JP7053243B2 - 微生物固定化担体 - Google Patents
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Description
本発明は炭素成分と樹脂を含む微生物固定化担体に関し、特に生化学的に排水処理を行う際に微生物を付着させた微生物固定化担体として用いるものである。
生活排水、産業排水、農業排水に含まれる窒素及び燐（りん）が自然界の閉鎖水域に滞留することで富栄養化の原因となっている。全国に約２２００箇所存在する下水処理場のうち窒素処理が十分に行えているのは約１００箇所ほどである（非特許文献１参照）。
排水中に含まれる窒素の処理法としては触媒分解法、直接燃焼法、次亜塩素酸注入法、生物分解法などがあるが、とりわけ１～１０００ｐｐｍレベルのアンモニア態窒素の分解にはコスト的にも生物分解法が活用される場合が多い。この生物分解法による排水処理は、固定化担体（以下、単に、担体と称することがある）に微生物を付着させ、排水中に含まれる有機物や窒素を微生物が分解することにより浄化する方法である。
上記微生物を付着させる担体には、プラスチック材、無機材料、包括ゲル材料、親水性ゲル材料などが用いられている。また、上記の材料に他の材料を混合することによって、微生物固定量の増加、比重の調整、強度の向上、汎用材を用いた価格の低減などが検討されてきた。
ところで、担体に微生物が早く付着すれば、微生物の初動分解速度が早くなるので、微生物が付着し易い担体を用いる必要がある。このため、微生物と親和性の高い材料や微生物とのエネルギー障壁の小さい材料、担体表面に親水基の多い材料などが望まれている。
また、流動床担体は軽い材料が望まれている。担体を軽量化させることにより水中での流動性が向上し、攪拌、曝気動力を低減させることが可能だからである。さらに、気孔率の高い材料を担体に用いれば、微生物の固定化部位が多くなり、微生物数の増加も期待できる。
加えて、生物分解による排水処理は担体を多量に使用するため、その製造コストも充分に考慮する必要がある。そのためできるだけ安価な汎用材料や廃棄材料を用いることが望ましい。
下記特許文献１では、熱可塑性樹脂（特に、ポリプロピレン）を主成分とし、炭素、ガラスをフィラーとして０．１～５％含むものであって、フィラーサイズが５０～３０００μｍのものが開示されている。
また、下記特許文献２では、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンファイバー、コークス、カーボンブラック及びこれらの前駆体の中から選ばれる一種もしくは二種以上を骨材とした成形体が炭素化されてなる微生物固定化担体であり、成形体の表面積が４００ｍ２／ｇ以下であるものが開示されている。
日経ビジネス（２０１５年１２月２８日／２０１６年１月４日合併号）
しかしながら、特許文献１の微生物固定化担体では、樹脂が７０質量％以上含有することが好ましいことが記載されており、樹脂リッチであることから微生物が付着しにくいという課題がある。また、炭素繊維、活性炭素繊維は担体に用いる材料としては高価であるという課題もある。
また、特許文献２の微生物固定化担体は、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンファイバー、コークス、カーボンブラック及びこれらの前駆体の中から選ばれる一種もしくは二種以上を骨材とした成形体が炭素化・黒鉛化されてなるため、担体の嵩密度は少なくとも１．３以上になると考えられ、槽内で流動させる際に大きなエネルギーが必要となり、ランニングコストが高くなるという課題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、微生物が微生物固定化担体に付着し易く、且つ、微生物固定化担体の製造コストや微生物固定化担体を用いた装置のランニングコストを低減することを目的としている。
本発明は炭素成分と樹脂とを含み、ゼータ電位が－２５ｍＶ以上０ｍＶ以下であり、且つ、表面および／または内部に微生物が付着されていることを特徴とする。
本発明によれば、微生物が微生物固定化担体に付着し易く、且つ、微生物固定化担体の製造コスト等を低減することができるといった優れた効果を奏する。
炭素成分と樹脂とを含み、ゼータ電位が－２５ｍＶ以上０ｍＶ以下であり、且つ、表面および／または内部に微生物が付着されていることを特徴とする。
本発明において、炭素成分とはカーボンナノ材料および炭素繊維以外の炭素材料をいう。
