JPH0538280A

JPH0538280A - 反応器

Info

Publication number: JPH0538280A
Application number: JP15466391A
Authority: JP
Inventors: Harutoshi Sakai; 治利酒井
Original assignee: Japan Vilene Co Ltd
Current assignee: Japan Vilene Co Ltd
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1993-02-19
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH082293B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高効率な反応を実現することがで
き、少量の被処理流体でも処理が可能で、かつ触媒など
の機能性材料が機能低下を生じない状態で反応に寄与で
きるようにした反応器を提供することを目的とするもの
である。【構成】本発明の反応器の一態様として、２枚のアク
リル製板６，６の間にシリコーンシートをスペーサー７
として充填して、アクリル製板６，６の間にシート５を
収納する収納部４を形成すると共に、この収納部４の長
手方向の一端側にはキャリヤー流体及び基質の流入部２
を設け、他端側には流出部３を設けたプラスチックセル
１を用い、このセル１の収納部４内にシート５を長手方
向に収納したものを挙げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分析、定量、有用物質の
生産或は環境汚染物質の分解除去等の用途に用いられる
反応器に関する。詳細には、高効率な反応を実現するこ
とができ、かつ触媒などの機能性材料が機能低下を生じ
ない状態で反応に寄与できるようにした反応器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、シート状の触媒は粒子状に比べて
成型性が良く、取扱いが容易なことからシート状触媒を
用いた反応器の開発が行われており、例えば酵素を固定
化した紙をメンブレンホルダー等の円盤状の容器内に充
填して基質を連続的に通過させることにより、基質と触
媒とを接触させて有用物質を生産する試みがなされた。
「Ｈ．ＩＣｈｉｊｏ，ｅｔａｌ．，ＳＥＮ−ＩＧＡ
ＫＫＡＩＳＨＩ，Ｖｏｌ．４２，Ｔ−６３６〜Ｔ−
６４２（１９８６）」この反応器にあっては、シート面
に対して厚みの方向に基質が通過する配置となってお
り、基質が触媒層を移動する距離が短く反応の効率が悪
いという欠点があった。基質と触媒との接触を良くし、
反応効率を高めるには、緻密なシート構造とするか、幾
重にもシートを積層して層長を大きくすることにより接
触時間を長くしなければならなかった。しかしながら構
造を緻密にすると、通液抵抗が大きくなり、生産速度が
低下するという問題があった。

【０００３】一方、分析や計測の分野では、多数の検体
の処理を目的とする場合が多く、大型の反応容器を用い
ると、大量の基質（被処理流体）と触媒とを要する上
に、処理時間も長くなり、大変不経済であるので、でき
るだけ少量の被処理流体と微少な反応容器を用いる必要
があった。しかし、シート状触媒を幾重にも重ねて微少
な反応容器を製造することは実質的に困難であり、この
ため、新しい反応容器を創作する必要があった。

【０００４】又、生体触媒を固定化したガラスビーズや
キトサンビーズをチューブ状カラムに充填した反応部を
備えた触媒センサーがあり、このセンサーでは、基質が
反応部に連続的に送られて反応が行われるようになって
いる。しかしながら、このセンサーにあっては、通常１
〜２ｍｍ程度の径小なチューブ状カラム内にビーズを充
填することから、生体触媒を固定化する操作が難しく、
煩雑を極めていた。又、このセンサーにあっては、カラ
ム内に一旦気泡が入ると、これを除去するのが難しく、
このため、カラム内を常に湿潤状態に保たねばならず、
コンディショニングが難しかった。又、カラム内を常に
湿潤状態とした場合には、水中の夾雑物の影響を受け易
くなり触媒の活性が低下し易く、長期に保存しておくこ
とができなかった。更に、測定時の被処理流体中のタン
パク質やバクテリアなどの夾雑物により目づまりが生じ
易く、触媒機能の低下を招いていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情に鑑み成されたものであり、高効率な反応を実現す
ることができ、少量の被処理流体でも処理が可能で、か
つ触媒などの機能性材料が機能低下を生じない状態で反
応に寄与できるようにした反応器を提供することを目的
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するため、請求項１記載の発明にあっては、「触媒など
の機能性材料が保持された連続した多孔構造を有するシ
ートを備え、このシートの長手方向の一端側に基質が強
制的に送り込まれる流入部が設けられていると共に、シ
ートの他端側に反応物が流出する流出部が設けられてお
り、当該シート内に送り込まれた基質がシート内を長手
方向へ移動する過程で、基質と機能性材料とが接触し反
応するように構成されたことを特徴とする反応器」をそ
の要旨とした。又、請求項２記載の発明にあっては、
「シートが、構成繊維表面に形成した絹フィブロイン層
に触媒が包括固定された不織布であることを特徴とする
反応器」をその要旨とした。

