JPH10296284A

JPH10296284A - 微生物固定化用担体およびその製造法

Info

Publication number: JPH10296284A
Application number: JP9112382A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Koyou; 広行小要; 慎一 ▲吉▼松; Shinichi Yoshimatsu
Original assignee: Takeda Chemical Industries Ltd
Current assignee: Takeda Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1998-11-10

Abstract

(57)【要約】【課題】微生物活性の立ち上がりの早い、微生物群の
剥落を防止した微生物固定化用担体を提供する。【解決手段】微生物固定化用の吸水性物質のゲルであ
って、該吸水性物質と混合した無機化合物の溶出により
形成された多孔質性を有し、微生物生育促進用金属含有
物質を含むことを特徴とする微生物固定化用担体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微生物固定化用担
体、特に、水処理用微生物の固定化に適した微生物固定
化担体およびその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微生物を利用する廃水処理等の水処理に
おいては、担体に固定化した微生物を使用することが提
案され、水処理用の各種の微生物固定化用担体が開発さ
れている。このような担体としては、高吸水性の樹脂を
乾燥させたものが使用され、これを、微生物を含む液体
媒体に投入して樹脂上に微生物を保持させている。例え
ば、特公平１−３０４７６号には、ポリアクリル酸系吸
水性樹脂を用いた担体が開示され、中温嫌気発酵の余剰
汚泥を、吸水により吸着後、イオン架橋して固定化して
いる。特開平３−２５４６８１号には、ポリアクリル酸
を分散含有する吸水性発泡ポリウレタンを用いた担体が
開示され、硫化水素代謝菌を吸水により吸着させてい
る。特開平４−１７１０９８号には、ポリアクリル酸系
吸水性樹脂を用いた担体が開示され、硝化菌集積培養汚
泥を吸水により、吸着後、イオン架橋して固定化してい
る。特開平４−２２９１７４号には、ポリアクリル酸系
吸水性樹脂をポリエステル／レーヨンに付着させた担体
が開示され、中温嫌気発酵の余剰汚泥を、吸水により吸
着後、イオン架橋して固定化している。特開平６−１４
２６７４号には、イソブチレン／無水マレイン酸共重合
体、酢酸ビニル／アクリル酸共重合体ケン化物を用いた
担体が開示され、活性汚泥を吸水により吸着させてい
る。特開平６−２０７０７１号には、ポリビニルアルコ
ールを用いた担体が開示され、硫黄細菌、硝化菌を吸着
により固定化している。特公平７−４２４１号には、炭
酸塩や重炭酸塩により発泡させた担体が開示され、微生
物の包括固定に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されている担体では、樹脂の構造上、微生物は樹脂内
部までは進入できず、樹脂表面に存在するのみである。
したがって、微生物の活性が立ち上がるまでに長期間を
要したり、使用中に表面の微生物群が剥落するという問
題点がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の従
来の微生物固定化用担体の問題を解消した、水処理用微
生物固定化用担体を得るべく、鋭意検討を重ねた結果、
吸水性物質と、無機化合物を使用することにより、内部
まで微生物の保持に利用できる、微生物活性の発現が早
く、安定な多孔質の微生物固定化用の担体を得ることに
成功し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明
は、微生物固定化用の吸水性物質のゲルであって、該吸
水性物質と混合した無機化合物の溶出により形成された
多孔質性を有することを特徴とする微生物固定化用担体
を提供するものである。好ましくは、本発明の担体は、
微生物生育促進用金属含有物質を含む。また、本発明
は、吸水性物質と、無機化合物との混合物のゲルを形成
させ、得られたゲルから、該無機化合物を溶出させるこ
とを特徴とする当該微生物固定化用担体の製造法も提供
するものである。

