細菌固定化技術在淨水的應用

水族及水產養殖,首重水環境的控制,有優良的水質才會有高品質及產量高的飼養成果,而利用特殊微生物來進行水質處理,不僅能有效降低水中有機物及氮、磷等汙染物含量,亦能釋出抗菌物質抑制病原菌生長,不僅能將廢物利用再生成有益魚蝦生長的成分,也能藉此改善養殖環境,達到提升養殖品質、增加產量及收益等效果,是為循環經濟最重要的一環

而目前利用益生菌來作為水質處理的方法,多半為直接施用益生菌粉劑或液劑,養殖環境則會先行擴大培養後再添加,雖然此項作法較為便利,不過益生菌在水中由於缺乏固著環境,以及易被原本優勢菌種競爭等原因,菌量會隨時間逐漸減少,為了維持有效菌量,則必須定期添加,徒操作成本及管理時間,但若是將有益微生物細胞固定在多孔隙的固體上,並使菌體與流動相分離,即使在較短的水力停留時間,或是較高的有機負荷率時,固定之細菌也不會因菌種隨出流水排放而降低處理能力,不僅能大幅提高微生物處理法中菌種的停留時間以及去除有機汙染物的處理效率,也能有效延長再次添加益生菌時機,除了讓養殖水質管理更加容易之外,也相當適合用於環境衛生改善,協助汙水管、下水道、排水溝、甚至景觀河川進行水質改善,達到除臭、除汙、澄清水質、維護生態等效果,應用層面相當廣泛

細菌的相關固定化技術始於1960年代,目前許多發展與應用都來自早期酵素固定化發酵原理,日本固定化酵素權威千畑一郎博士將微生物的固定化定義為"利用物理或化學方式,將酵素或微生物封閉或限制在一特定空間內,使其仍保留生化活性且可反覆連續利用的技術",因此,只要是一群微生物的聚集體都可以算是固定化的一種形式(黃,2012)

至於固定化微生物(細菌)的方法,依技術的不同,主要分為四大類:
1.    附著法(Attachment):
最簡單的方法,只要讓細菌以天然或人為方法附著於載體(carrier)上,都可以算是附著法的應用,目前大多利用多孔隙材質作為載體,例如石質顆粒、活性碳(生物活性碳)、農業廢棄物等…,將其浸泡或澆淋益生菌發酵液,使細菌自然附著在孔隙中,或者將細菌粉末與載體原料一同混合再壓鑄塑形再將細菌混合或吸附其中,優點是製作簡單、環保及使用方便,缺點是細菌及載體間的附著結合力較弱,容易受環境波動影響導致細菌脫落,且擔體重量重,質傳效果差,孔隙容易阻塞而失效

納豆菌磚

2.    聚集法(Aggregation):
可分為天然及人造兩種形式,由於許多種類的細菌在生長數量多達一定水準時,會分泌多醣類聚合物,將彼此間或連同環境中的懸浮物聚合起來,形成生物團絮(Biofloc),即為天然聚集法的應用,也可以人工催化的方式,例如使用戊二醛(Glutaraldehyde)作為媒介,促使細菌交聯結塊,利用此法所形成的細菌絮凝體,因具有良好的沉降性,能提高菌體在反應槽中的停留時間。使用聚集法好處是設立及維護容易,耗材成本低甚至能靠自然菌種提供,無需額外添加,但缺點是效果難以控制,且需要硬體配合,較適合用在專門的環工汙水處理設施

3.    包含法(Confinement):
此方法透過建置類似半透模的屏障物,將細菌限制在屏障物內,同時允許基質及代謝物質流通,菌體不直接接觸出流水,代表技術為微膠囊法(Microencapsulation),利用尼龍、聚苯乙烯、聚脂纖維等材料做為半透膜,將細菌包含在中空的微膠囊中,由於微膠囊體積小(直徑介於1微米與1毫米之間),因此能產物及營養物質在膠囊內外有效質傳,常見的”晶球”優酪乳就是利用微膠囊法製成,此方法的優點是效果良好,且因細菌與流動相分開,相對受到良好保護,菌體也不會滲出到液體中,不過缺點是製作技術門檻高,也相對昂貴,除非是有特殊需求,如處理液不宜直接接觸菌體,或需管控不能讓菌體流出,才會選擇這種方法來做固定

