JPH0673451B2 - 固定化微生物の反応方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は固定化微生物を用いた生
物反応方法に関するものである。本発明を、例えば水処
理技術に応用すると、水処理操作が簡単になると共に菌
体密度を著しく高めることができ、この結果、高効率水
処理が可能となる。

【従来の技術】これまで、生物反応法に用いられる固定
化微生物は、微生物あるいは微生物からなる汚泥を砂、
ゼオライト、アンスラサイト等の粒子担体の表面に吸
着、固定化する方法や、ポリアクリルアミド、ポリビニ
ルアルコール、寒天、ガラギーナン等のゲルにより菌体
を包括固定化する方法等により調製されていた。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
吸着、固定化する方法は、微生物あるいは微生物からな
る汚泥の吸着量の制御が困難であり、また担体そのもの
の体積によりリアクターの有効容積を減じてしまうた
め、固定化微生物が基質に対し効率的に反応することが
困難であった。また後者のゲル包括法は、固定化の処理
操作が煩雑でゲル剤の価格が高く水処理などの分野で
は、実規模で採用されている例はない。そこで、本発明
者らは、経済的且つ高効率な生物反応方法を開発するこ
とを目的として水処理技術をベースにバイオリアクター
の処理速度を従来法に比較して飛躍的に高める微生物の
高濃度固定化法について研究を進めた結果、培養もしく
は自然界より採取された微生物を７０℃以下の温度で脱
水し、固定形状のまま乾燥処理して水分含有率を８５％
以下に調製し、細胞間隙の水分を実質的に排除したとこ
ろ、菌体同士が固着結合し且つ固着された菌体は反応液
と接触し水分を吸収して膨潤しても、膨潤後の固着形態
は崩れることなく、しかも活性も維持されることを見出
し、本発明を完成した。

【課題を解決するための手段】以下、本発明をより具体
的に詳述する。本発明において固定化可能な微生物は培
養もしくは自然界より採取された微生物が用いられ、何
ら特定化された微生物を必要としない。また、純粋に分
離された微生物である必要もなく、混合微生物、活性汚
泥、メタン発酵汚泥等が例示され、具体的には次のよう
な微生物が挙げられる。 活性汚泥等好気微生物処理汚泥を構成する 細菌類：アクロモバクター、アエロバクター、アルカリ
ゲネス、バシラス、プレビバクテリューム、コリネバク
テリューム、コマモナス、フラボバクテリューム、ミク
ロコッカス、シュードモナス、スピリラム、ズーグレ
ア、アルスロバクター、ニトロソモナス、スタフィロコ
ッカス、ノカルディア、スファエロティルス、エシェリ
ッヒア、アゾトバクター等。 菌類：ペニシリューム、セファロスポリューム、クラド
スポリューム、フサリューム、トリコデルマ、カンジ
ダ、ロドトルラ、サッカロミセス等。 メタン発酵等嫌気微生物処理汚泥を構成する 細菌類： （酸生成菌）コリネバクテリューム、ラクトバシラス、
アクチノミセス、ビヒドバクテリューム、ラミバクテリ
ューム、ユウバクテリューム、クロストリディーム、バ
クテロイデス、ビブリオ、スピリラム、ペプトコッカ
ス、フソバクテリューム、スファエロフォラス、ベロネ
ア等。 （メタン生成菌）メタノバクテリューム、メタノザルシ
ナ、メタノスピリラム、メタノスリックス、メタノコッ
カス 固定化処理は、通常７０℃以下の温度で脱水し、固形形
状のまま乾燥処理することによりおこなわれるが、温度
処理は乾燥を促進させるためのものであって目的とする
微生物の温度耐性に応じて決定される。例えば耐熱性に
優れたメタン酸化細菌では高い処理温度でも活性の維持
が可能であるが、この場合においても約７０℃以下であ
ることが望ましい。脱水、乾燥、粒子化は適宜おこなわ
れ、例えば沈降濃縮微生物あるいは汚泥をフィルタープ
レス等で脱水した後、固形形状のまま所定の温度で乾燥
し、その後粉砕することにより粒子状の固定化物を得る
ことができる。また、脱水物を適度に固形形状のまま半
乾燥させた後、カッター等により裁断し粒子化した後固
定化強度を増加させるために更に乾燥することができ
る。固定化強度を高める上では、処理された菌体の水分
含量は細胞間隙の水分がなくなるまで十分に乾燥させる
ことが望ましいが、水分含量が８５％以下になるように
乾燥し、細胞間隙の水分を減少させ、菌体同士が、固着
固定化するまで乾燥する。菌体同士の固着固定は、微生
物の水分含量を固形形状のまま８５％以下程度に調製す
ることにより、微生物が生育中に菌体外に産生した多種
多様な物質、特に多糖、蛋白、糖蛋白などの高分子物質
が脱水、乾燥されると共に変性され、細胞間の結合強度
が増加することによるものと考えられる。このように、
微生物の菌体外生成物が一種のバインダーとなることに
より菌体同士が固着固定化された後、固定化菌体を裁断
もしくは粉砕することより粒子サイズを整える。粒子サ
イズは反応の条件により任意に選択できるが、粒径が極
端に大きくなると拡散抵抗により反応速度は低下する。
従って、通常膨潤後の粒径を１ｍｍ〜５ｍｍ程度とする
ことが望ましい。このように、いったん固定化された菌
体は反応液と接触し膨潤しても十分な強度を有し、一般
的な通気、攪拌の手段を伴っても微細化することなく反
応に供することが可能である。従って、反応に際して
は、従来の包括的固定化菌体と全く同様に使用できる。
例えば嫌気的な処理法ではカラム等に充填し、反応液を
上向流で流すリアクターとして使用が可能である。ま
た、好気的な処理法では、反応槽上部に沈澱部を設けた
処理槽に本発明による固定化微生物を添加し、通気流動
化させる方法、あるいは通気部と充填部を別々に設け、
反応液を循環させ処理する方法などに使用することが可
能である。また、菌体濃度も包括固定化菌体に比べ菌体
同士の固着固定化であることから、数倍高い菌体濃度の
固定化菌体を調製できる。以下に、本発明に使用する固
定化微生物の調製方法の一例及びその固定化微生物の活
性についての実験例を示す。

