JPH07298871A

JPH07298871A - 膜型バイオリアクター

Info

Publication number: JPH07298871A
Application number: JP6117486A
Authority: JP
Inventors: Fumio Yamauchi; 文男山内; Shoichi Goto; 正一後藤; Yasuko Yoshida; 靖子吉田; Keiko Sato; 恵子佐藤; Katsuichi Sakurai; 勝一桜井
Original assignee: MIYAGI BIO SHOKUHIN KYODO KUMIAI
Current assignee: MIYAGI BIO SHOKUHIN KYODO KUMIAI
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-11-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】新たなタイプの生体触媒の採用により、手間
が省け、極めてコストが安く、各種の蛋白分解の多い酵
素を含んでいて効率の良い分解を行う、膜型バイオリア
クターを具現化する。【構成】少し直径の異なる２本の円筒を同心になるよ
うに配設し、円筒のいずれか一方の側面を濾過膜となす
とともに、いずれか一方の円筒を高速で回転出来るよう
に構成しておき、前記２本の円筒の透き間に蛋白分解酵
素を有する菌体若しくはそれらの菌体の破砕物又は細胞
壁結合型酵素のいずれかひとつまたは２以上の混合物か
らなる生体触媒を蛋白質溶液に混合した混合溶液を入
れ、いずれか一方の円筒を高速で回転させて当該透き間
に多数の小渦巻きを発生させながら円筒側面濾過膜から
蛋白質分解溶液を濾過させるようにしたことを特徴とす
る膜型バイオリアクター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微生物を触媒にして、
物質の分解、合成、化学変換を行う反応装置の一種、バ
イオリアクターに関する。特に本発明は、高分子の蛋白
質を生体触媒により分解する膜型バイオリアクターで、
調味料、食品物性改良剤、健康食品、機能性食品など食
品工業への応用に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、酵素の触媒活性を保持したまま水
に不溶性にしたいわゆる固定化酵素・バイオリアクター
は、（ａ）高価な酵素を繰り返し使用出来る、（ｂ）反
応装置が小型化できる、（ｃ）連続反応が可能である、
（ｄ）反応制御が可能である、（ｅ）生産物と酵素の分
離が容易である、（ｆ）コストダウンが図れる、などの
利点があるため、その有効性が注目されている。

【０００３】バイオリアクターを利用した食品の製造も
行われ始めているが、一般には、糖やアミノ酸などの低
分子の基質に限られており、高分子である蛋白質や澱粉
は生体触媒との接触が充分でなく、反応率が下がるなど
の点で、難しさがあった。従来より、生体触媒である糸
状菌のプロテアーゼを利用する固定化バイオリアクター
としては、プロテアーゼを抽出してイオン交換樹脂な
どの担体に結合させる担体結合法、糸状菌の菌体をア
ルギン酸ゲルやラバフォームなどに成育させて、菌体外
酵素を利用する方法等が、試みられている。

【０００４】しかし、の方法は、プロテアーゼを抽
出、固定化するので、コスト高になるだけでなく、多く
の場合共有結合させるので、プロテアーゼの活性が下が
るとか、凝集物の生成、酸素の脱離等の欠点がある。ま
たの菌体固定化方法は、固定化生体触媒を応用する方
法として注目されているが、菌体外酵素しか利用でき
ず、ペプチターゼなど有効な生体触媒は、菌体内に含ま
れている場合が多いので、効率が悪いという欠点があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、高分子の蛋白質
を分解するには、生体触媒として専ら酵素のみを用いる
酵素遊離型の膜型バイオリアクターにより行われてき
た。当該膜型バイオリアクターは、生体触媒の固定化を
必要とせず、リアクターの系内を遊離の状態で、蛋白質
に働いて分解し、生成した低分子のアミノ酸と低分子ペ
プチドのみが膜を透過して、系以外に流出させ、未分解
の蛋白質と生体触媒（酵素など）は循環しながら、次第
に分解を進ませる方式のものである。

