JPH0373277B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固定化剤を充填したバイオリアクター
により酵素又は菌体を用いる反応を行なわせる方
法及びこれに直接使用する固定化剤に関するもの
である。

酵素又は菌体を固定化し、有価物質の生産に用
いる装置として、バイオリアクターがある。この
バイオリアクターの構造として種々のものが提案
されているが、固定床方式としては充填層型、膜
型、管型、板状の方式があり、撹拌槽方式として
は粒子分散型、板状型がある。その他固定床方式
の欠点を補うものとして流動層型があり、生成物
の分離も兼ねる型として限外濾過膜型等、用途に
応じ種々使いわけを行なうよう考慮されている。

本発明は固定床方式の充填層型がつまり易いと
いう欠点を補うと共に、酵素又は菌体を用いた反
応を効率よく行なわせるためのバイオリアクター
による反応方法及びこれに直接使用する固定化剤
を提供するものである。

一般にはバイオリアクターは酵素又は菌体を担
体に固定し、この固定化酵素又は固定化菌体を槽
内に設置した構成であり、必要に応じ空気、
CO₂、N₂ガス等を槽下部より供給したり、反応
させる液を槽上部又は下部より流入させ、その流
入部とは反対側より反応後の液を取り出すように
構成している。

そこで充填層型のバイオリアクターはその担体
としてイオン交換体、アルギン酸塩、ｋ−カラギ
ーナン等の多糖類、多孔質ガラス、光硬化性樹
脂、DEAE−セルローズ等種々のものを利用し、
物理吸着、イオン結合、共有結合包括法等の方法
でこれに酵素又は菌体を固定化して充填層として
用いている。

この充填層方式は反応面積が大きいこと、物質
移動量が大きいこと、液の逆混合が少なく反応率
がよい等の利点があるが、他方では目づまりを起
し易いこと、圧力損失が大きいこと、チヤンネリ
ング現象を起すこと、反応液が滞留すること、ガ
スが滞留し易いこと等の欠点があり、反応させる
液としては清澄な基質しか供給できず、ガス等は
使用できないなどの制約を受けている。

本発明はこれらの充填層方式における欠点を改
善し、反応効率を大巾に向上させた反応方法とこ
の反応方法の実施例に直接使用する固定化剤を提
供するものである。

本発明の固定化剤は、その担体として例えばク
レハロンロツク（呉羽化学製造の商品名）の如き
塩化ビニリデン繊維その他の耐熱性プラスチツク
繊維で立体的に構成され、かつ各繊維の交点が
夫々塩化ビニリデン樹脂の如き同様の樹脂その他
の接着剤で固定されているマツト状のものが用い
られるが、その空隙率は80〜98％であり、これに
酵素又は菌体を固定した最終の空隙率が70％以上
であることを要する。

その際上記耐熱性繊維の径としては0.2〜2.2mm
φのものが用いられ、又その耐熱度としては担体
に酵素又は菌体を固定化するときの温度及び得ら
れた固定化剤を用いるときの反応温度に耐えうる
ものであればよく、通常は耐熱度50℃以上であれ
ば十分である。

一方本発明の固定化剤の調製に当つては前記の
マツト状担体を加温調整された天然凝固剤と酵素
又は菌体との混合溶液に一たん浸漬してから取り
出し、これを冷却固化させて空隙率70％以上の製
品とする。

上記の天然凝固剤としてはｋ−カラギーナンの
他、アルギン酸塩、ゼラチン等が用いられるが、 固定化剤は具体的には前記のマツト状担体を温
度40〜60℃に調整された酵素又は菌体溶液と0.5
〜３％好ましくは0.5〜2.5％濃度のｋ−カラギー
ナン等の天然凝固剤とをよく混合した溶液に浸漬
し、これを浸漬液より取り出し空冷することによ
り製造することができる。即ち、この空冷中に天
然凝固剤溶液はマツト状担体を構成する繊維又は
繊維面に付着固定され、所期の固定化剤が得られ
る。

この固定化剤の大きさは特に制約されるもので
はなく、マツト状担体としてリアクターのサイズ
に合わせた径のまゝでもよく、又２〜５cm角程度
に細断されたブロツク状のものでもよい。

このようにして調製された固定化剤はリアクタ
ー内に設置して用いられるが、その充填方法とし
てはリアクターのサイズに合つた径のものを１〜
５段積層し、この積層体の下部は整流板や金網等
の支持体で支えるようにする他、各積層段毎に支
持材で隔離するようにしてもよいが、上記積層体
における各段高としては10〜100cm宛のものが最
も有利である。尚、前出の２〜５cm角のブロツク
の場合も上記と同様に構成すればよい。

そこで上記の固定化剤を用いて本発明の反応方
法を実施するに当つてはリアクター下部に必要に
応じ撹拌のため、気体デイストリビユーターを配
し、気体撹拌を行なうと共に必要な空気、O₂、
CO₂、N₂、メタン等を同時に供給してもよい。

