JPH0460638B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、活性充填材、特に酵素・微生物・菌
体を固定化担持して反応容器等に収納して用いる
活性充填材とその製造方法に関する。

先行技術とその問題点 近年、酵素を適当な担体に固定化した、いわゆ
る固定化酵素が各種有機酸、糖類の連続製造等に
応用され始めており、品質、コスト、省エネルギ
ーなどの面でその有利性が注目されている。

酵素を固定化する方法は、包括法、架橋法、担
体結合法に大きく分類され、担体結合法はさらに
共有結合法、イオン結合法、物理的吸着法に細分
類することができる。これらの方法で得られる固
定化酵素は通常ゲル状、粒状もしくはフイルム状
であり、カラムなどの反応容器に充填されて用い
られている。また、これらの手法は、酵素のみな
らず微生物・菌体に対しても同様に適用されてい
る。

このような用途においては、充填材単位量あた
りの全処理容量ばかりでなく、それが単位時間あ
たりどれだけの流体（気体あるいは液体、以下同
様）を処理できるかという、処理速度も問題とな
る。そこで処理速度を向上させる目的で、これら
粒状充填材を細粒化することが一般に行われてい
る。細粒化の効果は単位充填体積あたりの接触面
積の増大と粒子内拡散距離の減少にもとづくもの
で、物質としては全く同一の活性充填材であつて
も、処理速度の向上が可能である。

しかし細粒化は充填層の通気あるいは通液抵抗
（以下、流通抵抗という）を増大せるため、極端
な場合、目的とする非処理流体の流通そのものが
困難になることもある。

他方、繊維状の形態を持つ固定化酵素等も開発
されている。粒状充填材と比較した繊維の特徴と
しては、糸、紐、織布、編布、不織布、フエル
ト、マツト等の二次的加工が使用目的に応じて可
能であることのほか、処理速度が大きいことがあ
げられる。これは一本一本のフイラメントが細い
柱状体であり、接触面積が大きく、内部拡散距離
が短いためである。

また活性充填材としての酵素固定化繊維等の繊
維状充填材は、処理速度が同等である粒状充填材
と比較して流通抵抗が小さい。これは面状、マツ
ト状等で充填した場合に典型的なかさ高な充填状
態が可能なためである。かさ高な充填による空隙
率の増加とともに、流通抵抗は急速に低下する。
この効果は、充填材間の空隙で形成される充填層
内の流体流路が、その総断面積と同時に個々の流
路の寸法も拡大されることにともづく。この空隙
率の増加は同時に充填率の減少をもたらすが、若
干の容積効率の低下を補つてなお、繊維状充填材
は、流通抵抗が同等である粒状物と比較して、高
い処理速度を得ることができる。

しかし繊維状充填材は、高流速で連続使用する
と圧密化しやすいという欠点をもつ。この圧密化
は流体の抵抗によるものであるが、圧密化によつ
て抵抗も増大するから、また圧密化の進行も加速
され、さらに抵抗が増加して圧密化という悪循環
がおこる。このため圧密化は一旦おこりはじめる
と急激に進行し、流体の処理が実質的に不可能に
なる。

この圧密化現象は繊維の曲げ剛性が低い、すな
わち材質が軟らかく径が細い場合におこりやす
い。

酵素固定化繊維のうち平均径1μｍ以下のもの
は酵素を効果的に固定し、すぐれた酵素活性を有
することが知られているが、極細で、かつ軟化し
やすいため、水中における曲げ剛性は非常に低
く、極めて圧密化しやすい。

発明の目的 本発明の目的は、長期にわたり安定して高速で
流体を処理できる新規な構造の活性充填材を提供
することにあり、とくに、圧密化しやすい繊維状
活性充填材を充填層による流体処理用途に使用可
能にすることにある。

また、本発明の他の目的はこのような活性充填
材の製造方法を提供することにある。

発明の開示 このような目的は下記の本発明によつて達成さ
れる。

すなわち第１の発明は、筒状で複数の貫通口を
有する枠材と、この枠材を芯材として巻き上げら
れた組紐の巻玉とを有し、この組紐は極細長繊維
の束またはロービングから形成されたものである
ことを特徴とする活性充填材である。

また第２の発明は、２種以上の異種ポリマーを
混合紡糸して得た可溶部および不溶部フイブリル
を含むフイラメント束、あるいはこのフイラメン
ト束を合糸したロービングを組上げて組紐に打
ち、その後この組紐中のフイラメント束の可溶部
フイブリルを溶出させて不溶部フイブリルを極細
長繊維として分離し、しかる後にこれを筒状で複
数の貫通口を有する枠材を芯材として巻き上げる
ことを特徴とする活性充填材の製造方法である。

