JPH01128787A - 微生物菌体の固定化担体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、微生物菌体の固定化方法、さらに詳細には微
生物菌体を含水ゲル材料で包括固定する方法に関するも
のであり、高い微生物活性を持つと共に高強度な微生物
菌体の固定化担体（以下、単に微生物固定化担体という
）を提供するものである。

〔従来の技術〕

各種の微生物を固定化した微生物固定化担体　　−は、
産業上広く利用されている。例えば、医薬品工業、食品
工業、化学工業ではその製造工程に微生物固定化担体を
用いたプロセスが実用化されており、さらに排水処理等
の分野へもその利用が試みられている。

微生物菌体を固定化する方法としては、従来よりポリア
クリルアミドあるいはアルギン酸塩を用いる方法などが
多数提案されている（例えば、子細「固定化酵素」東京
化学同人）。これらの中でも、ポリビニルアルコール（
以下、ＰＶ　、Ａと略称する）は安価でかつ生体に無害
であり、しかも製作条件を適当に選ぶことにより高強度
の微生物固定化担体が得られるという利点のため、ＰＶ
Ａを固定化材料として用いる方法が種々提案されている
。例えば、特開昭５７−１４１２９１号公報に示されて
いるようにＰＶＡ水溶液と微生物菌体との混合物を凍結
した後、真空乾燥する方法、あるいは特開昭６ｌ−１９
３８５号公報に記載されているように凍結と解凍とを組
み合わせた方法、また特開昭６１−１００１９３号公報
に記載されているようにＰＶＡ水溶液と微生物菌体との
混合物を飽和ホウ酸水溶液と接触させてゲル化する方法
がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した従来の方法は、いずれも、強度の高い微生物固
定化担体を得るには長時間に及ぶ工程が必要になるとい
う欠点がある。このような欠点を改善する方法として、
本発明者は先に、ＰＶＡ水溶液と微生物菌体との混合物
を硫酸塩水溶液と接触せしめて固化する方法を開発し、
既に特許出願している（特願昭６２−１５７８１０号）
。

しかしながら、ＰＶＡを用いる微生物菌体の固定化方法
に共通する欠点として、担体中への基質の透過量が少な
いこと、並びに担体表面への微生物の付着性が小さく、
担体内部で増殖した微生物が担体から遊離し易いことが
挙げられる。これは、ＰＶＡゲルが一般の含水ゲル、例
えばポリアクリルアミドあるいはアルギン酸塩ゲルに比
べてポリマー濃度が高く、かつ緻密に゛配列しているた
めと考えられる。

このため、ＰＶＡゲルの高強度という特長を持ちながら
、基質透過性と微生物の付着性を併せ持つ微生物固定化
担体が望まれている。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明によれ
ば、上記のような問題を解決するため、微生物菌体をＰ
ＶＡとアルギン酸ナトリウムとの混合水溶液と混合し、
その混合物を硫酸塩水溶液と二価以上の金属塩を含む水
溶液とに接触せしめて固化することを特徴とする微生物
固定化担体の製造方法が提供される。

このような方法によって、微生物菌体をＰＶＡとアルギ
ン酸の多価金属塩との混合ゲル−中に包括固定化して成
り、ＰＶＡ本来の強度を持ちながら、その基質透過性と
微生物付着性が改善され、処理活性に優れた微生物固定
化担体が得られる。

このように、本発明の方法は、微生物菌体をＰＶＡとア
ルギン酸ナトリウムとの混合水溶液、　に混合した混合
物を、硫酸塩水溶液と二価以上の金属塩を含む水溶液と
に接触させることにより、ＰＶＡ及びアルギン酸ナトリ
ウムを硫酸塩及び二価以上の金属塩によりそれぞれゲル
化し、その混合ゲル内に微生物菌体を固定するものであ
る。

