JP2013535221A - 多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化された酵素触媒 - Google Patents

Abstract

多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化された酵素触媒である。触媒的に活性な酵素は、反応触媒として使用するために、多様なフルオロポリマー支持体に結合できる。更に、経時的な触媒再使用中で一貫して高い転化度を実現する。更に、不活性酵素触媒は支持体からストリッピングさせて新しい酵素を支持体に結合させて元の転化度を実現できる。多孔質フルオロポリマー上の触媒酵素の固定化は有利な触媒の製造に有望で新規な技術である。

Description

発明の背景
酵素触媒は産業プロセスにおける化学的転換に有用である。酵素触媒の利点としては、比較的低温での触媒活性、特異な反応および生成物、ならびに高選択性への潜在性が挙げられる。固体支持体上の固定化は酵素を安定化してその触媒寿命を長くする。固定化はまた再使用のための触媒の反応からの除去を容易にする。

酵素は典型的には粒子上にイオン交換樹脂で担持され、中でも変性シリカ粒子は最も一般的な支持体である。イオン交換樹脂上に固定化された酵素は極めて一般的である。弱酸性および弱塩基性のイオン交換樹脂が、酵素を固定化するために用いられる。ほとんどのイオン交換樹脂は小さいビーズの形状の架橋ポリスチレンを基にする。バッチ反応において、撹拌によってイオン交換樹脂ビーズを粉末化でき、これは酵素活性を低下させ、プロセスからの触媒除去を複雑にし、そして固定化された触媒の再使用を妨げる。酵素を固定化するのに用いるシリカ粒子はしばしば極めて小さく、バッチ反応からの除去を複雑にする。充填床塔において、イオン交換粒子または小粒子サイズの典型的なシリカ粒子を充填することは高い背圧、および触媒床を通る反応混合物の流動の困難をもたらす可能性があり、最終的に閉塞を招来する可能性がある。任意の反応構成において、反応条件（例えば溶媒の存在、高温、または極端なｐＨの条件）で、イオン交換粒子は分解に供され、または更に追加的に架橋する。

除膜は、反応系における均一な酵素または全細胞の触媒の移動を制限する小孔膜である。除膜において、酵素は、膜の両側上に固定化されているよりも液剤にて膜の一方の側で活性である。実際、該膜は選択的分離のみに使用し、最適な孔サイズは酵素触媒および生成物のサイズによって制限される。有効孔サイズは酵素触媒を排除する一方生成物を通過させなければならない。２相または非対称の膜反応器は、疎水性および親水性の膜の界面で不溶性粒子としてろ過によって堆積させた酵素触媒を用いて、反応器系の親水性側での加水分解反応を促進する。親水性膜は、水性相中への酵素触媒の透過を排除するように、酵素触媒のサイズよりも小さい孔サイズを有さなければならず、よって除膜として働かなければならない。非対称の多孔質フルオロポリマー膜は、疎水性および親水性の表面を得るために表面変性されてきた。酵素触媒は、非対称膜の一方の表面のみに固定化される。

本発明の１つの目的は粒子支持体上に酵素触媒を固定化することによってもたらされる制限、特にサイズおよび構造上の弱さ、ならびに単回使用の特徴を解決することである。本発明の別の目的は、酵素触媒を排除または非対称の多孔質支持体と結び付けることによってもたらされる制限、特に片側の表面のみの使用を解決することである。

発明の要約
本発明のある態様は、少なくとも１つの層を有する多孔質フルオロポリマー支持体、および該支持体に固定化された少なくとも１種の酵素触媒を含む、固定化された触媒であって、該支持体が、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、およびスポンジからなる群から選択され、該支持体の各層の有効孔サイズが該酵素触媒のサイズよりも大きく、該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、固定化された触媒に関する。

本発明の別の態様は、多孔質フルオロポリマー膜、および支持体に固定化された触媒された少なくとも１種の触媒を含む、固定化された触媒であって、酵素触媒が該膜の両表面上に固定化されており、該膜の各層の有効孔サイズが酵素触媒のサイズよりも大きく、触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、固定化された触媒に関する。

別の態様は、少なくとも１つの層を有する多孔質フルオロポリマー膜、および該支持体に固定化された少なくとも１種の酵素触媒を含む固定化された触媒を含むカートリッジであって、酵素触媒が膜の両表面上に固定化されており、該膜の各層の有効孔サイズが酵素触媒のサイズよりも大きく、触媒が、触媒活性を２〜５０の使用で維持する、カートリッジに関する。

