JPS62501678A - 生物学的に活性の有機材料を固定化するための担体 - 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】 生物学的に活性の有機材料を固定化するための担体本発明は、生物学的に活性の 有機材料を固定化するための担体に関する。

生物学的に活性の有機月利とは、本発明においては、酵素、および細菌、真菌、 藻類、細胞等を含む微生物のような生物学的に活性型を有する物質を意味する。

例えば、吸着あるいは化学的結合によってこの様な生物学的に活性の材料を担体 に固定、することは以前から知られている。通常、担体は、活性材料およびその 反応生成物に対して実質的に不活性である固形材料である。担体は、通常流動体 から容易に分離できる比較的大きなブレーンの形態である。

生物学的に活性の材料を固定する利点は、良く知られており、また明白であり、 また容易に分離され、流動体から回復されるという点で高価な活性材料をより経 演的に使用づることができることである。

既知の担体は、軽石、シリカ、セラミクス、重合体材料等のような多様な異なる 材料を包含する。またガラスは、主として微多孔性ガラス球゛体型の既知の担体 材料である。この様なガラス球体の生成は、比較的複雑で高価である。さらに、 孔および隙間は、固定化された活性材料へのバルク移送が拡散によって決定され るような形であり、そのためそれに関係する反応速度は最適ではない。

生物学的汚水処理で無機質ウールフィルタを使用することは、例えば、ビルディ ングにおいて使用し、本発明のための無機質ウールマットと主に関係するＮｏ公 開特許出願第１４７．６３９号およびＳＥ特許出願第７３０８３８０−０号で以 前から知られているが、これらマットは浸透性が高すぎ、また寸法上の安定性が 十分ではないということを明記しておく。

ガラスファイバのフィルタ本体は、本技術では知られているが、これらは焼結し たガラスファイバマトリクスではなく、フィルタ本体は、アクリルレート樹脂の ような重合体結合剤によって結合されている。小１合体結合剤は生物学的に活性 の材料に影響し、また非常に圧縮されたフィルタ本体の生成において、均質のま た一様の有孔性が得られないように流出し、孔を塞ぐので、この構造は本発明で 考虞する用途には不適当である。

前記従来技術の例としては、酵素固定化のための型フィルタ燭の担体に関するＤ Ｅ第２．４４’３，５０２号がある。担体は、らせん状（Ｉ材料あるいは有孔性 粒状材料のいずれかで生成することができる。有孔性の粒状材料は焼結する、あ るいは重合体結合剤を用いて硬化させることによって結合することができる。焼 結に要求される高温では、粒子の内部孔は恐らく共に融解され進入し難いものと なり、同様に硬化された重合体結合剤を使用することで、重合体結合剤によって 粒子の表面が覆われ、孔の開きは塞がれ、またこの場合には孔は進入し難いもの となる。

さらに、米国特許第４．４０４．２９１号およびＤＥ特許第３，１０３，７５１ 号で以前から知られているが、例えば高温ろ過、液体の吸収に対し、触媒的に活 性の材料に対する担体として有孔性の焼結した低密度材料を使用する。この従来 技術によれば、ガラス、ガラスセラミクスあるいは通常のセラミック材料からな る無孔幼性開始材料は最終的に右孔性の焼結された材料を与えるために焼結され る。材料の右孔性はここでは、焼結したパウダー粒子の間の隙間によってのみ構 成される。

本発明は、生物学的に活性の材料を固定化するための新担体を提供し、前記担体 は、固１体で、不活性で、一様で完全に問いており、また寸法安定性に優れ、内 部の総表面積が高く、有孔性が均質で制御可能であり、平坦で滑らかに丸い内部 表面であることを特徴とする構造を有していることを目的とする。

この目的は、本発明による担体が右孔性の焼結されたガラスファイバマトリクス の共に結合した（　ｊｏｉｎｅｄ　ｔｏｇＱｔｈｅｒ　）粉子からなる右孔性本 体であることで達成される。粒子は、有ド（結合剤の炭化によって得られる結合 によって接触点で１つづつ結合されるのが好ましい。

