(57)【要約】【課題】反応槽中において流動性に優れており、深度が深い反応槽中にあっても、槽の底部に滞留することがなくて、取扱性に優れた担体となりうるポリビニルアルコール系含水ゲルを提供すること。【解決手段】ポリビニルアルコールおよび水よりなるゲルであり、含水率が９１％以上９８％以下であり、比重が１．００以上１．０２以下であるポリビニルアルコール系含水ゲル、およびポリビニルアルコ−ル（ａ）１〜４重量％、およびカチオンとの接触によりゲル化する能力のある水溶性多糖類（ｂ）０．１〜０．９重量％を含む水溶液をカチオン含有水溶液と接触させた後、不溶化処理を行うことを特徴とするポリビニルアルコ−ル系含水ゲルの製造方法。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリビニルアルコ−ルおよび水よりなるゲルであり、含水率が９１％以上９８％以下であり、比重が１．００以上１．０２以下であるポリビニルアルコ−ル系含水ゲル。
【請求項２】
ポリビニルアルコ−ルの重合度が２０００以上である請求項１に記載のポリビニルアルコ−ル系含水ゲル。
【請求項３】
請求項１または２に記載のポリビニルアルコ−ル系含水ゲルからなる微生物固定化担体。
【請求項４】
ポリビニルアルコ−ル（ａ）１〜４重量％、およびカチオンとの接触によりゲル化する能力のある水溶性多糖類（ｂ）０．１〜０．９重量％を含む水溶液をカチオン含有水溶液と接触させた後、不溶化処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のポリビニルアルコ−ル系含水ゲルの製造方法。
【請求項５】
不溶化処理がアセタ−ル化による化学架橋である請求項４に記載のポリビニルアルコ−ル系含水ゲルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水処理などに用いられる微生物固定化担体に適したポリビニルアルコ−ル系含水ゲルおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子含水ゲルは、生体触媒の担体、保水剤、保冷剤、眼・皮膚・関節などの生体ゲルの代替、薬物の徐放材、アクチュエ−タ−の基材として、その研究が盛んに進められている。これらの含水ゲルの原料となる高分子素材としては、寒天、アルギン酸塩、カラギ−ナン、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコ−ル、光硬化性樹脂などが知られている。これらの高分子素材を原料とする含水ゲルは、これに微生物菌体を固定させ、排水処理などの分野で用いられている。排水処理などに用いられる担体の特性としては、含水率が高いこと、酸素や基質の透過性に優れていること、生体との親和性が高いことなどが必要とされ、これらの要求特性を満たすポリビニルアルコ−ル（以下、ＰＶＡと略記することがある）からなる含水ゲルは、排水処理用担体、バイオリアクタ−用担体などとして重用されている。
【０００３】
従来、ＰＶＡ系含水ゲルの製造法として、ＰＶＡおよびアルギン酸ナトリウムの水溶液を塩化カルシウム水溶液に接触させて球状化した後、凍結解凍を行う方法（特開昭６４−４３１８８号公報）、ＰＶＡ水溶液を飽和ホウ酸水溶液に接触させてゲル化する方法（「下水道協会誌」、１９８６年、第２３巻、４１頁；「用水と廃水」、第３０巻、３６頁（１９８６年））、ＰＶＡ水溶液を鋳型に注入した後、凍結により部分的に脱水を行う方法（特開昭５８−３６６３０号公報）などが知られている。しかし、排水処理に用いられる、従来知られているＰＶＡ系含水ゲルからなる担体は、担体の強度を保つために、ゲルを製造する際に、水溶液中における主成分のＰＶＡは５〜２０重量％の濃度であり、そのため得られる含水ゲルの比重は、水に近いとはいえ、１．０２５〜１．０５程度と軽いと言えるものではなかった。
【０００４】