【実験例１】 −固定化微生物の調整方法− 本発明によれば、培養もしくは自然界より採取された微
生物のいずれにおいても固定化の対象物とすることが可
能であるが、ここではその例として、固定化対象物とし
て活性汚泥、及びメタン発酵汚泥を用いた場合の固定化
微生物の調製方法について述べる。活性汚泥は、グルコ
ース１ｇ／ｌ、ポリペプトン０．５ｇ／ｌ、ＫＨ_２ＰＯ
_４０．０８８ｇ／ｌからなるｐＨ７の合成排水（ＢＯＤ
濃度約１０，０００ｍｇ／ｌ）を用い、ＢＯＤ負荷０．
５ｋｇ／ｍ^２・ｄａｙで回分方により培養したものを使
用した。汚泥濃度１，０００ｍｇ／ｌの汚泥混合液５１
を濾紙で脱水した後、脱水汚泥の厚みを約５ｍｍに濾紙
上に塗り広げ２５℃、５０℃、１００℃で風力乾燥し固
定化強度試験に使用した。メタン発酵汚泥は、グルコー
ス３５ｇ／ｌ、コーンスチープリカー３５ｇ／ｌ、Ｋ_２
ＨＰＯ_４ ３ｇ／ｌ、ＫＨ_２ＰＯ_４２ｇ／ｌ、（Ｎ
Ｈ_４）_２ＣＯ_２・Ｈ_２Ｏ ５ｇ／ｌ、Ｎａ_２ＣＯ_３ ３
ｇ／ｌ、ＦｅＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏ １ｇ／ｌからなる合成
排水（有機物濃度５０，０００ｍｇ／ｌ）を用い、有機
物負荷０．５ｋｇ／ｍ^２・ｄａｙで回分法により培養し
たものを使用した。汚泥濃度１０，０００ｍｇ／ｌの汚
泥混合液５１を遠心分離し濾紙で脱水した後、脱水汚泥
の厚みを約５ｍｍに濾紙上に塗り広げ２５℃、４０℃、
７０℃、１００℃で風力乾燥し固定化強度試験に使用し
た。２５℃乾燥汚泥について、水分含量と膨潤後の固定
化強度との関係を検討した。この場合、水分含量５０％
以上のものではカッターにより０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度
に裁断し、水道水で膨潤させて、また、水分含量１０％
及び５％のものの測定は、水分含量５０％程度の汚泥を
カッターで０．１ｍｍ〜１ｍｍに裁断した後、更に所定
の水分含量となるまで乾燥し、その後水道水で膨潤させ
て試験に供した。なお、汚泥の裁断、粉砕は半乾燥状態
で行ってから乾燥しても、乾燥した後行ってもいずれで
も良い。表１、表２に示すように、水分含量が８５％よ
り多い汚泥では脱水により固定化の効果は現れなかった
が、水分含量８５％以下にすることにより固定化の効果
が現れるようになり、５０％以下では、極めて安定な固
定化物が得られた。次に固定化強度に及ぼす乾燥処理時
の温度の影響について検討した。活性汚泥の場合は２５
℃、５０℃、１００℃で、メタン発酵汚泥の場合は２５
℃、４０℃、７０℃、１００℃で、それぞれ水分含量６
％以下に乾燥した後水道水で膨潤させた。いずれの汚泥
も通気攪拌に対し十分な固定化強度を有していることか
ら乾燥処理時の温度は固定化の強度に対してはほとんど
影響しないことがわかる。