4.    包埋法(Entrapment):
包埋法可再細分為兩類,一類是將細菌包裹在具有多孔隙支撐物的網狀聚合膠體內,藉由細菌生長以及孔隙大小等限制,侷限細菌的移動性,達到包埋的效果,另一種是將細菌與具有凝結和聚合特性的高分子聚合物混和,在其聚合定型時,同時也將細菌限制在聚合物內形成的孔隙中,優點是製作方法及成本較低,也能達到與包含法類似的效果,缺點是細菌生長空間不多,抑制了其生長條件,需要較頻繁的更換以維持效果,但這對開發商品來說不見得是壞處,因此,考慮到製作成本、使用範圍以及預期效果等因素,我們偏向採用一般在廢水處理及微生物工業上應用較廣的包埋法

目前較常被拿來作為包埋的材料很多,常見的有:
1.    聚丙烯醯胺(Polyacrylamide, PAA):
此為最早用以固定化的材料,一開始是作為酵素固定化使用(Bernfeld and Wan, 1963),聚丙烯醯胺為水溶性,不溶於大多數有機溶劑,單體具有神經毒性,聚合後則無,且具有良好的絮凝性及穩定性,至今仍是水溶性高分子聚合物中應用最廣泛的種類之一,聚丙烯醯胺產品主要有水溶液膠體、粉狀和乳液三大劑型。


2.    褐藻酸鈉(Sodium alginate):
褐藻酸鈉是由海藻中萃取出的天然多糖碳水化合物,是使用相當普遍的包埋材料,型態為白色或淡黃色粉末,無毒無臭無味,其原理為利用可溶性天然高分子與陽離子間所形成的離子鍵結網路將微生物或酵素包埋其中,具有合成容易、對生物傷害小等優點,但其結構強度較差,不過可混合其他材料(例如聚乙烯醇)增加結構強度


3.    天然膠,包含鹿角菜膠(K-carrageenan)、洋菜膠(agar)及明膠(gelatin):
鹿角菜膠與褐藻膠一樣屬於離子鍵結型的包埋材料,是由紅藻中萃取出的天然多糖碳水化合物,為白色或淡黃色粉末,無毒無臭無味,溶於攝氏80度的熱水 ,形成具黏性之透明液體,並能在室溫下形成凝膠,與褐藻酸鈉相似,會與鈣離子進行交聯作用而形成具半透模性質的膠粒,而洋菜膠也是由海藻中提煉而成的白色或淡黃色粉末,明膠則是由動物皮、骨內的膠原蛋白質製成,帶淺黃色透明,無味的膠質,由於製備過程皆需加溫,較不適合包埋活體細胞使用

4.    聚乙二醇(polyoxyethylene, PEG)及聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA):
為有機聚合反應型包埋劑,皆由高分子化合物之聚合反應成膠,皆為白色粉末,不具毒性,易溶於水,較不溶於有機溶劑,其黏性隨著分子量增加而提高,其中聚乙烯醇還具有價格便宜、擔體強度高等優點,較為廣泛被使用,合成擔體的方式主要有硼酸法、硼酸磷酸法及冷凍回溫法,其中硼酸法是最常被使用的方法,其以飽和硼酸溶液為定型劑,但硼酸對生物具有毒性,浸泡硼酸對生物傷害性大,Chang & Tseng (et al., 1998)改良此一做法,利用PVA-褐藻膠共聚物於硝酸鹽中成形,降低對微生物的傷害,且形成之共聚合物具有更為良好的通透型及孔隙率,在結構強度上益有改善,兼具了PVA及褐藻膠的優點,也是目前最有發展潛力的做法

預噴劑型


加水後塗劑型

近年來細菌固定化技術是沛立維積極開發的方向,目前已取得一項新型專利,還有兩項專利正在申請中,歡迎養殖、環工等相關領域洽詢合作