JPH11225740A - High layer type interfacial bioreactor - Google Patents
High layer type interfacial bioreactorInfo
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- JPH11225740A JPH11225740A JP5421698A JP5421698A JPH11225740A JP H11225740 A JPH11225740 A JP H11225740A JP 5421698 A JP5421698 A JP 5421698A JP 5421698 A JP5421698 A JP 5421698A JP H11225740 A JPH11225740 A JP H11225740A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の平板型界面
バイオリアクターを上下方向に積み重ね、反応基質を含
有する有機溶媒層を相互に連結することによって、該有
機溶媒層全体を集中管理しつつ微生物変換を実施するこ
とができるようにした高層型界面バイオリアクターに関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for centrally controlling the entire organic solvent layer by stacking a plurality of plate-type interfacial bioreactors in a vertical direction and interconnecting organic solvent layers containing reaction substrates. The present invention relates to a high-rise interfacial bioreactor capable of performing microbial conversion.
【0002】[0002]
【従来技術およびその課題】近年、地球環境問題、省資
源、省エネルギー問題の高揚、光学活性化合物の需要拡
大等を背景として、有機合成化学に生体触媒を利用する
バイオコンバージョンの研究・開発が世界中で活性化し
てきている[太田博道、有合化、41,1018(19
83);清水昌・山田秀明、41,1064(198
3)]。該バイオコンバージョンは、精製酵素を用いる
酵素性と微生物菌体そのものを生体触媒として利用する
微生物変換法とに大別されるが、後者は生体触媒として
安価であること、補酵素要求性反応である酸化還元反応
に低コストで利用可能であること等の長所があり、多く
の適用例が報告されている[Ohta, H., et al., Agric.
Biol. Chem., 46,579(1982);Oda, S., e
t al., Biosci. Biotech.Biochem., 56,1216
(1992)]。2. Description of the Related Art In recent years, research and development of bioconversion using biocatalysts in organic synthetic chemistry have been conducted around the world in the background of rising global environmental problems, resource saving and energy saving problems, and expanding demand for optically active compounds. [Ota Hiromichi, Yuka, 41, 1018 (19
83); Masami Shimizu and Hideaki Yamada, 41, 1064 (198)
3)]. The bioconversion is roughly classified into an enzymatic method using a purified enzyme and a microbial conversion method using a microbial cell itself as a biocatalyst. The latter is an inexpensive biocatalyst and a coenzyme-requiring reaction. It has the advantage of being able to be used at low cost for redox reactions, and many applications have been reported [Ohta, H., et al., Agric.
Biol. Chem., 46, 579 (1982); Oda, S., e.
t al., Biosci. Biotech. Biochem., 56, 1216.
(1992)].
【0003】一方、基質の反応溶媒に対する溶解性の観
点からバイオコンバージョンをみた場合、水溶性基質と
水不(難)溶性基質のコンバージョンに分けられる。後
者については、基質の溶解性を高めるために様々な対策
が報告されている。例えば、界面活性剤を添加する方法
[Nakahara, T., et al., J. Ferment. Technol., 5
9,415(1981)]、水混和性有機溶媒を添加す
る方法[Freeman, A. and Lilly, M. D., Appl. Microb
iol. Biotechnol., 25,495(1987)]、水非
混和性有機溶媒を添加する方法もしくは水−有機溶媒二
相系反応法[Hocknull, M. D. and Lilly, M. D., App
l. Microbiol. Biotechnol., 33,148(199
0)]、結晶発酵法[Kondo, E. and Masuo, E., J. Ge
n. Appl. Microbiol., 7,113(1961)]など
が提案されている。しかしながら、生体触媒として微生
物菌体を用いる微生物変換法については、一般に微生物
は有機溶媒中では死滅するかもしくは増殖不能であるた
めに、実用上種々の制約がある。本発明者は、上記の水
不(難)溶性基質の微生物変換の弱点を克服する手法と
して、先に、界面バイオリアクターを提案した[特許第
2542766号公報;小田忍および太田博道、色材協
会誌、70,538(1997);Oda, S. andOhta,
H., Biosci. Biotech. Biochem., 56,2041(1
992)]。該界面バイオリアクターは、栄養源および
水を含んだ親水性固定化担体表面に微生物を付着させ、
担体表面で微生物と基質と接触させ、その状態で微生物
変換を行わせるようにしたものであり、パラフィン類の
ような疎水性有機溶媒と接触させた場合であっても微生
物を旺盛に増殖させることができるシステムであり、種
々の微生物変換反応に適用可能である。さらにまた、界
面バイオリアクターに生体触媒として用いる微生物は活
発に代謝活性を維持していることを発見し、グルコース
の代謝由来のアセチルコエンザイムAをアセチルドナー
とし、これと有機溶媒中に添加した一級アルコールを酵
母菌体内に存在するアルコールアセチルトランスフェラ
ーゼを触媒としてアセチル化するシステム(代謝−微生
物変換融合法、カップリングシステム)を報告した[Od
a, S., et al., Appl. Environ. Microbiol., 62,2
216(1996);Oda, S. and Ohta, H., J. Ferme
nt. Bioeng., 83,243(1997)]。[0003] On the other hand, bioconversion from the viewpoint of the solubility of a substrate in a reaction solvent can be divided into the conversion of a water-soluble substrate and the conversion of a water-insoluble (poorly) -soluble substrate. For the latter, various measures have been reported to enhance the solubility of the substrate. For example, a method of adding a surfactant [Nakahara, T., et al., J. Ferment. Technol., 5
9, 415 (1981)], a method of adding a water-miscible organic solvent [Freeman, A. and Lilly, MD, Appl. Microb.
