JPS6332478A - 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】 （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１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。

しかじ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１
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力Ｎ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を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
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
膜を配置して、前記通液路を上流側と下流側に区分させ
た酵素反応装置であって、前記分離膜は、前記通液路の
上流側に面した層状の緻密層と前記通液路の下流側に面
した層状の粗密層とを有する厚み方向に非対称な構造を
有する基体膜に、該基体膜の内部に酵素を固定させるこ
とで構成したところにある。

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１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
された緻密層を層状に形成させ、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密
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（以下原基体という）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
記原基体は、膜内部に酵素を付着固定するために、緻密
層と粗密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。原基体の厚みは、
特に限定されないが、取扱い上１強度上等から一般的に
は０．１〜３　ｍｍ、好ましくは０．５〜１．５　ｍｍ
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
孔径をなす緻密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粗密層部分を層状に
有する基体膜に対して、前記粗密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、原基体の緻密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０．０１μ
ｍ以下とすることがよい場合が多い。

緻密層の層厚は、基体膜の全厚みの通常１／１０００〜
１　／　５程度、好ましくは１／１００ｏ〜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。

前記緻密層と共に設けられる粗密層は、前記緻密層に対
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。

この粗密層の細孔径の大きさは上記条件を満足する他、
原基体の構造強度、原基体作成の難易、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。

原基体の緻密層、粗密層の厚み方向に関する分布は、該
原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。

このような要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緻密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ｊ＜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ツクス（ＭＥＭＢＲ−ＡＬＯＸ　；
　セラヘ−ＪＬ／社製）、カーボセップ（ＣＡＲ−ＢＯ
５ＥＰ　　、　５ＦＥＣ社製）、セラフ０−（（：ＥＲ
ＡＦＬＯ；Ｎ　ＯＲＴ　ＯＮ　’ｌＪｒ、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）、ＤＩＩＹ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１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
膜の粗密層側の面から緻密面側に向フて酵素を含む溶液
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、−数的には１　ｋｇ／ｃｍ　２〜ｌＯｋｇ
／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ｍ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、−数的な膜を用
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、各種オリゴ環の
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−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、その緻密層は
膜の内周面側に面して形成され、粗密層は反対に膜の外
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から
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 を里１ 膜基体：＠厚１ｍｍのアルミナｌ１ｉ（商品名ｒ　ＭＥ
ＭＢＲＡＬＯＸ　　（メンブラロツクス）」。

東芝セラミックス株式会社） 緻密層（細孔径　０．０４μｍ） （層厚　　５　　μｍ） 粗密層（細孔径　０．２〜１５μｍ） （層厚　　　０．９９５　ｍｍ　） 固定酵素　（インベルターゼ） 酵素固定時の操作：温度１０℃で１００　ｍｇ／　Ｉｔ
の酵素溶液をフロー圧３　　ｋｇ／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ｗ１０零溶液 分離回収の対象物質ニブドウ糖、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分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分かった。

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、ショ糖溶液のフロ一方向
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より粗密層側から基質を流す場合は前記実施例に比
べて反応率１反応量とも低い値となることが分かった。

表　　　　　　１ 表　　　　　　　２ 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
ラスピーズを１％添加したシＦ１１１１０％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
ショ糖溶液のフロ一方向を分離膜の外側（粗密層側）か
らとして操作を行なったところ、該分Ｍ膜においてガラ
スピ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どう利点がある。

また本発明は、酵素の有効利用率が高く、したがってラ
ンニングコストを低減して実施することが可能である等
その有用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ｍ要−
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 (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基質を含んだ処理対象液を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して、前記通
   液路を上流側と下流側に区分させ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た層状の
   緻密層と前記通液路の下流側に面した層状の粗密層とを
   有する厚み方向に非対称な構造を有する基体膜に、該基
   体膜の内部に酵素を固定させて構成したことを特徴とす
   る酵素反応装置
2. （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. （３）分離膜が、基体膜の粗密層側より緻密層側に向っ
   て酵素溶液をフローさせることで酵素を付着固定させた
   もの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）項記載の酵素反応装置
4. （４）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）項ないし第（３）項にいずれか
   に記載の酵素反応装置