JPS61100600A - 生体触媒を固定化したゲル粒子の製造方法およびその装置 - 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〕 本発明はバイオリアクタの構成要素である酵素。

オルガネジ。細胞等の生体触媒（以下、単に生体触媒と
いう）を固定化したゲル粒子の製造方法およびその装置
に関する。

〔発明の背景〕

従来、生体触媒は反応に際し、水溶液の形で使われてき
たため、反復使用は困難であったが、近年、酵素や微生
物菌体を固定化して、通常の固形触媒に近い形で取〕扱
い出来る様になシつつある。

各種の固定化方法のうち、親水性の高分子マ）　ＩＪラ
ックス中生体触媒を封じ込めるゲル包括法は、比較的操
作が簡単でかつ温和な条件下で行えるため適用範囲が広
い。したがって、最も実例の多い方法でラシ、今後とも
主流の方法であると予想される。

具体的には、生体触媒をアルギン酸ソーダ、寒天、カラ
ーギナン等の固定化担体である高分子ゾ　　　　　　　
ルに溶解もしくは分散させた後、ノズルからこの液を凝
固剤薬液中に滴下して粒状に凝固させ生体触媒が固定化
されたゲル粒子を調製している（例えば、酵素化学、１
９８１年　東京化学同人発行第３８８頁〜第３８９頁）
。

上記ゲル包括法により固定化された生体触媒では、基質
分子がゲル粒子表面からマトリックス内部へと拡散して
酵素反応を行なうが、実用的な反応条件下ではゲル表層
のみが有効であシマトリックス内部は反応に寄与せず、
反応面積が大きくとれないという問題点を有する。

そこで、ゲル粒子の粒径を小さくし表面積を増加させて
反応面積を増大させることが望ましいが、従来の滴下法
によるゲル包括法では生体触媒を含有する高分子ゾルを
凝固剤中にノズルから自然落下させているために、たと
えノズル径を小さくしてもゾル滴がノズル先端へ付着す
るため第５図に示すように直径ｚ７■が限界となる。

そこで、滴下法以外の方法としてゾルを凝固用薬液面上
にスプレーによシ散布して粒径の小さいゲル粒子を得る
方法も存在する。しかし、この方法では粒径分布が極め
て広くなシ、かつ固定床。

流動床型バイオリアクタ中でのゲル粒子の保持が困難で
ある０、１鵡以下の粒子が大部分となる他、微小ゾル液
滴が液面上に浮遊した状態となシ、ゾル液滴同志が合併
し膜状にゲル化してしまう。また、スプレーノズルを調
節して粒度をあげようとしてもゾル液滴は球状のゲル粒
子にならず円板状のゲルとなってしまうという問題点を
有する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、固定床、流動床型酵素リアクタ中でも
保持が容易で、かつ従来の滴下法のゲル包括法よシも粒
径が小さく反応面積が大きい生体触媒を固定化したゲル
粒子をせまい粒径分布で製造する方法およびその方法を
実施するための装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明者らは生体触媒が固定化されたゲル粒子の製造に
関して鋭意検討した結果、ノズルからゾル滴が凝固液に
自然落下または加圧落下する前に、ゾル滴と凝固液を接
触させればこのゾル滴が凝固液の表面張力のために凝固
液中に引き込まれ、粒径が小さく反応面積が大きいゲル
粒子（直径０．２〜２．５１ｇｍ　）が形成されること
を見い出した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであシ、そ
の具体的内容について、本願第１の発明は、生体触媒を
含有するゾル滴がノズルの先端部から落下する前にこの
ゾル滴を前記凝固液に接触させることを特徴とする生体
触媒を固定化したゲル粒子の製造方法であり、本願第２
の発明はノズルと該ノズルの先端部に生体触媒を含有す
るゾル液の所定量の液滴を形成するようにノズルにゾル
液を供給する供給装置と、ゾル液滴と接触してゲル化す
る凝固液を保持する凝固液保持装置と、この凝固液表面
とノズルの先端部との距離を検出する検出装置と、距１
！ｆｉｔを所定量に調節する距離調節装置とを備えゾル
滴と凝固液の距離を小さくして、ゾル滴が落下する前に
凝固液中に取り込んでゲル化し生体触媒の固定をするこ
とを特徴とする生体触媒を固定化したゲル粒子の製造装
置である。

