JPH01256387A

JPH01256387A - 微生物固定化担体の製造法

Info

Publication number: JPH01256387A
Application number: JP8436688A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Katagai; 信義片貝; Takayuki Senda; 孝之千田; Kazuhiko Obara; 和彦小原; Rie Suzuki; 理恵鈴木
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1988-04-06
Filing date: 1988-04-06
Publication date: 1989-10-12

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、生物学的排水処理方法に用いるための有用な
微生物固定化担体の製造法に関する。

〔従来の技術〕

微生物の固定化方法には、包括形が多く用いられており
、包括形固定化材料としては、天然高分子や合成高分子
からの親水性ゲルがある。担体の耐久性をみると、天然
高分子は十分でないため、合成高分子が有利とされてい
る。これまでの適用例をみるとポリアクリルアミドゲル
、ポリビニルアルコールゲル、ウレタンプレポリマーゲ
ル、光架橋樹脂ゲル、ポリエチレングリコールメタクリ
レートゲルなど多くの担体が挙げられる。

これら親水性ゲルに微生物を固定し、微生物固定化担体
として用いる場合、種々の形状が考えられ、例えば球２
円柱、角柱などの粒子状、フィルム、シートなどの比較
的大きな板状がある。これら担体をリアクタに充填して
排水の処理を行うとき、その反応効率を考慮すると、担
体の形状としては、比表面積（、：ｄ／ａＩ？・ゲル）
の大きいほうが、−殻内に有利であることから、粒子状
担体が好ましい。

親水性合成高分子ゲルを粒状に成形することは、なかな
か難しいが、特開昭５９−１１１８２号公報には光硬化
樹脂の粒状化方法、特開昭６３−２４８８６号公報には
ポリアクリルアミドゲルの粒状化方法が提案されている
。

特開昭５９−１１１．８２号公報に記載の方法は、光硬
化樹脂プレポリマー、光増感剤、アルギン酸ナトリウム
などの天然多糖類、及び酸素を含んだ懸濁水溶液をゲル
化する手段において、光硬化樹脂プレボリマーだけでは
粒子状にゲル化できないため。

金属塩によって容易にゲル化する天然多糖類の助けを借
りている。すなわち、アルギン酸ナトリウムが塩化カル
シウム水溶液にノズルから滴下されるとナトリウムとカ
ルシウムイオンとの置換を生じ容易に球状のゲル体が形
成されるという性質を利用し、前に懸濁水溶液をノズル
から塩化カルシウム水溶液に滴下して、アルギン酸ナト
リウムのゲル化によって球状の１次粒子を形成し、この
球状粒子に活性光線である紫外線を照射して、光増感剤
の励起により、光硬化樹脂プレポリマーを重合させ、２
次粒子を形成する。

特開昭６３−２４８８６号公報に記載の方法は、ポリア
クリルアミドゲルに微生物を固定した粒状担体を得るこ
とにあり、アクリルアミドモノマー、橋かけ剤、レドッ
クス系重合剤、及び微生物を含んだ懸濁水溶液を有機溶
媒中にノズルから液滴状に落下させ、該有機溶媒中でゲ
ル化させるものである。すなわち、前記！！！ｌｌ濁水
溶液を液滴状とするために疎水性の有機溶媒を用いてお
り、その連続的製造として有機溶媒及び液適を移動させ
、ゲル化した時点で粒状ゲルを有機溶媒層から取りだす
ものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記特開昭５９−１１１８２号公報に記載の方法は、光
硬化樹脂プレポリマーを球状でゲル化をせるための特別
な物質すなわち天然多糖類の添加が必要である。

また、該方法は粒状形成と重合が別工程になっており、
工程が複雑である。

前記特開昭６３−２４８８６号公報に記載の方法は、微
生物にとって有害な有機溶媒を用いる必要がある。この
欠点を低減するために有機溶媒の一部または全部に換え
て食用油を使用することが考えられるが、この場合には
、得られた担体粒子表面に油が付着し、これを完全に除
去することは困難である。

