JPH04320685A

JPH04320685A - 生体触媒固定化成形物用高分子ゲル

Info

Publication number: JPH04320685A
Application number: JP3115411A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fujii; 弘明藤井; Toshihiro Hamada; 敏裕浜田; Masaki Okazaki; 正樹岡崎
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 1991-04-18
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1992-11-11
Anticipated expiration: 2015-06-26
Also published as: JP3055963B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バイオリアクター、排
水処理、養魚水系の浄化などに用いる生体触媒固定化成
形物に使用する高分子ゲルに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、酵素、微生物などの生体触媒を固
定化して、その機能を効率よく利用する研究が行われて
いる。生体触媒を固定化する方法の一つに、高分子素材
を用いて生体触媒をそのまま包み込む包括固定化法があ
り、この方法によく用いられる高分子素材として、寒天
、アルギン酸塩、カラギーナン、ポリアクリルアミド、
ポリビニルアルコール、光硬化性樹脂等がある。このう
ち、ポリビニルアルコール（以下ＰＶＡと略記する）含
水ゲルは、生体触媒を包括させることにより、優れた固
定化担体として利用できることが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の高分子ゲルは大
量の水を含んでいるため、重量、体積ともに大きく、保
管・輸送が困難である。また、生体触媒を固定化したゲ
ルは、それを常温下で放置すると、生体触媒が変質した
り、活性低下したりするため、冷凍、エアレーション、
基質の添加など、保存のための特別の操作が必要である
。本発明は、以上の課題を解決するものであり、保存、
輸送が容易で、取扱い性に優れたものを提供する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、高分子含水ゲ
ルを乾燥させたもので、保存・輸送が非常に容易となる
。しかし、通常の高分子含水ゲルは乾燥により状態が変
化し、水に浸漬しても元に戻らないものが多い。アルギ
ン酸塩、κ−カラギーナン、寒天などの天然高分子ゲル
は乾燥させると収縮し、常温の水に浸漬しても元に戻ら
ない。そこで、鋭意検討した結果、高分子ゲルの乾燥体
で特殊な作り方をしたものは常温の水に浸漬すると形状
、性質が元に戻ることを見出し、本発明に至った。本発
明の高分子ゲルは下記（ａ）〜（ｃ）の各条件を満足す
る含水率が２０重量％以下、好ましくは１０重量％以下
、より好ましくは５重量％以下の高分子ゲルである。含
水率の下限値としては特に制限はないが、好ましくは１
重量％以上、より好ましくは２重量％以上、更により好
ましくは３重量％以上である。（ａ）２０℃の水に２４時間浸漬することにより含水率
が５０重量％以上、好ましくは７０重量％以上、より好
ましくは９０重量％以上の含水ゲルＢとなること。（ｂ）該含水ゲルＢを乾燥することにより含水率が２０
重量％以下、好ましくは１０重量％以下、より好ましく
は５重量％以下の高分子ゲルＣにした後に、該高分子ゲ
ルＣを２０℃の水に２４時間浸漬することにより含水率
が５０重量％以上、好ましくは７０重量％以上、より好
ましくは９０重量％以上の含水ゲルＤになること。（ｃ）含水ゲルＢに対する含水ゲルＤの寸法変化率が−
２０〜２０％、好ましくは−１０〜１０％、より好まし
くは−５〜５％であること。含水ゲルＢに対する含水ゲ
ルＤの含水率変化率については特に制限はないが、好ま
しくは−３０〜３０％、より好ましくは−２０〜２０％
、更により好ましくは−１０〜１０％であり、−５〜５
％の含水率変化率が特に好ましい。