【０００６】つまり、当該膜型バイオリアクターは、酵
素の分子量が一般に２万〜５万位であり、分解したペプ
チドの分子量は数千以下であるという分子量の差異に着
目し、プロテアーゼなどの酵素は、限外濾過膜を通過せ
ず、分解したペプチドだけが膜外に通過するという原理
により、蛋白質の分解溶液を分離する方法である。濾過
膜は、初期には、平膜が用いられたが、最近は、膜面の
大きい中空糸を用いたり、セラミックを使用したりする
ことが多い。このような、膜型リアクターに用いる酵素
は、抽出遊離したものを用いていたが、当該酵素の抽出
には、分離、分別操作が必要で、これに手間と費用を要
するので、どうしてもコスト高になる。そこで、本発明
者は、実用性のある固体化生体触媒系のバイオリアクタ
ーの研究をすすめるうち、細胞表層画分結合型酵素が、
従来の固定化酵素や固定化増殖微生物と区別される中間
的固定化方法をもった新しい固定化生体触媒であるこ
と、これは高分子蛋白質をよく分解し、かつ比較的高温
においても安定であること、そのため食品工業への利用
に好適であること、等の知見を得た。

【０００７】そこで発明者は、この知見に基づき、先
ず、酵素として細胞表層画分結合型酵素を用い、これを
ゲル包括剤を用いて固定化したうえ、取り扱い易くこれ
をビ−ズ化した蛋白質分解用固定化ゲルと、それを用い
た蛋白質分解法について開発し、新しいゲル包括剤とこ
れを用いた簡易なゲル包括法として、新しいタイプのゲ
ル固定型バイオリアクターを提案した（特願平２ー２４
５６６６号）。

【０００８】この提案された、細胞表層画分結合型酵素
をゲル包括固定化した新しいタイプの膜型バイオリアク
ターは、酵素離脱率が少なく、活性収率が良く、適度に
耐久性もある良好な機能を有する蛋白分解用固定化ゲル
であった。しかし、当該細胞壁結合型酵素は、プロティ
ナーゼが多く、主に蛋白質のペプチド結合を中で切る方
式であるが、蛋白質のペプチド結合を端から切断するペ
プチターゼが比較的少なかった。

【０００９】そこで、発明者は、ペプチダーゼが多い細
胞質内酵素を有効に使用することにより、更に分解効率
を上げることと、ゲル包括剤を用いたゲル包括作業を不
要とすることによる簡便化を図って、研究を重ねた結
果、微生物が持つ細胞組織そのものを固定化坦体と考
え、これをそのまま利用することを想起し、蛋白分解酵
素を有する菌体をそのまま、或はこれを破壊することに
した。しかも、実験により、菌体をそのまま或は破壊し
て膜型リアクターに利用すると、細胞壁結合型酵素なら
びに細胞質内酵素の双方が利用出来るということを確認
した。そして、本発明者は、蛋白質分解用の膜型バイオ
リアクターの生体触媒として、より多くのプロテアーゼ
の種類と量をもつ菌体若しくはそれらの菌体の破砕物又
は細胞壁結合型酵素のいずれかひとつまたは２以上の混
合物からなる生体触媒をそのまま用いるこのに成功し
た。

【００１０】また、これまでの膜型リアクターは、平膜
やチューブラータイプの膜装置で使われる循環式ポンプ
でおこなわれていた。この循環式ポンプの場合には、基
質である蛋白質を循環する際、高速運転が強いられてい
るため、その剪断力によって酸素が破壊されて失活する
ため、次第に活性が下がるという重大な欠点があった。
そこで発明者は、酵素が破壊されない方式の膜型リアク
ターについて、研究を進めたところ、渦巻きフロー方式
の膜濾過装置を用いることを想起し、この装置を用いて
膜型リアクターとしての各種実験した。その結果、渦巻
きフロー方式の膜濾過装置を用いた場合は、循環流量が
少なくてすむので、酵素失活がほとんど認められないこ
と、平膜やホローファイバーに比べて濃度分極を破壊す
る効率が高く、実行濾過面が膜全体に広がるので、総体
的な濾過効率が高くなること等が解った。そこで、発明
者は当該渦巻きフロー式濾過装置は、膜型バイオリアク
ターを構成する装置として好適な条件を備えていると判
断して、これを用いた蛋白質分解用の膜型バイオリアク
ターを提供せんとしたのである。

