低温プラズマ技術による高分子中空系表面の改質と微生物の固定化

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555259
• 研究機関: 北九州工業高等専門学校
• 研究代表者: 畑中 千秋 北九州工業高等専門学校, 物質化学工学科, 教授 (80180884)
• 研究分担者: 後藤 宗治 北九州工業高等専門学校, 物質化学工学科, 助手 (40259966) ; 井手 俊輔 北九州工業高等専門学校, 総合科学科, 教授 (10041550) ; 原口 俊秀 北九州工業高等専門学校, 化学工学科, 教授 (00038598) ; 石川 元 旭化成工業株式会社, 研究開発推進本部, 部長代理
• キーワード: 生物化学工学 / バイオリアクター / ホローファイバー / 固定化菌体 / プラズマ処理 / 脂肪酸 / リシノール酸

研究概要

アンモニアプラズマによって表面を親水化処理したポリスルフォン中空糸(内径1.0mm、長さ1.5m、分画分子量13000)に酵素(リパーゼ)の固定化を試みた。固定化方法として、中空糸表面にPVAゲルを介して包括固定化する方法、中空糸表面と酵素とをエピクロロヒドリンあるいはグルタルアルデヒドを介して化学結合する方法、および酵素の凍結変性を利用して中空糸のスポンジ層に物理的に閉じこめる方法等について検討した結果、酵素初期活性、酵素の安定性共にスポンジ層に固定化する方法が最も優れることがわかった。この酵素固定化中空糸を束ねてエポキシ樹脂にてポッティングした中空糸エレメントを300mlのジャケット付二重管に装着したバイオリアクターを作製し、ヒマシ油の連続加水分解を実施した。遊離リパーゼでヒマシ油を加水分解した場合、生成物のリシノール酸同士のエステル化によるエステライドが生成し、リシノール酸の純度が低下する。これに対し、中空糸固定化リパーゼを用いた場合、エストライドの生成は著しく抑制された。特に、Rhizopus属由来のリパーゼを固定化した場合、エストライドは全く生成されず、高純度のリシノール酸が得られた。ヒマシ油の加水分解において、通液方法を種々検討した結果、ヒマシ油を中空糸外部から通液し、リパーゼが固定化されているスポンジ層を通して中空糸内部に圧入し、中空糸内部には水を供給して連続加水分解する方式が最も高い酵素活性と安定性の得られることがわかった。さらに、この時、油脂に40000ppm程度の水を相互溶解させることによって酵素半減期を5600時間にすることが可能となり、単位中空糸表面積当たりのリシノール酸の生産性も122mol/m^2に達し、高活性、高効率のリアクターの開発の可能性が示された。

研究成果

• [文献書誌] Chiaki Hatanaka: "NITRIFICATION WITH BIOFILMS ON HOLLOW FIBER IN MEMBRANE BIOREACTOR"Proceeding of the third Taipei-Kyushu Joint Symposium on Chemical Engineering.
• [文献書誌] 原口俊秀: "低温プラズマ技術による微粒子表面の改質"機能性微粒子とその周辺最新技術. 151-156 (1997)
• [文献書誌] 伊地知和也: "低温プラズマによる高分子ミクロスフィアの帯電制御"化学工学論文集. 23・4. 578-582 (1997)
• [文献書誌] 畑中千秋: "菌体の固定化を目的としたアンモニアプラズマによるPE中空系表面の改質"北九州高専研究報告. 31. 111-116 (1998)
• [文献書誌] 原口俊秀: "プラズマグラフト重合による微粒子表面修飾におけるラジカル活性点量"北九州高専研究報告. 31. 95-101 (1998)
• [文献書誌] 後藤宗治: "リパーゼ固定化N-イソプロピルアクリルアミドゲルによるグリセリドのエステル合成反応"化学工学論文集. 24・6. 923-927 (1998)
• [文献書誌] Chiaki Hatanaka: "Lipase-Catalyzed Synthesis of a Sugar-Fatty Acid Ester"Engineering and Food. 1. 208-211 (1997)
• [文献書誌] 畑中千秋: "高性能バイオリアクターの開発"バイオインダストリー. 16(9). 40-50 (1999)
• [文献書誌] 畑中千秋: "キシリトール脂肪酸エステルの酵素合成"北九州高専研究報告. 32. 127-131 (1999)
• [文献書誌] 原口俊秀: "トリプルプローブモニターによる低温プラズマの診断"北九州高専研究報告. 32. 115-120 (1999)
• [文献書誌] 後藤宗治: "リパーゼ固定化N-イソプロピルアクリルアミドゲルを用いたヒマシ油の加水分解によるリシノール酸の選択的生成"化学工学論文集. 26(3)(印刷中). (2000)
• [文献書誌] 畑中千秋: "中空系型バイオリアクターによる排水処理プロセスの開発"北九州高専研究報告. 33. 113-117 (2000)