【０００５】高分子としては特に制限はないが、ポリビ
ニルアルコール、ポリエチレングリコール、及びポリア
クリルアミドから選ばれた１種以上が好ましく、これら
の中でもポリビニルアルコールが特に好ましい。以下、
それぞれの高分子を例にとり、本発明を詳細に説明する
。 ■ポリビニルアルコールの場合ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を含む水溶液を原液と
しＰＶＡの離液作用のある化合物水溶液に浸漬させ、Ｐ
ＶＡをゲル化させる。これを乾燥させることにより目的
とするＰＶＡゲル乾燥体が得られる。 ■ポリエチレングリコールの場合ポリエチレングリコールジメタクリレートを含む水溶液
を原液とし重合開始剤と重合促進剤を添加し、ゲル化さ
せる。これを乾燥させることにより目的とするポリエチ
レングリコールゲル乾燥体が得られる。 ■ポリアクリルアミドの場合アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミドを含む水
溶液を原液とし、重合開始剤と重合促進剤を添加し、ゲ
ル化させる。これを乾燥させることにより目的とするポ
リアクリルアミドゲル乾燥体が得られる。

【０００６】生体触媒を固定化する場合には前記■，■
，■とも原液に生体触媒を混合すればよい。ここで本発
明において使用される生体触媒としては、特に制約はな
く、いかなる微生物及び酵素も本発明により固定され得
る。微生物の代表例を挙げれば、アスペルギルス（Ａｓ
ｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）属、リゾプス（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ
）属等のかび類；シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎ
ａｓ）属、アセトバクター（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｏｒ）
属、ストレプトマイセス（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ）
属、エシエリシア（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ）属等の細
菌；サッカロマイセス（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）
属、キャンデイダ（Ｃａｎｄｉｄａ）属等の酵母を挙げ
ることができる。また、酵素の代表例を挙げるならば、
ラクテートヒドロゲナーゼ（１．１．２．３）、ラクテ
ートオキシダーゼ（１．１．３．２）、グルコースオキ
シダーゼ（１．１．３．４）、ホルメートデヒドロゲナ
ーゼ（１．２．１．２）、アルデヒドデヒドロゲナーゼ
（１．２．１．３）、アルデヒドオキシダーゼ（１．２
．３．１）、キサンチンオキシダーゼ（１．２．３．２
）、ピルビン酸リダクターゼ（１．２．４．１）、コル
チゾン−α−リダクターゼ（１．３．１．４）、アシル
ＣｏＡ−デヒドロゲナーゼ（１３．９９．３）、３−ケ
トステロイドΔ１−デヒドロゲナーゼ（１．３．９９．
４）、３−ケトステロイドΔ４−デヒドロゲナーゼ（１
．３．９９．５）、Ｌ−アラニンデヒドロゲナーゼ（１
．４．１．１．）、Ｌ−グルタミン酸デヒドロゲナーゼ
（１．４．１．３）、Ｌ−アミノ酸オキシダーゼ（１．
４．３．２）、Ｄ−アミノ酸オキシダーゼ（１．４．３
．３）、ピリドキサルリン酸オキシダーゼ（１．４．３
．５）、カタラーゼ（１．１１．１．６）、カテコール
メチルトランスフェラーゼ（１．１１．１．６）、カル
ニチンアセチルトランスフェラーゼ（２．３．１．７）
、アセチルＣｏＡアセチルトランスフェラーゼ（２．３
．１．９）、アスペルテートアミノトランスフェラーゼ
（２．６．１．１）、アラニンアミノトランスフェラー
ゼ（２．６．１．２）、ピリドキサミンピルベートトラ
ンスフェラーゼ（２．６．１）、ヘキソキナーゼ（２．
７．１１）、グルコキナーゼ（２．７．１．２）、フル
クトキナーゼ（２．７．１．４）、ホスホグルコキナー
ゼ（２．７．１．１０）、ホスホフルクトキナーゼ（２
．７．１．１１）、ピルベートキナーゼ（２．７．１．
４０）、カルボキシエステラーゼ（３．１．１．１）、
アリールエステラーゼ（３．１．１．２）、リパーゼ（
３．１．１．３）、ホスホリパーゼＡ（３．１．１．４
）、アセチルエステラーゼ（３．１．１．６）、コレス
テロールエステラーゼ（３．１．１．１３）、グルコア
ミラーゼ（３．２．１．３）、セルラーゼ（３．２．１
．４）、イヌラーゼ（３．２．１．７）、α−グルコシ
ダーゼ（３．２．１．２０）、β−グルコシダーゼ（３
．２．１．２１）、α−ガラクトシダーゼ（３．２．１
．２２）、β−ガラクトシダーゼ（３．２．１．２３）
、インベルターゼ（３．２．１．２６）、ペプシン（３
．４．４．１）、トリプシン（３．４．４．４）、キモ
トリプシンＡ（３．４．４．５）、カテプシンＡ（３．
４）、パパイン（３．４．４．４０）、トロンビン（３
．４．４．１３）、アミダーゼ（３．５．１．４）、ウ
レアーゼ（３．５．１．５）、ペニシリンアシダーゼ（
３．５．１．１１）、アミノアシラーゼ（３．５．１．
１４）、アデニンデアミナーゼ（３．５．４．２）、Ａ
．Ｔ．Ｐアーゼ（３．６．１．３）、ピルベートデカル
ボキシラーゼ（４．１．１．１）、オキザレートデカル
ボキシラーゼ（４．１．１．２）、トリプトファンデカ
ルボキシラーゼ（４．１．１．２７）、アルドラーゼ（
４．１．２．１．３）、マレトトシュダーゼ（４．１．
３．２）、トリプトファンシンターゼ（４．２．１．２
０）、アスペルターゼ（４．３．１．１）、リジンラセ
マーゼ（５．１．１．５）、グルコース−６−リン酸イ
ソメラーゼ（５．３．１．９）、ステロイドΔ−イソメ
ラーゼ（５．３．３．１）、マクシニルＣｏＡシンセタ
ーゼ（６．２．１．５）、［（註）カッコ内の数字は酵
素番号を表わす］などが挙げられる。

