JPH0661255B2 - 酵素反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は、加水分解や異性化などの酵素反応を利用し
て、所定の基質を含む溶液から目的物質を製造，分離回
収する酵素反応装置に関するものである。

（発明の背景） 酵素は周知の如く種々の反応において触媒として有効に
利用される場合が多いが、一般に高価であることから、
特に工業的な規模での酵素の利用，応用を考える場合に
は、その利用率の向上を図るための工夫が求められる。

従来の酵素の利用の態様は、通常、何等かの担体に固定
した固定化酵素の状態とし、これを反応容器であるカラ
ムに充填して用いる場合（以下カラム方式という）が普
通である。

しかしカラム方式では微粒子の混入によって目詰まりを
生じ易いという難が指摘され、またカラム内の固定化さ
れた酵素と基質の接触確率は必ずしも高くなく、これら
のことから酵素の有効利用率は低いのが現状である。ま
た前記カラム方式のもう一つの難点として次の問題が指
摘される。すなわち、カラム方式の装置では反応量（反
応速度）の制御要素として一般に温度変化により酵素活
性を変化させる手法をとるのが普通であるが、酵素活性
の温度依存性には時間遅れがあるから厳密な反応量制御
が難しいという問題である。

そこで近時においては、前記カラム方式の装置に代えて
酵素を膜に固定化し、この膜を用いて目的物質の製造，
分離回収を行なう方式の酵素反応装置が考えられてい
る。

この酵素反応装置としての膜には通常中空糸膜モジュー
ルが用いられ、モジュールのシェル側に酵素を保持しル
ーメン側に基質を流す方式をとるのが普通であり、この
装置においての反応原理は、基質は膜を透過しシェル側
にて酵素反応がおこり、反応生成物は膜を透過して再び
ルーメン側に戻りモジュールより取り出される。

しかしこの方式は反応速度が拡散に支配されるために遅
いという欠点がある。

また同じ中空糸膜モジュールを用いた装置として、シェ
ル側に酵素を保持し、基質を該シェル側よりフローさ
せ、反応生成物をルーメン側より取り出す方式のものも
ある。しかしこの方式では基質をデッドエンド型で供給
するため目詰まりが起り易いという難がある。

（発明の目的） 本発明は、以上の観点からなされたものであり、その目
的は、目詰まり等の不具合いを生ずることなく、酵素活
性により基質から目的物質を製造し、かつその分離回収
を連続的に長時間に渡って行なうことを可能とし、した
がって工業的規模での実施を極めて効率よく行なうこと
ができる酵素反応装置を提供するところにある。

また本発明の他の目的は、基質フローのための印加圧力
の調整という容易な操作によって、酵素反応の量制御を
応答性よくかつ精度高く行なうことが可能な酵素反応装
置を提供するところにある。

また本発明の更に他の目的は、酵素の有効利用率が高
く、したがってランニングコスト低減して実施すること
が可能な酵素反応装置を提供するところにある。

（発明の概要） 而して、かかる目的の実現のためになされた本発明より
なる酵素反応装置の特徴は、基質を含んだ処理対象液を
循環流として流す通液路中に前記基質に作用する酵素を
担持した分離膜を配置すると共に、該循環流を上流側と
しかつ該分離膜を透過した液流側を下流とするように前
記分離膜を設けた酵素反応装置であって、前記分離膜
は、前記通液路の上流側に面して酵素は通過できずかつ
基質は通過できる細孔径を有する第１の層と、前記通液
路の下流側に面して膜内部に担持する酵素の入り込みを
許容する細孔径を有する第２の層とを、厚み方向に非対
称に備えた基体膜に、その酵素の入り込みを許容する細
孔径を有する第１の層側から第２の層側に向かって酵素
溶液をフローさせることで酵素を付着固定させて構成し
たものであるところにある。

