JPS6170976A - 生化学反応装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は生化学反応装置に関し、詳しくは、基質に２段
の生化学反応を段階的に順次に行なわせて、所要の反応
生成物を得ることができる生化学反応装置に関する。

（従来の技術） 生化学反応、例えば、代表的には、酵素反応は医薬品、
食品等の製造の過程で既に一部工業的にも実施されてい
るが、従来は、このような酵素反応は、酵素を基質の水
溶液に溶解させ、この水溶液中で行なわせている。しか
し、このような方法によれば、反応条件を一定に維持し
つつ、新鮮な酵素を補給したり、また、反応後に酵素を
失活させることなく、生成物と酵素を分離することが非
常に困難であり、酵素が不経済に消費され、そのうえ、
反応が回分式であるから生産性に劣る問題がある。

このような問題を解決するために、近年、粒子状の水不
溶性の担体に酵素又はこれを生産する生細胞を固定化し
、その分離回収を可能とした固定化剤を反応容器内に充
填し、この反応容器に基質溶液を導入して酵素反応を行
なわせることが提案され、また、一部では既に実用化さ
れている。即ち、通常、セルロース、デキストラン、ア
ガロース等の多Ｗ類の誘導体やポリアクリルアミドゲル
等の合成重合体からなる径１龍乃至数置の粒子中に酵素
や生細胞を包括法により固定化した固定化剤を反応容器
に充填し、これに基質溶液を導入して固定化剤と接触さ
せ、酵素反応を行なわせる。

しかし、このような担体粒子に酵素や生細胞を固定化さ
せた従来の固定化剤を用いる生化学反応によれば、先ず
、反応容器に充填した際に固定化−剤が強度に乏しいう
えに、更に、固定化剤を調製する化学的過程において酵
素が失活することが多く、酵素活性の高い固定化剤を得
ることが一般に困難である。また、一旦、固定化した酵
素や生細胞が生化学反応の過程において担体粒子から離
脱し、固定化剤の酵素活性が経時的に速やかに低下する
問題もある。このように、従来の固定化剤を用いて工業
的に生化学反応を行なうには、固定化剤の強度、酵素活
性の安定性や反応生成物の収率の点等において、尚も大
きい難点がある。

また、生化学反応を工業的に利用する場合、基質に対し
て複数の反応を段階的に行なわせることを必要とするこ
とも多（、他方、基質や反応生成物が酵素や生細胞の周
辺に滞留するとき、これらが失活したり、或いは死滅す
ることがあることが知られている。従って、反応の安定
性及び高生産性を要求される実用的な生化学反応装置に
おいては、酵素や生細胞に対して滞留することなしに、
基質溶液及び反応生成物溶液の円滑な流れを確保するこ
とが重要であり、従来より強く要請されている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は従来の生化学反応における上記した問題を解決
し、また、上記した要請に応えるためになされたもので
あって、生細胞又は酵素の活性を高く保持しつつ、生化
学反応を安定に且つ長期間にわたって行なうことができ
る生化学反応装置を提供することを目的とし、特に、２
段の段階的な生化学反応を基質溶液や反応生成物溶液の
滞留なしに、安定して連続して行なわせると共に、最終
反応生成物に基質が混入することのない分離効率にすぐ
れた生化学反応装置を提供することを目的とする。

（上記問題点を解決するための手段及び作用効果）本発
明による生化学反応装置の第１は、・（ａ）　　反応液
の導入口と導出口とを有する反応容器と、 （ｂ）　　一端が上記導入口に接続され、他端が閉塞さ
れ、壁体が第１の反応生成物は透過させるが、基質は透
過させない限定された透過性を存する透過膜よりなる円
筒状支持体と、 （ｃ）　　この円筒状支持体の内側空間に充填され、基
質に第１段の反応を行なわせるための第１の生細胞浮遊
液又は固定化酵素が封入されてなり、上記生細胞及び固
定化酵素は透過させないが、基質及び第１の反応生成物
は透過させる限定された透過性を有する透過膜よりなる
第１の細管と、（ｄｌ　　前記円筒状支持体の外側空間
に充填され、上記第１段の反応により生成した第１の反
応生成物に第２段の反応を行なわせるための第２の生細
胞浮遊液又は固定化酵素が封入されてなり、上記第２の
生細胞及び固定化酵素は透過させないが、第１及び第２
の反応生成物は透過させる限定された透過性を有する透
過膜よりなる第２の細管とからなることを特徴とする。

