JPH01275480A - 生物学的支持体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酵素およびたん白質のような生物学的マクロ分
子を保持し保護するのに適する多孔質無機材料に関する
。

（発明の背景〕 生化学反応を行う場合、試剤または栄養素を含有する液
状または気体状媒質を生物学的マクロ分子の形の試剤ま
たは触媒を固定させ離れた位置に実質的に均一に分布さ
せたチャンバー内に通すことをしばしば必要とする。こ
の目的には、媒質のチャンバーへの自由な通過を可能に
しながら生物学的マクロ分子を固定し保護する材料中に
生物学的マクロ分子を支持することが必要である。

ビーズ、果粒またはより不規則形状粒子の形の多孔質無
機材料を用いて生物学的マクロ分子を支持している。無
機材料を用いて生化学反応を商業的規模で実施する大カ
ラムを充填する場合には、その無機材料は十分に多孔質
であって、カラム中の充填材料の重量による破砕効果に
耐える十分な機械的強度を有しながら、生物学的マクロ
分子を固定できるキャビティを与えることが必要である
。

〔従来技術〕

ＣＢ−２１５３８０７号はＳｉＯ２：Ａｊ２２０３のモ
ル比が少なくとも０．７５：１のアルミノケイ酸塩材料
を１０００℃〜１８００℃で力焼させてムライト結晶お
よびシリカを形成し、シリカをリーチング除去して相互
連結孔ネットワークを残存させることによって製造した
多孔質粒状アルミノケイ酸塩材料に関する。

Ｅ　Ｐ−０１３０７３４号およびＥ　Ｐ−０１８７００
７号は貴金属触媒用の支持体として使用する多孔質ムラ
イトの製造に関する。

可燃性材料を分布させたクレーを焼成することによって
多孔質材料を製造することについての当該技術の参考例
は存在しているけれども、その最終製品は相変らずミク
ロンおよびミリメーター範囲の比較的大きい孔を有して
いる。本発明者等が気付いているそのような参考例には
英国特許明細書第１２７４７３５号、第１２３３２２０
号、第７６９２２５号、第６３８２９９号、第３９３２
４６号および第２６６１６５号がある。

ボールクレーはセラミック物品の製造に使用できるけれ
ども、そのような物品はクレーを１２００℃より高い温
度で焼成しそれよって本質的にムライトからなる生成物
を生成させ欠陥（ｄｅｆｅｃｔ　）スピネル構造体を生
成させないことによって製造している。

〔発明の内容〕

本発明の第１の局面によれば、生物学的マクロ分子を保
持する支持体として使用するのに適する多孔質無機材料
の製造方法が提供され、この方法は、（ａ）約１０００
人より大きくない粒度を有する炭素質材料をクレーの５
〜２５重量％分布させたカオリナイト系クレーを、該カ
オリナイト系クレーの実質的部分を認知し得るムライト
の形成なしに多孔質の欠陥アルミニウム−ケイ素スピネ
ルに転化させるのに十分な温度で力焼させること、この
スピネルが主として約１００〜約１０００人の孔径範囲
の孔の相互連結配列を有すること；および上記の多孔質
欠陥アルミニウム−ケイ素スピネルをさらなる力焼なし
に単離することを含む。

本発明の第２の局面によれば、欠陥アルミニウム−ケイ
素スピネルの３次元ネットワークを含み、該ネットワー
クが主として約１００〜約１０００人の孔径範囲の孔の
相互連結配列を形成している多孔質無機材料が提供され
る。

本発明の第３の局面によれば、主として約１００〜約１
０００人の孔径範囲の孔の相互連結配列を形成する欠陥
アルミニウム−ケイ素スピネルの３次元ネットワークを
有する多孔質無機材料内に生物学的マクロ分子を保持さ
せる方法が提供され、この方法は生物学的マクロ分子を
上記相互連結配列中に導入し生物学的マクロ分子を上記
孔内に分布せしめる工程を含む。

