JP2005262007A

JP2005262007A - 酵素含有液の濃縮精製装置

Info

Publication number: JP2005262007A
Application number: JP2004074503A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Suematsu; 孝章末松; Masato Onishi; 真人大西
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】装置構成を簡単にし、膜面でのケーキ層の堆積や膜閉塞物質による膜の閉塞を軽減し、透過流速を高く維持する
【解決手段】微生物と酵素とを含む原液が張り込まれる濃縮分離槽２０と、この濃縮分離槽２０に原液を供給する原液ポンプ１４と、濃縮分離槽２０に浸漬された限外ろ過手段３０並びに精密ろ過手段４０とを備え、限外ろ過手段３０及び精密ろ過手段４０が回転平膜式のろ過手段であり、限外ろ過手段３０を構成する回転平膜と精密ろ過手段４０を構成する回転平膜とが互いに交叉して配置され、同方向に回転する。また、濃縮分離槽２０で濃縮された濃縮残液を排出する排液ポンプ２２と、各手段やポンプをシーケンシャルに作動させる制御器５０とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は酵素含有液の精製装置に係り、特に微生物と酵素とを含む原液を精製するための酵素含有液の精製装置に関する。

生体細胞により生産される酵素は生態代謝系で働くだけでなく、これを抽出して単離すると様々な化合物の合成，分解，酸化，還元に利用できる。このため、医薬品や機能性食品の製造に各種の酵素が盛んに利用されている。通常、酵素の生産は動植物組織や組織培養した微生物等の酵素を含む固体を微粉砕した後、適当な抽出液で酵素を抽出し、固液分離を行って酵素含有液を得る。この酵素含有液を基質と直接に混合し酵素反応を生起させて目的の生産物を得る。又は酵素含有液を更に後処理して粉末状の酵素を生産する。

酵素反応を効率良く進行させるためには、酵素含有液中の酵素の濃度が高い方がよい。また、酵素含有液から粉末状の酵素を生産する場合でも、生産効率を向上させるためには、酵素含有液中の酵素の濃度が高い方がよい。このため、酵素含有液を限外ろ過膜でろ過し濃縮することが行われている。また、酵素反応では微生物や不純物が反応阻害要因になることがあるため、共存する微生物や不純物ができるだけ少ない酵素含有液が望まれる。酵素含有液から微生物や不純物を除去する方法としては、例えば特許文献１に酵素含有液を限外ろ過膜又は精密ろ過膜でろ過する方法が開示されている。また、特許文献２には、回転板状膜分離装置を用いて培養液から微生物である菌体を分離し、培養液中に存在する酵素等の有用物質を回収する方法が記載されている。
特開平１０−９４３８８号公報特開平５−２３６９３８号公報

微生物と酵素とを含む原液を精製して微生物や不純物を含まない高濃度の酵素含有液を得るためには、上述のようにろ過膜を用いた濃縮操作と微生物の分離操作が必要である。したがって、精製のための装置構成が複雑となるという問題点がある。また、ろ過膜を用いた操作の共通の課題として膜閉塞の問題がある。すなわち、この種のろ過膜を用いた操作では膜面に分離されたケーキ層が堆積し、このケーキ層がろ過抵抗となって、運転を継続するにしたがって透過流速が次第に低下する。また、原液中にはファウリング物質と通称される膜閉塞物質が一般に含まれており、これらの膜閉塞物質が運転を継続するにしたがって膜の目詰まりを引き起こし、同様に透過流速の低下を招く。特許文献２に記載された方法では原液に水不溶性微粒子を添加して、上記膜面でのケーキ層の堆積や膜閉塞物質による膜の閉塞を軽減し、透過流速を高く維持するようにしている。しかしながら、このような方法では水不溶性微粒子の添加操作が必要であり、微粒子の添加によって廃棄物としての濃縮残液の発生量が著しく増加するという新たな問題点が生じる。