上記構成の如く、ゼータ電位が－２５ｍＶ以上０ｍＶ以下であれば、微生物のゼータ電位（例えば硝化菌群のゼータ電位は約－２２～－２７ｍＶ）との乖離が小さいため、相互作用し易くなって、微生物固定化担体に多数の微生物を付着することができる。また、炭素成分と樹脂との混合物であるので、微生物付着担体の製造コスト（原材料コスト）を削減できる。特に、大量の微生物付着担体を用いる排水処理プラントでは、コスト低減効果が極めて高い。
また、炭素成分は樹脂と比べて物理的強度、化学的安定性が高い。したがって、炭素成分がフィラー等として添加されていれば、水中での微生物付着担体の強度が向上する。
なお、上記微生物には、下記硝化菌群等を含んでいるが、アナモックス菌群は含まれていない。
本発明において、炭素成分とはカーボンナノ材料および炭素繊維以外の炭素材料をいう。
上記構成の如く、ゼータ電位が－２５ｍＶ以上０ｍＶ以下であれば、微生物のゼータ電位（例えば硝化菌群のゼータ電位は約－２２～－２７ｍＶ）との乖離が小さいため、相互作用し易くなって、微生物固定化担体に多数の微生物を付着することができる。また、炭素成分と樹脂との混合物であるので、微生物付着担体の製造コスト（原材料コスト）を削減できる。特に、大量の微生物付着担体を用いる排水処理プラントでは、コスト低減効果が極めて高い。
また、炭素成分は樹脂と比べて物理的強度、化学的安定性が高い。したがって、炭素成分がフィラー等として添加されていれば、水中での微生物付着担体の強度が向上する。
なお、上記微生物には、下記硝化菌群等を含んでいるが、アナモックス菌群は含まれていない。
上記微生物としては好気性のものが望ましい。好気性の微生物では曝気が必要であるが、本発明の微生物固定化担体は上記の通り、物理的強度および化学的安定性が高いことから、その利点をより発揮できる。
好気性の微生物のうち、硝化菌群であることがより望ましい。硝化菌群を用いることにより、排水処理等を円滑に達成できる。この硝化菌群としては、アンモニア酸化細菌や、亜硝酸酸化細菌が例示される。
好気性の微生物のうち、硝化菌群であることがより望ましい。硝化菌群を用いることにより、排水処理等を円滑に達成できる。この硝化菌群としては、アンモニア酸化細菌や、亜硝酸酸化細菌が例示される。
上記炭素成分の粒度が１μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましく、特に、２μｍ以上５００μｍ以下であることが望ましい。
このように広い粒度分布をもつ炭素成分をフィラー等として添加することでより、水中での担体の強度が向上する。また担体表面に大きさの異なる気孔が多く存在することで多種の微生物が生物膜を効率よく形成することが可能となる。炭素成分の粒度分布は２μｍ以上５００μｍ以下が好ましいが、この範囲に限定するものではなく、３μｍ以上６００μｍ以下、４μｍ以上７００μｍ以下、１μｍ以上４００μｍ以下等、１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲で幅広く分布していれば、本発明の効果を発揮できる。なお、炭素成分を幅広く分布させるためには、粒度の下限は１０μｍ以下（上記記載をも考慮すると、粒度の下限は１μｍ以上１０μｍ以下）であることが望ましく、粒度の上限は３００μｍ以上（上記記載をも考慮すると、粒度の上限は３００μｍ以上１０００μｍ以下）であることが望ましい。
このように広い粒度分布をもつ炭素成分をフィラー等として添加することでより、水中での担体の強度が向上する。また担体表面に大きさの異なる気孔が多く存在することで多種の微生物が生物膜を効率よく形成することが可能となる。炭素成分の粒度分布は２μｍ以上５００μｍ以下が好ましいが、この範囲に限定するものではなく、３μｍ以上６００μｍ以下、４μｍ以上７００μｍ以下、１μｍ以上４００μｍ以下等、１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲で幅広く分布していれば、本発明の効果を発揮できる。なお、炭素成分を幅広く分布させるためには、粒度の下限は１０μｍ以下（上記記載をも考慮すると、粒度の下限は１μｍ以上１０μｍ以下）であることが望ましく、粒度の上限は３００μｍ以上（上記記載をも考慮すると、粒度の上限は３００μｍ以上１０００μｍ以下）であることが望ましい。
上記炭素成分は黒鉛であることが望ましく、特に、等方性黒鉛であることが望ましい。
炭素成分としては黒鉛、特に、等方性黒鉛であることが望ましいのは、上述した作用、効果が円滑に発揮され、且つ、安価であるので、微生物付着担体の製造コストを低減できるからである。炭素成分としては、黒鉛、活性炭、カーボンブラックなどが挙げられる。さらに黒鉛としては人造黒鉛、天然黒鉛などが挙げられ、前記人造黒鉛としては等方性黒鉛、異方性黒鉛が挙げられる。前記天然黒鉛としては土状黒鉛、鱗片状黒鉛等が挙げられる。なお、これらの炭素成分を粉末状あるいはペースト状として用いることが好適である。