さらに第３の発明は、２種以上の異種ポリマー
を混合紡糸して得た可溶部および不溶部フイブリ
ルを含むフイラメント束、あるいはこのフイラメ
ント束を合糸したロービングを組上げて組紐に打
ち、その後この組紐中のフイラメント束の可溶部
フイブリルを溶出させて不溶部フイブリルを極細
長繊維として分離し、しかる後にこれを筒状で複
数の貫通口を有する枠材を芯材として巻き上げ、
さらにこの極細長繊維に酵素、微生物または菌体
を固定化することを特徴とする活性充填材の製造
方法である。

発明の具体的構成 以下、本発明の具体的構成を詳細に説明する。

本発明で用いる極細長繊維の素材としては種々
のものが可能である。

例えば、特公昭57−17083号、同57−17087号、
同55−47130号、同57−2807号、同55−27169号、
同52−5318号、同44−21167号等の公報に記載さ
れたポリビニルアルコール系の繊維が好適であ
る。

これらのものは、２種以上の異種ポリマーを混
合紡糸して１種以上の可溶成分を溶解除去して極
細繊維とするものである。そして、上記のうち特
に安全ケン化ポリビニルアルコールを含むポリマ
ーを不溶部フイブリルとし、紡糸原液を乾式紡糸
して混合紡糸したフイラメント束から所定の部分
ケン化ポリビニルアルコールやポリエチレンオキ
シド等の可溶部フイブリルを溶解除去するもの等
が好適である。

この場合、フイラメント束は、一般に、特公昭
57−2807号公報等に記載の海島構造をもつものが
好ましい。

また、酵素を固定化するためには、特に特公昭
57−17083号、同57−17087号、同55−47130号等
の公報に記載のクーロン力によつて酵素を固定す
るアミノアセタール化ポリビニルアルコールの極
細長繊維が好ましい。

このような場合、酵素のクーロン力等による固
定化のためにポリビニルアルコール等に対して行
うアミノアセタール化等の変性は、後述のよう
に、組紐工程（ブレーデイング工程）後の細繊化
工程後に行えばよい。

このような極細長繊維は、平均径1μｍ以下、
特に0.1〜0.5μｍの極細繊維である。

平均径が1μｍをこえると、表面積が減少し、
酵素固定量等が減少し、活性が低下する。

そして、平均径が0.1μｍ未満となると、紡糸お
よび加工が困難となる傾向にある。

なお、極細繊維は実質的に連続フアイバー状の
ものであるが、海島構造等の乱れによる非連続部
が存在してもよい。

このような極細長繊維から本発明の活性充填材
を構成するには、以下のような製造工程に従えば
よい。

まず、上記の混合紡糸法により、特に海島構造
をもつフイラメントをえる。このフイラメント
は、上記のように可溶部フイブリルと不溶部フイ
ブリルを有するものである。

不溶部フイブリルは、上記極細長繊維として残
存するものであつて、上記のとおり1μｍ以下の
径である。

そして、フイラメントの平均径は、通常、10〜
30μｍ程度、またフイラメント内の不溶部フイブ
リルの本数は2000〜20000本程度とする。

次に、この紡糸工程で複数の紡口からえられた
フイラメント束は必要に応じ所定本数を合糸して
ロービングとする合糸工程を行う。この場合、合
糸本数は好ましくは３〜10本程度とする。

このように、本発明では混合紡糸によるフイラ
メント束を用い、必要に応じこの所定本数を束ね
てロービングとするものであるが、こうすること
により、後述する後段の組紐工程、細繊化工程、
巻き上げ工程後に、十分な流体接触面積が確保さ
れて十分な活性が保持され、また十分な強度が得
られ、使用部の圧密化を防止できる充分に大きな
巻き上げテンシヨンに耐え、しかも細繊化しても
充分長時間圧密化に耐えるものとなるという本発
明の効果がより一層向上する。

次いで、このロービングから組紐を得る。

なお、大径のフイラメント束がえられる場合に
は、このフイラメント束から組紐を打つてもよ
い。

この場合、組紐とは、周知にように３本以上の
糸が斜交しながら組上げられたものである。

組紐としては、より大きな流体接触面積を得る
ため、また、処理流体の流動圧による圧密化を防
ぐため、後述の巻き上げ工程で充分なテンシヨン
を与えて固く巻くことによつて組紐の断面を巻き
上げ時にできるだけつぶしておき、巻玉の寸法、
形状を安定させることが不可欠であるから、中実
ではなく、中空の筒状の組紐とすることが好まし
い。

