JPS61181388A - 生物学的方法および該方法に使用されるマトリツクス - Google Patents

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】 発明の技術分野および背景 本発明は、生物学的方法およびその実施のために便用さ
れるマトリックスに関するものである。

本明細賽に使用された用語“生物学的方法°は、バクテ
リア、イースト、カビ、櫟函、動物細胞、ヒトの細胞、
植物細胞、蛋白質、酵素の如き“生物学的触媒１の使用
を含む方法を意味する用語である。以下の文節では、こ
の生物学的触媒を“触媒“と記載する。

生物学的方法には２糧類あって、その１つは酸素供給下
に実施さｎる方法（好気性の方法）であり、他の１つは
酸素を供給せずに行われる方法（嫌気性の方法）である
。前者の種類の方法では、基質含有液と酸素含有ガス（
たとえば空気、酸素富化空気、または純粋な空気）ｔ−
触媒に供給し、これによって触媒自体を生長させ、禦殖
させ、および／またに代謝物質を生成させる。後者の方
法すなわ）嫌気性の方法でに、酸素含有ガスは供給しな
い。

所望生成物は触媒自身またはその一部（７′ｃとえば単
細凪蛋白員の製造の場合）、触媒の細胞外代謝物′ｘ（
たとえばペニシリン）、または触媒の細肥内代藺物負（
７′Ｃとえば生長ホルモン）であり得る。または、生物
学的方法は、基質含有液からの或物負の味去を包含する
ものであり得、その例には生物学的減成による汚水処理
かあげられる。これらの櫨々の方法を組合わせて実施す
る場合もある。

これらの種々の生物学的方法は周知であるから、ここで
その詳細を説明することは不必要であろう。

生物学的方法の実施の際の諸条件、たとえば基質含有液
の組成、圧力、温度等は、周知の生物学的方法において
用いられている条件設定方法と同様な方法によって適宜
設定できる。たとえば、生物学的方法に晋通に用いられ
る圧力は常圧であり、温度は約Ｏ・−１００℃、一般に
２０−８０℃、好ましくは２０−４０℃である。

好気性の生物学的方法における生成物の生産性に、一般
に種々の相の利用可能界面の広さ、すなわ）酸素含有ガ
ス（気相）／基質含有液（液相）／触媒（固相）の界面
の広さである。オＵ用可ＭＱ界面が大きければ大きい程
、生産性はますます高くなる。嫌気性の生物学的方法に
おいても生成物の生産性は利用可能界面の広さに左右さ
れるが、酸素含有ガスが存在しない点が異なっている。

生物学的方法でに一般に、細胞濃度または生産性をでさ
るだげ高くするのが好筐しい。

生物学的方法をできるだけ有利に実施できるようにする
ために、基質含有液および酸素含有ガス（好気性の方法
の場合：記載の簡略化のために、以下では“空気１と略
称する）の供給を効果的に行うことが重要である。好気
性の方法でに、一般にｉ實含有液に触媒を導入し、この
基質含有液中を空気を微細気泡の形で通過させることに
よって一４質含有液を酸化する操作が行われる。空気の
微細分割の度合、換言すれば酸素移動（ｔｒａｎｓｆｅ
ｒ）の効率は、生物学的反応器における攪拌強度に実質
的に左右されるものである。攪拌強度の上＠値は触媒の
生理学的特性によって規定される値である。すべての生
物、特に菌糸体を生ずる薗（・カビ）やバクテリア、動
物細胞、植物細胞は、烈しい攪拌のときに生ずる剪断応
力に敏感である。もう１つの非常によく昶られている技
術は、触媒を不活性担体（たとえば鉱滓等の破砕物、砕
石、軽石等）に担持させ、担体上に担持（ま几は被覆）
された触媒からなる触媒床に基質含有ＩＦ！、を流し、
かつ触媒床に空気を供給することからなるものである。

