JPH0739376A

JPH0739376A - 微生物固定化用担体

Info

Publication number: JPH0739376A
Application number: JP5213469A
Authority: JP
Inventors: Kozo Iida; 高三飯田; Toshiro Hirama; 敏郎平間; Hiroyuki Nakayama; 博之中山
Original assignee: Kansai Paint Co Ltd
Current assignee: Kansai Paint Co Ltd
Priority date: 1993-08-04
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1995-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】固定化微生物菌体を用いたバイオリアクター
による微生物連続反応に適した微生物固定化用担体を提
供する。【構成】平均粒径０．１〜３０mm、比重０．９９〜
１．１０の無機質及び／又は有機質粉粒状体物を微生物
の付着性及び増殖性にすぐれた親水性樹脂で被覆してな
る微生物固定化用担体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微生物固定化用担体に
関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】固定化微生物菌体を利用し
た発酵、微生物変換等による有用物質の生産や、廃水処
理等は、現在、主としてバイオリアクターによる連続法
で行なわれている。このバイオリアクター反応系を大別
すると、リアクター内に充填された固定化粒子が動かず
基質液のみが流れる充填層型と、固定化物粒子も動く流
動層型とがある。

【０００３】充填層型バイオリアクターは、基質液−粒
子間の物質移動係数を大きくするためには、固定化粒子
径を小さくしてその充填率を大きくし、しかも流速を上
げる必要があるが、この条件では流体圧によって固定化
物粒子が圧縮変形し、固定化物粒子が点接触から面接触
となり、流れの方向に固定化粒子が押しやられて密に充
填される結果、充填層内が閉塞する場合がある。したが
って、基質液−粒子間の物質移動係数を小さくしなけれ
ばならないため、反応速度が低くなる可能性がある。

【０００４】一方、流動層型バイオリアクターは、充填
率を小さくすることによって、基質液−粒子間の物質移
動係数を大きくすることができるので原理的には、充填
層型バイオリアクターよりも反応速度を高めることがで
きる。しかしながら、流動層型バイオリアクターでは、
安定な流動操作のできる範囲がせまく、種々な基質液中
で固定化物粒子を安定に流動操作するためには、固定化
物粒子の比重を調整する必要がある。

【０００５】バイオリアクターに用いるための微生物固
定化用担体としては、これまでに無機質粉粒体、例え
ば、ゼオライト、軽石、シリカゲル、ヒル石、発泡ガラ
ス等の多孔質無機担体や、ポリスチレンビーズ、イオン
交換樹脂等の有機質粒状物、ポリビニルアルコール、ポ
リアクリルアミド等の含水ゲル化物、高酸価不飽和ポリ
エステル、高酸価不飽和エポキシド、不飽和アクリル樹
脂、ポリエチレングリコールと（メタ）アクリル酸との
ポリエステル、ポリエチレングリコールとメタアクリル
酸２−ヒドロキシエチルとのウレタン化付加物などの親
水性光硬化性樹脂等が使用されている。

【０００６】また、これらの固定化用担体に微生物菌体
を固定化する方法としては、吸着法、担体結合法、包括
法、付着増殖法等が行なわれているが、なかでも包括
法、付着増殖法は菌体固有の生理、代謝にもとづく反応
を効率良く利用できるため、発酵、微生物変換、廃水処
理等の分野で注目されている。

【０００７】しかしながら、従来から固定化用担体とし
て用いられている上記多孔質無機担体に微生物を付着し
て、増殖させて、固定化微生物菌体として用いると、微
生物の付着性が悪く、増殖菌体がはがれやすいという欠
点を有する。また、無機質担体は一般に水より比重が大
きく、流動層型バイオリアクターの固定化物粒子として
用いると流動操作がむずかしいという欠点を有する。

【０００８】また、ポリスチレンビーズ等の有機質粒状
物を固定化用担体として用いた場合、比重は１に近い材
質のものが多いものの、一般に疎水性であり微生物菌体
の付着性が悪く、菌体がはがれやすいという無機質担体
と同様の欠点を有する。

【０００９】一方、ポリビニルアルコール、ポリアクリ
ルアミド等の親水性樹脂、高酸価不飽和アクリル樹脂、
不飽和ポリエチレングリコール等の親水性光硬化樹脂
は、包括固定化法に好適な固定化用担体であり、これら
の樹脂水溶液や水分散液に微生物菌体を分散して粒状に
ゲル化させた固定化物粒子は含水ゲル化物のために比重
が水の比重に近く、微生物の付着性や増殖性も良好であ
り、流動層型バイオリアクターの固定化物粒子として広
く利用されている。