この場合、組紐は、筒状ではなく、平紐であつ
てもよいが、平紐では巻き上げ時にねじれが生じ
巻きにくいので、筒状のものが好適である。

この場合、組紐を打つに際して組上げに必要な
ロービングは、８〜20本程度が好適である。

また筒状の組紐の場合、その平均径は0.5〜２
mm、特に0.8〜1.5mmが好ましい。

なお、組紐でなく撚り紐を用いると、次の細繊
化に際し撚りが大きくゆるむために、次の巻き上
げ工程に耐えるだけの強度がなくなつてしまう。
また、原理的に、前述のような中空の筒状とする
ことが不可能である。

このような組紐は次いで細繊化される。

細繊化に際しては、前記した諸公報に従い、水
洗処理等を行えばよい。これにより海島構造等を
有するフイラメント束の可溶部（海）フイブリル
が溶出し、１本のフイラメントは複数の不溶部フ
イブリルの極細繊維に分離する。

なお、この細繊化時には、必要により、細繊化
後アミノアセタール化等の公知の酵素固定のため
の変性を行う。

変性については、前掲した諸公報に示されてい
る。

フイラメント束あるいはこれから形成したロー
ビングの段階でこの細繊化工程を行うと、撚り紐
の場合と同様に強度が著しく低下して、次のブレ
ーデイング工程（紐組工程）に耐えない。すなわ
ち極細繊維が直に摩擦して切れてしまう。

これに対し、組紐としてから細繊化すると、紐
の組織はそれに伴つてルーズになるものの構造は
保存されているので、次の巻き上げ工程に充分に
耐える強度が残る。そして、このルーズ化は固液
接触に寧ろ好都合となり、活性効率が向上する。

なお巻き上げ後に、細繊化すると紐が細くなる
ために巻玉が崩れてしまう。

次いで、次の巻き上げ工程で、組紐を巻き上げ
る。

巻き上げ工程では、枠材を芯材として巻き上げ
る。

枠材は、筒状をなし、複数の貫通口を有するも
のである。枠材の材質、寸法、形状等、貫通口の
形状、寸法、配置等は、用途に応じ適宜決定して
用いればよい。ただ、枠材の径は20〜40mm、長さ
は125〜250mmとするのが一般的である。

巻き上げによつて形成される巻玉形状は綾振り
により綾角を有するチーズ、コーン等公知の種々
のものであつてよいが、液流通の均一化のために
は、ストレートチーズが好ましい。

そして、巻玉中の組紐間の空隙率は20〜40％が
好ましい。この空隙は流路として機能するもので
あつて、空隙率が40％をこえると活性能が低下
し、また20％未満となると圧力損失が大きくなつ
てしまう。

また、筒状の組紐を用いる場合、組紐内に空隙
が存在するので、巻玉全体での空隙率は50〜80％
が好適である。

そして、巻き上げ後の組紐内の空隙率は40〜70
％が好適である。

本発明では、このように、適切な空隙を確保す
べく綾振りを調節するものである。

巻き上げに際しては、リボン巻きや綾崩れを避
けて均一に巻いて液流通の不均一化を防ぐことは
勿論、充填使用時を考慮して両端面の綾外れやバ
ルジの生成も防ぎ、両端からの漏れを防ぐ。これ
らはワンデイングの常法に従えばよい。

そして、この際適切な空隙は確保しつつ、充分
にテンシヨンを与えて固く巻いて、組紐をつぶれ
るだけつぶし、寸法、形状を安定化させて使用中
の処理液流動圧による圧密化を防ぐ。

なお、空隙率は下記のようにして測定する。

まず巻玉を水中に沈めて浮力を測定し、既知で
ある枠材の体積を差し引いて充填材の真体積を求
める。次いで組紐間の流路内の水を遠心脱水して
巻玉を秤量し、さらに巻玉を乾燥して秤量し、こ
れらの差から組紐内に保持されている水の重量、
すなわち組紐内の空隙が求められる。外寸から求
まる充填体積から組紐内の空隙体積と充填材の真
体積を差し引くと組紐間の流路空隙が得られる。

なお、巻き上げの条件としては、陵角をやや大
きめの15〜22°の範囲にするため、巻径65mm・ト
ラバース長125mmの場合を例にとれば、ワインド
数は1.46〜2.28の範囲で、巻玉の紐の間隔として
観察される陵の１層毎のずれが紐の太さの半分か
ら同程度となるよう調節する。

