JPS62134089A - バイオリアクタエレメントおよびその製造法 - 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） 本発明は、生化学反応に使用される酵素を含む微生物を
セラミックハニカム構造体に固定したバイオリアクタエ
レメント及びその製造法に関するものである。

（従来技術の説明） 近年、酵素を含む微生物を用いた生化学反応は急速に発
達し、有機合成、食品工業、分析化学等の分野に広く利
用されるようになった。この場合、微生物を反応後、生
成物等から分離し再利用することが要求され、これに答
えるものとして微生物の固定化法の技術が発展してきた
。

従来、微生物固定化方法としては、微生物を物理的に担
体に吸着させる物理的吸着法、水に不溶性のビーズ状、
ペレット状の各種担体に酵素を含む微生物を共有結合さ
せる共有結合法、２個またはそれ以上の官能基をもった
グルタルアルデヒド、ビスジアゾベンジジン等の架橋試
薬を用いて担体に微生物を架橋する架橋法、イオン結合
により微生物を担体に結合させるイオン結合法、あるい
は寒天、カラギーナン等の高分子のゲル格子の中に微生
物を包み込むか半透膜性の高分子皮膜で微生物を被覆す
る包括法等が知られている。

（従来技術の問題点） しかし、共有結合法や架橋法、イオン結合法は固定化に
よって微生物の性質が変化し、活性低下が大きい等の欠
点があり、また包括法は包括調整時での微生物の活性低
下に問題点があった。更にまたかかる包括法においては
、微生物活性を示すのはゲル表面だけである為、単位菌
体量当りの活性が低くなるという欠点や、圧力損失の増
大、固形物による流路の閉塞等の問題があった。

かかる包括法の問題点を解消する技術として担体にセラ
ミックハニカム構造体を用いる固定化法も本件出願人よ
り行われているが（特開昭６０−４３３８２号）、この
方法においては微生物を含むゲルを付着させる為セラミ
ックハニカム構造体の貫通孔の開口長さを大きくしなけ
ればならず、貫通孔の表面積に限界があった。

また、物理的吸着法においては、従来の担体ではその形
状から菌体と液との摩擦力に比べ、担体との相互作用が
弱い為、発酵時に微生物が遊離しやすいという問題があ
った。

そこで、本発明の目的は、微生物固定化時に、微生物活
性の低下が低い物理的吸着法において、従来の固定化に
比べ固定化微生物量が多くかつ、基質と微生物との接触
面積が大きく、担体から微生物が遊離しにくいバイオリ
アクタエレメントおよびその製造法を提供することにあ
る。

また本発明の他の目的は、圧力損失や流路の閉塞の問題
を解消すると共に、ガス発生を伴う場合は、ガスの散出
を容易にするバイオリアクタエレメントおよびその製造
法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は、上記問題点を解消すべく鋭意研究を行った
結果、物理的吸着法においては未だ使用されたことのな
かったセラミックハニカム構造体を担体として使用する
ことにより上記目的を達成し得るバイオリアクタエレメ
ントおよびその製造法が得られることを見い出し、本発
明を完成するに至った。

すなわち本発明は、酵素を含む微生物が無数の細孔を有
し、隔壁によって囲まれた複数の平行な貫通孔を有する
セラミックハニカム構造体の細孔内部に固定化されてい
るバイオリアクタエレメントに関するものである。

また本発明は、酵素を含む微生物を栄養素を含む水溶液
に懸濁させ、次いでこの溶液に無数の細孔を有し隔壁に
よって囲まれた複数の平行な貫通孔を有するセラミック
ハニカム構造体を浸漬してセラミックハニカム構造体の
細孔内部に液を浸透させ、しかる後にこの細品内部で微
生物を培養、増殖させて該微生物を細孔内部に固定させ
るバイオリアクタエレメントの製造法に関するものであ
る。

