JPH10327850A - 微量要素・無機栄養塩類拡散型菌体培養用担体 - Google Patents

微量要素・無機栄養塩類拡散型菌体培養用担体

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JPH10327850A
JPH10327850A JP9140181A JP14018197A JPH10327850A JP H10327850 A JPH10327850 A JP H10327850A JP 9140181 A JP9140181 A JP 9140181A JP 14018197 A JP14018197 A JP 14018197A JP H10327850 A JPH10327850 A JP H10327850A
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bacteria
porous body
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Takaaki Maekawa
孝昭 前川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い活性と高密度菌体によるバイオリアクタ
ーや廃水処理等において実現するための培養担体を提供
する。 【解決手段】 菌の増殖に有用な微量要素や無機栄養塩
が多孔体に抱括されている微量要素・無機栄養塩拡散型
の菌体培養担体とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、微量要素
・無機栄養塩類拡散型菌体培養用担体に関するものであ
る。さらに、この発明は、廃水処理装置、食品製造工
業、医薬品製造工業等に有用な微量要素・無機栄養塩類
拡散型菌体培養用担体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、担体を製造する方
法としては、菌や酵素を高分子ポリマーゲル内に抱括さ
せる方法（抱括法）が知られており、工業的に利用され
ている。しかしながら、従来の方法においては、菌の増
殖に有用な微量金属要素や無機栄養塩類が外部培養液か
ら担体内部に拡散移動することに依存しているために、
これらの物質の拡散速度は菌の増殖に律速される。ま
た、代謝された物質は担体表面への拡散抵抗があるため
に菌の増殖に阻害となる場合がある。さらに、ガス状の
物質が代謝される場合には担体の浮上や破壊が生じる。
さらにまた、抱括法等の従来の方法では使用する高分子
の毒性によって菌の活性が著しく減退するため、菌の密
度が高まっていてもその活性は菌の密度に必ずしも比例
しない等の問題が生じていた。
【０００３】そこで、これらの問題を解決するために、
菌と担体とを物理化学的に付着させる表面結合型担体が
開発された。しかしながら、この方法においては、菌が
増殖する際に分泌する粘着性の高分子状物質と担体の物
理化学的な付着に依存するため、菌の増殖は外部液から
浸入する液の無機栄養塩や微量要素成分の構成によって
律速される。さらに担体表面に存在する菌がバイオリア
クタ内で流動する際に菌のはく離が生じ、高密度集積培
養におのずから制限が発生する等の問題が生じていた。
【０００４】そこで、この出願の発明は、高い活性と高
密度菌体をバイオリアクタや廃水処理装置内に実現でき
る新しい微量要素・無機栄養塩類拡散型の菌体培養用担
体を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、菌の増殖に有用な微量要
素や無機栄養塩が多孔体に抱括されていることを特徴と
する微量・無機栄養塩類拡散型の菌体培養用担体（請求
項１）を提供する。また、この発明は、生分解性樹脂や
グルコース等の有機炭素源が前記担体に抱括されている
菌体培養用担体（請求項２）、菌類が前記担体に抱括さ
れている菌体培養用担体（請求項３）、前記の各担体に
おいて、高分子ポリマーにより表面が被覆されている菌
体培養用担体（請求項４）、前記の各担体において、そ
の表面で菌体が集積増殖され、再度高分子ポリマーで被
覆されている菌体培養用担体（請求項５）、生分解性樹
脂が被覆されている菌体培養担体（請求項６）、被覆高
分子ポリマーには磁性粉体が含まれている菌体培養用担
体（請求項７）等も提供する。
【０００６】そして、この発明は、前記の多孔体は、高
分子ポリマー、または高分子ポリマーのゲルである菌体
培養用担体（請求項８）をはじめ、多孔体は、セラミッ
クス、または天然石材である菌体培養用担体（請求項
９）、前記高分子ポリマーが高分子ポリマーゲル内に抱
括されている菌体培養用担体（請求項１０）を提供する
ものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、前記のとおり
の結合型担体として、菌の増殖に必要な微量要素や無機
栄養塩などの有用物質を結合型担体内に高い濃度で抱括
させる。これによって、使用する高分子ポリマー等の多
