JPH04135481A - バイオリアクターの生体触媒担持材と、生体触媒固定済担持材、及び生体触媒による処理方法 - 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〉 この発明は、微生物菌体、酵素、動・植物細胞などの生
体触媒の生化学的反応を利用して有用物質の生産、回収
、環境汚染物質の分解などを行なうバイオリアクターの
生体触媒を担持するための担持材と、生体触媒固定担持
材、及びこの担持材に固着して担持した生体触媒による
処理方法に関する。

〈従来の技術） 被処理水が供給される処理槽の液中に生体触媒として嫌
気性菌を担持した担持材を浸漬し、被処理水に含まれて
いる有機物を分解して除去する処理方法は従来から公知
である。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述した嫌気性処理法を実行するには、処理槽を作って
槽内に嫌気性菌を含む液を入れ、その液中に担持材を浸
漬し、担持材に嫌気性菌が付着し、増殖して所要の処理
性能で運転が行なえるようになるまで待ち、それから運
転を開始しなければならない。

担持材には従来、種々な材料製のものが使用されている
が、処理槽の液中に浸漬後、運転を開始するまでには数
ケ月の期間を要し、又、嫌気性菌を充分に馴養するには
、その間、空（がら）運転を継続して行なう必要があり
、単に立ち上がり時間の空費だけにとどまらず、空運転
するためのエネルギーをも必要とする無駄があった。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は上述した問題点を解消することを目的に開発さ
れたのであって、バイオリアクターの生体触媒担持材は
、吸水性材料を含有し、マイクロフィルター効果を有す
ることを特徴とする。この場合、吸水性材料は膨潤度が
２倍以上で、飽和するまでの吸水速度は数秒から数分で
あること、又、吸水材料は繊維からなることが好ましい
。

又、生体触媒担持材は吸水性材料と非吸水性材料との二
層構造からなることが好ましい。更に、吸水性材料の表
面は凹凸を有することが好ましい。

更に、生体触媒固定担持材は、生体触媒槽の液中に、膨
潤度が２倍以上の吸水性材料を含有し、マイクロフィル
ター効果を有する担持材を浸漬し、液を該担持材に吸収
することにより液中の生体触媒を担持材の表面に固着し
た後、該担持材の表面に固着した生体触媒を固定化材料
により包括、固定したことを特徴とする。

生体触媒による処理方法の別法としては、上記生体触媒
を包括固定した担持材を被処理水が供給される処理槽の
液中に浸漬し、運転することが好ましい。

〈実　施　例〉 本発明の担持材が有するマイクロフィルター効果とは、
吸水性材料の高速吸水性能によって生じる材料表面の法
線方向の局所水流速に基ずく濾過効果のことであり、又
、膨潤度とは吸水材料の自重に対する吸水量の割合を示
す。

つまり膨潤度が大で、吸水速度が早いほどマイクロフィ
ルター効果は高まり、スラリー中の生体触媒を固着する
能力は高いから、膨潤度は２倍以上、好ましくは５倍以
上、更に好ましくは１０倍以上であること、又、飽和す
るまでの吸水速度は数秒から数分であることが望ましい
。

尚、生体触媒担持材がマイクロフィルター効果を備えて
いる限り、吸水材料の含有割合に限定はなく、吸水性材
料の膨潤度との兼ね合いで適宜、非吸水性材料を併用し
て差支えない。

吸水材料の形態としては、粉・粒体、ペレット、綿状、
繊維状、フィルムないしシート状などいずれでもよいが
、粉・粒体、ペレットの場合は流動床の充填材として使
用することができる。

又、粉・粒体、ペレット、綿状の吸水材料は、処理槽内
への装入、取り出しなどのハンドリングを考慮してメツ
シュの袋や筒に入れて保持したり、二枚の不織布の間に
挟んで保持してもよい。又、吸水材料が繊維状の場合は
短繊維や、長繊維のまＳで使用することもできるが、糸
、紐、縄、棒等の線状にしたり、紙、不織布、編織布等
のシート状に加工したり、螺旋状編組モールコードなど
の形態にすることが好ましい。

特に取扱い容易性（ハンドリング）、所望の寸法や形状
への加工性、生体触媒担持能力、被処理水との接触効率
などの点から繊維形態、中でも吸水性部と非吸水性部と
の二層構造繊維からなる吸水材料を使用し、シート状や
、螺旋状編組モールコードとすることが望ましい。又、
生体触媒担持能力を向上させるため吸水性材料の表面に
凹凸をもたせることが好ましく、それには、粉・粒体や
繊維等をプラズマ処理するなどして微細な凹凸を形成し
たり、ノズル形状の選択によりＹ字、十字、星形等の断
面形状に繊維を押出したりする手段を採ればよい。