本発明の多孔質無機材料は、例えば、生化学反応を行う
チャンバー内で生物学的マクロ分子を保持し、保護しあ
るいは固定するのに使用できる。

上記多孔質無機材料内に保持させた生物学的マクロ分子
はその後生物学的反応を行うのに使用できる。例えば、
急速に進展しているバイオテクノロジー分野においては
、特異性酵素並びに特異性（またはモノクローナル）抗
体を有意の量で単離することが可能になっている。本発
明の生物学的支持体はこれらの生物学的マクロ分子を支
持し得る特別に有効な手段を提供するものと確信する。

本発明の多孔質無機材料はそれ自体チャンバー内に支持
できるもので、例えば、カラム内に充填できる。

カオリナイト系クレーを約５５０℃以上の温度に加熱す
る場合、吸熱反応が生じ、化学結合水は放出して一般に
メタカオリンとして知られる生成物を与える。しかしな
がら、温度を約９２５℃に上昇させた場合、発熱反応が
明らかに始まり、形成された物質はしばしば“特徴的発
熱反応を受けたカオリン”と称される。カオリナイト系
クレーを約９２５〜約１０５０℃の範囲の一温度で力焼
して得られた材料もまた欠陥アルミニウム−ケイ素スピ
ネルまたはガンマ−アルミナと称される。時たま使用さ
れる別名は“初期ムライト”であるが、その結晶はムラ
イト結晶と極めて異なるので真正のムライトとは区別さ
れるべきである。本明細書においては、“欠陥アルミニ
ウム−ケイ素スピネル”または略した“欠陥スピネル”
なる用語を全体に亘って使用する。欠陥スピネル材料を
約１０５０℃より高い温度にさらに加熱すると、真正の
ムライトが形成される。本発明の方法は約９２５℃以上
約１０５０℃以下の温度で通常実施する。

天然カオリナイト系クレーは好ましくは１０〜２０重量
％の超微分割炭素質材料を含有する。炭素質材料は、例
えば、カーボンブラックの形で人工的に添加し得る。し
かしながら、より好都合なのは天然の状態で所望量の炭
素質材料を含むカオリナイト系クレー、例えば、リグナ
イト（亜炭）系ボールクレーを用いることである。

上記カオリナイト系クレーを力焼するとき、炭素質材料
は燃焼し蒸発して所望の孔構造体を残存させる。微細孔
構造体を生成させるには、炭素質材料は１０００人より
太き（ない最高粒度を有する粒子に微分割すべきである
。さらにまた、粒子はカオリナイト系クレーと緊密に混
合して比較的微細な孔の所望の狭い分布を与えるように
すべきである。天然のりブナイト系ボールクレーは一般
に所定の分割状態の炭素質リグナイトを有しカオリナイ
トとの緊密な混合物を含む。好ましいのは、超微細粒度
を有する天然ボールクレーを使用することである。その
ようなりレーはクレー粒子よりも幾分微細なリグナイト
粒子を含有する性質を有する。

球状たん白質または酵素タイプの生物学的触媒バー酸に
ＩＯ〜５０オングストローム（人）範囲の直径を有する
。多孔質無機材料がこれらの触媒マクロ分子を有効に固
定することができるためには、多孔質材料は主として１
００〜１０００人（１０〜１００　ｎｍ）孔径範囲の孔
を有すべきであり、最も好ましくは、孔の大部分が孔径
範囲２００〜４００人（２０〜４０ｎｍ）にあるべきで
あることを見い出した。

好ましいのは、カオリナイト系クレーは粒子の少なくと
も７５重量％が２μｍより小さい等価球径（ｅ、ｓ、ｄ
、）を有し粒子の少なくとも６５重量％が１μｍより小
さい（ｅ、ｓ、ｄ、）を有するような粒度分布を有する
べきである。１０〜２０重量％の炭素を含有し上述の粒
度分布を有するリグナイト系ボールクレーを９２５〜１
０５０℃の温度で力焼した場合、炭素質材料の燃焼によ
り形成された孔の直径は２００〜４００人（２０〜４０
ｎｍ）の比較的狭い分布に集中し、この孔径分布がたん
白質および酸素を固定するための理想的な孔径範囲であ
ることを見い出した。典型的には、孔の少なくとも６５
容量％が１００〜１０００人の広い範囲にあるのに対し
少なくとも４０容量％は狭い２００〜４００人の範囲に
ある。炭素質材料の燃焼熱はカオリナイト系クレーの発
熱反応により発生した熱と共に一次カオリナイト粒子を
一緒に融合して硬質であるが反孔質の粒子を形成するも
のと信じている。粒子をアルカリでリーチング（浸出）
して存在し得るシリカを除去する必要はない。