Biotechnol., 25, 495 (1987)], a method of adding a water-immiscible organic solvent or a two-phase aqueous-organic solvent reaction method [Hocknull, MD and Lilly, MD, App.
l. Microbiol. Biotechnol., 33, 148 (199
0)], a crystal fermentation method [Kondo, E. and Masuo, E., J. Ge
n. Appl. Microbiol., 7, 113 (1961)] and the like. However, microbial conversion methods using microbial cells as biocatalysts have various practical limitations because microorganisms generally die or cannot grow in organic solvents. The inventor of the present invention has previously proposed an interfacial bioreactor as a technique for overcoming the above-mentioned weak point of microbial conversion of a water-insoluble (poorly soluble) substrate [Patent No. 2542766; Shinobu Oda and Hiromichi Ota; 70, 538 (1997); Oda, S. and Ohta,
H., Biosci. Biotech. Biochem., 56, 2041 (1
992)]. The interface bioreactor attaches microorganisms to the surface of a hydrophilic immobilization carrier containing a nutrient source and water,
The microorganisms are brought into contact with the substrate on the surface of the carrier, and the microorganisms are converted in that state.The microorganisms can proliferate vigorously even when they come into contact with hydrophobic organic solvents such as paraffins. This system is applicable to various microorganism conversion reactions. Furthermore, they discovered that the microorganism used as a biocatalyst in the interfacial bioreactor actively maintained metabolic activity, and used acetyl coenzyme A derived from glucose metabolism as an acetyl donor, and a primary alcohol added to this in an organic solvent. (Metabolism-microbial conversion fusion method, coupling system) that acetylates acetyl by using alcohol acetyltransferase present in yeast cells as a catalyst [Od
a, S., et al., Appl. Environ. Microbiol., 62, 2
216 (1996); Oda, S. and Ohta, H., J. Ferme.
nt. Bioeng., 83, 243 (1997)].
【0004】これらの報告において使用した界面バイオ
リアクターとしては、寒天平板を担体として用いる寒天
平板型リアクター、寒天被覆濾過板やポリビニルアルコ
ールをベースとした板状担体を縦配列あるいは横配列で
充填した板状担体充填型リアクターが主要なものであっ
た。しかしながら、前者の平板型リアクターでは、反応
の場は二次元的平面に限られており、一度に処理できる
基質を含む有機溶媒層量に限界があり、スケールアップ
には不向きである。The interfacial bioreactors used in these reports include an agar plate type reactor using an agar plate as a carrier, an agar-coated filter plate and a plate filled with a plate-like carrier based on polyvinyl alcohol in a vertical or horizontal arrangement. The dominant carrier-filled reactor was the dominant one. However, in the former flat plate reactor, the reaction field is limited to a two-dimensional plane, and the amount of an organic solvent layer containing a substrate that can be processed at one time is limited, and thus it is not suitable for scale-up.
【0005】一方、板状担体充填型リアクターでは、担
体単位面積当たりの有機溶媒層量、換言すれば、単位触
媒量当たりの基質量が平板型リアクターに比べて2倍以
上多く、結果として反応速度の低下は避けられない。さ
らにまた、粒状担体を充填した粒状担体充填型界面バイ
オリアクターでは、親水性粒状担体の疎水性有機溶媒中
での流動が事実上不可能であり、また、パックドタイプ
で使用する場合、粒状担体の自重による粒子間隙の閉塞
やそれに伴う液流動の阻害が認められ、スケールアップ
は困難である。従って、水不(難)溶性基質の微生物変
換に威力を発揮する界面バイオリアクターの、スケール
アップを睨んだ、より実用的なシステムの開発が強く望
まれている。On the other hand, in a plate-shaped carrier-filled reactor, the amount of the organic solvent per unit area of the carrier, in other words, the base mass per unit amount of the catalyst is more than twice as large as that of the plate-type reactor, and as a result, the reaction speed is increased. Is inevitable. Furthermore, in a granular carrier-filled interfacial bioreactor filled with a granular carrier, the flow of a hydrophilic granular carrier in a hydrophobic organic solvent is practically impossible. Blockage of the particle gap due to its own weight and accompanying inhibition of liquid flow are recognized, and scale-up is difficult. Accordingly, there is a strong demand for the development of a more practical system for an interfacial bioreactor that exerts its power in the microbial conversion of a water-insoluble (poorly soluble) substrate in view of the scale-up.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の如き
従来の平板型、板状担体充填型あるいは粒状担体充填型
リアクターの諸問題を克服した界面バイオリアクターに
ついて鋭意検討を重ねた結果、担体単位表面積当たりの
有機溶媒層量、換言すれば、単位触媒量当たりの基質量
を任意にかつ適度に設定可能な平板型リアクターと、ス
ケールアップが容易な板状担体充填型リアクターの長所
を組み合わせることにより、すなわち、複数の平板型リ
アクターを上下方向に積み重ね、かつ有機溶媒層を連結
させて該有機溶媒層を集中管理できるようにした高層型
リアクターを構築することにより、前記従来の界面バイ
オリアクターがもつ欠点を解決することに成功し、本発
明を完成するに至った。The present inventors have conducted intensive studies on an interfacial bioreactor which has overcome the above-mentioned problems of the conventional flat plate type, plate-like carrier-filled type or granular carrier-filled type reactors. Combines the advantages of an organic solvent layer amount per unit surface area of a carrier, in other words, a flat plate reactor in which the base mass per unit catalyst amount can be set arbitrarily and appropriately, and a plate-shaped carrier-filled reactor that can be easily scaled up. In other words, the conventional interfacial bioreactor is constructed by stacking a plurality of flat-plate reactors in the up-down direction and constructing a high-layer reactor in which the organic solvent layers are connected so that the organic solvent layers can be centrally controlled. Succeeded in solving the disadvantages of the present invention, and completed the present invention.