本発明において前記構成が採用された理由は次のことに
よる。

すなわち、基質を含む対象液を酵素反応装置に通し、目
的物質の製造，分離回収を行なう場合、この対象液中に
は分離目的物質のみならずその他の物質（微粒子，高分
子物質）も不純物として含まれているのが普通である。
そして従来の膜（分離膜）を用いた酵素反応装置にあっ
ては、前述の如く例えばこの分離膜を通る液の流れに従
ってこれらの不純物が該膜に接触すると膜中にこれらが
入り込んで目詰まりを生ずる原因となり、その結果急速
な圧力損失の増大を招いて連続的な膜分離操作ができな
くなるという不具合があった。

そこで本発明においては、基質および分離回収の対象と
する目的物質は透過させるが、これよりも分子量が大き
い高分子物質あるいは微粒子の膜内部への入り込みを阻
止するべく、該分離膜の骨格を構成する基体膜におい
て、前記片側面（基質を含む処理対象液の流れの上流側
に臨む側の面）に面して、十分にその細孔径が小さく設
定された緻密な第１の層層状に形成させ、他方基質に対
しての活性を有する酵素の該分離膜内部（基体膜内部）
への付着固定の要求を満足させるために、前記片側とは
反対の他側面には、酵素の該膜内部への入り込みを許容
する粗な細孔径をもつ第２の層を形成させたという膜の
非対称構造を採用したのである。

本発明において使用される分離膜は、酵素を担持する多
孔質体としての基体（以下膜基体という）と、この膜基
体内部に付着固定される酵素とから構成される。

本発明の分離膜は、その厚み方向に関し酵素分布が非対
象型とされた構造を有するものとして構成されるもので
ある。

本発明において酵素を担持する担体として使用される前
記膜基体は、膜内部に酵素を付着固定するために、第１
の層と第２の層を前記厚み方向に関し層状分布をもって
形成されているという条件を満足する他は、特にその材
質は限定されず、無機質膜（セラミック膜，ガラス
膜），有機高分子膜のいずれであってもよい。膜基体の
厚みは、特に限定されないが、取扱い上，強度上等から
一般的には0.1〜3mm、好ましくは0.5〜1.5mm程度とされ
ることがよい場合が多いが、一般的には当該酵素反応装
置の実施規模等に応じ適宜設計される。

分離膜内部で層状に分布して与えられる酵素の付着固定
は、該酵素は通過できずかつ基質は透過できる程度の細
孔径をなす第１の層部分を厚み方向片側に面して層状に
有し、また他側に面しては、膜内部に付着固定させるべ
き酵素の入り込みを許容する細孔径の第２の層部分を層
状に有する基体膜に対して、前記第２の層側より酵素溶
液をフローすることで行なわれる。

したがって、膜基体の第１の層部分の細孔径は付着固定
される酵素の分子量の大きさに応じ選択して決定される
が、一般的には0.04μｍ以下、好ましくは0.01μｍ以下
とすることがよい場合が多い。

第１の層の層厚は、基体膜の全厚みの通常1/1000〜１／
５程度、好ましくは1/1000〜1/200程度とされるのが一
般的であるが、特にこれに限定されるものではない。

前記第１の層と共に設けられる第２の層は、前記第１の
層に対し相対的に大なる細孔径を有するものであり、高
分子酵素の膜基体内部への入り込みの結果として与えら
れる物理的な付着固定のために十分な大きさの細孔径が
必要とされる。この第２の層の細孔径の大きさは上記条
件を満足する他、膜基体の構造強度，膜基体作成の難
易，付着固定された酵素の遊離性等々を考慮して選択さ
れ、一般的には付着固定すべき酵素が容易に透過できる
程度の大きさの範囲で十分小さく設定されることがよ
い。

膜基体の第１の層，第２の層の厚み方向に関する分布
は、該膜基体の片側端面から他側端面に渡って段階的、
にあるいは直線的又は曲線的に連続して変化するいずれ
のものであってもよい。

このような層分布をもつ基体膜の作成は例えば、例えば
ポリマーを溶媒に溶解し、キャストした後溶媒を蒸発さ
せ、熱処理を行ないさらに第１の層の素材を薄膜塗布さ
せる等の公知の方法に従って行なうことができる。