【０００７】以下に本発明の反応器を詳細に説明する。
本発明の反応器は、触媒などの機能性材料が保持された
連続した多孔構造を有するシートを用い、このシートに
基質を強制的に送り込み、シート内を長手方向に移動さ
せることにより、基質と触媒とを接触させて反応させる
という点に特徴がある。

【０００８】シートは、不織布、フェルト、織物、編物
またはこれらの複合体など連続した多孔構造を有する繊
維シートや連続した多孔構造を有する合成樹脂シートを
担体とし、これに触媒などの機能性材料を担持させたも
のである。機能性材料としては、白金などの金属触媒
や、酵素、微生物菌体、オルガネラ、植物の組織片など
の生体触媒等、触媒機能を有する物質の他、発色剤等の
試薬を用いることができる。特に生体触媒は、高選択性
を持ち高感度であることから、複数の物質を含んだ混合
物中から微量に含まれる特定の基質を反応させることが
できる。又、内部に複数の触媒（酵素）を保有する微生
物菌体、オルガネラ、植物の組織片などの生体触媒を利
用した場合には多段的或は複数種の触媒反応を一つのシ
ートで一度に起こせるという利点がある。尚、シートに
は複数種の機能性材料を担持させてもよく、この場合、
微生物菌体やオルガネラと同様に多段的或は複数種の反
応をシート内で起こすことができる。機能性材料のシー
トへの固定化方法としては、結合剤を用いる方法やシー
トの構成物（例えば繊維）中に触媒等の機能性材料を練
り込む方法などがある。中でも酵素などの生体触媒を固
定化する方法としては、担体に共有結合、イオン結合、
物理的吸着、生化学的親和力により触媒自体を固定化す
る担体結合法、網目構造を有する絹フィブロインなどの
高分子ゲルの格子内や樹脂膜に触媒を閉じ込めて固定化
する包括法などの固定化法を適用することができる。特
に絹フィブロインは、タンパク質などの大きな分子は通
過させず、基質などの小さな分子は通過させる性質があ
るため、生体触媒を固定化する手段として望ましい。こ
のように構成されたシートの長手方向の一端側に基質が
強制的に送り込まれる流入部が設けられている。

【０００９】このシートの長手方向の一端側にはポン
プ、インジェクターなどの通液手段が配されており、反
応器の流入部を通してシート内にキャリヤー流体が強制
的に送り込まれるようになっている。キャリヤー流体は
リン酸緩衝液やホウ酸緩衝液などの緩衝液や不活性ガス
などの流体であり、このキャリヤー流体が通液手段によ
ってシートの長手方向の一端側から流入部を通して送り
込まれ、シート内を長手方向に通過して同シートの長手
方向の他端側へと流出し、シートの長手方向の一端から
他端へ至るフローが作られている。

【００１０】キャリヤー流体の流速としては、特に限定
されないが、キャリヤー流体の流速とシートの体積と空
間速度との間には、空間速度＝キャリヤー流速／シート
の体積という関係があり、その設定に際しては、シート
のサイズ、機能性材料の反応速度、基質応答曲線のピー
ク強度などを考慮する必要がある。仮にキャリヤー流速
を０．５ｍｌ／分とした場合、シートの幅は０．３〜
１．０ｃｍ、長さは２〜１０ｃｍ、厚さは０．１〜１．
５ｍｍの範囲にあることが望ましい。というのは、基質
応答曲線のピーク強度が大で、応答速度が速い、空間速
度の条件が３０〜３０００／ｈ^-1、望ましくは２００〜
４００／ｈ^-1であるからである。

【００１１】又、反応器の流入部からは、キャリヤー流
体とともに基質も通液手段によってシート内に送り込ま
れるようになっている。ここで、基質と、基質と反応を
起こす機能性材料とを例示すると、グルコース−グルコ
ースオキシターゼ、エタノール−アルコールオキシター
ゼ、尿酸−ウリカーゼ、Ｌ−アミノ酸−Ｌアミノ酸オキ
シターゼ、Ｌ−アスパラギン−アスパラギナーゼ、尿素
−ウレアーゼ、コレステロール−コレステロールエステ
ラーゼ、中性脂肪−リパーゼ、グルコース−ペセウドモ
ナスフロレッセンス（Pseudomonas fluorescens）、ア
ンモニア−消化菌、ＢＯＤ−トリコスポロンカタネウム
（Trichosporon cutaneum）などを挙げることができ
る。