本発明の目的は上記従来技術の問題点を改善し、装置構成が簡単な酵素含有液の精製装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は水不溶性微粒子などの格別な添加物を必要とせず、膜面でのケーキ層の堆積や膜閉塞物質による膜の閉塞を軽減し、透過流速を高く維持することが可能な酵素含有液の精製装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る酵素含有液の精製装置は、微生物と酵素とを含む原液が張り込まれる濃縮分離槽と、この濃縮分離槽に前記原液を供給する原液供給手段と、前記濃縮分離槽に浸漬された限外ろ過手段並びに精密ろ過手段と、前記濃縮分離槽で濃縮された濃縮残液を排出する排液手段と、前記限外ろ過手段の運転後に前記精密ろ過手段を運転させる制御器とを具備したことを特徴とする。

また、本発明に係る酵素含有液の精製装置は、微生物と酵素とを含む原液が張り込まれる濃縮分離槽と、この濃縮分離槽に前記原液を供給する原液供給手段と、前記濃縮分離槽に浸漬された限外ろ過手段並びに精密ろ過手段とを備え、前記限外ろ過手段及び精密ろ過手段が回転平膜式のろ過手段であり、限外ろ過手段を構成する回転平膜と精密ろ過手段を構成する回転平膜とが互いに交叉して配置され、同方向に回転することを特徴とする。

上記構成の装置では、前記限外ろ過手段に装備されるろ過膜が分画分子量５,０００〜３００,０００の限外ろ過膜であり、前記精密ろ過手段に装備されるろ過膜が孔径５μｍ以下の精密ろ過膜であることが望ましい。

本発明によれば、濃縮分離槽内には限外ろ過手段並びに精密ろ過手段が並存して浸漬されており、前記限外ろ過手段の運転後に前記精密ろ過手段を運転させることにより、簡単な構成で微生物と酵素とを含む原液を精製し、効率よく微生物を含まない高濃度の酵素含有液を得ることができる。

また、本発明によれば、限外ろ過手段及び精密ろ過手段が回転平膜式のろ過手段であり、限外ろ過手段を構成する回転平膜と精密ろ過手段を構成する回転平膜とを互いに交叉して配置し、同方向に回転させる。このため、膜面近傍の液の攪拌と置換が活発になり、水不溶性微粒子などの格別な添加物を必要とせずに、膜面でのケーキ層の堆積や膜閉塞物質による膜の閉塞を軽減し、透過流速を高く維持することが可能となる。したがって、酵素含有液の精製運転を安定かつ効率よく遂行することができる。

図１は本発明に係る酵素含有液の精製装置の実施形態を示す装置系統図である。また、図２は同実施形態に係る濃縮分離槽の平断面模式図である。本装置は主に原液槽１０と濃縮分離槽２０と制御器５０とによって構成される。原液槽１０には微生物と酵素とを含む原液が貯えられている。原液槽１０と濃縮分離槽２０とは原液供給管１２によって接続され、原液供給管１２には原液供給ポンプ１４が設けられている。濃縮分離槽２０には原液供給ポンプ１４によって供給された原液が張り込まれる。濃縮分離槽２０内には限外ろ過手段３０と精密ろ過手段４０とが浸漬されている。

限外ろ過手段３０は複数枚の円板状の回転平膜３１を中空回転軸３２に沿い間隔を有して並列した構造とされ、中空回転軸３２の中空部３３は配管３４を介して吸引ポンプ３５と連通している。回転平膜３１は図３に示したように、円板状の通水部材３１Ａに限外ろ過膜３１Ｂを貼り付けたものであり、中心部がボス３２Ａによって中空回転軸３２に固定されている。中空回転軸３２には通水孔３２Ｂが穿孔され、この通水孔３２Ｂを介して通水部材３１Ａが中空回転軸３２の中空部３３と連通している。濃縮分離槽２０外の中空回転軸３２にはギア３６が取り付けられている。このギア３６はモータ減速機３７のギア３８とチェーン３９によって連結している。したがって、モータ減速機３７を駆動すると、チェーン伝動によって中空回転軸３２が回転する。中空回転軸３２の回転に伴って回転平膜３１も一体に回転する。この回転平膜３１の回転と同時に吸引ポンプ３５を駆動させると、その吸引力によって中空回転軸３２の中空部３３及び通水部材３１Ａ内に負圧が作用する。この負圧が限外ろ過膜３１Ｂでのろ過を促す。各回転平膜３１の限外ろ過膜３１Ｂを透過した透過液は通水部材３１Ａ内から通水孔３２Ｂを経て中空回転軸３２の中空部３３に集液され、吸引ポンプ３５によって配管３４から装置外に排出される。

