(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔を有する担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させるものにおいて、前記担体をＵ字型に形成された通気路内に充填し、前記担体の一部分を液状の培地と接触させ、前記担体自体の毛細管現象により培地に含まれる水分又は栄養分を前記担体全体に供給して固定化された微生物を活性化すると共に、気体がこの活性化された微生物の固定化された担体の層を蛇行経由することにより両者の接触をはかって反応を維持促進させる方法。
【請求項２】
細孔を有する担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる装置であって、一方が気体流入口であり他方が排気口であるＵ字型の通気路に前記担体を充填すると共に、前記通気路の底部分を培地溜め部とし、前記担体の一部が培地に浸ることにより前記担体自体の毛細管現象により培地に含まれる水分や栄養分を前記担体に供給でき、固定化された微生物を活性化すると共に、気体がこの活性化された微生物の担体層を蛇行経由することにより両者の接触をはかって反応を促進させる機能を備えたことを特徴とする微生物気体反応装置。
【請求項３】
細孔を有する担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる装置であって、一方が気体流入口であり他方が排気口であるＵ字型の通気路に前記担体を充填すると共に、該担体と培地溜め部との間に毛細管現象を呈する部材を介在させ、該部材が培地に浸ることにより該部材と前記担体自体の毛細管現象により培地に含まれる水分や栄養分を前記担体に供給でき、固定化された微生物を活性化すると共に、気体がこの活性化された微生物の担体層を蛇行経由することにより両者の接触をはかって反応を促進させる機能を備えたことを特徴とする微生物気体反応装置。
【請求項４】
箱体を仕切り部材によって仕切ることにより適宜の数のＵ字型通気路を形成する請求項２または３に記載の微生物気体反応装置。
【請求項５】
培地溜め部には水位維持手段を附設して担体に固定化された微生物に水分又は栄養分を安定供給することを特徴とする請求項２乃至４に記載の微生物気体反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細孔を有する担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる方法及び装置に関するものであって、特に微生物と臭気成分とを反応させて気体を脱臭するのに適した方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
担体に固定化した酵素や固定化微生物のような固定化生物触媒を利用する技術は、その反応の特異性や処理コストの低廉性等の面から注目を集めている。特に、固定化微生物を利用する技術は各種開発が盛んに行われており、例えば、固定化微生物と気体中に含まれる臭気成分とを反応させて気体を脱臭する方法等が開発されている。これらの固定化生体触媒を利用する場合には、その活性を維持することが必要不可欠であり、例えば、固定化微生物を利用する場合には、その微生物に水分や栄養分を供給することが必須となる。固定化微生物と反応させる基質が気体中に含まれている場合、一般にはその気体から水分や栄養塩等を供給することができないことが多い。微生物にとっては水分がなくなることは致命的であり、固定化微生物に水分を供給できなければ、固定化微生物の活性を維持することができなくなってしまう。したがって、固定化微生物を利用する上記の技術においては、担体中に一時的にでも水分がなくなるような事態は生じさせてはならないという必要条件がついて回ることになる。
【０００３】
従来、微生物を固定化する担体としては、土、繊維状ピート、コンポスト、セラミック、木片、活性炭、樹脂など様々な材質のものが用いられるが、どの材質の担体を用いる場合であっても、装置内に簀の子状の板等を設置して、その上に担体を置く構造になっており、微生物への水分の供給は、装置の上部に散水装置を設けて間欠に散水を行うか、もしくは定期的に人力で水をかけることにより行われている。また、担体の一部を液に浸して、毛細管現象で水分を吸い上げて供給する方法も案出されている（特開平６−２３３８９号公報）。しかし、固定化微生物への水分供給を散水装置によって行う場合、反応装置全体が大きくならざるをえず、該散水装置の駆動が騒音の原因にもなりかねない。また、固定化微生物への水分供給を人力で行う場合、手間がかかるうえに、水分供給を忘れると固定化微生物の活性を維持できず、新しく固定しなおす必要が生じかえってコスト高になりかねない。