吸水材料の素材には所定の膨潤度を有する限り、天然物
、合゛成物等を任意に使用することができ、例えばデン
プン−アクリル酸塩グラフト重合体、アクリロニトリル
と（メタ）アクリル酸塩との共重合体、マレイン酸等の
二塩基酸共重合体、非吸水性材料にポリアクリル酸ソー
ダ等の親水性重合体をコーティングしたもの、アクリル
繊維や、セルロース繊維を吸水変性処理したものなどが
挙げられる。

尚、担持材が担持する生体触媒の種類に限定はないが、
特に固定化に長期間を要する嫌気性菌が実用上、望まし
い。

担持材の表面に固着した生体触媒を包括固定する包括固
定化材料としては、セルロース、デキストラン、デンプ
ン、寒天、カラギーナン、アルギン酸とその誘導体、ゼ
ラチン、アルブミン、コラーゲン、タンニン、ＰＶＡ、
光架橋性樹脂、ウレタン、ポリアクリルアミドゲル、ポ
リエチレングリコール、エポキシなどが挙げられる。

担持材に吸水性外層部と非吸水性内層部との二層構造か
らなる膨潤度が７倍、２０倍、　１５０倍のランシール
（日本エクスラン工業（株）製の超吸水性繊維の商品名
）を３０〜９０重量％含有する三種類の不織布を使用し
た場合と、他の材料を担持材に使用した場合とで嫌気性
菌の固着量がどのように相違するかを調べるため各担持
材を生物槽の嫌気性菌（メタン発酵菌）スラリー濃度３
８４０ｍ　ｇ　／　１の液中に３分間浸漬後、引上げ、
担持材を超音波で洗浄し、洗浄液中の嫌気性菌なＴＯＣ
濃度で測定した所、次表の結果が得られた。

スラリー濃度（ｍｇ／ｌ）　　　固着量（ｍｇ／ｃｍ２
）膨潤度　　　固着量（ｍｇ／ｃｍ２） 同上　　　　　　２０倍　　　　０．５０同上　　　　
　１５０倍　　　　ｌ、４７吸水性ボリウレクン　　　
　　　３１　イ音　　　　　　　　０．２５又、生物槽
の嫌気性菌スラリー濃度の変化が嫌気性菌の固着量に及
ぼす影響を調べるため、膨潤度が１５０倍の上記ランシ
ール含有不織布を、スラリー濃度１３６０ｍｇ＃の液を
蒸留水で２倍と３倍に希釈した希釈液と、スラリー濃度
３８４０ｍｇ／ｊの液に３分間浸漬後、引上げ、同様に
洗浄液中の嫌気性菌をＴＯＣ濃度で測定した所、下表の
結果が得られた。

１３６０　　　　　　　　　　　　　　１．２３８４０
　　　　　　　　　　　　　　　１、　４７以上のこと
がら膨潤度（α）は材料単位面積当たりに吸収される液
量で、次式により定義できる。

膨潤度２倍以上の吸水性材料では、材料に液が急激に吸
収されるため材料の表面では表面に鉛直方向の局所的な
流れが生じ、表面鉛直方向の単位面積当たりに流れる液
量ないしフラックス（Ｊ）は膨潤度のｎ乗に比例すると
考えられる。

Ｊｏｃ（αＳ−〇）ｎ　（ｓ：飽和を表わす）そして、
液がスラリーの場合は局所的な液流に随伴して固形分も
移動し、液は材料に吸収されるが、固形分はマイクロフ
ィルタ効果で材料の表面に残り、固着する。この場合、
固着する固形分が多いと固形分は材料の表面にケーキ状
に堆積する。

材料の表面への固形分の固着速度（Ｆ）はマイクロフィ
ルタ効果による液の移動量ないし吸収量とスラリー濃度
に比例すると考えられる。

ＦｏｃＪ−Ｃ”　＝Ｃ”　　（ａｓ−ａ）”（Ｃはスラ
リー濃度） そして、全固着量（Ｍ）は近似的に次式で表わされる。

Ｍ＝β・Ｃ０・ａｓｏ　（β：係数） 上記膨潤度１５０倍のランシール含有不織布を担持材に
使用して処理を行なった状況を次に示す。

上記不織布を幅数ｃｍ〜数ｍ、長さ数１０ｃｍ〜数ｍの
帯片に截断し、吸水性を有する状態で嫌気性菌を培養す
る生物槽の液中に浸漬する。上記帯片を吸水性を有する
状態で浸漬する理由は、マイクロフィルタ効果を充分に
発揮させるためであって、若し飽和状態に吸水させて浸
漬したのでは嫌気性菌の初期固着量が減少するからであ
る。尚、生物槽の液中の嫌気性菌の濃度は数１１００ｐ
ｐ以上であることが好ましい。