【０００７】また、■，■，■の各原液にはゲル化を阻
害しない範囲で、生体触媒の培地、担体の強度を上げる
ための補強剤、比重を調整するための充填材等及び着色
用顔料を添加してもよい。担体の形状は球状、繊維状、
円盤状、サイコロ状、シート状、管状等任意の形状でよ
いが、これらの形状に成形しやすくするため、各原液に
少なくとも１種のカロチンとの接触によりゲル化する能
力のある水溶性高分子多糖類を混合してもよい。これを
カチオン含有化合物に接触させると、高分子多糖類がゲ
ル化し任意の形に成形することができる。少なくとも１
種のカチオンとの接触によりゲル化する能力のある水溶
性高分子多糖類としては、具体的には水溶性アルギン酸
塩、カラギーナン、マンナン、キトサン等が挙げられる
。カチオン含有化合物としては、具体的には、カルシウ
ムイオン、マグネシウムイオン、ストロンチウムイオン
、バリウムイオン、アルミニウムイオン、カリウムイオ
ン、セリウムイオン、ニッケルイオン等の金属カチオン
；アンモニウムイオンなどのカチオン；アンモニウムイ
オンなどのカチオンのうちの少なくとも１種を含有する
化合物が挙げられる。

【０００８】■におけるＰＶＡの離液作用のある化合物
水溶液としては、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、
硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、
クエン酸ナトリウム、クエン酸アンモニウム、クエン酸
カリウム、クエン酸マグネシウム、クエン酸アルミニウ
ム、酒石酸ナトリウム、酒石酸アンモニウム、酒石酸カ
リウム、酒石酸マグネシウム、酒石酸アルミニウム等の
化合物のうち少なくとも１種を含有する液体が挙げられ
る。

【０００９】■，■における重合開始剤としては、β−
ジメチルアミノプロピオニトリル、ＮＮＮ’Ｎ’−テト
ラメチルエチレンジアミン等、また、重合促進剤として
は過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウムが挙げられる。