別の態様は、該固定化された触媒を含む反応器に関する。

更に別の態様は、固定化された触媒の製造方法であって、少なくとも１種の酵素触媒および支持体を接触させることを含み、該支持体が、少なくとも１つの層を有し、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、およびスポンジからなる群から選択され、該支持体の各層の有効孔サイズが該触媒のサイズよりも大きく、該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、方法に関する。

更に別の態様は、燃料または化学物質の製造方法であって、少なくとも１種の反応物質を少なくとも１種の固定化された酵素触媒と接触させて化学物質を生成することを含み、該酵素触媒が多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化されており、該支持体が少なくとも１つの層を有し、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、およびスポンジからなる群から選択され、該支持体の各層の有効孔サイズが該酵素触媒のサイズよりも大きく、該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、方法に関する。

発明の詳細な説明
ある態様に従い、本発明は、多孔質フルオロポリマー支持体（例えば、対称多孔質フルオロポリマー支持体）上に固定化された酵素触媒を含む固定化された触媒に関する。本発明はまた、固定化された触媒を製造および使用する方法に関する。

ある態様に従い、酵素触媒は、触媒を非共有結合によって多孔質フルオロポリマー支持体に固定化できる。更に、除膜系とは異なり、フルオロポリマー支持体の有効孔サイズは、酵素触媒のサイズを超えることができる。支持体は、１つ以上の対称の層を含有でき、各多孔質層は酵素触媒のサイズを超える有効孔サイズを有することができる。酵素触媒のサイズを超える孔サイズを有する支持体の利点は、酵素触媒が吸着または非共有結合でき、よって多孔質フルオロポリマー支持体の２つ以上の表面（例えばフィルムの前平面および背平面）に固定化できることである。フルオロポリマーから形成される支持体材料は化学的に不活性であり、過酷な反応条件（例えば高温または極端なｐＨ）に耐えることができ、よって産業プロセスにおける使用に許容可能である。

ある態様に従い、１種以上の酵素触媒を多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化できる。フルオロポリマーろ過およびパーベーパレーション膜の製造、形態および性能が検討されてきた。フルオロポリマーは複数の強い炭素−フッ素結合を有するフルオロカーボン系ポリマーである。これは溶媒、酸、および塩基に対する高い耐性を特徴とする。フルオロポリマーの例としては、ＰＴＦＥ ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））；ＰＶＤＦ ポリビニリデンジフルオライド（Ｋｙｎａｒ）；ＥＴＦＥ ポリエチレンテトラフルオロエチレン；ＰＣＴＦＥ ポリクロロトリフルオロエチレン；ＰＶＦ ポリフッ化ビニル；ＰＦＡ パーフルオロアルキルポリマー樹脂；ＦＥＰ フッ化エチレン−プロピレン；ＥＣＴＦＥ ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン（Ｈａｌａｒ）、およびＰＦＰＥ パーフルオロポリエーテルが挙げられる。ＰＶＤＦおよびＰＴＦＥは多孔質材料に一般的に用いられるフルオロポリマーである。コポリマーまたは他の構造的もしくは機能的な材料がフルオロポリマーに関連できるが、これは必要ではない。

多孔質フルオロポリマー支持体は、公表されている手順（例えばＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｆｉｌｔｅｒ Ｍｅｄｉａ，Ｄｅｒｅｋ Ｐｕｒｃｈａｓ ａｎｄ Ｋｅｎ Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ，２００２）に準拠して調製できる。多孔質フルオロポリマー支持体の調製の例としては、溶媒キャスト、フルオロポリマーが好適な溶媒系中に溶解し、次いで所望形状（例えばフィルム）にキャストされる方法、および非溶媒に暴露されてゲル化すること、が挙げられる。ゲル化したポリマーマトリクスから溶媒を蒸発させることは、孔を作る。孔サイズは溶媒中のポリマーの濃度、添加剤、非溶媒の性状、および他の要因（例えば温度）に左右される。多孔質繊維は、湿式紡糸繊維プロセスで同様に形成でき、中空または非中空の繊維が生じる。多孔質フルオロポリマー支持体を形成するための別のプロセスとしては、機械的延伸が挙げられる。例えば、多孔質の膨張（expanded）ＰＴＦＥ膜を、ＰＴＦＥフィルムを２軸延伸してフィブリルを２方向に物理的に分離して形成でき、その後、孔サイズを熱処理で固定できる。

多孔質フルオロポリマー支持体材料は、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、スポンジ、発泡体または粒子の形状であることができる。種々の多孔質フルオロポリマー材料が市販で入手可能である。以下のリストは例示を意味し、排他的なものではない。