好ましくは、カオリナイト系クレーは力焼前に０．２ｍ
ｍ〜３．５　ｍｍ範囲の直径を有する成型体に成型する
。カオリナイト系クレーの水分は、成型体の形成前に、
約１〜５０重量％の範囲好ましくは約２８〜約３５重量
％の範囲にあるように調整するのが有利である。

かくして可塑状態にあるカオリナイト系クレーは次いで
ペグ型またはパン型造粒機により造粒す、　　るか、あ
るいは押出加工してスパゲツティ状物に形成し次いでこ
れを切断して所望範囲の粒子を得る。所望粒度範囲の直
径を有する成型体を上述の条件下で力焼した場合、生成
物は生化学反応を行うためのカラムの充填材料としての
用途に適する粒度、形状および機械的性質を有する硬質
の多孔質粒子からなる。

天然カオリナイト系クレーは、好ましくは、所定範囲の
温度にカオリンまたはメタカオリンの実質的にすべてを
欠陥スピネル形に転化するのに十分であるが認知し得る
量のムライトを生成するには十分でない時間で暴露する
。例えば、力焼温度が９２５℃である場合、カオリナイ
ト系クレーはこの温度で約２時間暴露すべきである。し
かしながら、温度が１０５０℃である場合には、クレー
をこの温度に暴露する時間は約１時間を越えるべきでな
い。

力焼操作はバッチ法として実施でき、この場合、カオリ
ナイト系クレーの温度は数時間に亘ってゆっくりと所望
値に上昇させ得るが、クレーを９２５〜１０５０℃の温
度に約１〜２時間よりも長くは滞留させない。

また、より好ましいのは力焼を、例えば、回転または流
動床力焼機を用いて連続的に行うことである。力焼操作
中の雰囲気は好ましくは酸化性を有してカオリナイト系
クレーと混合した炭素質材料の燃焼を促進させるべきで
ある。

本発明の多孔質無機材料は、力焼操作によって製造した
条件において、あるいは特にアフィニティクロマトグラ
フィ、イオン交換または生物学的マクロ分子の粒度除外
分離のようなある種の生化学分離目的の適当な反応性層
でコーティングしたのちに生物学的触媒支持体として使
用できる。該多孔質無機材料上にコーティングして反応
性層を形成できる物質の例には、高分子有機酸、高分子
第４級アンモニウム化合物またはポリエチレンイミンの
ようなポリ酸性有機塩基があり、これらは欠陥スピネル
表面と直接の結合を形成するであろう。これらの物質は
疎水性基と親水性基の両方およびアニオンまたはカチオ
ンイオン交換性を有し、たん白質を処理または分離する
ような生物学的用途において有用である。欠陥スピネル
上に直接コーティング他の物質にはポリスチレンおよび
多糖類のような熱可塑性物質がある。有用な反応性層を
形成することが判明している置換多ｔｉｅ物質の例はペ
ンダントジエチルアミンエチル基で置換した″ＤＥＡＥ
デキストラン”である：この物質はアニオン交換性を有
する親水性有機層を与える。

多孔質無機材料表面は疎水性とすることができ、また、
ジメチルジ（水素化牛脂）アンモニウムクロライドまた
はポリジメチルジアリルアンモニウムクロライドのよう
な１０〜２４個の炭素原子を有する炭化水素基を少なく
とも１個有する第４級アンモニウム化合物のコーティン
グを適用することによって全体に亘っての正電荷を与え
ることができる。また、粒度多孔質材料は、例えば、ス
ルホン化アクリル酸またはアクリルアミドのポリマーま
たはコポリマーのコーティングを適用することによって
全体的に亘っての負電荷を与えることもできる。