この技術の一例として、生物学的触媒床を用いる汚水処
理があげられる。これらの公知方法では、触媒に酸素を
最適効率で供給することが困難である。実際には、触媒
が酸素を利用できるようにするために、触媒を包囲する
基質含有液である液相の中に酸素を拡散させなければな
らない。液相中への拡散に一般に非常に遅く、そしてこ
の拡散は、この生物学的方法の進行速度を決定する律速
段階である。したがって、この酸素移動を促進、加速す
るための種々の提案がなされ、たとえば攪拌、空気（気
泡）の微細化、基質含有液の微細化（液滴化）等の試み
がなされた。これらの手段は成程度の改善をも友らすけ
れども、これらは大量のエネルギーを要するものである
。

たとえば空気供給（曝気）工程の慄作費は、工場におい
て最昼の黄用である装置費や原料賃に次ぐ高額の賀用で
あることが多い。’Ｅ′ｆｃ気液接触面を種火させるた
めの前記微細化は、一般にあま９犬なる幼果を奏さない
。基質含有′ｌｅＣを微細化してＷ！ｉ滴にしたとして
も、各液滴はそ匹ぞれ実買的なｎ虚や容賞金有し、空気
は比較的長い時間の後においてのみ液滴中に完全に波紋
できるにすき゛ず、すなわち、完全拡散のためにかなり
長い時間が必要である。

上記の説明から明らかなように、好気性の生物学的方法
の進行速度を決定する前記の系の改素移動の１］巨力が
、従来の糸では決して満足すべきものではなかった。す
なわちこのことが公知方法の橿種の欠点のうちで最も重
大な欠点であった。なぜならばこの段階が基質中におけ
る生成物の生産性ｌたは細胞濃度の最終値の上限値を決
定するからである。生物学的方法では、はとんどすべて
の場合において細胞濃度ま７’Ｃは生産性をできるだけ
大きくすることが好ましい。

発明の目的および構成 したがって本発明の主な目的は、既述の欠点を有さす、
しかも基質含有液および空気（好気性の方法の場合）を
触媒上に穏和にかつ効果的に供給する操作を確実に実力
できる新規な生物学的方法を提供することである。

本発明の別の目的は、前記の新規方法を具合よ〈実施す
るために使用され得る新規なマトリックスを提供するこ
とである。

前記の縮媒のためのマトリックスとして、測度に配向し
た繊維からなるミネラルウール質のマトリックスを使用
し、基質含有液をマトリックス中の繊維の主配向面内を
流動通過させた場合には、生物学的方法における生産性
が予想外に大きく改　′善でき、前記の目的が達成でき
ることが見出された。

上記の方法によって高配向性のミネラルウール負マトリ
ックスを使用したときに生産性が予想外に種火する理由
は未だ充分に判っていないが、繊維配向によって触媒が
薄いフィルムの形のマトリックス中の交叉−維の間、特
に繊維の交叉場所に付着することが前記の理由の１つで
あると思われる。

これらのフィルムは、触媒と同程度の厚みを有し、ただ
しその中の雁媒の数は非常に少なく、シたがって４買言
有漱および上気との接触面すなゎＴｒ５Ｊｆ−而が非常
に大さく、すなわ）利用可能界面が犬さいので、生産性
が鍋いのであると思われる。

触媒が薄いフィルムの形のマトリックス中の繊維の間に
付着する理由は禾だ充分に判っていない。

従来は、比較的大きいかまたは小さい塊（Ｌｕｍｐ）の
形の果合体の甲に触媒を付着させるべきであると思わｎ
ていた。しかしながら、このような塊の形の果合体の甲
では、触媒が基質含有液および空気と接触する機会が少
なく、すなわち利用可能界面が、本発明に従って提供さ
れる利用可能界面よりもかなり小さい。

本発明において、所期の効果を得るための条件の１つは
、’ｒｆ＋１記の扁配向繊維を有するミネラルクール質
マトリックスｔ−使用することである。本発明方法を実
施する場合には、基質含有液を、マトリックス中の王繊
維配回面内′ｔ−流動通過させるのである。