【0007】かくして、本発明に従えば、栄養源および
水を内部に包含し、そして表面に増殖微生物膜が付着・
固定化されている親水性固定化板状担体を底部に該微生
物膜を上にして位置させ、その上に疎水性基質を含有す
る有機溶媒層を設けて該増殖微生物膜と該有機溶媒層を
接触させて該疎水性基質を微生物変換するようにしてな
る複数の平板型界面バイオリアクターを高層状に積み重
ね、各界面バイオリアクターの有機溶媒層を相互に連結
し循環させるようにしてなることを特徴とする高層型界
面バイオリアクターが提供される。Thus, according to the present invention, a nutrient source and water are contained therein, and a growing microbial membrane adheres to the surface.
The immobilized hydrophilic immobilized plate-shaped carrier is positioned at the bottom with the microbial membrane facing upward, and an organic solvent layer containing a hydrophobic substrate is provided thereon to separate the growing microbial membrane and the organic solvent layer. A plurality of plate-type interfacial bioreactors that are brought into contact to convert the hydrophobic substrate into microorganisms are stacked in a high layer, and the organic solvent layers of each interfacial bioreactor are interconnected and circulated. Is provided.
【0008】以下、本発明の高層型界面バイオリアクタ
ーを添付の図1を参照しつつさらに詳細に説明する。Hereinafter, the high-rise interfacial bioreactor of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】本発明の高層型界面バイオリアク
ターは、図1に示すとおり、寒天平板に代表される親水
性固定化担体(1)を底部に位置された平板型界面バイ
オリアクター(2)を独立した1個の区画(単位)と
し、該親水性固定化担体の上側表面に、生体触媒である
微生物を増殖させて微生物膜(3)が形成されている。
この微生物膜(3)の上に重層する形で基質を溶解させ
た有機溶媒層(4)を添加してリアクター単位を完成す
る。このリアクター単位の複数を順次上下方向に積み重
ね、各単位のリアクターに設置した有機溶媒オーバーフ
ロー用のノズル(5)の出口を順次直下のリアクター単
位の有機溶媒層上に開放させて、直上のリアクター単位
からオーバーフローした有機溶媒相を該ノズル(5)を
通して自然流出させることにより順次直下のリアクター
単位に送液されるようにする。このようにして順次オー
バーフローさせた有機溶媒層は最下部のリアクター単位
まで達し、そこから流出した有機溶媒層を送液ポンプ
(6)によって最上部に送液する。これにより、全リア
クター単位の有機溶媒層は相互連結されかつ循環される
ことになる。この送液ラインには有機溶媒層の採取、回
収のための出口を設けることができる。かくして、多数
のリアクター単位の有機溶媒層はすべて1つの連続した
層として集中管理できることになる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As shown in FIG. 1, a high-layer interfacial bioreactor according to the present invention comprises a plate-type interfacial bioreactor (2) in which a hydrophilic immobilized carrier (1) represented by an agar plate is positioned at the bottom. ) Is defined as one independent section (unit), and a microorganism film (3) is formed on the upper surface of the hydrophilic immobilized carrier by growing microorganisms which are biocatalysts.
An organic solvent layer (4) in which a substrate is dissolved is added on the microbial membrane (3) in a layered manner to complete a reactor unit. A plurality of the reactor units are sequentially stacked in the vertical direction, and the outlet of the organic solvent overflow nozzle (5) installed in the reactor of each unit is sequentially opened on the organic solvent layer of the reactor unit immediately below the reactor unit. The organic solvent phase overflowing from is naturally spouted through the nozzle (5) so as to be sequentially sent to the reactor unit immediately below. The organic solvent layer which has overflowed in this way reaches the lowermost reactor unit, and the organic solvent layer flowing out therefrom is sent to the uppermost portion by the liquid sending pump (6). Thereby, the organic solvent layers of all the reactor units are interconnected and circulated. An outlet for collecting and collecting the organic solvent layer can be provided in this liquid sending line. Thus, the organic solvent layers of a number of reactor units can all be centrally controlled as one continuous layer.
【0010】しかして、本発明の界面バイオリアクター
がもつ第一の利点は、平板型界面バイオリアクターと板
状担体充填型界面バイオリアクターの長所を併せ持つ点
にある。すなわち、本発明における高層型界面バイオリ
アクターでは、個々の単位リアクター(区画)は平板型
界面バイオリアクターに類似の構成を有しているため、
個々の単位リアクター毎にリアクターの調製、担体への
植菌等の無菌操作を容易に行なうことができ、そして担
体単位表面積当たりの有機溶媒層量を任意にかつ低く設
定することが可能である。また、本発明の界面バイオリ
アクターは、単位リアクターを上下方向に積み重ねた高
層型であって、有機溶媒層が互に連結され集中管理する
ことが可能であるため、板状担体充填型リアクターの長
所である三次元方向へのリアクターの拡大が可能であ
る。However, the first advantage of the interfacial bioreactor of the present invention is that it has both advantages of a plate-type interfacial bioreactor and a plate-shaped carrier-filled interfacial bioreactor. That is, in the high-layer interface bioreactor according to the present invention, each unit reactor (compartment) has a configuration similar to the flat interface bioreactor.
