專利名稱：固定化微生物及其制造方法、采用其的反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作環(huán)境保護(hù)中的下水或廢水的有機(jī)物處理或除氮、或乙醇發(fā)酵或有價(jià)物生產(chǎn)中的生物催化劑的固定化微生物的制造方法及用其制造的固定化微生物以及采用該固定化微生物的反應(yīng)裝置背景技術(shù)采用微生物的反應(yīng)，被用于環(huán)境凈化領(lǐng)域或發(fā)酵工業(yè)，其中，在環(huán)境凈化領(lǐng)域，用于有機(jī)成分的分解或氮成分的去除。特別是氮成分，以氨性氮、亞硝酸性氮、硝酸性氮、有機(jī)性氮，含在下水或工業(yè)廢水中，這些氮成分，因成為1.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的原因，2.河流溶解氧降低的原因等，所以需要去除。
以往，含有此種氮成分的廢水，如果氮成分是微量濃度，采用離子交換法去除，也采用氯、臭氧的氧化進(jìn)行氮的去除。此外，如果是中高濃度，采用生物處理，在生物處理中，采用利用好氧硝化和厭氧脫氮的氧化脫氮法(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。另外，在好氧硝化中，進(jìn)行利用氨氧化細(xì)菌(Nitrosomonas，Nitrosococcus，Nitrosospira，Nitrosolobuss等)和亞硝酸氧化細(xì)菌，進(jìn)行氨性氮或亞硝酸性氮的氧化，在厭氧脫氮中，進(jìn)行利用從屬營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌(Pseudomonas denitrificans等)的脫氮。好氧硝化的生物反應(yīng)槽，以0.2～0.3kg-N/m3/天的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，以0.2～0.4kg-N/m3/天的負(fù)荷進(jìn)行脫氮。因此，要處理下水總氮濃度為40～50mg/L的下水，在硝化槽，需要6～8小時(shí)的滯留時(shí)間，在脫氮槽，需要5～8小時(shí)，需要大規(guī)模的處理槽。
限定這些反應(yīng)的是微生物保持量，通過(guò)在反應(yīng)槽內(nèi)保持高濃度的微生物，能夠高速反應(yīng)或凈化。
作為保持高濃度的微生物的方法，開發(fā)了包含固定高濃度的微生物的固定化微生物，在下水處理中的除氮中，采用包含固定化的硝化細(xì)菌。此外，在發(fā)酵工業(yè)，正在進(jìn)行在采用固定化酵母的乙醇的生產(chǎn)等方面的應(yīng)用研究。
在微生物的固定化中，采用海藻酸或角叉菜膠等天然材料、光固化性樹脂或聚乙二醇丙烯酸酯等合成高分子。此外，為固定化微生物，按以下觀點(diǎn)，優(yōu)選降低材料濃度，形成含水率高的凝膠。即，基于1.微生物容易增殖，微生物保持量增大，活性提高，2.用少量的材料完成，3.比重降低，在曝氣反應(yīng)槽的流動(dòng)性好的理由。
可是，海藻酸或角叉菜膠等天然材料等，在0.5％～1％的范圍，能夠凝膠化，能夠包含固定，但由于是天然的高分子，因此存在容易分解，在物性上載體的壽命短的缺陷。對(duì)此，合成高分子，具有不存在利用微生物的分解劣化的問(wèn)題，能夠長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定的物性的優(yōu)點(diǎn)。
專利文獻(xiàn)1特開2000-288581號(hào)公報(bào)但是，合成高分子凝膠化需要8％以上的預(yù)聚合物濃度(材料濃度)，不可能降低預(yù)聚合物濃度。特別是，在包含固定微生物的凝膠中，采用以7％以下凝膠化的合成聚合物的聚合法，現(xiàn)在確實(shí)還沒(méi)有。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)如此的問(wèn)題而提出的，目的是提供一種通過(guò)以材料濃度7％以下的低濃度聚合，能夠降低材料濃度的、提供高活性、流動(dòng)性好的固定化微生物的制造方法，及由此制造的固定化微生物和采用該固定化微生物的反應(yīng)裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明1所述的發(fā)明，其特征在于，通過(guò)混合分子量3500以上20000以下的預(yù)聚合物、分子量71以上且相對(duì)于上述預(yù)聚合物分子量的比為0.045以下的交聯(lián)劑和微生物，制作上述預(yù)聚合物和上述交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％以上7％以下的懸濁液；通過(guò)聚合該懸濁液，制造在聚合物內(nèi)部包含固定微生物的固定化微生物。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明2所述的發(fā)明，其特征在于，將分子量3500以上20000以下的預(yù)聚合物，以預(yù)聚合物含量/交聯(lián)劑含量的比達(dá)到0.5以上10以下的方式，與微生物混合，制作上述預(yù)聚合物和上述交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％以上7％以下的懸濁液；通過(guò)聚合該懸濁液，制造在聚合物內(nèi)部包含固定微生物的固定化微生物。
