专利名称：含有微量元素的菌体增殖用载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及微量元素、无机营养盐类扩散型菌体培养用载体。本发明还涉及在废水处理装置、食品制造工业、医药品制造工业等中有用的微量元素、无机营养盐类扩散型菌体培养用载体。
背景技术：
制造载体的方法已知有将菌或酶含有在高分子聚合物凝胶中的方法(含有法)，并已在工业上应用。
但是，已知的方法中，对于菌的增殖有用的微量金属元素或无机营养盐类依赖于从外部培养液向载体内部的扩散移动，因此菌的增殖速度取决于这些物质的扩散速度。代谢的物质在载体的表面存在扩散阻力，对菌的增殖造成阻碍。气体状的物质被代谢时，发生载体的上浮或破坏。在含有法等现有的方法中适用的高分子具有毒性，显著减退菌的活性，所以即使菌的密度提高其活性也未必与菌的密度成比例地提高，这是现有技术中存在的问题。
为解决这些问题，开发了将菌与载体利用物理化学方法附着的表面结合型载体。
但是，在该方法中，依赖于菌增殖时分泌的粘合性的高分子状物质与载体的物理化学附着，菌的增殖取决于从外部液体渗入的液体的无机营养盐或微量元素成分的构成。在载体表面存在的菌于生物反应器内流动时发生菌的剥离，高密度积聚培养自然而然地受到限制。
本发明的目的在于提供一种新的微量元素、无机营养盐类扩散型的菌体培养用载体，可以实现在生物反应器或废水处理装置内培养高活性和高密度的菌体。
发明课题本发明提供含有微量元素的菌体增殖用载体，特征在于，在合成或天然的高分子中含有用于菌体增殖的微量元素和无机营养盐的元素高分子体，利用合成或天然的无机多孔体进行夹带层合而形成的。
本发明还提供上述1的菌体增殖用载体，是粒状体、筒状体或板状体。
本发明还提供上述1的菌体增殖用载体，是蜂窝状结构体。
附图简单说明
图1是例示本发明的园柱状载体的斜视图。
图2是例示多重圆筒状载体的斜视图。
图3是例示平板状载体的斜视图。
图4是例示蜂窝状结构的载体的一部分的斜视图。
图5是例示本发明的载体装入生物反应器中的剖面图。
图6(A)(B)是例示方柱状或园柱状的多孔体并列放置充填在高分子体中的载体的斜视图。
图7(A)(B)是例示在生物反应器中配置载体的侧剖面图。
图8是例示生物反应器内的流向和平行配置载体的剖面图。
图9是例示配置图3、4或图6(A)的载体的剖面图。
图中的符号含义如下。
1 载体11 高分子体12 无机多孔体13 中空部2 反应器实施发明的最佳方案本发明作为上述的结合型载体，在结合型载体内的合成或天然的高分子中以高浓度含有菌的增殖所必须的微量金属元素或无机营养盐等有用物质。在其周边配设微生物容易栖息的多孔物质(合成或天然的无机多孔体)，提高了微生物的栖息密度。
这种载体，配置在反应器内，在载体的周边，需要处理的液体与载体平行或垂直相交流动并与微生物群接触，进行基质的分解。
由此可以防止使用的高分子的毒性使菌的活性降低，通过调节构成载体的高分子体或无机多孔体的厚度或空隙，可以防止增殖阻碍。使菌的种类与其特性和利用的反应器的流动性相对应，可以防止菌的物理剥离。
本发明是基于对甲烷菌的高浓度培养的研究而进行的，即，从菌的增殖所必须的微量元素、无机营养盐的缺乏限制了菌的增殖速度的观点出发，可以使菌的密度高密度化。
按照利比西的最小法则，即无论是何种菌，只要其生长所必要的物质中缺少即使一种，也会导致该菌的增殖停止。基于此，作为在生物反应器或废水处理装置内活动的各种菌的增殖所必须的物质的供给方法，在载体内部高浓度地含有这些必须物质，通过扩散从载体内部扩散移动至表面，向生息在表面的菌供给这些物质。该菌摄入这些物质后可以继续增殖，可以维持菌的高密度状态，这一点可以由试验来确认。
含有微量元素和无机营养盐的本发明的高分子，为合成高分子时，例如有作为吸水性聚合物的丙烯酸类、甲基丙烯酸类、乙烯基醇类、乙烯基酯类、聚醚类、聚酯类、聚烯烃类等各种聚合物或共聚物，以及这些物质的凝胶等。在这些高分子中含有固定微量元素或无机营养盐类。该高分子可以是微粒聚合物的集合体。
高分子可以是天然的、琼脂凝胶、纤维素类、多糖类等各种物质。
本发明的无机多孔体，可以是合成或天然的各种物质，如陶瓷、多孔混凝土、岩棉、轻石等火山性多孔体等。该多孔体的空隙率为95-98％，也包括比95％稍低和比98％稍高的近似范围，优选95-98％，空隙的直径为2-0.1mm的物质最适合菌的增殖。另外有必要选择不溶出对菌的增殖有害的物质(Cd等重金属)的物质。使用天然物时，重要的是选定不容易被通性厌氧菌分解的物质。
含有上述微量元素和无机营养盐的元素高分子体，在本发明的载体中，以夹带在上述无机多孔体中的状态下层合。载体的整体形状有圆筒、方筒等筒状体，平板、曲面板等板状体，也可以是其它各种异型体。
本发明中的微量元素或无机营养盐，可以从常用的微量金属元素或无机营养盐中选择，微量元素如Mg、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、Se、Mo、Al、W、Ca、B等，无机营养盐如碱金属的磷酸盐或碳酸盐。