【００１０】しかしながら、これらの親水性樹脂を用い
る固定化用担体は含水ゲル化物として使用されるため、
機械的強度が弱く、リアクターの操業中に破損しやすく
作業性が悪いという欠点がある。

【００１１】また、含水ゲル化物の比重も、含水率に依
存するため、含水量を変えずに比重の調節は困難であ
る。従って微生物の付着増殖に好適な含水ゲル状を維持
しつつ、機械的強度に優れ、比重の調節が容易な固定化
担体を得ることがバイオリアクターの分野で強く望まれ
ていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、流動層型
バイオリアクターに使用する固定化物粒子の固定化用担
体における上記問題点を解決するために鋭意検討した結
果、機械的強度を有する無機質及び／又は有機質粉粒状
体物を親水性樹脂で被覆することにより、機械的強度に
すぐれ、微生物の付着性と増殖性にすぐれた固定化用担
体が得られ、粉粒状体物の材質や、それに対する親水性
樹脂の比率を調節することにより比重の調整も可能であ
ることを見出し本発明を完成するに至った。

【００１３】かくして、本発明に従えば、平均粒径０．
１〜３０mm、比重０．９９〜１．１０の無機質及び／又
は有機質粉粒状体物を微生物の付着性及び増殖性にすぐ
れた親水性樹脂で被覆してなる微生物固定化用担体が提
供される。

【００１４】本発明の微生物固定化用担体は、無機質及
び／又は有機質粉粒状体物を親水性樹脂で被覆したこと
により、無機質及び／又は有機質粉粒状体物の微生物菌
体の付着性と増殖性不良、並びに親水性樹脂の菌体包括
ゲル化物の機械的強度が低いという問題点を一挙に解決
したものであり、微生物菌体の付着性と増殖性にすぐ
れ、機械的強度にすぐれ、粉粒状体物の材質や、それに
対する親水性樹脂の比率などにより比重のこまかな調節
も可能という従来の微生物固定化用担体にくらべてすぐ
れた特徴を有する。従って、バイオリアクターの固定化
物粒子の担体としてすぐれた作業性を有し、微生物反応
の反応性を向上させることができる。また、親水性樹脂
にくらべて安価な粉粒状体物を用いれば、親水性樹脂の
みを使用した微生物包括ゲル化担体にくらべて安価な固
定化用担体を得ることができる。

【００１５】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１６】１．無機質粉粒状体物本発明の無機質粉粒状体物は、例えば、ゼオライト、膨
張バーミキュライト、膨張パーライト、軽石、シリカゲ
ル、ヒル石、発泡ガラス、シラスバルーン、カキガラ等
の従来から微生物付着担体としても用いられており、親
水性樹脂の被覆がはがれにくい多孔質無機担体で、粉
状、粒状、フレーク状のもの、あるいは塊状、粗粒状の
ものは粉砕、破砕して、平均粒径０．１〜３０mmの範
囲、好ましくは１〜１０mmの範囲のものが用いられる。
平均粒径が０．１mm以下であると、流動層型のバイオリ
アクターの固定化物粒子に用いた場合、リアクター外に
流出しやすい。平均粒径が３０mm以上であると固定化物
粒子の表面積が小さくなり、微生物反応の反応速度が小
さくなる。

【００１７】また、無機質担体は一般に水より比重が大
きく流動操作がむずかしいという難点があるので、従来
からも、多孔質で空胴を持ち、みかけの比重が１に近い
ヒル石、軽石、発泡ガラス等が多く用いられているが本
願発明では、被覆に用いる親水性樹脂との比率により固
定化用担体としての比重をこまかく調製するために適し
た無機質担体として、みかけ比重が０．９９〜１．１０
の範囲内のもの、特に０．９９５〜１．０５の範囲内の
ものが用いられる。みかけの比重が０．９９より小さい
と固定化物粒子に用いた場合水に浮きやすく、１．１０
より大きいと水に沈みやすく、いずれも流動操作がむず
かしくなる。

