[发明专利]固定微生物用的载体及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及微生物和动物细胞在多孔无机载体上的固定方法，特别是用于厌氧过程，和用此方法获得的有微生物生长的载体，以及适用于固定的载体。

将微生物和细胞材料固定到固体载体上是用来使这些材料在所需要的空间位点上繁殖的一种手段。这对生物工艺过程具有非常重要的意义。

无论是需氧的，还是厌氧的生物工艺过程都应当以尽可能高的时空产率（在单位体积和时间里作用物的转换）进行。活细胞的浓度越高，上述要求就越容易满足，因为活细胞同时起着产品和催化剂的作用。

在需氧系统中，细胞的生长实际上可以毫无阻碍地进行，所以能毫无困难地达到高的细胞浓度。然而，在厌氧系统中却相反，细胞的生长从一开始就要受到限制，因此只能达到相对低的生物物质浓度。但是，由于厌氧系统有利于能量平衡（一方面是生物气的生成，另一方面是需氧系统因供应氧气而不需要能量），因此近些年来，人们给予它以特别的关注。人们认识到，厌氧系统的能量消耗不多，就能从便宜的物质中生产出大量有价值的无法按比例计算的产品。一个突出的例子是，用厌氧法处理的高浓度废水，废水中被转变成为生物气的有机污物高达95%，仅有3%～4%的有机物转化成生物物质。

厌氧系统微生物的低生长率提出了对生物物质保留和浓缩的要求，这对于解决需氧系统的分离等问题也是有意义的。

因此，长期以来就有人进行将微生物固定在固体载体上的试验。特 别还试验了各种天然的或者便宜的载体材料，例如：沙子，火山石，陶制品，活性炭，硬煤，玻璃等等。用这些材料多少可以做到微生物的固定。

最近又发现了许多有机载体材料，例如：I.Karube等人（见Biotechnol.Bioeng.，1980年第22卷847～857页）试验过将产生甲烷的细菌固定在聚丙烯酰胺凝胶，琼脂凝胶和胶原薄膜上，并发现其中只有琼脂凝胶合适，当然也指出了营养物质和甲烷通过琼脂凝胶的扩散能力微弱。

P.Scherer等人（见Biotechnol.Bioeng.，1981年第23卷，1057～1067页）曾报导过巴氏甲烷八叠球菌固定在Ca²⁺交联的藻酸盐网络上的试验，其中的藻酸盐网络为1.2至3.7mm的不同直径的小球形状。这和P.S.J.Cheetham等人（见Biotechnol.Bioeng.，1979年第21卷，2155页及以下各页）的报告不一致，按照他们的报告，作用物应该迟延转移到藻酸盐小球内，但并没有发现微生物活性的差别与球形直径有关。

B.Kressdorf等人于1982年9月在柏林召开的第五届工业微生物学讨论会上曾报告过关于酵母和细菌通过Ca-藻酸盐凝胶固定的试验。在对比试验中使用了不同类型的载体，并且认为特别适用的载体是能负载生物量的、直径小于1mm的有较高强度的交联藻酸盐凝胶。

后来P.Huysman等人（Biotechn    Letters，1983年第5卷，第9期643-648页）又做了对比试验。试验中采用了一种被称为“非孔隙材料”的由海泡石，沸石，澎润土（表面孔隙度为0.1-7.5μm的焙烧膨胀粘土）和玻璃珠作成的大约5mm大小的颗粒作为载体材料。其它的载体是被称为“孔隙材料”的孔隙率大约为50%、孔隙大小从微米级到厘米级的天然海绵和孔隙率大约为30%、孔隙大小从微米级到毫米级的未交联聚氨酯泡沫塑料，最后还有各种不同的孔隙率为97%、孔隙平均直径为（a）2.21mm，（b）430μm和（c）270μm的交联聚氨酯泡沫塑料。在试验中还使用了孔隙度为430μm的有斑脱土涂层的聚氨酯泡沫塑料。

在试验中发现，在“非孔隙材料”中只有海泡石可以让有用的菌落形成，在检查海泡石的晶体结构时发现，它具有长度为2μm的细针束，针束中有大量象细菌那样大小的裂隙。

被认为比较合适的载体是孔隙材料，主要因为它们具有较大的孔隙率和孔隙度，其中具有430μm微孔和97%孔隙率的没有斑脱土涂层的材料被认为有很好的效果。用这种交联聚氨酯泡沫塑料在两星期内，平均每升反应器体积一天能产生大约25升生物气体（含有65%甲烷）。

在联邦德国公开专利说明书DE-OS2839580中，也介绍了一系列有孔隙载体材料，特别是用于微生物固定的玻璃料，其中≥70的孔隙应当至少与最小的微生物一样大，但又比最大的微生物（例如酵母菌或者细菌）小4至5倍。因此不论是无孔隙的硼硅玻璃，还是玻璃料，孔隙＞20μm的材料显然不如孔隙＜20μm的材料。