JPH0327196B2

JPH0327196B2 -

Info

Publication number: JPH0327196B2
Application number: JP58214186A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Ishida; Tetsuo Yamaguchi; Hitoshi Ishibashi; Masako Katsurayama; Yoji Otahara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-11-16
Filing date: 1983-11-16
Publication date: 1991-04-15
Also published as: JPS60110291A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明は、生体触媒、いわゆる酵素、オルガネ
ラ、細胞を固定化した、反応面積の大きい、生体
触媒固定化多孔質ゲル化物、及びその製造方法に
関する。〔発明の背景〕従来、酵素は反応に際し、水溶液の形で使われ
てきたため、反復作用は困難であつた。近年、酵
素や微生物菌体を固定化して、通常の固形触媒に
近い形で取扱いできる様になりつつある。各種の
固定化方法のうち、親水性の高分子マトリツクス
中に酵素を封じ込めるゲル包括法は、比較的操作
が簡単でかつ温和な条件下で行えるため適用範囲
が広い利点がある。具体的には、酵素や菌体をカ
ラギーナン、寒天、アクリルアミド及びウレタン
等のゲル基材液に溶解若しくは分散させた後、ゲ
ル化して調製される。使用形態が粒状の場合、こ
れらのゲル粒子の粒径は実用性の観点から直径
0.5〜５mmに調製される。反応に際しては基質分
子がゲル粒子の表面からマトリツクス内部へと拡
散する。しかし、実用的な反応条件下ではゲル表
層のみが反応に関与し、内部は反応に寄与しな
い。すなわち、ゲル包括法は反応面積を大きく取
れない難点を有する。もちろん、粒径を小さくす
るほど反応面積は増加するが、固定床、流動床で
のゲル粒子の保持が困難となる。またゲル粒子は
そのままでは機械的強度が低く、固定床として使
用する際、圧密化されるため、圧損失が大きい
し、流動床で使用する際には、かくはんにより粒
子の破壊が起りやすい。更に気体を生成する反応
に際して、ゲル内部に発生した気泡によりゲル粒
子が破壊されやすい。これらはゲル粒子に限ら
ず、ゲル膜等すべての形態のゲル化物に共通な欠
点である。〔発明の目的〕本発明の目的は、上記したゲル包括法の欠点を
改善し、反応面積が大きく、かつ機械的強度が大
きく、更に気体生成反応に際しゲル化物内部から
円滑に気泡を放出可能な新規な生体触媒固定化ゲ
ル化物、及びその製造方法を提供することにあ
る。〔発明の概要〕本発明を概説すれば、本発明は生体触媒固定化
多孔質ゲル化物の製造方法に関する発明であつ
て、ゲル基材液に生体触媒と繊維状物質を添加混
合する第１工程、第１工程で得られる混合物を処
理してゲル化物を調製する第２工程、第２工程で
得られるゲル化物を繊維状物のみを分解する酵素
と接触させ、該ゲル化物中の繊維状物を分解して
除去する第３工程、の各工程を包含することを特
徴とする。本発明者等は、ゲル粒子を貫通する細孔を設
け、ゲル粒子の有効面積の増加を図るべく、ゲル
粒子の製造方法につき鋭意検討を重ねた。その結
果、ゲル粒子の触媒活性を損うことなく粒子に多
数の細孔を設けることに関する本発明を完成し
た。本発明に適用できる目的の生体触媒としては、
従来の包括法で固定化できる公知のものに広く適
用できる。すなわち、酵素、オルガネラ、細胞等
が対象となる。ゲル基材としては、包括法で用いられた公知の
材料が使用できる。例えば、加熱によりゾル化
し、冷却によりゲル化する材料の代表例として、
カラギーナン、アルギン酸及び寒天等があげられ
