JPS61158786A - 担体包括固定化微生物または担体包括固定化微生物群の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、固定化微生物または固定化微生物群の製造法
、特に、微生物または微生物群を多孔性担体内にポリビ
ニルアルコールを用いて固定化させる方法に関する。

（従来の技術） １９５０年代前半から、酵素を担体結合法、架橋法。

包括法等で固定化する研究が盛んになされ、その一部は
すでに実用化されている。１９７５年以降、酵素ではな
く、微生物そのものを高分子材料中に包括固定化するい
わゆる“Ｗｈｏｌｅ　Ｃｅ１ｌ　Ｅｎｔｒａｐｍｅｎｔ
　”（以下ＷＣＥと略す）が注目されるようになり。

種々の高分子材料によるＷＣＥが報告されている。

これまでに報告されているＷＣＥに用いることのできる
代表的な高分子材料としては、アクリルアミド、に−カ
ラギーナン、アルギン酸ソーダおよび寒天があり、特に
アクリルアミドと寒天とを併用した包括固定化法が有望
視されている。しかし。

アクリルアミドはコストが高＜、微生物に対して毒性を
示す。さらにゲル固定化物の成形化に手数がかかり、ゲ
ル固定化強度もやや弱い。

に−カラギーナンは微生物に対する毒性が少なく、成形
が容易であるため、エタノール醗酵の実験プラントでの
酵母の固定化高分子材料として使用されている。しかし
、天然のカラギーナンにはゲル強度を弱めるλ−カラギ
ーナンが含まれているのでこれを分離する必要があり、
そのためにコストが高くなるという欠点がある。アルギ
ン酸ソーダは２価格が安くしかも成形が容易であるとい
う利点があるものの、リン酸緩衝液や＋　Ｍｇ”＋　　
Ｋ”のような微生物に必須のカチオンの存在下でゲル強
度が不安定となる欠点がある。このように、これまでに
開発され、報告されているＷＣＥ用の高分子材料にはい
ずれも致命的欠点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その
目的とするところは、安価で、微生物に対し毒性のない
、しかも固定成形化が容易であり固定化度の強いＷＣＥ
用高分子材料を用いて、固定化微生物または固定化微生
物群の製法を提供することにある。本発明の他の目的は
、上記価れた特徴を有するＷＣＥ用高分子材料を用いて
、任意の形状の担体中に簡単な操作で微生物または微生
物群を強固に固定する方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の担体包括固定化微生物または担体包括固定化微
生物群（以下、担体包括固定化微生物（群）とする。）
の製造法は、（ａ）微生物または微生物群とポリビニル
アルコール水溶液とを混合する工程、（ｂ）該混合液を
多孔性担体に吸収させる工程。

および（Ｃ）該混合液を吸収した多孔性担体を飽和ホウ
酸水溶液に浸漬し、該混合液をゲル化させることにより
、微生物または微生物群を多孔性担体内のポリビニルア
ルコール−〇３ＢＯ，＋のモノディオール格子中に包括
固定化させる工程、を包含し、そのことにより上記目的
が達成される。さらに９本発明の担体包括固定化微生物
（群）の製造法は。

（ａｌ　ｌ生物または微生物群とポリビニルアルコール
水溶液とを混合する工程、（ｂ）該混合液を多孔性担体
に吸収させる工程、および（ｃ）該混合液を吸収した多
孔性担体を凍結乾燥することにより微生物または微生物
群を多孔性担体内のポリビニルアルコール重合体中に包
括固定化する工程、を包含し。

そのことにより上記目的が達成される。

本発明に使用されるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）は
１重合度が５００〜３，０００．好ましくは１．０００
〜２，０００．でかつケン化度が７０％以上、好ましく
は９０％以上である。重合度が過度に低いとゲル化に時
間がかかりすぎ、過度に高いと粘度が高まり取り扱いの
上で問題が出てくる。多孔性担体としては、ポリビニル
アルコールスポンジなどの微細孔を有する合成スポンジ
が適するが、微細孔を有し、使用目的に応じて安定な材
料（例えば。

使用中に劣化しない材料）であれば使用可能である。多
孔性担体は９球状、角形状、板状、棒状。

糸巻玉状など、定形・不定形の形状が任意に選択でき、
大きさも用途に応じて任意に選択される。

用いられる微生物（群）は格別である必要はなく、その
使用目的に応じて公知のあらゆる活性を有するものが適
用される。例えば１本発明方法により得られる系をフェ
ノール廃水の処理に適用する場合には、微生物としてフ
ェノール分解活性を有するものが使用される。下廃水の
処理に適用する場合には、微生物群としては９例えば、
活性汚泥微生物群、嫌気性消化細菌群、光合成細菌群。

