JPH02276565A - 連続酵素反応装置 - 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〉 本発明は食品産業などの分野において使用される固定化
酵素を用いた反応装置に関し、更に詳しくは、酵素反応
を連続的に行わしめるに際して問題となるバイオリアク
ター内での微生物汚染を、酵素活性を何ら阻害すること
なく抑制することのできる連続酵素反応装置に関するも
のである。

〈従来の技術〉 食品産業の分野で用いられているパイオリチクターにお
ける微生物汚染は重大な問題であるが、まだ完全な汚染
対策はないと言って過言ではない。

汚染対策の問題点の第一は対象が食品であるため、安全
な殺菌剤がほとんどなく、たとえあっても経済的な面で
実用化が難しい点にある。また問題点の第二はバイオリ
アクターに用いる固定化酵素は熱、ｐＨ，通液流速など
の環境条件に厳しく制約があり、その条件から著しく外
れた条件下では固定化酵素自体が損傷を受けてしまう点
にある。

そこで、従来行われている汚染対策としてはバイオリア
クターに通液する基質液の紫外線殺菌や、高温殺菌、あ
るいは固定化酵素に影響を与えない範囲のｐＨ領域での
ｐＨ調整による殺菌などが行われているがその効果は必
ずしも十分でない、また、たとえ基質液の殺菌が完全に
行われたとしても、バイオリアクターを長期間連続して
運転するうちに、外部から雑菌が混入し、バイオリアク
ター中で雑菌の増殖が起こる。この対策として、バイオ
リアクターの内部および固定化酵素を定期的に薬剤で洗
浄する方法が用いられているが、この場合も薬剤の濃度
や接触時間が固定化酵素の活性に影響を及ぼす欠点があ
る。

そこで、従来から微生物汚染を防止する方法に関する研
究が種々なされているが、最近になって高橋らは、細菌
（シュウトモナス・エルギノーザ）、酵母（キャンディ
ダ・トロピカリス）、黴（アスペルギルス・ニガー）の
高溶存酵素濃度下における生育に関する研究により、い
ずれの微生物も約５０〜９０ｐｐｍの溶存酸素濃度下で
は国体の増殖が著しく抑制されることを報告している。

（例えば、Ｊ、Ｆｅｒ−ｅｎｔ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、＋　
６２　＋　７１〜７５（１９８４）　　、　Ａｇｒｉｃ
、Ｂｉｏｌ、Ｃｈｅ−、，５１，２５７〜２５８　（１
９８７）、醗酵工学会誌、第６５巻、第５０１〜５０６
頁（１９８７））。

また、高橋らは前記知見を酵素反応に応用し基質液中の
溶存酸素濃度を上述のような高濃度に保持した条件下で
酵素反応を行わせることにより、酵素活性を低下させる
ことなく、雑菌の増殖のみを抑制することができること
を報告している（例えば、昭和６３年度日本醗酵工学要
旨集Ｐ２Ｏ４）。

上述した高濃度溶存酸素法は、酵素を用いたバイオリア
クター内の微生物汚染を防止し得る可能性を有する優れ
た方法であると考えられるが、当該方法を実装置化する
に際しては基質液中にいかにして多量の酸素を溶解させ
るかということが最大のポイントとなる。

すなわち、基質液中に上述のような高濃度の溶存酸素を
付加するためには、酸素源として通常酸素ガスまたは酸
素濃度が例えば５０％以上というような酸素富化ガスを
用い、当該ガスと基質液とを２〜５−／ｄというような
加圧下において接触させる必要がある。しかし酸素ガス
あるいは酸素富化ガスはコストが高（、従って溶解効率
の高い酸素溶解装置でないとランニングコストが著しく
高（なってしまう。