る。耐アルカリ性の酵素の場合にはマンナン、30
℃以下の比較的低温で使用する場合にはゼラチン
も使用できる。このほか、可視光、紫外線、放射
線及びラジカル開始剤で硬化させるタイプのアク
リルアミド、メタクリル酸メチル、及びデキスト
ランやゼラチンのように架橋剤で架橋して三次元
マトリツクス形成によりゲル化するものも十分用
いることができる。また、水で膨潤するゲル以外
に有機溶媒系で膨潤するポリウレタン、ポリスチ
レン等も使用できる。これらの材料は、１ｇ／cm²
以上のゲル破壊強度が得られるように材料の濃度
を調整する。第１工程では、生体触媒の安定剤、
例えば、牛血清アルブミンのような酵素安定剤を
添加してもよい。次に、本発明の分解除去法について具体的に説
明する。繊維状物質としては、セルロース、デンプン、
DNA、RNA等が用いられる。セルロースとしては、綿花、紙等の天然繊維
若しくはセロフアン、スフ等の天然繊維を加工し
たものが用いられる。これらの繊維を新たに調製
する場合には、繊維の直径を調節できる点で紡糸
が極めて適している。繊維の直径はゲル化物直径
の0.5〜10％、長さは直径の50〜150％の範囲で使
用できる。また、添加量はゲル１ml当り10〜500
mgの範囲で用いる。繊維の直径、長さ並びに添加量共、上記範囲の
下限未満であると、ゲル化物内に円滑な液の導通
が困難となり、触媒活性は向上しない。他方、上
記範囲の上限超とすると、多孔質化後のゲルとし
ての実用的な機械的強度を保持できなくなる。次に得られる混合物を処理してゲル化物を得、
次いで、ゲル化物を高分子繊維の加水分解酵素と
接触させ、繊維を表面に露出した部分からゲル化
物内部に向け分解する。加水分解酵素との接触は
加水分解酵素液中に浸漬するか、あるいは、ゲル
化物に酵素を塗布する等の手段を用いる。加水分
解酵素は、繊維に対し基質特異性が高いだけでな
く、不純物としてのプロテアーゼを実用濃度以上
に含まない純度のものを用いる必要がある。セル
ロースに対してはセルラーゼ、デンプンについて
はα−アミラーゼ、DNAについてはDNase、
RNAについてはRNaseを用いる。加水分解酵素
処理の条件は目的酵素の安定性、加水分解酵素の
反応特性によつて異なる。すなわち、目的酵素の
活性を損わず、かつ各使用加水分解酵素の加水分
解作用にできるだけ適した条件で行う。加水分解
処理が終了後、必要に応じ水、若しくは酵素活性
に安定な緩衝液で洗浄する。更に、前記した方法において、該第２工程にお
ける処理が、粒子化処理を包含するものであつて
もよい。しかして該粒子化処理を行う場合、その
方法に２通りあり、(A)該第２工程における処理
が、第１工程で得られる混合物をゲル化してから
粒子化する方法と、(B)該第２工程における処理
が、第１工程で得られる混合物を粒子化してから
各粒子ごとにゲル化する方法とがある。上記した分解除去法においても、ゲル化物内に
多数の貫通孔を生じ、かつゲル化物の単位体積当
りの酵素活性が上昇した。〔発明の実施例〕以下、本発明を実施例及び比較例により更に具
体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定
されない。なお、添付の第１図〜第３図は、反応時間と酵
素活性との関係を示すグラフである。比較例１カラギーナン0.15ｇ、水4.85ｇをオートクレー
ブ中120℃、15分加熱してカラギーナン溶液５ｇ
を得た。上記のカラギーナン溶液を40℃に冷却し
た。このカラギーナン溶液に、ウレアーゼ10mg
（ナタマメ起源）と牛血清アルブミン20mg（酵素
用安定剤として使用）を水３mlに溶解した水溶液
を添加して混合した。混合液を直ちに平板上に流
し、厚さ1.7〜2.4mmの板状のゲルとし、２×２mm
角に細断した。得られたゲル粒子の内部は、顕微
鏡写真によつて観察したところ、均質な透明ゲル
からなつていた。ついで、このゲル粒子を0.5ｇ