炭素成分としては黒鉛、特に、等方性黒鉛であることが望ましいのは、上述した作用、効果が円滑に発揮され、且つ、安価であるので、微生物付着担体の製造コストを低減できるからである。炭素成分としては、黒鉛、活性炭、カーボンブラックなどが挙げられる。さらに黒鉛としては人造黒鉛、天然黒鉛などが挙げられ、前記人造黒鉛としては等方性黒鉛、異方性黒鉛が挙げられる。前記天然黒鉛としては土状黒鉛、鱗片状黒鉛等が挙げられる。なお、これらの炭素成分を粉末状あるいはペースト状として用いることが好適である。
上記炭素成分の割合が５０重量％以上７５重量％以下であり、上記樹脂の割合が２０重量％以上４０重量％以下であることが望ましい。
上記割合であれば、連続気孔が形成され易く、しかも水中での強度が向上するからである。このようなことを考慮すれば、炭素成分を５５重量％以上７０重量％以下とし、樹脂を２５重量％以上３５重量％以下とすることが一層好ましい。なお、炭素成分及び樹脂以外の成分としては後述する架橋剤がある。
上記割合であれば、連続気孔が形成され易く、しかも水中での強度が向上するからである。このようなことを考慮すれば、炭素成分を５５重量％以上７０重量％以下とし、樹脂を２５重量％以上３５重量％以下とすることが一層好ましい。なお、炭素成分及び樹脂以外の成分としては後述する架橋剤がある。
内部に連続した気孔を有し、この気孔の径が１μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましい。
上記構成であれば、微生物の固定化部位が多くなるので、微生物固定化担体により多数の微生物を付着させることができる。
上記構成であれば、微生物の固定化部位が多くなるので、微生物固定化担体により多数の微生物を付着させることができる。
（その他の事項）
（１）樹脂としては熱可塑性樹脂等であることが好ましく、この熱可塑性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、塩化ビニルから選択されるいずれか１種以上のものが例示される。熱可塑性樹脂の中でも水酸基を有する熱可塑性樹脂であることが好ましい。水酸基を有することで親水性が高くなり、水とのなじみがよくなる。さらに、気孔形成が容易となる。水酸基を有する親水性樹脂としてはポリビニルアルコールが挙げられる。
（１）樹脂としては熱可塑性樹脂等であることが好ましく、この熱可塑性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、塩化ビニルから選択されるいずれか１種以上のものが例示される。熱可塑性樹脂の中でも水酸基を有する熱可塑性樹脂であることが好ましい。水酸基を有することで親水性が高くなり、水とのなじみがよくなる。さらに、気孔形成が容易となる。水酸基を有する親水性樹脂としてはポリビニルアルコールが挙げられる。
（２）上記水酸基を有する熱可塑性樹脂の架橋剤としてカルボキシル基および／またはアルデヒド基を有する化合物を用いることができる。当該化合物を用いることにより、熱可塑性樹脂の架橋反応が進み、より強固な成形体を作製することが可能になる。上記カルボキシル基を有する化合物としては、ギ酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸が好ましく、上記アルデヒド基を有する化合物としては、ホルムアルデヒドが好ましい。これらの化合物は、大量且つ安価に製作することができるからである。架橋剤を用いることにより、耐摩耗性が向上する。
（３）微生物固定化担体は、板状、筒状、波板状、球状、中空管状、円柱状、立方体、直方体、シート状の形状を取り得る。これら形状とすることにより、微生物の付着量が十分な担体となる。
以下、第１実施例及び第２実施例について説明する。但し、以下の実施例は単なる例示であって、本発明を以下の実施例に限定するものではない。
（第１実施例）
（第１実施例）
（実施例１）
先ず、濃度３０重量％のポリビニルアルコール（和光純薬工業株式会社製：重合度５００、けん化度８６モル％以上９０モル％以下であって、微生物固定化担体作製後に、担体総量に対するポリビニルアルコールの割合が３０重量％となるように量的規制がなされたもの）に、炭素成分として等方性黒鉛粉末（人造黒鉛の一種、東洋炭素株式会社製、粒度：２μｍ以上５００μｍ以下）６５重量％、架橋剤としてのクエン酸（和光純薬工業株式会社製）５重量％を添加しペーストを得た。次に、このペーストを離型紙に厚み２ｍｍで塗布し乾燥させた後、パンチ、金型を用いて直径５ｍｍ、厚み２ｍｍのペレット状の成形体を得た。最後に、この成形体を１５０℃で１８時間加熱処理して、微生物固定化担体を作製した
