JPH0640815B2 - Bioreactor - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、バイオリアクターに関する。さらに詳しく
は、酵素や微生物の特異的機能を応用して食品素材、医
薬品等の各種有機物質を簡便にかつ連続的に産生しうる
工業用のバイオリアクターに関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bioreactor. More specifically, the present invention relates to an industrial bioreactor capable of easily and continuously producing various organic substances such as food materials and pharmaceuticals by applying specific functions of enzymes and microorganisms.

（ロ）従来の技術 酵素や微生物細胞、器官などの生体触媒を用いて各種食
品素材や医薬品を生産する方法として従来から主として
回分式のリアクターが使われてきたが、生体触媒の再利
用が困難、生産ラインが不連続で人手を要する、反応率
を高めるのに長時間を要するなどの難点があり、製品の
コスト高の原因となっていた。(B) Conventional technology Conventionally, batch type reactors have been mainly used as a method for producing various food materials and pharmaceuticals using biocatalysts such as enzymes, microbial cells and organs, but it is difficult to reuse biocatalysts. However, the production line is discontinuous and requires manpower, and it takes a long time to increase the reaction rate, which causes a high cost of the product.

かかる点に鑑み最近、カラーギナンゲルやアルギン酸カ
ルシウムゲルからなる酵素や細胞の固定保持層を用いこ
れに原料液を通過させる方式のバイオリアクターや、酸
素や細胞の培養槽に限外瀘過膜を介して原料液槽を設け
た方式のバイオリアクターが提案されるに至っている。
前者のバイオリアクターはいわゆる流通型バイオリアク
ターであり、その具体例を第６図に示した。図におい
て、(9)は例えばラクターゼ等の酵素を固定化した担体
を示し、これらは液入口（81）及び出口（82）を備えた
容器(8)内に充填されている。そして牛乳などの基質を
通過させることにより、所望の物質が産生され、例えば
低乳糖化牛乳などが得られる。一方、後者のバイオリア
クターはいわゆる膜型バイオリアクターであり、この具
体例を第７図に示した。図において(13)は容器(10)と限
外瀘過膜等の多孔質膜(3)によって設定される微生物(1
1)の培養槽を示し、(14)は原料液の導入槽を示し、(12)
は攪拌機を示す。この場合、原料液中の原料物質（51）
は膜(3)を透過して微生物(11)の代謝を受け、これによ
り生じた目的の生成物（52）は再び膜(3)を透過して原
料液の導入槽(14)側に拡散し、回収される。In view of this point, recently, a bioreactor of a method of passing a raw material liquid through an enzyme or cell fixed holding layer composed of a color ginnan gel or a calcium alginate gel, or an oxygen or cell culture tank through an ultrafiltration membrane. A bioreactor of the type having a raw material liquid tank has been proposed.
The former bioreactor is a so-called flow-through bioreactor, a specific example of which is shown in FIG. In the figure, (9) shows a carrier on which an enzyme such as lactase is immobilized, and these are filled in a container (8) having a liquid inlet (81) and an outlet (82). Then, by passing through a substrate such as milk, a desired substance is produced and, for example, low-lactose saccharified milk is obtained. On the other hand, the latter bioreactor is a so-called membrane type bioreactor, and a specific example thereof is shown in FIG. In the figure, (13) is a microorganism (1) set by a container (10) and a porous membrane (3) such as an ultrafiltration membrane.
Shows the culture tank of 1), (14) shows the introduction tank of the raw material liquid, (12)
Indicates an agitator. In this case, the source substance in the source liquid (51)
Permeates the membrane (3) and is metabolized by the microorganisms (11), and the target product (52) generated by this permeates the membrane (3) again and diffuses to the side of the raw material solution introduction tank (14). And then recovered.

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のごとき従来のバイオリアクターのう
ち、膜型バイオリアクターにおいては、物質の移動が膜
を介しての自動拡散にのみ依存するため生体触媒が生成
物と接触している時間が長く、それにより例えば生成物
質が酸性物質の場合には生体触媒の周辺のpHが大きく変
化して至適条件を保てなくなるという問題点があった。
一方、流通型バイオリアクターにおいては、時間と共に
酵素や微生物が固定保持層から溶出して活性が低下し易
く、さらにリアクター内に雑菌が入り込んで活性を阻害
し易いという問題点があった。(C) Problems to be Solved by the Invention However, among the conventional bioreactors as described above, in the membrane bioreactor, the biocatalyst is a product because the substance transfer depends only on the automatic diffusion through the membrane. There has been a problem that the contact time with the biocatalyst is long, and when the produced substance is an acidic substance, for example, the pH around the biocatalyst changes greatly and the optimum condition cannot be maintained.
On the other hand, in the flow-through type bioreactor, there is a problem that enzymes and microorganisms are likely to be eluted from the fixed holding layer with time and the activity tends to be lowered, and further various bacteria are easily introduced into the reactor to inhibit the activity.