ある態様に従い、フルオロポリマー支持体材料は多孔質である。更に、支持体材料の有効孔サイズは酵素触媒のサイズを超えることができ、よって、支持体材料は除膜であることを意図しない。孔サイズは、１５，０００ＭＷＣＯ未満から１．０ミクロン超であることができる。例えば、孔サイズは約５０，０００ＭＷＣＯ〜０．５ミクロン、または１００，０００ＭＷＣＯ〜約０．４５ミクロンであることができる。精密ろ過および限外ろ過の両者は好適な支持体材料である。支持体材料の孔の流動通過は、例えばスポンジまたは発泡体（これは多孔質表面を有するが材料を流動通過させない場合がある）の場合、必要ではない。この範囲の多孔質材料について、孔サイズは、分画分子量（ＭＷＣＯ）によって、または孔径によって、のいずれでも示すことができ、通常はミクロン（１０^-6メートル）単位で表す。酵素触媒はサイズが変動するが、分子量によって、または寸法によって、のいずれでも測定でき、通常オングストローム（１０^-10メートル）単位で表す。多くの異なる酵素のサイズは種々のデータベース（例えば、ＲＣＳＢ Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄａｔａ Ｂａｎｋ）に見出すことができる。酵素触媒のサイズは、１２，０００ＭＷ（１２キロダルトン、ｋＤａ）未満（リボヌクレアーゼの場合のように）から最大３００，０００ＭＷ超（多量体酵素の場合のように）であることができる。殆どの産業的に重要な酵素触媒のサイズは、３０，０００ＭＷ〜約１００，０００ＭＷである。例えば、菌類リパーゼ（市販の酵素の分類）は平均約４０，０００ＭＷで、平均径１００オングストローム（０．０１ミクロン）未満を有する。ＭＷＣＯ５０，０００を有する材料中の孔または孔サイズ０．０２ミクロン以上は、菌類リパーゼの平均サイズを超える。

ある態様に従い、多孔質フルオロポリマー支持体は対称である。更に、支持体は２つ以上の層（例えば多孔質フルオロポリマー膜上の構造バッキング材料）を有することができるが、各層の有効孔サイズは酵素触媒のサイズよりも大きい。例えば、孔の平均径は酵素触媒の平均径よりも大きい。孔サイズが酵素触媒のサイズよりも大きい場合、酵素触媒は対称な支持体の全表面に接触できる。

一態様において、フルオロポリマー支持体は水、アルコールまたはポリオールで予湿潤する。フルオロポリマーは、これらが表面処理されていない限り、通常疎水性の材料である。酵素の水性液剤を多孔質支持体材料の疎水性表面に接触させるために、これを予湿潤（通常アルコール，例えばエタノールまたはメタノールで）するのがよい。製造プロセス中、フルオロポリマーを溶媒中に溶解させ、フィルムを液剤からキャストし、次いでフィルムを非溶媒と接触させてフィルムを沈殿させて孔を形成できる。非溶媒は、水もしくはアルコールもしくはポリオールを含有でき、または水、アルコールもしくはポリオールで容易に交換でき、多孔質支持体材料を予湿潤条件にしておくことができる。多孔質フルオロポリマー支持体材料は水、アルコールまたはポリオール（例えばグリセロール）で湿潤または予湿潤して供給する場合がある。多孔質材料を乾燥にて供給する場合には、これを酵素と接触させる前に表面をアルコールで湿潤させてもよい。エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノールおよび他の低級アルコールは全て許容可能な予湿潤剤である。予湿潤剤は、典型的には、支持体を酵素触媒と接触させる前にリンスによって除去する。

酵素触媒は触媒活性を有する任意のポリぺプチドであることができる。例えば、酵素触媒は単離酵素、酵素混合物、細胞抽出物、または全細胞の形であることができる。酵素触媒としては、加水分解酵素、転移酵素、異性化酵素、リアーゼ、リガーゼ、脱水酵素、カタラーゼ、水酸化酵素、ニトリラーゼ、ヌクレアーゼ、ポリメラーゼ、キナーゼ、またはホスファターゼを挙げることができる。一態様において、酵素触媒は加水分解酵素，例えばリパーゼ、エステラーゼまたはプロテアーゼまたはアミダーゼ、である。

