JPS59205981A - 微生物の固定化方法および固定化微生物を含む寒天繊維 - Google Patents

微生物の固定化方法および固定化微生物を含む寒天繊維

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JPS59205981A
JPS59205981A JP59092739A JP9273984A JPS59205981A JP S59205981 A JPS59205981 A JP S59205981A JP 59092739 A JP59092739 A JP 59092739A JP 9273984 A JP9273984 A JP 9273984A JP S59205981 A JPS59205981 A JP S59205981A
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    • Y10S435/822Microorganisms using bacteria or actinomycetales
    • Y10S435/832Bacillus
    • Y10S435/837Bacillus megaterium

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】 本発明は触媒として活性のある微生物の1lfill胞
を寒天ケル繊維に固定ずろ方法及び微生物の細胞を固定
した寒天繊維に関する。
酵素を触媒としてそのままあるいは細胞内の形で固定し
て使用することは化学工業における完全な一つの1弾様
どなってきた。固定化触媒は多くの化学製品および食品
の製造について開発されており、アスパルターセ、ペニ
シリンアシラーセ、グルコースイソノラーゼ、β−ガラ
クトシダーゼ、α−アミラーゼおよびアシノアシラーゼ
のような酵素系を含んでいる。そのような触媒の固(ポ
化は一般に交叉結合したゲル内に抱合、中空繊維または
マクロカプセル内に充填:不活淫支持体またはイオン交
換樹脂への吸着、多くの官能基を有する試薬による交叉
結合、および重合1住支持体への共有、請合である。こ
れら種にの方法およびそれらの適用の例は文献及び論文
(たとえばAppliedBiociqemistry
 and Bioengineering Vow、 
L + I+mnobilizedEnzyme Pr
1nciples )に多く示されているので゛ここで
は議論しない。これらの種々の方法の工業への適用は、
大規模爆作のための選択された支持マトリックスが実際
に得られるか否かにかかっている。
マトリックスが良好な機械的安定1律および良好な流体
力学的特性を有することにより、長く使用しても支持体
の圧縮、縮小化および/または破裂が生じないことが工
業」二の適用のためには特に重要である。上記支持体は
また適当な透過性と表面積を有し固定化された触媒(酵
素)の活性が最大となり拡散抵抗が最小となるような構
造でなければならない。
このような要求に答えるために、Chibata 等(
米国’i”l:許3,791,926)は合成タイプの
重合体マトリックス(たとえばポリアクリルアミド)内
に酵素または微生物をとじ込める種々の方法をw′にア
スパラギン酸の製造のために開発した。
Ne1son (米国特許3,957,580)は同様
に、他のタイプの合成重合体系内に酵素含有微生物細胞
をとじ込めるかあるいは交叉結合する方法であって該固
定化細胞がさらに重合体マトリックスにグルクールアル
テヒドのような多官能゛目三試薬によQ交叉結合されて
いる方法を報告した。これらのタイプの合成重合体系は
2つの主たる欠点を有する。
第1は固定化触媒d゛製造毒性ある刺激性の物質(単量
f=1=、開・始剤、交叉結合剤等)を使用しなげれば
ならす、このことが食品級製品の製造に問題な生ぜしめ
ることである。第2は支持体7トリノクスが大規模カラ
ム反応容器系の中で長期間使用していると変形したり縮
小化したりすることである。
ゲル内にとじ込められた固定化触媒の特性を改善するた
めに、Ch 1bata等は硫酸エステル化多糖類ゲル
(カンバーカラゲニン等)を支持体マドl)ツクスとし
て使用することを検討した(米国特許4、.138,2