【０００５】本発明の微生物固定化用担体は、つぎのよ
うな特徴を有する。（１）担体の内部に微生物を保持しうる空孔を持つ。（２）担体表面から内部の空孔群を貫通する細孔を持
つ。（３）微生物を含む媒体中で膨潤させる際に、細孔を通
じて細孔・空孔中にほぼ不可逆的に微生物を導入でき
る。（４）空孔中で微生物を増殖させることができる。（５）表面のみならず、内部まで微生物の保持に利用で
きるため、活性の発現が早く、安定している。（６）単独あるいは複数の微生物を含む媒体を吸収さ
せ、特定の物質を選択的に処理することができる。（７）微生物生育促進物質を含有することにより、安定
で、高い活性が得られる。かくして、本発明の微生物固
定化用担体は、水処理用の微生物、例えば、硝化菌、脱
窒菌汚泥微生物などの固定化に好適に使用できるが、こ
れに限らず、種々の分野において微生物の固定化に使用
できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の微生物固定化用担体に使
用する吸水性物質としては、微生物を保持でき、かつ、
無機化合物の溶出により、それ自体が多孔質ゲルを形成
できる物質であればいずれでもよく、例えば、従来から
水処理用微生物の固定化に使用される、ポリビニルアル
コール、ポリアクリルアミド、ポリエチルングリコール
およびそのモノ−またはジ−（メタ）アクリレート、ア
ルギン酸塩（例、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸ア
ンモニウム）、カラギーナン（例、κ−カラギーナ
ン）、寒天、ペクチン、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリ
（メタ）アクリル酸塩、デンプン／アクリル酸共重合
体、変成セルロース／アクリル酸共重合体等の溶液重合
により得られる吸水性高分子物質、ポリウレタン、イソ
ブチレン／無水マレイン酸共重合体、酢酸ビニル／アク
リル酸共重合体ケン化物、ポリヒドロキシエチル（メ
タ）アクリレートおよびその共重合体等の塊状重合によ
り得られる吸水性高分子物質、これらの高分子物質製造
のための重合に用いるポリエチレングリコールモノまた
はジ（メタ）アクリレート、末端イソシアネート化ポリ
エステルポリオール、末端イソシアネート化ポリエーテ
ルポリオール、分子量３０００以下のポリビニルアルコ
ール、感光性側鎖をもつ分子量３０００以下のポリビニ
ルアルコール等の反応性オリゴマー、（メタ）アクリル
アミド、（メタ）アクリル酸、２−ヒドロキシルエチル
（メタ）アクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン、ビニル
ピリジン、メチレンビスアクリルアミド、アリル（メ
タ）アクリレート、無水マレイン酸、イソブチレン、イ
ソプレン等の反応性モノマーを単独で、または２種以上
を組み合わせて使用できる。

【０００７】無機化合物としては、例えば、アルカリ金
属、アルカリ土類金属、遷移金属、ケイ素の塩、酸化
物、硫化物、水酸化物等が挙げられ、これを単独で、ま
たは２種以上組み合わせて使用できる。具体的には、例
えば、吸水性物質が、溶液重合で得られる高分子物質の
場合、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシ
ウム、フッ化カルシウム、リン酸水素カルシウム、次亜
リン酸カルシウム、亜リン酸カルシウム、リン酸三カル
シウム、ヨウ化カルシウム、ケイ酸カルシウム、亜硫酸
カルシウム、チオシアン酸カルシウム、これらの対応す
るカリウム塩、マグネシウム塩、ケイ素の塩等のような
溶解度が１０^-1〜１０^-30（ｇ／リットル）または溶解
度積が１０^-1〜１０^-50程度の水難溶性無機化合物が使
用できる。また、吸水性物質が、塊状重合によって得ら
れる場合は、上記した水難溶性無機化合物に加え、塩化
ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、炭酸水素
ナトリウム、リン酸二ナトリウム、リン酸一カリウム、
リン酸二カリウム、硫酸アンモニウム、硫酸マグネシウ
ム、塩化第一鉄、塩化第二鉄、硫酸銅等の水溶性無機化
合物も使用できる。