ＰＶＡ系含水ゲル担体の比重が大きいと、これを曝気槽に入れて排水処理を行う際に、水深が５ｍ以内と浅い標準曝気槽において担体の流動性が問題になることはほとんどなかったが、都市下水処理場などで採用されている水深約１０ｍの深槽曝気方式による排水処理においては、担体が槽の底部に滞留し担体の利用効率が低下するという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、反応槽中において流動性に優れており、深度が深い反応槽中にあっても、槽の底部に滞留することがなくて、取扱性に優れた担体となりうるＰＶＡ系含水ゲルを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記課題は、ＰＶＡおよび水よりなるゲルであり、含水率が９１％以上９８％以下であり、比重が１．００以上１．０２以下であるＰＶＡ系含水ゲルにより解決されることが見出された。このようなＰＶＡ系含水ゲルは、ＰＶＡ（ａ）１〜４重量％、およびカチオンとの接触によりゲル化する能力のある水溶性多糖類（ｂ）０．１〜０．９重量％を含む水溶液をカチオン含有水溶液と接触させた後、不溶化処理を行うことにより製造することができる。そして、上記ＰＶＡ系含水ゲルは、排水処理などに用いられる微生物固定化担体として有効に用いることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のＰＶＡ系含水ゲルは、含水率が９１％以上９８％以下であり、比重が１．００以上１．０２以下であることが重要である。ＰＶＡ系含水ゲルの含水率が９１％未満であったり、あるいは比重が１．０２を越える場合、深槽曝気槽において担体が槽の底部に滞留し担体の効率が低下するため好ましくない。ＰＶＡ系含水ゲルの含水率が９８％を超える場合、含水ゲルの強度が小さく、槽内を流動中に担体が破壊されることがあり好ましくない。また、ＰＶＡ系含水ゲルの比重が１．００未満の場合、担体が槽の上部に浮上して槽内を流動しなくなることがあり好ましくない。
【０００８】
本発明のＰＶＡ系含水ゲルは、ＰＶＡ（ａ）１〜４重量％、およびカチオンとの接触によりゲル化する能力のある水溶性多糖類（ｂ）０．１〜０．９重量％を含む水溶液をカチオン含有水溶液と接触させた後、不溶化処理を行うことにより製造することができる。ＰＶＡ（ａ）としては、含水ゲルの機械的強度の点から平均重合度が２０００以上であることが好ましく、２４００以上がより好ましい。平均重合度について厳密な意味での上限は存在しないが、平均重合度が大き過ぎると、ＰＶＡの製造時に、ＰＶＡを含有する水溶液の流動性が低下し、生産性が悪くなる傾向があるので、平均重合度は８０００以下が好ましい。ＰＶＡのケン化度について特に制限はないが、ＰＶＡを含有する水溶液の粘度や製造した含水ゲルの機械的強度の点から、通常７５モル％以上であり、９８．５モル％以上が好ましく、９９．８５モル％以上がより好ましい。
【０００９】
カチオンとの接触によりゲル化する能力のある水溶性多糖類（ｂ）とは、水溶性であり、少なくとも１種のカチオンを含有する水溶液に接触させることにより水に不溶性又は難溶性のゲルに変化する能力のある物質である。このような水溶性多糖類（ｂ）の例としては、アルギン酸のアルカリ金属塩、カラギ−ナン、マンナン、キトサン等が挙げられるが、とりわけアルギン酸ナトリウムが好ましい。
【００１０】
ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）を含む水溶液の調製方法は、水中にＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）が溶解され、水中に安定に分散される方法であれば特に制限はなく、その代表的な方法としては、ＰＶＡ（ａ）を水に溶解し、次いで水溶性多糖類（ｂ）の水溶液を添加した後、攪拌、混合する方法を挙げることができる。その際、ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）をそれぞれ１〜４重量％および０．１〜０．９重量％の範囲の量で用いることが、本発明のＰＶＡ系含水ゲルを製造する上で重要である。ＰＶＡの濃度が４重量％を超えると、本発明において規定したよりも比重の大きいＰＶＡ系含水ゲルが得られ、深槽曝気槽において担体が槽の底部に滞留し担体の効率が低下するため好ましくない。また、ＰＶＡの濃度が１重量％より小さいと、製造されたＰＶＡ系含水ゲルは強度が小さく、槽内を流動中に担体が破壊されることがあり、好ましくない。水溶性多糖類の濃度が０．１より小さいと、製造したＰＶＡ系含水ゲルの強度が小さく好ましくない。０．９重量％より大きいと、製造したＰＶＡ系含水ゲルの比重が大きくなり過ぎるので、好ましくない。
【００１１】
ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）を含む水溶液には、本発明の効果を損なわない範囲であれば、上記（ａ）および（ｂ）以外の成分が含まれていてもよく、その含まれていてもよい成分としては、例えば含水ゲル成形物の強度を上げるための補強材等が挙げられる。