例えばこのような液体中への気体の溶解装置として良く
知られている、充填材を用いた吸収塔や散気板などの散
気装置を用いた吸収塔は、溶解効率がそれ程高くないた
めに装置が大型化するという問題点がある。更に、当該
吸収塔においては吸収されずに塔外に流出する純酸素ガ
スまたは酸素富化ガスをそのまま使い捨てにしたのでは
ランニングコストが高くなり、一方未吸収ガスを循環使
用しようとすると、装置費が高くなるとともに装置が複
雑になるという問題点もある。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は前述した殺菌剤などを用いる従来の微生物汚染
対秦の欠点を解決し得る可能性のある上記高濃度溶存酸
素法の考えを踏襲し、当該方法の工業的実施を可能とす
るものであって、溶解効率をほぼ１００％とし得る酸素
溶解器を備えることにより、長期間にわたり微生物の増
殖を抑制できる連続酵素反応装置を提供することを目的
とする。

く問題点を解決するための手段〉 前述の目的を実現するため、本発明者らは鋭意研究を行
った結果、酸素の溶解装置として酸素ガスなどの気体は
透過させるが液体は透過させない性質を有する疎水性膜
を装着した膜ユニットを用いることにより、基質液中に
酸素を高濃度に、かつ効率よく溶解させることができ、
更に高溶存酸素濃度とした基質液をバイオリアクターに
連続通液した場合は、長期間にわたり安定して微生物の
増殖を抑制できることを知見した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、気
体は通過させるが液体は透過させない性質を有する膜で
区画した一方の側に基質液を接触させるとともに、他方
の側に酸素ガスまたは酸素富化ガスを接触させることに
より、前記膜を介して基質液中に酸素を移動、溶解させ
るようになした酸素溶解器と、当該酸素溶解器によって
溶存酸素を付加された基質液を反応させるための、固定
化酵素を用いたバイオリアクターとを組み合わせたこと
を特（衣とする連続酵素反応装置である。

〈作用〉 以下に本発明の詳細な説明する。

本発明における酸素溶解器に用いる膜は、気体は透過さ
せるが液体は透過させない性質を有する膜であればいか
なるものでもよく、例えばシリコンゴムを主成分とし、
物理的な微細孔を全くゆうしていない疎水性均質膜、あ
るいは四弗化エチレン製、ポリプロピレン製、ポリエチ
レン製などの膜に孔径として例えば０．０２μｍ〜１０
μｍ程度の微細孔を多数有した疎水性多孔質膜、あるい
はポリスルホンやセルロース樹脂のような親水性樹脂か
らなる多孔質膜の表面に、前記シリコンゴムや四弗化エ
チレン樹脂を被覆した膜などの公知の膜が例示できる。

なお、上記均質膜と多孔質膜とは、その酸素透過作用に
それぞれ相違があり、微細孔を有していない均質膜の場
合はまず酸素分子が膜素材に溶解し、次いで膜中を拡散
し、そして膜素材から脱離して基質液中に溶解するのに
対し、多孔質膜の場合は酸素が直接微細孔を通過して基
質液中に移動、溶解するのであるが、いずれにしてもこ
れらの膜で区画した一方の側に基質液を接触させ、他方
の側に酸素または酸素含有ガスを接触させることにより
、膜を介して酸素を基質液中に移動、溶解させることが
できるのは同じである。

以下に本発明装置の具体的構成について説明する。

第１図は本発明の実施態様の一例を示すフローの説明図
であり、１は気体は透過させるが液体は透過させない性
質を有する膜２を装着した酸素溶解器である。当該酸素
溶解器ｌは、膜２によって区画した一方の側Ａに基質液
を通流させ得るように、また他方の側Ｂに酸素ガスを供
給し得るように構成する。なお、当該他方の側には酸素
ガスの流出口を設けず、供給した酸素ガスの全量を基質
液中に移動させるように構成する。３は当該酸素溶解器
２の後段に接続した、固定化酵素４を用いたバイオリア
クターであり、第１図では例えば粒状の担体に酵素を固
定化してなる固定化酵素４を塔内に充填した、充填層型
のバイオリアクタ゛−を示しである。また、５は基質液
を貯留するための基質液貯留槽であり、６は当該貯留槽
内の基質液を酸素溶解器ｌの前記膜２で区画された一方
の側Ａに供給するためのポンプであり、更に７は前記膜
２で区画された他方の側Ｂに供給すべき、酸素ガスを収
容した酸素ボンベである。なお、８は前記ポンプ６と、
酸素溶解器１との間に設けた紫外線照射装置であり、当
該紫外線照射装置８は基質液中に当初から存在する細菌
類を殺菌するためのものであって、基質液中に存在する
細菌類の量が少ない場合には当該紫外線照射装置８を省
略してもよい。また、９は酸素ボンベ７と酸素溶解器１
とを連通ずる配管の途中に付設した減圧弁である。