本發(fā)明的發(fā)明者，研究了固定化材料或交聯(lián)劑的分子量、固定化材料和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度、固定化劑和交聯(lián)劑的比率等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能夠闡明其相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在預(yù)聚合物和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％以上7％以下的低濃度下能夠凝膠化的區(qū)域。即，如本發(fā)明1所述的發(fā)明，發(fā)現(xiàn)，通過(guò)規(guī)定成為母劑的預(yù)聚合物的分子量和交聯(lián)劑的分子量，能夠在預(yù)聚合物和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度(材料濃度)為1％～7％的極低濃度下進(jìn)行固定化。此外，如本發(fā)明2所述的發(fā)明，通過(guò)以預(yù)聚合物含量/交聯(lián)劑含量的比達(dá)到0.5以上10以下的方式，與微生物混合、聚合，發(fā)現(xiàn)能夠在預(yù)聚合物和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度(材料濃度)為1％～7％的極低濃度下進(jìn)行固定化。因此，如果采用本發(fā)明1或2所述的發(fā)明，能夠提供高活性、流動(dòng)性好、廉價(jià)的固定化微生物。另外，更優(yōu)選預(yù)聚合物含量/交聯(lián)劑含量的比在0.5以上6以下。此外，預(yù)聚合物的分子量，更優(yōu)選5000以上18000以下。
本發(fā)明3所述的發(fā)明，如本發(fā)明1或2所述，其特征在于，作為上述交聯(lián)劑，采用丙烯酰胺、丙烯酸、二甲基丙烯酰胺或甲基丙烯酸。本發(fā)明3所述的交聯(lián)劑，作為本發(fā)明的交聯(lián)劑，是最佳的交聯(lián)劑，這些單體，富于反應(yīng)性，通過(guò)與高分子母劑的組合，能夠進(jìn)行低濃度下的固定化。
本發(fā)明4所述的發(fā)明，如本發(fā)明1～3中任何一項(xiàng)所述，其特征在于，作為上述微生物，固定活性污泥。如此，通過(guò)在低濃度下固定活性污泥，能夠減少材料，同時(shí)能夠降低比重，擴(kuò)大微生物的棲息區(qū)域。由此，能夠提供高活性、流動(dòng)性好的固定化微生物。
本發(fā)明5所述的發(fā)明，其特征在于，用如本發(fā)明1～4中任何一項(xiàng)所述的制造方法制造的固定化微生物。
本發(fā)明6所述的發(fā)明，其特征在于，具有采用如本發(fā)明5所述的固定化微生物進(jìn)行生物反應(yīng)的反應(yīng)容器。
本發(fā)明7所述的發(fā)明，如本發(fā)明6所述，其特征在于，在上述反應(yīng)容器的內(nèi)部，具有使上述固定化微生物流動(dòng)的流動(dòng)部，上述固定化微生物沿該流動(dòng)部和該流動(dòng)部的外部移動(dòng)。在上述制造方法中，由于能夠制造比重1.01以下非常小的固定化微生物，所以能夠用流動(dòng)部和其外部使載體順利移動(dòng)。由此，能夠提高反應(yīng)容器內(nèi)的生物處理的處理性能。
本發(fā)明8所述的發(fā)明，如本發(fā)明7所述，其特征在于，上述流動(dòng)部，采用曝氣或無(wú)氧氣體或由反應(yīng)生成的氮?dú)猓股鲜龉潭ɑ⑸锪鲃?dòng)。
如果采用本發(fā)明的固定化微生物的制造方法，由于采用最佳的分子量的預(yù)聚合物和交聯(lián)劑，或以適當(dāng)?shù)暮勘染酆项A(yù)聚合物和交聯(lián)劑，所以能夠以材料濃度極低的濃度固定微生物。由此，能夠減少材料，提供高活性、流動(dòng)性好的固定化微生物。


圖1是表示從試驗(yàn)1的結(jié)果得出的母劑的分子量和壓縮強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖2是表示從試驗(yàn)2的結(jié)果得出的母劑的分子量和壓縮強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖3是表示母劑的分子量和和交聯(lián)劑的分子量的最佳范圍的圖。
圖4是表示從試驗(yàn)3的結(jié)果得出的固定化材料的合計(jì)濃度和壓縮強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖5是表示從試驗(yàn)4的結(jié)果得出的固定化材料的合計(jì)濃度和壓縮強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
圖6是表示應(yīng)用本發(fā)明的制造方法的生產(chǎn)線的實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖7是表示應(yīng)用本發(fā)明的制造方法的生產(chǎn)線的實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖8是表示使用本發(fā)明的固定化微生物載體的廢水處理裝置的第一實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖9是表示使用本發(fā)明的固定化微生物載體的廢水處理裝置的第2實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖10是表示使用本發(fā)明的固定化微生物載體的廢水處理裝置的第3實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖11是表示使用本發(fā)明的固定化微生物載體的廢水處理裝置的第4實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖12是表示使用本發(fā)明的固定化微生物載體的廢水處理裝置的第5實(shí)施方式的構(gòu)成圖。