基体膜として使用できるもののうち無機質膜としては、
代表的にメンブラロックス（MEMBR-ALOX；セラベール社
製），カーボセップ（CAR-BOSEP；SFEC社製），セラフ
ロー（CERAFLO；NORTON社製），ダイナセラム（TDK社
製）等々のセラミック膜が例示できる。また有機高分子
膜としては、NTU膜（日東電工社製），GR膜（DDS社
製），DUY膜（ダイセル社製）等々の膜を例示すること
ができる。なお基体膜は特にこれら例示されたものに限
定されるものではない。

前記基体膜に固定される酵素は、基質あるいは目的とす
る製造，分離回収物質との関係において選択され、上記
の酵素溶液のフローによって基体膜内部に物理的に付着
固定される。

基体膜への付着固定の方法は、前述したように前記基体
膜の第２の層側の面から第１の層側に向って酵素を含む
溶液をフローすることによって行なわれるが、このフロ
ーの付加圧力は、一般的には１kg／cm²〜１０kg／cm²程
度で行なうことができる。

使用される酵素は、分離膜を透過する基質に対し反応
（活性作用）するものであれば特に限定されない。これ
を例示すれば、例えばインベルターゼ，グルコースイソ
メラーゼ，フラクトシルトランスフェラーゼ，β−ガラ
クトシダーゼ，メリビアーゼ等々を例示的に挙げること
ができる。

本発明よりなる固定化酵素を有する分離膜は、平膜状，
中空糸状，管状，スパイラル状等従来周知の膜モジュー
ルを構成して使用することができる。

厚み方向に関して酵素が層状に分布されて形成された分
離膜を有する本発明の酵素反応装置は、分離膜の酵素の
層状分布と分離対象となる基質を含む被処理液の流れと
の関係が上記のように特定される他は、一般的な膜を用
いた酵素反応装置と実質的に同様にして構成することが
できる。

本発明装置が適用される具体的な分野を、分離回収する
物質（目的とする有価物質）の点から分類して例示すれ
ば、例えば、転化糖や異性化糖の回収，各種オリゴ糖の
製造，アミノ酸その他の調味料の製造等々を代表的に挙
げることができる。

（発明の実施例） 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明よりなる酵素反応装置の構成概要一例を
装置フローで示したものであり、図において１は酵素を
担持固定した管状の膜モジュールを示し、その第１の層
は膜の内周面側に面して形成され、第２の層は反対に膜
の外周面側に面して形成されている。

基質は基質タンク５よりポンプ２を通して前記膜モジュ
ール１の膜内側に通液され、該通液の送り込み圧力に応
じて膜の内側より外側に基質が流れ透過液となる。そし
てこの基質が膜内を通過する際に該膜に担持固定されて
いる酵素の活性を受けて目的の反応生成物（目的物質）
を得ることができる。なお３は基質タンク５内の基質を
所定温度に保つための温調コイルである。

第２図は前記膜モジュール１の膜内部に酵素を担持固定
させるための装置を示しており、内側から外側へ、厚み
方向に関し前記密→粗の層状分布が与えられいる管状の
基体膜に対し、その膜の外側より、酵素液タンク４かポ
ンプ２を通して酵素溶液を通液させて、前記基体膜の粗
密の層状構造に従い酵素の担持固定が行なわれる。

以下本発明の具体的実施例を、上記図面に示した装置を
用いて行なった例に従って説明する。

実施例１ 分離膜 膜基体：膜厚１mmのアルミナ膜（賞品名 「MEMBRALOX（メンブラロックス）」， 東芝セラミックス株式会社） 第１の層（細孔径 0.04μｍ） （層厚 ５ μｍ） 第２の層（細孔径 0.2〜15μｍ） （層厚 0.995mm） 固定酵素 （インベルターゼ） 酵素固定時の操作：温度10℃で100mg／ の酵素溶液をフロー圧３kg／cm²で ４時間フローして行なった。