したがって本発明に、流体透過性マトリックス中に固定
された生物学的触媒に基質含有液を供給し、好気性方法
の場合には酸系含有ガスをも供給することからなる生物
学的方法において、生物学的方法をミネラルウール貴マ
トリックス内に固定し、このミネラルウールの繊維は主
配向面を有し、このマトリックスの凍維の全量の６Ｕ％
以上は、前記の主配向面からのずれが最高２０°にすぎ
ず、前記の基質含有液を、前記マトリックスに供給して
、このマトリックス中の前記主配向面内を通過させるこ
とを特徴とする方法に関するものである。

本発明はまた、前記の生物学的方法に使用される流体透
過性マトリックスにおいて、ミネラルウールからなり、
この繊維は主配向面を有し、このマトリックスの繊維の
全長の６０％以上は、主配向面からのずれが最高２０’
にすぎないことを特徴とする流体透過性マトリックスに
も関する。

本発明のさらに別の種々の性徴に、特許請求の範囲の欄
の実施悪＠項に記４ｇされている。

ミネラルウール尋からなるマトリックスを水の処理のと
きに生吻字的処理床として使用すること自体に成に公知
であって、たとえばスウェーデン（ｓｇ）特許出願第７
３０８６８０号および第７５０２０５７号１３１ａ誉に
記載されている。

本発明では、ミネラルウール、好１しくはガラスウール
からなる繊維質マトリックスを使用する。

この繊維質マトリックスは、本発明のマトリック・スに
要求されるすべての性質を有する。要求される性質の例
には、不活性であること、ガスおよび液の波動に対する
抵抗性が低いこと、寸法安定性が良好であること等があ
げられる。このマトリックスに安価に製造できる。

密度２５ｔ９７ｍ３のガラスウール質マトリックス（こ
の密度１直は、普通の建材用ガラスウールパネルの密度
値と大体同じである）においてに、その全体積の約１％
がガラスからなり、９９チは空孔である。

このマトリックスヲ構成する繊維の平均直径はｆＪｌ−
５１ＪＯμｍ、好１しくに約１−１００μｍ。

最も好’ｙｔ、＜は約１−２０μｍである。

本発明に係るミネラルウール負マトリックスの繊維に主
配向面をＭし、繊維の全景の６０−以上に、主配向面か
らのずれが最高２０°である。好１しくに、繊維の全長
の７０％以上は主配回面からのずれが厳１ｊｌＦＪ２０
°であり、最も好ｌしくに、繊維の全景の８Ｕ％以上こ
の条件をみたすべきである。

本発明に係るミネラルウール質マトリックス中の繊維の
主配向面は、たとえば次の方法で形成できる。マトリッ
クスの製造の際に、繊維を取付けるべき基体の速度全常
用速度より大きくシ、これによって基体面をマ）　ＩＪ
ツクス用織繊維主配向面に等価なものにし、すなわ）基
体面を主配回面にするのである。しかしながら本発明で
は、繊維の主配向面を形成させる方法に関し如何なる限
定条件もなく、任意の適当な形成方法が利用できる。

本発明では、上記の形成方法の種類とは無関係に、各マ
トリックスは主配向面を有し、繊維全長の６０チ以上は
主配回面からのずれが最高２０°であるべきである。

本発明のマトリックスに三次元的構造を有し、すなわち
こ２′Ｌハ、互いに直交ぜる６つの面の各々において、
これらの面が繊維の直径の１ｕ惜以上の貴さをもつとい
う程度の大きさを有する。この三次元的形状の繊維質マ
トリックスの自己支持性を増大させるために、マトリッ
クス中の繊維をその交叉部において相互に接着でき、こ
の接着は化学的１７ｔは機械的接看手波によって行うこ
とができ、し友がって接着部には化学結合ｌたは機械的
結合（ｂｏｎｄｓ）が生ずる。化学的接着方法の例には
、フェノール樹脂等の重合体系接着剤を用いて繊維ｔそ
の交叉部において相互に接着させることがあげられる。