さらに本発明の特徴は、請求の範囲に示される。

結合された粒子間では、液体が流れ、また液体が個々の粒子に旨く接触できるよ うに溝構造が形成される。粒子の内部孔壁は、適切に限定された直径を有する固 体ガラスロンドによって形成され、接触点で共に焼結される。この様な焼結は、 平坦で、均質で、清らかに丸い内部表面を有し、また強度と硬直度が高く、基質 および生成物の移送に非常に有用な３次元の格子あるいは網状組織を有するガラ スファイバマトリクス持することができることが特徴とされるが、これは有孔性 ガラスの他の製造方法では不可能である。例えば、最も頻繁に使用される方法で は、孔は構成された隙間によって相互接続した球状の隙間型が与えられる二もう １つの生成原理によれば、孔は、多相気体混合物の相の選択的酸性物分解によっ て１０られる比会的閉じられた溝を形成する。通常のパウダー焼結技術では、低 量の割合の孔が得られる。微細な孔寸法では、かなりの割合の孔がさらに閉型で ある。

焼結ガラスファイバマトリクスとは、当初のガラスファイバが上５′ｉ！温度で 圧力によって圧縮されるということを意味し、接触（１，でのファイバは一様な マトリクスを提供するために融解される。焼結されたガラスファイバマトリクス は、気体および液体に対する＾い浸）Δ性を有する規則的同構造の３次元の綱状 組織を形成づる。焼結されたガラスファイバマトリクスからなる腕は、それから 粒子あるいはディスクに細分される。

本発明による担体は、共に結合した有孔性粒子からなるので、言わば、２重有孔 性、つまり、゛′外側°°有孔性および゛内部パ有孔性の両方を提供する。外側 有孔性とはここでは、共に結合した粒子間に形成された隙間伍のυｊ合の担体の 総量に対するυ１合い、内部有孔性は、その総量に対する共に結合した有孔性の 粒子の孔最の割合であるということを意味する。

本発明による担体は、その構成、外側有孔性および内部有孔性の両方から、内部 有孔性は酵素のような生物学的に活性゛　材料の安全性と妨害のない固定化のた めにまず使用され、一方外側の有孔性は、生物学的に活性な材料と、それが作用 される流動体との間の効果的接触に貢献し、それによって最適反応と形成される 生成物の効果的除去を達成するという事実は重要である。

概して、焼結されたガラスファイバマトリクス粒子の内部有孔性は、マトリクス の密度と、使用されたファイバの直径によって決定される。使用されたガラスの １つに相当する密度では、本発明の範囲外にある完全に小型で無孔性のマトリク スが得られる。通常は、本発明による担体の粒子は２〇−２０００ｋｇ／ｍ３　 、好ましくは３００−２０００ｋｏ／ｍ３の範囲内の密度を右し、１５００−２ ０００ｋＯ／ｍ：ｌの範囲の密度が特に好ましい。

本発明による担体に対する焼結された粒子の生成において使用されるガラスファ イバの平均直径は、概して、０．３−１００μｍ１好ましくは０．５−５μｍ範 囲内であり、０．５−３μｍのファイバの直径が特に好ましい。通常は、より小 さい直径のファイバによって微細な孔の粒子を得ることができ、同時に好ましい ３次元の網状組織が維持される。

これに関し、直径が約５μｍ以下のファイバは特に利点となる。本発明において は、酵素および細菌のような寸法の小さい生物学的に活性の材料の固定化に特に 適合し、同時に基質と生成物の効果的移送が可能となるので、微細な孔と同相状 組織を右する粒子が、好ましい。

前述されたように、本発明による担体の焼結された粒子の孔のサイズは、粒子の 生成において使用される粒子の密度およびファイバの直径によって決定される。

この様な変数を適切に選択することによって、所望の孔サイズの粒子を得ること ができる。本発明による粒子は、孔のサイズが最大約２０μｍであるのが適切で あり、通常的１−２０μＩＴ＋である。孔のサイズが１−１５μｍ範囲内にある ことが好ましく、約５−１０μｍであれば特に好ましい。明らかにづるために、 孔のサイズ″とは、焼結された粒子の孔として同じ断面積を有する丸い孔の直径 を意味するということを示しておく。

ざらに、この様な孔のサイズは、粒子の全ての孔の平均値である。しかしながら 、この様な個々の孔サイズの平均値から外れることは、同じ直径のファイバが粒 子の生成において使用される場合には、あまり重要ではないということを示して おく。

前述したように、本発明による担体の粒子は、焼結したガラスファイバマトリク スからなる。使用されるガラスの溝道は、もちろん、ファイバに変化されること の可能なガラスではあるが、決定的ではない。このように、本発明の範囲内で、 多くの方法による粒子のガラス構造の変化が可能となる。

