JPH11341976A

JPH11341976A - 微量要素を抱括した菌体増殖用担体

Info

Publication number: JPH11341976A
Application number: JP15174198A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Maekawa; 孝昭前川
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 1999-12-14

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
や廃水処理等に有用な培養担体を提供する。【解決手段】菌の増殖のための微量要素や無機栄養塩
を抱括した高分子体（１１）が無機質多孔体（１２）に
より挾持積層されている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、菌体増殖のための微量要
素を合成または天然の高分子に抱括した要素高分子体が
合成または天然の無機質多孔体により挾持積層されてい
ることを特徴とする微量要素を抱括した菌体増殖用担体
（請求項１）を提供する。

【０００６】また、この出願の発明は、粒状体、筒状体
または板状体である前記菌体増殖用担体（請求項２）
や、ハニカム構造体である前記菌体増殖用担体（請求項
３）をも提供する。

【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金属要素や
無機栄養塩などの有用物質を結合型担体内の合成または
天然の高分子に高い濃度で抱括させる。そして、その周
辺に、微生物が棲息しやすい多孔質物質（合成または天
然の無機質多孔体）を配設し、微生物の棲息密度を高め
る。

【０００８】このような担体は、リアクタ内に配置し、
担体の周辺を処理すべき液体が担体に平行あるいは直交
する等の流れの中で微生物群に接触し、基質の分解がな
される。これによって、使用する高分子の毒性による菌
の活性低下を防止し、また、担体を構成する高分子体や
無機質多孔体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、菌の種とその特性ならびに利
用するリアクタの流動性に対応させて、菌の物理的はく
離を防止するものである。

【０００９】また、この発明は、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との観点か
ら、菌の密度は高密度化できることを発見したことに基
づいてもいる。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てもいる。

【００１０】微量要素や無機栄養塩類を抱括したこの発
明の高分子については、合成高分子では、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、それらのゲル等が
代表例として示される。これらの高分子に微量要素や無
機栄養塩類が抱括されて固定化されている。この高分子
は微粒子ポリマーの集合体としても構成できる。

【００１１】また、さらには、高分子としては天然のも
のでもよく、寒天ゲル、セルロース系、多糖類の各種の
もの等であってよい。この発明の無機質多孔体として
は、合成または天然の各種のものでよく、セラミックス
や、多孔質コンクリート、岩綿、軽石等の火山性の多孔
質体などが使用される。この多孔体は空隙率が９５％よ
りわずかに少ないか、９８％をわずかに上回る近似範囲
も含めて９５〜９８％程度、より好ましくは９５〜９８
％で、空隙の直径が２〜０．１ｍｍのものが最も菌の増
殖に適している。また、用いる菌の増殖に有害な物質
（Ｃｄなどの重金属）を溶出しないものを選ぶ必要があ
る。さらに、天然物にあっては通性嫌気性菌によって容
易に分解されないものを選定することが重要である。

【００１２】前記の微量要素さらには無機栄養塩を抱括
した要素高分子体は、この発明の担体においては、前記
の無機質多孔体に挾持された状態で積層される。担体と
しての全体形状は、円筒、角筒等の筒状体、平板、曲面
板等の板状体、その他の各種の異形体であってよい。な
お、この発明における微量要素や無機栄養塩は、通常考
慮されている微量金属要素、そして無機栄養塩のうちか
ら選定されるもの等であってよく、たとえば微量要素と
しては、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｓｅ、
Ｍｏ、Ａｌ、Ｗ、Ｃａ、Ｂ等が例示され、また無機栄養
塩としては、アルカリ金属のリン酸塩や炭酸塩等であ
る。

【００１３】菌体そのものについては、前記多孔質体に
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。なお、
菌体は、あらかじめ担体に抱括されていてもよいし、担
体の特徴によって、担体表面に集積されるようにしても
よいし、その両者の共存であってもよい。

【００１４】添付した図面は、この発明の担体を例示し
たものであって、図１の場合には、円柱型の担体（１）
を例示しており、中心芯部の高分子体（１１）は、菌体
増殖のための微量要素、さらには無機栄養塩を抱括した
高分子体であり、この芯部は、周囲の無機質多孔体（１
２）により挾持積層された構造を有している。図２は、
多重円筒型の担体（１）を例示している。この場合に
は、中空部（１３）を持つ円筒体において、菌体増殖の
ための栄養塩等の微量要素を抱括した高分子体（１１）
を無機質多孔体（１２）により挾持して積層した構造を
有している。

【００１５】図３は、平板型の担体（１）を例示してい
る。この場合には、平板状の前記同様の高分子体（１
１）を無機質多孔体（１２）が挾持して積層した構造と
なっている。図４の場合には、ハニカム構造の担体
（１）を例示している。中空部（１３）を囲んだ壁面に
おいて、前記同様の高分子体（１１）が無機質多孔体
（１２）により挾持積層されている。