接着方法の別の例には、繊維をその交叉部において、加
熱または溶剤の使用によって相互に融着ま几に溶層、す
ることがあげられる。機械的接着方法の例には当該繊維
を縫着することがあげられる。このような接着操作を行
つｆＣ俊の三次元的形状のマトリックスに実質的に元号
な自己支持ａｔ−！ｔ、、Ｌ、７！ｃがつ℃、このマト
リックスのためのカプセル法の特別な保持Ａに一般に不
必要である。しかしながら、マトリックス部材に支持平
波を設けるのが好ましい硼盆もあり得るであろう。

この叉持手反は簡単かつ安１曲な手段でよってよく、た
とえば金Ｎ４または有孔雀属板の如きガス透過性の壁Ｓ
栴成材が使用できる。

最も簡単な具体例について述べれば、この場合のマトリ
ックスは、実質的に同じ寸法および性質を有する繊維か
ら構成されたものであり、すなわちこのマ）　ＩＪラッ
クス同種繊維体（ｆｉｂｒｅ　ｂｏｄｙ）からなるもの
である。このマトリックスの垂直境界壁に、その下流側
の液が浸透するのを防ぐために、マトリックスの垂直な
外面に疎水性化処理管行うことができ、たとえば、これ
らの外面の繊維を疎水性の油また重合体で処理でき、し
かしてこの処理はそれ自体公仰の方法によって実施でき
る。

この処理を行った後には、これらの外面すなわち外ｌ−
の繊維は液に濡れず、この理由によって、ガス圧低下反
忙低く保ちながら液の投入を防ぐことができるのである
。この構造のマトリックスでは、マトリックスの外ノー
かその内部の湿縛性の膚のための外側境界壁として役立
ち、ここは液を透過しないかガスに透過できる。

本発明のマトリックスの別の具体例について述べる。こ
のマトリックスは多ノーマトリックスであり、すなわち
このマトリックス体は、繊維の直径、繊維直径分布、繊
維長、密度等が互いに異なる複数の繊維ノ曽からなるも
のである。しかしてこれらの膚はそ２″Ｌ；ｆ：れ別々
の盾からなるか、筐たばその末端部が互いにつながって
いるものであってよい。

これらの繊維層に、液の流動方向に各層が互いに平行に
累積してなる積Ｉ一体であるか、あるいは各層が同心的
に積層した積層体であることが好ｌしい０各虐がそれぞ
れ別々の層である場合には、これらの＃ｉは互いに直接
に係合させるか、または、これらのノーヲそｎぞれ酸中
間層を介して係合させることができ、この中間層は好ｌ
しくに疎水性のものである。

本発明方法′ｆ：実ゐする場合には、最初に繊維質マト
リックス中にＰ！１Ｌｌｆｆｉ’ｅ導入し、すなわ）、
触媒をマトリックスにグラフトさせるのである。これは
久の方法に従って実施でき、すなわ）触媒自体ｌたは触
媒−濁液（触媒を適当な液に懸濁させたもの）を繊維質
マトリックスに供給し、そのフィルター作用（ｆｉｌｔ
ｅｒ　ａｃｔｉｏｎ　）によってその中に保持させるの
である。

倉たに作られたセル（ｃｅｌｌｓ）の初期保持作用およ
び真後の保持作用の両者に、純粋なスクリーニング作用
（機械的作用）の他に、触媒と繊維との間の別の種類の
相互作用〔たとえば′１気的吸引力、化学結合、界面物
理化学的接層現象、流動学的現象、面上生長（口ｎｇｒ
ｕｖｔｈ）寺〕にも関連するものであろうと、しわれる
。

すべての触媒がマトリックス中にすぐ付着してそこで保
たｎるかと５かは明らかでない。触媒がマトリックス中
にすぐに保持されるかどうか明らかでない場合には、成
牛に厚媒ｔｍ濁させ、この液を再傭櫨させ、マトリック
ス中に再導入するのが有利である。この再＊ａ？は、マ
トリックス中への触媒のグラフトがｆｆｒ望＠度ｌで行
われるｌで株返すのが好ましい〇 前記のグラフトｍ作のために使用さする触媒含有懸濁液
は、触媒の生長のために必要な栄養素をすべて含有する
完全基貴含有液から構成されたものであってもよく、あ
るいは１櫨またにそれ以上の必渕栄誉系を含ｌない不元
全基買含有液であってもよく、これによって、触媒の生
長は多少妨けられるが触媒の代耐活性は所望通りに維持
できる。