92 )。これらのタイプのゲルは種々の形(ビーズ、
膜等)で使用できる。これらの適用における限界は、多
糖類が10重量%の硫酸基を有しなげればならないこと
及びゲル硬化剤(たとえば水溶性布・機アミンまたは原
子量24を越えろ金属イオン)を使用して安定なゲル支
持体な確保しなげればならないことである。上述の文献
には寒天ゲルマトリックス(特1v昭50−95470
号)にとり込まれた微生物は特に4.0 ’C以上の温
度ではゲルの形にとどまっておらず、ゾルの形に変換し
ていることを示していう。同様に、ツノラゲニンも上述
のタイプのゲル硬化剤を使用して機械的安定性を維持し
なければ上述の寒天ゲルマトリックスと同じく形または
構造を失うことを示している。
本発明者等は10重隋/重量%未滴の硫酸基を有する寒
天ゲルを使用することにより従来使用されたゲル硬化剤
を必要としない安定な触媒活性系が得られることを見出
した。さらに、このタイプの系はカラム反応器中で9繊
維触媒“の形で使用できその形を失わない。この新しく
開発された固定化方法の具体例としては、フマール酸ア
ンモニウム基質からし一アスパラギン酸を連続的流れ操
作で製造するための固定化細胞カラム反応器として使用
されるアスパルターゼ含有微生物を使用する。アスパラ
ギン酸の工業的生産は一般にアスパルターゼ含有微生物
を使用して反応を行い1回使用後捨てるバンチ発酵方法
かあるいは連続的流れ操作の中で繰返し使用できる固定
化アスパルターゼ含有微生物の使用を包含している。後
者の方法は骨動コストが低く、触媒が再使用できる形な
のでバッチタイプの系よりも一般に好ましいが、適当に
設計された(良好な活性、安定性等)固定化細胞触媒が
使用されるべきである。本発明はそのような固定化細胞
による触媒の生産を可能にするものである。
本発明で使用される方法は他の固定化細胞の方法(たと
えばペニシリンアシラーゼ系)にも適用でき、酵素その
ものの固定化にも適用できる。実際の適用は本発明を実
施する者に依るであろう。
本発明は固定化された酵素含有微生物細胞及び固定化が
全細胞酵素を寒天ゲルの繊維粒子内にとじ込めることに
より行なわれる該固定化された酵素含有微生物細胞の製
造方法に関する。得られた繊維は次いで製品の連続的流
れ操作による製造のために適当に設計された反応器中で
使用できる。
本発明は下記段階(a)ないしくC)よりなる酵素含有
微生物の細胞を固定化する方法からなる・(a)上記細
胞を約45°〜60°Cの温度で約10〜8.0重量/
重量%の硫酸残基を有する寒天水溶液と接触させ。
(b)  無機ナトリウム塩の0.10〜5.0M溶液
を約0°〜20°Cの温度で上記(a)で形成された混
合物の流れと接触させて細胞を含有する寒天繊維を形成
させ。
(c)上記細胞を含有する寒天繊維を回収する。
(a)  上記寒天が2.0〜3.0重量/重量%の硫
酸残基を有し、 (b)  上記無機ナトリウム塩の溶液が塩化ナトリウ
ムの3.0〜5.0M溶液、であり、(c)上記の塩溶
液が5°〜15℃の温度である方法が好ましい。
上記微生物細胞が酵素としてアスパルターゼ(アスパラ
ギン酸アンモニウム分解酵素) 、ペニシリンアシラー
ゼ、グルコースインメラーゼ、グルコースオキンダーゼ
、フマラーゼ、インベルターゼ、シスートランスマレイ
ン酸インメラーゼ、またはL−アスパルテートβ−テヵ
ルボキシラーゼを含有する方法が好ましい。アスパルタ
ーゼ含有微生物細胞がバチラス・メガテリウム(Bac
illusmegaterium ) flのものであ
り、一方、細胞がさらに処理される前にまず15°〜4
5°Cの温度でフマレートまたはアスパルテー1− (
オフ(7)0.1〜20M溶液と接触させる方法も好ま
しい。細胞含有寒天繊Kdf= ’;xフマール酸アン
モニウムの0.1〜2.0M溶液とρ1ゴ8.0〜95
で約25°〜55°Gの温度で接触させる方法もさらに
好ましい。
酵素含有細胞、好ましくはバチルス・メガテする寒天繊
維も本発明の一部である。
ペニシリンアシラーゼ含有微生物細胞がプロテウス・レ
トゲリ(Proteus rettgeri )種であ
る方法も好ましい。
本発明の生成物を製造する際に、酵素含有微生物細胞を
繊維状寒天7トリノクス内にとじ込められる。寒天自体
は種々の属の寒天産生海草から抽出される天然多糖類複