精密ろ過手段４０も同様に複数枚の円板状の回転平膜４１を中空回転軸４２に沿い間隔を有して並列した構造とされ、中空回転軸４２の中空部４３は配管４４を介して吸引ポンプ４５と連通している。回転平膜４１には精密ろ過膜が貼り付けられており、その他の構成も上記限外ろ過手段３０と同様である。したがって、モータ減速機４７を駆動すると、中空回転軸４２が回転する。中空回転軸４２の回転に伴って回転平膜４１も一体に回転する。この回転平膜４１の回転と同時に吸引ポンプ４５を駆動させると、その吸引力によって中空回転軸４２の中空部４３及び回転平膜４１内に負圧が作用する。この負圧によって精密ろ過が行われる。精密ろ過膜を透過した透過液は中空回転軸４２の中空部４３に集液され、吸引ポンプ４５によって配管４４から装置外に排出される。

限外ろ過手段３０の回転平膜３１と精密ろ過手段４０の回転平膜４１は互いに交叉して配置され、かつ同方向に回転する。濃縮分離槽２０には槽内で濃縮された濃縮残液を排出する排液ポンプ２２が配管２４を介して接続されている。また、濃縮分離槽２０には液面計２６が取り付けられ、液面計２６の検出結果は制御器５０に送信される。制御器５０は液面計２６からの検出結果等に基づいて、原液供給ポンプ１４，吸引ポンプ３５，４５，排液ポンプ２２並びにモータ減速機３７，４７をシーケンシャルに作動させる。図４は精製操作における各機器の作動手順を示すタイムチャートである。以下、図４を参照しつつ作動手順を説明する。

精製操作は大別して給液工程，限外ろ過工程，精密ろ過工程，排液工程の順で行われる。給液工程では濃縮分離槽２０が空の状態でまず原液供給ポンプ１４を作動させ、原液槽１０内の原液を濃縮分離槽２０に供給する。濃縮分離槽２０内の液位が所定のハイレベルに達すると原液供給ポンプ１４を停止し、次の限外ろ過工程に移る。

限外ろ過工程ではモータ減速機３７，４７を作動して限外ろ過手段３０の回転平膜３１と精密ろ過手段４０の回転平膜４１とを同方向に回転させつつ、吸引ポンプ３５を作動させる。その結果、限外ろ過手段３０での限外ろ過が行われ、原液が濃縮される。限外ろ過手段３０に装備される限外ろ過膜３１Ｂは例えば分画分子量が５,０００〜３００,０００であり、この分画分子量よりも分子量が小さい物体のみが限外ろ過膜３１Ｂを透過し、分画分子量よりも分子量が大きい物体は分画されて濃縮分離槽２０に残存する。この限外ろ過工程は酵素含有液の濃縮を目的としているので、酵素は分画分子量よりも分子量が大きい側に属し、濃縮分離槽２０に残存させることになる。酵素の分子量は種類によって約１０，０００から数百万と幅広い。したがって、目的の酵素の分子量が１０,０００程度である場合には分画分子量が５，０００の限外ろ過膜を採用し、目的の酵素の分子量が数百万程度である場合には分画分子量が３００,０００の限外ろ過膜を採用すればよい。酵素分子には球形のものや棒状のものなど種々の形があり、分画分子量が１０，０００の膜でも分子量１０，０００以上の酵素をある程度透過させるため、分子量１０，０００程度の酵素を濃縮する場合においても、分画分子量が５，０００の限外ろ過膜を採用する。限外ろ過膜は分画分子量が大きいほど透過流速が大きくなり、閉塞の程度も少ないので、処理効率や運転保守の観点から目的の酵素の分子量に応じて、許容されるレベルでなるべく分画分子量が大きい限外ろ過膜を選択することが望ましい。