こうして、生物槽に上記不織布の帯片を浸漬して数分、
経過すると、帯片の表面には嫌気性菌が固着する。嫌気
性菌が固着した状態は帯片の表面に嫌気菌が層状に堆積
し、且つ繊維の表面を被覆するようにして付着する状態
をいう。

生物槽の、嫌気性菌（メタン発酵菌）スラリー濃度］、
３６０ｍｇ／ｌ！の液中に前記膨潤度１５０倍のランシ
ール含有不織布を浸漬した場合の、浸漬時間の長短によ
る嫌気性菌の固着量を調べた所、下表の結果が得られた
。尚、固着量は、浸漬した不織布を超音波で洗浄し、洗
浄液中の嫌気性菌をＴＯＣ濃度で測定した。

浸漬時間　　３分　　１０分　　３０分　　６０分前夫
の結果から浸漬時間３分のときが固着量は最大で、浸漬
時間がそれ以上、長いと固着量は逆に減少することが分
かる。これは超吸水性繊維であるランシールの膨潤度が
１５０倍であるため、３分の浸漬時間中に強力なマイク
ロフィルター効果が発揮され、はｆ最大の飽和状態に嫌
気性菌が固着でき、浸漬時間がそれより長くなると、そ
の後はマイクロフィルター効果は失われるので、折角、
ランシールに固着した嫌気性菌の一部はランシールから
遊離し液中に移動するためと思われる。

従って、生物槽の液中での浸漬時間は担持材の構成要素
中の吸水性材料の膨潤度に応じて適切に定めることが必
要であり、長い程よい訳ではない。

こうして嫌気性菌が帯片の表面に固着したら帯片を生物
槽から引き上げ、被処理水が供給される嫌気処理用の処
理槽の水中に吊下げて浸漬し、被処理水を供給して嫌気
性菌を馴養しながら実運転を開始することができる。

第１図でＡ　（０）は前述の膨潤度１５０倍のランシー
ル含有不織布を生物槽の嫌気性菌（メタン発酵菌）スラ
リー濃度２４０ｍｇ／ｆｆｉの液中に３分間、浸漬して
引上げ、これをＢＯＤ　　１３０〜１８０ｍｇ／ｊ　（
ＴＯＣ２６０〜３６０ｍｇ／ｊ）の原水が供給される処
理槽に浸漬して運転を開始し、処理により発生する硝化
ガスの発生量を開始当初から測定した結果を示す。

又Ｂ（・）は嵩高性のある非吸水性不織布を生物槽の嫌
気性菌スラリー濃度１００００ｍｇ／ｊの液中に１０分
間浸漬して引上げ、これを上記と同じ条件の処理槽に浸
漬して運転を開始し、処理により発生する硝化ガスの発
生量を開始当初から測定した公表データをグラフ化した
ものである。

Ａではランシールにはヌ飽和状態に嫌気性菌が固着して
いるため、運転を開始した直後から硝化ガスが発生し、
硝化ガスの発生は１０日後に定常に達した。

これに対し嫌気性菌スラリー濃度がＡに較べて４０倍以
上も高濃度の生物槽の液中に１０分間浸漬した嵩高性の
ある非吸水性不織布の担持材では運転を開始して数日後
に硝化ガスの発生が認められたが、その量は少なく、又
、運転開始後、３０日で発生量は定常に達した。しかし
、Ａと比較して起ち上りの勾配が大きく異なっている。

又、運転開始後、処理槽中の担持材Ａの一部を時々、液
から引上げ、上記担持材Ａに固着している嫌気性菌（メ
タン発酵菌）の量を測定した所、第２図の結果が得られ
た。

運転開始後、３日目の菌固着量は４、Ｏｍｇ−Ｃ（有機
炭素量）　／ｃｍ２．７日以後に固着量が急激に増加し
、６０日後には１０．０ｍｇ−Ｃ／ｃｎｉ２を越えた。

第２図でＣ（ム）は水膨潤度１倍の多孔質炭素板を同じ
原水が供給される処理槽に浸漬して運転開始後、炭素板
の一部を時々、液から引上げ、炭素板に固着している嫌
気性菌の量を測定した場合を示す。

