except for using unmodified PVA with a saponification degree of 98.5 mol% and a 4% aqueous solution viscosity of 28.6 mPa · s at 20 ° C., water was added to a concentration of 10% by weight to make a total amount of 400 g and 120 ° C. at After treating for minutes and dissolving PVA, it was allowed to cool to room temperature. To this was added 200 g of a 4% by weight sodium alginate aqueous solution and mixed well. Further, 60 g of activated sludge containing 0.5 g-wet clls / mL of Saccharomyces spp. Was added, and the mixture was sufficiently stirred. And adjusted to pH 6.0 with sodium hydroxide. On the other hand, 11.1 g of calcium chloride was added to 1 L of a saturated boric acid aqueous solution and dissolved, and the pH was adjusted with hydrochloric acid to prepare an aqueous solution of boric acid and a polyvalent metal compound having a pH of 6.0.
[0071]
The PVA-based mixed aqueous solution was fed at a rate of 1 mL / min with a roller pump using a 1 mm inner diameter injection needle attached to the tip with a 1 mm inner diameter vinyl tube, and stirred with a stirrer. It was dripped at the height of 15 cm from the water surface to the aqueous solution of a polyvalent metal compound. The dropped liquid immediately spheroidized and settled.
Furthermore, a spherical PVA-based gel could be obtained by immersing the spheroidized molded article in an aqueous solution of boric acid and a polyvalent metal compound at 40 ° C. for 3 hours. The gel diameter was 3-4 mm. Table 3 shows the results of evaluation on gel strength, durability, and purification performance.
As is apparent from Table 3, the gel strength is weak and the durability is also a problem, which is considered to be because gelation of PVA by boric acid does not occur at the optimum pH of the microorganism.
[0072]
Comparative Example 8
A spherical PVA-based gel was prepared in the same manner as in Comparative Example 7, except that the pH of the aqueous solution of the PVA-based mixed solution and boric acid and the polyvalent metal compound was adjusted to 9.0. The gel diameter was 3-4 mm. Table 3 shows the results of evaluation on gel strength, durability, and purification performance.
As is clear from Table 3, the gel strength and durability were slightly inferior, and the purification performance was found to be almost clarified, with a COD concentration of 520 mg / L and almost no organic substances in the wastewater. This is presumably because the degradation activity of the cells decreased due to the change of pH during the production of the PVA gel.
[0073]
Comparative Example 9
Water was added to unmodified PVA having a saponification degree of 98.5 mol% and a 4% aqueous solution viscosity of 28.6 mPa · s at 20 ° C. to a concentration of 10% by weight to make a total amount of 400 g, and treated at 95 ° C. for 120 minutes. Was dissolved and allowed to cool to room temperature. To this was added 200 g of a 4% by weight aqueous sodium alginate solution and mixed well. Further, 60 g of activated sludge containing 0.5 g-wet cells / mL of Saccharomyces cells was added, and the mixture was sufficiently stirred. And adjusted to pH 6.0 with sodium hydroxide. On the other hand, 11.1 g of calcium chloride and 50 g of 25% glutaraldehyde aqueous solution were dissolved in 1 L of water, and an aqueous solution of polyvalent metal compound and glutaraldehyde having a pH of 6.0 was further prepared with hydrochloric acid.
[0074]
The PVA-based mixed aqueous solution was fed at 1 mL / min with a roller pump using one vinyl tube with an inner diameter of 2 mmφ with a 1 mm inner diameter injection needle attached to the tip, and stirred with a stirrer. The solution was dropped into an aqueous solution of a valent metal compound and glutaraldehyde from a height of 15 cm from the water surface. The dropped liquid immediately spheroidized and settled.
Further, a spherical PVA-based gel could be obtained by immersing the spheroidized molded article in an aqueous solution of a polyvalent metal compound and glutaraldehyde at 40 ° C. for 3 hours. The gel diameter was 3-4 mm. Table 3 shows the results of evaluation on gel strength, durability, and purification performance.
[0075]
As apparent from Table 3, the gel strength is weak and the durability is also a problem, which is considered to be because gelation of PVA by glutaraldehyde does not occur at the optimum pH of the microorganism.
[0076]
Comparative Example 10
A spherical PVA-based gel was prepared in the same manner as in Comparative Example 9, except that the pH of the aqueous solution of the PVA-based mixed solution and the aqueous solution of the polyvalent metal compound and glutaraldehyde was adjusted to 3.0. The gel diameter was 3-4 mm. Table 3 shows the results of evaluation of gel strength, durability, and purification performance.
As apparent from Table 3, the gel strength and durability were good, but regarding the purification performance, it was found that the COD concentration was 510 mg / L, and organic substances in waste water were hardly purified. This is presumably because the degradation activity of the cells decreased due to the change in pH during the production of the PVA gel.
[0077]
【The invention's effect】
According to the present invention, an industrially advantageous high strength PVA water-containing gel can be produced, and when the obtained water-containing gel is used as a carrier for immobilizing microorganisms or enzymes, the activity of the microorganisms or enzymes is reduced during the production. The desired activity can be maintained over a long period of time.

Claims

When reacting a water-soluble hydrazine compound with a diacetone acrylamide copolymer-modified polyvinyl alcohol resin containing 0.1 to 15 mol% of diacetone acrylamide units in an aqueous solution, the diacetone acrylamide copolymer-modified polyvinyl alcohol resin aqueous solution is used. A method for producing a water-containing polyvinyl alcohol-based gel, comprising adding a solid hydrazine compound or an aqueous solution of a hydrazine compound, pouring the solution into a mold, and allowing the gel to form in the mold .

Method for producing an enzyme or microorganism immobilized molding, characterized in that allowed to fix an enzyme or microorganism in the polyvinyl alcohol hydrogel according to claim 1, wherein.

A mixed aqueous solution containing a water-soluble polymeric polysaccharide having gelling ability by contact with diacetone acrylamide copolymer-modified polyvinyl alcohol resin and at least one polyvalent metal ion in addition to an enzyme or a microorganism. A method for producing an enzyme- or microorganism-immobilized molded article, which is dripped into an aqueous solution containing hydrazine compound.