JPH01312993A - バイオリアクター〔登録商標〕素子およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）産業上の利用分野 本発明は酵素や菌体などの生体触媒を用い、有用物質の
生産や環境汚染物質を分解処理するのに使用されるバイ
オリアクターの基体となる素子とその運転方法に関する
ものである。特に生体触媒の活用において特定の気体を
要する場合その気体を効率的に供給する方法を兼ね備え
たバイオリアクターの素子とその運転方法に関するもの
である。

（ｂ）従来技術 近年菌体を含む酵素反応を利用した有用物質の生産や廃
棄物の処理は、医薬品や食品工業の分野、あるいは廃水
処理等において盛んに行なわれている。

そして反応後における生成物と酵素の分離や回収の便利
のため酵素を固定する技術も数多く開発されてきた。

さらに酵素や菌体の中には酢酸菌や活性汚泥菌のような
酸素の供給が活性の律速になるものや、イースト菌やア
ミノ酸発酵などのように酸素濃度を高めた方か好ましい
ものがあり、かかる酵素の菌体の利用において、酸素や
酸素濃度を高めた空気を供給することが提案されている
。

（例えば第８口高分離機能材料研究会（高分子学会）で
の古川の講演［酸素富化膜の発酵工業への応用」参照） 酸素濃度を高めた空気を製造する方法として近年分ｉ１
膜を利用する開発が盛んであり、この分離膜を利用する
こともこれには提案されている。又分離膜ではないが多
孔膜に菌を固定し、酸素を直接供給する方法が水弁らに
よって提案されている（ｒ高分子、　３５巻、５４４頁
（１９８６年）そして最近平佐らは、シリコン中空膜を
ポリビニルアルコール系の極細繊維で編んだ筒状ｍ！ｔ
ｋの中に通し、該極細繊維上に活性汚泥菌を固定したバ
イオリアクターを提案している。

（日本産業技術振興協会技術資料Ｎｏ１６２　、１９〜
２６（１９８６）参照）これは筒状物の内側に納まって
いるシリコン中空糸（物質膜）の内側に空気を送ること
で、中空糸の外側に酸素富化空気を得、これがその外側
にある活性汚泥菌に供給される仕組みとなっている。

しかしこの方法では酸素富化空気はシリコン中空糸と筒
状編物の間にある水に一旦溶解して供給されるので溶解
の律速となりそれ以上供給しても大きな泡となって逃げ
ていくために菌に対する供給方法としては効率か悪い。

（Ｃ）発明の目的 そこで空気を使いなからより酸素供給効率のよい酸素富
化空気の供給について鋭意検討した結果本発明に到達し
たものである。

（ｄ）発明の構成 即ち本発明は分離薄膜層及び該薄膜を支持する多孔質層
から形成された気体分離用複合膜で該多孔質層の層内お
よび該分離薄膜層のない側の表面に酵素や菌体などの生
体触媒を固定したことを特徴とするバイオリアクター素
子およびその運転方法である。

本発明に用いられる気体分離用複合膜は、分離薄膜層と
これを支持する多孔質膜から形成される。

かかる構成のものであれば、その組み合わせにおいて特
に限定はないが、気体分離用複合膜の形状すなわちバイ
オリアクター素子としては、コンパクトで大きな面積を
とれることから中空糸状のものが好ましい、また、酵素
や菌の生体触媒は大量の液体を処理することが必要であ
ることから、中空糸の外側表面に酵素や菌の生体触媒を
固定し、内側表面に分離薄膜層のあるものが特に好まし
い。

かかる気体分離用複合膜としては、本発明者らは、すで
にいくつか提案しておりそれらの中から適宜用いること
ができる。

例えば特開昭５８−１９３７０３号、特開昭５９−４９
８０２号。

特開昭６０−１９０２０２号、特開昭６１−４５０７号
、特開昭５９−１８９９０４号、特願昭６１−２６９８
８７号などの明細書中に記載しである中空糸膜で内側に
薄膜を形成した複合膜が相当する。