一態様において、酵素触媒は液剤状態である。例えば、酵素は殆ど水性の液にあることができる。酵素が凍結乾燥された形である場合、これは水で再構成できる。酵素液剤は任意に界面活性剤、塩、緩衝剤、ポリマー、補助因子、または保存剤（酵素触媒の可溶化、安定化または活性の促進を意図するもの）を含有できる。酵素触媒はまた、殆ど水性の液剤における細胞抽出物、または全細胞であることができる。

ある態様に従い、酵素液剤は、フルオロポリマー支持体と接触させることができる。更に、接触は任意の手段，例えば交流、浸漬、かき混ぜ、回転または撹拌等で行うことができる。

ある態様に従い、接触は、数分から数日，例えば約０．５時間から約１４４時間、約２時間から約４８時間、温度約０〜約１００℃、約４〜約８０℃、または約１５〜約５０℃で維持する。

酵素は固定化後触媒的に活性である。更に、固定化された酵素触媒は多くの種々の反応のための触媒として使用できる。例えば、触媒される反応はエステル化、トランスエステル化、またはエステル交換、ペプチド結合形成、加水分解、転移、異性化、ライゲーション、脱水、水酸化、ニトリル化、または重合であることができる。更に、固定化された触媒は酵素の結合および活性を、複数回の再使用の後であっても維持する。例えば、固定化された触媒は、触媒活性を２〜５０の再使用、３〜３０の再使用、または更に５〜１０の再使用について、維持する。触媒活性の維持は、固定化された触媒が、初期の触媒活性の少なくとも７０％を少なくとも１０回の使用後に、初期の触媒活性の少なくとも８０％を少なくとも１０回の使用後に、または更に初期の触媒活性の少なくとも９０％を少なくとも１０回の使用後に、維持することを意味することを意図する。

ある態様に従い、固定化された触媒は支持体に非共有結合しており、支持体から、例えば界面活性剤および／またはプロテアーゼで除去できる。清浄化された支持体は再使用して新しい触媒的に活性な酵素を固定化できる。酵素触媒を再固定化するための条件は本質的には上記した通りである。

多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化された酵素触媒の用途としては、固定化された酵素触媒を燃料および化学物質の製造のためのプロセス触媒として用いることである。該触媒は中間体もしくは最終製品または両者を製造するのに機能できる。複数の転換のための複数の酵素触媒が同じまたは配列された支持体に結合できる。

平坦シートの膜、スポンジ、ブレイド、繊維、中空繊維または粒子に触媒を充填し、次いで反応器系に組み立てることができる。組み立て済の反応器系，例えば流動通過またはゼロから１００％のバイパスカートリッジ（多孔質フルオロポリマー支持体を収容する）を、酵素触媒とともにインサイチュで、例えば酵素液剤中の浸漬または酵素液剤を支持体に通してまたは支持体に亘って流すことにより装填できる。

多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化された酵素触媒を用いて形成できる製品としては、燃料および化学物質が挙げられる。製品はプロセスの最終製品または中間物であることができる。形成できる製品としては、エステル、アミド、アミン、アルコール、ジオール、ポリオール、アルデヒド、酸、ポリマー、チオール、またはこれらの混合物が挙げられる。これらの製品はアキラル、ラセミ、または鏡像異性的に富化されたものであることができる。

酵素触媒反応の利点としては、中程度の温度での高度に選択的な反応の可能性が挙げられる。高い反応選択性は、不所望の副生成物の形成を低減でき、下流処理およびその関連する投入（例えば、ろ過剤、溶剤、エネルギー、および設備）を低減または排除できる。中程度の温度で行う反応は、よりエネルギー集約型でなく、また生じる不所望の副生成物がより少ない傾向がある。多孔質フルオロポリマー支持体の使用の更なる利点としては、製品または副生成物の選択的な分離を行う可能性が挙げられる。

例
以下の例から分かるように、膜固定化法で高触媒活性が実現され、触媒活性は複数回の再使用について維持された。加えて、酵素触媒は膜表面から洗剤処理で除去でき、膜は新しい触媒を触媒活性の損失なしで再充填できた。多孔質フルオロポリマー膜（ＰＶＤＦおよびＰＴＦＥ）は、試験した膜の、最も高い酵素結合および後続の触媒活性を有した。支持しているまたは支持していない多孔質フルオロポリマー膜の両者はともにより良好な性能であった。

多様な種々の膜材料の初期スクリーニングは、フルオロポリマー膜が活性生体触媒を結合するのに好ましいことを示した。更に、フルオロポリマー支持体は、長寿命の酵素結合および活性の両者（少なくとも１０回の再使用を、触媒活性の低下なしで）をもたらした。これらの初期スクリーニング実験で、Ｉｍｍｏｂｉｌｏｎ−Ｐ，非支持微多孔ＰＶＤＦ膜（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅより）は良好な性能であり、全ての後続の試験において標準支持体としての使用に選んだ。追加の膜を表１で詳記するように選んだ。