このように、微生物固定化担体を粒子状で得るための従
来方法は、粒状化のために特別な材料の添加必要である
こと、微生物固定化担体にとって好ましくない有機溶媒
等が必要であること、工程が複雑であること等の問題点
があった。

そして、本発明は、このような欠点がなく、容易に微生
物を固定した粒状のゲル担体を製造する方法を提供する
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、撥水性基材上で、不活性ガス雰囲気下に、親
水性合成高分子ゲル形成用物質及び微生物を含有する懸
濁水溶液の液滴をゲル化させることを特徴とする微生物
固定化担体の製造法に関する。

上記撥水性基材とは、上記懸濁水溶液が該基材上で液滴
を形成し得る程度に撥水性を有するものであればよく、
材質としては、ポリテトラエチレンテレフタレート、テ
トラエチレンテレフタレートと他のオレフィンの共重合
体、ポリエチレン。

ポリプロピレン、ｐチレンープロピレン共重合体。

シリコン・ゴム等があり、それ自身磨水性を有しないも
のの表面に、シリコーンオイル等を塗布して撥水性を付
与したものでもよい。撥水性基材の形状は、任意であり
、フィルム、シート等の平坦な板状、波状の板、角形、
丸形等の溝を有する板、半球状の凹部を有する板等を使
用することができる。

平坦な板状で前記懸濁水溶液の液適は底面が平坦で上面
が半球状の形状をとり、この形状の微生物固定化担体を
得ることができる。

また、波状の板を用いるときは、液滴の底面も弧をもっ
た形状とすることができ、溝や凹部を有する板を用いた
場合、少なくとも底面を溝や凹部の形状に強制すること
ができる。

さらに、撥水性基材をエンドレスシートとし、この上で
、懸濁水溶液の液滴の形成とゲル化を連続して行なうこ
ともできる。

前記親水性合成高分子形成用物質は、少なくとも、重合
性化合物及び該化合物の重合を開始させるための重合剤
を含む。

該重合性化合物としては、重合の結果、親水性のゲルを
形成するものであればよく、単官能性モノマー、多官能
性七ツマ−２不飽和プレポリマーなどがある。単官能性
モノマーとしては、アクリルアミド、メタクリルアミド
、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシエチル
アクリレート。

ヒドロキシプロピルメタクリレート、ポリエチレングリ
コールモノメタクリレート、メトキシポリエチレングリ
コールメタクリレート、メトキシポリエチレングリコー
ルアクリレート、グリセロールモノメタクリレート等が
あり、多官能性上ツマ−としては、エチレングリコール
ジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート
、ブタンジオールジメタクリレート、ブタンジオールジ
アクリレート、グリセロールジメタクリレート、Ｎ。

Ｎ′−メチレンビスアクリルアミド、Ｎ、Ｎ’　−ジア
リル−Ｌ−酒石酸ジアミド、トリアクリルホルマール等
があり、不飽和プレポリマーには、ポリエチレングリコ
ールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジアク
リレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート
、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、ポリビ
ニールアルコールのアクリル酸またはメタクリル酸の多
価エステル、キシリレンジイソシアネート、ポリエチレ
ングリコール及び２−ヒドロキシエチルメタクリレート
をウレダン化反応させて得られるものなどがある。これ
らは、水溶性のものが好ましい。

以上のような不飽和基を有する水溶性モノマーあるいは
プレポリマーにおいて、単官能性モノマーはそれのみを
高分子化しても三次元釣橋かけがないため、ゲルは形状
保持性に乏しい。そのため単官能性モノマーは多官能性
モノマーと共に使用される。多官能性モノマー、プレポ
リマーはそれら単体のみで、あるいは数種混合して使用
される。

重合剤としては、重合開始剤と重合促進剤からなるレド
ックス系重合剤、光重合を開始させるための光増感剤等
がある。レドックス系重合剤としては、過硫酸カリウム
−ジメチルアミノプロピオニトリル、過硫酸カリウム−
亜硫酸水素ナトリウム、過硫酸アンモニウム−亜硫酸水
素ナトリウム。

