JPS5950313B2 - 微生物菌体固定化繊維およびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は微生物菌体固定化繊維及びその製造法に関する
ものである。

酵素の高度な反応特異性と効率化を利用して工業プロセ
スとしてアミノ酸、異性化糖などの生産が行なわれるよ
うになり、今後益々各種の産業において新しい利用開発
の進展が期待されている。

酵素反応を工業的プロセスとして採用するには反応過程
における酵素の循環利用を可能にしなければならず、酵
素の固定化が盛んに検討されている。

しかし、微生物菌体から酵素を抽出、分離すく操しかし
、微生物菌体から酵素を抽出、分離する操作が面倒なた
め、また、菌体内の酵素は菌体外に取り出すと一般に不
安定になる場合が多い等の点から、特に近年、微生物菌
体の固定化が盛んに研究されている。

微生物菌体固定化剤としては、第１にＤＥＡＥ−セルロ
ース、ＤＥＡＥ−セファデックス及び陰イオン交換樹脂
の粉末体や微生体に吸着担持させたもの、第２にグルタ
ルアルデヒド等で架橋させたもの、第３にポリアクリル
アミド等で抱括したもの等が知れている。

しかし、工業的な規模として用いられる固定化剤は操作
が簡単で安価であることが望ましい。

第１の固定化剤は価格が高いうえ粉末体や微生体のため
操作が面倒であり、カラムに充填した時の通液性が極め
て悪い。

第２の固定化剤は架橋剤を使用するため操作が面倒であ
り、また、酵素活性が低い。

第３の固定化剤は抱括操作が面倒であり、機械的な刺激
でこわれやすく、カラムに充填した時の通液性が悪い０ このようにこれらの固定化剤は夫々重大な短所を有し、
なお改良の必要がある。

そこで、本発明者らは、これらの欠点を改良すべく税意
検討した結果、本発明に到達したものである。

即ち、本発明は塩基性アニオン交換繊維に微生物菌体を
吸着させてなる微生物菌体固定化繊維およびその製造法
を検討するものである。

本発明の微生物菌体固定化繊維を構成する塩基性アニオ
ン交換繊維とはアニオン交換基を有し、肉眼でも十分繊
維状であることを判断でき、しかも、容易に粉末化する
ことのない機械的強度を保持している繊維を意味し、Ｄ
ＥＡＥ−セルロース等の如きセルロースイオン交換体と
は全く異なる。

本発明に用いられる塩基性アニオン交換繊維としては、
重合体分子鎖に共有結合でもって結合しているアニオン
交換基を有する不溶性繊維が好ましく用いられる。

例えば、ビニルアルコール系繊維をスルホアルデヒドで
処理するか、ハロゲンアルデヒドでアセタール化した後
、アニオン交換基全導入した繊維、フェノール、ホルム
アルデヒド縮合物にアニオン交換基を導入した繊維、ポ
リ（モノビニル芳香族化合物）含有系に架橋基とアニオ
ン交換基を導入した繊維、アニオン交換基を有するビニ
ルモノマーを共重合したアクリル系繊維を架橋不溶化し
た蕨維等が用いられる。

その中でも、特に、ポリ（モノビニル芳香族化合物）と
補強用ポリマーからなる繊維に架橋基とアニオン交換基
を導入した繊維は機械的強度、耐久性、耐薬品性にすぐ
れ、好ましく用いられる。

ポリ（モノビニル芳香族化合物）（Ａ）、！：補強用ポ
リマー（Ｂ）からなる繊維としては、ＡとＢからなる単
純混合繊維、Ａを主体としてなるポリマーを鞘成分とし
Ｂを主体としてなるポリマーを芯成分とする杏鞘型（同
心型、偏心型）複合繊維、Ａを主体としてなるポリマー
にＢを主体としてなるポリマーが複数分散し、かつ、そ
れらが繊維軸方向に連続した多芯構造を有する多芯型複
合繊維（繊維軸方向にいずれの断面を切っても同じ多芯
構造を有している繊維）等が好ましく用いられる。

その中でも、特に、ポリ（モノビニル芳香族化合物）を
海成分の主成分とし、補強用ポリマーを島成分の主成分
とする多芯海島型複合繊維は、微生物菌体吸着量、糸強
度、耐久性、耐剥離性に優れ最も好ましく用いられる。