ＰＶＡが硫酸塩により固化する機構は必ずしも明確とは
言えないが、タンパクなどの水溶性高分子でよく見られ
る塩による析出効果に類似の機構と考えられる。すなわ
ち、水に溶解しているＰＶＡが、硫酸塩溶液と接するこ
とにより析出し、すなわち見方を変えれば脱水され、そ
の結果として不溶化すると共に、不溶化の過程で含水Ｐ
ＶＡゲルの水分が上記硫酸塩水溶液中に抽出され、一部
結晶化するものと考えられる。

その結果、強度及び耐水性共に大きくなる。また、アル
ギン酸ナトリウムが二価以上の金属塩、例えば塩化カル
シウムで固化する機構は、２分子のアルギン酸ナトリウ
ムのナトリウムが１分子のカルシウムで置換されること
による架橋化反応と考えられる。このように、ＰＶＡと
アルギン酸ナトリウムの混合物がそれぞれ固化すること
により、ＰｖＡとアルギン酸カルシウムの混合ゲルが形
成され、このゲルは、ＰＶＡゲルの持つ高強度と、アル
ギン酸塩ゲルの持つ基質透過性とを兼ね備えた実用性の
高い微生物固定化担体といえる。

この微生物固定化担体を適当濃度の上記金属イオン（カ
ルシウムイオン）の存在下で用いる場合、アルギン酸塩
（アルギン酸カルシウム）とＰＶＡの混合ゲルのまま安
定し、長期間の使用に耐える。このとき、担体内の微生
物の基質の移動は、主にアルギン酸塩（アルギン酸カル
シウム）相を経てアルギン酸塩ゲル内あるいはＰＶＡゲ
ル内の微生物に供給されると推定される。増殖した微、
生物は、ＰＶＡ表面よりも付着し易いアルギン酸塩（ア
ルギン酸カルシウム）表面によく付着し、その付着量は
ＰＶＡ単独の場合に比べてかなり多くなることが期待で
きる。

一方、本発明の微生物固定化担体を上記金属イオン（カ
ルシウムイオン）が存在しない状態で使用すると、アル
ギン酸塩（アルギン酸カルシウム）は表面から徐々に溶
解するが、この場合も本発明の効果が得られる。すなわ
ち、アルギン酸塩（アルギン酸カルシウム）が溶解した
後には、この担体はＰＶＡゲルの多孔質担体となり、そ
の表面積はアルギン酸ナトリウムを混合しないＰＶＡ単
体のゲルの場合に比べて大きくなり、ＰＶＡ多孔質担体
内への基質の透過量は増大することが期待できる。また
、その多孔性のため、ＰＶＡゲル内部で増殖した微生物
はその孔内に捕捉され、保持される効果もある。

、本発明で用いられる微生物菌体には特に制限は無く、
細菌、菌類、藻類、原生動物等、その使用目的に応じて
各種の微生物及びそれらの混合物が使用できる。また、
活性汚泥微生物のような好気的条件を好む微生物や、メ
タン醗酵菌などのような嫌気的条件を好む微生物に対し
ても本発明の方法を適用できる。

また、ＰＶＡにも特に限定はないが、水への溶解工程、
硬化工程を早く確実にし、かつ高強度の微生物固定化担
体を得るためには、ケン化度が８０％以上、重合度が５
００以上のものが好ましい。ＰＶＡの濃度としては、一
般に重合度の低いものは濃度を高く、逆に重合度の高い
ものはその濃度を低くすることにより、ＰＶＡ水溶液の
取扱い及び固化後の強度を最適化できる。その濃度範囲
は１〜３０％が適当である。

従来技術の項で述べたＰＶＡ−ホウ酸性に比べて、本発
明の方法は、ＰＶＡａ度を低くとれることも特長の一つ
であり、取扱い特に工業的な生産に有利である。

アルギン酸ナトリウムの濃度には特に制限はないが、担
体内部への基質透過性を良くする目的から０．５〜５％
が適切である。０．５％より希薄な溶液で、は、ゲル化
が難しくなる。一方、５％より濃厚な場合は、ゲル化に
は問題はないが、基質の透過性が悪くなり、本発明の効
果が薄くなるので好ましくない。

