JP2005320657A - セルロース産生菌を用いたセルロース製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の形状を有するセルロース製品の製造方法およびセルロース製品
【解決手段】酸素透過性素材を含む素材から形成された、少なくとも一つの開口部を有する任意の形状の中空体を、その少なくとも一つの開口部を外部に露出させて培養液中に浸漬すると共に、セルロースを産生する菌を前記培養液中で培養する工程と、前記培養中に、前記少なくとも一つの開口部から前記中空体の内部に滅菌空気を送風する工程とを備え、前記中空体の外部表面に菌を局在させて培養することによって、該中空体外部表面にセルロースを産生させることを特徴とする、任意の形状を有するセルロース製品の製造方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セルロース産生菌によって産生されたセルロースからなる、任意の形状を有するセルロース製品の製造方法、および該製造方法によって製造されたセルロース製品に関する。

植物由来のセルロースを、誘導体とせずにそのまま成形加工する場合、セルロース繊維を型にいれて熱処理するか、或いはセルロースを薬品によって溶解させた後に再生させる方法が行われる。これらの処理はセルロースの結晶構造を変化させ、その結果として、通常はセルロースの強度が低下してしまう。それ故、このような処理をされたセルロースを、強度を要求される工業製品などの素材として用いるには問題があった。

植物の他に、酢酸菌のような菌によってもセルロースは産生される。菌が産生するセルロースは植物由来のセルロースとは異なり、セルロースのミクロフィブリルが全方向に伸長して３次元のネットワークを構成している。そのため、植物由来のセルロースが繊維と異なる方向に対する強度をあまり持たないのと相違して、菌由来のセルロースは全方向に対して強度が高いという特徴を持っている。例えば、酢酸菌が産生したゲル状のセルロースを乾燥させたシートは、優れた強度（20 Ｇｐａ程度）を持っていることが知られており、スピーカーの振動板等に利用されている。

しかし、菌が産生したセルロースを任意の形状に成形するには、セルロースの構造を分離させた後に再構築せねばならず、セルロースの結晶構造が変化し、強度が低下してしまうという問題があった。

上記問題に鑑み、本発明の目的は、菌が産生したセルロースを用い、その結晶構造を変化させることなく任意の形状を有するセルロース製品を製造する方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、酸素透過性素材を含む素材から形成された、少なくとも一つの開口部を有する任意の形状の中空体を、その少なくとも一つの開口部を外部に露出させて培養液中に浸漬すると共に、セルロースを産生する菌を前記培養液中で培養する工程と、前記培養中に、前記少なくとも一つの開口部から前記中空体の内部に滅菌空気を送風する工程とを備え、前記中空体の外部表面に菌を局在させて培養することによって、該中空体外部表面にセルロースを産生させることを特徴とする、任意の形状を有するセルロース製品の製造方法を提供する。

また、本発明の他の側面から、酸素透過性素材を含む素材から形成された、少なくとも一つの開口部を有する任意の形状の中空体の内部において、セルロースを産生する菌を培養する工程と、前記培養中に、前記中空体の周囲に滅菌空気を送風する工程とを備え、前記中空体の内部表面に菌を局在させて培養することによって、該中空体内部表面にセルロースを産生させることを特徴とする、任意の形状を有するセルロース製品の製造方法が提供される。

これらの方法で用いられるセルロースを産生する菌は、酢酸菌が好ましく、特に、Gluconoacetobacter属の酢酸菌、さらに特にはGluconoacetobacter xylinus (American Type Culture Collection No.53582)であることが好ましい。

上記方法で用いられる酸素透過性素材は多孔性のテフロンであることが好ましい。また、任意の形状を有する中空体は管状体であることが好ましい。

本発明の他の側面から、上記の方法によって製造されたセルロース製品、特に、セルロースチューブおよびセルロース繊維が提供される。

本発明の方法によれば、セルロース産生菌を任意の形状に局在させて培養することによって、任意の形状を有し、且つ菌によって産生されたままの結晶構造を有するセルロース製品を製造することができる。

本発明において用いられるセルロース産生菌は、酢酸菌が好ましく、特に、Gluconoacetobacter属の酢酸菌、さらにはGluconoacetobacter xylinus (American Type Culture Collection No.53582)が好適に用いられる。

セルロース産生菌は好気性であり、液界面にセルロースを形成してその中に自分の菌体を保持し、酸素供給をスムーズにする性質を有している。従って、セルロース産生菌によって産生されるセルロースは通常、平面状の形体となる。

本発明者らは、立体形状を有するセルロース製品を作製するために、任意の形状に産生菌を局在させてセルロースを産生させることに成功した。その方法の第一の実施形態を以下に説明する。

まず、酸素透過性素材を用い、任意の形状を有する中空体を作製する。この中空体は、少なくとも一つ、好ましくは二つの開口部を備える。本発明で用いられる酸素透過性素材は、後述の実施例に示したように、多孔性のテフロンが好ましい。また、中空体には、酸素透過性素材と共に他の素材を用いてもよい。中空体の形状としては、例えばチューブ等のような管状形体が好ましい。