標準固定化手順：
酵素充填：３ｃｍ×９ｃｍの膜ストリップを巻いて８ドラムガラスバイアルの底部内側に入れた。ストリップはバイアルの内径の周りに若干重なった。支持された膜で、フルオロポリマー側を内側に配置した。乾燥膜を、１ｍｌのエタノールで予湿潤させ、よく排液した。各膜を１０ｍｌの水で洗浄し、少なくとも１０分間平衡させ、次いでよく排液した。水はエタノール湿潤膜からエタノールを除去したか、または湿潤状態で供給された膜からの保存液（通常グリセロールを含有する）の除去を助けた。予湿潤およびリンスした膜を次いで１０ｍｌの結合液で１０分間平衡し、次いで排液した。各バイアルに、別の５ｍｌの結合液を添加し、次いで１ｍｌの酵素原液を添加した。バイアルに蓋をし、二次容器内に固定し、次いで水平に４℃で２４時間回転させて酵素液剤を膜の表面上に継続的に分布させた。２４時間後、タンパク液をサンプリングして、ブラッドフォードアッセイおよびアルブミン標準カーブを用い、相違（固定化の前後）によってタンパク結合を評価した。過剰の酵素液剤を排液し、膜を適切な洗浄バッファー（１０ｍｌ）で１回リンスし、次いで排液し、同じ洗浄バッファー（１０ｍｌ）で少なくとも１５分間平衡した。洗浄した膜から過剰流体を排液し、４℃（湿った）で活性アッセイを行うまで保管した。

リパーゼについての活性アッセイ（例１〜９：エチルヘキシルパルミテート合成）：任意の過剰の液体をバイアルの底部からピペットまたはコットンスワブで除去し、必要に応じて、♯１１または♯１２のｏ−リングを、支持された膜を収容するバイアルの底部に加えて、反応温度での膜のカールを防止した。撹拌棒を各バイアルに加え、次いで反応物質を別個に各バイアル：５ｇのパルミチン酸＋２．５ｇの２−エチルヘキサノールに計り入れた。反応物質を一緒に６５℃で３０分間溶融させ、次いでバイアルを、撹拌した加熱ブロックに移して６０℃（８００ｒｐｍ撹拌速度）にて撹拌した。生成物（エチルヘキシルパルミテート）への転化パーセントは、４および２４時間で、４０μｌの反応混合物をバイアルにサンプリングして２ｍｌのメタノールを添加することによって見積もった。反応混合物をガスクロマトグラフィで分析した。３つの反応物質および生成物のピークを積分し、生成物ピークの面積％を記録した。この分析方法は、同じサンプルの幾つかで得られるＮＭＲデータに基づいて、転化質量％の良い近似である。２４時間後、反応混合物をピペットで取り出して、使用した膜を室温で保管した。

例１．異なるｐＨ条件下での、触媒的に活性なリパーゼのフルオロポリマー支持体への固定化
酵素を支持体に結合させたｐＨと、タンパク充填膜を洗浄したｐＨとの両者を変えた。酵素液剤のｐＨはタンパクの表面電荷に大きな影響を有する可能性があり、これが支持体材料とどのように相互作用するか、およびこれがどのように触媒用の基材と相互作用するか、の両者に影響する可能性がある。我々は、ｐＨがタンパク結合、活性および安定性に影響したこと、および理想的なｐＨ条件は異なる支持体材料の間で変わったことを見出した。

酵素触媒：酵素触媒はＣａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＢ液剤（Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ ａｓ Ｌｉｐｏｚｙｍｅ ＣＡＬＢ Ｌから製造販売される）であった。液剤は約２ｍｇタンパク／ｍｌを含有する（ブラッドフォールドタンパクアッセイで決定される通り）。

支持体材料：膜は表１に詳記する。

ｐＨ条件：膜へのタンパクの結合および洗浄ステップの両者について４つのｐＨレベルを選び（２，４，７，１０）、１６の異なるｐＨ条件の組を各支持体材料について得た。Ｈｙｄｒｉｏｎバッファー粉末を用いてバッファーを形成し、与えられた指示に従って再構成した（バッファー保存剤を省略したことを除く）。Ｈｙｄｒｉｏｎバッファー粉末は、ＭｉｃｒｏＥｓｓｅｎｔｉａｌによって製造され、Ｆｌｕｋａによって販売されている（ｃａｔ ＃ ２３９１５１（ｐＨ２−１１の組について））。