他方反応させる液はリアクターの上方又は下方
より供給し、リアクター内に設置した固定化剤と
反応を行なわせればよい。

その際、前出の如くリアクター内で層状に充填
された固定化剤を整流板、金網等の支持材で仕切
つてあると、反応させる液の流れは整流化され、
プラグフローに近づけることができ、従つてより
効率のよいリアクターの設計が可能となる。

以上本発明によれば0.2〜２mmφの耐熱性プラ
スチツク繊維で立体的に構成され、かつ各繊維の
交点が夫々接着固定されているマツト状担体に酵
素又は菌体含有の天然凝固剤を出来るだけ均等に
付着させ、しかも最終空隙率が70％以上の固定化
剤を用いることにより反応させる液処理液中に懸
濁物が相当量混入していても、又該液の粘性が高
くても反応を効果的に行なわせることが可能であ
るという特徴をもつており、又、反応させる液と
固定化剤との撹拌、混合による接触が気体でもつ
て効率よく実施できることからその反応性を十分
高めえる利点がある。

その他必要ガスがO₂の場合、空気又はO₂附加
空気等で撹拌及びO₂供給ができると共に必要気
体で撹拌と供給とを同時に行ないうる利点もあ
る。

かくて本発明によれば従来は流動層方式や円板
状方式など効率よい充填層方式では処理できなか
つた反応させる液を効率よく処理しうるので、酵
素又は菌体を用いた反応の工業的実施面での利益
は極めて大きいものがある。

以下本発明の効果を一層明らかにするために実
施例を示すが、本発明はこれのみに制約されるも
のではない。

又、本発明の理解を容易にするために実施例に
用いた固定化剤及びリアクターを図面によつて説
明する。

第１図は固定化剤７を示すが、これは塩化ビニ
リデン繊維を立体的に構成し、その交点をポリ塩
化ビニリデン樹脂で固定化したマツト状濾材（商
品名：クレハロンロツク……呉羽化学製造）を担
体（空隙率80〜98％）として、これを温度40℃〜
60℃に調整されたｋ−カラギーナン溶液と酵素又
は菌体溶液を混合した液に浸漬し、これを溶液よ
り取り出して冷却固定して２〜５cm角のブロツク
状のものに製することができ、その最終空隙率は
70％以上である。

他方リアクターは第２図及び第３図に示すよう
に塔本体１内の底部に固定化剤７を支持するため
の多孔板６を設置すると共にその上方には金網支
持材３で支持されたSUS金網２を数個段設し、
多孔板６上にこれら金網２で仕切られた状態に上
記のブロツク状固定化酵素材７を充填してある。
反応させる液は塔本体１内の上方に設した原液デ
イストリビユーター４から供給し、必要に応じ
O₂、N₂等のガスを塔本体１内の下方に設けたガ
スデイストリビユーター５より供給し反応させる
原液を固定化剤７と接触反応させる。反応中必要
に応じ塔本体１の頂部に設けたガス抜きパイプ８
よりガスを抜き取るようにする。９はハンドボー
ル（マンホール）を示す。

実施例 １ 予め冷凍保存されたグルコースイソメラーゼを
保有する菌体であるアクチロマイセスサイクロモ
ゲーネス（200ｇ）を10ｍＭ MgSO₄、
0.05MKH₂PO₄を溶存しNaOHでPH7.5〜7.6に調
整した緩衝液１に溶解し、これに細胞壁分解酵
素であるリゾチユーム100mgを添加し、50℃で緩
やかに撹拌しながらグルコースイソメラーゼを菌
体内から溶出させた。

次いで撹拌しながら55〜60℃に温度を上げｋ−
カラギーナン粉末20ｇを徐々に加え溶解させた。

この液に予め25mm角に細断したクレハロンロツ
クフイルター（商品名）（繊維の耐熱度110℃、繊
維径0.3mmφ）の10個を浸漬し、引上げた後、風
乾させた。

でき上つた第１図の如き固定化剤はｋ−カラギ
ーナン＋酵素として１個当り約３ｇ前後固着して
おり、その空隙率は93％であつた。

これらの固定化酵素剤を内径20mmφ、高さ50mm
の外套付き二重管構造のリアクター塔本体に充填
した。

このリアクターに試販グルコースの40％溶液を
流速50ml／Hrで塔上部より通過せしめ、又塔外
套部には35℃の温水を循環させ、反応液温として
34〜36℃となるように調整しながら反応させた。
その結果、グルコースからフラクトースへの転換
率40〜42％の転化糖溶液が得られた。