過硫酸アンモニウム−チオ硫酸ソーダ、過酸化水素−塩
化第１鉄、過酸化水素−アスコルビン酸。

過硫酸カリウム−ヒドラジン等の組合せのものがある。

光増感剤としては一般的なもの、例えばベンゾインエチ
ルエーテル、ベンゾインブチルエーテル。

ベンゾイルプロプルエーテル等があり、長波長のエネル
ギーレベルの低い領域２５０〜５００ｎｍ付近の波長に
感度のあるものが好ましい。この範囲の紫外線では、活
性汚泥に出現する微生物に対しての影響はみられない。

前記微生物としては、細菌類（Ｂａｃｔｅｒｉａ）　、
菌類（Ｆｕｎｇｉ）　＋原生動物［Ｐｒｏｔｏｚｏａ、
後生動物（Ｍｅｔａｚｏａ）を含む］、藍藻等これらの
混合体からなる活性汚泥、などがあり、好気性菌でも嫌
気性菌でもよい。

以上の親水性合成高分子ゲル形成用物質及び微生物は水
に溶解または懸濁水溶液とされるが、この懸濁水溶液に
は、コロイダルシリカ及びそのゲル化剤またはこれらか
ら得られる沈澱ゲルを含有させてもよい。

親水性合成高分子ゲルを形成させる場合、懸濁水溶性中
の重合性化合物の濃度が低すぎるとゲルの機械的強度が
低くなり、逆に濃度が高すぎるとゲルはマトリックスが
密になるため、物質透過性で低下しやすくなる。このた
めに、重合性化合物の濃度はゲルの機械的強度と物質透
過性を調整するように決定する必要があるが、該ゲル中
に、沈澱ゲルを存在させることにより、この調整を容易
にすることができる。

コロイダルシリカは二酸化ケイ素をアルカリ水溶液に分
散させてなるものであり、沈澱ゲルとはこのコロイダル
シリカをゲル化したもので水を包含している。この沈澱
ゲルの存在下またはこの沈澱ゲルの生成と同時に親水性
合成高分子ゲルを形成することにより、沈澱ゲルと親水
性合成高分子ゲルの複合体ゲルとすることができる。

コロイダルシリカのゲル化剤としては、塩化ナトリウム
、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化アルミニウム等
の金属塩が好ましく使用される。

固定化する微生物が、好気性菌の場合は、当然ながら酸
素が必要であるため、ゲル化による固定時間を余り長く
取れない。

−殻内には１０分程度以内で好気的環境に戻すことが初
期活性を高める方法といえる。この点に関して見ると塩
酸や酢酸などの酸添加では、ゲル化に数時間を要するた
め、適正なゲル化剤とはいえない。嫌気性菌の場合はそ
の点に関しては余り問題とならないが、初期活性を高め
るためには、速やかに固定して適当な培養液へ移すこと
が望ましい。金属塩の添加によるゲル化は速やかに生じ
、ゲル化時間は１価、２価、３価の順に速くなるため、
目的によって使い分けることが出来る。従って微生物の
固定化にはゲル化剤として酸を使用してもよいが、金属
塩の使用が特に望ましい。

次に、前記懸濁水溶液の組成割合について説明する。

重合性化合物として単官能性七ツマ−を使用する場合、
これは前記懸濁水溶液に対して一般的には５〜３０重量
％用いられ、この場合、橋かけ剤として用いる多官能性
モノマーは一般的に０．５〜５重量％使用される。これ
らはともに少なすぎるとゲル強度が小さくなる傾向があ
り、担体としての形状保持が難しい。またこれらは、多
すぎるとゲル強度は大きくなるが、ゲル内の物質透過性
が低くなるため、反応効率（処理）が低下する傾向があ
る。単官能性モノマーを使用しない場合、多官能性モノ
マーは前記懸濁水溶液に対して一般的に５〜３０重量％
用いられ、前記同様にこれが少なすぎるとゲル強度が弱
くなる傾向があり、多すぎると物質透過性が低下する傾
向がある。不飽和プレポリマーも多くの場合、多官能性
モノマーと同様の組成割合で用いられる。