合体である。構造的には寒天は種々のレベルの硫酸残基
を含有するα(1−3)およびβ(I L 4)結合多
糖類の接合体混合物て゛ある。本発明で使用される寒天
の特定組成は、1〜8X、好ましくは2〜3%、もつと
も好ましくは約254重量/重量%の硫酸残基を含んで
おり、典型的には重機/重厳%として、0.13%のカ
ルシウム、001%のバリウム、019%のケイ素、0
43%の塩化物〕6よび0.17%の窒素を含有する。
本発明で使用される寒天の硫酸残基の割合は従来の他の
研究者の多糖類タイプの調製物に使用された10(また
はそれ以上)%のIA酸残基より少ないことに注目ずべ
きで゛ある。
促誠的に安定な支持体マトリックスとして使用パ(きろ
寒天の!′11性は高を品で水性コロイド状ゝゝゾル“
を形成し、冷却するとゲル網状組織に転換し、はとんど
の酵素反応に使用ずろ温度でプルにもとることのない能
力で゛ある。
本発明を示すのに使用されるアスパルターゼ含有微生物
細胞はバチルス・メガテリウム(Bacillusme
gatcrium )であり、これらの細胞はノマール
酸rセたはアスパラギン酸で前処理(ゲルにとり込ませ
る前)して細1泡内アスパルターセ・舌′准を増加さぜ
ることができる。とり込まれたアスパルター上音有バチ
ルス・ツガチリウム細胞の繊維状寒天粒子は基型的には
長さ19〜3.7 (yttt、巾oI〜o2υ71で
ある。形成した寒天ぞ、裁維のサイズは処理条件な変え
ることにより変化させられる。繊維状寒天にとり込lれ
た細胞は1.5Mフマール酸アンモニウム供給流からL
−アスパラギン酸を連、読的流れ操作で製造するのに使
用される。至適反応器内の条件は、ρ1−18..5〜
90、温度37℃〜45℃、であって、98%のモル転
化収率のレベルを達成する((は(好適)逆流供給速度
155〜30床答量/時間を必要とする。反応体カラム
は系の流体力学的特性に影響を与えることなく連続的に
操作できる。固定化された全細胞アスパルターゼ活性の
とり込みは典型的には遊離の全細胞活性70〜100%
であり、触媒半減期は少なくとも132日であり、27
7日間は活性が高い。本発明の方法は及び全細胞アスパ
ルターゼを使用して本発明を適用することについての具
体例を下記に詳細に説明する。
典型的実験として、使用される寒天をディフコ・ラボラ
トリーズ(ミシガン州テトロイ!・)製の乾燥抽出物と
して得られ、2.54重重量型量%の(pff tR残
基を含有していた。′これを90°C〜100°Cの水
に撹拌しながら@解−て水性寒天の5%コロイド状ゾル
を得た。このゾルの形成後、温度を45℃〜60℃に低
下させてからアスパルターゼλ有全+?:lI胞を導入
した。ゾルの温度を45°C以下に低下させると寒天ゾ
ルがゲル化する。60’Cよりはるかにjj(7Jい温
度は全細胞が寒天ゾルに添加されたとき1lll IK
I内酵;)ソの熱変性の可能性があるので!Iiけなげ
ればならない。使用されたアスパルターゼ含有バチルス
・メガテリウム微生物は遠心分離により講縮X1:ll
l胞ペーストまたはスラリーとして得られブこ。この糸
1■1.lll包ペーストまたはスラリーを0.25〜
0.50答量部の水対1,0重量音lSのバ’III 
1胞(湿j寺)と混合してもつと容易に加工1〜易い細
胞塊にする。
この時点でアスパルターゼ含有バチルス・ツガチリウム
糸111ノ向を任意(、でフマール酸アンモニウム基質
+7) 1.5 M、@液とインキュベートできろ1,
05乗軟部の細71熊ペーストまたはスラリ一対10容
量部の上記基質を使用して25°Cで12〜16時間保
陽すると観察、さン冗る細j胞内アスパルターに活性か
3倍迄増加する。この観察されるイ舌1生のj胃加が固
定化の際にも糸[f持されると、至適生産性のある反応
4系の設、計が可能となる。
r+dll胞ペーストまたはスラリー(前処理または未
処理)は次いで寒天ゾルと混合する前に攪拌しなから4
5’Cに加熱しなげればならない。この細胞ペーストま
たはスラリーを次いで0.25〜0.75重歌部(湿時
)の細胞対1.0容量部の5%寒天ゾルの比で撹拌しな
がら加える。温度を混合段階の間45°C〜60℃に維
持してゲルfヒを防止する。
均一な細胞と寒天との混合物を−110〜12.01/