有孔性の焼結されたガラスファイバマトリクス型は決定的ではなく、無数の方法 で変化されることができるが、本来プラナ−ディスク型で製造するのが好ましい 。この様なディスクを製造する簡単な方法は、上昇圧力および温度で２つのブレ スプレートの間でガラスファイバマトリクスを焼結することである。処理し終え たディスクは、最適な厚さを有づるが、厚さは０．０５−５ｃｍの範囲内である のが好ましく、また０、０５−２ｃｍであるのが最も好ましい。処理し終えたデ ィスクは断片、あるいは約０．００５−５ｃｍ、好ましくは０．００５−０．０ ５ｃｍの平均直径を有する通常の破片に細分される。“平均直径”とはここでは 、断片あるいはそれに関係づる破片として同じ容積を有する球体の直径を意味す る。

断片は厚さ０１０２−０．５ｃｍを有するディスク型であり、この場合、この直 径は平均ディスク幅である。

ガラスファイバマトリクスが塊に焼結したあと、列に梢損ねられる、あるいは高 度別械的強度かに械的哉拌の間引張られるために適度な耐久性を１９る粒子に与 えられることによって３次元の網状組織からなるそれぞれの粒子に細分される。

本発明の目的のためにそれらを使用する前に、粒子は右別結に結合される。これ は、グラスファイバマトリクスが例えば望内で所望の構造を形成するためにルー ズに結合され、有機結合剤が例えば有機結合剤に対する液体単量体型でそれに加 えられる、あるいは熱可塑性結合剤が使用される場合は、融解された結合剤型で 加えられて行われるのが好ましい。この構造は、固化づるような結合剤、あるい は重合する結合剤単旦体のどちらかで浸透され、このように、固形の自己維持構 造が（ｑられる。これは次いで、好ましくは空気中で、構造のｙｆ１離粒子粒子 表面実質上完全に除去されるが、粒子の隣接したあるいは結合した接触表面に結 合効果を与える有機結合剤の炭化のために、加熱され、このようにしてまずルー ズに結合されたＩＮは右孔性の焼結されたガラスファイバマトリクスの結合した 粒子からなる間構造にしっかりと共に結合した単位を形成し、粒子は炭化された 有機結合剤によって接触点で結合される。全構造は有機結合剤に浸漬されるが、 有機結合剤は炭化によりＭｔｉ１粒子表面から実質上完全に除去され、有機結合 剤は粒子の孔を塞ぐことはない。このようにして、処理し終えた担体は前記の利 点となるような外側および内部有孔性の結合を有する。

本発明で使用される有機結合剤は、有故重合体結合剤であることが好ましい。好 ましい重合体結合剤の例には、例えば、ポリメタクリレートおよびポリメチルメ タクリレートのようなアクリル合成樹脂があり、これら重合体を形成するための 単量体を包含づる。その他にはポリ酢酸ビニルのようイ２酢酸ビニル合成樹脂、 ポリごニルアセタルおよびポリビニルブヂラルのようなビニルアレタル合成樹脂 があるが、本発明はこれら重合体結合剤に限定されない。

粒子を非常に粘着性の液体重合体〈ウレタンジメタクリレ−１−あるいはごスフ エール−Ａおよびグリセジルメタクリレ−１−（Ｂ　Ｉｓ−ＧＭＡ）の反応生成 物のような）にまず浸透され粒子を相互に付着させることによって、非常に複雑 な形（管、らせん等）は選択的におよび比較的に簡単な生成方法によって得られ る。粒子の塊は、少なくとも表面的に位置された単品体を硬化させることによっ てまず固定され、所望の形が与えられる。これは、例えば、加熱するあるいはＵ ｖ光、あるいは選択、的に視覚的光で照射することによってなされる。

硬化方法は、従来の技術によって加えられた開始剤と促進剤によって決定される 。本体はこのように形成され、固定され、場合により耐火性材料に本体をうめた あとで、接触点で粒子を互いに付着するのに十分な高温にまで加熱される。