重合剤は、モノマーの種類、ゲル化開始時間等を考慮し
て適宜決定される。

重合剤としてレドックス系重合剤を使用する場合は、例
えば、ジメチルアミノプロピオニトリル（重合促進剤）
および過硫酸カリウム（重合開始剤）は、それぞれ、懸
濁水溶液に対して、０．２〜０．８重量％および０．１
〜０．４　重量％使用されるのが好ましい。

重合剤として光増感剤を使用する場合は、光増感剤はゲ
ル化時間を考慮して添加されるが、通常ａ濁水溶液に対
して０．０５〜０．５重量％で添加すればよく、好まし
くは０．１〜０．３重量％使用される。

微生物は適宜の量で使用されるが、懸濁水溶液に対して
０．５〜３重量％（活性汚泥の場合はＭＬＳＳで表わす
）使用れるのが好ましい。

コロイダルシリカは、二酸化ケイ素分で懸濁水溶液に対
して、好ましくは０〜２０重量％、特に好ましくは１〜
１５重量％使用される。

コロイダルシリカのゲル化剤の使用量は二酸化ケイ素の
濃度によって適宜決定されるが、ゲル化剤として金属塩
を使用する場合は、コロイダルシリカの二酸化ケイ素分
と金属塩の金属分との合計量に対して、金属塩の金属分
が、１価の金属塩の場合は、５〜４０重量％、２価の金
属塩の場合は。

０．３〜６重量％及び３価の金属塩の場合は、０゜１・
〜３重量％になるように使用されるのが好ましい。

さらに、ｐＨ調整剤及び／又は水が懸濁水溶液が１００
重量％になるように必要に応じて使用される。

コロイダルシリカを使用するときは、次の順序で前記材
料を配合するのが最も好ましい。すなわち、コロイダル
シリカと重合性化合物を混合した水溶液にｐＨ調整剤を
必要に応じて加え、微生物の懸濁液を加えてよく混ぜ、
更に重合剤を加え、この後コロイダルシリカのゲル化剤
を加えてよく撹拌する。このようにして得られた懸濁水
溶液は、ただちに、次の工程に供されるのが好ましい。

懸濁水溶液は、注射針、細管等のノズルから磨水性基材
に滴下される。ノズルの口径は、目的とする微生物固定
化担体の大きさによって適宜決定すればよいが、最大直
径が３〜５ｍの微生物固定化担体を得るためにはノズル
の口径は１　ｎｕｎ程度が好ましい。

撥水性基材上の懸濁水溶液の液滴は、重合剤としてレド
ックス系重合剤を用いたときは、常温で速やかに重合し
、重合剤として光増感剤を用いた場合は活性光線の照射
によって重合を開始する。

この場合、大気下ではラジカル重合が進行しにくく、特
に液滴などの小さい形状の場合、単位容積当りの空気露
出面積が大きくなるため、全く重合が進まずゲル体にな
らない齢、もしくはゲル化しても液滴の中心部のみであ
ったりして所望のゲルが得られない。またそのような場
合は、材料としての歩留りが低下する。従って、本発明
において、上記液滴のゲル化は、不活性ガス雰囲気下で
行なわれる。特に、懸濁水溶液の撥水性基材上での液滴
形成から重合完了までを不活性ガス雰囲気下に行なうの
が好ましい。

不活性ガスとしては窒素ガス、ヘリウムガス。

アルゴンガス等が使用される。

なお、重合剤としてレドックス系重合剤を用いる場合は
、重合開始剤と重合促進剤を混合するとただちに重合が
開始するため、！懸濁水溶液の液滴の形成は速やかに行
なうべきであり、このためには、懸濁水溶液中への重合
開始剤または重合促進剤のいずれかの添加を液滴形成の
直前または同時、例えば、撥水性基材への懸濁水溶液の
滴下直前または滴下と同時に行なうのが好ましい。