実施例 ２ 市販の酵素（菌体）（サツカロミセス・セルビ
シアエ：水＝75：25）100ｇを、活性炭により脱
塩素した水道水1.8入りの容器に投入し、良く
撹拌しながら粒子状物質がなくなるまで溶解させ
た。次いでこの溶液にKH₂PO₄2ｇ、MgSO₄・
7H₂O4ｇを添加し溶解させた。

この溶液の液温を温度55〜60℃に上昇させ、充
分に撹拌しながらｋ−カラギーナン粉末40ｇを
徐々に加え溶解させた。

この液に予め50mm角、長さ100mmに細断したク
レハンロツクフイルター（商標名）４個を浸漬
し、取出した後に風乾させた。

でき上つた固定化剤は水＋ｋ−カラギーナン＋
菌体として１個当り50ｇ前後固着していた。

別に準備した４本の50mmφ×10cm高さのアクリ
ル製カラムに夫々風乾後の固定化剤を充填し、８
メツシユのSUS製金網をカラム前後に設置し、
パツキング及び止め金具を用いてこれらカラムを
連結して第２図のごとき塔高400mmのリアクター
を形成させた。このリアクターの上下には入口ノ
ズル付きキヤツプをパツキン材及び止め金具で製
置した。

このバイオリアクターに上方より温度30℃、PH
2.8に保ちつゝ150ml／hrの流速で下記組成の糖液
を流下させ、塔下方よりはボンベよりN₂ガスを
100ml／minの流速で流した。

蔗 糖 100ｇ／ Al（SO₄）₃・17H₂O 180ｇ／ KH₂PO₄ １ｇ／ MgSO₄・7H₂O ２ｇ／ 通液後開始後14日間連続して同一条件で液を流
し、分析した結果は２日目以降45ｇ〜65ｇ／の
濃度で３／日のエタノール水溶液を得ることが
できた。

比較例 １ 実施例２に準じて酵母100ｇを２の水道水に
溶解した液をアンバーライトIRA−938（商品名）
200ml入りのカラムに流通させ、固定化菌体カラ
ムを調整した。

このカラムに上記リアクターの場合と同じ液を
100ml／Hrの流速で流したが、流水後４時間目位
からカラム内にガスが発生し、流速が50ml／Hr
に低下した。

このため下部より水にて逆洗を行ないガスを除
去し再び通水を開始したところ流速も回復した
が、再び2.5時間後にガス発生により流速が低下
した。逆洗の操作を２〜３度くり返し実施したが
同じ様な現象が起り、この方式の試験は放棄せざ
るを得なかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す固定化剤の斜視
図、第２図は本発明方法の実施例を示す一部切欠
のリアクターの縦段側面図、第３図は第２図のリ
アクターの上部を水平に切断した断面図である。 図面中の各符号の説明は次の通りである。１…
…本体、２……SUS金網、３……金網支持材、
４……原液デイストリビユター、５……ガスデイ
ストリビユター、６……多孔板（固定剤支持板）、
７……固定化剤、８……ガス板パイプ、９……ハ
ンドホール（マンホール）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 0.2〜２mmφの耐熱性プラスチツク繊維で立
   体的に構成され、かつ各繊維の交点が夫々接着固
   定されているマツト状担体を加温調整された天然
   凝固剤と酵素又は菌体との混合溶液に一たん浸漬
   してから取り出し、これを冷却固化させて空隙率
   70％以上の固定化酵素剤又は固定化菌体剤とな
   し、当該固定化剤を設置したバイオリアクターに
   より酵素又は菌体を用いた反応を行なわせる方
   法。 ２ 天然凝固剤と酵素又は菌体との混合溶液が40
   〜60℃に加温され、かつ天然凝固剤濃度が0.5〜
   ３重量％に調整されている特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 固定化剤を整流板又は金網その他の支持材で
   リアクター内部に隔離的に支持して２〜10段設け
   た特許請求範囲の第１項又は第２項記載の方法。 ４ バイオリアクターの下部に気体拡散装置を設
   置し、反応に必要なガスの供給と混合撹拌を行な
   わせる特許請求の範囲第１項ないし第３項までの
   いずれか１項記載の方法。 ５ 0.2〜２mmφの耐熱性プラスチツク繊維で立
   体的に構成され、かつ各繊維の交点が夫々接着固
   定されているマツト状担体に酵素又は菌体含有の
   天然凝固剤を均等に付着させしかも空隙率が平均
   70％以上であることを特徴とする酵素又は菌体を
   用いた反応方法に直接使用する固定化剤。 ６ 天然凝固剤がｋ−カラギーナン、アルギン酸
   塩、ゼラチンの少なくとも１種である特許請求の
   範囲第５項記載の固定化剤。 ７ マツト状物体を加温調整された天然凝固剤と
   酵素又は菌体との混合溶液に一たん浸漬してから
   取り出し、これを冷却固化させる特許請求の範囲
   第５項又は第６項記載の固定化剤。