【表１】

【表２】

【実験例２】 −固定化微生物の活性度− 実施例１により調製された固定化微生物のうち、活性汚
泥については、２５℃、５０℃、１００℃で、また、メ
タン発酵汚泥については、２５℃、４０℃、７０℃、１
００℃でそれぞれ十分に乾燥した汚泥を膨潤後の粒子系
で２ｍｍ以下になるように裁断、粉砕し、膨潤させた
後、それぞれ汚泥の培養に用いた合成排水の処理活性に
ついて検討した。表３に示したように、１００℃で乾燥
した活性汚泥は完全に活性を失っているが、２５℃で乾
燥した汚泥は、乾燥後の水分含量がわずか６％にまで低
下しているにもかかわらず、膨潤後にもとの活性の５０
％程度の活性を保持している。本乾燥固定化汚泥の膨潤
後のみかけの汚泥濃度は１５０，０００ｍｇ／ｌともと
の活性汚泥の濃度（１０，０００ｍｇ／ｌ）の１５倍を
示すことから反応容積当たりの最大処理活性は７倍以上
となる。また５０℃で乾燥処理した場合には活性の低下
が大きくもとの汚泥の２０％程度となってしまうが、そ
れでも汚泥濃度を高くとれることから最大処理活性は通
常の汚泥の３倍以上となる。次に表４にはメタン発酵汚
泥の結果について示した。２５℃で乾燥した場合、活性
汚泥と同じ程度の５５％の活性を維持しており、膨潤後
の汚泥濃度も１６０，０００ｍｇ／ｌと高いことから、
もとのメタン発酵汚泥（濃度１０，０００ｍｇ／ｌ）に
比較し、反応槽容積当たりの最大処理活性は８倍以上に
なる。メタン発酵汚泥では７０℃の乾燥においてもわず
かに活性が残っているが活性汚泥と同様１００℃の乾燥
では活性を失う。以上の結果から乾燥処理温度は少なく
とも７０℃以下で行う必要があり、好ましくは、２５℃
程度の比較的低い温度で行ったほうが良い。しかし、０
℃以下で凍結乾燥することは膨潤後の微生物濃度を低下
させることからあまり得策でない。