以下に実施例を示す図面に基づいて本発明による生化学
反応装置を説明する。

第１図は本発明による第１の生化学反応装置の実施例を
示す。

基質溶液及び反応生成物溶液、即ち、反応液の導入口１
と導出口２とを有する反応容器３内に円筒状支持体４が
容器軸方向に共軸的に配設されており、この円筒状支持
体はその一端において上記導入口に接続され、他端は液
体を透過させない底壁５にて閉塞されている。

本発明の装置においては、基質に所定の第１段の反応を
行なわせるための第１の生細胞浮遊液又−は固定化酵素
が封入されてなり、生細胞及び固定化酵素は透過させな
いが、基質及びこの第１の生細胞又は固定化酵素による
第１の反応生成物は透過させる限定された透過性を有す
る透過膜よりなる第１の細管６が、上記円筒状支持体の
内側空間７に充填されている。従って、導入口より反応
容器内に供給された基質は、第１の細管の壁体を透過し
、この細管内において所定の第１段の反応を受けて、第
１段の反応生成物を生成する。尚、図示した実施例にお
いては、第１の細管６は容器軸方向に集束されて、円筒
状支持体の内側空間内に充填されているが、細管の充填
の態様はこれに限定されるものではない。　　　　　　
　　　　　　一本発明の装置においては、上記円筒状支
持体４の壁体８は、この第１段の反応生成物は透過させ
るが、基質は透過させない限定された透過性を有する透
過膜よりなることが必要であり、かくして、基質は円筒
状支持体の壁体を透過することを阻止されて、円筒状支
持体の内側空間７内に留まり、第１の反応生成物のみが
円筒状支持体の壁体８を透過して、その外側空間９に供
給される。

尚、上記円筒状支持体４の壁体８に強度を与えるために
、必要に応じて、多数の穿孔を施した紙、樹脂、セラミ
ックス等からなる円筒体１０の内面又は外面に上記した
限定された透過性を有する透過膜を形成してもよい。

円筒状支持体の外側空間９には、上記第１段の反応によ
り生成した第１の反応生成物に所定の第２段の反応を行
なわせるための第２の生細胞浮遊液又は固定化酵素が封
入されてなり、この第２の生細胞及び固定化酵素は透過
させないが、第１の反応生成物及び目的とする第２の反
応生成物は透過させる限定された透過性を有する透過膜
よりなる第２の細管１１が充填されている。

従って、前記のように、外側空間に供給された第１の反
応生成物は、第２の細管の壁体を透過して、この細管内
において所定の第２の反応を行なって、第２の反応生成
物を生成する。

この外側空間における第２の細管の充填の態様も特に制
限されないが、図示した実施例においては、第２の細管
は連続した長尺管であって、円筒状支持体の周囲に螺旋
状に巻回されている。しかし、第２の細管は環状であっ
て、支持体の周囲に輪切り状に隣接して巻回されていて
もよい。更に、必要に応じて、二重又はそれ以上に巻回
されていてもよい。

本発明において、「生細胞」とは、真核細胞、原核細胞
を問わず、一般に培養可能な細胞を意味し、例えば代表
例として、従来より発酵工業において用いられている各
種カビ、酵母、細菌、放線菌等を挙げることができる。

また、「生細胞浮遊液」とは、培養した上記生細胞を遠
心分離等の適宜の手段によって濃縮し、適当な水性媒体
中に懸濁させた水性懸濁液を意味する。また、固定化酵
素とは、酵素を不溶性担体粒子、好ましくは水分散微粒
子担体に固定化し、適当な水性媒体中に懸濁させた水性
懸濁液を意味し、酵素の固定化方法は、例えば、千畑一
部編集「固定化酵呆」第９〜６１頁（昭和５０年３月２
０日講談社発行）に記載されているように、既に種々知
られており、本発明においては、かかる従来の方法のい
ずれによる固定化酵素をも用いることができる。