酵素活性アッセイの結果を表２に報告する。各膜支持体を用いてリパーゼ触媒を全１６の結合および洗浄バッファーの可能な組合せを用いて固定化した。次いで、各々の担持された触媒の系をエステル化反応で用いてエチルヘキシルパルミテートを合成した。全ての場合で、各膜の支持体系での最大転化率は触媒なしの対照（４時間後で２％転化、そして２４時間後で１０％転化、６０℃にて）よりも大きかった。

支持体への酵素の固定化は、ｐＨ２からｐＨ１０の間で有効であった。各膜支持体について最大転化をもたらす固定化条件を太字にする。

例２．膜再使用実験
予スクリーニング段階中、フルオロポリマー−固定化酵素触媒の性能が１回以上の使用の後に改善したことが分かり、これらの支持体上の酵素触媒では平衡時間が存在する可能性があることが示唆された。また、エチルヘキシルパルミテート試験反応を７０℃で行うことは、標準の６０℃に亘って反応速度を改善したことが分かった。例１からの幾つかの膜を追加の活性アッセイに選び、これらの観測を試験した。反応条件および分析は前と全く同じに繰り返した。標準の再使用試験では、全組の膜反応器（全１６固定化条件を表す）を、まず６０℃、次いで再度７０℃で再使用した。経時的な生成物への転化％を表３に纏める。

４時間後（７０℃で３回目使用）に少なくとも５０％の転化を実現した表３からの任意の膜反応器を全部で１０回の使用サイクル（２回を６０℃で、８回を更に７０℃で）に供し、膜−固定された触媒の安定性を監視した（表４）。

例３．ストリップおよび再充填実験
膜−固定化酵素触媒の提案される利点の１つは、不活性触媒の膜からのストリッピングおよびストリッピングされた膜への酵素触媒（例えば新しい酵素触媒）の再固定化の可能性である。これは、例１からの標準の組を用いて試験した。１６の同一の標準膜反応器（Ｌｉｐｏｚｙｍｅ ＣＡＬＢ ＬをＰＶＤＦ−Ｍ上に固定化し、結合および洗浄（ｐＨ７にて））をランダムに４つの処理組に分けた。第１の組（未処理対照）はそのまま用いた。第２の組（ストリッピングさせた対照）を処理に供して膜から酵素をストリッピングさせた。膜を７０℃で撹拌しながら１２ｍｌの水中Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ１００ ２質量％液でストリッピングさせた。ストリッピングステップは２回、各３０分間行った。次いで、ストリッピングさせた膜を１２ｍｌの水で再度洗浄し、２回７０℃で、次いで２回更に室温で洗浄した。標準の第３の組（水再充填）は記載のようにストリッピングさせ、次いで新しい酵素触媒を標準手順に記載の通り再充填したが、エタノール予湿潤ステップは省略した。標準の最後の組（エタノール再充填）は、新しい酵素触媒を標準手順に準拠して再充填した。エタノール予湿潤ステップを含んだ。膜反応器を次いで、例１でのようなＥＨＰ活性アッセイを用いて活性について試験した。

再充填実験の結果を表５に含める。活性アッセイの結果に従い、４回目の使用により、この組の膜反応器はすでに活性の損失を示し始めた（処理群１ 対 ２）。洗剤処理時に、酵素は膜からストリッピングした（２ 対 ３）が、ストリッピング手順は完全には酵素を除去しなかった。ストリッピングさせた膜に残る小さいが相当量の活性が存在したからである（３ 対 ６）。活性な酵素を再結合させる最良の条件は、エタノール予湿潤ステップを含んでいた（４ 対 ５）（元の手順でのように）。再充填した酵素（エタノール予湿潤を含む）での生成物への転化度は膜反応器の初期の活性と顕著には異ならなかった（５ 対 １）。

表５．酵素活性、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｉｍｍｏｂｉｌｏｎ−Ｐ ＰＶＤＦ膜にｐＨ７で結合させ、ｐＨ７で平衡した（処理１，２）リパーゼのエチルヘキシルパルミテート（ＥＨＰ）配合物の度合として測定（洗剤ストリッピング後（３）、およびストリッピングさせた膜に新しい酵素を再結合させた後（４，５））。４時間での転化度（同じ太字で小文字でマークした）は互いに顕著には異ならない。

