JPH0427837B2

JPH0427837B2 -

Info

Publication number: JPH0427837B2
Application number: JP60054383A
Authority: JP
Inventors: Koji Mishima; Akira Watanabe; Kaneaki Endo
Original assignee: Ebara Research Co Ltd; Ebara Infilco Co Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Ebara Research Co Ltd
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1992-05-12
Also published as: JPS61216688A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、光架橋性樹脂プレポリマーを使用し
て、粒状の固定化酵素、およびまたは固定化微生
物を製造する方法に関する。〔従来の技術およびその問題点〕近年、醗酵産業をはじめとする各種の微生物利
用産業において、その生産性の向上を目的とし
て、固定化酵素法、固定化微生物法の適用が実現
化されつつある。また、固定化酵素、固定化微生
物法のもつ秀れた操作性、あるいは安定性に着目
し、醗酵分野のみならず、例えば下・廃水、浄水
場原水の生物処理といつた水処理分野のような微
生物を利用する産業全般にわたつて、その適用性
が検討されている。固定化酵素、固定化微生物とは、天然あるいは
合成のポリマーで構成されるゲル内部に、目的と
する化学反応を行なう酵素、あるいは微生物を固
定し、従来取り扱いが困難とされていた酵素や微
生物を、安定かつハンドリングの容易なものと
し、反応プロセスのコンパクト化、高効率化を可
能とするものである。固定化の為に使用されるポリマーとしては、一
般にポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール
等の合成高分子化合物の他に、アルギン酸、κ−
カラギーナン、寒天等の天然高分子が使用される
が、最近では酵素や微生物に対してより温和で、
ゲル化の簡便な固定化方法として、光架橋性樹脂
プレポリマーも利用されている（特開昭58−
129976号公報）。しかし、現在工業的規模で使用されているポリ
マーは主としてアルギン酸、κ−カラギーナンで
あり、これらが選択されるのは、(i)固定化時の微
生物に対する悪影響が少なく、(ii)任意の形状のゲ
ルを容易に製造できること、等が主な要因と考え
られる。しかし、これらのポリマーから得られる
ゲルは強度的にみると他のゲル、例えばポリアク
リルアミドなどと比較すれば弱く、また、ゲル化
剤が溶出されることにより容易にゲル構造が崩壊
するという欠点も有しており、長期間にわたる安
定性まで考慮に入れると決して秀れたポリマーと
は言えない。一方、光架橋性樹脂プレポリマーは、固定化時
の酵素や微生物に対する温和性、ゲルの耐久性は
極めて優れているが、ゲルの形状を粒状にするた
めのゲルの製造方法の簡便性については、アルギ
ン酸やκ−カラギーナンよりも劣るものである。固定化酵素（固定化微生物）のゲルの形状は、
そのゲルを充填する反応器の性質により選択され
るものであるが、固定化酵素（固定化微生物）が
反応の高速化・効率化を達成する為に開発されて
きた手法であることを考えると、当然使用する反
応器も反応の高速化・効率化を達成し得る型式の
ものとなり、また、工業的な操作性もすぐれたも
のが選定されることになる。反応器の形状は、完
全混合撹拌槽型、回転円板型、流動層型、中空子
繊維型など、種々のものが考えられるが、これら
の反応器に固定化酵素（固定化微生物）を使う際
には、その形状として、薄膜状あるいは粒状であ