膜分離操作 被対象処理液：ショ糖10％溶液 分離回収の対象物質：ブドウ糖，果糖 操作条件：温度50℃で前記ショ糖溶液を表 １のフロー圧でそれぞれの圧力 で30間フローして行なった。

以上によって行なった試験結果を表１に示した。表１の
結果から明らかであるように反応量は圧力により制御可
能であること、また充分な反応率でブドウ糖，果糖を系
外にと取り出せることがわかった。

また、表１におけるフロー圧力の切換え時において、切
換え後に反応量が定常状態となるまでに要した時間は、
該反応制御量を温度で行なった場合に比べ数分間と極め
て短時間であった。

比較例１ 上記図面に示した装置を用い、ショ糖溶液のフロー方向
を反対にした他は実施例１と同様にして試験した。その
結果を表２に示す。

表２より第２の層側から基質を流す場合は前記実施例に
比べて反応率，反応量とも低い値となることが分かっ
た。

実施例２ 実施例１と同じ装置を用い、原料として数ミクロンのガ
ラスビーズを１％添加したショ糖10％溶液を用いた。

本例の場合にも実施例１と同様に高い反応率で装置を運
転でき、ブドウ糖，果糖を連続的に取り出すことができ
た。

比較例２ 実施例２で示した原料と同じ原料を、比較例１と同様に
ショ糖溶液のフロー方向を分離膜の外側（第２の層側）
からとして操作を行なったところ、該分離膜においてガ
ラスビーズの目詰まりがおこり、運転ができなくなっ
た。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明よりなる酵素反応装置は、目
詰まり等の不具合いを生ずることなく目的物質（基質）
の分離を連続的に長時間に渡って行なうことができ、し
たがって工業的規模での実施を極めて効果的に行なうこ
とができるという利点が得られると共に、酵素反応の量
制御が、付加圧力の調整という容易な操作によって応答
性よくかつ精度高く行なうことができるため、工業的規
模での実施が一層好適に行なえるという利点がある。

また本発明は、酵素溶液を基体膜に対してフローするだ
けで容易に目的の分離膜をつくることができると共に、
酵素の有効利用率が高く、したがってランニングコスト
を低減して実施することが可能である等その有効性は極
めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

図面第１図は本発明よりなる酵素反応装置の構成概要一
例を示す図、第２図は本発明で使用する分離膜の作成の
ために、基体膜に酵素を固定させる場合の方法例を示し
ている。 １：膜モジュール、２：ポンプ ３：温調コイル、４：酵素タンク ５：基質タンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基質を含んだ処理対象液を循環流として流
   す通液路中に前記基質に作用する酵素を担持した分離膜
   を配置すると共に、該循環流を上流側としかつ該分離膜
   を透過した液流側を下流とするように前記分離膜を設け
   た酵素反応装置であって、前記分離膜は、前記通液路の
   上流側に面して酵素は通過できずかつ基質は通過できる
   細孔径を有する第１の層と、前記通液路の下流側に面し
   て膜内部に担持する酵素の入り込みを許容する細孔径を
   有する第２の層とを、厚み方向に非対称に備えた基体膜
   に、その酵素の入り込みを許容する細孔径を有する第１
   の層側から第２の層側に向かって酵素溶液をフローさせ
   ることで酵素を付着固定させて構成したものであること
   を特徴とする酵素反応装置。
2. 【請求項２】分離膜が、多孔性セラミック膜、ガラス
   膜，有機高分子膜のいずれかを基体膜とし、該基体膜の
   内部に酵素を付着固定させてなるものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第(1)項記載の酵素反応装置。
3. 【請求項３】酵素がインベルターゼ，グルコースイソメ
   ラーゼ，フラクトシルトランスフェラーゼ，β−ガラク
   トシダーゼ，メリビアーゼのいずれかであることを特徴
   とする特許請求の範囲第(1)項または第(2)項のいずれか
   に記載の酵素反応装置。