例４．支持体孔サイズおよび固定化温度の酵素活性への影響
酵素原液（Ｌｉｐｏｚｙｍｅ ＣＡＬＢ Ｌ）を３つの異なるＭｉｃｒｏｄｙｎｅ Ｎａｄｉｒフルオロポリマー支持体（異なる孔サイズを有する）上に、例１に記載する標準手順を用いて固定化した。各々の場合で、膜の有効孔サイズは酵素触媒のサイズを超えた。固定化が生じる温度を変え、４℃または２２℃を用いた。担持された触媒の活性はエチルヘキシルパルミテート反応で評価した（例１で記載した）。活性試験の結果を表６に纏める（ｎｄ＝データなし）。

例５．結合液および洗浄液の影響
酵素原液（Ｌｉｐｏｚｙｍｅ ＣＡＬＢ Ｌ）を５つの異なるフルオロポリマー支持体上に標準手順を用いて固定化した。非緩衝水を結合液として用い、水またはｐＨ４のバッファー（Ｈｙｄｒｉｏｎ）を洗浄液として用いた。２４時間固定化は２２℃で行った。担持された触媒の活性を、エチルヘキシルパルミテート反応で評価した（例１で記載した）。活性試験の結果を表７に纏める。

例６．Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＢ凍結乾燥粉末からの酵素原液、界面活性剤の影響
酵素原液は、水中で、添加界面活性剤の不存在下または存在下で、Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＢの凍結乾燥物を再構成することによって形成した。凍結乾燥酵素物は、ｃ− ＬＥｃｔａ ＧｍｂＨ， Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ Ｐｌａｔｚ ５， ０４１０３ Ｌｅｉｐｚｉｇ， Ｇｅｒｍａｎｙの製品であり、約２．７質量％のタンパクを含有した（ブラッドフォードアッセイに準拠）。非イオン性界面活性剤Ｔｗｅｅｎ ２０を任意に酵素原液に１０ｍｇ／ｍｌで添加した。酵素原液をＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｉｍｍｏｂｉｌｏｎ Ｐ （ＰＶＤＦ−Ｍ）上に、標準手順を用いて固定化した（非緩衝水を結合液および洗浄液の両者として用いたことを除く）。そして２４時間固定を２２℃で行った。フルオロポリマー−担持された触媒の活性を、標準エチルヘキシルパルミテート反応を用いて評価した（生体触媒系の再使用を含んだ）。表８は、活性アッセイの結果を纏める。

例７．Ｔｈｅｒｍｏｍｙｃｅｓ ｌａｎｕｇｉｎｏｓｕｓ凍結乾燥粉末からの酵素原液、界面活性剤の影響
酵素原液は、水中で、添加界面活性剤の不存在下または存在下で、Ｔｈｅｒｍｏｍｙｃｅｓ ｌａｎｕｇｉｎｏｓｕｓリパーゼの凍結乾燥物を再構成することによって形成した。凍結乾燥酵素物は、ＢｉｏＣａｔａｌｙｔｉｃｓの製品であり、約２．５質量％のタンパクを含有した（ブラッドフォードアッセイに準拠）。非イオン性界面活性剤Ｐｌｕｒｏｎｉｃ Ｌ３５，Ｌ６１または１０Ｒ５を任意に酵素原液に５ｍｇ／ｍｌで添加した。酵素原液をＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｉｍｍｏｂｉｌｏｎ Ｐ（ＰＶＤＦ−Ｍ）上に、標準手順を用いて固定化した（非緩衝水を結合液および洗浄液の両者として用いたことを除く）。そして２４時間固定を４℃で行った。フルオロポリマー−担持された触媒の活性を、標準エチルヘキシルパルミテート反応を用いて評価した（生体触媒系の再使用を含んだ）。表９は、活性アッセイの結果を纏める。

例８．バッキングを有するフルオロポリマー支持体上のＣａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＡの酵素原液
酵素原液（Ｎｏｖｏｚｙｍｅ ７３５、Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＡの液剤）をＭｉｃｒｏｄｙｎｅ Ｎａｄｉｒフルオロポリマー支持体（ＵＶ１５０およびＵＶ２００）上に、標準手順を用いて固定化した（酵素原液の体積が０．２５ｍｌであったことを除く）。非緩衝水を結合液および洗浄液として用いた。２４時間固定を２２℃で行った。フルオロポリマー−担持された触媒の活性を、標準リパーゼ反応を用いて評価した（生体触媒系の再使用を含んだ）。表１０は、活性アッセイの結果を纏める。