このようにして、枠材を芯材として巻玉を巻き
上げたのち、予め好ましくはアミノアセタール化
等の変性を施しておいた極細長繊維の組紐に酵素
を固定化する。

本発明において固定化される酵素としては、例
えばグルコースイソメラーゼ、インベルターゼ、
ウレアーゼ、グルコアミラーゼ、グルコオキシダ
ーゼ、リボヌクレアーゼ、プロテアーゼなどをあ
げることができるがこれ以外にも任意の酵素に適
用することができる。

そして、これら酵素を固定化するには、公知の
方法に従えばよい。本発明の固定化は主としてク
ーロン力による吸着固定である。

例えば、特公昭57−17083号、同57−17087号等
のアミノアセタール化したポリビニルアルコール
を用いる場合には巻玉３を所定の酵素の水溶液中
に浸漬し、必要に応じ、振りまぜないしかきまぜ
ながら十分に接触させればよい。

あるいは目的とする反応容器ないしホルダーに
実装した後、酵素液を流通させて固定してもよ
い。

なお、固定化する対象としては、酵素の他、各
種微生物や菌体も可能である。

発明の具体的作用 本発明の活性充填材は必要とされるカラムない
しカートリツジ等の反応容器中に充填され使用さ
れる。この場合、被処理流体は枠材の外方から導
入され巻玉を通過するように用いられる。あるい
は内方から外方に流通させてもよい。

第１図には、本発明の活性充填材１を用いた容
器８の１例が示される。

図示例では、被処理流体の流入口８１、流出口
８５を有する容器８に、巻玉２を枠材３に巻き上
げた活性充填材１を配置した例が示される。

なお、酵素等と被処理流体との組合せとして
は、目的に応じ種々のものを使用できる。

発明の具体的効果 本発明によれば、きわめて活性能の高い例えば
平均径1μｍ以下の極細繊維に好ましくは酵素等
を固定した酵素固定化繊維等を用いた場合にも、
長期にわたり安定して流体を処理できる充填材が
実現する。

なお、本発明の酵素固定化繊維等を巻き上げた
状態で被処理液との接触を行わせることは、チー
ズ巻玉を用いるチーズ染色法と一見類似してい
る。

しかし、チーズ染色では処理対象が巻玉となつ
たスパンヤーンであるのに対し、本発明では巻玉
を通過する液体が処理の対象である。

したがつて、本発明の巻玉中の組紐には液体と
接触しない部分が存在しても差し支えない。

具体的には、本発明のストレートチーズの両端
部分は、巻密度が必然的に高くなるため液体は実
質的に流通しないが、この部分は実装して使用す
るときの封止部として機能し、非処理流体が活性
部分と接触せずに巻玉を通過することを防ぐ。本
発明では、前述のように、長期使用中の圧密化防
止および接触率安定化の目的で筒状の組紐を固く
巻き上げるため、この両端の封止効果はとくに大
きくなる。これはチーズ染色では染めむらに他な
らない。逆にチーズ染色では、染液の一部が糸と
接触せずに巻玉を通過しても差し支えず、本発明
の要求点とは全く異なるものである。

このようにチーズ染色法は本発明とは全く技術
的思想を異にするものである。

本発明者らは、本発明の効果を確認するため
種々実験を行つた。以下に１例を示す。

実験例 平均重合度1200の完全けん化ポリビニルアルコ
ールを加熱溶解した濃度34重量％の水溶液と平均
分子量75万のポリエチレンオキシドの30重量％水
溶液を混合比が重量比でポリビニルアルコール／
ポリエチレンオキシド＝48／52となるようにスタ
テイツクミキサー（20エレメント）によりノズル
直前で混合して60ホールで乾式紡糸し、4.5倍に
延伸し、235℃で熱処理を行つて250デニールのポ
リビニルアルコール／ポリエチレンオキシド混合
熱処理糸フイラメント束とした。

次いで、これを４本合糸し、1000デニールのロ
ービングを作製し、さらにこの16本から筒状の
1.6mmの組紐をえた。

これを水洗してポリエチレンオキシド成分を溶
解除去して、１本のフイラメントから平均径0.2μ
ｍの約2500本の極細のポリビニルアルコール繊維
に分離した。そののち、浴組成が重量％で、
HCl5％、NaCl15％、ジメチルアミノアセトアル
デヒド0.3％、水79.7％からなる反応浴中で浴比
１：20で、60℃で８時間反応させてアミノアセタ
ール化度2.8モル％の極細アミノアセタール化ポ
リビニルアルコール系繊維とした。この繊維は水
中軟化点65℃、30℃水中膨潤比3.2であつた。