ることが要求される。また、そのうちでも粒状化
に関する要求性は高い。なぜなら、粒状化された充填物は、反応に関与
する表面積が大きく、また、単位反応槽体積あた
りの充填量が多く、かつ、反応槽内での充填物の
挙動の予測が他の形状と比較して容易である為で
ある。一例として、流動層への適用を考えた場
合、流動層自体が充填物の均一な流動化状態を要
求する性格を有している為、充填物の挙動予測は
特に重要であり、充填物の形状が粒状であること
が望まれる。〔発明の構成〕本発明は、酵素および／または微生物と、光架
橋性樹脂プレポリマーと、２価以上の金属イオン
とを含有する混合液を、アルギン酸水溶性塩の水
溶液中に滴下させることにより、該液滴表面にア
ルギン酸不溶性塩の薄膜を形成させた後光照射を
行ない、該液滴内部の光架橋性樹脂プレポリマー
をゲル化させることを特徴とする粒状の固定化酵
素および／または固定化微生物の製造方法であ
る。発明者らは、極めて簡便で、かつ酵素や微生物
に対する悪影響の少ない、光架橋性樹脂プレポリ
マーの粒状化手段を検討してきた結果、本発明を
なすに至つた。本発明は、前述の粒状化という製造上の問題に
難点を有していた光架橋性樹脂プレポリマーを用
いた固定化酵素、および／または、固定化微生物
法の欠点を克服し、今後の光架橋性樹脂プレポリ
マーを使用した固定化微生物法に、幅広い適用性
と秀れた操作性を付与するものである。本発明で使用しうる光架橋性プレポリマーとし
ては特開昭58−129976号公報に示されている如き
ポリビニルアルコールを主鎖とし、スチルバゾリ
ウム基を光官能基とするものがあるが、特にこれ
に限定されるものではない。またプレポリマーの
濃度は２〜15重量％の範囲内で使用するのが普通
である。本発明において用いる２価以上の金属イオンと
しては、Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Al³⁺，Fe³⁺等酵素
の作用あるいは微生物に対して毒作用を有せず、
アルギン酸水不溶性塩を形成しうるものであれば
何れを使用してもよいが、入手の容易さ等の観点
からCa²⁺が好ましい。イオン濃度は0.5〜2Mが適当である。本発明において、光照射を開始する時期は、液
滴表面に、アルギン酸不溶性塩が形成された後に
限定されるものではなく、それ以前より行なつて
もよい。また、光照射はアルギン酸水溶液中で行
なつてもよく、また、アルギン酸水溶液から表面
にアルギン酸不溶性塩の薄膜の形成された液滴を
取り出した後に行なつてもよい。また、光架橋性樹脂のゲルを生成した後、その
表面のアルギン酸不溶性塩の薄膜は、何らかの物
理化学的手法で、取り除いてもよい。また、本発明により得られた粒状の光架橋性樹
脂に固定された固定化酵素および固定化微生物の
用途は、醗酵分野に限定されるものではなく、例
えば水処理分野のように、微生物を利用する産業
全般に応用されるものである。発明者らは、本発明の有効性を調査するにあた
り、特に、現在の水処理分野において重要視され
ながらも、その増殖速度の遅さおよび微生物自身
の不安定さゆえに、実際プロセスでの取り扱いが
困難とされていた硝化菌およびメタン菌を本発明
方法に基ずき固定化し、その有効性を確認するに
至つたので、以下、詳細に説明する。実施例１硝化菌（Nitrosomonas europaea
ATCC 19718）によりアンモニアの硝化「硝化菌（ニトロソモナス−ヨーロツパ．登録
番号ATCC 19718）の固定化。」本願方法にもとずき硝化菌を固定化し、アンモ
ニア性窒素の硝化を行なつた。使用した光架橋性
樹脂プレポリマーは、ポリビニルアルコール（重
合度1700）を主鎖とし光官能基（スチルバゾリウ
ム基）導入率1.3モル％で固形物濃度10.6％、PH
6.8のものである。また、硝化菌は、次の表−１
に示す培地で２週間にわたり培養したものであ
る。