【００１２】
本発明の方法においては、ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）を含む水溶液をカチオン含有水溶液と接触させることにより、水溶性多糖類（ｂ）がゲル化する。カチオンの例としては、水溶性多糖類（ｂ）がアルギン酸ナトリウムの場合、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオンなどのアルカリ土類金属イオン、アルミニウムイオン、ニッケルイオン、セリウムイオンなどの多価金属イオンから選択するのが好ましく、水溶性多糖類（ｂ）がカラギーナン、マンナンまたはキトサンの場合、上記したカチオン以外にナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、アンモニウムイオンなども使用することができる。
【００１３】
上記したカチオン含有水溶液におけるカチオンの濃度は水溶性多糖類（ｂ）の種類等によっても異なるが、一般には０．０１〜５モル／Ｌの範囲内である。また、水溶性多糖類としてマンナンまたはキトサンが用いられる場合には、水溶液のｐＨが８以上、好ましくは１０以上に調整されているのがよく、その目的のために、例えば水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム等が水に溶解して使用される。
【００１４】
ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）を含む水溶液をカチオン含有水溶液と接触させることにより形成されるゲルの形状は、ゲル担体の流動性の点から、球状であることが好ましい。球状のゲルを得る方法としては、ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）を含む水溶液を注射針のような細い管の先端からカチオン含有水溶液中に滴下する、同水溶液を遠心力を利用して球状に飛散させカチオン含有水溶液中に滴下する、同水溶液をスプレーノズルの先端から霧化して球状としカチオン含有水溶液中に滴下する、などの種々の方法を採用することができる。カチオン含有水溶液中に滴下させる液滴の大きさは、目的とする担体の粒径に応じて自由に変えることができるが、通常は直径約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、好ましくは約０．５ｍｍ〜約３ｍｍである。
【００１５】
カチオン含有水溶液中で形成されたゲルは、不溶化処理が施こされ、これによりゲルの強度を向上させることができる。不溶化処理の方法としては、ほう酸等による処理を行うこともできるが、ＰＶＡ系含水ゲルからのＰＶＡの溶出や該ゲルの劣化を回避するため、アセタ−ル化等による化学架橋が好ましい。
【００１６】
ＰＶＡのアセタール化により不溶化処理を行う場合、カチオン含有水溶液中で形成された含水ゲルを一旦取り出し、アセタ−ル化液に浸漬させる。アセタ−ル化液としては、アルデヒド化合物および酸を含む水溶液が用いられる。使用しうるアルデヒド化合物としては、グリオキザ−ル、ホルムアルデヒド、ベンズアルデヒド、スクシンアルデヒド、マロンジアルデヒド、グルタルアルデヒド、アジピンアルデヒド、テレフタルアルデヒド、ノナンジア−ルなどが挙げられる。また、使用しうる酸としては、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸、酢酸、シュウ酸などの酸や、硫酸水素ナトリウム、硫酸水素アンモニウムなどの酸性塩が挙げられる。アルデヒド化合物および酸の存在下において含水ゲルが過膨潤したり、溶解する可能性があることから、アセタ−ル化液にはその抑制剤として、ＰＶＡの離液作用のある硫酸ナトリウムなどを添加してもよい。ＰＶＡのアセタ−ル化度は、１０〜６０モル％が好ましく、２０〜５５モル％がより好ましい。アセタ−ル化度が１０モル％より低いと、十分な耐水性が得られなくなることがあり、一方、アセタ−ル化度が６０モル％より高いとＰＶＡが過剰に疎水化される結果、微生物の棲息性が低下する傾向が見られる。アセタ−ル化により不溶化処理を行った後の含水ゲルをアセタ−ル化液と分離し、水による洗浄および中和などの処理を施し、含水状態のゲルを得る。含水状態のゲルは一旦乾燥させてもよく、この場合、再び水に浸漬させると含水状態のゲルに復元する。
【００１７】