本発明に使用するセラミックハニカム構造体は、アルミ
ナ、ムライト、コージェライト等のセラミツク質から成
る。これはセラミックハニカム構造体が酵素を含む微生
物の固定化に最適の気孔径、気孔率を有すると共に、接
触面積が大きく確保でき、かつ圧力損失が小さいという
利点を有するからである。

このセラミックハニカム構造体の貫通孔の隔壁の平均気
孔径は１０μｍ〜１００μｍ１好ましくは３０μｍ〜７
０μｍである。平均気孔径が１０μｍ未満であると微生
物が細孔に入りに＜＜、１００　μｍを超えると、微生
物が細孔から流出しやすくなるからである。

また、セラミックハニカム構造体の貫通孔の開口長さは
ｌ　ｍｍ−５ｍｍ、好ましくは２　ｍｍ〜３　ｍｍであ
る。貫通孔の開口長さが１　ｍｍに満たないと、微生物
の固定化が容易かつ均一にならず、また気泡等により流
路が閉塞されて圧力損失が急激に増大することがあり、
逆に貫通孔の開口長さが５ｎ＋ｎ＋より大きくなると、
反応に必要なセラミックハニカム構造体の占める容積が
大きくなり過ぎる欠点が生ずるからである。

更に、セラミックハニカム構造体の隔壁中の空隙の割合
を示す気孔率は、３０％〜７０％、好ましくは４０％〜
６０％である。気孔率が３０％に満たないと反応に必要
な微生物量が足りなく、一方７０％を超えるとセラミッ
クスハニカム構造体の強度が低くなる問題が生じるでく
るからである。

本発明におけるバイオリアクタエレメントの製造法にお
いては、微生物懸濁液の温度を２５〜３５℃、液粘度を
０．５〜３０Ｃ，ｐ、とする。またセラミックハニカム
構造体の細孔内部に液を浸透させる際、アスピレータ等
による真空脱気法を利用すればセラミックハニカム構造
体の細孔内部の気泡を容易に除去でき、これに伴い微生
物の送入が速やかに行われる。この場合、セラミックハ
ニカム構造体は脱気される気泡が抜は易いようにセラミ
ックハニカム構造体の貫通孔が上下方向となるように配
置する。

次いで、微生物の培養においては、振盪培養して微生物
を増殖させ、細孔内部に微生物を充満させるのが好まし
い。

尚、本発明において使用可能な微生物には酵母菌類、細
菌類、放射菌類、カビ類等があり、酵素は微生物が固有
に含んでいる酵素である。

（実施例） 以下、本発明を実施例により説明する。

実施例１ アルコール発酵酵母サツカロミセス　セルビシ工を培養
液（酵母エキス０．１５％、ＮＨ，ＣＩ　０．２５％、
Ｋ２ＨＰ０．０．５５％、Ｍｇ５ｏ、・７Ｈ２００，０
２５％、ＮａＣ１０，１％、ＣａＣｌ２０．００１％、
クエン酸０．３％）にｐＨ５，４で１０５個／、ｍ１Ｆ
３濁させた。この液中にコージェライトハニカム構造体
を浸漬し、しかる後に１５分間アスピレータにより真空
脱気しながらセラミックハニカム構造体の細孔内部に液
を浸透させた。次いで３０℃恒温槽中で３日間浸種培養
し、酵母を増殖、固定化させた。尚、使用した２１種類
のセラミックハニカム構造体は第１表に記載する貫通孔
の開口長さ、気孔率および平均気孔径を有する。

次いで比較のために従来法の包括法で３種類のバイオリ
アクタエレメントを製造した。

先ず、この内の２種類は、酵母３０％懸濁液と３重量％
アルギン酸ソーダ水溶液とを温度４０℃にて混合し、ゲ
ル状液とした後にこの液中にセラミックハニカム構造体
を浸漬し、次いで付着ゲルの余分を圧縮空気により吹き
払うことにより製造した。