【表】ブ処理
５Kgの光架橋性樹脂プレポリマーに、硝化菌を
含む培養液500ml、1MCaCl₂水溶液500mlを加え
混合した後、マグネチツクスターラーで撹拌下の
0.8％アルギン酸ナトリウム水溶液中に、内径１
mmのノズルを介して混合液を滴下した。こうし
て、得られた周囲をアルギン酸カルシウムの薄膜
により覆われたプレポリマー液滴をアルギン酸ナ
トリウム溶液より取り出し、蛍光燈による光照射
を10分間行ないプレポリマーを硬化させた。以上
の操作により、直径３mm前後、かさ体積10の固
定化微生物を得た。アンモニアの硝化実験は、流動層を使つて連続
的に行なつたが、流動層の操作条件（通水速度・
ゲル充填量など）を明確にする為、ゲル粒子の最
少流動化速度（U_n）、単粒子としての沈降速度
（U_t）を測定したところ、 U_n＝28ｍ／hr・U_t＝600mm／minであつた。実験に使用した装置のフローを、第１図に示
す。アンモニアを含む原水は、原水ポンプＰ１を
介して、酸素溶解槽１に送られる。酸素溶解槽１
には、一部の流動層処理水がもどされるが、ブロ
アー３より酸素供給をうけた原水と返送水の混合
液は送水ポンプＰ２により流動層２下部に送られ
る。流動層２は、100mmφ×3000mmＨ、容積25
である。処理水は、流動槽２の上部の処理水排水
管から流出する。使用した原水は、水道水中にNH₄（SO₄）₂：100
mg／，NaHCO₃：300mg／、KH₂PO₄：１
mg／を溶解させたものであり、微量金属の添加
は特に行なわなかつた。 10の固定化微生物ゲルを流動層に充填し（静
止層高：1.3ｍ）、原水流量２／min、送水量６
／minで実験を行なつた。通水時の流動層の層
高は２ｍ前後であつた。また、水温は特に調節は
行なわなかつたが、18℃〜29℃であつた。PHは原
水中に十分量のNaHCO₃を加えたため、硝化菌
にとつて適正といわれる7.5〜8.0のアルカリ性に
保たれた。実験結果を、第２図に示す。初期に固定した硝
化菌量は僅かであつたにもかかわらず、硝化速度
は、順調に増加し、130日目には約1.5ｇ−Ｎ／
・日という高い値を示している。これは、固定
化の為の操作が硝化菌に対して温和であつた為、
固定化時に硝化菌が失活・死滅することなく、ゲ
ル内部で安定して増殖していつたためと考えられ
る。また、流動層の運転も非常に安定しており、ゲ
ルの流動化状態が乱れて片流れを起こしたり、あ
るいはゲルが流動層上部から流出するようなトル
ブルは認められなかつた。これは、本発明法によ
り製造されたゲルがかなり球に近い粒状であり、
粒度もそろつていた為と考えられる。実施例２メタン菌の固定化本発明により製造された粒状の固定化メタン菌
（Ａ−１）と、従来の代表的な固定化方法である
アルギン酸カルシウムゲル法により作られた粒状
の固定化メタン菌（Ｂ−１）との比較実験を行な
つた。使用した光架橋性樹脂プレポリマーはポリビニ
ルアルコール（重合度1700）を主鎖とし、光官能
基（スチバゾリウム基）導入率1.3モル％で、固
形物濃度10.6％、PH6.8である。その他の薬品は、
一般に市販されているものを利用した。メタン菌
は、あらかじめ、次の表−２に示す培地で、馴養
されたものである。