【００１１】即ち、本発明の目的は、新たなタイプの生
体触媒の採用により、手間が省け、極めてコストが安
く、各種の蛋白分解の多い酵素を含んでいて効率の良い
分解を行う、膜型バイオリアクターを具現化するととも
に、膜型バイオリアクターを構成する濾過装置として渦
巻きフロー方式の膜濾過装置を用いて、酵素を失活させ
ず、濾過効率の高い分離を連続的に行うことができるよ
うにしたものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】特許を受けようとする第
１発明は、蛋白分解酵素を有する菌体若しくはそれらの
菌体の破砕物又は細胞壁結合型酵素のいずれかひとつま
たは２以上の混合物からなる生体触媒をそのまま用いた
ことを特徴とする膜型バイオリアクターである。

【００１３】当該第１発明は、生体触媒をそのまま用い
た膜型バイオリアクターである。本発明では、生体触媒
として蛋白質分解酵素を有する菌体、例えば麹菌などの
糸状菌や、バチルス属の細菌等の菌体だけをそのまま用
いても良いし、これら菌体の破砕物だけ、或は、細胞壁
結合型酵素だけでも良い。また、これら蛋白分解酵素を
有する菌体若しくはそれらの菌体の破砕物又は細胞壁結
合型酵素のいずれか２以上の混合物であっても良い。こ
のような膜型バイオリアクターの利点は、菌体から酵素
を抽出する手間や、酵素を固定化する手間が省け、菌体
そのままや、菌体を単に破砕しただけのもので充分なの
で、極めてコストが安くなることである。

【００１４】また、蛋白質分解酵素には、蛋白質のペプ
チド結合を中で切るプロテナーゼと端から切断するペプ
チターゼがある。細胞壁結合型酵素は、プロティナーゼ
が多いが、細胞質内酵素には、ペプチダーゼが多い。よ
って、菌体やそれら菌体の破砕物は、細胞壁結合型酵素
と細胞質内酵素の双方を含み、より分解が進むのであ
る。

【００１５】蛋白質を分解する生体触媒として、蛋白質
分解酵素を有する菌体、もしくはそれら菌体の破砕物
が、細胞壁結合型酵素より分解能力を発揮することにつ
いては、後述する実験１により明らかにする。

【００１６】特許を受けようとする第２発明は、少し直
径の異なる２本の円筒を同心になるように配設し、円筒
のいずれか一方の側面を濾過膜となすとともに、いずれ
か一方の円筒を高速で回転出来るように構成しておき、
前記２本の円筒の透き間に蛋白分解酵素を有する菌体若
しくはそれらの菌体の破砕物又は細胞壁結合型酵素のい
ずれかひとつまたは２以上の混合物からなる生体触媒を
蛋白質溶液に混合した混合溶液を入れ、いずれか一方の
円筒を高速で回転させて当該透き間に多数の小渦巻きを
発生させながら円筒側面濾過膜から蛋白質分解溶液を濾
過させるようにしたことを特徴とする膜型バイオリアク
ターである。

【００１７】この第２発明は、本発明者が開発した新た
なタイプの生体触媒と渦巻きフロー方式の膜濾過装置を
用いたことを特徴とする膜型バイオリアクターである。
本発明の第１の特徴は、菌体若しくはそれらの菌体の破
砕物又は細胞壁結合型酵素は、菌体から酵素を抽出する
手間や、酵素を固定化する手間が省け、菌体そのまま
や、菌体を単に破砕しただけのもので充分なので、極め
てコストが安くなる点に特長がある。

【００１８】本発明の第２の特徴は、濾過装置として渦
巻きフロー方式の膜濾過装置を採用して、これに上記新
たなタイプの生体触媒を用いて分解した溶液を濾過分離
するもので、その濾過装置の特性として循環速度が遅い
ので酵素を失活させないうえ、濃度分極を効率良く破壊
しながら濾過するので、濾過能率を良くすることがで
き、しかも、濾過膜を洗いながら濾過するので、長期に
わたって連続的な蛋白質の分解とその分解溶液の分離を
行うことができる。