この発明は、かかる問題点に鑑みなされたものであり、
酵素や微生物の活性低下を可能な限り抑制できかつ効率
良く目的の物質を産生しうるバイオリアクターを提供し
ようとするものである。The present invention has been made in view of such problems,
It is intended to provide a bioreactor capable of suppressing the activity reduction of enzymes and microorganisms as much as possible and efficiently producing a target substance.

（ニ）問題点を解決するための手段及び作用 かくしてこの発明によれば、酵素または細胞、器官など
の生体触媒の保持層を備え、この保持層に原料液を通過
させることにより所定の有機物質を産生しうるよう流路
構成されてなり、上記保持層として生成触媒を含浸した
多孔性担体膜を用いかつ原料液が通過する該保持層の両
面に、該原料液を透過するが保持層中の生体触媒を透過
しない多孔質膜を設けたことを特徴とするバイオリアク
ターが提供される。(D) Means and Actions for Solving the Problems Thus, according to the present invention, a retaining layer for an enzyme or a biocatalyst such as a cell or an organ is provided, and a predetermined organic substance is obtained by passing the raw material liquid through the retaining layer. In the holding layer, a porous carrier membrane impregnated with a generated catalyst is used as the holding layer and the raw material liquid permeates the both sides of the holding layer through which the raw material liquid passes. There is provided a bioreactor having a porous membrane that does not permeate the biocatalyst.

この発明の最も特徴とする点は、保持層の両面に特定の
多孔質膜を形成させ、この状態で該保持層を流通型バイ
オリアクターとして流路構成した点にある。これによ
り、保持された酵素や微生物等の生体触媒の保持層から
の漏出が防止され、かつ保持層内への雑菌の持ち込みが
防止される。従って、従来のごとき膜型バイオリアクタ
ーに比して短時間でかつ従来の流通型バイオリアクター
に比して効果良く目的有機物質を産生させることができ
る。The most characteristic feature of the present invention is that a specific porous membrane is formed on both surfaces of the retaining layer, and in this state, the retaining layer is configured as a flow-through bioreactor to form a flow path. This prevents the retained biocatalyst such as enzymes and microorganisms from leaking from the holding layer, and prevents miscellaneous bacteria from being brought into the holding layer. Therefore, the target organic substance can be produced in a shorter time as compared with the conventional membrane-type bioreactor and more effectively as compared with the conventional flow-through bioreactor.

上記多孔質膜としては、少なくとも該原料液を透過する
が保持層中の酵素蛋白や微生物細胞を透過しない半透膜
的機能を備えたものが用いられる。ここで、原料液を透
過する、とは少なくとも変換を意図する原料物質を充分
に透過しうることを意味する。かかる多孔質膜は、保持
層に固定する生体触媒の種類並びに原料物質の種類にも
依存するが、通常、孔径約 0.001〜 0.5μｍ、酵素の場
合好ましくは 0.001〜0.01 μｍ、微生物の場合好まし
くは 0.02 〜 0.5μｍの孔を有するものが適している。
またその材質としては、原料液を透過させる点から耐圧
性を有するものが適している。これらの例としてはセル
ロースアセテート、ポリスルホン、ポリアクリロニトリ
ル、ポリプロピレン、テフロン、フッ化ビニリデン等か
らなる膜が挙げられ、厚みとしては 0.01 〜 0.5mm好ま
しくは 0.05 〜 0.1mmに設定するのが適している。As the above-mentioned porous membrane, one having at least a semipermeable membrane function that is permeable to the raw material liquid but is impermeable to the enzyme protein and microbial cells in the holding layer is used. Here, "permeating a raw material liquid" means that at least a raw material intended to be converted can sufficiently permeate. Such a porous membrane usually has a pore size of about 0.001 to 0.5 μm, preferably 0.001 to 0.01 μm for an enzyme and preferably 0.001 to 0.01 μm for a microorganism, although it depends on the type of biocatalyst fixed to the retention layer and the type of raw material. Those having holes of 0.02 to 0.5 μm are suitable.
Further, as a material thereof, a material having pressure resistance is suitable from the viewpoint of transmitting the raw material liquid. Examples of these include membranes composed of cellulose acetate, polysulfone, polyacrylonitrile, polypropylene, Teflon, vinylidene fluoride, etc., and the thickness is suitably set to 0.01 to 0.5 mm, preferably 0.05 to 0.1 mm.