【０００８】本発明の微生物固定化用担体は、上記吸水
性物質と、無機化合物との混合物のゲルを形成させ、そ
れから該無機化合物を溶出して多孔質としたものであ
る。ゲルの形状は特に限定するものではなく、球状、棒
状、円柱状、角柱状、板状等、種々の形状に成型でき、
成型法も特に限定するものではない。また、粒径、気孔
率（成形物容積中の空隙容積の比）も特に限定するもの
ではないが、通常、粒径１〜２０ｍｍ、気孔率５〜９５
％程度の多孔質担体とすることが性能上、好ましい。ま
た、無機化合物は、担体に多孔質性を付与するもので、
特に限定するものではないが、例えば、粉末状、顆粒状
等の形状のものを、通常、使用する吸水性物質に対し、
５〜約８０重量％程度混合する。特に、良好な多孔質性
を付与できるところから、無機化合物は、０．１μｍ〜
５ｍｍ、好ましくは０．１μｍ〜１ｍｍ、さらに好まし
くは０．１μｍ〜５００μｍ程度の粒度とする。

【０００９】本発明の微生物固定化用担体は、好ましく
は、微生物生育促進用金属含有物質を含有する。かかる
物質としては、生育促進用金属、それを含有する化合
物、それらの混合物またはそれらを含む高分子物質、例
えば、鉄、モリブデン、マンガン、コバルト、亜鉛、
銅、ニッケル、カルシウム、マンガン、マグネシウム、
チタン、ジルコニウム、スズ等の、溶解度が１０^-1〜１
０^-30（ｇ／リットル）または溶解度積が１０^-1〜１０
^-50程度の難溶性金属の塩、酸化物、硫化物および金属
単体の１種以上またはそれらを含有する天然石、セラミ
ックス、活性炭、ケイ酸塩または高分子樹脂（例、不飽
和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂）が挙げられ
る。これらの物質は、粉末状、顆粒状（粒径１μｍ〜１
０ｍｍ、好ましくは１μｍ〜５ｍｍ）等の形状のもの
を、単独または２種以上を組み合わせて使用でき、その
添加量は、微生物の生育促進に有効な量であれば、特に
限定するものではないが、通常、ゲル形成に使用する吸
水性物質に対し、０．００００１〜５重量％程度使用す
る。少なすぎれば、効果が期待できず、多すぎると、か
えって微生物の生育を阻害することとなる。

【００１０】また、生育促進用基質を含有させることも
好ましい。このような基質は、例えば、被処理水中の有
機物、アンモニア、リン、炭酸塩（炭酸ガス）、その他
の金属の吸着材となるもので、活性炭、自然石を含む天
然セラミックス、人工セラミックス、ケイ酸塩化合物等
が挙げられる。これらの吸着材は、粉末状、顆粒状（粒
径１μｍ〜１０ｍｍ、好ましくは１μｍ〜５ｍｍ）また
はその他の任意の形状に成形したもの等を、単独または
２種以上を組み合わせて使用でき、その添加量は、微生
物の生育促進に有効な量であれば、特に限定するもので
はないが、通常、吸水性物質に対して、０．０１〜２０
重量％程度使用する。少なすぎれば、効果が期待でき
ず、多すぎると、担体強度が低下する。本発明の担体
は、一般に、乾燥した後、微生物の固定化に供され、所
定の微生物を含む媒体、例えば、微生物の培養液に乾燥
した担体を投入し、培養液と共に微生物を担体中に吸収
させる。