圖13是表示采用本發(fā)明的固定化微生物的乙醇發(fā)酵裝置的構(gòu)成圖。
圖14是適合采用本發(fā)明的固定化微生物的處理裝置的構(gòu)成圖。
圖中10…廢水處理裝置、12…處理槽、14…原水導(dǎo)入管、16…散氣管、18…載體分離網(wǎng)、20…流出管、22…載體具體實(shí)施方式
下面，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的固定化微生物的制造方法的優(yōu)選實(shí)施方式。首先，說(shuō)明成為形成本發(fā)明的依據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果。
(試驗(yàn)1)作為母劑，采用聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量3000～24000，作為交聯(lián)劑，采用丙烯酰胺。然后，混合母劑、交聯(lián)劑、微生物等，以母劑和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度達(dá)到3％的方式，制作懸濁液，聚合凝膠化該懸濁液，形成3mm方形載體，制造固定化微生物。表1示出此時(shí)的固定化劑的組成。
表1 母劑和交聯(lián)劑的濃度比研究用的固定化微生物的組成

按表1的組成，變化母劑和交聯(lián)劑的濃度比，制作載體，測(cè)定制造后的壓縮強(qiáng)度，研究了與母劑的分子量的關(guān)系。圖1示出該研究結(jié)果。
由圖1看出，如果母劑的分子量低于5000，載體的強(qiáng)度開始降低，如果低于3500，載體的強(qiáng)度大大降低。認(rèn)為，這是因?yàn)?，分子量越少，載體的強(qiáng)度越降低，如果分子量低于3500，載體的強(qiáng)度顯著降低。
在母劑的分子量超過(guò)18000時(shí)，載體的強(qiáng)度也開始下降，如果分子量超過(guò)20000，載體的強(qiáng)度顯著下降。認(rèn)為，這是由于如果母劑的分子量超過(guò)20000，難于聚合之故。因此，母劑的分子量，考慮優(yōu)選3500以上20000以下，更優(yōu)選5000以上18000以下。
另外，由圖1看出，母劑和交聯(lián)劑的濃度比可在0.5以上10以下，如果超出此范圍，載體強(qiáng)度急劇降低。因此，考慮母劑和交聯(lián)劑的濃度比，考慮優(yōu)選0.5以上10以下，更優(yōu)選0.5以上6以下。
另外，如果單獨(dú)(即無(wú)交聯(lián)劑)聚合使用試驗(yàn)1中所用種類的母劑，分子量在8000以上，不聚合。此外，在分子量低于8000時(shí)，能夠以含量8％以上聚合凝膠化，但如試驗(yàn)1，以3％左右不聚合，不凝膠化。
(試驗(yàn)2)下面，研究交聯(lián)劑的分子量。與試驗(yàn)1同樣，作為母劑，采用聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量3000～24000。母劑和交聯(lián)劑的濃度比為4，變化研究交聯(lián)劑的分子量。交聯(lián)劑，通過(guò)采用乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯、丙烯酰胺，使分子量變化。母劑和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度調(diào)到3％，進(jìn)行研究。表2示出研究所用的固定化劑的組成。
表2 交聯(lián)劑分子量研究用的固定化微生物的組成

按表2的組成，將母劑和交聯(lián)劑的合計(jì)濃度調(diào)到3％，進(jìn)行聚合凝膠化，形成3mm方形載體，測(cè)定壓縮強(qiáng)度。圖2示出測(cè)定的壓縮強(qiáng)度和交聯(lián)劑的分子量的關(guān)系。由圖2看出，與母劑的分子量對(duì)應(yīng)，存在交聯(lián)劑的最佳分子量。即，存在使載體強(qiáng)度增大的交聯(lián)劑的分子量范圍。表3示出在母劑的各分子量下的最佳交聯(lián)劑分子量。此外，圖3示出從該結(jié)果得出的母劑分子量和交聯(lián)劑分子量的最佳范圍。
表3 在母劑的各分子量的最佳交聯(lián)劑分子量

從表3或圖3看出，為增加載體的強(qiáng)度，優(yōu)選將交聯(lián)劑的分子量提高到71以上。另外，交聯(lián)劑的分子量，相對(duì)于母劑的分子量的比，優(yōu)選在0.045以下。通過(guò)如此將母劑的分子量或交聯(lián)劑的分子量設(shè)定在最佳范圍內(nèi)，能夠提高載體的強(qiáng)度。
(試驗(yàn)3)以在試驗(yàn)1、2中得到的最佳條件為基礎(chǔ)，研究了材料濃度的最佳值。作為母劑，采用聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量3500～20000，作為交聯(lián)劑，采用丙烯酰胺。將母劑和交聯(lián)劑的濃度比設(shè)定為4，合計(jì)材料濃度為0.5％～10％，以此作為參數(shù)，分別制作固定化微生物，測(cè)定壓縮強(qiáng)度。表4示出研究所用的固定化劑的組成。
表4 材料濃度研究用的固定化微生物的組成

此外，圖4示出測(cè)定的壓縮強(qiáng)度和固定化材料的合計(jì)濃度的關(guān)系。此外，在該圖中，作為以往法，只采用聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量2000、10000，也示出固定化的固定化微生物的壓縮強(qiáng)度。表5示出該以往法中的組成。