【００１６】たとえば以上のような担体は、バイオリア
クタ内に設置されることになる。このバイオリアクタへ
の使用に際しては、リアクタ内の液流の流れとの関連
で、培養が最も効率的に行われるように、培養の目的、
対象の菌種とその性質、基質、微量要素や無機栄養塩の
拡散速度等を考慮して担体とその配置を定めることがで
きる。

【００１７】たとえば図５は、図１〜３のような担体
（１）をリアクタ（２）内に装入した例であり、図６
（Ａ）（Ｂ）は、角柱状または円柱状の無機質多孔体
（１２）を、複数個所において略平行にくりぬいて円柱
状または粒子状の前記同様の微量要素・無機栄養塩を抱
括した高分子体（１１）を充填した例を示したものであ
る。図７の場合には、その側断面図（Ａ）および平面図
（Ｂ）に示したように、たとえば図３の平板状の担体
（１）をリアクタ（２）内に、流れを制御するように、
上下および左右に千鳥状に配置されている。図８は、図
１〜３の担体（１）を、培養液の流れ方向に対して、前
記無機質多孔体（２）の側面部が略平行になるように配
置した例を示している。図９は、図３、図４および図６
（Ａ）の担体（１）をバイオリアクタに積んで構成を例
示しており、同様に、側面部が流れに略平行になるよう
にしている。この図９の態様においては、前記高分子体
の充填率を実有効容積の１５〜２５％（体積率）とする
ことで優れた機能が発揮されていることが確認されてい
る。

【００１８】この発明の担体の使用によって、たとえば
菌体濃度は１０〜２５ｇ−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、

【００１９】

【数１】

【００２０】で表せる。ここで、μは菌の比増殖速度、
Ｘは菌の密度、Ｙ_X/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μ_max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２〜１
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２〜１０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。

【００２１】そこで以下実施例を示し、さらに詳しくこ
の発明について説明する。

【００２２】

【実施例】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、得られた高分子体を、図６（Ｂ）の円柱状に
なるように無機質多孔体としてのロックウール（石綿）
の６本のくりぬき部に充填し、担体に充填した高分子の
容積が液部の２０％に相当する割合としてメタン菌の培
養を行い、担体を用いない場合と比較した。液温度を、
５℃、１５℃、２５℃の各々とした。

【００２３】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。さらにまた表４は、無機質多孔体とし
てのロックウール（石綿）の物理的物性と組成を示した
ものである。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】メタン菌の培養について、各々の培養温度
での担体を用いない場合と比べた結果メタン菌量および
メタン発生速度については表５のとおりの結果が得られ
た。

【００２９】

【表５】

【００３０】リアクタ内に装入する前記高分子体と無機
質多孔体のうち、培養に影響を及ぼすのは主として高分
子体の容積と無機質多孔体の空隙率であることが確認さ
れているが、空隙率が９５〜９８％であるならば多孔体
のみかけの体積はほとんど影響がない。担体が図５の形
態である場合、高分子体の容積は液容量の２５％をおよ
その上限としていると判断される。

【００３１】そして、表５から明らかなように、担体を
用いない場合に比べてメタン菌量で２．３〜４．８倍、
メタン発生速度で４．５〜５．８倍の優れた効果が得ら
れていることから、図７〜図９に示す模型プラグフロー
方式のバイオリアクタにおいても同様に優れた結果が得
られると考えられる。そこで、実際の生態系への応用と
して、硝化・脱窒菌を用い、生活廃水路の底に、多孔性
コンクリートブロックに前記高分子体を組み込んで図６
（Ａ）のようにしたものを置いて実験したことろ、Ｔ−
Ｎ、Ｔ−Ｐでそれぞれに５０％〜６０％、４０〜５０％
（年間平均）の除去率を達成している。

【００３２】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、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ができ
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】この発明の円柱状の担体を例示した斜視図であ
る。

【図２】多重円筒状の担体を例示した斜視図である。

【図３】平板状の担体を例示した斜視図である。

【図４】ハニカム状構造の担体の一部を例示した斜視図
である。

【図５】この発明の担体をバイオリアクタに装入した例
を示した断面図である。

【図６】（Ａ）（Ｂ）は、各々、角柱状または円柱状の
多孔体を複数個所くりぬいて高分子体を充填した担体の
例を示した斜視図である。

【図７】（Ａ）（Ｂ）は、各々、バイオリアクタへの担
体の配置例を示した側断面図および平面図である。

【図８】バイオリアクタ内の流れと平行に担体を配置し
た例を示した断面図である。

【図９】図３、図４または図６（Ａ）の担体を配置した
例を示した断面図である。

【符号の説明】

１担体１１高分子体１２無機質多孔体１３中空部２リアクタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】菌体増殖のための微量要素、もしくは微
量要素と無機栄養塩を合成または天然の高分子に抱括し
た要素高分子体が合成または天然の無機質多孔体により
挾持積層されていることを特徴とする微量要素を抱括し
た菌体増殖用担体。
【請求項２】粒状体、筒状体または板状体である請求
項１の菌体増殖用担体。
【請求項３】ハニカム構造体である請求項１の菌体増
殖用担体。