【００１１】本発明の微生物固定化用担体を製造するに
は、まず、吸水性物質と、無機化合物との混合物のゲル
を形成させる。例えば、吸水性物質の水溶液または溶融
物を調製し、これに無機化合物を添加、混合する。この
溶液には、ゲルを膨潤させるために、水溶性の物質、例
えば、アルギン酸ナトリウム等を少量添加してもよく、
さらに、要すれば、活性炭等の他の添加剤を添加する。
これを、例えば、室温等に放置して硬化させてゲルを得
る。要すれば、得られたゲルを、自体公知の方法、例え
ば、キャスティング、カッティング、滴下造粒等によ
り、適宜、成形する。成形したゲルを、該無機化合物を
溶出させることのできる溶媒、例えば、水や、酸の溶液
（例、塩酸、硫酸、硝酸、ホウ酸、酢酸、これらの水溶
液）またはアルカリの溶液（例、水酸化ナトリウム、水
酸化カリウム、水酸化カルシウム等の水溶液）に浸漬し
て、多孔質のゲルを得る。浸漬条件は特に限定するもの
ではないが、通常、４〜９０℃で、１〜２４時間、十分
量の溶媒に浸漬する。得られた多孔質のゲルは、自体公
知の方法、例えば、自然乾燥、温風乾燥、減圧乾燥、凍
結乾燥等で乾燥して、所望の、多孔質の微生物固定化用
乾燥担体を得る。

【００１２】上記のごとく、この乾燥担体を、所定の微
生物を含む媒体に投入し、微生物の固定化を行う。固定
する微生物は、特に限定するものではなく、例えば、硝
化菌（例、アンモニア酸化菌、亜硝酸酸化菌）等の好気
性微生物、脱窒菌等の嫌気性微生物、活性汚泥等の廃水
処理用微生物等が挙げられ、２種以上の微生物を同時に
固定化することもできる。特に、純化した硝化菌を固定
化したものは、好気的廃水処理に好適に使用できる。通
常、微生物の培養液またはその濃縮液重量として、乾燥
ゲルの１〜２０倍量を４〜３５℃にて、３０分〜３日間
吸収させることにより、使用する微生物のほとんどを固
定化することができる。本発明の担体を使用した固定化
微生物は、自体公知の方法で、下水、産業廃水等の廃水
や、河川の浄化等の水処理に利用できる。

【００１３】

【実施例】つぎに、実施例および比較例を挙げて本発明
をさらに詳しく説明するが、本発明は、これらに限定さ
れるものではない。実施例１アクリルアミド（和光純薬製）１５重量部と、メチレン
ビスアクリルアミド（和光純薬製）１重量部とを脱イオ
ン水６３重量部に溶解し、その溶液に炭酸カルシウム
（スーパー１７００、丸尾カルシウム製）１１重量部を
添加し、撹拌混合した。この混合液に、別途調製したア
ルギン酸ナトリウム（和光純薬製）の４％水溶液２１重
量部を加え、十分混合した。混合後、過硫酸ナトリウム
０．４重量部とジメチルアミノプロピオニトリル０．４
重量部とをそれぞれ添加し、室温にて硬化させ、ポリア
クリルアミドゲルを得た。このポリアクリルアミドゲル
を約５ｍｍ角に切断し、ゲルの約１０倍容積の１規定塩
酸水溶液中に浸漬し、脱炭酸を行うことにより、多孔質
ゲルを得た。得られたゲルを８０℃で１夜乾燥し、乾燥
ゲルをアンモニア酸化菌（ニトロソモナス・ユーロパエ
アＩＦＯ１４２９８）を含む培養液中に２日間浸漬し、
十分に膨潤させて固定化した。膨潤ゲル５ｍｌを０．９
％塩化ナトリウム水溶液で洗浄した後、表１に示す組成
をもつ培地１００ｍｌ中に投入し、２８℃にて振とうし
つつ馴養を行った。培地は毎日交換を行い、ゲルの活性
は、培地交換直後と交換後４時間目の亜硝酸生成量より
アンモニア酸化速度を算出することにより評価した。評
価結果を図１に示す。