【００１２】反応器の流入部を通してシート内に送り込
まれた基質は、キャリヤー流体のフローに沿って、シー
トの長手方向の一端側から他端側へと移動するようにな
る。この移動の過程で基質とシート内に保持された機能
性材料とが接触し、ここに反応が起こるのである。尚、
予め所定量だけの基質とキャリヤー流体とを混合してお
き、これをインジェクター等でシートに送り込むように
することもできる。

【００１３】前記シートで生じた反応物、即ち反応生成
物若しくは反応消費物はシートの長手方向の他端側に設
けられた流出部から流出するようになっている。この流
出部には、有用物質の生産、分析、定量或は環境汚染物
質の分解除去等の目的に応じて、精製機、検出器などが
接続され、反応物の処理が行われるようになっている。

【００１４】反応器の具体例として、図１及び図２に
は、２枚のアクリル製板６，６の間にシリコーンシート
をスペーサー７として充填して、アクリル製板６，６の
間にシート５を収納する収納部４を形成すると共に、こ
の収納部４の長手方向の一端側にはキャリヤー流体及び
基質の流入部２を設け、他端側には流出部３を設けたプ
ラスチックセル１を用い、このセル１の収納部４内にシ
ート５を長手方向に収納したものが示されている。この
反応器によれば、プラスチックセル１の流入部２を通し
てキャリヤー流体と基質とがセル１内に流入し、これら
キャリヤー流体及び基質がセル１に設けた収納部４のシ
ート５内部を長手方向に移動し、シート５内で基質とシ
ート５内に保持された機能性材料とが接触し反応が起
き、この反応による反応物が同じくセル１の流出部３を
通して流出されるようになっている。尚、反応器の別の
態様として、図３に示すように、両側壁に流入部２と流
出部３が夫々設けられた容器をプラスチックセル１と
し、このセル１内にシート５を長手方向に収納したもの
も挙げることが出来る。

【００１５】反応器のシートについて好適な例を挙げて
更に詳説する。例えばレーヨンなどの親水性繊維を主体
とし、これら繊維を水流絡合により三次元的に絡合した
不織布を用い、この不織布の構成繊維表面に絹フィブロ
インのゲル層を形成し、この絹フィブロイン層に触媒を
包括固定したシートがよい。このシートにあっては、絹
フィブロインのゲル層が表面部では結晶構造領域が集中
し、内部ではこの領域が少ない不均一な構造となってお
り、このため、酵素などの触媒分子は大きいためゲル層
から容易に出ることはできないが、低分子である基質や
反応物は自由に出入りすることができる。また、ゲル層
内では酵素などの触媒の自由度が大きいため、反応しや
すい状態となっており、故に層内の触媒の活性が高く、
特定の化学物質と触媒とが接触しやすい状態を実現する
ことができる。更に、親水性繊維を主体とする不織布の
構成繊維表面に絹フィブロインのゲル層が形成されてい
るため、繊維とゲル層との親和性が高く、ゲル層が繊維
表面から容易に脱落しないようになる。上記シートは、
親水性繊維を主体とする水流絡合不織布に触媒を含む絹
フィブロイン水溶液を含浸して、不織布の構成繊維表面
に絹フィブロインを付着せしめ、これを乾燥した後、ア
ルコールにより不溶化するという工程で得ることができ
る。

【００１６】

【実施例】

実施例家蚕精練絹からなる繊維ウェブを、水流絡合法により絡
合して厚さ０．５ｍｍ、見かけ密度０．１８ｇ／ｃｍ³
の不織布とした。一方、３％絹フィブロイン水溶液を調
整し、これに生体触媒としてグルコースオキシターゼ
（ＥＣ．１．１．３．４）を絹フィブロインに対して３
％の割合で添加した溶液を作製した。この溶液を上記不
織布に含浸し、２０℃、５０％の相対温度下で２時間風
乾した後、８０％メタノール水溶液に３０秒間浸漬して
絹フィブロインを不溶化した。図１及び図２に示すよう
に、このシートを幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍの長方形にカ
ットし、２枚のアクリル製板６，６の間に厚さ０．５ｍ
ｍのシリコーンシートをスペーサー７として充填して平
板状のプラスチックセル１を作製した。このセル１に収
納されたシート５の長手方向の一端側にはキャリヤー流
体及び基質の流入部２を設け、更にこの流入部２にはキ
ャリアー流体及び基質を反応器に強制的に送り込むポン
プ８、インジェクター９を配した。一方、シート５の長
手方向の他端側には酵素電極１０を設置してバイオセン
サーを作製した。