繊維醗酵微生物群、上下水・工業廃水処理微生物群、が
用いられる。その他、微生物としてアルコール醗酵酵母
、硝化細菌、脱窒細菌など、極めて多数の微生物（群）
が用いられうる。

担体包括固定化微生物（群）を調製するには。

まず、上記ＰＶＡの３〜４０重景％重量ましくは１０〜
２０重量％と、１〜３０重量％、好ましくは５〜２０重
量％の微生物（群）とをＰＶＡ最！！濃度が５〜２０重
量％となるように均一に攪拌混合する。次に上記混合物
を多孔性担体内に吸収させ、これを飽和硼酸水溶液中に
約１〜５０時間浸漬する。飽和硼酸水溶液に浸漬すると
、多孔性担体内に吸収されているＰＶＡ水溶液がゲル化
してＰ　Ｖ　Ａ　−１１，ＢＯ。

のモノディオール型高分子格子を形成し、担体内の微生
物はこの格子中に固定化される。したがって担体内の微
生物（群）はゲル化ＰＶＡを介して多孔性担体内に固定
化されたことになる。浸漬・ゲル化時の温度は特に制限
されず、使用する微生物に有利な温度が適用される。得
られた担体包括固定化微生物（群）は耐水性を有する。

凍結乾燥により微生物（群）を固定化するときには、ま
ず、上記ＰＶＡの３〜４０重景％重量ましくは１０〜２
０重量％と、３０重量％以下、好ましくは１０〜３０重
量％の微生物（群）とをＰＶＡ最終濃度が５〜２０重量
％となるように均一に混合攪拌する。

次に、この混合物を多孔性担体内に吸収させ、２４時間
以上凍結乾燥させる。凍結乾燥処理により微生物（群）
が多孔性担体内部でＰＶＡ重合体中に包括固定化される
。固定化する微生物（群）菌体量を上げるには、上記混
合物を担体内に吸収させ凍結乾燥させる操作を複数回繰
り返せばよい。このようにして得られた凍結乾燥担体包
括固定化微生物（群）を使用するときには、室温で適宜
量の水を添加して復水させる。復水させると、微生物（
群）がゲル化ＰＶＡ重合体を介して多孔質担体内に固定
化された形態を有する。耐水性の担体包括固定化微生物
（群）が得られる。

このようにして得られた担体包括固定化微生物（群）は
、微生物工業用として、あるいは工業廃水処理、都市の
下水・汚水処理、上水処理、河川浄化などに広く利用さ
れうる。このような担体包括固定化微生物（群）におい
ては、微生物（群）がゲル化ＰＶＡ重合体を介して多孔
性担体内に固定されているので、取り扱いに便利である
。多孔性担体は多数の微細孔を有するため微生物菌体と
例えば、被処理水との接触面積が大きい。そのため各種
処理が効果的になされうる。ゲル化ＰＶＡ重合体は非常
に安定かつ強固で、半年間にわたる連続使用後でも、固
定化微生物（群）の活性が低下しないことはもちろんの
こと、ゲル強度は低下しない。ＰＶＡに少量のカゼイン
、アルミニウム塩、　Ｃｕ塩、チタンイオンなどを混在
させておけば。

これがＰＶＡ分子と結合を起こすので、より１層ゲル強
度の大きいゲル化ＰＶＡ重合体を得ることができる。

本発明方法によれば、何ら格別の過酷な処理条件が課せ
られないため、既知のほとんどすべての有用微生物、お
よび好気、嫌気の活性汚泥のような有用微生物群を、活
性をほとんど低下させることなく安価に担体内に固定化
することができる。

微生物（群）の活性を長期間にわたって維持することが
できるため、各種処理工程における効率が極めて良好で
ある。例えば１本発明方法により調製された好気あるい
は嫌気の担体包括固定化活性汚泥を充填した金網籠を活
性汚泥法の曝気槽や嫌気性消化槽に沈めて、従来同様に
操作する方法；嫌気あるいは好気の担体包括固定化活性
汚泥を嫌気接触循環消化槽や好気接触循環曝気槽内に充
填する方法などを採用すれば処理能力は飛躍的に上がる
。さらに、従来の回転円板法の回転円板を回転金網籠に
かえて、これに担体包括活性汚泥を充填使用すれば、処
理能力が飛躍的に上がる。この担体包括固定化活性汚泥
を充填した回転金網籠を汚濁河川内に設置すれば、河川
浄化は飛躍的に促進される。また、深い曝気槽と多量の
通気を必要とする従来の活性汚泥法を、浅い長い水路型
処理槽を形成し、この水路型処理槽に担体包括固定化活
性汚泥を充填する方法に変えれば、何ら曝気を必要とせ
ず、極めて経済的に汚水処理が可能である。上水処理に
おける従来の緩速濾過法で得られる発生汚泥を本発明方
法により担体包括固定化し。