【００１９】特許を受けようとする第３発明は、少し直
径の異なる２本の円筒を同心になるように配設し、円筒
のいずれか一方の側面を濾過膜となすとともに、いずれ
か一方の円筒を高速で回転出来るように構成しておき、
前記２本の円筒の透き間に蛋白分解酵素または固定化さ
れた蛋白分解酵素を蛋白質溶液とともに入れ、いずれか
一方の円筒を高速で回転させて当該透き間に多数の小渦
巻きを発生させながら円筒側面濾過膜から蛋白質分解溶
液を濾過させるようにしたことを特徴とする膜型バイオ
リアクターである。

【００２０】第３発明は、渦巻きフロー方式の膜濾過装
置を用いたことを特徴とする膜型バイオリアクターであ
る。従って、酵素を失活させないうえ、濾過能率を良く
することができ、しかも、長期にわたって連続的な蛋白
質の分解とその分解溶液の分離を行うことができる点に
特長がある。尚、本発明は、生体触媒の蛋白分解酵素を
遊離型にしたものや固定化したもの等いずれでも良いこ
ととして限定していない。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。まず、本発明の構成要素である蛋白質を分解する
生体触媒として、蛋白質分解酵素を有する菌体、もしく
はそれら菌体の破砕物又は細胞壁結合型酵素の３種が適
当であることについて確認する実験１「３種の生体触媒
の蛋白質分解力の比較」をおこなった。

【００２２】＜実験１＞麹菌（Ａｓｐｏｒｙｚａｅ）の凍結乾燥菌体、凍
結乾燥菌体に水を加えてホモジナイズした後、フレンチ
プレスで菌系を破砕し、凍結乾燥したもの、破砕した
菌体を遠心分離して得た沈殿物を凍結乾燥した細胞壁結
合型酵素の３種を生体触媒にした。

【００２３】そして、フラスコ中に大豆酸沈殿蛋白質
（１％の濃度で水に加えｐＨ７．０に調整して溶解）を
入れ、上記の３種の生体触媒を大豆蛋白質と同量加え、
３５℃で反応させる。１，３，６，１２，２４，３６，
４８時間に資料をとり、１分間煮沸して、酵素を失活さ
せた。各資料をＯＰＡ（オクトフタルアルデヒド）法で
反応前後のアミノ基を測定して、分解率を測定した（図
１）。

【００２４】図１に示すように、１２時間程度ではの
菌体のみと、の破砕菌体では、ほぼ同じ分解率であっ
たが、４８時間後には、破砕菌体の分解率は７０％を越
え、菌体のままの５５％より分解率が高かった。破砕菌
体は細胞内酵素も溶液中に分散しており、直ちに寄与し
ているからと考えられる。菌体のままでは、細胞質内酵
素や細胞壁結合型酵素が菌体外に十分溶出しないので、
分解率がより低くなったと考えられる。の細胞壁結合
型酵素では、エキソ型プロテアーゼの多い細胞質内酵素
が除去されているので、分解率が４８時間で１６％にし
かならないものと考えられる。上記の実験結果から、上
記３種の生体触媒は、膜型バイオリアクターの生体触媒
としての適格性が充分あることが解った。

【００２５】次に、第２発明、第３発明に係る膜型バイ
オリアクターの構成要素である渦巻きフロー方式の膜濾
過装置（膜カートリッジは４００ｃｍ² ）について説明
する。その原理は、図３，図４，図５に示すように、少
し直径の異なる２本の円筒１，２を同心になるように配
設し、当該円筒１，２のいずれか一方の側面を濾過膜３
となすとともに、いずれか一方の円筒２を高速で回転出
来るように構成しておき、前記２本の円筒１，２の透き
間４に生体触媒と蛋白質溶液を混合した混合溶液７，７
を入れ、いずれか一方の円筒２を高速で回転させて当該
透き間４に多数の小渦巻き５，５，５を発生させながら
円筒１の側面濾過膜３から蛋白質分解溶液を膜外に濾過
分離６させるようにする装置である（図３，図４）。

