JP2507748B2 - 酵素固定化膜反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はインベルターゼ、グルコアミラーゼ、グルコ
ースイソメラーゼ、プロテアーゼ、フラクトシルトラン
スフェラーゼ等の種々の酵素を多孔質膜に固定化し、当
該酵素固定化膜に被処理液を濾過させて酵素反応を行わ
せる酵素固定化膜反応装置に関するものである。

〈従来の技術〉 粒状物に酵素を固定化した、いわゆる粒状固定化酵素
を用いる酵素反応装置にかえて、近年になって多孔質膜
に酵素を固定化したいわゆる酵素固定化膜反応装置が提
案されている。

従来から提案されている酵素固定化膜反応装置のフロ
ーは第２図に示されるようなもので、たとえば酵素固定
化膜として円筒状内圧式のものを用いる場合は、当該酵
素固定化膜１をハウジング2A内に装着し、被処理液槽３
内の酵素反応を行わせるべき被処理液４をポンプ５を用
いて、流入管６から酵素固定化膜１の内側にクロスフロ
ーで通流させるものである。すなわち当該被処理液の内
その一部を酵素固定化膜１に対して平行に通液させ、当
該固定化膜１に濾過させないで、循環管７を介して被処
理液槽３に循環させるとともに、酵素固定化膜１の内側
に通流させた他部の被処理液を酵素固定化膜１に対して
直行に濾過して当該固定化膜１中の酵素と接触させて酵
素反応を行わせ、その処理液８を流出管９から得るもの
である。

なお第２図に示した当該反応装置においては、ハウジ
ング２内に１本の酵素固定化膜を装着したものである
が、比較的多量の被処理液を酵素反応させる場合は、そ
の処理量に応じてハウジング２内に複数本の酵素固定化
膜１を装着したり、またこのように複数本の酵素固定化
膜１を装着させたハウジング１基では処理できない場合
は、第３図に示したように当該ハウジング２をその処理
量に応じて複数基並列に配置することも考えられてい
る。

このような酵素固定化膜反応装置は、粒状固定化酵素
を用いる酵素反応装置に比較して、動力エネルギーが少
ない、酵素が失活した場合、新酵素の再固定が比較的容
易であるなどの種々の利点を有しているので、近年にな
って注目されている技術である。

なお従来の酵素固定化膜反応装置において、酵素固定
化膜に被処理液をクロスフローで通流させる理由は、当
該固定化膜に被処理液を全量濾過すると、被処理液に含
まれている懸濁物が多孔質膜の微細孔に詰まり、圧力損
失を増大させるとともに、濾過速度が定常化せず、また
場合によっては被処理液の濾過が不可能となるからであ
る。

したがって、被処理液の一部を酵素固定化膜に対して
常に平行になるように通流させることにより、懸濁物を
この平行流に乗せてハウジング外に排除するようにし
て、酵素固定化膜に懸濁物が詰るのをなるべく防止する
ものであるとともに、濾過速度を定常化させるものであ
る。

なお当該クロスフローそのものについては、限外濾過
膜、精密濾過膜等の濾過においては、当該濾過膜の詰ま
りをなるべく防止する方法として以前から実施されてお
り、この濾過におけるクロスフローの考え方を酵素固定
化膜に応用したものと言える。

ところでこのようなクロスフローで行う従来から提案
されている酵素固定化膜反応装置で実際に被処理液を反
応させてみると、以下のような欠点があることが判明し
た。

すなわち酵素固定化膜に懸濁物が詰まらないようにす
るためには、当該固定化膜に対して平行に通流させる被
処理液の流速をかなり速くする必要がある。しかしなが
ら当該平行流速を速くするためにはハウジング２内の圧
力をかなり高める必要がある。なお第２図ないし第３図
における循環管７をかなり太いものとし、当該循環管７
の圧力損失を小さくすれば、それ程ハウジング２内の圧
力を上昇させずとも前記平行流速を速くすることが可能
となる。

しかしながら工業的装置の場合、前記循環管７をそれ
程太くすることは困難であり、したがって前述のごとく
ハウジング２内の圧力を高めて操作せざるを得ない。

このようにハウジング２内の圧力を高めた状態で被処
理液の一部を比較的高流速で酵素固定化膜に平行流に通
液すると、酵素固定化膜に直行流で濾過させる他方の被
処理液の流速がかなり速くなり、たとえばグルコースイ
ソメラーゼやプロテアーゼ等の反応速度の遅い酵素を多
孔質膜に固定させた場合は、その接触時間が不足し、充
分に酵素反応を行わせることができないという問題が生
ずる。

なお第２図ないし第３図における流出管９内に、たと
えば絞り弁を付設し、この絞り弁を絞ることにより酵素
固定化膜に直行流で濾過させる他方の被処理液の流速を
遅くし、被処理液と酵素の接触時間を長くすることは可
能である。