本発明に用いられるゾル液としては高分子ゾルがあシ、
これには、アルギン酸ソーダ、寒天、力２−ギナン等が
ある。

使用するゾル液の濃度は、ゾルの種類によシ異なるが、
通常０．５〜２０重量−の範囲内にるる。

また、本発明に用いられる凝固液はゾルに適したものを
用いることができ、例えば、アルギン酸ソーダはカルシ
ウム塩溶液、カラーギナンにはカリウム溶液、寒天には
Ｏ〜５Ｃの冷水が用いられる。

〔発明の実施例〕 次に、本願発明の好ましい実施例を添付図面に従って詳
説する。

第１図は本願発明にかかる生体触媒を固定化したゲル粒
子の製造装置の一実施例を示す全体構成図でおる。

図において、内部にゾル液１を貯留するゾル貯留槽２の
下方には、ゾル液が輸送されるゾル液送配管４が接続さ
れておシ、この送配管４にはゾル液流量調整装置３が接
続されている。

前記流量調整装置３にはゾル液送配管５が接続されてお
）、この送配管５にはノズル群１１を備えた支持装置６
が接続されている。

前記支持装ｇＬ６はノズル群変位装置７に接続されてお
シ、この変位装置には凝固用薬液液面検知装置８が接続
されている。

前記ノズル群１１の下方には内部に凝固液９を有する凝
固液貯留槽ｌＯが備えられている。

次に本実施例の動作について説明する。

ゾル貯槽２内のゾル液ｌはノズル群１１の各ノズル先端
に一定量のゾル滴が形成されるように、内部に流路弁を
有するゾル液ｇｔ調整装置によシゾル液供給量が調整さ
れて配管４，５全通してノズル群１１に供給される。

ノズル群１１の各ノズル先端部と凝固液９との表面の距
離は、凝固用薬ｔＬ′ｔＬ面検知装置８により測定され
、この測定信号Ｓｔがノズル群変位装置に出力されて一
定距離に保たれる。

′上記ノズルー凝固液表面との距離は、ノズル先端に生
ずるゾル滴が自然落下する直前のゾル滴の最大炎以下に
保たれており、この距離はノズルの外径、ゾル液Ｒ，量
調整装置３のゾル液供給量によっても変ってくるもので
ある。

上記ノズル−凝固液表面の距離と凝固液９内に生ずるゲ
ル粒子の粒径との関係を示すと第２図、第３図のように
なる。

第２図は、ノズル２３の先端部に生ずるゾル滴２１と凝
固液２２と距離＜１＞が変化した場合におけるゾル滴２
１の状Ｂｔ−示す図である。

第２図において、Ａはｔ（０，５鑓のとき、ＢないしＥ
はｔが、０．５ｍ≦７１．（ｄの範囲内で順次増加する
場合、Ｆはｔが自然落下する場合の最大長ｄ′の場合を
示す。人ないしＦのそれぞれの場合に凝固液中に生成す
るゲル粒子の粒径を明らかにすると第３図のようになる
。

第３図において、ｔが０．５露より小さいときには、ゾ
ル滴２１は凝固液でひも状の連続体（図示せず）となシ
ゲル粒子が生成しない。また、ｔが０．５ｍ≦／、（ｄ
’の範囲内ではゲル粒子の直径（ｄ）は０゜２鱈≦ｄ≦
１５ｓａｍとなシ従来にない反応面積の大きいゲル粒子
が生成される。さらに、ｔがｄ′よシ大きいとｄはｄ）
４５簡となシ従来の滴下法のゲル包括法によって生成さ
れるゲル粒子とほぼ同じ粒径のものが生成される。