本発明において、円筒状支持体、第１又は第２の細管を
形成するための透過膜は、前記したように、それぞれ限
定された透過性を有することが必要であり、用いる生細
胞又は固定化酵素、基質及ｄ／又は反応生成物、特にそ
の大きさに応じて適宜に選ばれるが、通常は、かかる透
過膜としては、平均孔ｍｏ、ｏｓ〜０．３μｍの微孔を
有する微孔質膜や限外濾過膜から適宜に選ばれる。特に
、限外濾過膜の場合は、分画分子量が１０００〜１００
万程度である膜から適宜に選ばれる。

更に、反応容器の体積当りの反応量は、細管の表面積や
細管内の生細胞量等によって大きく規定されると共に、
細管社実用的な強度を与えるために、本発明においては
、細管は内径が０．２〜５龍の範囲にあることが好まし
いが、しかし、これに限定されるものではない。また、
細管の長さは、前記したように、内側空間への充填の態
様や、支持円筒上への巻回の態様によって適宜に選ばれ
、特に制限されない。

上記のような細管に生細胞浮遊液又は固定化酵素を充填
するには、例えば、細管開口端部を上記浮遊液中に浸漬
し、毛管現象を利用して細管内に浮遊液を充填する方法
、細管開口端部を浮遊液に浸漬し、他端開口から浮遊液
を吸い上げて充填する方法、注射針等にて細管内に注入
充填する方法等、任意の方法によることができる。かか
る浮遊液を充填された細管は、例えば、ヒートシールや
硬化性樹脂にて開口端が封止される。

上記のような第１の反応装置によれば、導入口から反応
容器内に供給された基質溶液は、先ず、円筒状支持体４
の内側空間７において、第一１の綱−管６の壁体を透過
し、細管内において所定の第１段の反応を行なって、第
１段の反応生成物を生゛成する。

ここで、円筒状支持体の壁体８は、第１段の反応生成物
は透過させるが、基質は透過させないので、第１段の反
応生成物のみが選択的に円筒状支持体の外側空間９に送
られ、ここで、再び、第２の細管１１の壁体を透過して
、細管内において第２の反応のための生細胞に接触しで
、所定の第２段の反応を行なう。この第２段の反応生成
物は第２の細管の壁体を透過して、第１段の反応生成物
と共に外側空間から反応容器の導出口２を経て、反応容
器外に導かれる。従って、この装置によれば、基質を含
まない第１及び第２の反応生成物のみを選択的に得るこ
とができる。

本発明による生化学反応装置の第２は、（ａ）　　反応
液の導入口と導出口とを有する反応容器と、 （１））　　一端が上記導入口に接続され、他端が上記
導出口に接続され、壁体が第１の反応生成物は透過させ
るが、基質は透過させない限定された透過性を有する透
過膜よりなる円筒状支持体と、（ｃ）　　この円筒状支
持体の内側空間に充填され、基質に第１段の反応を行な
わせるための第１の生細胞浮遊液又は固定化酵素が封入
されてなり、上記第１の生細胞及び固定化酵素は透過さ
せないが、基質及び第１の反応生成物は透過させる限定
された透過性を有する透過膜よりなる第１の細管と、（
ｄ）゛前記円筒状支持体の外側空間に充填され、上記第
１段の反応により生成した第１の反応生成物に第２段の
反応を行なわせるための第２の生細胞浮遊液又は固定化
酵素が封入されてなり、上記第２の生細胞及び固定化酵
素は透過させないが、第１及び第２の反応生成物は透過
させる限定された透過性を有する透過膜よりなる第２の
細管と、（ｅ）　　前記内側空間に反応液を循環させる
ために、前記導出口とぶ入口とを接続する第１の循環管
と、（ｆ）　　前記外側空間に第１段の反応生成物溶液
を循環させる第２の循環管とからなることを特徴とする
。