Aseptic operations such as reactor preparation and carrier inoculation can be easily performed for each individual unit reactor, and the amount of the organic solvent layer per unit surface area of the carrier can be set arbitrarily and low. In addition, the interface bioreactor of the present invention is a high-rise type in which unit reactors are vertically stacked, and the organic solvent layers are connected to each other and can be centrally controlled. It is possible to expand the reactor in a three-dimensional direction.
【0011】本発明の界面バイオリアクターがもつ第二
の利点は、個々の単位リアクター(区画)の有機溶媒層
を相互に連結し集中管理することにより、各単位リアク
ター毎の変換反応速度のバラツキをなくすることができ
る点にある。この単位リアクター毎の変換速度のバラツ
キは、変換反応の進行度のバラツキを意味するので、こ
のバラツキをなくすことにより、高純度の生成物を取得
することが可能となる。また、本発明の界面バイオリア
クターでは、有機溶媒層は連続する一層として扱えるた
め、定量分析は1点のサンプルのみで十分であり、さら
には添加剤の添加、連続運転等が極めて容易となる。The second advantage of the interfacial bioreactor of the present invention is that the organic solvent layers of the individual unit reactors (compartments) are interconnected and centrally controlled, thereby reducing the variation of the conversion reaction rate for each unit reactor. It can be eliminated. Since the variation in the conversion speed for each unit reactor means the variation in the degree of progress of the conversion reaction, it is possible to obtain a high-purity product by eliminating the variation. Further, in the interfacial bioreactor of the present invention, since the organic solvent layer can be treated as a continuous layer, quantitative analysis using only one sample is sufficient, and addition of additives, continuous operation, and the like become extremely easy.
【0012】さらに、本発明の界面バイオリアクターが
もつ第三の利点は、板状担体充填型界面バイオリアクタ
ーのような機械的強度の大きい担体を必要としない点に
ある。板状担体充填型界面バイオリアクターでは、個々
の担体は、たわみや破損を避けるために強固な強度を保
持していなければならない。そのために、担体内部にス
テンレスフレーム等の強固な骨格を有しなおかつ担体素
材自体も強固な強度を保持していなければならないが、
本発明における担体は平板型リアクター用の軟弱な強度
の素材で十分であり、内部に強固な骨格を有している必
要はない。Further, a third advantage of the interfacial bioreactor of the present invention is that it does not require a carrier having a high mechanical strength such as a plate-type carrier-filled interfacial bioreactor. In a plate-shaped carrier-filled interfacial bioreactor, the individual carriers must maintain strong strength to avoid bending or breakage. For that purpose, the carrier must have a strong skeleton such as a stainless steel frame inside the carrier, and the carrier material itself must also maintain strong strength.
In the present invention, the support is made of a material having a weak strength for a flat plate reactor, and need not have a strong skeleton inside.
【0013】本発明において、各リアクター単位(区
画)の底部に設置される親水性担体は、例えば、グルコ
ース等の炭素源、尿素等の窒素源、硫酸マグネシウム等
の無機塩、酵母エキス等の微量栄養源等、ごく一般的な
栄養源および水を内部に包含し得るものであれば特に制
約はなく、微生物菌体の固定化のために従来から使用さ
れているものが同様に使用可能であり、例えば、寒天、
アルギン酸、カラギーナン、デンプンマトリックス等の
天然高分子;ポリビニルアルコールやポリアクリルアミ
ド等の合成高分子;泡ガラス等の無機多孔質材等の担体
を使用することができる(特許第2542766号公報
参照)。しかし、本発明で使用する担体は各リアクター
の底部に設置して使用するため、格別強固な強度を有し
ている必要はなく、寒天平板等の低強度のゲルをも使用
可能である。むしろ寒天平板は、例えば、ポリビニルア
ルコールをベースとする担体のように、調製後にゲル内
部の水相を液体培地で置換する必要がなく、ゲル調製の
時点で栄養源をゲル内部に包含せしめることができるの
で有利である。In the present invention, the hydrophilic carrier provided at the bottom of each reactor unit (compartment) includes, for example, a carbon source such as glucose, a nitrogen source such as urea, an inorganic salt such as magnesium sulfate, and a trace amount such as yeast extract. There is no particular limitation as long as it can contain very common nutrients and water, such as nutrients, and those conventionally used for immobilizing microbial cells can also be used. , For example, agar,
Carriers such as natural polymers such as alginic acid, carrageenan, and starch matrix; synthetic polymers such as polyvinyl alcohol and polyacrylamide; and inorganic porous materials such as foam glass can be used (see Japanese Patent No. 2542766). However, since the carrier used in the present invention is installed at the bottom of each reactor and used, it does not need to have exceptionally strong strength, and a low-strength gel such as an agar plate can also be used. Rather, the agar plate does not require replacement of the aqueous phase inside the gel with a liquid medium after preparation, such as a carrier based on polyvinyl alcohol, and allows the nutrient source to be included in the gel at the time of gel preparation. This is advantageous because it can be performed.
【0014】このような親水性固定化担体に、例えば、
菌体懸濁液を塗布する方法、菌体懸濁液中に担体をディ
ッピングする方法等により、微生物菌体を付着させる
(植菌する)と、植菌された微生物菌体は該担中の栄養
源を利用して分裂、増殖し、担体表面に膜(微生物膜)
を形成する。[0014] Such a hydrophilic immobilized carrier, for example,
When microbial cells are adhered (inoculated) by a method of applying a cell suspension, a method of dipping a carrier in the cell suspension, or the like, the inoculated microbial cells are Divide and proliferate using nutrient sources, and form a membrane (microbial membrane) on the carrier surface
To form
【0015】本発明の界面バイオリアクターで使用しう
る微生物は特に制限されるものではなく、細菌、放線
菌、酵母、カビ類等のいずれでも使用することができ
る。The microorganisms that can be used in the interface bioreactor of the present invention are not particularly limited, and any of bacteria, actinomycetes, yeasts, molds and the like can be used.