ＰＶＡとアルギン酸ナトリウムの混合水溶液に対する微
生物菌体の混合量には特に制限はないが、微生物菌体の
含水量、及びＰＶＡとアルギン酸ナトリウムの濃度によ
り調整することが望ましい。菌体量が多過ぎると、固化
が遅れると共に、固化後に菌体が脱落し易くなる。一方
、菌体量が少ない場合は、微生物固定化担体としての処
理活性が低下する。しかし、いずれの場合も、本発明の
効果は損なわれない。

これらＰＶＡとアルギン酸ナトリウム及び微生物菌体の
混合物に、他の有機物及び／又は無機物を添加して本発
明の方法を適用することもできる。例えば、得られる担
体の比重調整の為に、鉱物あるいは気泡等を入れること
ができ、る。

また、微生物の栄養素となるデンプンその他の糖類、ア
ミノ酸等を添加することもできる。また、微生物によっ
ては、混合の為の媒体として水の代りに適当な緩衝液を
用いることもできる。

本発明の方法においては、上記ＰＶＡとアルギン酸ナト
リウムをゲル化するための液として、硫酸ナトリウム、
硫酸アンモニウムに例示される硫酸塩水溶液と、塩化カ
ルシウム、塩化マグネシウム、塩化亜鉛、臭化カルシウ
ム等の二価以上の金属塩を含有する水溶液が用いられる
。

硫酸塩水溶液はＰＶＡの固化を促進する目的で用いるも
のであり、１５％以上の濃度が好ましく、特に固化の効
率（時間短縮）を図るためには３０％以上程度（飽和水
溶液まで）の濃厚溶液が望ましい。一方、二価以上の金
属塩水溶液は、アルギン酸ナトリウムをアルギン酸の二
価以上の金属塩（例えばアルギン酸カルシウム）に変え
てゲル化させることを目的として使用するものであり、
その濃度は０．５％以上が好ましい（上限は飽和濃度）
。上記硫酸塩水溶液としては、単一の硫酸塩水溶液だけ
でなく、例えば硫酸ナトリウムと硫酸アンモニウムを混
合して用いてもよく、あるいは他の塩類を添加してもよ
い。二価以上の金属塩水溶液の場合も、２種以上を混合
して用いてもよい。

本発明の方法の工程例を第１図に示す。まず、ＰＶＡと
アルギン酸ナトリウムを水に混合溶解した後、これに微
生物菌体を混合する。得られた混合物を、そのまま滴下
するかあるいは適当に成形しながら、上記硫酸塩水溶液
と二価以上の金属塩水溶液に接触させて固化する。これ
らの溶液による固化工程は、両者別々に行なってもよく
、また硫酸塩と二価以上の金属塩を含む混合液で同時に
行なってもよい。別々に行なう場合は、硫酸塩での処理
と二価以上の金属塩による処理のどちらを先に行なって
もよいが、−般に二価以上の金属塩による処理を先に行
なう方が、本発明の効果をよく得られる場合が多い。

また、微生物菌体をＰＶＡとアルギン酸ナトリウムとの
混合水溶液に混合した混合物を、上記硫酸塩水溶液及び
二価以上の金属塩水溶液に接触させる方法としては、上
記混合物を所望の断面を有するノズルを通して上記水溶
液中に糸状に押し出す方法、シート状に押し出す方法、
あるいは上記混合物を上記水溶液中に滴下又は吹き付け
て粒状にする方法等、種々の方法を採用することができ
る。本発明による上記固化処理は、従来の各種方法に比
べて極めて短時間に行なえることも大きな利点である。

〔実　施　例〕

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明する
が、本発明が下記実施例に限定されるものでないことは
もとよりである。