孔体の毒性による菌の活性低下を防止し、また、担体を
構成する高分子ポリマー等の厚さや空隙を調整すること
によって増殖阻害を防止する。さらに、担体表面に増殖
させた菌の物理的はく離を防止する表面被覆を施すな
ど、菌の種とその特性ならびに利用するリアクタの流動
法に対応させて、菌のはく離を防止するものである。
【０００８】また、この発明は、Ｏ2 をＨ2 を基質とす
るメタン菌の高濃度培養を図る研究上の知見、すなわち
菌の増殖に必要な微量要素・無機栄養塩の欠乏が菌の増
殖を律速することから、増殖を制限する物質を供給する
ことにより、菌の密度は高密度化できることを発見した
ことに由来している。さらにリービッヒの最小則、すな
わち、どのような菌も菌が必要としている物質が１つで
も欠乏すると菌の増殖は停止することにもこの知見は符
合する。この知見より、バイオリアクタや廃水処理装置
内で活動している各種の菌の増殖に必要な物質の供給方
法として、担体内部にこれらの物質を高濃度に包括さ
せ、拡散によって担体内部より表面に拡散移動させて、
表面に生息する菌にこれらの物質を供給する。これを菌
が取り込むことによって増殖をつづけ、菌の高密度状態
が維持可能になることを実験的に確認した。
【０００９】微量要素や無機栄養塩類を抱括したこの発
明の担体では、高分子ポリマーからなるゲル等を多孔体
として使用し、このゲルに微量要素や無機栄養塩類を固
定化しているが、多孔体そのものについては、多孔性高
分子ポリマーの各種のもの、高分子ポリマーのゲル、あ
るいは微粒子ポリマーの集合体等として構成でき、さら
には多孔性セラミックスや、軽石等の天然石材であって
もよい。
【００１０】高分子ポリマーもしくはそのゲルについて
は、たとえば吸水性ポリマー等として知られているアク
リル系、メタアクリル系、ビニルアルコール系、ビニル
エステル系、ポリエーテル系、ポリエステル系、ポリオ
レフィン系等の各種のポリマーまたは共重合ポリマー等
が代表例として示される。菌体そのものについては、前
記多孔体を持つこの発明の担体に対して、たとえばその
表面や、内部の細孔内、隙間内等において、たとえば共
有結合、物理的吸着、あるいはイオン結合によって結合
固定化されることになる。菌体は、担体に抱括されてい
てもよいし、担体表面にのみ集積されていてもよいし、
その両者の共存であってもよい。
【００１１】表面を被覆する高分子ポリマーについて
は、多孔体に抱括されている微量要素、無機栄養塩類、
さらには生分解性樹脂やグルコース等の有機炭素源等の
拡散を所要のものに制御する役割を果たす。生分解性樹
脂は、その緩慢な分解によって有機炭素源の菌体への供
給を図るようにしている。モデルとして図示して説明す
ると、まずこの発明の基本構成は、図１のように示すこ
とができる（請求項１）。高分子ポリマーのゲル等の多
孔体に、微量金属要素や無機栄養塩が抱括担持された菌
体培養用担体（Ａ）が構成される。図２は、さらに有機
炭素源、生分解性樹脂等を抱括させた担体（Ａ）を示し
ている（請求項２）。図３は、菌体を抱括されている状
態、たとえば生分解性プラスチックや有機炭素源に菌体
が植菌された状態の担体（Ａ）が例示されている（請求
項３）。
【００１２】図４には、前記いずれかの担体において、
その表面に拡散制御用被覆（１層以上）が、高分子ポリ
マーにより構成されているこの発明の担体（Ｂ）が例示
されている（請求項４）。図５は、以上の担体（Ａ）
（Ｂ）の各々について、表面に菌体を集積させ、さらに
その上に被覆として高分子ポリマーを設けた場合の担体
（Ｃ）を例示している（請求項５）。図６は、担体
（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれかについて生分解性樹脂を
被覆した担体を例示してもいる（請求項６）。
【００１３】そして図７は、図５の例について拡大モデ
ルとして例示したものである。なお、高分子ポリマーに
よって被覆したこの発明の担体においては、ポリマーに
フェライトなどの磁性粉体を分散含有させ、外部からの
磁気によって担体の移動を制御可能としてもよい。図８
はその例をモデルとして例示したものである。添付した
図面の図９〜１１は、この発明の担体をリアクター等に
用いる場合を例示したものである。
【００１４】この発明の担体の使用によって、たとえば
菌体濃度は２０〜４０ｇ−ｄｒｙ・ｃｅｌｌ／ｌが期待
できる。従来の方法では、１〜５ｇ−ｄｒｙ・ｃｅｌｌ
／ｌ程度であった。また、廃水処理などの分解系では基
質量をＳとすれば、その分解は、
【００１５】
【数１】
【００１６】で表せる。ここで、μは菌の比増殖速度、
Ｘは菌の密度、Ｙx/s は菌の収率（菌によって一定の値
をとる）を示す。この発明により、μはμmax に近いと
ころで運転可能となるため、菌密度Ｘを従来より８〜２
０倍高めることができるので、懸濁培養装置の分解速度
は従来より指数関数的に５０〜２００倍に増加し、従来
の担体を利用したバイオリアクタと比較して数倍増加さ
せることが可能になる。
【００１７】
【実施例】添付した図１２は、この発明の担体として、