その例をあげればポリスルホン中空系多孔質ｊ摸や芳香
族ポリアミド中空糸多孔膜の内側に、例えば下記式に示
すシリコン含有ポリアミン化合物の溶液を流し、多孔膜
中に含浸し、液切りの後、アミン溶液と混合しない溶媒
に溶解した４、４°−ジフ工二ルメタンジイソシアネー
）−，４，４°−ジフェニルエーテルジイソシアネート
、トルキレンジイソシアネートに例示されるポリイソシ
アネー１への溶液を流し、界面重合により形成された薄
膜をもつ分離用複合膜である。また場合によっては該薄
膜層の上にさらに硬化型シリコンの溶液を塗布し、硬化
ぎせつつ、シリコン薄膜層を形成させた複合膜としても
よい。

以下、シリコン含有ポリアミン化合物を例示する。

Ｃ１１３Ｃ１１３Ｃ１ｂ （、＝ｏ、ｉ・・・・・・１００） Ｈ２ （ｎ、ｎ＝１．−・・−１００） Ｈ２Ｎ　　−ＣＨ２Ｃ１１ｚ　　−旧１（ＣＨ２）　ｓ Ｓｉ　＋ｏ−ｓｉ　＜　Ｃ１１９）３　］　３本発明に
用いられる酵素の菌体などの生体触媒は、通常好気性に
分類されるものであれはいかなるものも使用できる。具
体例としては酢酸菌、活性汚泥菌、バクテリヤ５イース
ｌ〜菌、パン酵母。

アミノ酸産生菌１などをあげることができる。もちろん
これらの菌体から分離できる酵素も使用できる。これら
の中で酢酸菌、活性汚泥菌は酵素の供給が活性の律速に
なっているのが特に好適である。

これらの生体触媒を複合膜の多孔質層に固定する方法と
しては、共有結合法、物理的吸着法、イオン結合法など
従来よく知られた方法で達成できる。

具体例としては生体触媒を含む水７Ｂ液を多孔質層側へ
加圧して、多孔質層の中に固定する方法、あるいは多孔
質層の表面をアミン基を含むポリマー又はカルボン酸基
を含むポリマーであらかじめコーティングしておき、生
体触媒を吸着させる方法、あるいは多孔質膜をプラズマ
や電子線を照射し、表面を活性化しそのまま生体触媒を
吸着さぜるか、官能基をもつモノマーを使いグラフト重
合し、ついで生体触媒を付ける方法などである。かくし
て得られた生体触媒を固定した複合膜はバイオリアクタ
ーの素子となりこれを複数音わせることで実用上のバイ
オリアクターとする。

バイオリアクターとしての運転方法は、分離薄膜層の側
に混合気体を供給し、特定気体を分離濃縮し、生体触媒
に供給することでおこなわれる。

気体分離用薄膜の気体透過性は一般に水素〉炭酸ガス〉
酸素χ−酸化炭素〉窒素の順である。又炭化水素気体も
酸素や空気に比べて透過性は大きい。

そこで水素、炭酸ガス、酸素あるいは炭化水素を必要と
する生体触媒にはこの方法が適用できる。

この中で不偏の大気から容易に酸素富化空気か得られを
利用できるので好適である。

操作条件は混合気体が大気の場合加圧して供給し、その
圧力は膜の耐圧性、必要とする空気量１酸素濃度によっ
て異なるが通常２０ｋｇ／ｃＪ−ｃ以下、好ましくは１
０ｋｒ／−〜Ｇ以下、さらに好ましくは５ｋｇ／ｃｄ　
　Ｇ以下である。

圧力を高めると得られる空気量は多くなるとともに得ら
れる酸素濃度は分離効率が良くなるため高くなる。

得られる酸素濃度は膜の特性、操作条件によって異なる
が通常２３〜４５％の範囲である。

又操作温度は生体触媒の活性のａ適温度によるが通常室
温から３８℃の範囲でおこなわれる。

（ｅ）発明の効果 本発明のバイオリアクターは生体触媒を多孔質層上に固
定しているので生体触媒と反応生成物との分離が容易で
あること、又特に該多孔質層を中空糸などにすれば接触
面積も大きくとれ効率があがることなど通常の固定化法
の特長に加え、酸素などの特定気体の濃縮が容易にでき
、かつその気体が一旦溶液中に溶解することなく生体触
媒に供給されることかでき、しかも多孔膜層を通るので
うまく分散されており、直接かそれに近い状況で生体触
媒に供給させるので、従来のバイオリアクターにない高
効率のりアクタ−が達成できた。