〔実施例〕

実施例１ポリアクリルアミドゲルに活性汚泥を固定した粒状担体
をレドックス系重合で作製した。

アクリルアミドモノマー及びＮ、Ｎ−メチレンビスアク
リルアミドを溶解させてなる水溶液に活性汚泥懸濁液を
加えてよく混合した。これに重合促進剤のジメチルアミ
ノプロピオニトリル（以下、ＤＭＡＰＮと略す５重量％
水溶液）を添加した。

さらに重合開始剤のに２Ｓ２０１１（２，５重量％水溶
液）加えて混合して懸濁水溶液を得た。ただし、得られ
た懸濁水溶液に対してアクリルアミドモノマー１８重量
％、Ｎ、Ｎ’　−メチレンビスアクリルアミド１重量％
、活性汚泥２重量％（ＭＬＳＳ換算）、ＤＭＡＰＮｏ、
４重量％及びに２Ｓ２０ＩｌＯ，２重量％になるように
使用した。一方、撥水性材料にはテフロンシート（厚さ
０．１ｍｍ）を用い、これを窒素ガスを送入及び排気で
きるようにした開閉式のスチレン製透明容器５２５ａＩ
？（７ａｎＸ１５　ａｎ　Ｘ　５■（高さ））の底面に
たいらに置いた。

このテフロンシート上へ、前記懸濁水溶液の作製直後に
、該懸濁水溶液をノズル口径１ｍｎを持つガラス製スポ
イトを使用して、速やかに液滴が互いに接触しないよう
にスポット状に滴下した。その後、速やかにふたをしめ
、窒素ガスを２ｆｌ／ｍｉｎの流量を連続に送入した。

この状態で５分間放置した後、容器からテフロンシート
を取りだしてゲル状態を観整した結果、ゲル内部まで十
分に硬化していた。

このようにして、底面をたいらとした直径５．５ｍ、高
さ１．５ｍの粒状の微生物固定化担体を得た。

実施例２ポリアクリルアミドゲルに損性汚泥を固定した粒状担体
を光硬化反応による重合で作製した。

ゲル組成ではアクリルアミドモノマー及び、Ｎ−Ｎ’　
メチレンビスアクリルアミドを溶解させてなるに水溶液
に活性汚泥懸濁液を加えてよく混合した。これに光増感
剤としてベンゾインエチルエーテル（６，６重量％エタ
ノール溶液）を混合して懸濁水溶液を作成した。ただし
、得られた懸濁水溶液に対してアクリルアミドモノマー
１８重量％。

Ｎ、Ｎ’　−メチレンビスアクリルアミド１重量％。

活性汚泥２重量％（ＭＬＳＳ換算）及びベンゾインエチ
ルエーテル０．２　重量％になるように使用した。一方
、撥水性材料と窒素ガス送入容器は実施例１と同様にし
た。

波長３６６ｎｍ、出力５Ｗの紫外線照射ランプをスチレ
ン製容器のふたより上側５ｃｍの位置より照射できるよ
うに取りつける。このテフロンシート上へ、前記調合の
＋Ｍ濁水溶液をノズル口径１ｍうを持つガラス製スポイトを使用し、液滴が互いに接触し
ないようにスポット状に滴下した。その後容器ふたをし
め、窒素ガスを２Ｑ／ｗｉｎの流量で送入した。また紫
外線照射を同時に開始した。

この状態で５分間放置した後、容器からテフロンシート
を取りだしてゲル状態をｌｌＩ察した結果、ゲル内部ま
で十分に硬化していた。このようにして底面をたいらと
した直径５　、２　ｍ　、高さ１　、５　ｎｒｎの粒状
の微生物固定化担体を得た。

実施例３ポリエチレングリコールジメタクリレートゲルに活性汚
泥を固定した粒状担体をレドックス系重合で作製した。

実施例１において、アクリルアミドモノマー及びＮ、Ｎ
’　−メチレンビスアクリルアミドの代わりにポリエチ
レングリコールジメタクリレート（２３Ｇ、新中村化学
工業（株）商品名）を懸濁水溶液に対して１０重量％に
なるようにしたこと以外は実施例１に準じて行なった。