第２図はこのような第２の装置の実施例を示す。

この装置においては、円筒状支持体４がその一端におい
て反応容器３の反応溶液導入口１に接続されていると共
に、他端において導出口２に接続され、かくして、反応
容器と円筒状支持体とは共軸的に二重管を形成しており
、更に、上記導出口と導入口との間に円筒状支持体の内
側空間に反応液を循環させるために、ポンプ１２を備え
た第１の循環管１３が配設されている。

円筒状支持体の内側空間７には、前記と同様に、基質に
所定の第１段の反応を行なわせるための第１の生細胞浮
遊液又は固定化酵素が封入されてなり、生細胞及び固定
化酵素は透過させないが、基質及びこの第１の生細胞又
は固定化酵素による第１の反応生成物は透過させる限定
された透過性を有する透過膜よりなる第１の細管６が充
填されている。上記円筒状支持体４の壁体８は、この第
１段の反応生成物は透過させるが、基質は透過させない
限定された透過性を有する透過膜よりなることは前記と
同じである。

この外側空間９には、上記第１段の反応により生成した
第１の反応生成物に所定の第２段の反応を行なわせるた
めの第２の生細胞浮遊液又は固定化酵素が封入されてな
り、この第２の生細胞及び固定化酵素は透過させないが
、第１の反応生成物及び目的とする第２の反応生成物は
透過させる限定された透過性を有する透過膜よりなる第
２の細管１１が充填されている。

この第２の装置においては、また、円筒状支持体の外側
空間９に第２の反応生成物及び未反応の第１の反応生成
物の溶液を循環させるために、ポンプ１４を備えた第２
の循環管１５が配設されている。

従って、この第２の反応装置によれば、導入口から反応
容器内に供給された基質は、円筒状支持体の内側空間に
おし）て、第１の細管壁を透過して細管内で第１の生細
胞又は、−走化酵素と接触して、所定の第１段の反応を
１テなって、第１の反応生成物を生成し、この反応生成
物のみが円筒状支持体の壁体を透過して、円筒状支持体
の外側空間に案−内される。この間、未反応の基質及び
第１の反応生成物の一部は、第１の循環、管１３によっ
て反応液導出口２から導入口１に循環される。

第１の反応生成物の残余、は”、円筒状支持体の壁体を
透過して外側空間に至り、ここで第２の細管の壁体を透
過し、細管内において第２の反応を行なわせるための生
細胞又は固定化酵素に接触し、所定の反応を行なって、
目的物である第２の反応生成物を生成する。この第２の
反応生成物は、一部は未反応の第１の反応生成物と共に
第２の循環管１５によって外側空間を循環さｉ、残余は
反応生成物導出口１６から未反応の第１の反応生成物と
共に反応容器外に導かれる。

更に、この第２の装置によれば、基質溶液は円筒状支持
体の内側空間を強制的に循環され、また、第１及び第２
の反応生成物溶液も外側空間を強制的に循環される。

、　このように、本発明の装置によれば、基質に対して
２段の反応を段階的に行なわせることができるので、例
えば、アルコール生産や、アセトン・ブタノール生産等
に好適に用いることができる。

即ち、アルコール生産の場合には、第１の細管内に固定
化グルコアミラーゼ浮遊液を充填し、第２の細管内にＳ
ａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ　ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ等の
アルコール発酵菌浮遊液を充填し、基質としてデンプン
を用いることにより、デンプンは第１段の反応としてグ
ルコースに変化し、このグルコースは第２段の反応によ
ってアルコールに変化する。

また、アセトン・ブタノール生産の場合には、第１の細
管内に固定化グルコアミラーゼ浮遊液を充填し、第２の
細管内にＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ　ａｃｅｔｏｂｕ−ｔ
ｙｒｉｃｉｕｍ等のアセトン・ブタノール発酵菌浮遊液
を充填し、基質としてデンプンを用いる。上記と同様に
、デンプンは第１段の反応としてグルコ−スに変化し、
このグルコースは第２段の反応によってアセトン及びブ
タノールに変化する。