さらに、耐久性及び耐剥離性の面では、海成分がポリ（
モノビニル芳香族化合物）と補強用ポリマーとのブレン
ド体であることがより望ましい。

補強用ポリマーとしては、ポリエステル、ポリアミド、
ポリ−ミーオレフィン等のホモ重合体、又はこれらの共
重合体、ブレンド体が用いられる。

その中でも耐薬品性に優れたポリミーオレフィンが最も
好ましく用いられる。

ポリミーオレフィンとしてはポリプロピレン、ポリエチ
レン、ポリ−３−メチルブテン−１、ポリ−４−メチル
ペンテンなどが好ましく用いられる。

ポリ（モノビニル芳香族化合物）としてはスチレン、ａ
−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、
クロルメチルスチレン等のホモ重合体もしくはこれらの
２種以上の共重合体、およびタラフト重合体又はこれら
のブレンド体が好ましく用いられる。

前記ポリ（モノビニル芳香族化合物）と補強用ポリマー
からなる繊維に架橋結合とアニオン交換基を導入する方
法は任意であるが、特に、酸触媒下、ホルムアルデヒド
源で処理して−（ＣＨＲ）−（ここでＲは水素又はアル
キル基）なる架橋結合を導入した後、アニオン交換基を
導入する方法、酸触媒と膨潤剤の存在下で、ホルムアル
デヒド源およびアシルメチル化剤で処理して前記架橋結
合およびアシルアミノメチル基を導入した後、アシルア
ミノメチル基を公知の方法でアニオン交換基に変換する
方法が、反応も緩やかに進行して均一に架橋できるうえ
耐薬品性にもすぐれているので好ましい。

アニオン交換基としては、四級アンモニウム基を有する
強塩基性アニオン交換基、１〜３級アミノ基をもつ弱塩
基性アニオン交換基等が好ましく用いられる。

本発明を構成するアニオン交換繊維の繊維断面は円形の
ほか、非円形断面も表面積が大きくなるので好ましく用
いられる。

また、微生物菌体の大きさに応じた多孔性繊維も好まし
く用いられる。

繊維は通常０．１〜５００ｄ程度であるが、細すぎると
糸強力が小さくなり、取り扱いが難しい欠点を生じ、太
すぎると微生物菌体の吸着量が低下するため特に１〜５
０ｄが望ましい。

使用形態には限定がなく、フィラメント糸、パンチフェ
ルト、織物、編物、不織布、繊維束、詰め綿、短繊維管
種々の形態で用いることカニできる。

本発明を構成する微生物菌体とは、カビ（糸状菌）、酵
母菌、細菌、放線菌等を意味する。

本発明の微生物菌体固定化繊維は、含水度１．０以上の
前記アニオン交換繊維に微生物菌体けん濁液を接触させ
て微生物菌体を吸着担持させることによって製造するこ
とができる。

本発明において塩基性アニオン交換繊維に微生物菌体け
ん濁液を接触させて微生物菌体を吸着担持させる方法と
しては、例えば、微生物菌体けん濁液に塩基性イオン交
換繊維を浸漬して攪拌し、適当な吸着時間の経過後、繊
維を取り出して水洗する方法、あるいは塩基性アニオン
交換繊維を種種の方法で充填した固定層に、微生物菌体
けん濁液を適当々速度で通液して吸着させた後、水洗す
る方法等が好ましく用いられる。

本発明の製造法は、目的とする微生物菌体の性質により
、微生物菌体けん濁液のｐＨ１接触温度および接触時間
等を選別して行なうことができる。

本発明の製造法は、微生物菌体けん濁液と接触させるア
ニオン交換繊維の含水度が１．０以上であるところに特
徴があり、含水度が１．０未満のときは微生物菌体の吸
着量は極めて小さくなる。

含水度が大きくなるほど微生物菌体の吸着量は大きくな
るが、あまり大きすぎると糸の膨潤性が過大となり、取
り扱いが困難となるので、好ましくは１．５〜１０、特
に好ましくは２〜５がよい。

ここで含水度とは、乾燥イオン交換繊維０．１〜０．５
ｇ （Ｗ。

を微生物菌体けん濁液と同じ液で十分平衡化した後、糸
を取り出し十分紋ってから、ろ紙で繊維表面の水をぬぐ
って、ただちに重量（Ｗ）を測定する操作を３回繰り返
し、次式により求めた平均値である。