この限外ろ過工程では前記したように限外ろ過手段３０の回転平膜３１と精密ろ過手段４０の回転平膜４１は互いに交叉して配置され、かつ同方向に回転している。この構成が限外ろ過手段３０の透過流速を高く，安定に維持する上で有効に働く。すなわち、図１に示したように回転平膜３１と回転平膜４１の交叉部Ａでは、回転平膜３１に同伴する下向流と回転平膜４１に同伴する上向流とがぶつかり合って激しい攪拌作用が生起される。この攪拌作用によって回転平膜３１の膜面に付着，堆積しようとするケーキが回転平膜３１の１回の回転毎にその都度洗われる。このためケーキ層の堆積が大幅に抑制され、ろ過抵抗を低く維持する。また、膜面でのケーキ層の堆積の抑制が、結果として膜閉塞物質による膜閉塞の軽減をもたらし、透過流速を高く，安定に維持する。濃縮によって濃縮分離槽２０の液位が次第に低下し、所定のローレベルに達すると吸引ポンプ３５を停止させ、次の精密ろ過工程に移行する。

精密ろ過工程では回転平膜３１と回転平膜４１の回転を継続しつつ、吸引ポンプ４５を作動させる。その結果、精密ろ過手段４０での精密ろ過が行われ、原液がさらに濃縮される。精密ろ過手段４０に装備される精密ろ過膜は孔径が５μｍ以下であることが望ましく、０.５μm以下であることがより一層望ましい。すなわち、精密ろ過工程は酵素含有液を膜透過液として回収し、微生物を濃縮分離槽２０に残存させることを目的としている。酵素は溶解性物質であり、孔径が０.５μm以下の精密ろ過膜を容易に透過する。微生物は殆どの場合１μm以上であるので、孔径が０.５μm以下の精密ろ過膜であればほぼすべての微生物をろ過することができる。ただし、精密ろ過膜は孔径が大きいほど透過流速が大きくなり、閉塞の程度も少ないので、除去目的の微生物によっては孔径が５μｍ程度の精密ろ過膜を選択する場合もある。

この精密ろ過工程でも前記したように限外ろ過手段３０の回転平膜３１と精密ろ過手段４０の回転平膜４１は互いに交叉して配置され、かつ同方向に回転している。この構成が前記した限外ろ過手段３０の場合と同様に精密ろ過手段４０の透過流速を高く，安定に維持する上で有効に働く。精密ろ過手段４０を透過した透過液は微生物やその他の夾雑物が除去され、かつ前工程で濃縮されて酵素を高濃度に含んだ酵素含有液である。したがって、この精製された酵素含有液は吸引ポンプ４５によって配管４４から装置外に排出され、回収利用される。精密ろ過の結果、濃縮分離槽２０には微生物を含む濃縮残液が残存する。したがって、所望量の酵素含有液を回収した後に吸引ポンプ４５を停止させ、次の排液工程に移行する。

排液工程ではモータ減速機３７，４７を停止して回転平膜３１と回転平膜４１の回転も停止する。次いで排液ポンプ２２を作動させ、濃縮分離槽２０に残存している濃縮残液を配管２４から装置外に排出する。以上の一連の工程によって酵素含有液の精製操作が１回分、完了する。以降同様の精製操作を繰り返す。