一方、毛細管現象で水分を供給する装置として提案されている先に示した技術（特開平６−２３３８９号公報）では、広い培養槽内に薄板状の担体を立てた構造であるため、供給された気体の拡散が培養槽内で不均一になり、また、培養槽内に占める担体の充填密度が低いことにより固定化微生物と気体中に含まれる基質との接触効率も悪いため、反応が促進されず基質の除去効率が低い。そこで、固定化微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる際に、基質の除去効率がよくて、しかも固定化微生物への水分と栄養塩等の補給を簡便かつ十分に行うことができる方法および装置の開発が緊急の課題となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的課題は、固定化微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる際に、基質の除去効率がよくて、しかも固定化微生物への必要な水分と栄養塩等の補給を簡便かつ安定的に行うことができる方法および装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、細孔を有する担体に微生物を固定化し、通気路中にこの担体を充填して、微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる方式を採用し、前記通気路をＵ字型に形成すると共に該通気路内に充填した前記担体の一部分を液状の培地と接触させるようにして、担体自体の毛細管現象により培地に含まれる水分と栄養分を前記担体全体に安定的に供給して、固定化された微生物の活性化をはかり、気体がこの活性化された微生物の固定化された担体の層を蛇行経由することにより両者の接触をはかって反応を促進させるものである。
【０００６】
本発明者は、上記課題達成のために鋭意研究を重ねた結果、微生物を固定化する担体として、木、紙、糸、布、多孔質セラミックなどのように細孔を有する物体を素材として用い、これを小玉状に形成して微生物を固定化し、臭気物質の除去を効率的に実行する技術を開発した。この装置の基本構成は図５Ａに示したもので、通気路１内に簀の子状の板を設置して、その上に微生物を固定化した小玉状の担体２を充填した構造になっており、垂直方向に立てられた通気路１の簀の子状の板の下方側面部に設けられた気体流入口４から導入された気体は通気路１内の担体２中を通過して通気路１の上方の排気口５から排出される。微生物への水分の供給は、装置の上部に散水装置を設けて間欠に散水を行うか、もしくは定期的に人力で水をかけることにより行われ、余剰液は通気路１の最下部の液溜め部11に溜められる。この装置は気体中の臭気物質と担体に固定化された微生物との接触が効果的に図られて反応を促進させるため、除臭効果の高いものであったが、微生物への水分と栄養補給という点で、従来のものと基本的に変わらない課題を抱えていた。そこで本発明者は、持続して安定的に微生物への水分と栄養補給を行う手段として担体の素材が細孔を有する物体であることに着目し、担体の一部を培地に浸漬することにより、素材の毛細管現象によって担体中にこれを補給することを考え、図５Ｂに示すような装置を試作した。これは培地が吸い上げられ、担体に固定化した微生物に簡便かつ十分に水分と栄養塩等を供給することができ、微生物の活性を持続させられることを確認した。しかしこれは通気路１の下方部を水分と栄養分を含む液体培地３の溜め部11とし、そこに担体２の一部を浸漬させるものであるため、構造上浸漬部分において担体と気体との接触は不可能となるため、その分基質と微生物との接触効率が落ちることはやむを得ないとして、担体の下方部から気体を流入させることができない。また、従来のように液体培地を上方より供給する場合には担体の層を所望の厚さにすることが可能であるが、毛細管現象により吸い上げる方式では水分の上昇する層には限界がある。基質と微生物との反応は気体の滞留時間すなわち（装置の有効面積）／（ガス流量）に依存するため、浅い層という条件のもとで装置の有効面積を確保しようとすると、広い断面積の通気路に担体の充填をすることになる。すると、通気路１の下方側壁に設けた気体流入口４から導入される気体は通気路１内の拡散が不十分となり、担体２に万遍なく接触することができず接触分布を生じてしまい、図５Ａの装置に比して脱臭効果において劣るものであった。すなわち微生物の活性を持続させる点での効果はあるものの、反応効率の点で満足できるものではなかった。
【０００７】
【発明の実施の形態】