哉媒がマトリックス中にグラフトされｔ後に、この生物
学的方法が実施でき、すなわち、基質含有液を供給する
ことによってこの生物学的方法が開始できる。好気性の
方法の場合には空気もマトリックス中を通過させる。２
！ｌ！ｉｉ賀含有液は前記の主起同面の方向に供給する
。この主起凹面をマトリックス中で垂直方向に形成し、
基質含有液をマトリックス中にその上部から供給し、こ
の液が重力によってマトリックス中を透過するようにす
るのが好ましい。しかしながら、基質含有液の供給およ
びマトリックスの配置を別の方法で行うことも可能であ
る。どの場合でも一４貴含有にはマトリックス中を主起
同面の方向に流動通過すべきであるという乗件は守らな
ければならない。好気性の方法では、空気に基質含有液
の流動方向との関連下に任意の流動方向で流動させるこ
とができ、たとえば、基質含有液の流動に対して交叉ｉ
　（Ｃｒｙ）８８ｆｌａｗ）　、同流ｌたは並流の形で
流動させることができるが、本発明方法では一般に交叉
流が好ましい。基黄金Ｍｇをマトリックスに供給する前
に、基質含有液中に空気を飽和させるという供給方法に
よって空気を供給することも可能である（この場合には
、空気を別個にマトリックス中に流入させる操作は行わ
れない）。

本発明およびその効果を具体的に例示するために、次に
実施例を示す。しかしながら本発明の範囲は、火して界
施例記載の範囲内のみに限定されるものではない。

実施例 カンテン含有斜面培地で栄養素含有カンテン（Ｄｉｒｃ
ｏ）　ｆ用いて培ｘｉれた肺炎桿窮（Ｋｌｅｂｓｉｅｌ
ｌａｐｎｅｕｍｏｎｉａｅ　；　ＡＴＣＣ１５６８Ｌｌ
　）　ｋ、５Ｑ［］ｍ容菫のＥ−フラスコの甲で生長媒
質２００−にグラフトした。このフラスコには木綿ウー
ルの栓をした。生長媒質は次の物質からなるものであっ
た。

グルコース　　　　　　　　　　　　　　　１０　ｇ／
−ｅ（ＮＨ４）　２８０４　　　　　　　　　　　　　
５゜５ｇ／Ｊ３ＫＨ２Ｆ０．　　　　　　　　　　　　
　　　　２．０ｆｉ／−ｅＮａ２ＨＰＯ４２、Ｏｇ／−
ｅ ｕｇＳｏ、−７Ｈ２ｏ　　　　　　　　　　　　　　Ｏ
，４ｆｉ／−８−は７．０に調節 このＥ−フラスコｔ−６７℃において回転振動テーブル
上に置き、２００回転／分の回転速度で回転振動させた
。回転移動距離は６Ｑ　ａｘであつ之。

この対数増殖期の終期にこの菌を集め、このセル懸濁液
〔濁９度６−０　（６２０ｎｍ　）　）　４０　ｍｌを
、既述の生長媒＊３６０１１１Ｊｔ−含有する反応器に
入れて、グラフト操作を行った。

この反応器は、体積０．６６−ｅのガラスウール買マト
リックスを有し、このガラスウール繊維の主配向面は垂
直に配置した。この反応器に、その頂部から液を供給し
て底部から液を取出して排出するかまたは再循環させる
装置全取付けた。さらにまた反応器に、反応器の中を垂
直方向に流動する液ｇを横切るように反応器中を冥貞的
に水平方向にガスを流動させる装置を取付けた。反応器
中のは素消費量を測定するために、供給ガスおよび排出
ガスの各々の酸素含意を測定できるようにした。

この反応器を最初に６時間にわたって回分式反応器（バ
ッチ反応器）として使用し、この期間中は、肺炎卑菌は
生長媒質を消費して生長するようにした。この回分操作
段階では、反応器に次の条件下に操作した。