【表３】

【表４】 以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

【実施例】実験例１により調製された固定化活性汚泥
（２５℃乾燥、水分含量６％、調整後の粒径０．５〜２
ｍｍ）を、図１に示す容量１００ｍｌの反応器に充填率
３０％、反応器当たりの汚泥濃度５０，０００ｍｇ／ｌ
となるよう添加し、温度２５℃で実験例１に示した活性
汚泥用合成排水の処理試験を行った。処理試験は、はじ
めに１日に１回通気（通気量５ｖｖｍ）を止め、固定化
汚泥を沈降させた後、上清（処理水）５０ｍｌを抜き取
り、新たに合成排水５０ｍｌを添加するＦｉｌｌ ａｎ
ｄ Ｄｒａｗ法とした。その後Ｆｉｌｌ ａｎｄ Ｄｒ
ａｗの回数を１日に１回から２回、３回と増やし、処理
の経過を観察した。添加されたＢＯＤは処理開始後２〜
３日でほぼ１０分以下で９０％以上除去されるようにな
った。その後、Ｆｉｌｌ ａｎｄ Ｄｒａｗの１日の当
たりの回数を増加させ、負荷を増加させたが、１日当り
１０回、ＢＯＤ容積負荷５ｋｇ／ｍ^２・ｄａｙにおいて
も安定した処理結果が得られた。この値は標準的な活性
汚泥のＢＯＤ容積負荷０．５ｋｇ／ｍ^２・ｄａｙの１０
倍程度となる。このような処理試験は約３カ月間にわた
って行われたが固定化汚泥の形態は崩れずに使用するこ
とできた。汚泥あるいは微生物のＰＶＡゲル包括固定に
おいては、固定化汚泥の最大濃度が約５０，０００ｍｇ
／ｌと本法の１／３程度と低く安定したＢＯＤ負荷範囲
も２〜３ｋｇ／ｍ^２・ｄａｙ程度と考えられる。次に実
験例１により調製された固定化メタン発酵汚泥（２５℃
乾燥、水分含量５％、膨潤後の粒系０．５〜２ｍｍ）
を、図２に示す容量１００ｍｌの反応器に充填率４０
％、反応器当たりの汚泥濃度６４，０００ｍｇ／ｌとな
るよう添加し、温度３５℃で実験例１に示したメタン発
酵汚泥用合成排水の５倍希釈排水（有機物濃度１０，０
００ｍｇ／ｌ、ＴＯＣ濃度約４，０００ｍｇ／ｌ）の処
理試験を行った。処理試験は反応器下部より排水を供給
し、反応器上部より処理水を流出させる上向流処理方式
で行った。なお、流れのチャンネリングを防止するため
約１０ｃｍ／ｍｉｎの上向流速となるように反応槽内液
を循環させた。これにより充填した固定化汚泥床は充填
比の４０％から８０％に膨張し、良好な上向流攪拌状態
を得ることできた。はじめに有機物負荷を１ｋｇ／ｍ^２
・ｄａｙに設定し、処理経過を観察しながら徐々に負荷
を増加させたところ有機物負荷２０ｋｇ／ｍ^２・ｄａｙ
においてもＴＯＣ除去率は８０％程度を示した。これ
は、通常のメタン発酵の処理速度２〜３ｋｇ／ｍ^２・ｄ
ａｙに比較し１桁高い速度であるとともに、現在最も処
理速度が高いといわれている上向流式嫌気汚泥床（ＵＡ
ＳＢ）法と同等の速度を示した。ＵＡＳＢはその安定範
囲が狭いこと等から考え本法は極めて有効な処理方法と
いえる。

【発明の効果】本発明により経済的且つ高効率な生物反
応法を提供され、例えば水処理に適用した場合、従来法
の包括固定化法に比べ菌体濃度が数倍高い固定化菌体が
得られ高いＢＯＤ負荷での処理が可能である。

【図面の簡単な説明】

図１は活性汚泥処理反応器、図２はメタン発酵処理用反
応器を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 培養もしくは自然界より採取された微生
   物を約７０℃以下の温度で脱水し、固形形状のまま乾燥
   し、水分含有率を８５％以下に調製して得られた固定化
   微生物を反応基質に接触させることを特徴とする生物反
   応法。