【表】 100ｇの光架橋性樹脂プレポリマーにメタン菌
を含む培養液10ml、1MCaCl₂水溶液10mlを加え、
混合した液を、撹拌下の0.5％アルギン酸ナトリ
ウム水溶液に内径1.5mmのノズルを介して滴下し
た。こうして得られた、周囲がアルギン酸カルシ
ウムの薄膜におおわれたプレポリマー液滴を取り
出してケミカルランプで５分間光照射を行ない、
プレポリマーを硬化させた。得られた粒状の固定
化微生物は、直径４mm前後、かさ体積200mlであ
つた。アルギン酸カルシウムゲルは、３％アルギン酸
ナトリウム溶液100mlに前と同量の10mlのメタン
菌を含む培養液を加えて混合した後、内径1.5mm
のノズルを介して、撹拌下の0.1MCaCl₂水溶液中
に滴下し、直径４mm前後のアルギン酸カルシウム
ゲル（かさ体積200ml）を得た。これら２つの固定化微生物を、内容積10のミ
ニジヤーフアーメンター２台にそれぞれ投入し、
表−２の組成の原水を回分的にメタン醗酵させ
た。いずれも水温は35℃±１℃，PH7.0にコント
ロールした。結果を、第３図に示す。アルギン酸カルシウム
ゲル法による固定化菌（Ｂ−２）を用いたもの
は、実験開始後、３日でゲルが崩壊し、新たな原
水の流入にともなう槽内水の流出につれて槽内の
メタン菌濃度が低下し、ガス発生量が低下したの
にくらべ、本発明法による固定化菌（Ａ−１）を
用いた場合は、ゲルの崩壊は認められず、安定し
て、ガスが発生した。これにより、本発明により製造されたゲルの耐
久性が優れていることがわかる。以上の実施例から説明されるように、本発明に
より得られる光硬化性樹脂プレポリマーを使つた
粒状の固定化微生物は、固定時の微生物に対する
悪影響もほとんど無く、また長期にわたり安定し
た性能を継続することがわかる。また、形状が粒状ゆえに工業的規模での取り扱
いが容易であり、従来法では不可能であつた水規
模醗酵工業プロセスへの利用、あるいは、水処理
分野への適用についても極めて有効である。つぎに、特開昭59−17988号公報に親水性光硬
化性樹脂、光重合開始剤、少なくとも１種の多価
金属イオンとの接触によりゲル化する能力のある
水溶性高分子多類及び酵母を含んでなる液状組成
物を多価金属イオンを含有する水溶液に滴下して
該液状組成物を粒状にゲル化させた後、粒状ゲル
に光線を照射して硬化させることにより酵母を粒
状に固定化する方法が記載されているので、本発
明方法が該公報に記載されている方法（比較例）
に比し優れていることを示す実施例を記載する。実施例３・ 10％光架橋性樹脂プレポリマー５Kg ・ 1molCaCl₂溶液 500ml ・微生物培養液 500ml を混合して0.8％アルギン酸ナトリウム溶液に滴
下後、光を照射して直径３mmの固定化物４リツト
ルを得た。得られた固定化物は、周囲をアルギン
酸カルシウムにより覆われているので、0.1mol
燐酸緩衝液に浸すことでアルギン酸カルシウムを
取り除いた。比較例・ 10％光架橋性樹脂プレポリマー５Kg ・２％アルギン酸ナトリウム溶液 1.5 ・微生物培養液 500ml を混合して0.1mol CaCl₂溶液に滴下後、光を照
射して直径３mmの固定化物４リツトルを得た。つぎに、実施例３及び比較例で得られた粒状固
定化物を、各々容積20リツトルの曝気槽に投入
し、風量30リツトル／分の曝気強度で、３年間連
続的に通気運転し、粒状固定化物量の変化を追跡
した。結果を第４図に示す。第４図からわかるように、実施例３で得られた
粒状固定化物は１年間で約５％の損失が認められ
たのに対し、比較例で得られた固定化物では約20
％の損失が認められた。これらの秀れた特質は、酵素および微生物を利
用する産業全般にわたり広く受け入れられるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の固定化微生物を用いて水処
理を行うための装置の概略図を示し、第２図及び
第３図は本発明の効果を示すための図表であり、
第４図は実施例４及び比較例で得られた粒状固定
化物の強度を比較した図である。１…酸素溶解槽、２…流動槽、３…ブロアー、
４…処理水排出管、５…固定化微生物。

Claims

【特許請求の範囲】

１酵素および／または微生物と、光架橋性樹脂
プレポリマーと、２価以上の金属イオンとを含有
する混合液を、アルギン酸水溶性塩の水溶液中に
滴下させることにより、該液滴表面にアルギン酸
不溶性塩の薄膜を形成させた後、光照射を行な
い、該液滴内部の光架橋性樹脂プレポリマーをゲ
ル化させることを特徴とする粒状の固定化酵素お
よび／または固定化微生物の製造方法。