【００２６】この渦巻きフロー方式の膜濾過装置は、次
のような特性をもっている。（ａ）同心円筒１，２に出来る透き間４に出来る小渦巻
き５，５，５は、円筒１，２の表面全体に起こるので、
円筒１又は２の片方を濾過膜３にすると、濾過の進行に
伴って発生する『濃度分極』を効率良く破壊して、濾過
の進行を助けるように作用する。このため、この渦巻き
フロー方式の濾過の場合には、濾過に必要な逆圧が小さ
くてすみ、掛ける逆圧が小さければ、膜の目詰まりが少
なくなり、高い濾過速度を長時間維持することが出来る
こととなる。（ｂ）また、この濾過装置は、試料液の循環速度が遅い
ことと、試料液の流路が広いため、菌体が損傷を受たり
酵素が失活することが殆どない特性がある。この特性
は、酵素により蛋白質を分解する膜型バイオリアクター
の従来の技術課題を解消するものとして、画期的なもの
である。（ｃ）更に、この濾過装置では、小渦巻きが濾過膜３全
面に起こるので、濾過膜面３全面で濾過効率を保ち、効
率がよいものとなっている。（ｄ）更に又、膜面を走る溶液の速度がタンジェンシャ
ルフローの１０倍になるため、膜面浄化の効率が飛躍的
に高くなっており、本発明のように菌体や菌体破壊物等
の浮遊物の多い試料にも効率的に作用する特性がある。
このように、渦巻きフロー方式の膜濾過装置は、膜型バ
イオリアクター用の濾過装置として、非常に良好な適性
をもっているのである。

【００２７】そこで、発明者は、図５に示すように、渦
巻きフロー方式の膜濾過装置８を用いた膜型バイオリア
クターを構成し、第２発明、第３発明とした。

【００２８】図中８は、渦巻きフロー方式の膜濾過装置
で、少し直径の異なる２本の円筒１，２を同心になるよ
うに配設し、当該円筒１の側面を濾過膜３となすととも
に、他方の円筒２をモーター９で高速回転出来るように
構成してある。また、図中１０は混合溶液用の貯留容器
であり、当該貯留容器１０と膜濾過装置８とは、循環ポ
ンプ１１を備えた連絡路１３を介して混合溶液７を膜濾
過装置８の方に送られるように連結されているととも
に、上端部では膜濾過装置８内の混合溶液７が水位を保
つように調整する溢水を貯留容器１０の方へ戻す連絡路
１４で連結されている。また図中１２は、膜濾過装置８
の上部に形成された分解溶液回収部であり、回収用汲み
出しポンプ１６を備える回収通路１７を介して濾過され
た蛋白質分解溶液１８が回収出来るように構成されてい
る。尚、図中１９は混合溶液を供給する供給ポンプ１９
を備えた供給部２０となっている。

【００２９】本発明は、このような装置組み合わせシス
テム内に、生体触媒と蛋白質溶液を混合してなる混合溶
液７を循環と撹拌をさせながら、連続的に基質である蛋
白質を分解し、膜濾過により蛋白質分解溶液１８を分離
する方式の膜型バイオリアクターシステムである。以
下、その作用を述べると、先ず、供給部２０を介して供
給される混合溶液７は、貯留容器１０に貯留させる。こ
の混合溶液７は循環ポンプ１１の稼動にともなって、膜
濾過装置８の下部より構成されている内外２本の円筒
１，２の透き間４に送られる。そこで、内側の円筒２を
高速で回転させて当該透き間４に多数の小渦巻き５，
５，５を発生させながら外側円筒１の側面濾過膜３から
蛋白質分解溶液１８だけを濾過分離させる。この蛋白質
分解溶液１８は、回収ポンプ１６を有する回収通路１７
を通って、分解溶液回収部１２に分離収納される。