【００１０】■，■，■の各高分子ゲルの乾燥方法は、
自然乾燥、減圧乾燥、加熱乾燥、凍結乾燥等が挙げられ
るが、加熱・凍結の場合は高分子や生体触媒に悪影響を
与えない温度で行なわなければならない。このようにし
て得られた高分子ゲル乾燥体は、常温の水に浸漬すると
形状・性質が元に戻ることから、保存、輸送が非常に容
易になり、高分子ゲルの実用性が高まる。

【００１１】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例により限定されるもので
はない。実施例１（株）クラレ製のＰＶＡ（平均重合度１７４０、ケン化
度９９．８５モル％）を４０℃の温水で約１時間洗浄後
、ＰＶＡ濃度１６ｗｔ％になるように水を加え、オート
クレープ中で１３０℃、３０分処理してＰＶＡ水溶液４
００ｇに対し、アルギン酸ナトリウム８ｇを加え、更に
（株）クラレ岡山工場（岡山市海岸通り１丁目２番１号
）の排水処理槽より採取し、濃縮操作を施して得られた
活性汚泥（ＭＬＳＳ４００００ｍｇ／ｌ）を４００ｇ加
え、充分に撹拌させた。この微生物混合液を内径２ｍｍ
φのビニル管１本を使用したローラーポンプで２ｍｌ／
分で送液し、内径１ｍｍの注射針の先より押し出すこと
により、０．２ｍｏｌ／ｌのＣａＣｌ２水溶液に液表面
から５ｃｍの高さより滴下させた。滴下液はＣａ２＋イ
オンの凝固作用でただちに球状化し、沈降した。これら
の球状化したＰＶＡ混合成形物を全量ＣａＣｌ２水溶液
と分離し、蒸留水で軽く洗浄した後、スターラーで撹拌
した飽和Ｎａ２ＳＯ４水溶液に６０分浸漬することによ
って、不透明な褐色の柔軟性に富んだ球状のゲルが得ら
れた。

【００１２】このゲルは球状に成形され、粘着性もない
。このゲルの粒径は３．０〜３．４ｍｍφであり、含水
率は９１重量％であった。この球状ゲル１０００個の重
量は１８．０ｇ、体積は１７．６ｃｍ３であった。これ
を３０℃乾燥室内で２４時間乾燥させた。この乾燥体の
含水率は５．０重量％であった。更に、常温、空気中で
１００日間放置した後、２０℃の純水に浸漬し、２４時
間放置したところ、含水率９１重量％及び粒径３．０〜
３．４ｍｍφの含水ゲルが得られた。ゲルの形状、大き
さは乾燥前の状態に戻り、触感による弾力性も乾燥前と
差がなかった。この球状ゲル１０００個の重量は１８．
１ｇ、体積は１７．６ｃｍ３であった。

【００１３】乾燥及び保存の微生物への影響を調べるた
めゲル中の生菌数を測定した。ゲル１ｇを９ｍｌの滅菌
水とともにホモジナイザー（１５０００ｒｐｎ、１０分
間）で均一に分散させた後、滅菌水で適宜希釈し、その
０．１ｍｌを普通寒天培地へ広げ、３０℃恒温槽で２４
時間培養後、出現したコロニーの数と希釈倍率からゲル
中の生菌数を求めた。結果を表１に示す。

【００１４】比較例１実施例１の乾燥前の状態のゲルについて常温純水中で１
００日間放置した後、実施例１と同様の生菌数測定を行
なった。その結果を表１に示す。

【００１５】実施例２アクリルアミドモノマー１４４ｇ、メチレンビスアクリ
ルアミド８ｇに水を加えて４００ｇとし完全に溶解させ
た。これに実施例１と同様の活性汚泥（ＭＬＳＳ　４０
０００ｍｇ／ｌ）を４００ｇ加え、充分撹拌させた。こ
の混合液に重合促進剤としてＮＮＮ’Ｎ’−テトラメチ
ルエチレンジアミン０．５％、重合開始剤として過硫酸
カリウムを０．２５％添加し、撹拌後、平面上に流延し
、室温で重合させ、厚さ３．０〜３．２ｍｍのシート状
に成形した。これを１辺３．０〜３．２ｍｍのサイコロ
状に切断し、含水率８２重量％の含水ゲルを得た。この
サイコロ状ゲル１０００個の重量は３０．０ｇ、体積は
２７．３ｃｍ３であった。これを３０℃乾燥室内で２４
時間乾燥させた。この乾燥体の含水率は４．６重量％で
あった。