【００１４】

【表１】アンモニア酸化速度測定用培地Ｎa₂ＨＰＯ₄・１２Ｈ₂Ｏ３３．８g ＫＨ₂ＰＯ₄ ０．７７g ＮaＨＣＯ₃ ０．５g (ＮＨ₄)₂ＳＯ₄ ２．５g ＭgＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ０．５mg ＣaＣl₂・２Ｈ₂Ｏ１８．４mg Ｆe−ＥＤＴＡ０．１mg 上記成分を脱イオン水で１０００ｍｌに希釈する。

【００１５】実施例２実施例１において、炭酸カルシウムを粒度分布の異なる
もの３種類（Ａ、Ｂ、Ｃ何れも日東粉化製、粒度分布を
図２に示す）に変更したほかは、実施例１に従った。結
果を図３に示す。

【００１６】比較例１ポリアクリル酸塩系吸水性樹脂粉末（住友化学製）を、
実施例で用いたアンモニア酸化菌を含む培養液に２日間
浸漬して固定化し、実施例と同一の条件で活性を評価し
た。結果を図１に示す。

【００１７】図１は、本発明（実施例１）と従来法であ
る高吸水性樹脂（比較例１）との比較を示すグラフで、
縦軸の数値は、担体に保持されているアンモニア酸化細
菌の活性を示す。図１から明らかなように、比較例１で
は評価の期間中に活性の発現が見られないのに対し、実
施例１においては、評価開始後短時間に、活性の発現が
見られ、その後も順調な増加を示している。このことか
ら、本発明の担体は、従来の担体に比べ、菌体の保持能
および増殖能が極めて優れていることが明らかである。

【００１８】図３は、実施例２で得られた各担体の粒度
と、菌体の保持能および増殖能の関係を示すグラフで、
縦軸の数値は図１と同様、アンモニア酸化細菌の活性を
示す。担体は、内部の細孔および空孔に菌体を保持する
ため、それらの形成状態が担体の性能を左右するが、細
孔および空孔の形成は担体中から無機塩を除去すること
によりなされるため、無機塩の性状が問題となる。実施
例２においては、粒度分布の異なる炭酸カルシウムを用
いて担体を作製し、実施例１と同じ方法で性能の比較を
行った。その結果、図３から明なごとく、粒度分布の広
い炭酸カルシウムを使用した場合に最も良好な性能が得
られることが判明した。

【００１９】実施例３実施例１と同様にして、ただし、微生物生育促進用金属
含有物質として、溶解度２．４４×１０^-13（ｇ／リッ
トル）の硫化銅１重量部を添加し、ＣuＳ含有率０．１
％、気孔率１０％の多孔質ゲルを得、アンモニア酸化速
度を測定して、ゲルの活性を評価した。結果を図４に示
す。

【００２０】実施例４アクリルアミド（和光純薬製）１５重量部とメチレンビ
スアクリルアミド（和光純薬製）１重量部を、飽和食塩
水６３重量部に溶解し、得られた溶液に塩化ナトリウム
粉末（和光純薬製）１１重量部と、溶解度が２．９×１
０^-3ｇ／リットルである銅成分を含む微生物生育促進用
金属含有物質（セブントール−Ｃ、武田薬品（株）製）
１重量部を添加し、撹拌、混合した。さらに、別途調製
したアルギン酸ナトリウム（和光純薬製）の４％水溶液
２１重量部を、得られた混合液に加え、十分混合した。
混合後、過硫酸ナトリウム０．４重量部とジメチルアミ
ノプロピオニトリル０．４重量部をそれぞれ添加し、室
温にて硬化させ、ポアクリルアミドゲルを得た。このポ
アクリルアミドゲルを約５ｍｍ角に切断し、ゲルの約１
０倍容積の脱イオン水に浸漬し、塩化ナトリウムを溶出
させて、Ｃu含有率０．１％、気孔率１０％の多孔質ゲ
ルを得た。得られたゲルを、８０℃で一晩乾燥し、乾燥
ゲルをアンモニア酸化菌を含む培養液中に２日間浸漬
し、十分に膨潤させた。評価は実施例１と同様にして行
った。結果を図５に示す。