作製した中空体を、セルロース産生菌の培養液中に浸漬する。このとき、中空体の開口部は培養液外に出しておき、中空体内部に培養液が入らないようにする。この状態でセルロース産生菌を培養するが、菌を培養する期間中、中空体の内部に例えばポンプなどを用いて滅菌空気を送風する。中空体は酸素透過性であるので、滅菌空気中の酸素が中空体を透過し、中空体の外部表面に酸素が供給される。

上述したように、セルロース産生菌は好気性菌であるため、このような条件下において培養することによって、セルロース産生菌を中空体の外部表面に局在させることができる。その概念図を図１に示した。中空体１２表面に局在したセルロース産生菌１０は、そこで増殖し、セルロース１４を産生する。

中空体の全面がセルロース１４で覆われるまで培養を継続することによって、中空体の形状を有するセルロースを形成させることができる。

形成されたセルロースは、中空体から抜き取り、２％苛性ソーダで洗浄して菌体を除去する。その後、蒸留水で中性になるまで洗浄し、そのまま冷暗所で保存するか、あるいは、送風乾燥または熱風乾燥して保存しても良い。

以上のようにして、任意の形状を有するセルロース製品を製造することができる。

上記の方法は、中空体の外部表面にセルロースを形成させる方法であるが、これとは反対に、中空体の内部表面にセルロースを形成させることも可能である。その方法を第二の実施形態として以下に説明する。

図２は、第二の実施形態を示した模式図である。まず、第一の実施形態と同様に、開口部を一以上有し、酸素透過性素材からなる任意の形状の中空体１２を作製する。本実施形態においては、この中空体１２の内部に培養液を満たし、セルロース産生菌を培養する。培養期間中は、中空体１２の外部に滅菌空気を送風する。このために、中空体は、例えば送風用のポンプを連結した密閉可能な容器１６に収容することが好ましい。また、中空体１２の内部の培養液は、ポンプ１８等で循環させることが好ましい。

第一の実施形態と同様に、中空体１２の内部表面には、中空体１２を透過した酸素が供給される。そのため、セルロース産生菌１０は中空体の内部表面に局在して増殖し、セルロースを産生する。

中空体の内部表面が全て覆われるまで培養を継続することによって、中空体の形状を有するセルロースを形成させることができる。

以上のようにして、中空体の内部表面にセルロースを形成することができる。中空体としてチューブを用いることで、チューブ状のセルロース製品を作製することができる。さらに、例えば直径の小さいチューブを中空体として用い、十分に培養することによって、繊維状のセルロース製品を作製することも可能である。

本実施形態によれば、第一の実施形態のように中空体の外部表面にセルロースを形成させる方法と比較して、必要な培地の量を低減させることが可能である。

本発明の方法によれば、菌によって産生されたセルロースの結晶構造、ミクロフィブリルが構成する３次元構造等を変化させることなく、任意の形状のセルロース製品を作製することができる。このようなセルロース製品は、従来のセルロース製品よりも強度が高く、工業製品等の素材として好適に用いることができる。

また、本発明の方法に従って作製されたセルロース製品は、他のセルロースと比較して疎水性表面を多く備えることを特徴とする。

本発明のセルロース製品は、生体適合性が高く、優れた生体材料として用いることができる。例えば、肝細胞のような動物細胞の増殖を助ける支持材、人工血管、人工腱等として用いることができる。また、バイオリアクターの固定化担体等に用いることも可能である。

さらに、ゲル状のセルロースは乾燥させることによって接合するため、例えばセルロースを微小なチューブ状に形成し、これの両端を絞って閉じることによってカプセル状にすることも可能である。例えば、このカプセル内に薬剤を包含させて経口投与剤としてもよい。このようなカプセルは大腸中の菌によって溶解され得るため、大腸において放出されることが望ましい薬剤に有用である。

次に、本発明の方法の実施例を記載する。

１．酸素透過性素材の選択
本発明者らは、種々の素材からなるチューブを用いてセルロース産生菌を培養し、産生菌が局在してセルロースを産生するのに適した酸素透過性素材を検討した。その結果を表１に示す。

この結果から、多孔性のテフロンが最も好適な素材であることが明らかとなった。

２．培養条件
本発明者らは、酢酸菌の培養条件を検討し、セルロースを産生させずに菌体を増殖させる条件を確立した。培養培地にセルラーゼを加え、１００rpmで振盪しながら約２５℃で培養することによって、産生されるセルロースを分解しながら培養し、セルロースを産生させずに菌体の増殖を優先させることが可能である。

まず菌体を所望の細胞密度まで増殖させ、次いでセルロースを産生させることで、菌体の増殖、及びセルロースの産生の両工程を効率よく行うことが可能である。

３．セルロースチューブの作製１
酢酸菌Gluconoacetobacter xylinus (American Type Culture Collection No.53582)を試験管で３日間培養し、産生されたゲル状のセルロースの一部を、三角フラスコ中のＳＨ培地（Schramm-Hestrin medium：グルコース 20ｇ、酵母エキス 5ｇ、ポリペプトン 5ｇ、クエン酸 1.15ｇ、リン酸水素二ナトリウム 2.7ｇ、蒸留水 1,000mL）50mLに移して、酢酸菌を植菌した。これを２５℃で３日間前培養した。前培養中に産生したセルロースを溶解して菌体の増殖を活発にするために、膜滅菌したセルラーゼ（セルクラスト、ノボエンザイム）を100μL加えた。培養液を遠心分離し、増殖した菌体を集めて滅菌したＳＨ培地500mLに加えた。