表5 以往法的固定化微生物的組成

從圖4看出，在以往法中，固定化材料如果不在10％以上，不能得到足夠的強(qiáng)度，特別是在7％以下，完全得不到足夠強(qiáng)度。認(rèn)為這是因在以往法中只有高分子材料，難進(jìn)行聚合，聚合不穩(wěn)定之故。
對(duì)此，在本發(fā)明中，即使在低濃度下，也能夠得到足夠的壓縮強(qiáng)度，由此得出，作為得到壓縮強(qiáng)度的濃度范圍，優(yōu)選1％以上7％以下，更優(yōu)選2％以上6％以下，最優(yōu)選3％以上4％以下。這是因?yàn)?，在本發(fā)明中，由于低分子的交聯(lián)劑進(jìn)入，所以即使在低材料濃度下，預(yù)聚合物的反應(yīng)基也連鎖聚合，能夠提高凝膠強(qiáng)度。
可是，作為固定化的微生物，采用純菌株、純酵母等真核生物、原核生物、活性污泥等混合微生物，其總菌數(shù)優(yōu)選按105個(gè)/mL以上固定化。載體內(nèi)部的微生物如果達(dá)到106個(gè)/mL以上，表現(xiàn)出活性。因此，通過(guò)按105個(gè)/ml以上進(jìn)行固定化，在載體內(nèi)部，增殖到106個(gè)/mL以上，在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出活性。
介紹一例進(jìn)行固定化的微生物。在廢水處理中，有(1)活性污泥、脫氮細(xì)菌、厭氧性氨氧化細(xì)菌等負(fù)荷微生物、(2)微胞藻(アオコ)屬分解菌、PCB分解菌、二噁英分解菌、環(huán)境激素分解菌等純微生物等。
在發(fā)酵工業(yè)，有(1)氨基酸發(fā)酵菌、(2)乙醇發(fā)酵微生物、(3)有機(jī)酸發(fā)酵菌、(4)酯交換酶生產(chǎn)菌等。
圖5表示固定化材料的合計(jì)濃度和硝化速度的關(guān)系。由該圖得知，如果降低固定化材料濃度，活性提高。這是因?yàn)?，通過(guò)固定化濃度的降低，生物的繁殖空間擴(kuò)大。因此，得出，通過(guò)減小固定化材料的合計(jì)濃度，能夠提高活性。如此的傾向，也在后述的實(shí)施例的微生物或其它微生物中出現(xiàn)。
另外，固定化微生物的形狀，可以成型成球狀或筒狀等的載體、繩狀材料、凝膠狀載體、無(wú)紡布狀材料等凹凸多的形狀。此外，作為載體，可以采用1～5mm方形或球狀載體。
上述研究結(jié)果表明，通過(guò)以預(yù)聚合物含量/交聯(lián)劑含量的比達(dá)到0.5以上10以下的方式，將分子量3500以上20000以下的預(yù)聚合物和交聯(lián)劑與微生物混合，能夠制作上述預(yù)聚合物和上述交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％～7％的懸濁液，通過(guò)聚合該懸濁液，制造固定化微生物載體，能夠進(jìn)行材料濃度為1％～7％的極低濃度下的固定化。此外，通過(guò)將交聯(lián)劑的分子量設(shè)定在71以上且在預(yù)聚合物分子量的0.045以下，能夠提高載體的強(qiáng)度。由此，能夠用少量的材料，提供活性高、流動(dòng)性好的固定化微生物。
下面，說(shuō)明用上述的制造方法制造固定化微生物的生產(chǎn)線的實(shí)施方式。圖6是表示制造方形載體的生產(chǎn)線的構(gòu)成圖。圖7是表示制造球形載體的生產(chǎn)線的構(gòu)成圖。
圖6所示的生產(chǎn)線100，具有預(yù)聚合物原料槽101、交聯(lián)劑原料槽102，從該預(yù)聚合物原料槽101和交聯(lián)劑原料槽102，向原料調(diào)整穩(wěn)定化槽103供料。然后，在原料調(diào)整穩(wěn)定化槽103混合原料，預(yù)聚合物和交聯(lián)劑絡(luò)合，穩(wěn)定化。通過(guò)該穩(wěn)定化操作，聚合后的載體強(qiáng)度提高。該穩(wěn)定化需要12～24小時(shí)。向此液中，供給來(lái)自聚合促進(jìn)劑槽104的聚合促進(jìn)劑。供給了聚合促進(jìn)劑的混合液，從原料調(diào)整穩(wěn)定化槽103送出，向該混合液中供給活性污泥槽105的活性污泥，再供給聚合引發(fā)劑槽106的聚合引發(fā)劑，然后送到管道攪拌器107。另外，經(jīng)管道攪拌器107混合后，供給聚合成型部108，在聚合成型部108，進(jìn)行聚合的固定化微生物的裁斷，成型成方形的載體。成型的固定化微生物，送入固定化微生物保管容器109內(nèi)，保管。
用如此的生產(chǎn)線，如果按上述制造，能夠用少量的材料，制造活性高、流動(dòng)性好的固定化微生物。另外，為維持活性污泥中的微生物的活性，原料調(diào)整穩(wěn)定化槽103中的原料液和活性污泥的接觸時(shí)間越短越好。
另外，圖7所示的生產(chǎn)線110，具有海藻酸堿槽111，能夠向從原料調(diào)整穩(wěn)定化槽103送出的混合液中供給海藻酸堿。供給的海藻酸堿，優(yōu)選以在混合液中濃度達(dá)到0.1％～0.5％的方式供給。供給了海藻酸堿的混合液，在供給了聚合引發(fā)劑后，由管道攪拌器107混合。在管道攪拌器107的后段，設(shè)置滴下聚合成型部112，向氯化鈣溶液中滴下混合液，能夠制造球形載體。氯化鈣溶液的濃度，優(yōu)選0.5％～5％，除該氯化鈣外，也可以采用鋁等。
用上述制造方法制造的固定化微生物，用在具有進(jìn)行生物反應(yīng)的反應(yīng)容器的反應(yīng)裝置上。以下，作為反應(yīng)裝置的例子，說(shuō)明廢水處理裝置或乙醇發(fā)酵裝置。