そこで、本発明者は通気路の側壁から担体に直接気体を導入することを止め、図１に示すように反応領域である通気路１を垂直に立ったＵ字型とし、通気路上方の気体流入口４より気体を導入し、担体２内を一旦下方に通過させ、下方の培地３近傍でＵターンさせて再び担体２内を通過させて通気路１の上方の排気口５より該気体を排出する構成を採ることに想到した。これは毛細管現象による水分の上昇が可能な層を２回通過させることに等しく、反応室を隔壁で仕切る構造で通気路の断面積を狭くできるため気体の拡散不足がないだけでなく、上方から通気路の断面方向に均一に気体流入が出来るため担体と気体との接触分布を生じることがない。Ｕ字型通気路１の底部は溜め部11となって培地が常時溜められており、充填された細孔質の担体２の一部はその培地３に浸漬されるようになるため、毛細管現象によって、培地３に含まれる水分と養分は上部の担体２にまで吸い上げられ、該担体に固定化されている微生物を活性化する。担体に固定化した微生物に上記のような形態で水分と栄養塩等の供給を行うことにより、担体に固定化した微生物の活性を長時間維持することができること、そして気体がＵ字型の通気路を経て流れる形態を採ることにより、通気路内の担体と気体中の基質との確実な接触が図られ気体中に含まれる基質と担体に固定化された微生物との反応を効率よく進行させることができることが確認できた。
【０００８】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明で使用する担体は、細孔を有する担体である。ここで、「細孔」とは、毛細管現象を生じ得る細孔を意味し、このような細孔である限り、その大きさや形状等は特に限定されない。このような「細孔」には、例えば、毛細管、多孔質物質、繊維状物質、粉状体、粒状体等の間隙が含まれる。本発明で使用する担体は、担体の一部を液体に浸漬したときに毛細管現象を生じ得る細孔を有する限り、いかなる担体であってもよく、その材質、大きさ、形状等は特に限定されない。このような担体としては、例えば、木、紙、糸、布、多孔質セラミック等を使用することができ、これらの２種以上を組み合わせて使用することもできる。また、担体は、液体に浸漬する部分と微生物を固定化する部分とが一体となっている必要はなく、毛細管現象を生じ得る細孔を有する限り、小玉状、粒状体の集合であってもよく、また、形状や材質の異なる担体の集合体であってもよい。
【０００９】
本発明において担体に固定化する微生物は、気体中に含まれる基質と反応し得る限り、いかなる種類の微生物であってもよく、気体中に含まれる基質に応じて適宜選択することができる。ここで、「基質と反応し得る」とは、基質を分解する反応（異化作用）及び基質からの別の物質を合成する反応（同化作用）のいずれの反応をも含み、例えば、気体中に含まれる基質がエタノールである場合には、エタノール分解菌（例えば、シユードモナス・アエルギノーサ）使用すると、気体中に基質として含まれるエタノールを水と二酸化炭素に分解することができることがあげられる。この現象を利用して臭気成分としてエタノールを含む気体を脱臭することができるし、不純物としてエタノールを含む気体を精製することができる。また、アセトバクター属に属する微生物を使用すると、気体中に含まれるエタノールから酢酸を合成することができる。担体に固定化する微生物の数は、気体中に含まれる基質の量、担体の大きさ等に応じて適宜設定することができる。また、微生物を固定化する担体部分は担体のどの部分であってもよい。微生物を担体に固定化する方法は、微生物を死滅させることなく担体に固定化し得る限りいかなる方法を使用してもよく、例えば、物理的吸着により微生物を担体表面に付着させる方法、微生物と担体とを多官能性試薬により架橋する方法、ハイドロゲル（例えば、アルギン酸、ペクチン酸等のカルシウムゲル）等を用いて微生物と担体とを包括する方法等を使用することができる。
【００１０】
本発明のＵ字型通気路は、上部から気体が流入される流入口を有し、通気路内担体中を導入ガスが均一に通過して下降し、底部近傍でＵターンして通気路内担体中を導入ガスが均一に通過して上昇して排気口から排気されるＵ字型の基本構成を有していればよく、図１に示されるような単純に容器を半分に仕切ったものでもよいし、該基本構成を複数個連続させ蛇行通路を形成した容器であってもよい。図３はこの形態を例示したもので、Ａは一列にＵ字型の基本構成が連設されたものの断面図であり、Ｂはその平面図、Ｃは格子状にＵ字型の基本構成が配置されたものの平面図である。通気路の断面形状は必ずしも方形である必要も断面積が一定である必要もないが担体全体と万遍なく基質が接触できる形態が望ましい。そして、通気路の底部等には培地溜め部が形成され、毛細管現象により水分が上昇する高さの範囲で担体を充填することが望ましい。それ以上の高さに充填してもその部分の担体には水分が供給されず微生物の活性が保てないと考えられるからである。この形態は浅い担体層という条件のもとで微生物との反応促進すなわち気体の滞留時間を確保しようとするときに効果的である。なお、容器の材質は微生物に悪影響のないものであれば特に限定されることはない。
【００１１】