残りの１種は、同様のゲル状混合物を用い、これを硫酸
アルミニウム３重量％溶液中に滴下してビーズ状固定化
微生物として得た。

以上のようにして製造した各種バイオリアクタエレメン
トにつき、直径５ｃｍ、長さ３０ｃｍの反応管を用い、
この反応管の下部から２０重量％のグルコース水溶液を
４Ｑｍｌ／ｈｒで流入し、１５日間連続置換した後エタ
ノール生産量を比較した。得られた結果を第１表に示す
。

第１表の結果から明らかなように、本発明におけるバイ
オリアクタエレメントの方が従来法におけるバイオリア
クタエレメントよりもエタノール生産性が高かった。

これは、本発明品が直接担体に吸着されている為、従来
品に比べ細かい貫通孔の開口長さのセラミックハニカム
構造体に固定化でき、単位容積あたりの有効表面積が高
いこと、セラミックハニカム構造体の気孔率が太き（固
定化される酵母量が多いこと、セラミックハニカム構造
体の平均気孔径が酵母の固定化に最適であること、セラ
ミックハニカム構造体が平行な貫通孔を有する形状であ
る為、流体の摩擦による酵母の遊離が少ないこと、ビー
ズに比較して発生するガス気泡の上昇が容易で、逆混合
がおこりにくいことなどによる。

実施例２・ 貫通孔の開口長さ５ｍｍ、気孔率５０％および平均気孔
径５０μｍのセラミックハニカム構造体を使用し、実施
例１と同様にして本発明における物理的吸着法および従
来法における包括法で夫々バイオリアクタエレメントを
製造した。更にまた、実施例１と同様にしてビーズ平均
径３ｍｍのビーズ状バイオリアクタエレメントを製造し
た。

これらバイオリアクタエレメントにつき、実施例１と同
様のエタノール発酵においてその経時変化を見る為に１
００　日間連続発酵させた場合のエタノール生産量を測
定した。

得られた結果を第１図に比較して示す。

第１図の結果から明らかなように、本発明により製造し
たバイオリアクタエレメントの方が、従来法のそれに比
べて短い日数で安定生産領域に入り、かつ長期間高濃度
のアルコールを生産し続けていることが分かる。これは
セラミックハニカム構造体の気孔率が大きく、特に本発
明品においては気孔径も酵母の固定化に最適であり、か
つ酵母が直接グルコース溶液と接している為、酵母の増
殖が速いと考えられる。また本発明品おいては、酵母が
セラミックハニカム構造体の細孔内に固定化されている
為、グルコース溶液により流出しにくく、またセラミッ
クハニカム構造体の機械的強度が強い為、活性が低下し
ないと考えられる。

実施例３ 酢酸菌アセトバクター　アセチを前培養培地Ａ（１β中
、グルコース１０ｇ１ポリペプトン１０ｇ１酵母エキス
ｌＯｇ　、　：ｒ−クノール２０ｍ１１氷酢酸１０ｇ）
に１０６個／ｍ１ｊｌＪ濁させた。この液中に、貫通孔
の開口長さ１ｍｍ、気孔率５０％、平均気孔径５０μｍ
のコージェライト質セラミックハニカム構造体を浸漬し
、３０℃、ｐＨ＝３．３で４日間静置培養した。その後
セラミックハニカム構造体を前培養培地Ｂ（１β中、グ
ルコース１０ｇ１ポリペプトン１０ｇ１酵母エキス１０
ｇ、エタノール４０ｍ１、氷酢酸１０ｇ）に移し、３０
℃、ｐ＋＋＝３．３で３６時間浸盪培養した。このよう
にして得られたバイオリアクタエレメントを、直径５　
ａｍ、長さ２０ｃｍの管型反応管に入れ、反応管下部か
ら、前培養培地Ｂ組成の液を５Ｑｃｃ／ｈｒの速さで送
入すると共に、空気を２５０ｃｃ／ｍｉｎの速さで送入
した。温度３０℃、ｐＨ＝３．３に保ち酢酸菌による酢
酸発酵を行い、反応器出口での酢酸濃度を測定した。