時間の速度で直径0125インチのノズルを通して10
°C〜15°Cに維持され攪拌された0、10〜5.0
M無機ナトリウム塩溶液に注入する。この細胞と寒天の
混合物1容量部を4容量部の上記冷塩溶液に、寒天と細
胞の混合物の連続的添加流を維持するような速度で注入
する。寒天の繊維に細胞をとじ込めて固定化したものは
上記攪拌された生理塩溶液の表面に接触するやいなや形
成する。すべての寒天と細胞との混合物を上記塩溶液に
加えた後、触媒繊維をラッグ(Lapp )フィルター
を通してf過して集め、10〜20容量の水で洗った。
触媒繊維中の湿めった細胞の重量は触媒全重量(湿時)
の30〜40%である。触媒繊維を、次いで包んだベッ
ドカラム反応器中で使用し易くなるまで]、 5 Mフ
マール酸アンモニウム基質溶液中に入れておいた。
固定化細胞カラム反応器の設計はL−アスパラギン酸の
産生が至適にあるようにする。至適触媒充填量は典型的
には07重量部(湿時)の触媒繊維対]0容紙部の反応
器内空間である。1.5 Mフマール酸アンモニウム基
質溶液は15〜30床容量(カラl、の)7時間で、p
1イ8.5〜9.0で37°C〜・15°Gの’liA
度でカラムに通ず。良い設計のカラムでは代表的には9
8%のし一アスパラギンぷ2モル収率が・得られる。生
成物は連続的結晶化によりノJラム溶出流から直接沈殿
する。咳連続的結晶化は、溶出流のρ1(を硫酸によっ
て32に調節し、伺もれた■7−アスパラギン酸結晶を
30分間顆粒化させることによる。
本発明は種々の醇素系に等しく適用できる。たトエハ、
ペニシリンアシラーゼ、グルコースイソメラーゼ、グル
コースオキシダーゼ、フマラーゼ、インベルターゼ、シ
ス−トランスマレイン酸イソメラーゼ、およびL−アス
パテートβ−デカルボキシラーゼなどが本発明の方法に
よって固定化できる。ペニシリンアシラーゼが必要な場
合、プロテウス・レットゲリの細胞が使用できる。グル
コースイソメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、フマラ
ーゼ、インベルターゼ、シスートランスマレイン酸イン
メラーゼまたはL−アスパルテートβ−デカルボキシラ
ーゼを含有する細胞の固定化が望ましいときは、使用で
きる微生物はストレプトマイセス(Streptomy
ces ) 、バチルス(Bacillus )、アセ
トバクター(Acetobacter )、シュードモ
ナス(Psoudomonas )  およびアスペル
ギルス(Aspergillus )属の微生物である
。このタイプの微生物は必然的に無傷の生4+++胞で
はないが、本発明で使用する前に物理的または化学的に
処理できる。本発明の方法によって寒天繊維中に細胞外
の醇累すなわち醇素そのものをとじ込めることも可能で
ある。
本発明の方法の態様は下記例によって詳しく説明される
例   I NZアミンBとコーンステイープリカー基質で28℃、
pi−I B、 5で18時間好気条件下に生育させた
バチルス蕾メガテリウム(Bacillus mega
tertum)(ATCC21209)発酵ブロスを1
50005’で15分間遠心分離した。遠心分離l−だ
細胞N景(湿時)は発酵プロスリットル当り347g−
であった。細胞を固定化する前に、56.(1−の湿っ
た細胞を約100 ?n1)1.5 Mフマール酸アン
モニウム溶液中で16時間25℃に保持した。この懸濁
液を次いで15000Pで15分間遠心分離した。湿っ
た細[1復収景は38.0 g−(すなわちフマール酸
−アンモニウム基質中で・fンキーベーションしたとき
得られた細胞の湿時重連の32%が損失した。)これら
の処理された細胞のアスパルターゼ活性は湿った細胞1
1当り1時間当り生成された約517fのL−アスパラ
ギン酸であった。
90°C〜95℃の水63m1に、3,3y−のバクト
ーアガール(Bacto −Agar ) (ミシガン
州テトロイトのデ1′フコラボラトリーズ製)を加え、
この混合物をコロイド状のゾルが形成するまで90℃〜
95℃テ攪拌した。次いでこのゾルを攪拌しながらゆっ
くりと55℃〜60℃に冷却した。5%寒天ゾルの55
℃における粘度は640センチポイズであった。
処理されたバチルス・メガテリウム細胞35g−に9.