本発明の微生物菌体固定化繊維は、市販のイオン交換樹
脂（ゲル型およびＭＲ型）に比較して活性表面積が太き
いため微生物菌体の吸着量が非常に大きく、ＤＥＡＥ−
セルロース、Ｄ Ｅ；ＡＥ−セファテックスの如き微粉
末体や微粒体と同等程度の微生物菌体の吸着量を有して
いる。

また、本発明の微生物菌体固定繊維の製造法は非常に簡
単である。

そのうえ、繊維状のだめ微粉末体、微粒体に比べて取り
扱いが容易であり、さらに、使用形態を自由に選べるた
め、例えば、フェルト状の微生物菌体固定化繊維を用い
て口過面積を大きくすることによって、圧力損失を小さ
くすることができ高粘度の基質を容易に通液することが
できる。

また、本発明の繊維は微生物菌体が繊維表面に無数に吸
着しているため酵素活性率が非常に高い。

本発明によって固定化された微生物菌体が酵素活性を失
ったとき、微生物菌体の種類によっては水溶性塩類、鉱
酸、アルカリ溶液又は水溶性塩類と鉱酸もしくはアルカ
リ溶液との混合液等によって微生物菌体を脱着させた後
、再び、酵素活性を有する微生物菌体を固定化すること
ができる。

本発明の微生物菌体繊維は上記の如く、第１に微生物菌
体の吸着量が大きいこと、第２に製造法が容易であるこ
と、第３に酵素活性率が非常に高いこと、第４に再生処
理が可能なこ払第５に取り扱いが容易であること、第６
に使用形態を自由に選べること等の特徴を有している。

本発明の微生物菌体固定化繊維を用いて酵素反応をバッ
チ法及び通液容易な繊維充填密度に形成して固定床式法
によって連続的に行うことができる。

また、固定化され七いる微生物菌体の特異的な作用を利
用して工業用途、医療用途、分析用途等種々の用途に適
用することができる。

以下に実施例を示すが、これに限定されるものではない
。

なお、実施例中の菌体吸着量は菌体含有液の菌体濃度と
５５０ｍμの吸光度値の関係を調べ、検量線を作製して
求めた。

実施例 １ グルコースイソメラーゼナガゼ放線閑（ス：・レプトマ
イセス、フエオクロモゲネス、長瀬産業株式会社製）を
含有するけん濁液（０，０５ＭＮ ａ ＨＣｏ ３．０
．０１Ｍ ＭｇＣｌ２・６Ｈ２０Ｘ ｐＨ８，２）に下
肥する吸着剤を加え、室温で１時間攪拌し、菌体を吸着
させてグルコースイソメラーゼ放線菌固定化剤を得た。

吸着剤は１００考（乾燥状態）をｐＥ（８，２の水溶液
（０，０５Ｍ ＮａＨＣＯ３０，０１Ｍ ＭｇＣｌ
２・６Ｈ２０）で十分平衡化したものを用いた。

吸着剤として本発明による７種類の塩基性アニオン繊維
、及び比較例として強酸性カチオン交換繊維、キレート
繊維、市販のアンバーライ）ＩＲＡ−９３８、ＤＥＡＥ
−セファデックスＡ２５を使用した場合の結果を第１表
に示す。

強−基性ア＝オン交換繊維含水度２．５に固定化したグ
ルコースイソメラーゼ放線菌のグルコースイソメラーゼ
活性を調べたところ、吸着量の７１係に相当する酵素活
性を示した。

以下余白 実施例 ２ パン酵母菌を含有するけん濁液（蒸留水）に下記する吸
着剤を加えて、室温で１時間攪拌し、菌体を吸着させて
パン酵母菌固定化剤を得た。

吸着剤として本発明による６種類の塩基性アニオン交換
繊維、及び比較例として強酸性カチオン交換繊維、キレ
ート繊維、市販のアンバーライ）ＩＲＡ−９３８、ＤＥ
ＡＥ−セファデックスＡ２５を使用した場合の結果を第
２表に示す。

強塩基及び弱塩基アニオン交換繊維に固定化されたパン
酵母菌はそれぞれ１０係食塩水、及び１Ｎ−ＮａＯＨで
容易に脱離することができた。

実施例 ３ Ｌ−アミノラクタムハイドロレース酵母菌（Ｃｒｙｐｔ
ｏｃｏｃｃｕｓ Ｌａｕｒｅｎｔｉｉ ＴＯＲＡＹ２１
００）を含有するけん濁液（０，０５Ｍトリス緩衝液ｐ
Ｈ８，０）に下記する吸着剤を加え、室温で１時間撹拌
し、菌体を吸着させてＬ−アミノラクタムハイドロレー
ス酵母菌固定化剤を得た。