【0016】本発明における高層型界面バイオリアクタ
ーの有機溶媒層に使用可能な有機溶媒は、微生物に対し
て毒性を発現しない疎水性有機溶媒であれば特に制約は
なく、例えば、直鎖状あるいは分岐鎖パラフィン類、長
鎖エステル、エーテル類等の有機溶媒を使用することが
できる(特許第2542766号公報参照)。この有機
溶媒の選定に関しては、基質及び生成物の溶解性、沸点
等の物理的特性、価格および供給安定性、微生物に対す
る毒性等を指標にして選定すればよく、例えば、上記の
ほとんどの指標を満足する有機溶媒の1つとしてノルマ
ルデカンを挙げることができる。ノルマルデカンは多く
の疎水性基質および生成物の溶解性に優れ、かつ沸点も
さほど低くないために取扱上安全である。また、価格は
1kg当たり200円程度と安価で大量入手可能であ
り、さらにはほとんど全ての細菌、放線菌、酵母および
カビに対して毒性を発現することはない点からも好適で
ある。The organic solvent usable for the organic solvent layer of the high-layer interface bioreactor in the present invention is not particularly limited as long as it is a hydrophobic organic solvent which does not exhibit toxicity to microorganisms. Organic solvents such as chain paraffins, long-chain esters and ethers can be used (see Japanese Patent No. 2542766). Regarding the selection of the organic solvent, the solubility of the substrate and the product, physical properties such as boiling point, price and supply stability, toxicity to microorganisms, etc. may be selected as an index. Normal decane is one of the satisfactory organic solvents. Normal decane is safe to handle because of its excellent solubility of many hydrophobic substrates and products and its low boiling point. Further, it is suitable because it can be obtained in large quantities at a low price of about 200 yen per kg and furthermore, it does not exhibit toxicity to almost all bacteria, actinomycetes, yeasts and molds.
【0017】また、この有機溶媒層に存在させうる基質
もまた特に制限されるものではなく、所期とするバイオ
コンバージョンに応じて任意に選ぶことができるが、例
えば、還元用基質である脂溶性ケトン類あるいはオレフ
ィン類;酸化用基質である脂溶性アルコール類、アルデ
ヒド類又はオレフィン類;加水分解用基質である脂溶性
エステル類又はエポキシド類;エステル化用基質である
脂溶性アルコール類又はカルボン酸類;アミノ化用基質
である脂溶性ケトン類等を挙げることができる。The substrate that can be present in the organic solvent layer is not particularly limited either, and can be arbitrarily selected according to the desired bioconversion. Ketones or olefins; lipophilic alcohols, aldehydes or olefins as oxidation substrates; lipophilic esters or epoxides as hydrolysis substrates; lipophilic alcohols or carboxylic acids as esterification substrates; Fat-soluble ketones which are substrates for amination can be exemplified.
【0018】本発明の高層型界面バイオリアクターは、
平板型界面バイオリアクターの長所を保持しつつ狭いス
ペースでのスケールアップが可能なシステムであるが、
それは単に平板型リアクターを上下方向に積み重ねるこ
とによってのみなされるものではなく、積み重ねた高層
型界面バイオリアクターを何塔も並列させ、それらの有
機溶媒層をさらに連結することによって著しく大きなス
ケールへと拡大することも可能である。これら多塔から
の有機溶媒層のオーバーフロー分を1箇所に集合させ、
さらに各々の多塔へと送液して戻すことも可能である
が、その際に注意しなければならない点は、多数の送液
ポンプを使用するにしても1つの送液ポンプを使用する
にしても、多塔への送液速度を等しくしなければならな
いという点にある。そのためには、送液ポンプはできる
だけ少数として、送液ラインを全て並列としてやること
が望ましい。また、オーバーフローしてきた有機溶媒層
を1つのタンクに集合させて1つのポンプで送液する場
合、ポンプが空気を巻き込むことが多々あるため、送液
ポンプとしては、ダイアフラムポンプ等の空気を巻き込
んでも運転可能なものを使用することが好ましい。The high-layer interface bioreactor of the present invention comprises:
Although it is a system that can scale up in a narrow space while retaining the advantages of a flat plate type interface bioreactor,
It is not just a matter of stacking up flat reactors in the vertical direction.It can be expanded to a remarkably large scale by stacking multiple stacked high-level interfacial bioreactors and connecting their organic solvent layers further. It is also possible. The overflow of the organic solvent layer from these multiple towers is collected in one place,
It is also possible to send the liquid back to each of the multiple towers, but care must be taken in this case, even if many liquid pumps are used and one liquid pump is used. However, the point is that the liquid sending speed to the multiple towers must be equal. To this end, it is desirable to use as few liquid feeding pumps as possible and to set all liquid feeding lines in parallel. Also, when the overflowed organic solvent layer is collected in one tank and sent by one pump, the pump often involves air. Therefore, as the liquid sending pump, even if air such as a diaphragm pump is used. It is preferable to use a drivable one.