次に、ノズル外径と、ノズル先端−凝固用薬液との間隔
の関係について図示すると第４図のようになる。

第４図において、右上りの斜線部は直径０．２〜２．５
鵡のゲル粒子が生成される状件範囲を示し、右下シの斜
線部は従来のゲル包括法による状件範囲を示す。

以上説明したように本実施列によれば、ノズルを薬液面
に近接させると、成長中のゾル滴が凝固液面と接触し、
ゾル滴が水の表面張力のためノズル先端から凝固液中に
引き込まれ、従来の滴下法にくらぺ粒径の小さいゲル粒
子（直径０．２〜２５ｍ）が形成される。かつ、ノズル
先端と凝固液面との間隔を正確に保てば、粒径分布も小
さくなる。

しかし、間隔を０．５ｍ以下にすると、凝固液面がノズ
ル下端と連絡してしまい、ひも状にゲル化してしまうこ
とがわかった。従って、本実施例では、ノズル下端と凝
固液面との間隔を０．５聾以上で、かつ自然滴下のゾル
滴の最大長さ以下に調節されている。

次に、本発明について実験例および比較例を示してさら
に詳しく説明する。

実施例１ １．２％アルギン酸ソーダ溶液５００ｇに生パン酵母５
０ｇ（含水率２１％）を懸濁し、固定化菌体原料液（以
下ゾル液と略称）とした。これを第１図に示すゲル粒子
製造装置を用いゲル粒子を゛調製した。上記ゾルを、装
置の最上部に配置した内容１ｔのゲル貯槽２に入れ、液
供給調節装置３として自在バルブをへて外径１ｍｍ、内
径０．５瓢のノズルを直線状に２０本配置したノズル群
１１に導いた。ノズル群１１下方に凝固用薬液９として
１チ塩化カルシウム溶液を入れた円盤状の凝固浴を、ノ
ズル下端と薬液液面との間隔が３Ｂになる様に各ノズル
下端の高さを調節した。凝固液貯留槽１０は、ノズル群
１１が凝固液貯留槽の中心から外周方向に直線状に配置
し　かつ凝固液は、電磁攪拌機で液面が乱れぬ様に液面
周速１０〜３０ｃＷ＋／（８）になる様に攪拌した。ゾ
ル供給量を自在パルプを用いて調節し１５ｇ／分とした
。４００ｇのゾルを滴下した時点で滴下をやめ、５分間
滞留後、ゲル粒子の粒径を測定した。その結果、表１に
示すよりに直径１．５へλＯｓｏｇの粒子を７２チ得た
。

また、本粒子の直径から求めた平均半径とこれから計ｉ
したゲル粒子１ｇあたシの表面積とを表中に付記した。

本ゲル粒子１ｇあた９の表面積は３４．７ｃｄ／ｇであ
る。

第１表 次いで、本ゲル粒子を用いて、以下の条件下でアルコー
ル発酵の回分試験を行った。

基質及び濃度ニゲルコース、１ｏ％　（Ｗ／Ｖ）ｐＨ：
４．５（０，１Ｍ酢酸ソーダ緩衝液ｐＨ４，５） ゲル粒子濃度＝１０チ（Ｗ／Ｖｌ 温度＝２７０ 攪拌：　３　Ｑ　ｒｐｍ 仕込容積：１６ 反応開始に先だち、気相部ｆ：　ＣＯｓで置換した。。

上記条件下で１時間反応後、１９ｇのエタノールの生成
が認められた。

実施例２ ノズル以外は実施例１と同−装置及び実施例１と同一手
順で調製したゾルを用い、下記条件でゲル粒子を製造し
た。

ノズルは外径０．３　ｗｍ　（内径０．１　ｍ　）の細
管を用い、凝固液面との間隔を０．５ｗｔとし、ゾル供
給速度ｔ３ｇ／分とした。５０ｇのゾルを滴下した時点
で滴下をやめ、３分間滞留後、ゲル粒子の粒径を測定し
た。その結果、表２に示すように直径０、２−０．４簡
の粒子を７９−の収率で得た。

第２表 実施例３ ノズル以外は実施列１と同−装置及び実施例１と同一手
順で調製したゾルを用い、下記条件でゲル粒子を製造し
た。

ノズルは外径２ｔｘｍ（内径工部）の細管を用い、凝固
液面との間隔を３■とし、ゾル供給速度を１０ｇ／分と
した。１００ｇ滴下した時点で滴下をとめ、３分間滞留
後、ゲル粒子の粒径を測定した。その結果、表３に示す
ように直径２０〜２５簡の粒子ｔ−８５％の収率で得た
。