吸着剤はｐＨ８，０，０，０５Ｍ）リス緩衝液で十分平
衡化したものを用いた。

固定化剤として本発明による５種類の塩基性アニオン交
換繊維、及び比較例として強酸性カチオン交換繊維、キ
レート繊維、市販のアンバーライ）ＩＲＡ−９３８、Ｄ
ＥＡｇ−セファデックスＡ２５を使用＊＊した場合の結
果を第３表に示す。

弱塩基性アニオン交換繊維含水度２．０（１００噌）に
固定化したＬ−アミノラクタムノ・イドロレース酵母ｍ
（６，７”１９）のし−アミノラクタムノ・イドロレー
ス活性を調べたところ、吸着量の６７係に相当する酵素
活性を示した。

この繊維を１００℃の熱水に１５分間浸して、酵素活性
を失活させた後、ｌＮ−ＮａＯＨに浸して菌体を脱離さ
せた。

次に、繊維を水洗し、緩衝化して、酵素活性を有する菌
体を上記方法で吸着させたところ、６．５／ｌｌｆｔ固
定化され、吸着量の６５係に相当する酵素活性を示した
。

本発明の繊維は容易に再生処理が可能なことがわかる。

実施例 ４ アミノラクタムラセマーゼ細菌（Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃ
ｔｅｒｌｏｂａｅ ＴＯＲＡＹ １００５ ） を含
有するけん濁液に下記する吸着剤を加えて、室温で１時
間攪拌し、菌体を吸着させてアミノラクタムラセマーゼ
細菌固定剤を得た。

吸着剤はｐＨ８，０，０，０５Ｍトリス緩衝液で十分平
衡化したものを用いた。

固定化剤として本発明による５種類の塩基性アニオン交
換繊維、及び比較例として強酸性カチオン交換繊維、キ
レート繊維、市販のアンバーライトＩＲＡ−９３８、θ
ＥＡＥ−セファデックスＡ２５を使用した場合の結果を
第４表に示す。

弱塩基性アニオン交換繊維含水度３．５（１００／／２
！／）に固定化したアミノラクタムラセマーゼ菌（８，
４１Ｉ１９）のアミノラクタムラセマーゼ活性を調べた
ところ吸着量の５０％に相当する酵素活性を示した。

実施例１〜４より本発明では、含水塵が１．０以上にな
ると菌体吸着量が非常に大きくなること、強偕性カチオ
ン交換繊維及びキレート繊維、イオン交換樹脂アンバー
ライ）ＩＲＡ−９３８にはほとんど吸着されないことが
わかる。

また、ＤＥＡＥ−セファデックスＡ２５は本発明に近い
菌体吸着量を示したが、高価なうえに、微粒体のため取
り扱いが極めて面倒であり、カラムに詰めたときの通液
性が極めて悪かった。

本発明では、含水塵が大きいほど吸着量が大きくなるが
５．０以上になると、膨潤性が大きくなり取り扱いがや
や困難であった。

繊度は小さくなるほど吸着量は大きくなるが、■ｄ以下
になると単糸強力が弱くなり、取り扱いがやや困難であ
った。

本発明の繊維は糸強度も強く、取り扱いが極めて容易で
あり、フェルト状のものは特に通液性が良かった。

さらに、酵素活性が高く、いずれの場合も５０係以上の
活性を示した。

実施例１〜４で本発明の吸着剤に使用した塩基性アニオ
ン交換繊維及び比較例の強酸性カチオン交換繊維及びキ
レート繊維は以下の方法に従って作製したものである。

ポリメチレフ８０部とポリプロピレン２０部からなるチ
ップブレンド体を海成分、ポリプロピレンを島成分とし
て、海島比が５０：５０になるように２５０℃で溶融複
合紡糸（島成分１６）した後、５〜６倍に延伸すること
によって多芯海島型複合繊維（４０／／１０）１５０（
強度２８ｇ／ｄ。