また比較品として、３重量％アルギン酸ソーダで酢酸菌
を３　ｍｍのビーズに包括固定化し、本実施例と同じ条
件で酢酸発酵を行った。これら結果を第２表に比較して
示す。

第２表 第２表の結果から明らかなように、本発明品は比較品に
比べ酢酸濃度が高かった。これはビーズの場合、反応管
に送り込まれる空気により反応液が乱れ、逆混合が発生
する為、またセラミックハニカム構造体の貫通の開口長
さが短く、反応に関与している酢酸菌の付着面積が高い
為と考えられる。

（発明の効果） 本発明によるバイオリアクタエレメントは従来のバイオ
リアクタエレメントに対し、セラミックハニカム構造体
の貫通孔の隔壁面上に微生物を吸着させた結果、次の効
果を有する。

（１）貫通孔の開口長さが短いセラミックハニカム構造
体を固定化担体として用いている為、単位容積あたりの
微生物と溶液との接触面積が大きく、反応効率が高い。

（２）セラミックハニカム構造体が平行な貫通孔を有し
、かつセラミックハニカム構造体の貫通孔の隔壁面上に
微生物が固定化される為、溶液の流れの摩擦による微生
物の遊離が少ない。

（３）セラミックハニカム構造体の貫通孔の隔壁面上に
微生物を吸着させている為、反応の立上りが速く、また
機械的強度が強く、長期間活性が低下しない。

（４）セラミックハニカム構造体が平行な貫通孔を有す
る為、ガスが発生する発酵系において発生したガスは、
貫通孔内を通って容易に上昇、散出する為、反応の乱れ
、逆混合の発生が少なく、また固形物などによる流路の
閉塞が少ない。この結果圧力損失も小さい。

従って、本発明によれば各種のバイオリアクタエレメン
トに有効に利用でき、特に反応中のガス発生を伴うアル
コール発酵や空気を必要とする酢酸発酵および基質が高
粘性であるｌの糖化反応等に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、日数とエタノール生成量との関係を示すグラ
フである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酵素を含む微生物が無数の細孔を有し隔壁によって
   囲まれた複数の平行な貫通孔を有するセラミックハニカ
   ム構造体の細孔内部に固定化されているバイオリアクタ
   エレメント。 ２、セラミックハニカム構造体の貫通孔の隔壁の平均気
   孔径が１０μｍ〜１００μｍである特許請求の範囲第１
   項記載のバイオリアクタエレメント。 ３、セラミックハニカム構造体の気孔率が３０％〜７０
   ％である特許請求の範囲第１項に記載のバイオリアクタ
   エレメント。 ４、セラミックハニカム構造体の貫通孔の開口長さが１
   ｍｍ〜５ｍｍである特許請求の範囲第１項記載のバイオ
   リアクタエレメント。 ５、酵素を含む微生物を栄養素を含む水溶液に懸濁させ
   、次いでこの溶液に無数の細孔を有し隔壁によって囲ま
   れた複数の平行な貫通孔を有するセラミックハニカム構
   造体を浸漬してハニカム細孔内部に液を浸透させ、しか
   る後にこの細孔内部で微生物を培養、増殖させて該微生
   物を細孔内部に固定させるバイオリアクタエレメントの
   製造法。 ６、セラミックハニカム構造体の貫通孔の隔壁の平均気
   孔径が１０μｍ〜１００μｍである特許請求の範囲第５
   項記載のバイオリアクタエレメントの製造法。 ７、セラミックハニカム構造体の気孔率が３０％〜７０
   ％である特許請求の範囲第５項記載のバイオリアクタエ
   レメントの製造法。 ８、セラミックハニカム構造体の貫通孔の開口長さが１
   ｍｍ〜５ｍｍである特許請求の範囲第５項記載のバイオ
   リアクタエレメントの製造法。 ９、真空脱気によりハニカム細孔内部の気体と微生物懸
   濁液とを交換することによって、該懸濁液を細孔内部に
   浸透させる特許請求の範囲第５項記載のバイオリアクタ
   エレメントの製造法。