【００２１】比較例２実施例４と同様にして、ただし、微生物生育促進用金属
含有物質を添加せずにゲルを調製し、評価した。結果を
図５に示す。図４および図５から明らかなごとく、微生
物生育促進用金属含有物質を担持させたゲルは、微生物
生育促進用金属含有物質を用いないゲルと比較して、明
らかにアンモニア酸化速度が増加している。

【００２２】

【発明の効果】以上記載したごとく、本発明によれば、
担体表面のみならず、担体内部まで微生物の保持に利用
できる、微生物活性の立ち上がりの早い、微生物群の剥
落を防止した微生物固定化用担体提供され、水処理用の
微生物、例えば、硝化菌、脱窒菌汚泥微生物などの固定
化に好適に使用でき、また、これに限らず、種々の分野
において微生物の固定化に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１および比較例１の担体におけるアン
モニア酸化細菌の保持能および増殖能の関係を示すグラ
フ。

【図２】実施例２で使用した炭酸カルシウムの粒度分
布を示すグラフ。

【図３】実施例２の担体におけるアンモニア酸化細菌
の保持能および増殖能の関係を示すグラフ。

【図４】実施例３の担体における馴養日数とアンモニ
ア酸化速度の関係を示すグラフ。

【図５】実施例４および比較例１の担体における馴養
日数とアンモニア酸化速度の関係を示すグラフ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微生物固定化用の吸水性物質のゲルであ
って、該吸水性物質と混合した無機化合物の溶出により
形成された多孔質性を有することを特徴とする微生物固
定化用担体。
【請求項２】微生物生育促進用金属含有物質を含む請
求項１記載の担体。
【請求項３】吸水性物質が、高分子物質、反応性オリ
ゴマーまたは反応性モノマーである請求項１記載の担
体。
【請求項４】微生物生育促進用金属含有物質が、生育
促進用金属、それを含有する化合物、それらの混合物ま
たはそれらを含む高分子物質である請求項１記載の担
体。
【請求項５】無機化合物の粒度が０．１μｍ〜５ｍｍ
である請求項１記載の担体。
【請求項６】気孔率５〜９５％の多孔質性を有する請
求項１記載の担体。
【請求項７】無機化合物が、アルカリ金属、アルカリ
土類金属、遷移金属、ケイ素の塩、酸化物、硫化物また
は水酸化物である請求項１記載の担体。
【請求項８】乾燥状態である請求項１記載の担体。
【請求項９】固定化する微生物が硝化菌である請求項
１記載の担体。
【請求項１０】吸水性物質と、無機化合物との混合物
のゲルを形成させ、得られたゲルから、該無機化合物を
溶出させることを特徴とする請求項１記載の担体の製造
法。
【請求項１１】吸水性物質と無機化合物との混合比
が、吸水性物質１に対して、重量比で、無機化合物０．
０５〜４である請求項１０記載の製造法。
【請求項１２】無機化合物が、アルカリ金属、アルカ
リ土類金属、遷移金属、ケイ素の塩、酸化物、硫化物ま
たは水酸化物である請求項１０記載の製造法。
【請求項１３】無機化合物の溶出を、水、酸またはア
ルカリの溶液にゲルを浸漬して行う請求項１０記載の製
造法。
【請求項１４】さらに乾燥する請求項１０記載の製造
法。
【請求項１５】微生物を含む液体媒体中に、乾燥した
請求項１記載の担体を入れて微生物を固定化して得られ
る固定化微生物。
【請求項１６】固定化する微生物が硝化菌である請求
項１５の固定化微生物。
【請求項１７】乾燥した請求項１記載の担体を使用す
ることを特徴とする水処理方法。
【請求項１８】請求項１５記載の固定化微生物を使用
することを特徴とする水処理方法。