分取し、10％尿素５ml、1Mクエン酸カリウム緩
衝液（PH6.7）20ml及び水５mlを添加して、40℃、
30分往復振とうした（振幅３cm、30ストローク／
分）。尿素の分解により生ずるアンモニア態Ｎ生
成量の時間経過を測定した。その結果を第３図に
示す。すなわち第３図は、反応時間（分）（横軸）
と酵素活性（μｇＮ−NH₃／ｇ無処理ゲル）
（縦軸）との関係を示すグラフである。他方、ゲル粒子0.1ｇを分取し、水５mlを加え
て40℃で１時間振とう後、遠心分離（4500ｇ、10
分）して、パツクドボリユーム（packed
volume）を測定した。その結果を第１表に示す。更に、ゲル粒子乾物１ｇ当りのウレアーゼ活性
及びパツクドボリユーム１ml当りのウレアーゼ活
性を第１表に合わせ示す。

【表】初速度を使用
実施例１精製寒天0.15ｇ、水4.85ｇを90℃、15分加熱し
て寒天溶液５ｇを得た。上記の寒天液を40℃に冷
却した。この寒天溶液にウレアーゼ30ml（ナタマ
メ起源、比活性4U／mg、1U：1μモルＮ−NH₃／
分）と牛血清アルブミン30mg（酵素用安定剤とし
て使用）を水1.0ｇに溶解した水溶液1.63ｇ、及
び脱脂綿を長さ２〜３mmに細断した繊維（繊維径
30〜60μｍ）を0.6ｇ添加して混合した。混合液を
直ちに平板上に流し、厚さ1.7〜2.3mmの板状に固
化成型した。次いで、100mgのセルラーゼ（トリ
コデルマ起源、100FPA−Ｕ／mg）を７mlの
0.05M酢酸ソーダ緩衝液（PH4.5）に溶解した溶
液に、上記繊維入りウレアーゼ固定寒天ゲル粒子
1.5ｇを添加し、40℃で２時間処理した。セルラ
ーゼ処理後の繊維入りウレアーゼ固定寒天ゲル粒
子を顕微鏡下に観察すると、セルラーゼ処理によ
り、処理以前に認められたセルロース繊維が消
失、消失部分に貫通孔が生じていることが観察さ
れた。セルラーゼ処理後のゲル粒子を分離回収
し、1Mクエン酸緩衝液（PH6.7）20ml及び10％尿
素溶液10mlを添加して40℃で２時間往復振とうし
た（振幅３cm、30ストローク／分）。尿素の分解
により生ずるアンモニア態Ｎ生成量の時間経過を
第１図に示す。すなわち第１図は、反応時間（分）（横軸）と
酵素活性（μｇＮ−NH₃／ml）（縦軸）との関係
を示すグラフであり、後記比較例の結果も併記し
た。比較例２実施例１で調製した同一バツチの繊維入りウレ
アーゼ固定ゲル粒子1.5ｇを、セルラーゼを添加
しない0.05M酢酸ソーダ緩衝液（PH4.7）に添加
し、同じ要領で40℃、２時間保温した。上記処理
後、実施例１と同一要領で尿素の分解試験を行つ
た。アンモニア態Ｎ生成の時間経過を第１図に示
す。比較例３実施例１にて調製した同一バツチの繊維入りウ
レアーゼ固定ゲル粒子1.5ｇを５℃で２時間保存
後、実施例１と同一要領で尿素の分解試験を行つ
た。アンモニア態Ｎ生成の時間経過を第１図に併
記する。比較例４ウレアーゼ固定ゲル粒子の調製に際して、綿繊
維の代りに0.6ｇの水を添加して、実施例１と同
一要領でウレアーゼ固定ゲル粒子を調製した。こ
のゲル粒子1.5ｇを実施例１と同一要領で尿素の
分解試験を行つた。アンモニア態Ｎ生成の時間経
過を第１図に併記する。実施例１及び比較例２〜４の結果をゲル粒子１
ｇ当りのウレアーゼ活性で整理し第２表に示す。
比較例に比べ実施例１は約1.4倍の活性を示し、
本発明により従来の単純な包括法に比べ40％の活
性上昇を認めた。

【表】

【表】初速度を使用
実施例２カラギーナン0.2ｇ、水4.8ｇをオートクレーブ
中110℃、５分間加熱してカラギーナン溶液５ｇ
を得た。上記のカラギーナン溶液を40℃に冷却し
た。このカラギーナン溶液に、ウレアーゼ25mg
（ナタマメ起源、比活性4U／mg、1U：1μモルＮ
−NH₃／分）と牛血清アルブミン30mg（酵素用
安定剤として使用）を水１ｇに溶解した水溶液
1.06ｇ、及び脱脂綿を長さ２〜３mmに細断した繊