繊度４．３ａ）を得た。

延伸糸をパラホルムアルデヒド５部、酢酸２５部、濃硫
酸７０部からなる架橋液に浸して９０℃で４時間架橋反
応を行ない、海成分のポリスチレンを架橋不溶化した。

次にクロルメチルエーテル８５部と塩化第２スズ１５部
からなる溶液に架橋糸を浸して、３０℃で１時間反応し
た。

反応終了後、１０係塩酸、蒸留水、アセトンで洗浄した
。

クロルメチル化糸を３０係トリメチルアミン水溶液に浸
して、３０℃で１時間アミン化することによって強塩基
性アニオン交換繊維（４０／／１０） １５ ｏ、含水
塵１．０（アニオン交換容量２．４ ｍｅｑ／ｇ、強度
１．２ ｇ／ｄ ）を得た。

なお、含水塵は菌体含有液と同じ液で十分平衡化した時
の値である。

架橋反応を１００℃で４時間、８０℃で２時間、及び６
０℃で２時間行なう以外は前述と同様の方法で反応処理
することによってそれぞれ強塩基性アニオン交換繊維（
４０／／／１０）１５０、含水塵０．８（アニオン交換
容量２．３ ｍｅｑ／ｇ ％ 強度１．１ｇ／ｄ ）
、２．５（アニオン交換容量２．６ ｍｅｑ／ｇｓ強度
１．５ ｇ／ｄ ）および４．０（アニオン交換容量２
、８ ｍｅ ｑ／ｇ 、強度１．６ ｇ／ｄ ）を得た
。

ポリスチレンとポリプロピレンの比率が５０：５０に
なるようにチップ混合し、２５０℃で溶融混合紡糸した
後、５〜６倍に延伸して単純混合繊維５０／１５０〔強
度２．４ｇ／ｄ、繊度３．９ｄ〕 を得た。

延伸糸の架橋処理を７０℃で２時間行なう以外は前述と
同じ方法で反応処理することによって強塩基性アニオン
交換繊維５０／１５０、含水度１．８（アニオン交換容
量２．８ ｍｅｑ／ｇ ％強度１．０ ｇ／ｄ ）を得
た。

前記多芯海島型複合繊維（４０／／１ ｏ） １５０の
延伸糸を硫酸４５部、ニトロベンゼン４５部、Ｎ−メチ
ロールアクリルアミド６部、パラホルムアルデヒド０．
０２部からなる液に浸し室温で２００時間反応処理て架
橋基とアクリルアミドメチル基を導入した。

反応糸を蒸留水、メタノールで洗浄後、濃塩酸に浸し１
０５℃で２０ｈｒ反応してアクリルアミドメチル基をア
ミノメチル基に変換することによって弱塩基性アニオン
交換繊維（４０／／１０） １５０、含水度１．４及び
２．０を得た。

これを塩酸に浸して塩素型にして蒸留水で水洗すると、
含水度３．５（アニオン交換容量３．２ｍｅｑ／ｇ、強
度１．６ ｇ／ｄ ）であった。

（このものは緩衝化せずに使用した。

）上記方法で得たアミノメチル化糸を１０係のモノクロ
ル酢酸ナトリウムと５％炭酸ナトリウムを含む水溶液に
浸して、１００℃で６時間反応することによってイミノ
ニ酢酸基を有するキレート繊維（４０／／１０）１５０
、含水度２．４（Ｃｕ＋＋交換容量２．０ｍｅｑ／ｇ、
強度１．０ｇ／ｄ）を得た。

前記、多芯海島型複合繊維（４０／／１０ ）１５０の
延伸糸をパラホルムアルデヒド５部、酢酸２５部、濃硫
酸７０部からなる架橋液に浸して８０℃で２時間架橋反
応を行なった。

次に、クロルスルホン酸の５係トリクレン溶液中に浸し
て、１５℃で２時間反応処理し、酢酸、メタノールで洗
浄した。

次に、２Ｎの水酸化ナトリウム水溶液中に浸して５０℃
で１時間加水分解することによって強酸性カチオン交換
繊維（４０／／１０ ）１５０、含水度３．０（カチオ
ン交換容量２．６ ｍｅｑ ／ｇ ％ 強度１．５ｇ
／ｄ）を得た。

以上の繊維は糸強度が１．０ｇ／ｄ以上であり、耐久性
、耐薬品性に優れたものであった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 塩基性アニオン交換繊維に微生物菌体を吸着させて
   なる微生物菌体固定化繊維。 ２ 含水度１．０以上の塩基性アニオン交換繊維に微生
   物菌体けん濁液を接触させて微生物菌体を吸着させるこ
   とを特徴とする微生物菌体固定化繊維の製造法。