反応器を通る空気の流量　　　　　０．５　ｉ／ｆ＋再
循環流ｉｔ　　　　　　　　　　　　２００１吟勢媒員
の再循環量（容量＞　　　　　　４００　ｒ１１１温度
　　　　　　６７°Ｃ ｐ）ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　７．０前記の
再循環条件？保）ながら、６時間後に、反応器内盆リー
フｇ　＊　（１ｅａｎ　ｍｅｄｉｕｍ　）すなわ）低磯
度媒貢會連続的に流動さぜる操作を開始した。

このリーン味質は前記の生長媒質と同じ成分からなるが
、各成分の濃度上Ａｏに減少させたものであった。この
場合には反応器を物寅壌境制御装置として使用し、希釈
率は１．２５時−１であった。

４８時間後に、酸素吸収率（反応器の単位容積轟り）を
測定した。

上記の酸素吸収率（反応器の単位容槓当Ｖ）の測定実験
を繰返した。ただし今回は、前記のガラスウール質マト
リックスの代りに、繊維配向度が異なる別のガラスウー
ル質マトリックスを使用し友。繊維の配向度は、マトリ
ックス中の繊維全体　　ｌ（その全長で表わす）を基準
として、偕繊維主配向面からのずれが最高２０°にすぎ
ない繊維の全長。

の割合（％）で表示した。

次いで、反応器の単位谷積当りの酸素消費量（相対値：
％）をマトリックス中の繊維の配向度の関数としてグラ
フ用紙上にプロットした。〔この配向度は、繊維の主配
向面からのずれが最大２０°Ｃである繊維全長の百分率
（マトリックス中の全体の繊維の全長基準）として表示
された値である〕。得られたグラフを第１図に示す。

このグラフから明らかなように、マトリックス中の繊維
全土配回面内に強く配回させ、一層具体的にいえば全鐵
維長の６０％以上がマトリックス中の繊維の主配向面か
ら液筒２０°しかずれないように配向させたときに、反
応器の効率が改善され、すなわち酸素消費ｆ（相対１１
［）が著しく壇加することが確認された（この場合の主
配向面は、マトリックス中を通過する液の流動方向と平
行である）。

【図面の簡単な説明】

添附図面は、反応器の単位答積轟りの酸素消費量（相対
値：ｑ６）と、主配向面からせいぜい２０゜しかずれて
いない繊維全長の割合（％：マトリックス中の繊維全体
の全長基準）との関係を示すグラフである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体透過性マトリックス中に一定された生物学的
   触媒に基質含有液を供給し、好気性方法の場合には酸素
   含有ガスをも供給することからなる生物学的方法におい
   て、生物学的触媒をミネラルウール質マトリックス内に
   固定し、このミネラルウールの繊維は主配向面を有し、
   このマトリックスの繊維の全長の６０％以上は、前記の
   主配向面からのずれが最高２０°にすぎず、前記の基質
   含有液を前記マトリックスに供給して、このマトリック
   ス中の前記主配向面内を通過させることを特徴とする方
   法。
2. （２）マトリックスの繊維の全長の７０％以上は、主配
   向面からのずれが最高２０°にすぎないことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）マトリックスの繊維の全長の８０％以上は、主配
   向面からのずれが最高２０°にすぎないことを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）流体透過性マトリックス中に固定された生物学的
   触媒に基質含有液を供給し、好気性方法の場合には酸素
   含有ガスをも供給することからなる生物学的方法に使用
   される流体透過性マトリックスにおいて、ミネラルウー
   ルからなり、この繊維は主配向面を有し、このマトリッ
   クスの繊維の全長の６０％以上は、主配向面からのずれ
   が最高２０°にすぎないことを特徴とする流体透過性マ
   トリックス。
5. （５）マトリックスの繊維の全長の７０％以上は、主配
   向面からのずれが最高２０°にすぎないことを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項に記載のマトリックス。
6. （６）マトリックスの繊維の全長の８０％以上は、主配
   向面からのずれが最高２０°にすぎないことを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項に記載のマトリックス。