圖8是表示廢水處理裝置的第一實(shí)施方式的構(gòu)成圖。該圖所示的廢水處理裝置10，具有處理槽12，原水導(dǎo)入管14連接在該處理槽12上。含有有機(jī)物的廢水，從該原水導(dǎo)入管14導(dǎo)入，貯留在處理槽12。在處理槽12的內(nèi)部，投入用上述方法制造的固定化微生物載體(以下，稱為載體)22、22…。通過(guò)該載體22與廢水接觸，載體22內(nèi)部的細(xì)菌分解有機(jī)物，凈化廢水。用載體分離網(wǎng)(篩)18，將凈化的處理水與載體分離，從流出管20流出。
可是，用本發(fā)明的方法制造的載體22，如上所述，由于材料濃度為1％～7％，非常低，所以微生物的保持量大，載體的活性高。因此，采用該載體22的廢水處理裝置10，具有高的處理性能。此外，載體22，由于比重小，流動(dòng)性好，所以能夠利用曝氣空氣，順利地在處理槽12內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因此，不存在或是沉淀在處理槽12內(nèi)，或是形成滯留區(qū)的顧慮，能夠維持穩(wěn)定的處理性能。
圖9是表示廢水處理裝置的第2實(shí)施方式的構(gòu)成圖。該圖所示的廢水處理裝置30，處理槽32的底面朝單側(cè)的側(cè)面傾斜，在其最下部設(shè)置散氣管16。此外，在處理槽32中，在與流出管20的連接部，設(shè)置隔板34，利用該隔板34，除下部外，隔開處理槽32的內(nèi)部。另外，對(duì)于具有與上述的第一實(shí)施方式同樣的功能的部件，附加相同的符號(hào)，省略其說(shuō)明。
對(duì)于按上述構(gòu)成的廢水處理裝置30，載體22與來(lái)自散氣管16的曝氣空氣一同上升，在隔板34的附近下降，沿處理槽32的底面，向散氣管16側(cè)流動(dòng)，再次與曝氣空氣一同上升，在處理槽32內(nèi)旋轉(zhuǎn)。即，載體22通過(guò)單側(cè)曝氣的旋轉(zhuǎn)流流動(dòng)。在如此的廢水處理裝置30中，特別重要的是，載體22確實(shí)沿處理槽32內(nèi)流動(dòng)(即載體22的流動(dòng)性)。本實(shí)施方式的載體22，如前所述，固定化材料的合計(jì)濃度為1％～7％，比較小，能夠大大減小比重。具體是，能夠?qū)⑤d體22的比重減小到1.005～1.01。因此，如果在廢水處理裝置30中采用本發(fā)明的載體22，由于載體22的流動(dòng)性極好，所以能夠得到高的處理性能。
圖10是表示廢水處理裝置的第3實(shí)施方式的構(gòu)成圖。該圖所示的廢水處理裝置40，處理槽42的底面從兩側(cè)朝中央傾斜，在其中央的最下部設(shè)置散氣管16。此外，在處理槽42的中央部，設(shè)置與其周圍隔開的隔板44、44，該隔板44、44，除處理槽42的上部和下部外而隔開。在處理槽42的兩側(cè)面，連接流出管20、20，在各流出管20的附近設(shè)置隔板46、46，隔開處理槽42的上部。
如上構(gòu)成的廢水處理裝置40，在載體22與曝氣空氣一同沿隔板44、44的內(nèi)側(cè)上升后，沿該隔板44、44的外側(cè)下降，沿處理槽42的底面移動(dòng)，再次與曝氣空氣一同上升，在處理槽42內(nèi)旋轉(zhuǎn)。即使在如此的廢水處理裝置40，載體22的流動(dòng)性也非常重要。因此，如果采用本發(fā)明的載體22，由于載體22的比重減小到1.005～1.01，因此流動(dòng)性極好，所以能夠大幅度提高處理性能。
圖11是表示廢水處理裝置的第4實(shí)施方式的構(gòu)成圖。該圖所示的廢水處理裝置50，原水配管14連接在處理槽52的下端，流出管20連接在處理槽52的上部側(cè)面。此外，在處理槽52的內(nèi)部，設(shè)置將處理槽52的內(nèi)部分成上下的篩網(wǎng)54、54，在該篩網(wǎng)54、54的之間，充填載體22、22…。
在如上構(gòu)成的廢水處理裝置50中，從原水配管14導(dǎo)入的廢水，在處理槽52的內(nèi)部，形成上向流，與充填部的載體22接觸，被生物處理，得到凈化。然后，凈化后的水從流出管20流出。即使在如此的廢水處理裝置50中，如果采用本發(fā)明的載體22，由于載體22的材料濃度為1％～7％，非常低，載體22內(nèi)的微生物容易增殖，活性高，所以能夠得到高的處理性能。
圖12是表示第5實(shí)施方式的廢水處理裝置的構(gòu)成圖。該圖所示的廢水處理裝置60，是實(shí)施利用厭氧性反應(yīng)的廢水處理的裝置，處理槽62的底面從兩側(cè)朝中央傾斜，在其中央的最下部設(shè)置散氣管16。從散氣管16吹出無(wú)氧氣體，吹出的無(wú)氧氣體，由與處理槽62的上部連接的氣體配管68回收。另外，通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)在氣體配管68上的泵69，反復(fù)送到處理槽62內(nèi)，進(jìn)行循環(huán)利用。另外，在處理槽62的中央部，設(shè)置與其周圍隔開的隔板64、64，在處理槽62的兩側(cè)面的附近，設(shè)置隔板66、66。
在如上構(gòu)成的廢水處理裝置60中，由于從散氣管16供給無(wú)氧氣體，因此處理槽62的內(nèi)部被保持在厭氧條件下。因此，在載體22內(nèi)，增殖厭氧性微生物，利用該厭氧性微生物進(jìn)行厭氧性處理。即使在如此的廢水處理裝置60中，如果采用本發(fā)明的載體22，由于載體22的材料濃度為1％～7％，非常低，載體22內(nèi)的微生物容易增殖，活性高，所以能夠得到高的處理性能。此外，由于能夠?qū)⑤d體22的比重減小到1.005～1.01，因此能夠利用供給少量氣體形成的空氣上升效果，使載體22流動(dòng)。