ある物質は欠陥スピネルを先ず結合剤でコーティングし
たのちのみ反応性層を形成するのに使用できる。適当な
結合剤には置換シラン類、特に、欠陥スピネル表面上の
ヒドロキシ基と結合するためのヒドロキシ、ヒドロキシ
アルキルまたはアルキル基の少なくとも１つと所望層物
質と結合するためのアミノアルキル、ジアゾまたはハロ
アルキル基の少なくとも１つを有するものである。置換
シランとの結合を形成する反応性層物質には、核酸の濃
縮と分離に極めて有用であるアデニンのような核酸塩基
、およびアフィニティクロマトグラフィおよび酵素の固
定に極めて有用であるポリエチレンイミンがある。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例　１ ８０重量％が２μｍより小さい等価球径を有する粒子か
らなり、７０重量％が１μｍより小さい等価球径を有す
る粒子からなり、５０重量％が０．５μｍより小さい等
価球径を有する粒子からなるような粒度分布を有し、主
としてリグナイト形の１５重壁量の炭素を含有する原料
リグナイト系ボールクレーを細断し、２０重量％水含有
量までに部分乾燥させた。次いで、この部分乾燥細断ク
レーを高速回転攪拌器およびパンの回転方向と反対方向
に低速で回転するパラドル刃とを備えたパン造粒機に供
給した。微細水スプレーにより造粒中のクレーを湿潤さ
せた。生成物は主として０．２ｍｍ〜３．５ｍｍ範囲の
粒度の実質的に球状の粒子および３１重量％の水分とか
らなっていた。粒子をオーブン中で１８．７重量％まで
乾燥させ、この部分乾燥粒子を、それぞれ、０．５〜０
．８　ｍｍおよび０．８〜１．６　ｍｍの各粒度画分に
ふるい掛けすることによって分級した。次に、各粒度画
分をキルン内のバッチベース上で力焼して多孔質欠陥ス
ピネル物質とした；キルンの温度は２０℃から１０００
℃に１４．５時間で堅実に上昇させ、１０００℃でキル
ンおよびその内容物を冷却させる前に１時間保持した。

各サンプルの比表面は約２Ｑｍ２ｇ−’であることが判
った。

０、８〜１．６　ｍｍ粒度画分の孔径分布は走査水銀ポ
ロシメーターを用いて通常の水銀浸透多孔質測定法によ
り測定した。得られた曲線は図中に示す。

図示するように、スペクトルの大末端での空隙（ｖｏｉ
ｄａｇｅ）は粒子内空隙として無視すべきである。

残りの空隙のうち、約７８容量％が孔径範囲１００〜１
０００人にあり、約５０容量％が孔径範囲２００〜４０
０人にある。

実施例　２ 実施例１で形成させた多孔質欠陥スピネル材料の２つの
粒度画分からの各サンプルの破砕強度を単一粒子上に０
．５〜２０ｋｇ範囲の大スチール重りを乗せ粒子が破砕
なしで支持できる最大重量を観察することによって測定
した。各粒度画分において、破砕強度は約３ｋｇであっ
た。

実施例　３ 本発明による多孔質無機材料へのたん白質の吸着炭を、
１ｇの多孔質材料を１５ｍ１の１１００ｐｐミオグロビ
ン含有水溶液に加えて混合物をゆるやかなタンプリング
作用の形の緩攪拌に１８時間供して平衡に達せしめるこ
とによって試験した。次いで、混合物を５時間静置し、
５分間３０００ｒｐｍで遠心して多孔質無機材料を未吸
収たん白質溶液から分離した。初期溶液および遠心によ
り分離した未吸収たん白質溶液の各たん白質を紫外線分
光測定により測定し、２つの測定値の差より１ｇの多孔
質材料により吸着されたｍｇで−のミオグロビン量の値
とした。多孔質材料の比表面積もＢＥＴ窒票吸収法によ
り測定した。

上記の方法で試験した多孔質無機材料は次の如くであっ
た： Ａ、実施例１で調製した欠陥スピネル材料の０．５ｍｍ
〜０．８　ｍｍ粒度画分； Ｂ、商業的に人手できる調整孔ガラス酵素支持材料； Ｃ９商業的に入手できる架橋有機マトリックス酵素支持
材料。