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ａ１と称する。
先ず、濃度３０重量％のポリビニルアルコール（和光純薬工業株式会社製：重合度５００、けん化度８６モル％以上９０モル％以下であって、微生物固定化担体作製後に、担体総量に対するポリビニルアルコールの割合が３０重量％となるように量的規制がなされたもの）に、炭素成分として等方性黒鉛粉末（人造黒鉛の一種、東洋炭素株式会社製、粒度：２μｍ以上５００μｍ以下）６５重量％、架橋剤としてのクエン酸（和光純薬工業株式会社製）５重量％を添加しペーストを得た。次に、このペーストを離型紙に厚み２ｍｍで塗布し乾燥させた後、パンチ、金型を用いて直径５ｍｍ、厚み２ｍｍのペレット状の成形体を得た。最後に、この成形体を１５０℃で１８時間加熱処理して、微生物固定化担体を作製した
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ａ１と称する。
（実施例２）
炭素成分として、天然黒鉛（粒度２μｍ以上１０μｍ以下）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ａ２と称する。
炭素成分として、天然黒鉛（粒度２μｍ以上１０μｍ以下）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ａ２と称する。
（実施例３）
炭素成分として、カーボンナノチューブ（直径５μｍ以上１００μｍ以下、長さ１μｍ以上１０μｍ以下）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ａ３と称する。
炭素成分として、カーボンナノチューブ（直径５μｍ以上１００μｍ以下、長さ１μｍ以上１０μｍ以下）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ａ３と称する。
（比較例１）
炭素成分として、等方性黒鉛粉末（東洋炭素株式会社製、粒度：最も小さな粉末の直径が５００μｍを超える）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ１と称する。
炭素成分として、等方性黒鉛粉末（東洋炭素株式会社製、粒度：最も小さな粉末の直径が５００μｍを超える）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ１と称する。
（比較例２）
炭素成分として、等方性黒鉛粉末（東洋炭素株式会社製、粒度：最も大きな粉末の直径が２μｍ未満）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ２と称する。
炭素成分として、等方性黒鉛粉末（東洋炭素株式会社製、粒度：最も大きな粉末の直径が２μｍ未満）を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ２と称する。
（比較例３）
ポリビニルアルコールの割合を８５重量％とする一方、等方性黒鉛粉末の割合を１０重量％とした他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ３と称する。
ポリビニルアルコールの割合を８５重量％とする一方、等方性黒鉛粉末の割合を１０重量％とした他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ３と称する。
（比較例４）
ポリビニルアルコールの割合を１０重量％とする一方、等方性黒鉛粉末の割合を８５重量％とした他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ４と称する。
ポリビニルアルコールの割合を１０重量％とする一方、等方性黒鉛粉末の割合を８５重量％とした他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ４と称する。
（比較例５）
架橋剤としてリン酸を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ５と称する。
架橋剤としてリン酸を用いた他は、上記実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｚ５と称する。
（実験）
上記担体Ａ１～Ａ３、Ｚ１～Ｚ５を用い、下記（１）水中での強度～（５）微生物固定量に関する実験を行ったので、それらの実験結果を下記表１に示す。
上記担体Ａ１～Ａ３、Ｚ１～Ｚ５を用い、下記（１）水中での強度～（５）微生物固定量に関する実験を行ったので、それらの実験結果を下記表１に示す。
（１）水中での強度