本発明のＰＶＡ系含水ゲルは、空隙率が高く微生物の棲息性に優れるため、生物反応槽中において微生物および酵素などの生体触媒を担持する微生物固定化担体として好適に使用される。微生物を担持する方法については特に限定はなく、不溶化処理を施した後の含水ゲルに微生物を後付着させてもよいし、ＰＶＡ（ａ）および水溶性多糖類（ｂ）を含む水溶液に微生物を混合して包括固定させてもよい。ただし、微生物の包括固定を行う場合、不溶化処理で用いるアセタール化液等によって微生物が死滅することがないように微生物の種類を選択し、不溶化条件を調整する必要がある。
【００１８】
ＰＶＡ系含水ゲルからなる担体に固定化させることのできる微生物の種類に特に限定はなく、細菌、放線菌、カビ、酵母などのいずれでもよく、純粋培養で得られたものでも混合培養で得られたものでも、活性汚泥のようなものでもよい。微生物としては、たとえば、ムコ−ル（Ｍｕｃｃｏｒ）属、フザリウム（Ｆｕｓａｒｉｕｍ）属、クラドツリックス（Ｃｌａｄｏｔｈｒｉｘ）属、スフェロチルス（Ｓｐｈａｅｒｏｔｉｌｕｓ）属、ズ−グレア（Ｚｏｏｇｌｅａ）属、レプトミツス（Ｌｅｐｔｏｍｉｔｕｓ）属、アスペルギルス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）属、リゾプス（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ）属、シュ−ドモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）属、アセトバクタ−（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ）属、ストレプトマイセス（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ）属、エシエリシア（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ）属、サッカロマイセス（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）属、キャンディダ（Ｃａｎｄｉｄａ）属に属する微生物が挙げられ、イオウ細菌、メタン菌、酪酸菌、乳酸菌、枯草菌、変形菌、不全菌、硝酸菌、亜硝酸菌、脱窒菌なども例示される。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。ＰＶＡ系含水ゲルの含水率、比重およびアセタール化度は以下の方法にしたがって求めた。また、ＰＶＡ系含水ゲルからなる担体の流動性は以下の方法にしたがって評価した。
【００２０】
（含水率）
ＰＶＡ系含水ゲルを２５℃の水に２４時問浸漬し、表面付着水を除去した後、含水ゲルの重量を測定し、その値をｗｅｔ重量（Ｗ１）とする。次に、ｗｅｔ重量を測定した含水ゲルを１０５℃で４時間乾燥してその重量を測定し、その値をｄｒｙ重量（Ｗ２）とする。含水ゲルのｗｅｔ重量（Ｗ１）およびｄｒｙ重量（Ｗ２）から、下式にしたがって含水率を算出した。
含水率（％）＝（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１×１００
【００２１】
（比重）
温度２５℃の環境中で容量５０ｍＬの試験管中に硫酸ナトリウムと水により特定の比重に調製した比重調製液５０ｍＬを作製した。ＰＶＡ系含水ゲル１０個を表面付着水を除去した後、試験管内の比重調製液中に投入した。ＰＶＡ系含水ゲルの投入より１０秒後に、浮いているゲル、沈んでいるゲル、中間に留まっているゲルの個数を数え、中間に留まっているＰＶＡ系含水ゲルの個数が全体の過半数を超えた場合、そのときの比重調製液の比重を含水ゲルの比重とした。
【００２２】
（アセタ−ル化度）
ＰＶＡ系含水ゲルを１０５℃で２時間乾燥させた試料０．２ｇを精秤し、２５％硫酸溶液を装填した蒸留装置に投入した。次いで蒸気を送りながら加熱し、遊離するアルデヒドを水と共に留出させ、２％亜硫酸水素ナトリウム（ＮａＨＳＯ３と略記することがある）水溶液に吸収させた。余剰のＮａＨＳＯ３水溶液をヨウ素により逆滴定して遊離アルデヒド量を求め、ゲル中の水酸基量の割合（モル比）からアセタール化度を算出した。
【００２３】
（流動性）
容積１Ｌのガラス製メスシリンダ−にＰＶＡ系含水ゲルからなる担体１００ｇ（ｗｅｔ重量換算）を入れ、水を入れて１Ｌとした。内径４ｍｍのシリコンチュ−ブの先端をメスシリンダ−の底部へ挿入し、１Ｌ／分で空気を送りこみ、底部で滞留しているゲルの有無により流動性を評価した。