この担体包括固定化汚泥を濾過池に敷設して被処理水を
濾過すれば、緩速濾過法を急速濾過法に変えることがで
きる。処理能力が高いため飲料水の異臭味やトリハロメ
タンもほぼ完全に除去されうる。

（実施例） 以下に１本発明を実施例について説明する。

ス１１粗１ （Ａ）担体包括固定化活性汚泥の調製：ＰＶＡ（ケン化
度９８〜９９％１重合度１７００）の２０重量％溶液７
５０ｇと、　ｆｉｌｌ　ａｎｄ　ｄｒａｗの全酸化処理
方式で培養して得られた活性汚泥の濃縮混合液（汚泥濃
度１００ｇ　／　１　）　　７５０ｇとを空気の入らな
いようにして充分に混合攪拌した。幅０．２〜１５ｃｍ
、縦０．７〜２．５ｃｍ、横１〜５ｃ＋ｎであり多数の
微細孔を有する不定形の合成スポンジ担体（ポリビニル
アルコールスポンジ）　　１，５００ｇに上記混合液を
空気が入らないようにして充分に吸収させた。混合液が
吸収された合成スポンジ担体を飽和硼酸溶液中に１〜５
０時間浸漬した。ゲル化した混合液を含む合成スポンジ
担体を引きあげ、水道水にて洗浄し、担体包括固定化活
性汚泥を得た。この担体包括固定化活性汚泥は、　２５
　ｇ　ＭＬＳＳ／ｋｇ湿重担体の活性汚泥を含有する。

（Ｂ）担体包括固定化活性汚泥を用いた水処理：（Ａ）
項で得られた担体包括固定化活性汚泥３ｋｇを第１図に
示す好気接触循環濾床による処理装置■に充填し、肉エ
キス、ペプトンを主体とする合成下水の連続処理を行っ
た。この装置は、上方からの流入被処理水を、上記包括
固定化活性汚泥１１０を配置した曝気槽（容量５．１）
１１にて曝気し。

得られた曝気処理水は処理水出口１３から系外に流出す
る機構になっている。装置の中央部には処理水循環手段
１２が配置されている。この手段１２は二重管で構成さ
れる。その第１の管は曝気槽１１の中心部に設けられ空
気や酸素などの気体を底の最深部付近に注入する気体流
入管１２１であり、第２の管はこの気体流入管１２１を
囲むように配置され液面上所定の高さの所に開口を有す
る処理水上昇管１２２である。上記気体流入管１２１に
は図外の空気圧縮ポンプからの空気が気体流入管１２１
の上方から下方に向かって吹き込まれる。この空気は気
泡となって気体流入管１２１の下方端から出ると処理水
上昇管１２２内を気体流入管１２１の外壁に沿って上昇
し、処理水上昇管１２２内の処理水を押し上げてゆく。

そして、この処理水は、処理水上昇管１２２の上端から
溢流し再び曝気槽１１へ落下する。このような吹き込み
空気のエアリフト効果により、被処理水は該装置内を循
環し曝気される。その運転条件を表１に示す。表２には
定常状態における処理成績を示す。

表１ 表２ 本実施例で用いた被処理水のＣ０Ｄｃｒ　（重クロム酸
カリ法により測定した化学的酸素要求量）は２５０ｍｇ
／　ｌと高い値を示すが、１．３時間という短い処理時
間で９４％という高いＣ０Ｄｃｒ除去率が得られた。こ
のときのＣ０Ｄｃｒ容積負荷は、　　４．６ｋｇ　Ｃ０
Ｄｃｒ／ｍ３−ｅ　　と著しく高く、従来の好気接触循
環曝気槽の約１０倍の処理能力をもつことが判明した。