１．５Ｌの容器に水１Ｌと担体を１００ｍＬとを加えて、回転数６００ｒｐｍで２４時間連続して攪拌した。そして、攪拌終了後の担体の重量を測ることにより摩耗量を測定あし、下記（Ａ）式から担体の重量減少率を算出した。そして、担体の重量減少率が０．１％未満のものを◎、０．１％以上０．３％未満のものを○、０．３％以上０．５％未満のものを△、０．５％以上のものを×とした。
１．５Ｌの容器に水１Ｌと担体を１００ｍＬとを加えて、回転数６００ｒｐｍで２４時間連続して攪拌した。そして、攪拌終了後の担体の重量を測ることにより摩耗量を測定あし、下記（Ａ）式から担体の重量減少率を算出した。そして、担体の重量減少率が０．１％未満のものを◎、０．１％以上０．３％未満のものを○、０．３％以上０．５％未満のものを△、０．５％以上のものを×とした。
重量減少率＝
[（実験後の担体重量－実験前の担体重量）／実験前の担体重量]×１００・・・（Ａ）
[（実験後の担体重量－実験前の担体重量）／実験前の担体重量]×１００・・・（Ａ）
（２）水中での浮遊性
担体の水中での浮遊性は目視で確認した。容器内に均一に分散した場合は◎、大方浮遊している場合を○、一部浮遊している場合を△、全て浮遊し容器内に封じ込められなかった場合を×とした。
担体の水中での浮遊性は目視で確認した。容器内に均一に分散した場合は◎、大方浮遊している場合を○、一部浮遊している場合を△、全て浮遊し容器内に封じ込められなかった場合を×とした。
（３）連続気孔の観察
上記の方法で作製した成形体（担体）を走査型顕微鏡で担体表面及び断面の観察を行った（図１参照）。連続気孔が多数存在していた場合は◎、連続気孔がある程度存在していた場合は○、連続気孔が存在していない場合は×とした。
上記の方法で作製した成形体（担体）を走査型顕微鏡で担体表面及び断面の観察を行った（図１参照）。連続気孔が多数存在していた場合は◎、連続気孔がある程度存在していた場合は○、連続気孔が存在していない場合は×とした。
（４）ゼータ電位の測定
下記（i）～（iv）に示した手順で、ゼータ電位を測定した。
（i）成形体（担体）を乳鉢で粉状にした後、水５０ｍｌに当該粉状物（凝集体）１ｇを加えた。
（ii）薬匙で１分間攪拌後、超音波洗浄機（アズワン製超音波洗浄機ＡＳＵ－１０）を用いて周波数４０Ｈｚ、出力２４０Ｗで５分間攪拌した。
下記（i）～（iv）に示した手順で、ゼータ電位を測定した。
（i）成形体（担体）を乳鉢で粉状にした後、水５０ｍｌに当該粉状物（凝集体）１ｇを加えた。
（ii）薬匙で１分間攪拌後、超音波洗浄機（アズワン製超音波洗浄機ＡＳＵ－１０）を用いて周波数４０Ｈｚ、出力２４０Ｗで５分間攪拌した。
（iii）攪拌後すぐにディップセルに上澄み液を１ｍｌ充填し、ゼータ電位測定装置（Ｍａｌｖｅｒｎ社製Ｚｔａｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ－ＺＳ９０）を用いて、波長６３３ｎｍの赤色レーザーで測定した。なお、測定時のｐＨは７であった。また、測定は３回行い、その平均値を担体のゼータ電位とした 。
（５）微生物固定量（担体１ｇ当たりの標的遺伝子のコピー数）の測定
１Ｌの容器に無機合成排水（ＮＨ４－Ｎ ４０ｍｇ／Ｌ）を原水として連続流入させて処理を行った。担体を１０ｍＬ添加し、曝気しながら１５０日間処理運転した担体を用いて、標的菌群をアンモニア酸化細菌としたリアルタイムＰＣＲ解析を行った。その際、アンモニア酸化酵素遺伝子amoA、亜硝酸酸化細菌Nitrobacter属の有する亜硝酸酸化還元酵素遺伝子norBを標的として、担体1gあたりの菌のコピー数を調べた。DNA抽出は、MORA-EXTRACT kit(Kyokuto Pharmaceutical,Tokyo)を用いて行った。PCR(ポリメラーゼ連鎖反応測定)では、プライマーをそれぞれamoA:amoA-F1,amoA-2R, norB:NxrBF1, NxrB1Rとし、スタンダードDNANitrosonas europium NBRC14298(amoA遺伝子コピー数測定用)、Nitrobacter winogradskyi SYBR(R)Ｐremix Ex TaTM II(Takara,Shiga)、MightyAmp(R)for Real Time(Takara,Shiga)を用い、リアルタイムPCR装置はRotor-GeneTMQ (QIAGEN,Germany)を用いた。