重合体結合剤に対する炭化条件は、ガラスファイバマトリクスの粒子が過度にな り、粒子が軟化し孔が破壊しないようにあまり高温であってはならないというこ とを除いて、決定的ではない。結合剤の炭化の間、ガラスファイバマトリクス粒 子の孔が損傷を受けないよう確実にするために常に十分に低温に紺持しなければ ならない。概して、適切な温度範囲は約５００−７００℃であり、約５５０−６ ５０℃であることが好ましく、現在は、約６００℃であることが特に好ましい。

炭化雰囲気は決定的ではないが、空気であることが好ましい。

炭化時間は、イｉ　４１結合剤の完全な炭化を効果的にするためのに十分に長く なくてはならず、概して１５−６０分である。

大抵の場合、約３０分であれば十分である。

前述したように、ガラスファイバマトリクス粒子の右孔性、つまり、担体の内部 有孔性は、ファイバの直径および焼結圧ノコを１１制御することによって広い範 囲内でＩＩ＋御される。同様に、担体の外部有孔性は、ガラスファイバマトリク ス粒子の直径を適切に選択することによって＆！Ｉ御される。前述したように、 焼結した有孔性ガラスファイバマトリクスは、約０．００５−’５　ｃｍ、好ま しくは約０　、０　Ｏ５−０、０５ｃｍノ平均白径ヲイ１する粒子に細分される 。通常、粒子は比較的狭い粒子のサイズの分布を右する、つまり、全ての粒子は 実質上同じ平均直径を右づることが好ましく、それによって実質上均質の外側有 孔性の担体を提供する。しかしながら、望ましければ、異なる平均直径を右する 粒子を混合するのに何の障害もなく、それによって、変化する外側有孔性の担体 を提供する。担体は異なる粒子のサイズの異なる層によって形成され、そのため 外側の有孔性は個々の層で根本的に均質であるが、１層から他の層へ変化する。

前述したように、担体は、ガラスファイバマトリクス粒子が型内でルーズに結合 されて生成され、それに有機結合剤が加えられるのが好ましい。型を使用すると 、多数の異なる方法で、ディスク形、球形、円柱形、立法形等のように担体の形 を変化させることができる。

本発明によるｌｎ体を使用するとき、例えば酵素のような関係する生物的に活性 の材１？ｌは、例えば溶液あるいは活ｆ！Ｉ材わ［の分散で浸漬されることによ ってＩ０休にまず固定される。これが微生物＠濁であれば、スポンジによるよう に吸い上げ、網状組織の微群生の組成によって展開することができる。固定化し た活性の材料を有する担体は、例えば酵素触媒した化学反応を行うために使用さ れる。担体は、集合、あるいは酵素に対して基質ｒ８２＆からなる反応媒体に簡 Ｅｌに導入される典型である。担体が反応媒体に接触されるとき、反応はスター トし、その反応を促進し早めるために、反応媒体は適切に攪拌される。反応の終 わり、あるいは反応が所望の段階に進むと、担体はろ過、あるいは反応媒体から 担体の塊を除去Ｊることによって簡単に反応媒体から分離される。

本発明による担体のもう１つの型では、担体はディスクあるいはプレート型であ る。担体ディスクの厚さは、所望に応じて変化されるが、０．０５−２ｃｍの範 囲内であることが好ましい。その他の側面として、担体ディスクは円、楕円、あ を有づることができる。前述されたものに類似した方法では、生物学的に活性の 材料は、例えば、溶液あるいは活性材料の分散でディスクを飽和させることによ って、担体にまず固定され、担体ディスクは、例えば分析的目的のために使用さ れる。固定された生物学的に活性の材料に影響される流動体は、例えば、ディス クを通して流動体を流すことによってＩＵｉ体ディスクに接触される。この例は 、酵素が固定される１■休デイスクを通って流れるｍｌ？を溶液である。反応は 、バッチで行われるが、試薬流動体（Ｕ買溶液のような）がディスクの厚さを通 過するように担体ディスクは管の反応器の断面領域を横切ってｌＩＩ’ｉ入され て続けられる。過剰な液体圧力および担体材Ｆ１の淵麿との適切な組合わせによ って、かなりの和の液体が゛担体を通る。試薬流動体が次々に多数の連続する酵 素反応のような多数の反応に従う場合、答の反応器で次々に適切な間隔で多数の 担体ディスクを提供することによって、これは非常にＩ！ｎ単に行われ、個々の 担体ディスクはそれぞれの反応に対して固定された活性材料（酵素）が提供され る。このように、非常に小型で効果的生物工学的システムがなされる。

