JPS6170977A - 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、物と酵素を分離子ることが
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
ガロース等の多糖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鶴乃至数龍の粒子内に酵素
や生細胞を包括して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がら濯脱
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
とも多く、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う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は、 （ａ）　　基質溶液の導入口と導出口とを有する反応容
器と、 （ｂ）　　上記反応容器内に収容された反応生成物導出
管と、 （ｃ）　　基質に第１段の反応を行なわせるたψ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　　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）　　開口端が上記反応生成物導出管にその軸方向
に沿って導通されていると共に、上記反応生成物導出管
の周囲に螺旋状に巻回された袋状の透過膜を備え、 （ｆ）　　前記第１の細管が上記袋状透過膜の外面間に
充填されていると共に、前記第２の細管が上記袋状透過
膜の内面間に充填され、 （ｇｌ　　前記袋状透過膜の壁体が基質は透過させない
が、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図及び第２図は本発明による生化学反応装置の実施
例を示す。

第１図に示すように、基質溶液の導入口１と導出口２と
を有する反応容器３内に、後述する反応生成物のための
導出管４が容器軸方向に共軸的に配設されており、この
反応生成物導出管はその一端が閉塞され、他端は開口さ
れて、反応容器から反応生成物を得るための反応生成物
導出口５をなす。反応生成物導出管４は、第３図にも示
すように、その軸方向に適宜幅の溝６を穿設されており
、この溝に沿って袋状の透過膜７の開口端８が例えば接
着する等の方法にて固定され、袋状透過膜の内面が反応
生成物導出管に導通されている。この袋状透過膜は、上
記開口端８を起点として反応生成物導出管４の周囲に螺
旋状に巻回積層されている。

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９が、上記袋状透過膜７の外
面間に充填されている。図示した実施例においては、第
１の細管は容器軸方向に隣接して袋状透過膜の外面間に
配列充填されているが、しかし、第２の細管の充填の態
様は上記例示に限定されるものではない。

この袋状透過膜７の内面間には、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。

この袋状透過膜の内面間における第２の細管１１の充填
の態様も特に制限されないが、図示した一実施例におい
ては、第２の細管は、袋状透過膜の螺旋方向に沿って螺
旋状に巻回されている。しかし、第２の細管の充填の態
様はこれに限定されるものではない。

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「固定化酵素」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、袋状透過膜、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、基質及び／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、平均孔径０．０５〜０．３μｍ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、
細管に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、袋状透過膜の外面間や
内面間への充填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。

更に、本発明の装置においては、第４図に示すように、
袋状透過膜７の間に第１の細管９を密度高く充填し、或
いは袋状透過膜内に第２の細管１１を密度高く充填した
ような場合に、袋状透過膜の内外において基質溶液及び
反応生成物溶液の流路を形成して、その円滑な流れを確
保する−ために、袋状透過膜の外面及び／又は内面に適
宜のスペーサ１２や１３を設けることができる。このス
ペーサは、これを流路として液体の流れを確保し得るよ
うに多孔質であれば、特に、その素材及び形態は制限さ
れないが、例えば、不織布やメツシュ等が好適に用いら
れる。

更に、本発明の装置によれば、第１図に示すように、基
質溶液を導出口２から導入口１に循環させ、反応容器内
に循環して供給するために、ポンプ１４を備えた循環管
１５が配設されている。

従って、この反応装置によれば、袋状透過膜は基質を透
過させず、一方、第１の細管の壁体は基質を透過させる
ので、導入口から反応容器内に供給された基質は、先ず
、第１の細管の壁体を透過し、第１の細管内で第１の生
細胞又は固定化酵素と接触して、所定の第１段の反応を
行なって、第１の反応生成物を生成し、この第１の反応
生成物は第１の細管の壁体を透過し、ここに、袋状透過
膜の壁体は基質は透過しないが、この第１の反応生成物
は透過させるので、第１の反応生成物の一部は袋状透過
膜内に透過し、更に、第２の細管の壁体を透過して、第
２の生細胞又は固定化酵素と接触して、所定の第２段の
反応を行なって、第２の反応生成物を生成する。

次に、袋状透過膜内で第２の細管内で生成した第２の反
応生成物は、袋状透過膜内にとどまり、−その内側を強
制的な液流れによって前記開口端８に至り、反応生成物
導出管４に案内され、未反応の第１の反応生成物と共に
反応生成物導出口５から取り出される。一方、袋状透過
膜は基質を透過させないので、未反応の基質は第１の反
応生成物の残余と共に、循環管１５によって反応容器内
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（、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、生細胞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（、かくして、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、基質溶液の循環管を有するので、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、生細胞又はｉ素の失活なしに、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図は要部を示す部分切欠き斜視図、第
３図は反応生成物導出管の要部を示す部分切欠き斜視図
、第４図は袋状透過膜、第１及び第２の細管の要部を示
す断面図である。 １・・・基質溶液導入口、２・・・基質溶液導出口、３
・・・反応容器、４・・・反応生成物導出管、５・・・
反応生成物導出口、６・・・溝、７・・・袋状透過膜、
９・・・第１の細管、１０・・・袋状透過膜の壁体、１
１・・・第２の細管、１２．１３・・・スペーサ、１５
・・・基質溶液循環管。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）基質溶液の導入口と導出口とを有する反応
   容器と、 （ｂ）上記反応容器内に収容された反応生成物導出管と
   、 （ｃ）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）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）開口端が上記反応生成物導出管にその軸方向に沿
   つて導通されていると共に、上記反応生成物導出管の周
   囲に螺旋状に巻回された袋状の透過膜を備え、 （ｆ）前記第１の細管が上記袋状透過膜の外面間に充填
   されていると共に、前記第２の細管が上記袋状透過膜の
   内面間に充填され、 （ｇ）前記袋状透過膜の壁体が基質は透過させないが、
   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
   ることを特徴とする生化学反応装置。