重量平均分子量約２０００、ケン価度９８％のものを約
１６重量％で水に溶解させて飽和ホウ酸で架橋させて得
られたＰＶＡ（ポリビニルアルコール）ポリマーゲル
に、微量要素と無機栄養塩としての金属塩類を担持させ
てメタン菌の培養を行った場合の処方濃度との関係を示
したものである。次の表１は、微量金属要素を、表２
は、基礎無機塩類を、また表３は、ビタミン溶液の組成
を各々例示したものである。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】
【表３】
【００２１】従来の処方濃度より１５０倍の時に、メタ
ン生成速度は約３．７倍に増大していることがわかる。
これによって、この発明の優れた作用効果が確認され
る。図１３は、ＮＨ4 + （アンモニュウム）濃度が非常
に高い廃水の処理において前記同様の担体を用い、、水
素生産菌（Enterobactor aerogenes）による水素発生実
験において、この発明の担体を使用した水素生産菌の固
定化培養と担体を使用しない水素生産菌の懸濁培養を比
較した結果である。水素生産菌はアンモニヤ態窒素によ
る増殖阻害を受けやすい。これをみるためにｐＨの許容
範囲を調べて比較した結果である。担体を使用した水素
生産菌のｐＨの許容範囲は懸濁培養のそれと比較して非
常に広い。最適ｐＨは５．２〜５．３で同じであるが、
このとき、前者の水素生産速度は後者の約２倍であり、
この発明の効果が認められる。
【００２２】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、この出願の
発明によって、高い活性と高密度菌体をバイオリアクタ
や廃水処理装置内に実現できるため、流動床や固定床培
養装置などの各種バイオリアクタの能力の向上が期待で
きる。さらにこの担体を生態系など環境保全に利用する
ことによって、悪化している環境の修復や修復速度の向
上に役立てることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の担体（Ａ）を例示した図である。
【図２】担体（Ａ）に生分解性樹脂／有機炭素源を担持
させた例を示した図である。
【図３】担体（Ａ）に生分解性樹脂や有機炭素源に菌を
植菌した例を示した図である。
【図４】拡散制御用被覆を持つ担体（Ｂ）を示した図で
ある。
【図５】表面菌体の上に被覆を持つ担体（Ｃ）を示した
図である。
【図６】担体（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれかに生分解性
樹脂を被覆した例を示した図である。
【図７】図５について拡大モデルとして示した図であ
る。
【図８】磁性体被覆を有する例を示した図である。
【図９】流動床バイオリアクターを例示した図である。
【図１０】固定床バイオリアクターを例示した図であ
る。
【図１１】間欠ばっ気硝化・脱窒装置を例示した図であ
る。
【図１２】実施例としてのメタン生成の結果を例示した
図である。
【図１３】（Ａ）（Ｂ）は、各々、水素発生速度に対す
るｐＨの影響を例示した図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 菌の増殖に有用な微量要素や無機栄養塩
    が多孔体に抱括されていることを特徴とする微量・無機
    栄養塩類拡散型の菌体培養用担体。
  2. 【請求項２】 生分解性樹脂やグルコース等の有機炭素
    源が請求項１の担体に抱括されている菌体培養用担体。
  3. 【請求項３】 菌類が請求項１または２の担体に抱括さ
    れている菌体培養用担体。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかの担体にお
    いて、高分子ポリマーにより表面が被覆されている菌体
    培養用担体。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかの担体にお
    いて、その表面で菌体が集積増殖され、再度高分子ポリ
    マーで被覆されている菌体培養用担体。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかの担体にお
    いて、生分解性樹脂が被覆されている菌体培養担体。
  7. 【請求項７】 請求項４または５の担体において、被覆
    高分子ポリマーには磁性粉体が含まれている菌体培養用
    担体。
  8. 【請求項８】 多孔体は、高分子ポリマー、または高分
    子ポリマーのゲルである請求項１ないし７のいずれかの
    菌体培養用担体。
  9. 【請求項９】 多孔体は、セラミックス、または天然石
    材である請求項１ないし７のいずれかの菌体培養用担
    体。
  10. 【請求項１０】 請求項８の担体において、高分子ポリ
    マーが高分子ポリマーゲル内に抱括されている菌体培養
    用担体。
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