さらに、このような高負荷域での運転にもかかわらず。

Ｔ−Ｎ　（全窒素）が４１％もの高効率で除去された。

これは、固定化に供した活性汚泥が硝化菌を高濃度に含
有する全酸化処理汚泥であったことから。

高負荷域にもかかわらず硝化が起こり、生成したＮｏ’
−Ｎが固定化汚泥内部の嫌気部で脱窒されたことに起因
する。

叉且斑１ （Ａ）担体包括固定化活性汚泥の調製：実施例１　（Ａ
）項と同様の方法で調製を行った。

（Ｂ）担体包括固定化活性汚泥を用いた水処理二本実施
例（Ａ）項で得られた担体包括固定化活性汚泥を用い、
肉エキス・ペプトンを主体とする合成下水を第２図（ａ
ｌに示すような、下水処理装置２を用いて処理した。こ
の処理装置２は、第２図（ａ）に示すように、容量が４
．７１の曝気槽２１と容量が２．３１の沈澱槽２２とか
らなる。曝気槽２１には、２，５ｋｇ湿重の担体包括固
定化活性汚泥２１１が金網能２１２に充填されて沈めら
れている。被処理水は曝気槽２１上部から流入し、沈澱
槽２２を経て処理水が処理水流出口２５から流出するよ
うになっている。曝気槽２１の底部からは、空気が送り
込まれて曝気処理がなされる。このような処理装置を、
第２図（ｂｌに示すように、２基並設し、１２時間ごと
に交互に処理装置内部が好気および嫌気状態となるよう
に運転を行った。まず、切り換えコック３０を切り換え
て一方の処理装置３に被処理水を導入し、１２時間曝気
処理を行った。次に、切り換えコック３０を切り換えて
、他方の処理装置４に被処理水を導入し。

１２時間曝気処理を行った。上記嫌気条件は、曝気槽を
密閉した後、気相をＮ２ガスと置換り、エアーポンプ３
１でＮ２ガスを槽底部から循環曝気し続けることにより
保持された。このようにして系内を嫌気状態下におくこ
とにより、好気状態下で担体包括固定化活性汚泥に摂取
除去された燐は溶液中に放出される。得られる燐濃厚廃
水は処理装置底部の排水口３２から引き抜かれ別途処理
される。燐を放出した担体包括固定化活性汚泥は続く好
気条件下で流入被処理水中の燐を効率的に除去すること
ができる。

本実施例処理装置の運転条件を表３に、処理成績を表４
にそれぞれ示す。

表３ 表４ 本実施例では、　　Ｃ０Ｄｃｒ容積負荷２．４ｋｇ　Ｃ
０Ｄｃｒ／ｍ３．ｅで、　Ｃ０Ｄｃｒを９３．６％、Ｔ
−Ｎを６０％、そしてＴ−Ｐを８５．７％の効率で除去
することができ、従来の活性汚泥法に比べてすぐれた処
理能力を示すことが明らかとなった。

大施炎主 （Ａ）担体包括固定化活性汚泥の調製：実施例１　（Ａ
）項と同様の方法で調製を行った。

（Ｂ）担体包括固定化活性汚泥を用いた水処理二本実施
例（Ａ）項で得られた担体包括固定化活性汚泥を用いて
、肉エキス、ペプトンを主体とする合成家庭雑廃水を第
３図に示す処理装置で処理した。この処理装置５は縦１
．５ｍ　Ｘ横３．０ｍの面積を有し、その中に水路がジ
グザグ状に形成された水路型自然表面曝気槽である。そ
の水路幅は１５ｃｍ　。

水路の深さは１２ｃｍ、水路の全長は１２ｍ、そして水
路の全容積は２１６Ｎである。この曝気槽に６５ｋｇの
担体包括固定化活性汚泥５１（固定化活性汚泥型Ｍ：乾
物換算で１　、５　ｋｇ　）を敷設し、被処理水流入口
５２から被処理水を流入させ、処理水流出口５３から処
理水を流出させた。

本実施例処理装置の運転条件を表５に、処理成績を表６
にそれぞれ示す。

表５ 表６ 表６に示すように良好な処理成績が得られた。

本処理装置は、従来の活性汚泥曝気槽とは異なり水路型
であるので曝気の必要がない。そのためこの方法は小河
川などの水路の浄化に利用できることが明らかである。

実新１粗１ （Ａ）担体包括固定化微生物の調製：ＰＶＡ（ケン化度
９８〜９９％９重合度１，７００）の１０重量％溶？＆
、１５０ｇとフェノール分解菌アシネトバクタ−（Ａｃ
ｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒ　ｓｐ、　）　　（細胞濃度４
０ｇ　／　１　）　５０ｇとを充分に混合攪拌した。実
施例１　　（Ａ）項で用いたのと同様な不定形の合成ス
ポンジ担体２００ｇに上記混合液を吸収させた後、凍結
乾燥させた。