【００３０】当該生体触媒が、蛋白分解酵素を有する菌
体若しくはそれらの菌体の破砕物又は細胞壁結合型酵素
のいずれかひとつまたは２以上の混合物からなる新しい
タイプの生体触媒をそのまま用いた場合には、第１発明
となり、また、膜濾過装置として、渦巻きフロー方式を
採用しながら、既存の生体触媒を用いたような場合は、
第３発明となる。そして、第１発明に係る新しいタイプ
の生体触媒と、渦巻きフロー方式の濾過装置８とを併用
し、相乗効果を得ようとするのが第２発明である。

【００３１】次に発明者は、当該渦巻フロー式の膜濾過
装置についての基礎的性能試験を実施した。その結果、
この装置の透過流束は圧依存性が高く実用性のある範囲
ではほぼ直線的に増加することが判明した。また、回転
数の影響は回転数を上げていくと、緩やかではあるが透
過流束は低下した。また、目的にかなう大きさの蛋白分
解物を得るためには種々の膜の材質やその膜による分画
分子量を知っておき、必要に応じて選定して使用する必
要がある。通常の蛋白の高度分解には分画分子量８００
０〜３００００位の膜が好ましい。更にまた、当該装置
による濾過処理の場合、一定時間ごとに洗浄が必要であ
ることも判明した。

【００３２】〈実施例１〉培養麹菌を凍結乾燥し、粉砕
菌体酵素を得たうえ、これを基質として本発明の膜型バ
イオリアクターを用いて、大豆酸沈殿蛋白質の分解を調
べた。

【００３３】まず、膜型バイオリアクターの循環モード
により異なる濃度の基質大豆酸沈殿蛋白質を分解し、分
解率や生産率を測定した。前記粉砕菌体酵素の再利用性
を目指し、１％大豆酸沈殿蛋白質ついて、一定時間後反
応液を膜に透過させて抜き取り新しい基質を添加して再
び反応を繰り返す膜型バイオリアクターの半連続モード
で分解を行った。さらに、生成物（透過液）を連続的に
取り出し、透過液量と同量の基質を連続的に供給した膜
型バイオリアクターの連続分解を試みた。循環液濃度の
変化から補充液濃度を定め、生成物（透過液）の生産
率、分子量分布および遊離アミノ酸量を調べた。

【００３４】粉砕菌体酵素の分子量は、４３０００付近
に分布しており、分子量１００００に排除限界をもつ膜
（ＭＸ１０）内に粉砕菌体酵素は保持され膜外に漏れて
いないことが解った（図６）。これによって、酵素は大
部分膜内に維持されて機能してしていることを示してい
る。

【００３５】また、当該膜型バイオリアクターの循環速
度と回転速度は大豆酸沈殿蛋白質の分解に影響を与え
た。回転数の増加に伴い大豆酸沈殿蛋白質分解率が増加
し、１２００rpm で分解率が最大の４５％に達した。１
２００rpm より早い回転速度では、強い剪断力を生じ粉
砕菌体酵素を失活させたため分解率が下がったと考えら
れる（図７）。

【００３６】膜型リアクターの循環速度は早いほど分解
率は高かったが、透過液の生産率は低かった。、本実施
例では１１０ml/minを循環流速として選んだ（図８）。

【００３７】膜型バイオリアクターの循環モードにより
異なる濃度の大豆酸沈殿蛋白質を分解した。蛋白質濃度
が０．５％、１％、２％、３％、５％ではそれぞれ５１
％、４５．６％、３７．４％、３２．１％、２３％の分
解率を得た（図９）膜型バイオリアクターの連続モードにおいては循環液の
濃度変化によって蛋白質補充濃度を０．４３％と定め
た。透過液を補充液と等量に調整して８時間の連続反応
を行ったところ、循環液濃度は１．１４〜１．３７％で
ほぼ一定していた。経時毎透過液フラクションについて
生産率はほぼ同じであった。ゲル濾過ＨＰＬＣによるフ
ラクションの分子量分布もほぼ等しかった（図１０）。