実施例ｌ ＰＶＡ１５ｇとアルギン酸ナトリウム１ｇを水１００ｍ
ｇに加熱下で混合、溶解し、冷却後、遠心分離（３００
０ｒｐｍ、１０分）により濃縮した活性汚泥微生物１０
ｇを混合し、混合物（Ａ）を得た。

この混合物（Ａ）を、硫酸アンモニウム６０ｇと塩化カ
ルシウム１ｇを水１００ｍΩに溶解した固化液中に滴下
することにより、直径が約２　ｍｍの微生物置、定化担
体を得た。

この微生物固定化担体１０ｇを、第２図に示す反応器に
入れ、酵母エキスと肉エキスを主成分とする培養液（Ｔ
ＯＣ−１２０ｐＩ）ＩＩＩ）を連続的に供給しく１００
ｍ１／ｈｒの供給量）、１週間後の処理水のＴＯＣ（全
有機炭素）をｌｐ１定したところ、１８１）Ｉ）ＩＩで
あった。

なお、第２図に示す反応装置は、微生物固定化担体１を
配置した反応器２の下部に、培養液タンク３からポンプ
４により培養液を供給し、また空気ポンプ５により反応
器２の下部に配設された散気板６を介して空気を供給し
て曝気し、処理水は処理水出ロアから系外へ排出される
ように構成されている。なお、符号８は気泡を示す。

実施例２ 上記実施例１と同様に混合した混合物（Ａ）を１％塩化
カルシウム水溶液中に滴下してゲル化した後、そのゲル
（直径約２ｍｍ）を４０％硫酸アンモニウム中に入れて
２時間放置し、微生物固定化担体を得た。

この微生物固定化担体を実施例１と同様に培養し、処理
水のＴＯＣをＡ１１ｌ定したところ、そのＴＯＣは２０
　ｐｐｍであった。

比較例１ アルギン酸ナトリウムを加えない以外は実施例１と同様
の混合物（水１００ｍｇにＰＶＡｌ５ｇを混合、溶解し
た水溶液に濃縮活性汚泥微生物１０ｇを混合）を用い、
６０％硫酸アンモニウム中に滴下してゲル化し、微生物
固定化担体を得た。得られた微生物固定化担体を用いて
実施例１と同様の試験をし、処理水のＴＯＣを測定した
ところ、３２　ｐｐｍであった。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の微生物固定化担体の製造方法に
よれば、微生物菌体をＰＶＡとアルギン酸ナトリウムと
の混合水溶液と混合し、該混合物を硫酸塩水溶液と二価
以上の金属塩を含む水溶液とに接触せしめて固化するも
のであるため、従来のホウ酸性に比べて短時間に生産性
よく微生物固定化担体を得ることができる。

また、得られる微生物固定化担体は、微生物菌体をＰＶ
Ａとアルギン酸多価金属塩との混合ゲル中に包括固定化
して成るものであるため、強度が高く、しかもその基質
透過性と微生物付着性も改善され、微生物活性を高く保
持しているという大きな利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微生物固定化担体の製造方法の工程例
を示すフローシート、第２図は実施例で用いた処理能力
評価装置の概略構成図である。 １は微生物固定化担体、２は反応器、３は培養液タンク
、６は散気板、７は処理水出口、８は気泡。 出願人　　株式会社　小　松　製　作　所代理人　　弁
理士　　米　原　正　章

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）微生物菌体をポリビニルアルコールとアルギン酸
   の多価金属塩との混合ゲル中に包括固定化して成る微生
   物菌体の固定化担体。
2. （２）微生物菌体をポリビニルアルコールとアルギン酸
   ナトリウムとを含む水溶液と混合し、その混合物を硫酸
   塩を１５％以上含む水溶液及び二価以上の金属塩を０．
   ５％以上含む水溶液と接触せしめて固化することを特徴
   とする微生物菌体の固定化担体の製造方法。