（発明の効果） 本発明の生化学反応装置によれば、以上のように、第１
段及び第２段の反応を行なわせるための生細胞浮遊液又
は固定化酵素浮遊液がそれぞれ前記したような限定され
た透過性を有する透過膜よりなる細管内に封入されてい
るので、従来の生細胞又は酵素を固定化した粒子状担体
を反応容器に充填してなる反応装置と異なり、生細胞及
び固定化酵素は強度を有する細管内に保護されているう
えに、生細胞についていえば、これは反応容器内におい
て細管内に遊離状態で封入され、拘束されているのみで
あるので、かかる細管を調製する過程で失活することが
なく、高い生細胞活性を保持することができ、また、固
定化酵素については、微粒子担体に固定化されていても
、細管内では微粒子は浮遊状態にあって、固定化酵素は
高い運動の自由性を有するので、基質又は第１の反応生
成物との接触機会が多く、か（して、従来の反応装置と
異なり、高い反応効率にて反応生成物を得ることができ
る。

また、本発明の装置によれば、基質に単一の反応容器内
において段階的に第１及び第２の反応を連続して行なわ
せることができると共に、最終反応生成物である第２の
反応生成物を基質の混入なしに得るようにすることもで
きる。

更に、前記したように、循環管を付設した装置によれば
、基質溶液、及び第１及び第２の反応生成物を含む溶液
がそれぞれ滞留することがないので、生細胞の失活なし
に、安定して且つ効率よく目的とする反応生成物を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１の生化学反応装置の実施例を
示す断面図、第２図は本発明による第２の装置の実施例
を示す断面図である。 １・・・導入口、２・・・導出口、３・・・反応容器、
４・・・円筒状支持体、５・・・底壁、６・・・第１の
細管、７・・・内側空間、８．・・・円筒状支持体の壁
体、９・・・外側空間、１１・・・第２の細管、１３・
・・第１の循環管、１５・・・第２の循環管、１６・・
・反応生成物導出口。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）反応液の導入口と導出口とを有する、反応
   容器と、 （ｂ）一端が上記導入口に接続され、他端が閉塞され、
   壁体が第１の反応生成物は透過させるが、基質は透過さ
   せない限定された透過性を有する透過膜よりなる円筒状
   支持体と、 （ｃ）この円筒状支持体の内側空間に充填され、基質に
   第１段の反応を行なわせるための第１の生細胞浮遊液又
   は固定化酵素が封入されてなり、上記生細胞及び固定化
   酵素は透過させないが、基質及び第１の反応生成物は透
   過させる限定された透過性を有する透過膜よりなる第１
   の細管と、 （ｄ）前記円筒状支持体の外側空間に充填され、上記第
   １段の反応により生成した第１の反応生成物に第２段の
   反応を行なわせるための第２の生細胞浮遊液又は固定化
   酵素が封入されてなり、上記第２の生細胞及び固定化酵
   素は透過させないが、第１及び第２の反応生成物は透過
   させる限定された透過性を有する透過膜よりなる第２の
   細管とからなることを特徴とする生化学反応装置。
2. （２）（ａ）反応液の導入口と導出口とを有する反応容
   器と、 （ｂ）一端が上記導入口に接続され、他端が上記導出口
   に接続され、壁体が第１の反応生成物は透過させるが、
   基質は透過させない限定された透過性を有する透過膜よ
   りなる円筒状支持体と、（ｃ）この円筒状支持体の内側
   空間に充填され、基質に第１段の反応を行なわせるため
   の第１の生細胞浮遊液又は固定化酵素が封入されてなり
   、上記第１の生細胞及び固定化酵素は透過させないが、
   基質及び第１の反応生成物は透過させる限定された透過
   性を有する透過膜よりなる第１の細管と、 （ｄ）前記円筒状支持体の外側空間に充填され、上記第
   １段の反応により生成した第１の反応生成物に第２段の
   反応を行なわせるための第２の生細胞浮遊液又は固定化
   酵素が封入されてなり、上記第２の生細胞及び固定化酵
   素は透過させないが、第１及び第２の反応生成物は透過
   させる限定された透過性を有する透過膜よりなる第２の
   細管と、 （ｅ）前記内側空間に反応液を循環させるために、前記
   導出口と導入口とを接続する第１の循環管と、 （ｆ）前記外側空間に第１段の反応生成物溶液を循環さ
   せる第２の循環管とからなることを特徴とする生化学反
   応装置。