【0019】かくして、多段に積み重ねた高層型界面バ
イオリアクターを多塔化することにより、狭いスペース
で著しく大きなスケールアップが可能となる。積み重ね
る単位リアクターの段数は、個々の単位リアクターのサ
イズ、特に高さに依存するが、例えば、市販のステンレ
ススチール製の積み重ねバットを使用する場合、その高
さは一段あたりわずか5cmであるため、積み重ねを強
固に固定してやれば、100段で約5m、200段でも
約10mであり、低い高さで著しい高層化が可能であ
る。各単位リアクターの高さは5cm程度もあれば十分
であり、それ以上になるとむしろデッドスペースが大き
くなるため不経済である。Thus, by multiplying the multi-layered high-layer interface bioreactor, a remarkably large scale-up can be achieved in a narrow space. The number of stages of unit reactors to be stacked depends on the size of the individual unit reactors, especially the height. For example, when using a commercially available stainless steel stacking bat, the height is only 5 cm per stage, so If is fixed firmly, it is about 5 m at 100 steps and about 10 m at 200 steps, and it is possible to remarkably increase the height at a low height. It is sufficient if the height of each unit reactor is about 5 cm, and if it is more than 5 cm, the dead space increases, which is uneconomical.
【0020】さらに、並列化は、ポンプの設定数にある
程度依存はするが、むしろ建設スペースに依存すると考
えてよい。本発明の高層型界面バイオリアクターによれ
ば、積み重ね数ならびに並列化する塔数を変換産物の製
造計画に従って自由に決定することができるという利点
があり、また、各高層型リアクター塔を例えば往復振と
うしてやれば、低い有機溶媒層の循環速度であっても有
意に変換速度を向上させることも可能である。Furthermore, parallelization depends to some extent on the set number of pumps, but rather on construction space. According to the high-rise interface bioreactor of the present invention, there is an advantage that the number of stacks and the number of towers to be parallelized can be freely determined according to the production plan of the conversion product. By doing so, it is possible to significantly improve the conversion rate even at a low circulation rate of the organic solvent layer.
【0021】一方、本発明の高層型界面バイオリアクタ
ーでは、このように、スケールアップのためには非常に
多数の単位リアクターが必要となるが、個々の単位リア
クターは無菌的に調製・保存可能であるため、例えば、
非常に雑菌汚染に曝されやすい栄養寒天平板を担体とし
て使用する場合であっても、スケールアップに支障を来
すことはないというメリットがある。On the other hand, in the high-layer interface bioreactor of the present invention, a very large number of unit reactors are required for scale-up, but each unit reactor can be aseptically prepared and stored. So, for example,
Even when a nutrient agar plate that is extremely susceptible to germ contamination is used as a carrier, there is an advantage that scale-up is not hindered.
【0022】[0022]
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるも
のではない。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to only these examples.
【0023】実施例1 リアクター単位として、縦26cm、横34cm、高さ
5cmのステンレススチール製積み重ねバットを使用
し、これを10段積み重ね図1に示す如き高層型界面バ
イオリアクターを組み立てた。各バットに、ペプトン5
g、酵母エキス3g、麦芽エキス3g、硫酸マグネシウ
ム1g、グルコース10g、寒天20g及び蒸留水1リ
ットル(pH6.0)よりなる栄養寒天培地を500m
l分注して硬化させ平板とした。該平板培地にハンゼヌ
ラ・サチュールナス(Hansenula saturnus)IFO 080
9の1日培養液5mlを植菌し、1日間静置培養して微
生物膜を成長させた。各単位のオーバーフロー用ノズル
をバイトン管で連結させた後、4%(RS)−シトロネ
ロール/デカン溶液を1.8 liter 最上部より送液ポン
プを用いて注入し、順次オーバーフローさせることによ
って10段のリアクター単位に有機溶媒層を充填した。
その後、該10段(単位)よりなる高層型界面バイオリ
アクターを振とう数40 strokes/min で往復振とうさ
せつつ、送液速度100ml/minにて有機溶媒層を
循環させ、最下部のリアクター単位から送液ポンプへ至
るラインの途中に設置した試料回収口から毎日サンプリ
ングして、変換反応をガスクロマトグラフィーを用いて
追跡した。 Example 1 A stainless steel stacking vat having a length of 26 cm, a width of 34 cm and a height of 5 cm was used as a reactor unit, and was stacked in 10 stages to assemble a high-layer interfacial bioreactor as shown in FIG. Peptone 5 for each bat
g, yeast extract 3g, malt extract 3g, magnesium sulfate 1g, glucose 10g, agar 20g and a nutrient agar medium consisting of distilled water 1 liter (pH 6.0) 500m
1 was dispensed and cured to obtain a flat plate. Add Hansenula saturnus IFO 080 to the plate medium.
No. 9 was inoculated with 5 ml of a daily culture solution, and allowed to stand still for 1 day to grow a microbial membrane. After connecting the overflow nozzles of each unit with a Viton pipe, a 4% ( RS ) -citronellol / decane solution was injected from the top of the 1.8 liter using a liquid sending pump, and overflowed in order. An organic solvent layer was filled in each reactor.
Thereafter, the organic solvent layer was circulated at a liquid sending rate of 100 ml / min while reciprocatingly shaking the high-layer interfacial bioreactor comprising 10 stages (units) at a shaking number of 40 strokes / min. The sample was sampled every day from a sample collection port installed in the middle of the line from to the liquid sending pump, and the conversion reaction was traced using gas chromatography.