圖13是表示采用固定化微生物的乙醇發(fā)酵裝置的構(gòu)成圖。該圖所示的乙醇發(fā)酵裝置70，具有發(fā)酵槽72，原水導(dǎo)入管14連接在該發(fā)酵槽72上。從原水導(dǎo)入管14流入培養(yǎng)液(發(fā)酵原料)，該培養(yǎng)液貯留在發(fā)酵槽72內(nèi)。在發(fā)酵槽72的內(nèi)部，設(shè)置攪拌機(jī)的攪拌葉片74，通過(guò)使該攪拌葉片74旋轉(zhuǎn)，能夠攪拌發(fā)酵槽72內(nèi)部。此外，在發(fā)酵槽72的底部，設(shè)置散氣管16，能夠根據(jù)需要曝氣空氣。另外，在發(fā)酵槽72的內(nèi)部，投入用本發(fā)明的方法制造的載體22。因此，在發(fā)酵槽72的內(nèi)部，載體22與培養(yǎng)液接觸，載體22內(nèi)的微生物資化或同化培養(yǎng)液的基質(zhì)，生成發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)載體分離網(wǎng)(篩)18與載體22分離，從流出管20流出。另外，本裝置為連續(xù)式，但也可以是分批式的發(fā)酵裝置。
即使在如此構(gòu)成的乙醇發(fā)酵裝置70中，如果采用上述的載體22，由于載體22的比重為1.005～1.01，能夠利用少量的氣體供給或攪拌使載體22流動(dòng)，所以載體22和基質(zhì)的接觸效率高，反應(yīng)性強(qiáng)。
圖14是適合采用本發(fā)明的固定化微生物的處理裝置的構(gòu)成圖。該圖所示的處理裝置80，具有厭氧性氨氧化槽82和硝化槽84，在厭氧性氨氧化槽82上連接原水導(dǎo)入管88，含有氨和亞硝酸的廢水被導(dǎo)入?yún)捬跣园毖趸?2。在厭氧性氨氧化槽82的內(nèi)部，充填繩狀的固定化微生物載體。廢水中的基質(zhì)與繩狀的載體接觸，通過(guò)載體內(nèi)的厭氧性氨氧化細(xì)菌的作用，同時(shí)對(duì)氨和亞硝酸進(jìn)行脫氮。該厭氧性氨氧化槽82的處理水流入硝化槽84，在硝化槽84氧化殘存的氨。其處理水，在沉淀池86固液分離游離物質(zhì)，上清液從流出部90流出。另外，在沉淀池88沉降分離的部分活性污泥，通過(guò)污泥反送管92，返送到厭氧性氨氧化槽82。
即使在如此構(gòu)成的處理裝置80中，通過(guò)采用根據(jù)本發(fā)明制造的固定化微生物，能夠提高處理性能。
以下，說(shuō)明本發(fā)明能使用的固定化材料的母劑預(yù)聚合物和交聯(lián)劑的具體例。
(單甲基丙烯酸酯類)聚乙二醇單甲基丙烯酸酯、聚戊二醇單甲基丙烯酸酯、聚丙二醇單甲基丙烯酸酯、甲氧基二甘醇甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧基乙基加加氫二烯苯二甲酸酯、甲基丙烯酰氧基乙基加氫二烯琥珀酸、3-氯-2-羥基丙基甲基丙烯酸酯、硬脂基甲基丙烯酸酯、2-羥基甲基丙烯酸酯、乙基甲基丙烯酸酯。
(單丙烯酸酯類)2-羥基乙基丙烯酸酯、2-羥基丙基丙烯酸酯、異丁基丙烯酸酯、t-丁基丙烯酸酯、異辛基丙烯酸酯、十二烷基丙烯酸酯、硬脂基丙烯酸酯、異冰片基丙烯酸酯、環(huán)己基丙烯酸酯、甲氧基三乙二醇丙烯酸酯、2-乙氧基乙基丙烯酸酯、四氫呋喃丙烯酸酯、苯氧基乙基丙烯酸酯、壬基苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯、壬基苯氧基聚丙二醇丙烯酸酯、硅改質(zhì)丙烯酸酯、聚丙二醇單丙烯酸酯、苯氧基乙基丙烯酸酯、苯氧基二甘醇丙烯酸酯、苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、丙烯酰氧基乙基加氫二烯琥珀酸酯、十二烷基丙烯酸酯等。
(二甲基丙烯酸酯類)1，3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、丁二醇二甲基丙烯酸酯、己二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、聚丁二醇二甲基丙烯酸酯、2-羥基-1，3-甲基丙烯酰基丙烷、2，2-雙4-甲基丙烯?；已趸交?、3，2-雙4-甲基丙烯?；已趸交?、2，2-雙4-甲基丙烯?；垡已趸交榈?。
(二丙烯酸酯類)乙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、聚丙二醇二丙烯酸酯、2，2-雙4-丙烯酰基二乙氧基苯基丙烷、2-羥基-1-丙烯酰基-3-甲基丙烯?；榈?。
(三甲基丙烯酸酯類)三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯等。
(三丙烯酸酯類)三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三羥甲基丙烷EO加成三丙烯酸酯、丙三醇PO加成三丙烯酸酯、乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。
(四丙烯酸酯類)季戊四醇四丙烯酸酯、乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯、丙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯、二(三羥甲基丙烷)四丙烯酸酯等。
(氨基甲酸乙酯丙烯酸酯類)氨基甲酸乙酯丙烯酸酯、氨基甲酸乙酯二甲基丙烯酸酯、氨基甲酸乙酯三甲基丙烯酸酯等。
(其它)丙烯酰胺、丙烯酸、二甲基丙烯酰胺。
此外，本發(fā)明中的聚合，采用過(guò)硫酸鉀的自由基聚合最佳，但也可以是采用紫外線或電子束的聚合或氧化還原聚合。在采用過(guò)硫酸鉀的聚合中，過(guò)硫酸鉀的添加量?jī)?yōu)選0.001％～0.25％，優(yōu)選添加0.001％～0.5％的胺系的聚合促進(jìn)劑。作為胺系的聚合促進(jìn)劑，優(yōu)選β二甲胺基丙腈、N，N，N’，N’-四甲基乙二胺、亞硫酸鈉等。
下面，說(shuō)明后述的實(shí)施例中的酵母的計(jì)測(cè)方法。表6示出酵母培養(yǎng)用的使用培養(yǎng)基。