例９．バッキングを有さないフルオロポリマー支持体上のＣａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＡの酵素原液
酵素原液（Ｎｏｖｏｚｙｍｅ ７３５、Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｔｉｃａリパーゼＡの液剤）をＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｉｍｍｏｂｉｌｏｎ Ｐ（ＰＶＤＦ−Ｍ）上に、標準手順を用いて固定化した（酵素原液の体積を変えたことを除く）。非緩衝水を結合液として用い、水またはｐＨ４（Ｈｙｄｒｉｏｎ）のいずれかを洗浄液として用いた。２４時間固定を２２℃で行った。フルオロポリマー−担持された触媒の活性を、標準エチルヘキシルパルミテート反応を用いて評価した（生体触媒系の再使用を含んだ）。表１１は、活性アッセイの結果を纏める。

本発明を詳述してきたが、当業者は、本開示で開示および説明する本発明の範囲および精神から逸脱せずに本発明の種々の側面に改変をなすことができることを理解する。従って、本発明の範囲は、例示および説明される具体的な態様に限定されることを意図しないが、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定され、およびその均等のものであることを意図する。更に、本開示で表す全ての特許、特許出願、公開公報、および文献は、本発明の実施に関連するいずれの開示についても参照によりその全部を本明細書に組入れる。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの層を有する多孔質フルオロポリマー支持体、および該支持体に固定化された少なくとも１種の酵素触媒を含む、固定化された触媒であって、
   該支持体が、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、およびスポンジからなる群から選択され、
   該支持体の各層の有効孔サイズが該酵素触媒のサイズよりも大きく、
   該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、固定化された触媒。
2. 多孔質フルオロポリマー膜、および支持体に固定化された少なくとも１種の触媒を含む、固定化された触媒であって、
   該酵素触媒が該膜の両表面上に固定化されており、
   該膜の各層の有効孔サイズが該酵素触媒のサイズよりも大きく、
   該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、固定化された触媒。
3. 該触媒が、加水分解酵素、転移酵素、異性化酵素、リアーゼ、リガーゼ、脱水酵素、カタラーゼ、水酸化酵素、ニトリラーゼ、ヌクレアーゼ、ポリメラーゼ、キナーゼ、ホスファターゼ、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１または２に記載の触媒。
4. 該触媒が、単離酵素、酵素混合物、細胞抽出物、または全細胞の形である、請求項１または２に記載の触媒。
5. 請求項１に記載の固定化された触媒を含む、反応器。
6. カートリッジを含む、請求項５に記載の反応器。
7. 該膜が、対称、疎水性、および/または単層である、請求項２に記載の触媒。
8. 請求項２に記載の固定化された触媒を含む、カートリッジ。
9. 請求項８に記載のカートリッジを含む、反応器。
10. 固定化された触媒の製造方法であって、
    少なくとも１種の酵素触媒および支持体を接触させることを含み、
    該支持体が、少なくとも１つの層を有し、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、およびスポンジからなる群から選択され、
    該支持体の各層の有効孔サイズが該触媒のサイズよりも大きく、
    該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、方法。
11. 触媒をフルオロポリマー支持体からストリッピングして該支持体に結合した任意の触媒を除去すること、および
    該フルオロポリマー支持体を少なくとも１種の酵素触媒と接触させること
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 支持体を、水、アルコール、ポリオール、およびこれらの組合せからなる群から選択される予湿潤剤で予湿潤させることを更に含む、請求項１０に記載の方法。
13. 支持体を触媒と接触させる前に予湿潤剤を支持体から除去する、請求項１２に記載の方法。
14. 化学物質の製造方法であって、
    少なくとも１種の反応物質を少なくとも１種の固定化された酵素触媒と接触させて化学物質を生成することを含み、
    該酵素触媒が多孔質フルオロポリマー支持体上に固定化されており、
    該支持体が少なくとも１つの層を有し、膜、フィルム、テープ、繊維、中空繊維、チューブ、ブレイド、およびスポンジからなる群から選択され、
    該支持体の各層の有効孔サイズが該酵素触媒のサイズよりも大きく、
    該触媒が、触媒活性を２〜５０の再使用について維持する、方法。
15. 該触媒が、加水分解酵素、転移酵素、異性化酵素、リアーゼ、リガーゼ、脱水酵素、カタラーゼ、水酸化酵素、ニトリラーゼ、ヌクレアーゼ、ポリメラーゼ、キナーゼ、ホスファターゼ、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１０または１４に記載の方法。
16. 該触媒が、単離酵素、酵素混合物、細胞抽出物、または全細胞の形である、請求項１０または１４に記載の方法。