しかしながらこのように流出管９に絞り弁を付設し、
ここで圧力損失をかけることはそれだけハウジング２内
の圧力を高めることとなり、無駄な動力エネルギーを消
費し、得策でない。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は上述した従来から提案されている酵素固定化
膜反応装置の欠点を解決し、たとえ反応速度の遅い酵素
を固定した酵素固定化膜を用いても、充分に酵素反応を
行わせることができ、しかも酵素固定化膜に懸濁物を詰
まらせることなく、かつ無駄な動力エネルギーを消費し
ない酵素固定化膜反応装置を提供することを目的とす
る。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は酵素を固定化した多孔質膜に被処理液を濾過
させて酵素反応を行う酵素固定化膜反応装置において、
酵素固定化膜を装着したハウジングをすくなくとも２系
列以上直列に配置し、初段のハウジングについては酵素
固定化膜に対して被処理液をクロスフローで通液し、当
該酵素固定化膜に平行に通液した非濾過液を被処理液側
に循環するとともに、当該酵素固定化膜に直行に通液し
た濾過液を後段以降のハウジングの酵素固定化膜に対し
て、順に全量濾過させるようにしたことを特徴とする酵
素固定化膜反応装置に関するものである。

以下に本発明を多孔質膜に酵素としてグルコースイソ
メラーゼを固定化した酵素固定化膜を用いる反応装置を
例にして説明する。

第１図は本発明の実施態様の一例を示すフローの説明
図であり、たとえば円筒状内圧式の多孔質膜にグルコー
スイソメラーゼを固定化した酵素固定化膜１の複数本を
その内部に装着したハウジング2A、2B、2Cを直列に３基
配置する。そして初段のハウジング2Aの下部に流入管６
の一端を連通し、その他端をポンプ５を介してブドウ糖
液である被処理液４を貯留した被処理液槽３に連通す
る。なお流入管６にはブドウ糖液を60℃前後に加熱する
ための熱交換器10を設置するとともに、硫酸マグネシウ
ムなどの活性発現剤の注入管11および、ブドウ糖液のpH
を８前後とするための炭酸ナトリウムなどのアルカリ注
入管12を連通する。

一方ハウジング2Aの上端に循環管７の一端を連通し、
その他端を被処理液槽３の上部に連通する。なお、循環
管７の一端をポンプ５の吸引側に連通しても差し支えな
い。

またハウジング2Aの側胴部に流出管9Aの一端を連通
し、その他端をハウジング2Bの下部に連通する。さらに
ハウジング2Bの側胴部に流出管9Bの一端を連通し、その
他端をハウジング2Cの下部に連通する。なおハウジング
2Cの側胴部に最終の処理液８を流出するための流出管9C
を連通する。

〈作用〉 次に本発明装置の操作を説明する。

本発明装置を用いてブドウ糖液をグルコースイソメラ
ーゼを固定した酵素固定化膜１に接触させて果糖液を得
る場合は、ポンプ５を駆動させ熱交換器10によって温度
を60℃前後とし、かつ活性発現剤を添加するとともに、
pHを８前後とした被処理液４を流入管６を用いてハウジ
ング2Aの下部からクロスフローで流入する。

すなわち被処理液４の一部を酵素固定化膜１に平行に
通液して、その非濾過液を循環管７を介して被処理液槽
３に戻し、また被処理液４の他部を酵素固定化膜１に直
行流で濾過し、酵素固定化膜１に固定させた酵素と接触
させ、ここで一段目の酵素反応、すなわちブドウ糖から
果糖への異性化反応を行わせる。

なお本発明においては後述するようにハウジング2Aで
酵素反応を完結させるものではなく、不充分な酵素反応
で差し支えないので、前記平行流速を充分に速くし、被
処理液中の懸濁物がハウジング2A内の酵素固定化膜１に
なるべく詰まらないようにする。次にハウジング2Aにお
いて第一段目の酵素反応を行わせた濾過液を流出管9Aか
ら取り出し、これをハウジング2Bの下部から流入し、当
該濾過液の全量をハウジング2B内の酵素固定化膜１に濾
過させ、第二段目の酵素反応を行わせる。さらにハウジ
ング2Bの濾過液を流出管9Bから取り出し、同じようにこ
れをハウジング2Cの下部から流入し、その全量を酵素固
定化膜１に濾過させ、第三段目の酵素反応を行わせ、最
終の処理液８を流出管9Cから得る。

本発明装置においては、被処理液をハウジング2A、ハ
ウジング2B、ハウジング2Cに順に通液して酵素反応を行
わせるので、たとえ１基のみのハウジングにおける酵素
固定化膜と被処理液の接触時間が短くて反応不充分とな
っても、複数のハウジングを直列に配置し、再びこの反
応液を酵素固定化膜に接触させるので、最終的には充分
に酵素反応を完了した処理液が得られる。