ポリカーボネイト性の培養容器に培養液を入れ、多孔性テフロン製のチューブを、両端を除いて浸漬させた。この培養液に菌体を加えたＳＨ培地を加えて培養した。培養期間中、多孔性テフロンチューブの内部に、送風用ポンプを用いて滅菌空気を送風した。

３日間の培養後、多孔性テフロンチューブの外部表面にセルロースチューブが形成された。このセルロースチューブをテフロンチューブから抜き取り、２％苛性ソーダで洗浄して菌体を除去した。その後蒸留水で中性になるまで洗浄し、冷暗所で保存した。

得られたセルロースチューブの表面を、原子間顕微鏡で観察した像を図３に示す。図３（ａ）は、セルロースチューブの外部表面、即ち培養液側の面であり、図３（ｂ）は内部表面、即ちチューブ側の面である。図から、セルロースチューブの外表面と内表面では構造が異なり、外表面は強度の高く、疎水性の結晶性セルロースであり、内表面は親水性であるアモルファス構造を有することが示された。

４．セルロースチューブの作製２
ガラス製の培養用ジャーに送風用のポンプを連結し、内径６ｍｍ×長さ６ｍｍの多孔性テフロン製チューブをジャーの中に設置した。テフロン製チューブ内に培地を満たし、上記と同様に調製した菌体を加えた。このチューブにペリスタポンプを連結し、培地を循環させて培養を行った。培養期間中、培養用ジャーに滅菌空気を送風した。

３日間の培養後、多孔性テフロンチューブの内部表面にセルロースチューブが形成された。このセルロースチューブをテフロンチューブから抜き取り、２％苛性ソーダで洗浄して菌体を除去した。その後蒸留水で中性になるまで洗浄し、冷暗所で保存した。

得られたセルロースチューブは、全長が約６ｍ、湿潤状態での厚さが約１ｍｍ、乾燥状態で１０μｍ以下であった。

このセルロースチューブを用い、バイオセルロース繊維の強度を分析した結果を表２に示す。対照として、綿、絹、ナイロン６６の強度を測定した結果を示す。

表２に示されたように、本実施例で作製されたバイオセルロース繊維は、他のセルロース繊維に比べて明らかに強度が高かった。また、綿繊維は濡れると強度が低下するが、バイオセルロース繊維は濡れてもほとんど強度が低下しないという特徴を有した。

本実施例ではチューブの内側で酢酸菌を培養したが、このような場合、チューブの外表面で菌を培養したときと比べて菌の生育が早く、また、厚いセルロースチューブが形成された。

中空体の外部表面にセルロースを形成させる概念図。 中空体の内部表面にセルロースを形成させる方法の模式図。 セルロースチューブの原子間顕微鏡写真。（ａ）は、セルロースチューブの外部表面、（ｂ）はセルロースチューブの内部表面。

符号の説明

１０…セルロース産生菌、１２…中空体、１４…形成されたセルロース、１６…培養用ジャー、１８…ポンプ。

Claims (10)

1. 酸素透過性素材を含む素材から形成された、少なくとも一つの開口部を有する任意の形状の中空体を、その少なくとも一つの開口部を外部に露出させて培養液中に浸漬すると共に、セルロースを産生する菌を前記培養液中で培養する工程と、
   前記培養中に、前記少なくとも一つの開口部から前記中空体の内部に滅菌空気を送風する工程と、
   を備え、前記中空体の外部表面に菌を局在させて培養することによって、該中空体外部表面にセルロースを産生させることを特徴とする、任意の形状を有するセルロース製品の製造方法。
2. 酸素透過性素材を含む素材から形成された、少なくとも一つの開口部を有する任意の形状の中空体の内部において、セルロースを産生する菌を培養する工程と、
   前記培養中に、前記中空体の周囲に滅菌空気を送風する工程と、
   を備え、前記中空体の内部表面に菌を局在させて培養することによって、該中空体内部表面にセルロースを産生させることを特徴とする、任意の形状を有するセルロース製品の製造方法。
3. 前記セルロースを産生する菌は酢酸菌である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記酢酸菌はGluconoacetobacter属の酢酸菌である、請求項３に記載の方法。
5. 前記Gluconoacetobacter属の酢酸菌はGluconoacetobacter xylinus (American Type Culture Collection No.53582)である、請求項４に記載の方法。
6. 前記酸素透過性素材は多孔性のテフロンである、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記任意の形状を有する中空体は管状体である、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の方法により製造されたセルロース製品。
9. 前記セルロース製品はセルロースチューブである、請求項８に記載のセルロース製品。
10. 前記セルロース製品はセルロース繊維である、請求項８に記載のセルロース製品。

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