【0024】本菌株はラセミ体シトロネロールのうち
(S)−シトロネロールを酸化して(S)−シトロネル
酸を優先的に蓄積するが、変換反応は開始1日目より進
行し、7日目にシトロネル酸、シトロネロールの蓄積濃
度はそれぞれ19.2、18.5g/lに達した。反応終
了後、該デカン溶液層を全量回収し、シリカゲル1kg
を充填したカラムにかけた。ヘキサンを用いてデカンを
流去後、ヘキサン−酢酸エチル(8:2)、酢酸エチル
でシトロネロール、シトロネル酸を各々溶出させた。溶
媒除去後、シトロネロールをジョーンズ酸化してシトロ
ネル酸に誘導した。得られた両シトロネル酸は酸クロリ
ドに誘導後、(R)−1−(1−ナフチルエチル)アミ
ンでアミド化し、液体クロマトグラフィーを用いて絶対
配置およびエナンチオ過剰率を測定した。その結果、対
応するシトロネロール、シトロネル酸の絶対配置はそれ
ぞれ、(R)、(S)であり、エナンチオ過剰率は7
2、81%e.e.であった。The present strain oxidizes ( S ) -citronellol of racemic citronellol and preferentially accumulates ( S ) -citronellic acid, but the conversion reaction proceeds from the first day and starts on the seventh day. The accumulated concentrations of acid and citronellol reached 19.2 and 18.5 g / l, respectively. After completion of the reaction, the entire decane solution layer was recovered, and 1 kg of silica gel was used.
Was applied to the column. After removing decane using hexane, citronellol and citronellic acid were eluted with hexane-ethyl acetate (8: 2) and ethyl acetate, respectively. After removal of the solvent, citronellol was Jones-oxidized to derive citronellic acid. After both the obtained citronellic acids were derivatized to acid chloride, they were amidated with ( R ) -1- (1-naphthylethyl) amine, and the absolute configuration and the enantiomeric excess were measured using liquid chromatography. As a result, the absolute configurations of the corresponding citronellol and citronellic acid are ( R ) and ( S ), respectively, and the enantiomeric excess is 7%.
2, 81% ee.
【0025】比較例1 実施例1の高層型界面バイオリアクターの有機溶媒層を
循環させず、10段のリアクター単位を個々独立で同様
の変換反応を行った。4%(RS)−シトロネロール/
デカン溶液はリアクター1単位当たり180mlとし、
振とうは40 strokes/min とした。試料のサンプリン
グは10段個別に行い、ガスクロマトグラフィーによっ
て変換反応を追跡した。その結果、10段の酸化速度は
反応開始1日目よりバラツキが認められ、反応開始後7
日目では、1段目(最下部)から10段目(最上部)ま
でのシトロネル酸の蓄積濃度は、各々、16.2、15.
4、19.9、22.3、14.8、23.6、21.7、
18.2、19.9、25.1g/lとなった。 Comparative Example 1 The same conversion reaction was carried out independently on each of the 10 reactor units without circulating the organic solvent layer of the high-layer interface bioreactor of Example 1. 4% ( RS ) -citronellol /
Decane solution is 180 ml per reactor,
Shaking was set at 40 strokes / min. Samples were sampled individually in 10 stages, and the conversion reaction was followed by gas chromatography. As a result, the oxidation rates in the 10 stages were varied from the first day of the reaction, and were not more than 7 days after the start of the reaction.
On the day, the accumulated concentrations of citronellic acid from the first stage (bottom) to the tenth stage (top) are 16.2 and 15.
4, 19.9, 22.3, 14.8, 23.6, 21.7,
18.2, 19.9 and 25.1 g / l.
【0026】その後、有機溶媒層を全量回収し、実施例
1と同様にしてシトロネロール、シトロネル酸を分離、
精製した後、絶対配置およびエナンチオ過剰率を測定し
た。その結果、シトロネロール、シトロネル酸の絶対配
置はそれぞれ(R)、(S)であり、エナンチオ過剰率
は各々66、72%e.e.であった。Thereafter, the entire organic solvent layer was recovered, and citronellol and citronellic acid were separated in the same manner as in Example 1.
After purification, the absolute configuration and enantiomeric excess were determined. As a result, the absolute configurations of citronellol and citronellic acid were (R) and (S), respectively, and the enantiomeric excess was 66 and 72% ee, respectively. Met.
【0027】実施例2 担体としてポリビニルアルコール−グルタルアルデヒド
−アルギン酸カルシウム複合架橋ゲルを用い、実施例1
と同様にして30段の高層型界面バイオリアクターを組
み立てた。各リアクター単位の複合架橋ゲルは、10%
ポリビニルアルコール−10%グルタルアルデヒド−5
%アルギン酸ナトリウム(100:1:10)よりな
り、2日間室温にてポリビニルアルコールとグルタルア
ルデヒドを架橋させた後、2日間室温にて0.1M塩化
カルシウム溶液と該複合架橋ゲルを接触させてアルギン
酸とカルシウムイオンとを塩架橋させて完全ゲル化させ
た。水洗後、該複合架橋ゲル板表面を紫外線照射にて滅
菌した後、実施例1で用いた培地組成(寒天は除く)の
液体培地を1単位当たり2リットル分注し、3日間低温
下でゲル板内部の水相を該液体培地で置換させた。この
ゲル板表面に Issatchenkia scutulata var.scutulata
IFO 10070の1日培養液5mlを植菌し、1日間
静置培養することによって微生物膜を成長させた。 Example 2 A polyvinyl alcohol-glutaraldehyde-calcium alginate composite crosslinked gel was used as a carrier.