以上の精製操作は回分式の操作であるが、本実施形態の酵素含有液の精製装置を連続的に運転することもできる。例えば、原液の性状や回収すべき酵素含有液の目的酵素濃度に応じて、例えば図５に示したような物質収支を予め設定する。そして設定した物質収支を実現するように、すべてのポンプ類，モータ減速機の作動を制御しながら精製を連続的に行う。図５の例では原液１００量を連続的に濃縮分離槽２０に供給する。同時に限外ろ過手段３０と精密ろ過手段４０も連続的に作動させ、限外ろ過手段３０の透過液として６０量の抜き出し液を排出し、精密ろ過手段４０の透過液として３０量の酵素含有液を回収する。また、１０倍に濃縮された１０量の濃縮残液を廃棄物として連続的に装置外に排出する。この運転方法によれば濃縮分離槽２０での物質の入量と出量がバランスしているので濃縮分離槽２０では液面が一定に保持された処理効率のよい運転が可能となる。なお、運転開始当初は濃縮分離槽２０内の液が十分に濃縮されていないので、原液の供給と限外ろ過手段３０による抜き出し液の排出のみを行う。そして濃縮分離槽２０内の液が十分に濃縮された段階から精密ろ過手段４０による酵素含有液を回収と濃縮残液の排出をスタートさせ、以降、定常運転に移行する。この連続精製では濃縮分離槽２０内の液の濃縮レベルが常時濃縮残液のレベルとなり、過酷な条件に置かれる。しかしながら、濃縮分離槽２０に浸漬される回転平膜式の限外ろ過手段３０や精密ろ過手段４０は元来、過酷な条件に適応できるろ過手段であり、かつ限外ろ過手段３０を構成する回転平膜３１と精密ろ過手段４０を構成する回転平膜４１とを互いに交叉して配置し、同方向に回転させるので、このような過酷な条件に対しても十分に耐え得る。

上述のとおり、本実施形態の酵素含有液の精製装置によれば、濃縮分離槽２０内には限外ろ過手段３０並びに精密ろ過手段４０が並存して浸漬されており、限外ろ過手段３０の運転後に前記精密ろ過手段４０を運転させることにより、簡単な構成で微生物と酵素とを含む原液を精製し、効率よく微生物を含まない高濃度の酵素含有液を得ることができる。

また、限外ろ過手段３０及び精密ろ過手段４０が回転平膜式のろ過手段であり、限外ろ過手段３０を構成する回転平膜３１と精密ろ過手段４０を構成する回転平膜４１とを互いに交叉して配置し、同方向に回転させる。このため、膜面近傍の液の攪拌と置換が活発になり、水不溶性微粒子などの格別な添加物を必要とせずに、膜面でのケーキ層の堆積や膜閉塞物質による膜の閉塞を軽減し、透過流速を高く維持することが可能となる。したがって、酵素含有液の精製運転を安定かつ効率よく遂行することができる。

本発明に係る酵素含有液の精製装置の実施形態を示す装置系統図である。同実施形態に係る濃縮分離槽の平断面模式図である。限外ろ過手段の細部構造を示す平断面図である。精製操作における各機器の作動手順を示すタイムチャートである。連続運転時の物質収支を例示した模式図である。

符号の説明

１０………原液槽、１４………原液供給ポンプ、２０………濃縮分離槽、２２………排液ポンプ、２６………液面計、３０………限外ろ過手段、３１………回転平膜、３２………中空回転軸、３３………中空部、３５………吸引ポンプ、３７………モータ減速機、４０………精密ろ過手段、４１………回転平膜、４２………中空回転軸、４３………中空部、４５………吸引ポンプ、４７………モータ減速機、５０………制御器。

Claims

微生物と酵素とを含む原液が張り込まれる濃縮分離槽と、この濃縮分離槽に前記原液を供給する原液供給手段と、前記濃縮分離槽に浸漬された限外ろ過手段並びに精密ろ過手段と、前記濃縮分離槽で濃縮された濃縮残液を排出する排液手段と、前記限外ろ過手段の運転後に前記精密ろ過手段を運転させる制御器とを具備したことを特徴とする酵素含有液の濃縮精製装置。
微生物と酵素とを含む原液が張り込まれる濃縮分離槽と、この濃縮分離槽に前記原液を供給する原液供給手段と、前記濃縮分離槽に浸漬された限外ろ過手段並びに精密ろ過手段とを備え、前記限外ろ過手段及び精密ろ過手段が回転平膜式のろ過手段であり、限外ろ過手段を構成する回転平膜と精密ろ過手段を構成する回転平膜とが互いに交叉して配置され、同方向に回転することを特徴とする酵素含有液の濃縮精製装置。
前記限外ろ過手段に装備されるろ過膜が分画分子量５,０００〜３００,０００の限外ろ過膜であり、前記精密ろ過手段に装備されるろ過膜が孔径５μｍ以下の精密ろ過膜である請求項１又は請求項２に記載の酵素含有液の濃縮精製装置。