【００３８】これらの結果より、連続反応の透過物はほ
ぼ均一の生産物と考えられ、膜型バイオリアクターは大
豆蛋白質の連続分解において有用性があることが解っ
た。

【００３９】＜実施例２＞前記実験１にて確認したの
破壊菌体およびの細胞壁結合型酵素を生体触媒とし
た。この２種を前記と同じ方法で大豆酸沈殿蛋白質（１
％）と同量の混合液ｐＨ７．０のものを５００ｍｌを図
４に示した渦巻きフロー方式の膜濾過装置（膜カートリ
ッジは４００ｃｍ² ）に入れ、３５℃で反応させた。溶
液は２０ｍｌ／ｍｉｎ、膜回転速度は９００ｒｐｍ内圧
２ＰＳＩで循環させた。また、透過液を出すと、分解率
の計算が複雑になるので、透過液出口を閉じ循環液中の
試料を１，３，６，１２時間にとり、１分間煮沸して酵
素を失活させ、ＯＰＡ（オクトフタルアルデヒド）法で
分解率を測定した。図２がその結果を示したものであ
る。

【００４０】図２に示すとおり、破砕菌体および細
胞壁結合型酵素は実験１で行ったフラスコ中での分解率
よりその数値が増加した。この膜型バイオリアクターの
場合、循環と撹拌がより充分なので、分解率が向上した
ものと思われる。この場合もフラスコ中と同じく、破
砕菌体は、細胞壁結合型酵素より倍以上も分解率が高
くなった。この場合もエキゾ型プロテアーゼの多い細胞
質内酵素が細胞壁結合型酵素には除かれているためと考
えられる。

【００４１】

【効果】第１発明は、膜型バイオリアクターの生体触媒
蛋を蛋白質分解酵素を有する菌体若しくはそれらの菌体
の破砕物又は細胞壁結合型酵素のいずれかひとつまたは
２以上の混合物からなる新しいタイプの生体触媒をその
まま用いた点に特徴がある膜型バイオリアクターであ
る。

【００４２】本発明は、この新たなタイプの生体触媒の
採用により、菌体から酵素を抽出する手間や、酵素を固
定化する手間が省け、極めてコストが安い膜型バイオリ
アクターを具現化出来ることとなった。また、この新た
なタイプの生体触媒には、細胞壁結合型酵素と細胞質内
酵素の両方を含んでいるので、蛋白質の分解度が非常に
高い膜型バイオリアクターとなる。

【００４３】第２発明は、少し直径の異なる２本の円筒
を同心になるように配設し、円筒のいずれか一方の側面
を濾過膜となすとともに、いずれか一方の円筒を高速で
回転出来るように構成しておき、前記２本の円筒の透き
間に蛋白分解酵素を有する菌体若しくはそれらの菌体の
破砕物又は細胞壁結合型酵素のいずれかひとつまたは２
以上の混合物からなる生体触媒を蛋白質溶液に混合した
混合溶液を入れ、いずれか一方の円筒を高速で回転させ
て当該透き間に多数の小渦巻きを発生させながら円筒側
面濾過膜から蛋白質分解溶液を濾過させるようにしたこ
とを特徴とする膜型バイオリアクターである。

【００４４】つまり、第１発明に係る新しいタイプの生
体触媒と、渦巻きフロー方式の濾過装置とを併用したこ
とを特徴とする膜型バイオリアクターで、前記第１発明
の効果を有するとともに、次のような膜型バイオリアク
ターとしての特性も効果として合わせ持つものである。
即ち、循環速度が遅く流路が広いため、菌体が損傷を受
たり酵素が失活することが殆どなく、繰り返し使用でき
る。この特性は、従来より膜型バイオリアクターの避け
られない技術課題としていたものを解消したもので、画
期的な効果である。

【００４５】また、同心円筒間に出来る透き間に出来る
小渦巻きは、円筒の表面全体に起こるので、円筒の片方
を濾過膜にすると、濾過の進行に伴って発生する『濃度
分極』を効率良く破壊して、濾過の進行を助けるように
作用するので、濾過処理を非常に効率的に行うことがで
きる。また、本発明の濾過装置は、濾過に必要な逆圧が
小さくてすみ、掛ける逆圧が小さければ、膜の目詰まり
が少なくなり、高い濾過速度を長時間維持することが出
来ることとなり、その結果、連続的な蛋白質の分解と分
離を長期間行うことができる。