本発明の一つの特徴的要件は、微生物を固定化した担体の一部に培地の水分や養分を供給して、それを担体自体の毛細管現象により全体にゆきわたらせることにある。微生物を固定化した担体は、毛細管現象を生じ得る細孔を有しているので、その担体の一部を培地に浸漬することにより、毛細管現象を生じさせることができる。毛細管現象により担体は培地を吸い上げ、これによって担体に固定した微生物に水分と栄養分を供給することができる。これを実現する標準的形態は通気路の底部を培地溜め部とし担体の一部を浸漬するものであるが、要は毛細管現象によって担体全体に常時水分と養分がゆきわたり固定化された微生物の活性が維持されれば良いのであって、培地に浸漬する担体の一部は、担体のどの部分であってもよいし、担体を直接培地に浸漬させることなく担体と培地間に他の毛細管現象を呈する部材を介在させる形態であってもよい。また、担体の一部への培地の浸漬は、担体に固定した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる間断続的に行ってもよいのであるが、操作の簡便性及び微生物への確実かつ安定的水分供給の面から、本発明では常時行う形態を採用した。そして水分の蒸発等を考慮して減少分が自動的に補給される機構を具備することが更に好都合である。
【００１２】
担体の一部を浸漬する培地は、いかなる種類の培地であってもよい。例えば、水道水、蒸留水、淡水、雨水、市販の飲料水等、特に栄養物を加えていない単なる水であってもよいが、必要に応じ微生物の生育に必要な栄養素が含まれているものである場合もある。このような栄養素としては、例えば、アンモニウムイオン、リン酸イオン、マグネシウムイオン等が挙げられる。また、担体の一部を浸漬する培地には、微生物の生育に特に必要ではない物質であっても、微生物の生育に悪影響を与えない物質であれば、いかなる物質が含まれていても問題はない。担体の一部を浸漬する培地の量は、毛細管現象により担体に固定化した微生物に必要な水分を供給することができる量である範囲において適宜設定してよい。
【００１３】
担体に固定した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させるものである本発明において、基質を含む気体の種類は特に特定されることはなく、例えば、空気、窒素、メタン等いかなる気体であってもよい。担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質との反応は、通常、両者を接触させることにより行うことができるのであるが、反応を促進させるために両者を反応させる際に、必要に応じて使用する微生物及び基質に適した、加熱、冷却、加湿等の処理を施すなどの反応環境調整を実行することも可能である。
【００１４】
【実施例１】
生物脱臭装置及び該当装置を利用した気体の脱臭
▲１▼５００ｍｌ容量の三角フラスコに、水道水２００ｍｌ、活性汚泥１０ｍｌ、庭土０．１ｇ、塩化アンモニウム４０ｍｇ、リン酸二ナトリウム７６ｍｇ、リン酸一カリウム６ｍｇ、及びエタノール２ｇを加え、３０℃で５日間浸漬培養し、これによってエタノール分解菌培養液を得た。この液に、繊維体を直径１０ｍｍの球状に固めた担体を浸けて、エタノール分解菌を担体に付着させた。
▲２▼図１に示したような高さ５００ｍｍ×幅１００ｍｍ×奥行５０ｍｍのアクリル製の箱からなる反応槽の内部に高さ３５０ｍｍの仕切板を設けてＵ字型通気路１とし、これに、上記によって分解菌を付着させた担体２を４００ｍｍの高さに詰め、下部培地溜め部11に培地３として水道水を５０ｍｍの高さに入れた。この培地溜め部11には図２に示したように水を供給する管７と排水管６が配設されており、常時一定水位を保つ構成となっている。
▲３▼このような構成の装置において、仕切られた箱の上部の一方の気体流入口４から、１００ｐｐｍのエタノールガスを毎分１０リットルの速度で箱内部に導入し、箱の上部の他方の気体流出口５から排出させて、ガス排出口におけるエタノールガスの有無を経時的に計測した。エタノールガスの検出は、検知管（ガステック社製検知管Ｎｏ．１１２Ｌ）を用いて行ったところ、１ケ月間の実験中、排出側にエタノールは検出されなかった。
▲４▼比較のため同様の実験を、図３に示した従来型の装置で行った。高さ５００ｍｍ×幅１００ｍｍ×奥行５０ｍｍのアクリル製の箱からなる反応槽を通気路１とし、これに、同じ分解菌を付着させた担体２を４００ｍｍの高さに詰め、はじめに培地３として水道水を培地に十分しみわたるだけ上方から注ぎ、途中の水分補給は行わず余剰液を下部の培地溜め部11に溜めた状態で脱臭試験を行った。箱の下部の気体流入口４から、１００ｐｐｍのエタノールガスを毎分１０リットルの速度で箱内部に導入し、箱の上部の気体流出口５から排出させて、ガス排出口におけるエタノールガスの有無を経時的に計測した。結果は３日後には、排出側でエタノールが検出された。
【００１５】