【００１８】２．有機質粉粒状体物本発明の有機質粉粒状体物は、例えば、ポリエチレン、
ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリエ
ステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂等の合
成高分子を粉状、粒状に粉砕したもの、粒状に成型した
もの等が用いられる。合成高分子は比重が１に近いもの
も多く、オレフィン系のモノマーの重合体、共重合体は
比重が１より小さいものもあり、共重合組成の調節によ
って種々の比重の共重合体を得ることもできる。また、
合成高分子は、適当な重合方法、成型方法をとることに
より、粒状、中空状、多孔体、発泡体等の固定化用担体
として適当な形状のものを得ることも可能である。ま
た、木材、麻、わら等の天然高分子を粉砕したもの、こ
れらに樹脂を含浸させた複合体、更には無機質粉粒状体
物と樹脂との複合体等も親水性樹脂で被覆する粉粒状体
物として使用し得る。

【００１９】以上のように、有機質粉粒状体物は、種々
の形状、粒径、比重のものが得られるが、本願発明で
は、無機質粉粒状体物と同様に、親水性樹脂の被覆がは
がれにくい多孔体状、発泡体状、中空状の粉末状、粒子
状、フレーク状の形態を有する平均粒径０．１〜３０mm
の範囲、好ましくは１〜１０mmの範囲のものが用いられ
る。

【００２０】また、有機質粉粒状体物の比重は、無機質
粉粒状体物と同様に比重０．９９〜１．１０の範囲内の
もの、特に０．９９５〜１．０５の範囲内のものが用い
られる。

【００２１】上記、無機質及び有機質粉粒状体物は、そ
れぞれ単独又は２種以上併用してもよく、また、無機質
と有機質を併用してもよい。

【００２２】３．親水性樹脂本発明において用いられる親水性樹脂は広範囲に選択す
ることができる。アルギン酸、カラギーナン、コラーゲ
ン、キトサン等の親水性樹脂は天然高分子であるので、
微生物の付着性及び増殖性が良好であり、これらの天然
高分子の含水ゲル化物は微生物包括固定化用担体として
広く用いられている。これらの天然高分子を親水性樹脂
として上記粉粒状体物を被覆して、固定化用担体として
用いれば、微生物の付着性及び増殖性の良いバイオリア
クター用固定化物粒子が得られる。

【００２３】これら天然高分子と同様に、ポリビニルア
ルコール、ポリアクリルアミド等の親水性合成高分子の
含水ゲル化物も微生物包括固定化用担体として広く用い
られている。これら親水性樹脂は、付着、増殖させる微
生物や、被覆する粉粒状体物の材質に応じて、樹脂構
造、官能基、架橋度、分子量等を設計、選択できるとい
う特徴がある。

【００２４】このような親水性合成高分子として、近年
注目されているものに親水性光硬化性樹脂がある。親水
性光硬化性樹脂としては、例えば、分子量４００〜４，
０００のポリエチレングリコールを、イソホロンジイソ
シアネート等のジイソシアネート化合物でウレタン化
し、次いで（メタ）アクリル酸２−ヒドロキシエチルを
付加した不飽和ポリエチレングリコール、分子量４００
〜４，０００のポリエチレングリコールと、分子量４０
０〜４，０００のポリエチレングリコールとの混合物を
ジイソシアネート化合物でウレタン化し、次いで（メ
タ）アクリル酸２−ヒドロキシエチルを付加した不飽和
ポリエチレングリコール／ポリプロピレングリコール複
合体、ポリビニルアルコールにＮ−メチロールアクリル
アミドを付加させた不飽和ポリビニルアルコール等が挙
げられる。

【００２５】これらの親水性光硬化性樹脂は、付着ある
いは包括させる微生物に影響の少ない光照射で架橋ゲル
化させることができ、微生物が付着増殖しやすい親水性
／親油性バランス構造や、含水率の調整が容易で、更に
アルギン酸や、Ｋ−カラギーナンのようなゲル化補助剤
を用いると、水中に任意の形状にゲル化成型できるとい
う特徴を有する。

【００２６】更に、微生物の付着性、増殖性を良くする
ため、親水性光硬化性樹脂に、アルギン酸、ゼラチン、
コラーゲン等の天然高分子をグラフトしたグラフト化物
も用いられている。例えば、スチルバゾリウム基を含有
するポリビニルアルコールにゼラチンをグラフトしたも
のは微生物ばかりでなく動物、植物の細胞の付着増殖に
好適である。