前述の説明かられかるように、本発明は、生物学的に活性の材料の固定化のため の担体を提供し、寸法の安定性Ｊ３よび強度が高く、１７ｉ１グリツドのような 構造のような所望の利点となる性質を右し、また適切に限定され再生可能な均一 の有孔性および孔サイズを有する。さらに、担体は、関係する生物学的に活性の 材料およびその反応生成物に対し不活性であり、同時に生物学的に活性の材料の 固定化に対して親和性を有する。

ガラス表面は、シラニゼーションによってポジティブグループを与えられる。ガ ラス組成は変えることができ、トレーザー要素は、微生物の生存状態に影響する ことができＪ：うに周辺とのイオン交換によって導入されることができる。ガラ スｌｉ４３％の他の利点は、親水性の性質（基質吸収等を促進覆る）および優れ た機械的および熱的特性である。優れた機械的１ｈ性は、例えば、攪拌するある いは列に積車ねる間に適用される細胞を保護する。さらに、担体は、分割された 細胞の作用、あるいは気体形成反応の間の内部圧力の作用で分解されることはな い。熱的安定性は凸温処理Ｊ３よび殺菌処即に対して耐久性を提供づ゛る。３次 元網状組織型の有孔性ガラスの生成に対する前記に関する方法は、孔吊が高く総 内部表面積が大きい完全に同構造を与え、この構造は球体および完全にあるいは 部分的に間隙間を含まないという利点を有する。このように、基質に対する最適 条件および担体媒体を通る生成物移送が達成される。ファイバが５μｍ以下の直 径を有づると、この方法よって、前述の利点を維持して１０μｍ以下の平均直径 を右づる孔の微細な孔（微細なメツシュ）構造を生成することが可能となる。こ れは、従来開示された方法によっては不可能である。効率という点から見て、孔 のサイズは細胞のサイズの約５倍であることが特に好ましいが、前記細胞のサイ ズの１０（８以上であってはならない。この点から、１０μｍ以下の孔サイズを 有する微細な孔構造、特に、３−１０μｍ範囲内の孔の構造が、微生物の担体と して１４に好ましい。

他方、μｍ以下の孔のサイズは酵素処理に関して最適となり、１０μｍ以上の孔 の大きさは例えばｆｋｌｉ乳動物細胞の培養に対してグ丁よしい。

国　際　ｉｌｌ　存　鮒　失 １１１Ｉｓ−ａＩＩ＠ｌ１ａＩａ＊ｍｃｍａ仙＋ｈ、　ＰＣＴ／５Ｅ８５１００ ５２４１″１ｗｎａｈ〜１１１６ａｌｌｅｎ　Ｎｏ、ｐＣＴｔＳε８５１００５ ２４

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．有孔性の焼結されたカラスフアイバマトリクスの共に結合した粒子からなる 有孔性本体からなり、前記粒子は好ましくは有機結合剤の炭化に関連して得られ る結合によつて互いに接触点で結合されることを特徴とする生物学的に活性の有 機材料を固定するための担体。
2. ２．前記粒子が２０−２０００ｋｇ／ｍ３の密度を有することを特徴とする請求 の範囲第１項記載の担体。
3. ３．前記粒子の焼結されたガラスフアイバが０．３−１００μｍの当初の直径を 有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の担体。
4. ４．有孔性粒子の平均孔直径が２０μｍを越えないことを特徴とする請求の範囲 第１項記載の担体。
5. ５．前記有孔性粒子が０．００５−５ｃｍ、好ましくは０．００５−０．０５ｃ ｍの平均直径を有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の担体。
6. ６．前記有孔性粒子が０．０２−０．５ｃｍの厚さを有するデイスク型であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項記載の担体。
7. ７．前記結合剤が炭化した有機重合体結合剤であることを特徴とする請求の範囲 第１項記載の担体。
8. ８．前記結合剤が炭化されたポリアタリレート、ポリ酢酸ビニル、あるいはポリ ビニルアセタルであることを特徴とする請求の範囲第７項記載の担体。
9. ９．前記本体が０．５−５ｃｍの厚さを有するデイスクからなることを特徴とす る請求の範囲第１項記載の担体。
10. １０．前記本体内で、結合した有孔性粒子間の隙間が完全に開孔システムを形成 することを特徴とする請求の範囲第１項記載の担体。