［ｆ）実施例 次に本発明をさらに具体例をもって説明すれが本発明は
それに限定されるものではない、なお実施例中の部は重
量を表わす。

実施例１ ポリスルポン（ｔｌｄｅｌ　ｐ３５００）　２０部、Ｎ
−メチルピロリドン５７部塩化リチウム３部および２−
メトキシエタノール２０部からなる溶液を水を芯液とし
て環状スリットより吐出させ、水／Ｎ−メチルピロリド
ンの混合液中に浸漬して凝固することで外径６２０μｍ
、内径４００μｍのポリスルホン中空糸多孔質膜をパイ
プ中につめ、両端部を接着剤で固定した。

下記式のポリアミン Ｃｌ１３　　Ｃ８３Ｃ１１３ の０．１部％のエチレングリコール溶液を前記中空糸多
孔膜の内面に通じ、ついで４．４°−ジフェニルメタン
ジイソシアネートの０．０５部へキサデセン溶液を３分
間流して反応させた。その後流れ中で１日水洗したのち
風乾し、さらに内側に末端シラノールポリジメチルシロ
キサン（平均分子１３万）と架橋剤としてメチルトリメ
トキシシラン及び触媒としてアルキルアヌネ−１〜から
なる硬化型シリコン３部とヘキサン９７部からなる溶液
を通じ、液切りの後２４時間硬化させた。かくして得ら
れた気体分離用複合膜は２０℃酸素透過速度８．１Ｘ　
１０”　ＣＣ／−・Ｓｅｃ　−ａｅｌｌＱで酸素と窒素
の透過速度比は４．３であった。

ついでこの複合膜の熱水中（９５〜１００℃）に１時間
浸漬し親木処理し、（処理後も膜の透過性能はかわらな
いことは確認ずみ）中空糸の外側に１ｋｆ／　ｃｄ　−
Ｇの加圧下に酢酸菌を流し、中空糸の内側をゆっくり減
圧にすることで酢酸菌を中空糸膜の外側多孔質層に付着
させた。

モジュールを内蔵するパイプの一端よりボン１でエタノ
ールを含む培地溶液を中空糸外側に接触するように供給
し、一方中空糸内側には空気を３ｈｇ　／　ｃｊ　−Ｇ
の圧力で供給する。そうするとパイプの他端より酢酸を
含む液が出てくる。

酢酸の生産性は、０．５〜０−８ｔ／ｌ　・ｈ（１度３
０ｇ／ｆ）と高かった。

実施例２ 実施例１の気体分離用複合膜をもちいる。該気体分離用
モジ、１−ルの両端部の固定部を残し、バイアをとりさ
る。これをプラズマ重合用ペルジャーの中に設置しエチ
レンイミンを蒸気を導入し、中空糸外側をエチレンイミ
ンのプラズマ重合体で被覆する。

該モジュールを活性汚泥菌を含む液に浸漬し活性汚泥菌
を固定した。

このバイオリアクターを用いバッチ式でモデル排水を用
い中空糸の内側には３ｋｇ／ｄ−Ｇの加圧空気をおくっ
て処理実験をおこなったところ空気をおくらない場合に
くらべて処理速度は５倍から１０（Δ高まった。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）分離薄膜層及び該薄膜を支持する多孔質層から形
   成された気体分離用複合膜で、該多孔質層の層内および
   該分離薄膜層のない側の表面に酵素や菌体などの生体触
   媒を固定したことを特徴とするバイオリアクター素子。
2. （２）該気体分離用複合膜が酵素の透過性が窒素の透過
   性よりすぐれた酵素分離用複合膜であることを特徴とす
   る請求項１記載のバイオリアクター素子。
3. （３）該気体分離用複合膜が中空糸状であり、かつ中空
   糸内側に分離薄膜層が形成されていることを特徴とする
   請求項１記載のバイオリアクター素子。
4. （４）分離薄膜層及び該薄膜を支持する多孔質層から形
   成された気体分離用複合膜で、該多孔質層の該分離薄膜
   層のない側の表面に、酵素や菌体などの生体触媒を固定
   したバイオリアクター素子を用い、気体分離薄膜層に２
   種類以上の気体からなる混合気体を供給し、該分離薄膜
   層を透過させることで、特定の気体成分を濃縮分離し、
   多孔質層の表面に固定された生体触媒に供給することを
   特徴とするバイオリアクター素子の運転方法。
5. （５）混合気体が酵素および窒素を主成分とする混合気
   体であることを特徴とする請求項４記載の運転方法。