次に操作について説明すると、まずポンプ６を駆動させ
て基質液貯留槽５内の基質液を紫外線照射装置８内に供
給し、紫外線照射を行って予め基質液の殺菌を行う９次
いで、当該殺菌後の基質液を酸素溶解器１内の、膜２で
区画した一方の側Ａに供給して酸素溶解器１内に連続し
て通流させ、一方当該酸素溶解器１内の、膜２で区画し
た他方の側Ｂには減圧弁９を介して酸素ボンベ７から酸
素ガスを供給する。

このようなフローにより、膜２を介して基質液中に酸素
を移動、溶解させることができる。この場合、酸素の溶
解度は酸素溶解器１系内の圧力の上昇とともに増大する
が、後段のバイオリアクター３内での雑菌の増殖を抑制
するためには基質液中の溶存酸素濃度を５０〜６０ｐｐ
ｍ以上とする必要があり、そのため通常は酸素溶解器１
系内の圧力を２〜５ｋｇ／ｄ程度に加圧するとよい、ま
た、酸素溶解器１系内における酸素ガス側の圧力の方が
、基質液側の圧力より若干高くなるように制御するとよ
い。

次いで、酸素溶解器ｌにより所定量の溶存酸素を付加し
た基質液を、後段のバイオリアクター３に連続的に供給
し、酵素反応を行わせる。なお、本発明装置においてば
、酸素溶解器１以後の配管内やバイオリアクター３内も
前記酸素溶解器ｌ系内とほぼ同じ圧力条件に維持し、基
質液中に付加された溶存酸素が配管内やバイオリアクタ
ー３内などで気泡となって放出されるのを防止する必要
がある。当該バイオリアクター３においては、流入基質
液の高濃度溶存酸素化によって塔内での雑菌の増殖を確
実に防止することができ、従って長期間安定した酵素反
応を行うことができる。

本発明における酸素溶解器に用いる膜の形状はホローフ
ァイバー状、チューブ状、スパイラル状、平膜状など、
どのようなものでもよいが、通常はホローファイバー状
あるいはチューブ状のものを用いるのがよく、これらホ
ローファイバーあるいはチューブの内側を前述した一方
の側としてその一端からホローファイバー内あるいはチ
ューブ内に基質液を通過させ、その外側に酸素ガスまた
は酸素富化ガスを供給することによりこれらの膜の外側
から内側に酸素を移動させ、溶存酸素を付加した基質液
をホローファイバーあるいはチューブの他端から取り出
すように構成する。

次に、本発明に用いるバイオリアクタは、上述のような
充填層型のものに限らず、管理、検量、膜もしくはフィ
ルム型のいわゆるメンブレンバイオリアクターなど、酵
素反応に通常使用されるバイオリアクターであればいか
なるものでもよいが、特に加圧可能な構造のバイオリア
クターが好適である。

なお、上述の実施態様では、酸素溶解器に供給するガス
として酸素ガスを用いた例について説明したが、本発明
においては酸素ガスの代わりに酸素富化ガスを用いるこ
ともでき、その場合に使用する酸素富化ガスとしては酸
素濃度が高いほど好ましいが、通常は酸素濃度５０％以
上のものを用いるとよい。

く効果〉 以上説明したごとく気体は透過させるが液体は透過させ
ない性質を有する膜を装着した酸素溶解器を用いること
により、基質液中に酸素を高濃度に、かつ効率よく溶解
させることができ、従って従来の吸収塔に比べて酸素溶
解装置がコンパクトになる。また、酸素濃度を高めた基
質液を後段のバイオリアクターに供給することによって
バイオリアクター内での雑菌の増殖を確実に抑制するこ
とができる。