１Ｌの容器に無機合成排水（ＮＨ４－Ｎ ４０ｍｇ／Ｌ）を原水として連続流入させて処理を行った。担体を１０ｍＬ添加し、曝気しながら１５０日間処理運転した担体を用いて、標的菌群をアンモニア酸化細菌としたリアルタイムＰＣＲ解析を行った。その際、アンモニア酸化酵素遺伝子amoA、亜硝酸酸化細菌Nitrobacter属の有する亜硝酸酸化還元酵素遺伝子norBを標的として、担体1gあたりの菌のコピー数を調べた。DNA抽出は、MORA-EXTRACT kit(Kyokuto Pharmaceutical,Tokyo)を用いて行った。PCR(ポリメラーゼ連鎖反応測定)では、プライマーをそれぞれamoA:amoA-F1,amoA-2R, norB:NxrBF1, NxrB1Rとし、スタンダードDNANitrosonas europium NBRC14298(amoA遺伝子コピー数測定用)、Nitrobacter winogradskyi SYBR(R)Ｐremix Ex TaTM II(Takara,Shiga)、MightyAmp(R)for Real Time(Takara,Shiga)を用い、リアルタイムPCR装置はRotor-GeneTMQ (QIAGEN,Germany)を用いた。
（実験結果）
上記表１から明らかように、担体Ａ１～Ａ３のゼータ電位は－１０．１ｍＶ～－９．１ｍＶと高いのに対して、担体Ｚ１～Ｚ４のゼータ電位は－２５ｍＶ未満と低くなっていることが認められた。
上記表１から明らかように、担体Ａ１～Ａ３のゼータ電位は－１０．１ｍＶ～－９．１ｍＶと高いのに対して、担体Ｚ１～Ｚ４のゼータ電位は－２５ｍＶ未満と低くなっていることが認められた。
また、担体Ａ１～Ａ３では、担体の表面及び断面に１～１０００μｍの連続した気孔が存在することが認められ、特に、担体Ａ１では当該気孔が多数存在することが認められた。これに対して、担体Ｚ１～Ｚ４では、担体の表面及び断面に連続した気孔が存在しないことが認められた。
以上のように、担体Ａ１～Ａ３では硝化菌とのゼータ電位の乖離が小さいため、微生物（アンモニア酸化細菌）が担体に固定化され易くなると共に、連続した気孔が多数存在するので、微生物の固定化部位が多くなる。これらのことから、担体Ａ１～Ａ３では、微生物固定量（担体１ｇ当たりの標的遺伝子のコピー数）が１．９×１０９であって、多数の微生物が固定化されていることがわかった。これに対して、担体Ｚ１～Ｚ４では硝化菌とのゼータ電位の乖離が比較的大きい為、微生物が担体に固定化され難くなると共に、連続した気孔が存在しないので、微生物の固定化部位が少なくなる。これらのことから、担体Ｚ１～Ｚ３では、微生物固定量が１．９×１０８であって、微生物が余り固定化されていないことがわかった。なお、担体Ｚ４、Ｚ５では、強度が低いために崩壊してしまい、微生物固定量が測定できなかった。
更に、担体Ａ１～Ａ３では強度（水中での接触強度）が高く、特に、担体Ａ１では強度が極めて高くなっていることが認められた。これに対して、担体Ｚ３では強度が高いものの、担体Ｚ１、Ｚ２、Ｚ４、Ｚ５では強度が低く、特に、担体Ｚ４、Ｚ５では強度が極めて低くなっていることが認められた。
加えて、担体Ａ１～Ａ３では浮遊性が高く、特に、担体Ａ１では浮遊性が極めて高くなっていることが認められた。これに対して、担体Ｚ１～Ｚ３では浮遊性が高いものの、担体Ｚ４では浮遊性が低くなっていることが認められた。
加えて、担体Ａ１～Ａ３では浮遊性が高く、特に、担体Ａ１では浮遊性が極めて高くなっていることが認められた。これに対して、担体Ｚ１～Ｚ３では浮遊性が高いものの、担体Ｚ４では浮遊性が低くなっていることが認められた。
ここで、担体Ｚ２で用いた天然黒鉛は金属不純物の量が多く、また、担体Ｚ３で用いたカーボンナノチューブは人造黒鉛と比べると非常に高価である。したがって、担体に用いる炭素成分としては、担体Ｚ１で用いた等方性黒鉛（人造黒鉛）が最適である。ただし、単に等方性黒鉛を用いるだけではなく、以下のことも考慮すべきである。等方性黒鉛を用いても、全ての等方性黒鉛の粒径が大き過ぎたり、小さ過ぎたりすると、強度や浮遊性が低下し、連続気孔が形成されず、しかも微生物が担体に固定化され難くなる（担体Ａ１と担体Ｚ１、Ｚ２との比較）。したがって、全ての等方性黒鉛の粒径が大き過ぎたり、小さ過ぎたりするのは好ましくない。
また、親水基の多いポリビニルアルコールの割合が多くなり過ぎると、強度は向上するものの、ゼータ電位が低下し、連続気孔が形成されず、しかも、微生物が担体に固定化され難くなる（担体Ｚ３参照）。一方、ポリビニルアルコールの割合が少なくなり過ぎると、ゼータ電位は若干高くなるものの、強度や浮遊性が著しく低下し、連続気孔が形成されなかった。また、水中に投入後すぐに崩壊したため、微生物固定量を測定できなかった（担体Ｚ４参照）。以上のことを考慮すれば、ポリビニルアルコールの割合は、２０～４０重量％であることが望ましい。
なお、架橋剤にリン酸を使用すると、架橋反応が充分に進んでいなかったため、強度が小さいこと以外は実験で判明しなかった。