さらにこの凍結乾燥後の合成スポンジ担体に再度上記混
合液を吸収させて凍結乾燥させた。従って合成スポンジ
には、４ｇの＾ｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒが包括固定化
されたことになる。この菌体固定凍結乾燥合成スポンジ
担体を室温下水道水中で復水させ。

担体包括固定化微生物を得た。

（Ｂ）担体包括固定化微生物を用いた水処理：本実施例
（Ａ）項で得られた担体包括固定化微生物を表７に示す
組成の合成フェノール廃水を用いｆｉｌｌ　ａｎｄ　ｄ
ｒａ−法で１週間活性化させた。活性化後の担体包括固
定化微生物を用い、第４図に示す処理装置６を用い１合
成フェノール廃水の連続処理試験を行った。

処理装置６は、第４図に示すように、上方からの流入被
処理水を上記担体包括固定化微生物６１１を配置した曝
気槽（容量０．７５１　）　６１にて曝気し。

曝気処理水は底部をフィルター６２０で構成した固液分
離槽６２を経て処理水流出口６３から系外へ流出する構
成になっている。曝気は圧縮空気をフローメーター６４
を介して散気球６５から曝気槽６１内へ吹き込むことに
より行われる。表８にその運転条件を、そして表９に定
常状態における処理成績を示す。

表７ 表８ 表９ 処理装置内の被処理水の滞留時間が１２時間のときは５
００ｍｇ／／ｌのフェノールを完全に除去することがで
きた。滞留時間が６時間の場合にはフェノールの除去率
は９０％であった。担体包括固定化フェノール分解閑の
フェノール分解活性は３ケ月以上の長期間にわたり安定
して維持された。

（発明の効果） 本発明は、このように、微生物または微生物群を安価で
毒性のないＰＶＡ重合体を介して多孔性担体内に温和な
条件で包括固定化する方法であるため、得られる固定化
微生物および固定化微生物群は微生物の所望の活性を長
期間にわたって維持しうる。

固定化用高分子材料はＰＶＡであり、かつ固定化条件が
温和であるため、固定されるべき微生物並びに微生物群
も格別である必要はなく既知のあらゆる種類の微生物お
よび微生物群が適用されうる。得られた担体包括固定化
微生物（群）は各種微生物工業用として、あるいは工業
廃水処理、下水・汚水処理、上水処理、河川浄化など広
範囲に利用され得る。微生物の活性が長期間にわたって
維持されるため、その運転可能な期間は従来に比べて非
常に長い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法により得られた担体包括固定化活性
汚泥を用いて下水処理実験を行った装置の模式図、第２
図（ａｌは別の下水処理実験用装置の模式図、第２図（
ｂｌは第２図（ａｌの装置を並設して実験に供したとき
の模式図、第３図はさらに別の下水処理実験用装置の模
式図そして第４図は本発明方法により得られた担体包括
固定化微生物を用いてフェノール廃水処理実験を行った
装置の模式図である。 １、２．３．４．５．６・・・処理装置、　１１．２１
．６１・・・曝気槽、　５１．１１０．２１１・・・担
体包括固定化活性汚泥。 ６１１・・・担体包括固定化微生物。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）微生物または微生物群とポリビニルアルコー
   ル水溶液とを混合する工程、 （ｂ）該混合液を多孔性担体に吸収させる工程、および （ｃ）該混合液を吸収した多孔性担体を飽和ホウ酸水溶
   液に浸漬し、該混合液をゲル化させることにより、微生
   物または微生物群を多孔性担体内のポリビニルアルコー
   ル−Ｈ＿３ＢＯ＿３のモノディオール格子中に包括固定
   化させる工程、 を包含する担体包括固定化微生物または担体包括固定化
   微生物群の製造法。 ２、（ａ）微生物または微生物群とポリビニルアルコー
   ル水溶液とを混合する工程、 （ｂ）該混合液を多孔性担体に吸収させる工程、および （ｃ）該混合液を吸収した多孔性担体を凍結乾燥するこ
   とにより微生物または微生物群を多孔性担体内のポリビ
   ニルアルコール重合体中に包括固定化する工程、 を包含する担体包括固定化微生物または担体包括固定化
   微生物群の製造法。