この発明における保持層としては原料液を透過しうる多
孔性担体膜を用いるのが適しており、前記多孔質膜間の
内容積を一定に保つ観点から、平板状や膜状のものを用
いるのが適している。かかる多孔性担体膜としては漏
紙、不織布、多孔性のガラス・セラミック・金属・合成
樹脂などの粒子の焼結板等が挙げられ、増殖固定化菌体
の場合にはこれらのうち漏紙を用いるのが好ましい。厚
みは生成物による反応の阻害が起こる場合は 2,3mm以下
のできる限り薄いものが良く、それ以外は任意に選ぶこ
とができ、具体的な構成や規模によって適宜決定され
る。As the holding layer in the present invention, it is suitable to use a porous carrier film that is permeable to the raw material liquid, and from the viewpoint of keeping the inner volume between the porous films constant, a flat plate-shaped or film-shaped one is used. Is suitable. Examples of such a porous carrier film include paper leaks, non-woven fabrics, sintered plates of particles of porous glass, ceramics, metal, synthetic resin, etc. It is preferably used. The thickness is preferably as thin as 2,3 mm or less as much as possible when the reaction is inhibited by the product, and other thicknesses can be arbitrarily selected and appropriately determined depending on the specific constitution and scale.

上記保持層に保持固定させる生体触媒や微生物の種類
は、原料液及び目的の生成物によって決定される。この
ようなリアクターを用いることが効果的な生体触媒の反
応例のうち、原料液／酵素／生成物の組合せの例として
は、エステル／エステラーズ／酸＋アルコール、プロピ
レン／クロロパーオキシダーゼ／エピクロルヒドリン＋
苛性カリ等が挙げられ、また原料液／微生物／産生有機
物質の組合せの例としては、グルコース／乳酸菌／Ｄ又
はＬ−乳酸、グルコース／糸状菌／クエン酸等が挙げら
れる。なお、グルコース→Ｌ−乳酸の変換を行なう際に
用いる乳酸菌としてはＳtreptococcus lactis（ストレ
プトコッカス・ラクティス）やＳtreptococcus faecali
s（ストレプトコッカス・フェカリス）のようにＳtrept
ococcus属を選択するのが反応効率の点で好ましい。こ
れらの保持は、通常、含浸により行なう。The types of biocatalyst and microorganisms to be held and fixed on the holding layer are determined by the raw material liquid and the intended product. Among biocatalyst reaction examples in which it is effective to use such a reactor, examples of the combination of raw material liquid / enzyme / product include ester / esterases / acid + alcohol, propylene / chloroperoxidase / epichlorohydrin +
Examples of the combination of raw material liquid / microorganism / produced organic substance include glucose / lactic acid bacterium / D or L-lactic acid, glucose / filamentous fungus / citric acid, and the like. The lactic acid bacteria used for the conversion of glucose to L-lactic acid are Streptococcus lactis and Streptococcus faecali.
Strept like s (Streptococcus faecalis)
It is preferable to select the genus ococcus from the viewpoint of reaction efficiency. These holdings are usually carried out by impregnation.