Ｃでは運転開始後、３日目を経ても殆ど無く、６０日を
麦でも２．０　ｍｇ−Ｃ／ｃｍ２Ｌか無かった。

以上により生物槽での浸漬時間を吸水性材料の膨潤度に
応じ最適に制御することにより運転を開始した直後から
固着した嫌気性菌を馴養しながら多量に増殖させ、多量
の菌によって１０日間程度の極（短期間で定常運転を開
始できることが明らかである。

面、担持材が粉・粒体であるときは、被処理水が上向流
で供給される処理塔に充填し、上向流する被処理水によ
って流動化する流動床を構成することができる。この場
合、従来の担持材は菌を固定材で包む等して１粒宛、造
粒したり、グラニユール菌の馴養により造粒するには数
ケ月の期間を要したが、本発明の粉・粒体の担持材は生
物槽に必要量、浸漬し、その水膨潤度に基ずくマイクロ
フィルター効果により極く短時間（数秒間から数分間）
のうちに浸漬した全量の粉・粒体に生体触媒を吸着し、
濃縮して固定化が行なえる。

又、包括固定化法を併用した場合は、浸漬時間をマイク
ロフィルター効果による固着量が最大となるようにした
上で、固定化材料で生体触媒を包括固定することにより
、最大固着量を保つことが可能となり、効率をさらに上
げることが出来る。

包括固定化法の併用は、従来の包括固定化法と異なり、
生体触媒がマイクロフィルター効果により一度固着して
いるので、表面強度上必要とする最低限度の量の包括固
定化材料で包括すれば良く、従来の包括固定化法よりも
接触効率を高めることが出来る。

〈発明の効果〉 本発明の生物触媒担持材は膨潤度が２倍以上の吸水材料
を含有し、その膨潤度に基ずくマイクロフィルター効果
により、通常の材料では固定化に数ケ月を要する固定化
が最も困難な嫌気性菌でも、極く短時間で固定化するこ
とができる。そして、生体触媒の付着量を画期的に増大
させることが可能であり、これによってバイオマス量が
増えるので処理設備をコンパクト化できる。

又、固定化材料で生体触媒を担持材に包括固定した生体
触媒固定済担持材は前述したように接触効率などを高め
ることができるほかに、生体触媒の活性の維持、水分な
いしは酵素などの乾燥状態の維持が行え、長期保存が可
能になると共に、ハンドリング性も高まる。更に、固定
化材料中に栄養分や活性化維持剤等を例えばマイクロカ
プセルの形態で混入することにより生体触媒の活性の向
上を図ることができる。

又、本発明の処理方法により、担持材に生体触媒を極く
短時間で固着し、空運転のための時間とエネルギーの空
費なしに即座に実運転を開始できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による担持材と、そうではない担持材を
使用して処理した場合の比較図表、第２図は第１図の処
理を行なった場合、運転時間経過に伴い嫌気性菌の固着
量が増加する状況を示す比較図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）吸水性材料を含有し、マイクロフィルター効果を
   有することを特徴とするバイオリアクターの生体触媒担
   持材。 （２）吸水材料は膨潤度が２倍以上で、飽和するまでの
   吸水速度は数秒から数分である請求項１に記載のバイオ
   リアクターの生体触媒担持材。 （３）吸水性材料が繊維からなる請求項１に記載のバイ
   オリアクターの生体触媒担持材。（４）吸水性材料と非
   吸水性材料との二層構造からなる請求項１に記載のバイ
   オリアクターの生体触媒担持材。 （５）吸水性材料の表面が凹凸を有する請求項１に記載
   のバイオリアクターの生体触媒担持材。 （６）生体触媒槽の液中に、膨潤度が２倍以上の吸水性
   材料を含有し、マイクロフィルター効果を有する生体触
   媒担持材を浸漬し、液を該担持材に吸収することにより
   液中の生体触媒を担持材の表面に固着した後、上記担持
   材を被処理水が供給される処理槽の液中に浸漬し、運転
   することを特徴とする生体触媒による処理方法。 （７）生体触媒が嫌気性菌である請求項６に記載の固定
   化した生体触媒による処理方法。（８）生体触媒槽の液
   中に、膨潤度が２倍以上の吸水性材料を含有し、マイク
   ロフィルター効果を有する担持材を浸漬し、液を該担持
   材に吸収することにより液中の生体触媒を担持材の表面
   に固着した後、該担持材の表面に固着した生体触媒を固
   定化材料により包括、固定したことを特徴とするバイオ
   リアクターの生体触媒固定済担持材。 （９）請求項８に記載の生体触媒固定済担持材を、被処
   理水が供給される処理槽の液中に浸漬し、運転すること
   を特徴とする生体触媒による処理方法。