この組紐を枠材を芯材として巻き上げた。

巻玉形状はストレートチーズとし、その物理定
数は下記のとおりである。

全体の空隙率 73％ 組紐間の空隙率 28％ 組紐（内）の空隙率 60％ 巻長 128ｍ 組紐重量 102.4ｇ トラバース長 120mm ワインド数 1.94 表面綾角 17.6° 次いで、巻玉を極細繊維１ｇあたり15mlのイン
ベルターゼ水溶液（添加活性400U／ｇを循環し、
30℃で５時間酵素固定化処理した。この固定化繊
維を十分水洗してインベルターゼの固定化率を求
めたところ、固定化率100％であつた。

次いでこの活性充填材Ａを第１図に示される容
器８に充填し、容器８に30℃の17重量％のシヨ糖
水溶液を２／minの流量で循環し、グルコース
への初期転換速度より酵素活性を求めたところ、
発現活性101U／ｇ（発現率25.3％）とすぐれた
活性を示した。

なお上記流量に対する差圧は、450mm水柱であ
る。

このシヨ糖水溶液の導入を２週間継続したとこ
ろ、95％以上の残存活性を示し、差圧は500mm水
柱であつた。

これに対し比較のため、上記フイラメント束を
直接メリヤス編布に編み、同条件の細繊化、アミ
ノアセタール化および固定化を行つたのち、これ
をほどいて長さ５mmの短繊維に切断し、これを前
記Ａと同重量、内径75mmのカラムに通液しながら
充填したところ、短繊維が沈降して充填層を形成
するにしたがつて、通液が困難になり、差圧
2KGにおいて10ml／minの流量しか最終的に得ら
れなかつた。

また、巻玉として、前記Ａと同重量の組紐をソ
レノイド状に多層巻し、充填材Ｃを作製したとこ
ろ、充填率は52％となつたが、差圧4KGでも全
く流れなかつた。

さらに、前記Ａにおいて、同重量の組紐を下記
の点のみを変更して巻き上げ充填材Ｄをえた。

全体の空隙率 59％ 組紐間の空隙率 ８％ 組紐（内）の空隙率 55％ ワインド数 2.84 表面綾角 10.7° 前記Ａと同条件下で発現活性280U／ｇ（発現
率56％）を示したが、この充填材Ｄでは、２／
minの流量を確保するためには、4KGという前記
Ａの80〜90倍の差圧を要した。

これらから本発明の効果は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の活性充填材の使用法を説明
するための断面図である。 １……活性充填材、２……枠材、３……巻玉、
８……容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 筒状で複数の貫通口を有する枠材と、この枠
   材を芯材として巻き上げられた組紐の巻玉とを有
   し、この組紐は極細長繊維の束またはロービング
   から形成されたものであることを特徴とする活性
   充填材。 ２ 極細長繊維が酵素、微生物または菌体を固定
   化担持する特許請求の範囲第１項に記載の活性充
   填材。 ３ 巻玉形状がストレートチーズである特許請求
   の範囲第１項または第２項に記載の活性充填材。 ４ 極細長繊維の平均径が1μｍ以下である特許
   請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   の活性充填材。 ５ 組紐が筒状である特許請求の範囲第１項ない
   し第４項のいずれかに記載の活性充填材。 ６ 組紐の径が0.5〜２mmである特許請求の範囲
   第１項ないし第５項のいずれかに記載の活性充填
   材。 ７ 巻玉中の組紐間の空隙率が20〜40％である特
   許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記
   載の活性充填材。 ８ ２種以上の異種ポリマーを混合紡糸して得た
   可溶部および不溶部フイブリルを含むフイラメン
   ト束、あるいはこのフイラメント束を合糸したロ
   ービングを組上げて組紐に打ち、その後この組紐
   中のフイラメント束の可溶部フイブリルを溶出さ
   せて不溶部フイブリルを極細長繊維として分離
   し、しかる後にこれを筒状で複数の貫通口を有す
   る枠材を芯材として巻き上げることを特徴とする
   活性充填材の製造方法。 ９ ２種以上の異種ポリマーを混合紡糸して得た
   可溶部および不溶部フイブリルを含むフイラメン
   ト束、あるいはこのフイラメント束を合糸したロ
   ービングを組上げて組紐に打ち、その後この組紐
   中のフイラメント束の可溶部フイブリルを溶出さ
   せて不溶部フイブリルを極細長繊維として分離
   し、しかる後にこれを筒状で複数の貫通口を有す
   る枠材を芯材として巻き上げ、さらにこの極細長
   繊維に酵素、微生物または菌体を固定化すること
   を特徴とする活性充填材の製造方法。