表6 試驗(yàn)用的培養(yǎng)基

采用表6的培養(yǎng)基，用稀釋平板法培養(yǎng)酵母，進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，計(jì)測(cè)酵母的個(gè)體數(shù)。關(guān)于包含載體，進(jìn)行勻漿，對(duì)懸濁液，采用與先前相同的培養(yǎng)基，計(jì)測(cè)個(gè)體數(shù)。作為一例，載體中的酵母?jìng)€(gè)體數(shù)的換算方法如下式。
Xp＝Xo×(Vp+Vw)/Vp此處，Xp載體內(nèi)部的酵母數(shù)(個(gè)/mL)、Xo用培養(yǎng)基菌落形成后的原液的酵母數(shù)(個(gè)/mL)、Vp原液制作中供給試驗(yàn)的載體量(mL)、Vw原液制作中添加的滅菌水液量(mL)。
按表7的組成制作固定化微生物載體。載體的尺寸為3mm方形。
表7 材料濃度研究用的固定化微生物的組成

在圖9的處理槽32內(nèi)，投入該載體，使槽內(nèi)載體充填率達(dá)到10％。然后，處理含有氨性氮100～160mg/L、無(wú)機(jī)的機(jī)械工廠廢水。滯留時(shí)間設(shè)定6小時(shí)。此外，作為以往法，分3種制作表8的固定化微生物載體，用與圖9相同的裝置，采用相同的廢水，按滯留時(shí)間6小時(shí)進(jìn)行處理。表9示出其結(jié)果。
表8 以往法的固定化微生物的組成

表9 實(shí)施例1的處理性能結(jié)果 載體的硝化速度以平均值表示。
從表9看出，本法與以往法1～3相比較，載體內(nèi)部的硝化細(xì)菌數(shù)非常大。因此，本法，硝化速度快，處理性能非常高。因此，處理水所含的氨性氮的濃度非常低。
用圖14的裝置處理亞硝酸濃度200mg/L、氨濃度250mg/L的無(wú)機(jī)廢水。在本實(shí)施例中，按以下制作了固定化載體(包含固定化厭氧性氨氧化細(xì)菌載體)。
種污泥，是用氨和亞硝酸集中培養(yǎng)得到的具有脫氮速度1.2kg-N/m3/day的能力的污泥，以初期濃度8×108cell/cm3作為固定化的種菌，進(jìn)行試驗(yàn)。用離心分離法回收種菌，在聚乙二醇二丙烯酸酯和分子量2600的聚乙二醇單甲基丙烯酸酯中懸濁該菌和活性污泥，通過(guò)添加過(guò)硫酸鉀聚合，得到包括菌的凝膠。各自的添加量如下。
厭氧性氨氧化細(xì)菌4×105cell/cm3、總菌數(shù)3×108cell/cm3、聚乙二醇二丙烯酸酯3％、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯2％、N，N，N’，N’-四甲基乙二胺0.05％、過(guò)硫酸鉀0.025％。
將該凝膠成型成直徑3mm的繩狀，得到繩狀固定化微生物。將該載體20％充填到圖14的厭氧性氨氧化槽82中。在硝化槽84，同樣得到固定化活性污泥的繩狀固定化微生物，10％充填到硝化槽。各自的槽的運(yùn)轉(zhuǎn)條件如下。
厭氧性氨氧化槽用滯留時(shí)間6小時(shí)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，用3小時(shí)進(jìn)行恒定運(yùn)轉(zhuǎn)。20％充填繩狀固定化微生物。
硝化槽滯留時(shí)間3小時(shí)、20％充填繩狀固定化微生物作為以往法，種污泥，是用氨和亞硝酸集中培養(yǎng)得到的具有脫氮速度1.2kg-N/m3/day的能力的污泥，以初期濃度8×108cell/cm3作為固定化的種菌，進(jìn)行試驗(yàn)。用離心分離法回收種菌，在分子量1000的聚乙二醇二丙烯酸酯中懸濁該菌和活性污泥，通過(guò)添加過(guò)硫酸鉀聚合，得到包括菌的凝膠。各自的添加量如下。
厭氧性氨氧化細(xì)菌4×105cell/cm3、總菌數(shù)3×108cell/cm3、聚乙二醇二丙烯酸酯15％、N，N，N’，N’-四甲基乙二胺0.5％、過(guò)硫酸鉀0.25％。
將該凝膠成型成直徑3mm的繩狀，得到繩狀固定化微生物。然后，與前面同樣，將該載體20％充填到圖14的厭氧性氨氧化槽82中。在硝化槽84，同樣得到固定化活性污泥的繩狀固定化微生物，10％充填到硝化槽。用該裝置，在與前面相同的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)處理的固定化微生物作為以往法。表10示出處理結(jié)果。
表10 實(shí)施例2的處理性能結(jié)果 從表10看出，在本法中，與以往法相比，厭氧性氨氧化細(xì)菌濃度增大。這是因?yàn)?，本發(fā)明的固定化微生物，由于固定化劑濃度低，所以菌的生息空間大，菌保持量增加之故。因此，在本法中，與以往法相比，能夠得到水質(zhì)高的處理水。另外，在本法中，由于采用交聯(lián)劑，能夠得到足夠的壓縮強(qiáng)度。
示出在乙醇發(fā)酵中采用固定化微生物的例子。乙醇發(fā)酵用的酵母采用Saccharomyces cerevisiae 0C2。在分子量12000的季戊四醇四丙烯酸酯和二甲基丙烯酰胺的混合液中懸濁該酵母，通過(guò)添加N，N，N’，N’-四甲基乙二胺和過(guò)硫酸鉀，進(jìn)行聚合，得到包括菌的凝膠。各自的添加量如下。
酵母2×107cell/cm3、季戊四醇四丙烯酸酯2％、和二甲基丙烯酰胺2％、二甲基丙烯酰胺2％、N，N，N’，N’-四甲基乙二胺0.05％、過(guò)硫酸鉀0.025％。