この結果から担体に固定した微生物に十分な水分供給を行えば、該微生物の活性を長期間に亘り維持でき、担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質との反応を効率よく行うことができることが確認できた。そして、この微生物への水分供給は、例えば繊維を固めた球体のような毛細管現象を生じ得る細孔を有する担体を用いて一部が培地に浸漬した形態を採ることで、従来装置の欠点であった人為的なミスもなく必要量を安定的に行えることが確認できた。
【００１６】
次に本発明の実施に際しての変形形態例を以下に示す。
▲１▼上記した例では通気路を箱体を仕切る形で形成させたが、これに限られることなく、管状体をＵ字型にしたものであってもそれを複数個連結させたものであってもよい。また、ガス流入口もガス排出口も１つである必要はなく、複数本の管から構成されていてもよい。
▲２▼上記した例の担体は、球体の集合体であったが、本発明で使用する担体は、必ずしもこのような構造に限られず、貯水部に浸漬する部分とその上部が一体となった構造であってもよい。例えばブロック状の担体である場合には上方又は下方から切り込みを入れて仕切り部材を挿し込み箱体に収納させるような形態でＵ字型通気路が形成できる。
▲３▼担体は異なるものの組み合わせとすることもでき、その場合は、例えば、図４のＡに示したような細孔を有する球状担体２の集合体を底部に形成された培地溜め部11に充填し、その上部の通気路は細孔を有する棒状担体20を挿入する組み合わせ形態を例示できる。この場合の「細孔」には、棒状担体及び球状担体が有する細孔だけでなく、担体間の間隙も含まれそこにおいても毛細管現象を呈する。各担体は、１個以上の別の担体と接触させる。これにより、毛細管現象を利用して培地溜め部から吸い上げた水を担体同士の接触部分を通じて透過させ、各担体に固定化した微生物に水分供給することができる。
▲４▼担体の一部を直接培地に浸漬させることなく、担体と培地溜め部間に他の部材を介在させ、培地の水分と養分を担体に固定化された微生物に供給する形態例としては、例えば図４のＢに図示したような水分を十分に含む布体８に多数の紐81がついた介在物を準備し、通気路１の底部には多数の孔12を空けると共にその下に培地溜め部11を配設し、該底部には前記布体８を敷き多数の紐81を前記底部の孔12を通して底部の下に配設された培地溜め部11に垂らしたものを示すことができる。この介在物は自身の毛細管現象により培地３の水分と養分を担体２に固定化された微生物に供給することができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質とを反応させる際、細孔を有する素材を用いその毛細管現象を利用することにより担体に固定化した微生物に十分な量の水分（養分）を簡便かつ安定して供給することができる。これによって、担体に固定化した微生物の活発な増殖を促すことができ、担体に固定化した微生物の活性を長期間にわたり維持することができる。そして、その状況において基質を含む気体をＵ字型の通気路内で担体に固定化した微生物と気体中に含まれる基質とを接触させるようにしたことで両者の反応を効率よく行うことができる。すなわち、広いスペースの反応槽内での接触では無く狭い断面積の通気路内を強制的に通過させることにより、気体の拡散不足による接触分布が生じることはないので両者の反応は促進されることになり、その上、通気路がＵ字型に形成されているため活性化された微生物の固定化された担体の層中を往復通過することになって、更にその効果が増加されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を有した１実施例を示す図で、Ａは断面図、Ｂは平面図である。
【図２】本発明の１実施例装置の通気路底部詳細図。
【図３】本発明の実施形態例を説明する図で、ＡはＵ字型の基本構成が一列に連設されたものの断面図であり、Ｂはその平面図、Ｃは格子状にＵ字型の基本構成が配置されたものの平面図である。
【図４】本発明の実施形態例を説明する図で、Ａは球状担体と棒状担体とが組み合わされた例を示し、Ｂは担体と培地溜め部との間に部材を介在させた例を示す。
【図５】Ａは先行技術を説明する図で、Ｂは本発明に至る試作装置を示す。
【符号の説明】
１  通気路                   ４  気体流入口
11  溜り部                 ５  排気口
12  孔                     ６  排水管
２  担体                     ７  給水管
20  棒状担体               ８  布
３  培地                       81  紐
【図１】
0004156769.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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