なお、架橋剤にリン酸を使用すると、架橋反応が充分に進んでいなかったため、強度が小さいこと以外は実験で判明しなかった。
（第２実施例）
（実施例１）
前記第１実施例の実施例１に示したペーストを、泡立て器で混合した後、絞りで棒状に絞出し、１５０℃で１８時間加熱処理を行った。その後、５～１０ｍｍ角サイズのペレット状に切断して、微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｂ１と称する。
（実施例１）
前記第１実施例の実施例１に示したペーストを、泡立て器で混合した後、絞りで棒状に絞出し、１５０℃で１８時間加熱処理を行った。その後、５～１０ｍｍ角サイズのペレット状に切断して、微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｂ１と称する。
（実施例２）
ペースト作製時に、造孔剤としてでんぷん（和光純薬製 型番１９６－１３１８５）を、ポリビニルアルコール：でんぷん＝５：１の重量比となるように添加すること、および、ペレット状に切断した後に、９０℃のお湯で５時間洗浄し、造孔剤であるでんぷんを除去したこと以外は、上記第２実施例の実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｂ２と称する。
ペースト作製時に、造孔剤としてでんぷん（和光純薬製 型番１９６－１３１８５）を、ポリビニルアルコール：でんぷん＝５：１の重量比となるように添加すること、および、ペレット状に切断した後に、９０℃のお湯で５時間洗浄し、造孔剤であるでんぷんを除去したこと以外は、上記第２実施例の実施例１と同様にして微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｂ２と称する。
（実施例３）
第１実施例の実施例１に示したペーストにおいて、架橋剤であるクエン酸に変えてホルムアルデヒド（和光純薬製 型番０６４－００４０６）をポリビニルアルコール：ホルムアルデヒド＝２：１の重量比で用い、さらに造孔剤としてでんぷんをポリビニルアルコール：でんぷん＝５：１の重量比となるように添加してペーストを得た。次に、このペーストをビーカーに入れ、６０℃で２２時間硬化処理した後、試料を蒸留水で洗浄した。さらに９０℃のお湯で５時間洗浄し、造孔剤であるでんぷんを除去した。その後、５～１０ｍｍ角サイズのペレット状に切断して、微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｂ３と称する。
第１実施例の実施例１に示したペーストにおいて、架橋剤であるクエン酸に変えてホルムアルデヒド（和光純薬製 型番０６４－００４０６）をポリビニルアルコール：ホルムアルデヒド＝２：１の重量比で用い、さらに造孔剤としてでんぷんをポリビニルアルコール：でんぷん＝５：１の重量比となるように添加してペーストを得た。次に、このペーストをビーカーに入れ、６０℃で２２時間硬化処理した後、試料を蒸留水で洗浄した。さらに９０℃のお湯で５時間洗浄し、造孔剤であるでんぷんを除去した。その後、５～１０ｍｍ角サイズのペレット状に切断して、微生物固定化担体を作製した。
このようにして作製した微生物固定化担体を、以下、担体Ｂ３と称する。
（実験）
前記担体Ａ１及び上記担体Ｂ１～Ｂ３を用い、下記（１）ゼータ電位の測定～（７）担体１ｇ当たりの標的遺伝子のコピー数の測定に関する実験を行ったので、それらの実験結果を下記表２に示す。
前記担体Ａ１及び上記担体Ｂ１～Ｂ３を用い、下記（１）ゼータ電位の測定～（７）担体１ｇ当たりの標的遺伝子のコピー数の測定に関する実験を行ったので、それらの実験結果を下記表２に示す。
（１）嵩密度
乾燥したサンプル３０ｇを秤量し、これを５００ｍＬのビーカーに投入した後、１００回タッピングを行った。このタッピング後に体積を測定することにより、嵩密度を算出した。
乾燥したサンプル３０ｇを秤量し、これを５００ｍＬのビーカーに投入した後、１００回タッピングを行った。このタッピング後に体積を測定することにより、嵩密度を算出した。
（２）吸水率
乾燥したサンプル（各担体）３０ｇを秤量して５００ｍＬのビーカーに投入した後、当該ビーカーに水を３００ｍＬ投入した。次に、ビーカー内で両者をよく撹拌した後、２４時間静置し、さらに、軽く水切りをして重量を測定した。そして下記（Ｂ）式から吸水率を算出した。
吸水率＝[（実験後の担体重量－実験前の担体重量）／実験前の担体重量]×１００・・・（Ｂ）
乾燥したサンプル（各担体）３０ｇを秤量して５００ｍＬのビーカーに投入した後、当該ビーカーに水を３００ｍＬ投入した。次に、ビーカー内で両者をよく撹拌した後、２４時間静置し、さらに、軽く水切りをして重量を測定した。そして下記（Ｂ）式から吸水率を算出した。