In the same manner as in the above, a 30-stage high-layer interface bioreactor was assembled. 10% complex crosslinked gel for each reactor unit
Polyvinyl alcohol-10% glutaraldehyde-5
% Of sodium alginate (100: 1: 10), cross-linked polyvinyl alcohol and glutaraldehyde for 2 days at room temperature, and then contacted the composite cross-linked gel with 0.1 M calcium chloride solution at room temperature for 2 days. And calcium ions were salt-crosslinked to completely gel. After washing with water, the surface of the composite cross-linked gel plate was sterilized by ultraviolet irradiation, and then 2 liters of a liquid medium of the medium composition (excluding agar) used in Example 1 was dispensed per unit, and the gel was kept at a low temperature for 3 days. The aqueous phase inside the plate was replaced with the liquid medium. Issatchenkia scutulata var. On the surface of this gel plate. scutulata
A microbial membrane was grown by inoculating 5 ml of a daily culture solution of IFO 10070 and statically culturing for 1 day.
【0028】こうして得られたリアクター単位を30段
積み重ね、図1のようにしてオーバーフロー用ノズルを
バイトン管で連結し、最上部より3%1−デカノール/
デカン溶液4.5 liter を送液して順次下段のリアクタ
ー単位にオーバーフローさせ、該有機溶媒層を連結させ
た。有機溶媒層循環ラインのダイアフラムポンプの送液
速度は500ml/minとし、静置条件下、30℃に
て変換試験を実施した。1−デカノールからデカン酸へ
の変換反応は、該デカン層をガスクロマトグラフィーに
よって分析、追跡した。その結果、該酸化的変換反応は
開始1日目より認められ、反応開始7日目にはデカン酸
の蓄積濃度は29.2g/lに達した。The reactor units thus obtained are stacked in 30 stages, and the overflow nozzle is connected with a Viton pipe as shown in FIG. 1, and 3% 1-decanol /
A 4.5 liter decane solution was sent and overflowed sequentially to the lower reactor unit to connect the organic solvent layers. The solution sending speed of the diaphragm pump in the organic solvent layer circulation line was set to 500 ml / min, and the conversion test was performed at 30 ° C. under static conditions. In the conversion reaction from 1-decanol to decanoic acid, the decane layer was analyzed and followed by gas chromatography. As a result, the oxidative conversion reaction was observed from the first day of the reaction, and the accumulated concentration of decanoic acid reached 29.2 g / l on the seventh day of the reaction.
【図1】本発明の高層型界面バイオリアクターの一例の
断面概略図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a high-layer interface bioreactor of the present invention.
Claims (3)
表面に増殖微生物膜が付着・固定化されている親水性固
定化板状担体を底部に該微生物膜を上にして位置させ、
その上に疎水性基質を含有する有機溶媒層を設けて該増
殖微生物膜と該有機溶媒層を接触させて該疎水性基質を
微生物変換するようにしてなる複数の平板型界面バイオ
リアクターを高層状に積み重ね、各界面バイオリアクタ
ーの有機溶媒層を相互に連結し循環させるようにしてな
ることを特徴とする高層型界面バイオリアクター。1. A hydrophilic immobilized plate-like carrier containing a nutrient source and water therein and having a growth microbial membrane adhered and immobilized on the surface thereof is positioned at the bottom with the microbial membrane facing up,
An organic solvent layer containing a hydrophobic substrate is provided thereon, and a plurality of plate-type interfacial bioreactors, which are configured to contact the growing microbial membrane and the organic solvent layer to convert the hydrophobic substrate into microorganisms, are formed in a multi-layered form. Characterized in that the organic solvent layers of each interfacial bioreactor are interconnected and circulated.
た1個の区画を構成し、これらを上下方向に積み重ねた
後、隣接する平板型界面バイオリアクターの有機溶媒層
を相互に連結してなる請求項1のバイオリアクター。2. The method according to claim 1, wherein each of the plate-type interface bioreactors constitutes an independent section, and these sections are vertically stacked, and then the organic solvent layers of adjacent plate-type interface bioreactors are interconnected. Item 1. The bioreactor according to Item 1.
層の連結が、最上層の平板型界面バイオリアクターへの
有機溶媒層の送液に続き、順次下層の平板型界面バイオ
リアクターへの有機溶媒層のオーバーフロー及び最下部
より流出する有機溶媒層の最上部の平板型界面バイオリ
アクターへの再循環によってなされる請求項1のバイオ
リアクター。3. The connection of the organic solvent layer of the plate-type interfacial bioreactor follows the sending of the organic solvent layer to the uppermost plate-type interfacial bioreactor, and then the organic solvent layer to the lower plate-type interfacial bioreactor. 2. The bioreactor according to claim 1, wherein the bioreactor is formed by overflowing the organic solvent layer and recirculating the organic solvent layer flowing out from the lowermost portion to the uppermost planar interfacial bioreactor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5421698A JPH11225740A (en) | 1998-02-20 | 1998-02-20 | High layer type interfacial bioreactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5421698A JPH11225740A (en) | 1998-02-20 | 1998-02-20 | High layer type interfacial bioreactor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11225740A true JPH11225740A (en) | 1999-08-24 |
Family
ID=12964360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5421698A Pending JPH11225740A (en) | 1998-02-20 | 1998-02-20 | High layer type interfacial bioreactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11225740A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111154624A (en) * | 2020-02-25 | 2020-05-15 | 广州市金因源生物技术有限公司 | Photobioreactor for culturing algae |
-
1998
- 1998-02-20 JP JP5421698A patent/JPH11225740A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111154624A (en) * | 2020-02-25 | 2020-05-15 | 广州市金因源生物技术有限公司 | Photobioreactor for culturing algae |
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