【００１６】これを常温の空気中で１００日放置した後
、純水に浸漬して２４時間放置したところ、含水率８１
重量％及び１辺３．０〜３．２ｍｍのサイコロ状の含水
ゲルが得られた。ゲルの形状、大きさは乾燥前と差がな
かった。このサイコロ状ゲル１０００個の重量は２７．
１ｇ、体積は２７．０ｃｍ３であった。乾燥及び保存の
微生物への影響を調べるため実施例１と同様の生菌数測
定を行なった。その結果を表１に示す。

【００１７】比較例２実施例２の乾燥前の状態のゲルについて常温純水中で１
００日間放置した後、実施例１と同様の生菌数測定を行
なった。結果を表１に示す。

【００１８】実施例３ポリエチレングリコールジメタクリレート１４４ｇに水
を加えて４００ｇとし完全に溶解させた。これに実施例
１と同様の活性汚泥（ＭＬＳＳ　４００００ｍｇ／ｌ）
を４００ｇ加え、充分に撹拌させた。この混合液に重合
促進剤として、ＮＮＮ’Ｎ’−テトラメチルエチレンジ
アミン０．５％、重合開始剤として過硫酸カリウムを０
．２５％添加し、撹拌後、平面上に流延し、室温で重合
させ、厚さ３．０〜３．２ｍｍのシート状に成形した。これを１辺３．０〜３．２ｍｍのサイコロ状に切断し、
含水率８３重量％の含水ゲルを得た。このサイコロ状ゲ
ル１０００個の重量は２９．５ｇ、体積は２６．８ｃｍ
３であった。これを３０℃乾燥室内で２４時間乾燥させ
た。この乾燥体の含水率は４．８重量％であった。

【００１９】これを常温、空気中で１００日放置した後
、２０℃純水に浸漬し、２４時間放置したところ、含水
率８２重量％及び１辺３．０〜３．２ｍｍのサイコロ状
含水ゲルが得られた。ゲルの形状、大きさは乾燥前の状
態に戻り、触感による弾力性も乾燥前と差がなかった。このサイコロ状ゲル１０００個の重量は２９．０ｇ、体
積は２６．５ｃｍ３であった。乾燥及び保存の微生物へ
の影響を調べるため実施例１と同様の生菌数測定を行な
った。その結果を表１に示す。

【００２０】比較例３実施例３の乾燥前の状態のゲルについて常温純水中で１
００日間放置した後、実施例１と同様の生菌数測定を行
なった。結果を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【発明の効果】本発明の高分子ゲルは、上記の実施例か
ら明らかなように、保存・輸送が非常に容易になり、生
体触媒を固定した場合でも活性を保持したまま保存する
ことが可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　（ａ）２０℃の水に２４時間浸漬する
ことにより含水率５０重量％以上の含水ゲルＢとなり、
（ｂ）該含水ゲルＢを乾燥することにより含水率２０重
量％以下の高分子ゲルＣにした後に該高分子ゲルＣを２
０℃の水に２４時間浸漬することにより含水率５０重量
％以上の含水ゲルＤになり、（ｃ）含水ゲルＢに対する
含水ゲルＤの寸法変化率が−２０〜２０％である、上記
（ａ）〜（ｃ）の各条件を満足する含水率２０重量％以
下の高分子ゲル。
【請求項２】　　生体触媒を含有してなる請求項１記載
の高分子ゲル。
【請求項３】　　高分子ゲルがポリビニルアルコール、
ポリエチレングリコール、及びポリアクリルアミドから
選ばれた１種以上である請求項１又は２記載の高分子ゲ
ル。