更に本発明装置は、■極めて簡単な操作で非常に安定し
た酸素濃度管理が可能である。■酸素溶解器内に供給さ
れる酸素は、基質液側にほぼ１００％移行し、従って酸
素の浪費がない、■膜を介して移動した酸素は基質液中
に完全に溶解され、気泡のまま存在することが全くない
ので、当該基質液をパイ、オリアクタ−内に導入しても
バイオリアクター上部などの空間部に酸素ガスが蓄積す
る恐れはほとんどなく、よって爆発の危険性がない。

■有害な薬剤を一切使用しないので、食品衛生上極めて
安全である。■基質液中の溶存酸素濃度を高めても酵素
活性の低下は全くみられない、などの特徴を有している
。従って本発明装置は、食品産業の分野に橿めて好適で
あるとともに、他のあらゆる分野に適用することができ
る極めて有用な装置である。

以下に本発明の効果をより明確とするために実施例を説
明する。

〈実施例〉 第１図に示したような装置を用いて、サイクロデキスト
リングルカノトランスフェラーゼ（以下ＣＧＴａ　ｓ　
ｅという）の作用によって分岐デキストリンを反応させ
て分岐サイクロデキストリーン（以下分岐ＣＤという）
を生成させる連続酵素反応を行った。

すなわち、グリシジルメタアクリル酸ポリマー担体（第
１級アミン）にＣＧＴａ　ｓ　ｅを共有結合で固定化し
た固定化酵素２０１を塔内に充填してなる第１図に示し
たようなバイオリアクタを用意した。一方、４％分岐Ｃ
ＤをｐＨ６の酢酸緩衝液で溶解し、温度５０℃に加熱し
、ポンプで連続的に３．２１　／　ｈ　ｒの流速で、気
体は透過させるが液体は透過させない性質を有する、シ
リコンゴムを主成分とするホローファイバー状均質膜を
装着した酸素溶解器に送るとともに、系内を５　ｋｇ　
／　ｃｊに加圧しながら酸素ボンベから純酸素を前記酸
素溶解器に送って溶解させた。このような操作により、
基質液中に約１８０ｐｐｍの溶存酸素を連続して溶解さ
せることができた。次に、当該基質液を上述のバイオリ
アクターに送り、連続的に酵素反応を行わせたところ、
第２図に示したように約７０日間にわたり雑菌の増殖が
抑制されるとともに、第３図に示したように、連続使用
に伴う通常程度の酵素活性の低下はあるものの総体的に
は非常に安定して分岐ＣＤの生成が認められた。

なお、酸素溶解器に使用した膜は、人工肺用の市販され
ているガス交換用のホローファイバー状膜（泉工医科工
業■製メラシロック＝Ｓ）で、膜面積０．８イ、膜外径
４００μ、厚み１００μのものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施ａ様の一例を示すフローの説明図
であり、第２図および第３図は実施例における連続酵素
反応の結果を示したグラフで、第２図は通液日数（日）
と反応液中の生菌数（個／ｍＡ’）との関係を示したグ
ラフ、第３図は通液日数と反応液中の全糖分に占める生
成分岐ＣＤの含量（重量％）との関係を示したグラフで
ある。 １・・・酸素溶解器 ３・・・バイオリアクター ５・・・基質液貯留槽 ７・・・酸素ボンベ ９・・・減圧弁 ２・・・膜 ４・・・固定化酵素 ６・・・ポンプ ８・・・紫外線照射装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、気体は透過させるが液体は透過させない性質を有す
   る膜で区画した一方の側に基質液を接触させるとともに
   、他方の側に酸素ガスまたは酸素富化ガスを接触させる
   ことにより、前記膜を介して基質液中に酸素を移動、溶
   解させるようになした酸素溶解器と、当該酸素溶解器に
   よって溶存酸素を付加した基質液を反応させるための、
   固定化酵素を用いたバイオリアクターとを組み合わせた
   ことを特徴とする連続酵素反応装置。 ２、気体は透過させるが液体は透過させない性質を有す
   る膜が、シリコンゴムを主成分とする膜である請求項１
   記載の連続酵素反応装置。