【００１７】キャリアー流体としてｐＨ７のリン酸緩衝
液をダブルプランジャー型ポンプで０．５ｍｌ／分の速
度でシートに送り込むと共に、基質として１０μｌのぶ
どう糖（グルコース）水溶液をループインジェクターで
キャリヤー流体のフロー中に強制的に送り込み、反応器
のシート内においてグルコースオキシターゼと触媒反応
させ、反応器の流出部の酸素電極により溶存酸素濃度を
測定した。なお、溶存酸素濃度の測定はグルコースオキ
シターゼがグルコースを酸化させる際に酸素を消費する
ことに基づいている。

【００１８】この測定値は基質応答曲線として得られ、
曲線はピーク型を示した。ぶどう糖濃度を０．０５〜
２．００％の範囲で変化させて測定を行い、ぶどう糖濃
度の逆数とピーク強度の逆数とをプロットしたところ、
比例関係を示す直線の検量線が得られた。従って、この
実施例のバイオセンサーによれば、この検量線を利用し
て、未知のサンプル内に含まれるぶどう糖の濃度を測定
することができる。

【００１９】比較例シート面に対して直角の方向にキャリヤー流体が流れる
ように設計された円盤状のセルに、実施例で得たシート
を直径２２ｍｍの円盤状に打ち抜いたものを装着して、
リアクター部を作製した。リアクター部を上記リアクタ
ー部に変えたこと以外は、実施例と同様にして溶存酸素
濃度を測定したところ、基質応答性が極めて低く、ピー
ク強度は実施例で検出された強度の１０％以下で、感度
が低く使用に耐えないものであった。

【００２０】

【発明の効果】上記構成を備えたことにより、請求項１
記載の反応器にあっては、触媒などの機能性材料を保持
した連続した多孔構造を有するシートに基質が送り込ま
れ、この基質がシート内部を長手方向に移動する過程で
基質と機能性材料との反応が行われるようになっている
ことから、シートでの高効率な反応を実現することがで
き、基質や機能性材料の量を必要最小限にとどめること
ができる。又、この反応器にあっては、基質がシートの
長手方向の一端側より連続的に送り込まれ、シート内で
反応が連続的に行われるようになっており、分析、定
量、有用物質の生産或は環境汚染物質の分解除去等の処
理を効率的に行うことができる。又、この反応器にあっ
ては、連続した多孔構造を有するシートを備えているこ
とから、気泡を除くことが容易であり、湿潤状態にする
必要がなく、数分間キャリヤー流体を流すことでコンデ
ィショニングをすることができる。又、乾燥した状態に
保存できるので、水中の夾雑物の影響を受けにくく、夾
雑物による触媒の活性の低下を招きにくく長期の保存が
可能となる。又、この反応器にあっては、シートが大き
な空隙が連続した多孔構造を持つことから、タンパク質
や微生物などの夾雑物によって目づまりが生じにくく、
シートの目づまりによる触媒機能の低下を招きにくくす
ることができる。

【００２１】又、請求項２記載の反応器にあっては、シ
ートとして用いた不織布の構成繊維表面に形成された絹
フィブロインのゲル層が、酵素などの触媒分子は大きい
ためゲル層から容易に出入りできないのに対し、低分子
である基質や反応物は自由に出入りすることができると
いう性質を有しており、また、このゲル層では触媒の自
由度が大きいことから、高効率な触媒反応を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は請求項１記載の反応器を模式的に示した
正面図である。

【図２】図２はプラスチックセル及びシートを正面から
みた拡大断面図である。

【図３】図３は反応器の別の例を示す拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・プラスチックセル２・・・流入部３・・・
流出部４・・・収納部５・・・シート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒などの機能性材料が保持された連続
した多孔構造を有するシートを備え、このシートの長手
方向の一端側に基質が強制的に送り込まれる流入部が設
けられていると共に、シートの他端側に反応物が流出す
る流出部が設けられており、当該シート内に送り込まれ
た基質がシート内を長手方向へ移動する過程で、基質と
機能性材料とが接触し反応するように構成されたことを
特徴とする反応器。
【請求項２】シートが、構成繊維表面に形成した絹フ
ィブロイン層に触媒が包括固定された不織布であること
を特徴とする請求項１記載の反応器。