その結果、得られた微生物固定化担体は、内部まで十分
に硬化しており、底面をたいらとした直径５．０　ｍｍ
、高さ１．５　ｎ＋ｍの粒状物であった。また、ノズル
として、注射針（口径０．６５ｎｍ）を用いた場合、形
状は底面かたいらで、直径３　、５　ｎｒｎ　、高さ１
ｍであった。

実施例４ポリエチレングリコールジメタクリレートゲルに活性汚
泥を固定した粒状担体を光重合で作製した。

実施例２において、アクリルアミドモノマー及びＮ、Ｎ
’　−メチレンビスアクリルアミドの代わりにポリエチ
レングリコールジメタクリレート（２３Ｇ、新中村化学
工業（株）商品名）を懸濁水溶液に対して１０重量％に
なるようにしたこと以外は実施例２に準じて行なった。

この結果得られた微生物固定化担体は、内部まで十分に
硬化しており、実施例３で得られたものと同様の形状で
あった。

実施例５ポリエチレングリコールジメタクリレート及びコロイダ
ルシリカを使用して複合体ゲルに活性汚泥を固定した粒
状担体をレドックス系重合で作製した。

ポリエチレングリコールジメタクリレート（２３Ｇ）、
及びコロイダルシリカ（スノーテックス４日、二酸化ケ
イ素４０重量％２日産化学工業（株）商品名）を溶解さ
せてなる水溶液に活性汚泥懸濁液を加えてよく混合した
。

これに塩化カルシウム（１０重量％水溶液）を加えよく
混合し、次に重合促進剤のＤ　Ｍ　Ａ　Ｐ　Ｎ（５重量
％水溶液）を添加して混合した。さらに重合開始剤のに
２Ｓ２０．（２，５重量％水溶液）を加えて混合して懸
濁水溶液を得た。

ただし、得られた懸濁水溶液に対してポリエチレングリ
コールジメタクリレートは１０重量％。

コロイダルシリカは二酸化ケイ素分として８重量％、活
性汚泥は２重量％（ＭＬＳＳ換算）、塩化カルシウム０
．８　重量％（ただし、Ｓ　ｉ　Ｏ２とＣａの合計量に
対するＣａの割合）ＤＭＡＰＮは０．４重量％、及びに
２Ｓ２０８は０．２重量％になるように使用した。

これ以外のゲル化条件は、全て実施例１に準じて行なっ
た。その結果、得られた微生物固定化担体は内部まで十
分に硬化しており、底面をたいらとした直径４　、２　
ｍｍ　、高さ１．８ｍの粒状物であった。

実施例６ポリエチレングリコールジメタクリレート及びコロイダ
ルシリカを使用して複合体ゲルに活性汚泥を固定した粒
状担体を光硬化反応による重合で作製した。

ポリエチレングリコ−ジメタクリレート（２３Ｇ）及び
コロイダルシリカ（スノーテックス４０）を溶解させて
なる水溶液に活性汚泥１ｔｌｆｆｉ濁液を加えてよく混
合した。これに光増感剤としてベンゾインエチルエーテ
ル（６，６重量％エタノール溶液）を加えて混合し、さ
らに塩化カルシウム（１０重量％水溶液）を加え混合し
て懸濁水溶液を作製した。

コロイダルシリカは二酸化ケイ素として８重量％。

活性汚泥は２重量％（ＭＬＳＳ換算）、ベンゾインエチ
ルエーテルは０．２重量％及び塩化カルシウムは０．８
重量％（ただし５ｉＯｚとＣａの合計量に対するＣａの
割合）になるように使用した。

これ以外のゲル化条件は、全て実施例２に準じて行なっ
た。その結果、得られた微生物固定化担体は内部まで十
分に硬化しており、底面をたいらとした直径４　、２　
ｎｕ　、高さ１．８ｍの粒状物であった。

〔発明の効果〕

Claims

【特許請求の範囲】

１、撥水性基材上で、不活性ガス雰囲気下に、親水性合
成高分子ゲル形成用物質及び微生物を含有する懸濁水溶
液の液滴をゲル化させることを特徴とする微生物固定化
担体の製造法。