液入口及び液出口を備えた所定の容器内に、上記保持層
を多孔質膜で挾持されるように設置することによりこの
発明のバイオリアクターが得られる。保持層と多孔質膜
との積層形態は、平板状であってもよく、スパイラル状
であってもよく、他の円筒状であってもよい。第１図に
平板状に積層したこの発明のバイオリアクター(1)を示
した。図において、バイオリアクター(1)は、液入口（8
1）及び液出口（82）を備えた円筒状の容器(8)内に、生
体触媒や微生物を含浸保持した円板状の保持層(2)を設
け、その両面に多孔質膜(3)を積層してなる。なお、図
中、(4)は保持層(2)及び多孔質膜(3)を支持するための
金網等からなる支持材である。かかる構成のバイオリア
クターにおいて、液入口（81）から導入された原料液
(5)は多孔質膜(3)を透過して保持層(2)に導入され、そ
こで産生された目的の有機物質を含む透過液(5′)が多
孔質膜(3)を透過して液出口（82）に到達することとな
る。そして、かかる通過処理を所定時間繰り返して行な
うことにより、所望濃度の目的有機物質含有液が得られ
ることとなる。The bioreactor of the present invention can be obtained by installing the holding layer in a predetermined container having a liquid inlet and a liquid outlet so as to be sandwiched by a porous membrane. The laminated form of the holding layer and the porous membrane may be a flat plate shape, a spiral shape, or another cylindrical shape. FIG. 1 shows the bioreactor (1) of the present invention laminated in a flat plate shape. In the figure, the bioreactor (1) has a liquid inlet (8
1) and a liquid outlet (82), a cylindrical container (8) is provided with a disc-shaped retaining layer (2) impregnated with a biocatalyst or microorganisms, and a porous membrane (3) is provided on both sides thereof. Are laminated. In the figure, (4) is a support material composed of a wire mesh or the like for supporting the holding layer (2) and the porous membrane (3). In the bioreactor having such a constitution, the raw material liquid introduced from the liquid inlet (81)
(5) permeates the porous membrane (3) and is introduced into the retention layer (2), and the permeated liquid (5 ') containing the target organic substance produced therein permeates the porous membrane (3). It will reach the liquid outlet (82). Then, the liquid containing the target organic substance having a desired concentration can be obtained by repeating this passage process for a predetermined time.

（ホ）実施例 実施例１ 滅菌した２枚のポリプロピレン膜（孔径 0.2×0.02
μ）に、厚さ 0.6mmの滅菌した漏紙に、乳酸菌（Ｓtrep
tococcus faecalis）の培養液を含浸させたものを挾
み、瀘過器（有効径68mm）に装着して、栄養培地（ 2％
グルコース、 1.0％酵母エキス、 1.0％ポリペプトン、
0.1％第一リン酸カリウム、pH 5.8）を５ml／時の流速
で流しながら37℃で３日間培養し、菌体を充分成育させ
たものをリアクターとして用いた。これに 0.05 Ｍリン
酸緩衝液（pH 6.85 ）を含む10％グルコース溶液を、15
ml／時、あるいは 9ml／時で流し43℃で運転した時の乳
酸生成量と反応液のpHは第２図及び第３図のようであっ
た。(E) Example Example 1 Two sterilized polypropylene membranes (pore size 0.2 × 0.02
μ), sterilized paper with a thickness of 0.6 mm, and lactic acid bacteria (Strep
tococcus faecalis) is impregnated with the culture solution, and it is attached to a filter (effective diameter 68 mm) and the nutrient medium (2%
Glucose, 1.0% yeast extract, 1.0% polypeptone,
0.1% potassium phosphate monobasic (pH 5.8) was cultivated at 37 ° C. for 3 days while flowing at a flow rate of 5 ml / hour, and the cells were sufficiently grown and used as a reactor. To this, add a 10% glucose solution containing 0.05 M phosphate buffer (pH 6.85) to 15
The amount of lactic acid produced and the pH of the reaction solution when run at 43 ° C. at a flow rate of 9 ml / hour or 9 ml / hour were as shown in FIGS. 2 and 3.

なお、図中、プロット○は乳酸を、プロット●はpHをそ
れぞれ示す（以下同じ）。In the figure, plot ○ indicates lactic acid and plot ● indicates pH (the same applies hereinafter).

実施例２ 実施例１で用いた固定化乳酸菌の膜型バイオリアクター
を用い、 5％グルコース、 2％酵母エキス、 2％ポリペ
プトン、 0.4％第一リン酸カリウム、 2.4％第二リン酸
カリウム、（pH 7.07 ）の基質溶液を 3.8ml／時の流速
で流し、37℃で反応させたところ、生成乳酸量と反応液
のpHは第４図のようであった。Example 2 Using the membrane bioreactor of the immobilized lactic acid bacterium used in Example 1, 5% glucose, 2% yeast extract, 2% polypeptone, 0.4% potassium monophosphate, 2.4% potassium diphosphate, ( When a substrate solution having a pH of 7.07) was flown at a flow rate of 3.8 ml / hour and reacted at 37 ° C., the amount of lactic acid produced and the pH of the reaction solution were as shown in FIG.