將該凝膠成型成3mm方形的載體狀，得到固定化微生物。然后，將該載體投入到圖13的發(fā)酵槽72中，用表11的培養(yǎng)基培養(yǎng)。在當(dāng)初3天里，采用分批培養(yǎng)，以2vvm通氣，使酵母增殖。之后，停止通氣，以60rpm攪拌，同時(shí)連續(xù)投入培養(yǎng)基，進(jìn)行培養(yǎng)。從滯留時(shí)間8小時(shí)開始，緩慢縮短滯留時(shí)間，將滯留時(shí)間3小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定成恒定狀，求出此時(shí)的收率。酵母的個(gè)體數(shù)，如前所述。在用表6的培養(yǎng)基進(jìn)行稀釋平板、培養(yǎng)后，進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)計(jì)測(cè)。
表11 連續(xù)發(fā)酵用的試驗(yàn)培氧基

將上述的試驗(yàn)作為本法A。同樣，作為交聯(lián)劑采用丙烯酸的試驗(yàn)作為本法B。同樣，作為交聯(lián)劑，采用甲基丙烯酸的試驗(yàn)作為本法C。這些交聯(lián)劑濃度，與前面同樣為2％。
此外，作為以往法，制作用下列組成固定化的3mm方形的固定化微生物，用相同的條件培養(yǎng)，進(jìn)行研究。乙醇發(fā)酵用的酵母采用Saccharomycescerevisiae 0C2。在分子量1000的聚乙二醇丙烯酸酯和丙烯酰胺的混合液中懸濁該酵母，通過(guò)添加N，N，N’，N’-四甲基乙二胺和過(guò)硫酸鉀，進(jìn)行聚合，得到包括菌的以往法的凝膠。各自的添加量如下。
酵母2×107cell/cm3、聚乙二醇丙烯酸酯16％、丙烯酰胺2％、N，N，N’，N’-四甲基乙二胺0.05％、過(guò)硫酸鉀0.025％。
發(fā)酵試驗(yàn)的結(jié)果見表12。
表12 實(shí)施例3中的連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果 從表12看出，本法A、B、C的酵母的個(gè)體數(shù)大于以往法。這是因?yàn)?，本法的凝膠濃度低，酵母的增殖率高，能夠得到高的乙醇收率。此外，本法A、B、C的凝膠強(qiáng)度高，載體物性穩(wěn)定。因此，即使在運(yùn)轉(zhuǎn)6個(gè)月的時(shí)候，活性和物性也無(wú)變化。對(duì)此，在以往法中，強(qiáng)度低，在5個(gè)月后就發(fā)現(xiàn)載體的磨損。
權(quán)利要求
1.一種固定化微生物的制造方法，其特征在于，通過(guò)對(duì)分子量3500以上20000以下的預(yù)聚合物、分子量71以上且相對(duì)于上述預(yù)聚合物分子量的比為0.045以下的交聯(lián)劑以及微生物進(jìn)行混合，制作上述預(yù)聚合物和上述交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％以上7％以下的懸濁液；通過(guò)聚合該懸濁液，制造在聚合物內(nèi)部包含固定有微生物的固定化微生物。
2.一種固定化微生物的制造方法，其特征在于，將分子量3500以上20000以下的預(yù)聚合物和交聯(lián)劑，以預(yù)聚合物含量/交聯(lián)劑含量的比達(dá)到0.5以上10以下的方式，與微生物混合，制作上述預(yù)聚合物和上述交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％以上7％以下的懸濁液；通過(guò)聚合該懸濁液，制造在聚合物內(nèi)部包含固定有微生物的固定化微生物。
3.如權(quán)利要求1或2所述的固定化微生物的制造方法，其特征在于，作為上述交聯(lián)劑，采用丙烯酰胺、丙烯酸、二甲基丙烯酰胺或甲基丙烯酸。
4.如權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的固定化微生物的制造方法，其特征在于，作為上述微生物，對(duì)活性污泥進(jìn)行固定化。
5.一種固定化微生物，其特征在于，用權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的制造方法制造。
6.一種反應(yīng)裝置，其特征在于，具有采用權(quán)利要求5所述的固定化微生物進(jìn)行生物反應(yīng)的反應(yīng)容器。
7.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，在上述反應(yīng)容器的內(nèi)部，具有使上述固定化微生物流動(dòng)的流動(dòng)部，上述固定化微生物在該流動(dòng)部和該流動(dòng)部的外部移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，上述流動(dòng)部，采用曝氣空氣或無(wú)氧氣體或由反應(yīng)生成的氮?dú)?，使上述固定化微生物流?dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固定化微生物的制造方法，通過(guò)對(duì)分子量3500以上20000以下的預(yù)聚合物、分子量71以上且相對(duì)于上述預(yù)聚合物分子量的比為0.045以下的交聯(lián)劑以及微生物進(jìn)行混合，制作上述預(yù)聚合物和上述交聯(lián)劑的合計(jì)濃度為1％以上7％以下的懸濁液；通過(guò)聚合該懸濁液，制造在聚合物內(nèi)部包含固定有微生物的固定化微生物。另外，本發(fā)明還提供根據(jù)上述方法制造的固定化微生物以及使用該固定化微生物的反應(yīng)裝置。根據(jù)本發(fā)明能夠以材料濃度極低的濃度固定微生物，并且由此能夠減少材料，提供高活性、流動(dòng)性好的固定化微生物。
文檔編號(hào)C12N11/02GK1740100SQ20041009006
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者角野立夫, 青山光太郎, 井坂和一, 安部直樹 申請(qǐng)人:日立工程設(shè)備建設(shè)株式會(huì)社