維（繊維径30〜60μｍ）を0.6ｇ添加して混合し
た。混合液を直ちに平板上に流し、厚さ1.7〜2.3
mmの板状に固化成型し、1.5〜2.5×1.5mm×1.0〜
1.5mmの大きさに細断したセルロース繊維入りの
ウレアーゼ固定化カラギーナンゲル粒子を調製し
た。次いで、100mgのセルラーゼ（トリコデルマ
起源、100FPA−Ｕ／mg）を７mlの0.05M酢酸ソ
ーダ緩衝液（PH4.5）に溶解した溶液に、上記の
繊維入りウレアーゼ固定カラギーナンゲル粒子
1.5ｇを添加し、40℃で２時間処理した。セルラ
ーゼ処理により、処理以前に認られたセルロース
繊維が消失し、消失部分が貫通孔に生じているこ
とが観察された。セルラーゼ処理後のゲル粒子を
分離回収し、1Mクエン酸緩衝液（PH6.7）20ml及
び10％尿素溶液10mlを添加して、40℃で２時間往
復振とうした（振幅３cm、30ストロークス／分）。
尿素の分解により生ずるアンモニア態Ｎ生成量の
時間経過を第２図に示す。すなわち第２図は、反
応時間（分）（横軸）と酵素活性（μｇＮ−
NH₃／ml）（横軸）との関係を示すグラフであ
り、後記比較例の結果も併記した。比較例５実施例２で調製した同一バツチの繊維入りウレ
アーゼ固定カラギーナンゲル粒子1.5ｇを、セル
ラーゼを添加しない0.05M酢酸ソーダ緩衝液（PH
4.7）に添加し、同じ要領で40℃、２時間保温し
た。上記処理後、実施例２と同要領で尿素の分解
実験を行つた。アンモニア態Ｎ生成の時間経過を
第２図に併記する。比較例６実施例１にて調製した同一バツチの繊維入りウ
レアーゼ固定カラギーナンゲル粒子1.5ｇを５℃
で２時間保存後、実施例２と同一要領で尿素の分
解試験を行つた。アンモニア態Ｎ生成の時間を第
２図に併記する。比較例７ウレアーゼ固定ゲル粒子の調製に際して、綿繊
維の代りに0.6ｇの水を添加して、実施例１と同
一要領でウレアーゼ固定ゲル粒子を調製した。こ
のゲル粒子1.5ｇを実施例２と同一要領で尿素の
分解試験を行つた。アンモニア態Ｎ生成の時間経
過を第２図に併記する。実施例２及び比較例５〜７の結果をゲル粒子１
ｇ当りのウレアーゼ活性で整理し、第３表に示
す。比較例に比べ、実施例２は約1.4倍の活性を
示し、本発明により従来の単純な包括法に比べ40
％の活性上昇を認めた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、
ゲル包括法による固定化生体触媒粒子の単位容積
当りの比活性を格段に向上でき、それだけ反応槽
の有効容積を減少することにより、効率よく反応
させることが可能となるという顕著な効果が奏せ
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、各例における尿素分解によ
るアンモニア態窒素生成の時間経過を、反応時間
と酵素活性との関係で示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１ゲル基材液に生体触媒と繊維状物質を添加混
合する第１工程、第１工程で得られる混合物を処
理してゲル化物を調製する第２工程、第２工程で
得られるゲル化物を繊維状物のみを分解する酵素
と接触させ、該ゲル化物中の繊維状物を分解して
除去する第３工程、の各工程を包含することを特
徴とする生体触媒固定化多孔質ゲル化物の製造方
法。２該第２工程における処理が、粒子化処理を包
含するものである特許請求の範囲第１項記載の生
体触媒固定化多孔質ゲル化物の製造方法。３該第２工程における処理が、第１工程で得ら
れる混合物をゲル化してから粒子化するものであ
る特許請求の範囲第２項記載の生体触媒固定化多
孔質ゲル化物の製造方法。４該第２工程における処理が、第１工程で得ら
れる混合物を粒子化してから各粒子体ごとにゲル
化するものである特許請求の範囲第２項記載の生
体触媒固定化多孔質ゲル化物の製造方法。