実施例３ 実施例１のリアクターを用い、 5％グルコース、 2％酵
母エキス、 2％ポリペプトン、 0.4％第一リン酸カリウ
ム、 2.4％第二リン酸カリウム、（pH 7.07 ）の基質溶
液を 4.8ml／時で流し、45℃で反応させたところ、第５
図の乳酸生成量と反応液pHの値が得られた。Example 3 Using the reactor of Example 1, 4.8 ml of a substrate solution of 5% glucose, 2% yeast extract, 2% polypeptone, 0.4% potassium monophosphate, 2.4% potassium diphosphate, (pH 7.07) was used. / Hour, and reacted at 45 ℃, 5
The values of lactic acid production and reaction solution pH in the figure were obtained.

上記実施例２及び３のバイオリアクターの反応効率を各
プロットに対応して第１表に示した。The reaction efficiencies of the bioreactors of Examples 2 and 3 are shown in Table 1 corresponding to each plot.

このように、反応効率は非常に高く、従来のバイオリア
クター（カラーギナンなどの高分子ゲルに生体触媒を固
定化し、このゲル粒子をカラムに充填した型のバイオリ
アクター）に比して、３倍以上の値が得られた。 In this way, the reaction efficiency is very high, more than 3 times that of the conventional bioreactor (a bioreactor in which a biocatalyst is immobilized on a polymer gel such as color ginnan and the gel particles are packed in a column). The value of was obtained.

（ヘ）発明の効果 この発明のバイオリアクターによれば、保持層が特定の
多孔質膜によって挾持されているため、保持された生体
触媒や微生物の保持層からの漏出や雑菌による汚染が防
止され、反応活性の低下を招くことなく効率良く目的有
機物質を産生することができる。さらに従来の膜型バイ
オリアクターのごときpHの変動も生じ難く、それによる
反応効率の低下も防止されている。(F) Effect of the Invention According to the bioreactor of the present invention, since the retention layer is sandwiched by the specific porous membrane, leakage of the retained biocatalyst or microorganisms from the retention layer and contamination by various bacteria are prevented. The target organic substance can be efficiently produced without lowering the reaction activity. Furthermore, the fluctuation of pH unlike the conventional membrane bioreactor is unlikely to occur, and the decrease of reaction efficiency due to it is also prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図はこの発明のバイオリアクターの一実施例を示す
構成説明図、第２〜５図はそれぞれこの発明のバイオリ
アクターの効果を示すグラフ、第６図及び第７図はそれ
ぞれ従来例のバイオリアクターを示す構成説明図であ
る。 (1)、（１Ａ）、（１Ｂ）……バイオリアクター、(2)…
…保持層、(3)……多孔質膜、(8)……容器。FIG. 1 is a structural explanatory view showing an embodiment of the bioreactor of the present invention, FIGS. 2 to 5 are graphs showing the effects of the bioreactor of the present invention, and FIGS. It is a structure explanatory view showing a reactor. (1), (1A), (1B) ... Bioreactor, (2) ...
... Retaining layer, (3) ... Porous membrane, (8) ... Container.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田原 修 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会社島津製作所三条工場内 (56)参考文献 特開 昭61−78397（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Osamu Tahara, Osamu Kuwabara-cho, Nishinokyo, Nakagyo-ku, Kyoto City, Kyoto Prefecture Shimajo Corporation Sanjo Plant (56) References JP-A-61-78397 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】液入口及び液出口を備えた所定の容器内に
酵素または細胞、器官などの生体触媒の保持層を備え、
この保持層に原料液を通過させることにより所定の有機
物質を産生しうるよう流路構成されてなり、上記保持層
として生体触媒を含浸した多孔性担体膜を用いかつ原料
液が通過する該保持層の両面に、該原料液を通過するが
保持層中の生体触媒を通過しない多孔質膜を設け、かつ
液入口及び液出口が該保持層の両面に対して垂直方向に
開口し、原料液の流動方向が多孔質膜に対して直交する
一方方向であることを特徴とするバイオリアクター。1. A holding layer for an enzyme or a biocatalyst such as a cell or an organ is provided in a predetermined container having a liquid inlet and a liquid outlet,
The holding layer is configured so that a predetermined organic substance can be produced by passing the raw material liquid through the holding layer, and the holding layer uses a biocatalyst-impregnated porous carrier membrane as the holding layer and the raw material liquid passes through the holding layer. A porous membrane which passes the raw material liquid but does not pass the biocatalyst in the holding layer is provided on both sides of the layer, and the liquid inlet and the liquid outlet are opened in the direction perpendicular to both sides of the holding layer, The bioreactor is characterized in that the flow direction of the is one direction orthogonal to the porous membrane.