【００４６】更に又、膜面を走る溶液の速度がタンジェ
ンシャルフローの１０倍になるため、膜面浄化の効率が
飛躍的に高くなっており、本発明のように菌体や菌体破
壊物等の浮遊物の多い試料にも効率的に作用する。本発
明に係る膜型バイオリアクターは、上記のような効果を
そなえている。

【００４７】第３発明は、膜濾過装置として、渦巻きフ
ロー方式を採用しながら、既存の生体触媒を用いた場合
の膜型バイオリアクターである。従って、前記第２発明
に記載したような膜型バイオリアクターとしての特性
を、本発明の効果として有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】３種の生体触媒のバッチ法による蛋白質分解力
の比較実験結果を示す説明図である。

【図２】実施例２において破壊菌体と細胞壁結合型酵素
を生体触媒として用いて膜型バイオリアクターにより大
豆酸沈殿蛋白質を分解し分離した場合の蛋白質分解率を
示す説明図である。

【図３】膜型バイオリアクターの濾過装置として採用し
た渦巻きフロー方式の濾過装置の構造原理を説明する概
略斜視図である。

【図４】渦巻きフロー方式の濾過装置における内部の作
用原理を詳細に説明する縦断説明図である。

【図５】第２発明、第３発明に係る渦巻きフロー方式の
濾過装置を用いた膜型バイオリアクターを示すの構成説
明図である。

【図６】実施例１における膜型バイオリアクターの粉砕
菌体酵素の膜内残存率を示すグラフである。

【図７】実施例１における膜型バイオリアクターの循環
速度と分解率を示すグラフである。

【図８】実施例１における回転速度と分解率を示すグラ
フである。

【図９】実施例１における蛋白濃度と分解率を示すグラ
フである。

【図１０】実施例１におけるゲル濾過ＨＰＬＣによる各
フラクション分量分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１…円筒（外側）２…円筒（内側）３…濾過膜４…透き間５…小渦巻き６…濾過分離７…混合溶液８…渦巻きフロー方式の膜濾過装置９…モーター１０…貯留容器１１…循環ポンプ１２…分解溶液回収部１３…連絡路１４…回収ポンプ１６…回収ポンプ１７…回収通路１８…分解溶液１９…供給ポンプ２０…供給部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田靖子仙台市泉区向陽台３−37−４グランドハイツ向陽台201 (72)発明者佐藤恵子仙台市若林区かすみ町５−５ (72)発明者桜井勝一宮城県利府町森郷字新川向105の１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蛋白分解酵素を有する菌体若しくはそれ
らの菌体の破砕物又は細胞壁結合型酵素のいずれかひと
つまたは２以上の混合物からなる生体触媒をそのまま用
いたことを特徴とする膜型バイオリアクター。
【請求項２】少し直径の異なる２本の円筒を同心にな
るように配設し、円筒のいずれか一方の側面を濾過膜と
なすとともに、いずれか一方の円筒を高速で回転出来る
ように構成しておき、前記２本の円筒の透き間に蛋白分
解酵素を有する菌体若しくはそれらの菌体の破砕物又は
細胞壁結合型酵素のいずれかひとつまたは２以上の混合
物からなる生体触媒を蛋白質溶液に混合した混合溶液を
入れ、いずれか一方の円筒を高速で回転させて当該透き
間に多数の小渦巻きを発生させながら円筒側面濾過膜か
ら蛋白質分解溶液を濾過させるようにしたことを特徴と
する膜型バイオリアクター。
【請求項３】少し直径の異なる２本の円筒を同心にな
るように配設し、円筒のいずれか一方の側面を濾過膜と
なすとともに、いずれか一方の円筒を高速で回転出来る
ように構成しておき、前記２本の円筒の透き間に蛋白分
解酵素または固定化蛋白分解酵素を蛋白質溶液とともに
入れ、いずれか一方の円筒を高速で回転させて当該透き
間に多数の小渦巻きを発生させながら円筒側面濾過膜か
ら蛋白質分解溶液を濾過させるようにしたことを特徴と
する膜型バイオリアクター。