菌体相对于多孔体，例如在多孔体的表面、内部的细孔、空隙间等，通过共价键、物理吸附、或离子键结合固定。菌体也可以预先含有在载体中，利用载体的特征，在载体表面积聚，也可二者共存。
附图中例示了本发明的载体，图1例示了圆柱型的载体(1)，中心芯部的高分子体(11)是含有用于菌体增殖的微量元素、和无机营养盐的高分子体，该芯部具有利用周围的无机多孔体(12)夹带层合的构造。
图2例示了多重圆筒型的载体(1)。该情况下，具有中空部(13)的圆筒体中，含有用于菌体增殖的营养盐的微量元素的高分子体(11)利用无机多孔体(12)夹带形成层合结构。
图3例示了平板型的载体(1)。该情况下，平板状的与上述同样的高分子体(11)由无机多孔体(12)夹带层合。
图4例示了蜂窝状结构的载体(1)。在包围中空部(13)的壁面中，与上述同样的高分子体(11)通过无机多孔体(12)夹带层合。
如上所述的载体被设置在生物反应器内。用于该生物反应器时，与反应器内的液流的流动有关，考虑培养目的、对象菌种及其性质、基质、微量元素或无机营养盐的扩散速度等，为使培养最有效地进行，确定载体及其配置。
图5是将图1-3的载体(1)装入反应器(2)内的例子，图6(A)(B)表示将方柱状或园柱状的无机多孔体(12)在多处略平行地挖孔，将园柱状或粒子状的与上述同样的含有微量元素、无机营养盐的高分子体(11)充填在其中。图7的场合下，如其侧剖面图(A)和平面图(B)所示，如在反应器(2)内，将图3的平板状载体(1)以锯齿状配置在上下左右以控制流动。图8例示了将图1-3的载体(1)相对于培养液的流动方向略平行地配置在上述无机多孔体(2)的侧面部。图9例示了将图3、4和图6(A)的载体(1)充填在生物反应器中的构成，侧面部同样与流动方向略平行。在该图9的方案中，上述高分子体的充填率为实有效容积的15-25％(体积率)，可以发挥优良的机能。
通过使用本发明的载体，可以期待例如菌体浓度10～25g-dry·cell/l。现有方法中只能达到1～5g-dry·cell/l。
在废水处理等分解体系中，以基质量为S，其分解以下式表示。(dSdt)=-μ·X/YX/S]]>其中，μ为菌的比增殖速度，×为菌的密度，YX/S为菌的收率(因菌的不同而为一定的值)。
利用本发明，μ可以以与μmax相近的值运转，菌密度×可以比现有的高2-10倍，悬浮培养装置的分解速度比现有的增加2-10倍，可以比利用现有的载体的生物反应器增加数倍。
以下给出实施例详细说明本发明。
实施例将重均分子量2000、皂化度98％的物质以约16重量％溶解在水中，用饱和硼酸交联，得到PVA(聚乙烯醇)的聚合物凝胶，在其上担载作为微量元素和无机营养盐的金属盐类，将得到的高分子体充填在图6(B)的园柱状的作为无机多孔体的6根石棉的的挖空部中，以充填在载体中的高分子的容积相当于液部的20％的比例培养甲烷菌，与不使用载体的情况进行比较。液温分别为5℃、15℃、25℃。
表1中给出了微量金属元素，表2中给出了基础无机盐类，表3中给出了维生素溶液的组成。
表4中给出了作为无机多孔体的石棉的物理性质和组成。
表1
表2
表3
表4岩棉的物理特性和组成
有关甲烷菌的培养，与在各培养温度下不使用载体的场合相比，甲烷菌量和甲烷发生速度的结果在表5中给出。
表5载体内微量元素和无机营养盐浓度是现有方法的1000倍
装入反应器内的上述高分子体与无机多孔体中，影响培养的主要是高分子体的容积和无机多孔体的空隙率。如果空隙率为95-98％，则多孔体的剩余体积几乎没有影响。
载体是图5的形态时，判断高分子体的容积大约是液容量的25％，为上限。
由表5可知，与不使用载体的情况相比，甲烷菌量是2.3-4.8倍，甲烷发生速度是4.5-5.8倍，效果优良。在图7-9的模型活塞式流动方式的生物反应器中也得到了同样优良的结果。在实际的生态系统中应用时，使用硝化、脱氮菌，在生活废水流路的底部，在多孔性混凝土块中加入上述高分子体，置于图6(A)所示的物质中进行试验，以T-N、T-P分别得到50％-60％，40％-50％(年平均)的除去率。
产业上的利用可能性如上所述，本发明可以提供新的微量元素、无机营养盐类扩散型的菌体培养用载体，可以在生物反应器或废水处理装置内实现高活性和高密度的菌体。将该载体用于生态系统等环境保护，有助于修复恶化的环境和提高修复的速度。
权利要求
1.含有微量元素的菌体增殖用载体，特征在于，在合成或天然的高分子中含有用于菌体增殖的微量元素和无机营养盐的元素高分子体，利用合成或天然的无机多孔体进行夹带层合而形成的。
2.权利要求1的菌体增殖用载体，是粒状体、筒状体或板状体。
3.权利要求1的菌体增殖用载体，是蜂窝状结构体。
全文摘要
本发明提供在生物反应器或废水处理等中有用的菌体培养载体,可以得到高活性和高密度的菌体。该载体是将含有对菌的增殖有用的微量元素或无机营养盐的高分子体(11)用无机多孔体(12)夹带层合而形成的。
文档编号C12M1/40GK1375003SQ99816958
公开日2002年10月16日 申请日期1999年10月19日 优先权日1999年10月19日
发明者前川孝昭 申请人:科学技术振兴事业团