得られた結果は第１表に示す： 第１表 上記の結果から分るように、本発明の多孔質欠陥スピネ
ル材料はその比表面積が材料Ｂの比表面積よりも小さい
にもかかわらず市販材料のいずれよりもｇ当りでより多
量のたん白質を吸着していた。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の多孔質無機材料の多孔度を示すグラフであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）約１０００Åより大きくない粒度を有する炭
   素質材料をクレーの５〜２５重量％分布させたカオリナ
   イト系クレーを、該カオリナイト系クレーの実質的部分
   が認知し得るムライトの形成なしに多孔質の欠陥アルミ
   ニウム−ケイ素スピネルに転化するような温度と時間で
   カ焼させること、上記スピネルが主として約１００〜約
   １０００Åの孔径範囲の孔の相互連結配列を有すること
   ；および （ｂ）上記の多孔質欠陥アルミニウム−ケイ素スピネル
   をさらなるカ焼なしに単離すること；を特徴とする生物
   学的マクロ分子固定用の支持体として使用するのに適す
   る多孔質無機材料の製造方法。 ２、カ焼温度が約１０５０℃よりも高くない請求項１記
   載の方法。 ３、カ焼温度が約９５０℃よりも低くない請求項１記載
   の方法。 ４、炭素質材料がクレーの重量基準で１０〜２０重量％
   の範囲の量で存在する請求項１、２または３のいずれか
   １項記載の方法。 ５、カオリナイト系クレーおよび炭素質材料を９５０℃
   以上の温度に約２時間を越えない時間暴露する請求項３
   記載の方法。 ６、多孔質材料中の孔の少なくとも６０容量％が約１０
   ０〜約１０００Åの孔径範囲にある前記請求項のいずれ
   か１項記載の方法。 ７、多孔質材料中の孔の少なくとも４０容量％が約２０
   ０〜約４００Åの孔径範囲にある前記請求項のいずれか
   １項記載の方法。 ８、カ焼前に、炭素質材料を分布させたカオリナイト系
   クレーの水分を約１〜約５０重量％の範囲にあるように
   調整する前記請求項のいずれか１項記載の方法。 ９、水分を約２０〜約３０重量％の範囲にあるように調
   整する請求項８記載の方法。 １０、カ焼前に、カオリナイト系クレーを０．２ｍｍ〜
   ３．５ｍｍ範囲の直径を有する成型体に成型する前記請
   求項のいずれか１項記載の方法。 １１、使用するカオリナイト系クレーがリグナイト系ボ
   ールクレーである前記請求項のいずれか１項記載の方法
   。 １２、欠陥アルミニウム−ケイ素スピネルの３次元ネッ
   トワークを含み、該ネットワークが主として１００〜１
   ０００Åの孔径範囲の孔の相互連結配列を形成する多孔
   質無機材料。 １３、多孔質材料中の孔の少なくとも６５容量％が約１
   ００〜約１０００Åの孔径範囲にある請求項１２記載の
   多孔質無機材料。 １４、多孔質材料中の孔の少なくとも４０容量％が２０
   ０〜４００Åの孔径範囲にある請求項１３記載の多孔質
   無機材料。 １５、３次元固形ネットワークが欠陥スピネル以外にさ
   らに遊離のシリカを含む請求項１２、１３または１４の
   いずれか１項記載の多孔質無機材料。 １６、０．２ｍｍ〜３．５ｍｍ範囲の直径を有する成型
   体を含む請求項１２〜１４のいずれか１項記載の多孔質
   材料。 １７、３次元固形ネットワークを反応性層でコーティン
   グする請求項１２〜１６のいずれか１項記載の多孔質無
   機材料。 １８、主として１００〜１０００Åの孔径範囲の孔の相
   互連結配列を形成している欠陥アルミニウム−ケイ素ス
   ピネルの３次元ネットワークを有する多孔質無機材料中
   に生物学的マクロ分子を保持させる方法において、 生物学的マクロ分子を上記孔の相互連結配列中に導入し
   て上記マクロ分子を上記孔内に分布せしめることを特徴
   とする上記方法。