 Omlの水を加え、細胞スラリーを攪拌しながら45
°〜50°Cに加温した。この加熱した細胞スラリーを
次いで攪拌しながら且つ温度を50℃以上に維持しなが
ら5%寒天ゾルに加えた。細胞寒天懸濁液をよく混合し
て細胞な均一に分散させた。
細胞−寒天懸濁液を55°Cに維持し、直径0125イ
ンチのノズルを通して約1リツトル/時間の速度で10
°〜15°Cに維持され攪拌された3、0M塩化ナトリ
ウムの溶液44.0 mlに注入した。固定化アスパル
ターゼを含有するバチルス・メガテリウム細胞を寒天繊
維内にとじ込めたものは、上記寒天−細胞懸濁液を冷生
理塩溶液の表面と接触させるとすぐ形成した。この細胞
を固定化した繊維をランプ(’ Lapp )フィルタ
ーで沢取し、水で洗った。この触媒繊維の湿時重量は1
06g−でそのうち約33%(35,01は固定化され
たバチルス・メガテリウム細胞であった。
触媒繊維のアスパルターゼ活性はゲル12当り時間当り
生成されたL−アスパラギン酸約1.681、すなわち
固定化細胞IP(湿時)当り時間当り生成されたL−ア
スパラギン酸508fであった。したがって寒天−触媒
繊維中の活性の保持は処理された未固定化全細胞の活性
の98.2%であった。
この触媒繊維なカラム反応器で使用するまでフマール酸
アンモニウム基質中に保持した。
例   2 例1において調製されたアスパルターゼ含有触媒繊維9
5?を1471rd! (2,5t)m×30 onb
)のジャケット付ガラスカラムに充填した。45°Cに
維持した水を上記カラムのジャケントに還流させ、1、
5 Mフマール酸アンモニウム基質溶液(10ミリモル
Mg++イオン含有)を前以って加熱するのに使用した
。前以って加熱された基質をカラムを通(7て7.3’
 5 ml1分(30床容量/時間)の速度で注入(上
から下へ)し、溶出物を集めた。溶出物をHPLC(高
速液体クロマトグラフィー)で分析したところL−アス
パラギン酸が98,3%のモル収率で生成していること
がわかった。58%硫酸溶液で溶出物をρ日調節(3,
2に)することによって生成したL−アスパラギン酸を
回収した。回収率は、結晶化と顆粒化温度(45℃〜2
5°C)に依って84%〜94%(乾燥時重量)であっ
た。
例   3 グルコース基質の上で28°CでpH6,8〜70で好
気条件下に生育させたプロテ゛ウス・レットゲリ(Pr
oteusrettgeri)(ATCC31052(
ATCC9,250))の培養物を遠心分離1−1分離
した細胞を水で洗った。洗った細胞501湿時)を25
m1Eの水と混合し、細胞スラリーを45℃に加熱した
。5%寒天水溶液(バクトーアガール(Bacto −
Agar ) (ディフコ製)100ilを95℃で調
製し55℃に冷却した。前以って加熱l−だプロテンス
・レットゲリ(Proteus rettgeri )
の細胞スラリーを寒天溶液と混合し、温度を55℃に維
持した。
尽天と細胞のスラリーを日経0125インチの供給チー
ーブを通して10リットル/時間の速度で700 ml
の(党拌され5〜10℃に維持された3、OMvA化す
トリウム水溶液に注入した。ペニシリン−アンラーゼを
含有するプロテウス・レットゲリ(Proteus r
ettgeri )細胞を寒天繊維にとり込んだものは
寒天と細胞のスラリーを上記生理食塩水と4妾触さぜろ
とすぐ形成した。この繊維の湿時重量は] 73F−で
あった。
ペニシリンアンラーゼの活性についての研究は228′
!−の繊維な56ωI#X3.3ffiLのシリンダー
状のガラス反応器に充填された繊維触媒について行った
