JPS6329997B2

JPS6329997B2 -

Info

Publication number: JPS6329997B2
Application number: JP27521684A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hashimoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1988-06-16
Also published as: JPS61158786A

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 Cell
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、κ−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
く、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。 κ−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
験プラトン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、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、Mg²⁺、
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、上記優れた
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)該混合液を微生物含有液を担持し得る担
体に吸収させる工程、および(c)該混合液を吸収し
た該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
群を該担体内のポリビニルアルコール−H₃BO₃
のモノデイ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、本発明の担体包括固定化微生物
（群）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)
該混合液を微生物含有液を担持し得る担体に吸収
させる工程、および(c)該混合液を吸収した該担体
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、重合度が500〜3000好ましくは1000
〜2000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。微生物含有液を担持
し得る担体としては、ポリビニルアルコールスポ
ンジ、セルロース系スポンジ、ウレタン系スポン
ジ、アクリル系スポンジなどの微細孔を有する合
成高分子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、脱脂綿な
ど）であれば使用可能であり、これらは担体とし
て上記合成高分子スポンジと同等の効果がある。
微生物含有液を担持し得る担体は、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）は格別であらゆる必要
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、本発明方
法により得られる系をフエノール廃水の処理に適
用する場合には、微生物としてフエノール分解活
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、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重量％、好ましくは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最終濃度が５〜
20重量％となるように均一に撹拌混合する。次に
上記混合物を微生物含有液を担持し得る担体に吸
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、該担体
内に吸収されているPVA水溶液がゲル化して
PVA−H₃BO₃のモノデイ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。したがつて担体内の微生物（群）はゲル化
PVAを介して該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重量％、好まし
くは10〜20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撹拌す
る。次に、この混合物を微生物含有液を担持し得
る担体内に吸収させ、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）が該担体内
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
体を介して上記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重合体を介して微生物含有液を担
持し得る担体内に固定されているので、取り扱い
に便利である。該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、より一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つて維持する
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、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篭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化槽内に充填
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
転金網篭にかえて、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篭を
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。まず、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、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、本発明を実施例について説明する。実施例１ (A) 担体包括固定化活性汚泥の調製：PVA（ケン
化度98〜99％、重合度1700）の20重量％溶液
750ｇ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／）750ｇとを空気の入らないように
充分に混合撹拌した。幅0.2〜1.5cm、縦0.7〜
2.5cm、横１〜５cm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；（商品名：ユニチカPVAスポ
ンジ）〕1500ｇ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〜
50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、25ｇMLSS／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１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つた。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に配置した曝気槽（容量5.4）
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つてい
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つて吹き込まれ
る。この空気は気泡となつて気体流入管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の外壁に沿つて上昇し、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
ような吹き込みの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
における処理成積を示す。

【表】

【表】本実施例で用いた被処理水のCODcr（重クロ
ム酸カリ法により測定した化学的酵素要求量）
は250mg／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CODcr除去率
が得られた。このときのCODcr容積負荷は、
4.6KgCODcr／m³・日と著しく高く、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
酸化処理汚泥であつたことから、高負荷域にも
かかわらず硝化が起こり、生成したNO³−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。実施例２ (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つた。 (B) 担体包括固定化活性汚泥を用いた水処理：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4.7の曝気槽２
１と容量が2.3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が金網篭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つている。曝気槽２
１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ｂ
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
うに運転を行つた。まず、切り換えコツク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時間曝気処理を行つた。次に、切り換
えコツク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時間曝気処理を行つ
た。上記嫌気条件は、曝気槽を密閉した後、気
相をN₂ガスと置換し、エアーポンプ３１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
成積を表４にそれぞれ示す。

【表】

【表】本実施例では、CODcr容積負荷2.4Kg／
CODcr／m³・日で、CODcr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つた。実施例３ (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つた。 (B) 担体包括固定化活性汚泥を用いた水処理：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1.5cm×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12
ｍ、そして水路の全容積は216である。この
曝気槽に65Kgの担体包括固定化活性汚泥５１
（固定化活性汚泥重量：乾物換算で1.5Kg）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
成積を表６にそれぞれ示す。

【表】

【表】表６に示すように良好な処理成積が得られ
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。実施例４ (A) 担体包括固定化微生物の調製：PVA（ケン化
度98〜99％、重合度1700）の10重量％溶液150
ｇとフエノール分解菌アシネトバクター
（Acinetobacter calcoaceticus AH株；この菌
株は、大阪大学工学部環境工学科にて保存され
ており、そこから容易に入手し得る；この菌株
は、社団法人日本下水道協会の第21回下水道研
究発表会講演集（昭和59年４月１日発行）404
〜406頁に発表されている）（細胞濃度40ｇ／
）50ｇとを充分に混合撹拌した。実施例１(A)
項で用いたのち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。従つて合成スポンジには、４ｇの
Acinetobacter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エノール廃水を用
いfill and draw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、合成フエノール廃水
の連続処理試験を行つた。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に配置した曝気槽（容量0.75）６１に
て曝気し、曝気処理水は底部をフイルター６２
０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つている。
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積を示す。

【表】

【表】処理装置内の被処理水の滞留時間が12時間の
ときは500mg／のフエ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
フエノールの除去率は90％であつた。担体包括
固定化フエノール分解菌のフエノール分解活性
は３ケ月以上の長期間にわたり安定して維持さ
れた。実施例５合成スポンジ担体としてアクリル系スポンジ
（商品名：三洋化成アクリルスポンジ）を用いた
こと以外は実施例１と同様に行つた。処理水の各
測定値は実施例１と実質的に同等であつた。（発明の効果）本発明は、このように、微生物または微生物群
を安価に毒性のないPVA重合体を介して微生物
含有液を担持し得る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
期間にわたつて維持しうる。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つて
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つた装置
の模式図、第２図ａは別の下水処理実験用装置の
模式図、第２図ｂは第２図ａ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
てフエノール廃水処理実験を行つた装置の模式図
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。

Claims

【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) 該混合液を微生物含有液を担持し得る担体に
吸収させる工程、および (c) 該混合液を吸収した該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該担体内のポリビ
ニルアルコール−H₃BO₃のモノデイオール格
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。