【００２４】
実施例１
ＰＶＡ（（株）クラレ製　平均重合度２４００、ケン化度９９．８モル％）４重量％、アルギン酸ナトリウム（紀文フードケミファ社製「ダックアルギン」ＮＳＰＬ）０．５重量％の水溶液を調製した。この混合水溶液を先端に内径３ｍｍノズルを取り付けた内径４ｍｍのシリコンチュ−ブを装着したロ−ラ−ポンプにより５ｍＬ／分の速度で送液し、スタ−ラ−で撹拌した濃度０．０５モル／Ｌの塩化カルシウム水溶液に滴下した。滴下した液滴は塩化カルシウム水溶液中で球状化して沈降した。この球状成形物を塩化カルシウム水溶液と分離して水洗した後、ホルムアルデヒド３０ｇ／Ｌ、硫酸２００ｇ／Ｌ、硫酸ナトリウム１００ｇ／Ｌの４０℃の水溶液に６０分浸漬した後水洗した。その結果、直径約４．５ｍｍの球状の含水ゲルが得られた。この含水ゲルの含水率は９３重量％、比重は１．０１５、アセタ−ル化度は４６モル％であり、流動性評価では、すべての担体が流動し、底部への滞留はなく、流動性は非常に良好であった。
【００２５】
実施例２
ＰＶＡ（（株）クラレ製　平均重合度４０００、ケン化度９９．８モル％）３重量％、アルギン酸ナトリウム（紀文フードケミファ社製「ダックアルギン」ＮＳＰＬ）０．５重量％の水溶液を調製した。この水溶液を先端に内径３ｍｍのノズルを取り付けた内径４ｍｍのシリコンチュ−ブを装着したロ−ラ−ポンプにより５ｍＬ／分の速度で送液し、スタ−ラ−で撹拌した濃度０．０５モル／Ｌの塩化カルシウム水溶液に滴下した。滴下した液滴は塩化カルシウム水溶液中で球状化して沈降した。この球状成形物を塩化カルシウム水溶液と分離して水洗した後、ホルムアルデヒド３０ｇ／Ｌ、硫酸２００ｇ／Ｌ、硫酸ナトリウム１００ｇ／Ｌの４０℃の水溶液に６０分浸漬した後水洗した。その結果、直径約４．５ｍｍの球状の含水ゲルが得られた。この含水ゲルの含水率は９４重量％、比重は１．０１、アセタ−ル化度は４２モル％であった。流動性を評価したところ、すべての担体が流動し、底部への滞留はなく、流動性は非常に良好であった。
【００２６】
比較例１
ＰＶＡ（（株）クラレ製　平均重合度１７００、ケン化度９９．８モル％）１０重量％、アルギン酸ナトリウム（紀文フードケミファ社製「ダックアルギン」ＮＳＰＬ）１重量％の水溶液を調製した。この混合水溶液を先端に内径２ｍｍのノズルを取り付けた内径３．２ｍｍのシリコンチュ−プを装着したロ−ラ−ポンプにより５ｍＬ／分の速度で送液し、スタ−ラ−で撹搾した濃度０．１モル／Ｌの塩化カルシウム水溶液に滴下した。滴下した液滴は塩化カルシウム水溶液中で球状化して沈降した。この球状成形物を塩化カルシウム水溶液と分離して水洗し、これをトレ−に入れ、−２０℃の冷凍庫で２４時間凍結し、室温で解凍した。その結果、直径約５ｍｍの球状の含水ゲルが得られた。含水率は９０重量％、比重は１．０３５であった。流動性を評価したところ、底部に約半分の担体が滞留し、流動性は不十分であった。
【００２７】
比較例２
ＰＶＡ（（株）クラレ製　平均重合度１７００、ケン化度９９．８モル％）８重量％、アルギン酸ナトリウム（紀文フードケミファ社製「ダックアルギン」ＮＳＰＬ）１重量％の水溶液を調製した。この混合水溶液を先端に内径３ｍｍのノズルを取り付けた内径４ｍｍのシリコンチュ−ブを装着したロ−ラ−ポンプにより５ｍＬ／分の速度で送液し、スタ−ラ−で撹枠した濃度０．１モル／Ｌの塩化カルシウム水溶液に滴下した。滴下した液滴は、塩化カルシウム水溶液中で球状化して沈降した。この球状成形物を塩化カルシウム水溶液と分離して水洗した後、ホルムアルデヒド２０ｇ／Ｌ、硫酸２００ｇ／Ｌの４０℃の水溶液に９０分浸漬した後水洗した。その結果、直径約５ｍｍの球状の含水ゲルが得られた。この含水ゲルの含水率は８８重量％、比重は１．０４、アセタ−ル化度は５８モル％であった。流動性を評価したところ、底部に約半分の担体が滞留し、流動性は不十分であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のＰＶＡ系含水ゲルは、微生物の棲息性に優れていることから、生物反応槽中において微生物および酵素などの生体触媒を担持する微生物固定化担体として有効に使用することができる。本発明のＰＶＡ系含水ゲルに微生物を固定化させた担体は、生物反応槽中で攪拌されても崩壊しない強度を有する上に、反応槽中において流動性に優れており、深度が深い反応槽中にあっても、槽の底部に滞留することがなくて、取扱性に優れている。