。この反応器の温度は37°GK維持され、10屯量/
容量%のペニシリンGカリウム塩(p” s、o )溶
液]、、011ノトルな前以って37℃に9口熱し、2
21〜4.8.7原紙1t/時間(29,9〜65.9
m1Z分)の流速で反応器に通して再循環させた。水i
゛1安化アンモニウム(1,ON)を再循環させたペニ
シリンG基質に加えてpHを8.0に維持した。そして
反応の進行は、添加された水酸化アンモニウムの量を監
視すること及び残留するペニシリンGをHPLC分析す
ることにより追跡された。反応器を3時間操作した後の
転化収率は19%であった。
(外5名)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)下記段階(a)ないしくC)よりなる酵素含有微
    生物の細胞を固定化する方法: (a)  上記細胞を約45°〜60℃の温度で約1.
    0〜8.0重量/重量%の硫酸残基を有する寒天水溶液
    と接触させ: (b)  無機ナトリウム塩の0.10〜5.0M溶液
    を約O°〜20℃の温度で、上記(a)で形成された混
    合物の流れ〆接触させて細胞を含有する寒天繊維を形成
    させ: (c)上記細胞を含有する寒天繊維を回収する。
  2. (2) (a) 上記寒天が20〜30重量/重量%の
    硫酸残基を有し、 (b)  上記無機ナトリウム塩の溶液が塩化ナトリウ
    ムの30〜5.0M溶液であり、 (c)上記の塩溶液が5°〜15℃の温度である特許請
    求の範囲第1項の方法。
  3. (3)上記微生物の細胞がアスパルターゼ(アスパラギ
    ン酸アンモニウム分解酵素)を含有している特許請求の
    範囲第1項記載の方法。
  4. (4)微生物の細胞がペニシリンアシラーゼを含有する
    特許請求の範囲第1項記載の方法。
  5. (5)アスパルターゼを含有する微生物細胞がバチルス
    ・メガテリウム(Bacillus megateri
    um )のものである特許請求の範囲第3項記載の方法
  6. (6)上記ペニシリンアシラーゼ含有微生物細胞がプロ
    テウス・レットゲリ(Proteus rettger
    i )のものである特許請求の範囲第4項記載の方法。
  7. (7)バチルス・メガテリウム(Bacillus m
    egaterium)のアスパルターゼ含有細胞をまず
    フマレートまたはアスパルテートイオンの01〜2.0
    M溶液と15〜45℃で接触させる特許請求の範囲第3
    項記載の方法。
  8. (8)細胞含有寒天繊維をp+i3.0〜95で約25
    ゜〜55℃ノ温度でフマール酸アンモニウムのO1〜2
    .0M溶液と接触させる特許請求の範囲第3項記載の方
    法。
  9. (9)固定化された酵素含有微生物、fζITI胞を含
    有する寒天繊維、。
  10. (10)上記細胞がバチラス・メガテリウム(Baci
    llus megaterium )のものである特許
    請求の&ip1間、凧9項記載の繊維。
  11. (11)上記細胞がプロテウス・レットケリ(Prot
    eus rettgeri )のものである特許請求の
    範囲第9項記載の、(1維。
JP59092739A 1983-05-09 1984-05-09 微生物の固定化方法および固定化微生物を含む寒天繊維 Granted JPS59205981A (ja)

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