第３表 実施例４ ノズル以外は実施列１と同−装置及び実施ｆ１１１゛と
同一手順で調製したゾルを用い、下記条件でゲル粒子を
製造した。

ノズルは外径４諺（内径２ｍ）の細管を用い、凝固液面
との間隔を０．５１１１１１とし、ゾル供給速度を１０
ｇ／分とした。１００ｇのゾルを滴下した時点で滴下を
やめ、３分間滞留後ゲル粒子の粒径を測定した。その結
果、第４表に示す様に直径λ０〜！５１１１１の粒子を
８５−の好収率で得た。

第４表 比較例１ ノズル以外は実施例１と同−装置及び実施列１と同一手
順で調製したゾルを用い、下記条件でゲル粒子を製造し
た。

ノズルは外径０．２　ｍ　（内径０．　Ｉ　ｍ　）の細
管を用い、薬液面との間隔を３．５藺とし、ゾル供給速
度を０゜２ｇ／分とした。１ｇのゾルを滴下した時点で
滴下をとめ、３分間滞留後、ゲル粒子の粒径を測定した
。本条件は実施例１とはことなシ、従来のゲル包括法で
用いられてきた自然滴下条件の範囲となる。その結果、
第５表に示すように、主として直径３．０〜３．５簡の
粒子が得られ、２．５璽以下の粒子は得られない。尚、
本粒子の直径から求めた平均半径とこれから計算したゲ
ル粒子１ｇＪ）たシの表面積とを表中に付記した。本ゲ
ル粒子１ｇろたシの表面積は１３００ｉである。

第５表 次いで、本ゲル粒子を用いて、実施列１と同一条件でア
ルコール発酵の回分試験を行った。その結果、１時間反
応後に９．２ｇのエタノールの生成が認められた。

比較例２ 薬液面とノズル先端との間隔を０．２ｍとする以外は実
施例３と同一条件で実施じた。その結果、ノズル先端か
ら最初のゾルが薬液面と接触直後、薬液がノズル先端と
連絡し、ゾルは連続的に薬液中に落ちる。このため、外
径１〜２聴のひも状凝固物となってしまい、ゲル粒子は
得られなかった。

以上説明した実験例によれば、小径の球状ゲル粒子が効
率良く製造できる。また実験例１と比較例１との比較か
ら、実施例１の方がゲル粒子単位重量あたりの面積が１
．７倍、エタノール生成量が２．０倍大きくなっている
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、固定床、流動床型
酵素リアクタ中でも保持が容易で、かつ粒径が小さく反
応面積が大きい生体触媒を固定化したゲル粒子を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる生体融媒を固定化したゲル粒子
の一実施例を示す全体構成図、第２図はノズル先端部と
凝固液表面の距離を表す図、第３図は第２図のノズル先
端部に生じたゾル滴が凝固液中でゲル化した場合におけ
るゲル粒子の直径を表す図、第４図はノズル外径とノズ
ル先端部−凝固用薬液面との間隔の関係を示すグラフ、
第５図は従来の滴下法のゲル包括法におけるノズル外径
とゲル粒子直径の関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ノズル内に生体触媒を含有するゾル液を供給し、該
   ノズルの先端部に生ずる前記ゾル液滴を凝固液に取り込
   んで該ゾル滴をゲル化する生体触媒を固定化したゲル粒
   子の製造方法において、前記ゾル滴が前記ノズルの先端
   部から落下する前に該ゾル滴を前記凝固液に接触させる
   ことを特徴とする生体触媒を固定化したゲル粒子の製造
   方法。 ２、ノズルと該ノズルの先端部に生体触媒を含有するゾ
   ル液の所定量の液滴を形成するように前記ノズルに前記
   ゾル液を供給する供給装置と、前記ゾル液滴と接触して
   ゲル化する凝固液を保持する凝固液保持装置と、該凝固
   液表面と前記ノズルの先端部との距離を検出する検出装
   置と、前記距離を所定量に調節する距離調節装置とを備
   えたことを特徴とする生体触媒を固定化したゲル粒子の
   製造装置。