【００２７】以上に述べた天然高分子、合成高分子の親
水性樹脂は、付着、増殖させる微生物の種類や、被覆す
る粉粒状体物の材質に応じて適宜選択すればよい。また
該粉粒状体物に該親水性樹脂を被覆する方法は特に制限
されるものでなく、例えば、親水性樹脂の水溶液又は水
分散液に粉粒状体物を浸漬し、次いで、触媒、ゲル化剤
等を含む液に浸漬し架橋硬化させる方法、上記樹脂液及
びゲル化液をそれぞれスプレーやカーテンコーターを用
いて粉粒状体物に塗布し、架橋硬化させる方法、親水性
樹脂が光硬化性樹脂の場合は、光硬化性樹脂を塗布した
後光照射により架橋硬化させる方法などがある。

【００２８】親水性樹脂が有機溶媒にも可溶の場合は、
該樹脂及び必要に応じて架橋剤を加えた溶媒溶液を粉粒
状体物に浸漬法、スプレー法、カーテンコーター法等で
塗布した後、常温又は加熱乾燥させて架橋硬化させた
後、水に浸漬して被覆層を水で膨潤させて使用してもよ
い。

【００２９】かくして、得られた親水性樹脂で被覆され
た粉粒状体物は、比重が１に近く、粉粒状体物と親水性
樹脂の比率や含水量を調節することにより比重の調節も
可能であり微生物の付着性及び増殖性が良いため、固定
化微生物菌体を利用した、発酵、微生物変換等による有
用物質の生産や、廃水処理の流動層型バイオリアクター
に用いる微生物固定化用担体として有効に利用できる。

【００３０】また、付着、増殖させる微生物は、細菌
類、カビ類、酵母、放線菌類等のいずれの微生物であっ
てもよく、用途に応じて好適な微生物を選択すればよ
い。また、微生物の種類や、生産物の用途に応じて親水
性樹脂を選択することもできる。例えば、食品、医薬品
生産用途には残存モノマーや触媒の毒性のおそれのない
天然高分子を用い、糖、有機酸、抗生物質等の生産菌を
付着増殖させて用いるのが好ましい。また、燃料用エタ
ノール発酵には、アルコール発酵菌を、廃水処理用途に
は硝化菌を耐久性の良い光硬化性樹脂に付着、増殖させ
て用いることが好ましい。さらに、動物植物細胞を用い
た生理活性物質の生産には、光硬化性樹脂と天然高分子
のグラフト物が好適である。

【００３１】かくして、本発明の微生物固定化用担体
は、固定化生体触媒を使用したバイオリアクターによる
微生物連続反応の分野に広く利用できる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに説明す
る。

【００３３】実施例平均粒径３mmに破砕したみかけ比重１．０３の発泡ポリ
ウレタン粒子を、光硬化性樹脂ＥＮＴＧ−３８００（不
飽和ポリエチレングリコール／ポリプロピレングリコー
ルウレタン化複合体、関西ペイント社製品）２５％、ア
ルギン酸ナトリウム０．４％、光重合開始剤１．５％を
含む親水性樹脂水分散液に浸漬して、樹脂液を含浸させ
た後、これを取出し、２％塩化カルシウム水溶液に浸漬
して被覆樹脂層を一次凝集させた。次いで、塩化カルシ
ウム水溶液に浸漬したまま、３６６nm紫外線を上下から
５分間照射して光硬化性樹脂を架橋硬化させた。得られ
た親水性樹脂で被覆した発泡ポリウレタン粒子を流動床
型曝気槽（４０リットル）に充填率が１０％になるよう
に充填した後、ＮＨ₃ −Ｎ１０．７mg/l、ＮＯ_x−Ｎ
３．５mg/lを含む下水を通水量０．４m³/day、曝気槽
の水温１０〜１８℃の条件で連続運転を行なった。５０
日後担体に５，９３０mg/lの硝化菌が付着し、ＮＨ₃ −
Ｎ容積負荷０．３kg/m³・d 、担体硝化速度０．２kg/m³・
d の定常状態に達した。運転中担体の破損はなく、付着
菌体や、親水性樹脂層のはがれもなく、担体の槽外への
流出や槽底への沈降もなかった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ１２Ｎ 11/08 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径０．１〜３０mm、比重０．９９
〜１．１０の無機質及び／又は有機質粉粒状体物を微生
物の付着性及び増殖性にすぐれた親水性樹脂で被覆して
なる微生物固定化用担体。