吸水率＝[（実験後の担体重量－実験前の担体重量）／実験前の担体重量]×１００・・・（Ｂ）
（３）膨潤率
吸水率測定後のサンプルを５００ｍＬのビーカーに投入し、１００回タッピングした後の体積を測定した。そして下記（Ｃ）式から膨潤率を算出した。
膨潤率＝[１＋（実験後の担体体積－実験前の担体体積）／実験前の担体体積]×１００・・・（Ｃ）
吸水率測定後のサンプルを５００ｍＬのビーカーに投入し、１００回タッピングした後の体積を測定した。そして下記（Ｃ）式から膨潤率を算出した。
膨潤率＝[１＋（実験後の担体体積－実験前の担体体積）／実験前の担体体積]×１００・・・（Ｃ）
（４）耐久性
膨潤率測定後のサンプルを３Ｌのビーカーに投入した後、ビーカーに水を２．５L投入した。次に、攪拌翼を２Ｌの高さ（ビーカーの底壁から約２／３の高さの部位）に設置し、３００ｒｐｍで２４時間攪拌した。攪拌前後の重量を測定し、下記（Ｄ）式から耐久性（重量維持率）を算出した。
重量維持率＝（撹拌後の重量／撹拌前の重量）×１００・・・（Ｄ）
膨潤率測定後のサンプルを３Ｌのビーカーに投入した後、ビーカーに水を２．５L投入した。次に、攪拌翼を２Ｌの高さ（ビーカーの底壁から約２／３の高さの部位）に設置し、３００ｒｐｍで２４時間攪拌した。攪拌前後の重量を測定し、下記（Ｄ）式から耐久性（重量維持率）を算出した。
重量維持率＝（撹拌後の重量／撹拌前の重量）×１００・・・（Ｄ）
（５）沈降性
乾燥したサンプル（各担体）を水中に２４時間静置後、ビーカーの底に沈んでいるサンプルの割合を調べた。具体的には、下記（Ｅ）式から算出した。
沈降性＝（ビーカーの底に沈んでいるサンプル重量／全サンプル重量）×１００・・・（Ｅ）
（６）ゼータ電位
前記第１実施例の実験で示した方法と同様の方法で測定した。
（７）担体１ｇ当たりの標的遺伝子のコピー数の測定
前記第１実施例の実験で示した方法と同様の方法で測定した。
乾燥したサンプル（各担体）を水中に２４時間静置後、ビーカーの底に沈んでいるサンプルの割合を調べた。具体的には、下記（Ｅ）式から算出した。
沈降性＝（ビーカーの底に沈んでいるサンプル重量／全サンプル重量）×１００・・・（Ｅ）
（６）ゼータ電位
前記第１実施例の実験で示した方法と同様の方法で測定した。
（７）担体１ｇ当たりの標的遺伝子のコピー数の測定
前記第１実施例の実験で示した方法と同様の方法で測定した。
上記表２から明らかように、担体Ｂ１は担体Ａ１に比べて、嵩密度が小さくなると共に、吸水率が高くなっていることが認められる。これは、担体Ｂ１の作製で示したように、ペーストを泡立て器で混合した後、絞りでペレットを作れば、担体内に孔が多数形成されることによると考えられる。但し、担体Ｂ１では膨潤率が低く、耐久性が低下した。また、沈降性が低くなった。
また、担体Ｂ１に対して造孔剤であるでんぷんを使用した担体Ｂ２では、担体Ｂ１に比べて、嵩密度、膨潤率、耐久性、沈降性が高くなった。また、吸水率は低下した。
更に、担体Ｂ２に対して架橋剤をホルムアルデヒドに変更するとともに架橋剤の添加量を増量（ＰＶＡ及び等方性黒鉛粉末は減量）させた担体Ｂ３では、担体Ｂ２に比べて、吸水率が非常に高くなっていることが認められる。なお、担体Ｂ２に比べて嵩密度は若干低くなるものの、膨潤率、柔軟性、沈降性は同等であった。
本発明は、硝化菌群等を用いた廃水処理装置に用いることができる。
Claims (7)
- 炭素成分と、ポリビニルアルコールと、カルボキシル基および／またはアルデヒド基を有する化合物からなる架橋剤と、を含み、ゼータ電位が－２５ｍＶ以上０ｍＶ以下であり、且つ、表面および／または内部に微生物が付着されており、上記炭素成分の割合が５０重量％以上７５重量％以下であり、上記ポリビニルアルコールの割合が２０重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする微生物固定化担体。
- 上記微生物が硝化菌群である、請求項１に記載の微生物固定化担体。
- 上記炭素成分の粒度が１μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の微生物固定化担体。
- 上記炭素成分の粒度が２μｍ以上５００μｍ以下である、請求項３に記載の微生物固定化担体。
- 上記炭素成分は黒鉛である、請求項１～４のいずれか１項に記載の微生物固定化担体。
- 上記黒鉛が等方性黒鉛である、請求項５に記載の微生物固定化担体。
- 内部に連続した気孔を有し、この気孔の径が１μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載の微生物固定化担体。
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