また第一段目のハウジング内の酵素固定化膜で被処理
液を濾過することにより、ここで懸濁物がほとんど除去
されるので、後段以降のハウジング内の酵素固定化膜に
懸濁物が詰まることなく、したがって後段以降のハウジ
ング内における酵素固定化膜においてはクロスフローと
する必要がなく、その全量を濾過することができる。

次に本発明に用いる酵素固定化膜を説明する。

本発明に用いる酵素固定化膜は、多孔質膜に酵素を固
定化したもので、多孔質膜としてポリビニルアルコール
系やポリスルホン系等の有機多孔質膜、あるいはアルミ
ナ系やジルコニア系等の多孔質膜セラミックや多孔質ガ
ラス等の無機多孔質膜を用いることができる。

このような多孔質膜に酵素反応に必要とする酵素を固
定化して用いるが、その固定化方法としては酵素溶液に
グルタルアルデヒドなどを加えて溶液中の酵素間を架橋
して酵素粒子をより大きくして多孔質膜に通過させ、多
孔質膜内の空隙部分に酵素を物理的に閉じ込める方法、
あるいは多孔質膜にシランカップリング剤を介在させて
多孔質の基体に酵素を共有結合させる方法など、種々の
方法により酵素を固定化することができる。

また酵素固定化膜の形状としては、板状や円筒状内圧
式、あるいは円筒状外圧式等種々の形状とすることがで
き、被処理液を酵素固定化膜で濾過し、その濾過中に固
定した酵素と被処理液とを接触させることにより酵素反
応を行わせるものであればどんな形状でも差し支えな
い。

なお第１図に示した実施態様においてはハウジングを
３基直列に配置したが、本発明装置はこれに限定される
ものでなく、ハウジング１基における被処理液と酵素固
定化膜の接触時間と、酵素反応を完結させるための被処
理液と酵素固定化膜の全接触時間に基づいて、必要な段
数を任意に決定するとよい。

〈効果〉 以上説明したごとく、本発明は酵素固定化膜を装着し
たハウジングをすくなくとも２系列以上直列に配置し、
初段のハウジングについては酵素固定化膜に対して被処
理液をクロスフローで通液し、被処理液の一部を酵素固
定化膜で濾過し、当該濾過液の全量を後段以降のハウジ
ングの酵素固定化膜に順に濾過するように構成したの
で、被処理液が複数段の酵素固定化膜で順に濾過される
こととなり、たとえ１基のみのハウジングにおける酵素
固定化膜と被処理液の接触時間が短くて反応不充分であ
っても、次段以降で再び被処理液が酵素固定化膜に接触
するので、全体的に見れば必要にして充分な接触時間と
することができ、充分に酵素反応を完了した処理液が得
られる。

また初段に設置するハウジングのみで酵素反応を完了
させる必要がないので、初段のハウジング内の酵素固定
化膜と被処理液の接触時間についてあまり考慮する必要
がなく、したがって初段のハウジングについては、酵素
固定化膜に懸濁物が詰まらないように、必要にして充分
な流速の平行流を形成させることができるとともに、懸
濁液側の流速を特に低下させるようなことをしなくとも
よく、したがって無駄な動力エネルギーを消費すること
もない。

さらに初段以降のハウジングについては、初段ハウジ
ングの濾過液を処理するので、初段以降のハウジングに
用いる酵素固定化膜に懸濁物が詰まることがなく、した
がって初段以降のハウジングの酵素固定化膜について
は、逆洗を全く不要とすることができるか、あるいは極
端に逆洗回数を減らすことができる。

またたとえ初段のハウジングに使用する酵素固定化膜
に懸濁物が詰まり、逆洗を実施したとしても、その逆洗
用水量あるいは逆洗排水量は、装置全体から比較すると
極めて少なく、逆洗設備を従来のものと比較して大幅に
削減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酵素固定化膜反応装置の実施態様の一
例を示すフローの説明図であり、第２図および第３図は
従来の酵素固定化膜反応装置のフローの説明図である。 １…酵素固定化膜、２…ハウジング ３…被処理液槽、４…被処理液 ５…ポンプ、６…流入管 ７…循環管、８…処理液 ９…流出管、10…熱交換器 11…活性発現剤の注入管 12…アルカリ注入管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鳴戸 智 川崎市麻生区東百合丘４−27−４ (72)発明者 神保 尚幸 東京都大田区南千束１−10−３ (56)参考文献 特開 昭53−29994（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−62557（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酵素を固定化した多孔質膜に被処理液を濾
   過させて酵素反応を行う酵素固定化膜反応装置におい
   て、酵素固定化膜を装着したハウジングをすくなくとも
   ２系列以上直列に配置し、初段のハウジングについては
   酵素固定化膜に対して被処理液をクロスフローで通液
   し、当該酵素固定化膜に平行に通液した非濾過液を被処
   理液側に循環するとともに、当該酵素固定化膜に直行に
   通液した濾過液を後段以降のハウジングの酵素固定化膜
   に対して、順に全量濾過させるようにしたことを特徴と
   する酵素固定化膜反応装置。