(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼオライトを加熱処理して得られた多孔質粒子であって、平均粒子径０．１５〜３．０mm、および嵩密度０．７〜１．０ g／ml、表面に開放した細孔を有するバイオリアクター用担体。
【請求項２】
前記細孔の平均細孔径が５〜４００μm である請求項１のバイオリアクター用担体。
【請求項３】
前記ゼオライトが天然ゼオライトである請求項１または２のバイオリアクター用担体。
【請求項４】
ゼオライトを１２００〜１４００℃にて加熱処理し、得られた多孔質体を粉砕し、分級して請求項１〜３のいずれかのバイオリアクター用担体を得るバイオリアクター用担体の製造方法。
【請求項５】
前記ゼオライトの平均粒子径が０．５〜３．０mmである請求項４のバイオリアクター用担体の製造方法。
【請求項６】
前記ゼオライトが天然ゼオライトである請求項４または５のバイオリアクター用担体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は微生物を利用した清酒（アルコール）醸造の連続発酵槽等に使用されるバイオリアクターに関し、より詳しくはバイオリアクター内の微生物固定化用の担体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
清酒等のアルコール発酵や、醤油の醸造等のように微生物の活動を利用した技術として、近年、微生物を用いた連続発酵槽であるバイオリアクターに関する技術が盛んに研究され、実用化に移されている。ここで、一般にバイオリアクターとは、装置内部に充填した各種担体に微生物である酵母、細菌等のいわゆる生体触媒を固定化し、それらの触媒する生化学反応を利用して、高効率に物質生産を行う反応装置をいう。
【０００３】
ところで、このような微生物を固定化するための担体として種々のものがあるが、例えば、FC Report 12(1994) No.8 バイオリアクター用セラミックス担体  川瀬三雄や、Gypsum & Lime No.251(1994)水産アパタイト多孔質焼結体を担体とした固定化酵母によるアルコール発酵  池上徹・鋤本俊司  等に記載されているセラミックスビーズやガラスビーズ等のような無機担体が知られている。しかしこのような無機担体は、例えば二酸化ケイ素を用いた担体で、嵩密度０．２〜０．５ g／cm２ 、圧縮破壊強度２０〜８０kg／cm２ であり、機械強度が脆く、摩擦に弱いという欠点がある。また、高価であるため実用規模での使用が困難である。
【０００４】
また、岩手県醸造食品試験報告  25(1991)  バイオリアクターによる新製品（清酒生酒）の開発  大森勝雄  には高分子固定化担体として、アルギン酸ビーズ、キサントンビーズが記載されている。しかし、このような高分子固定化担体は、ゲル状のため酵母の固定化量は多いものの、無機担体以上に強度が弱く、実用規模での使用は非常に困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、機械的強度が高く、安価で、しかも微生物の固定化量の多いバイオリアクター用担体、およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の構成により達成される。
（１）  ゼオライトを加熱処理して得られた多孔質粒子であって、平均粒子径０．１５〜３．０mm、および嵩密度０．７〜１．０ g／ml、表面に開放した細孔を有するバイオリアクター用担体。
（２）  前記細孔の平均細孔径が５〜４００μm である上記（１）のバイオリアクター用担体。
（３）  前記ゼオライトが天然ゼオライトである上記（１）または（２）のバイオリアクター用担体。
（４）  ゼオライトを１２００〜１４００℃にて加熱処理し、得られた多孔質体を粉砕し、分級して上記（１）〜（３）のバイオリアクター用担体を得るバイオリアクター用担体の製造方法。
（５）  前記ゼオライトの平均粒子径が０．５〜３．０mmである上記（４）のバイオリアクター用担体の製造方法。
（６）  前記ゼオライトが天然ゼオライトである上記（４）または（５）のバイオリアクター用担体の製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のバイオリアクター用担体は、好ましくは天然ゼオライトを加熱処理して得られた多孔質粒子であって、平均粒子径０．１５〜３．０mm、および嵩密度０．７〜１．０ g／mlで、表面に好ましくは数平均細孔径５〜４００μm の開放した細孔を有する。ここで、天然ゼオライトとはクリノプチライトや、モデナイトと称され、アルミノケイ酸塩からなる化合物で、主成分としてのケイ素、アルミニウムの他に種々の成分を有する。
【０００８】
天然ゼオライトは１０００℃以上に加熱処理することにより、ガラス化し、溶融する。その際、その構造中に水分を含んでおり、加熱の過程（ガラス化の前後）でその水分を放出し続ける。このため、加熱過程において容易に発泡して多孔質化し、加熱体は軽石状になる。このような天然ゼオライトとして、日本国内では秋田県二ツ井町産や同県藤里町産のもの等が知られているが、二ツ井町産（推定埋蔵量８５０万トン）のものが好ましい。二ツ井町産のゼオライトとして、例えば、サンゼオライト社製の天然ゼオライト（以下ＳＺと略記する場合がある）の組成は重量百分率で、ＳｉＯ２  ：６９．３８％、Ａｌ２  Ｏ３  ：１１．０２％、Ｆｅ２  Ｏ３  ：０．９２％、ＭｇＯ：０．６０％、Ｎａ２  Ｏ：３．３４％、ＣａＯ：１．３１、Ｋ２  Ｏ：３．１７％、Ｐ２  Ｏ５  ：０．０４％、結晶水（ゼオライト水）：８．０９％、吸着水：２．０８％等を含有し、日本ゼオライト社製の天然ゼオライト（以下ＮＺと略記する場合がある）の組成は、ＳｉＯ２  ：６９．７％、Ａｌ２  Ｏ３  ：１２．２％、Ｆｅ２  Ｏ３  ：１．１％、ＭｇＯ：１．６％、ＴｉＯ２  ：０．１％、Ｎａ２  Ｏ：３．５％、ＣａＯ：０．７、Ｋ２  Ｏ：３．７％、結晶水（ゼオライト水）７．６％等を含有する。すなわち、シリカ／アルミナの重量比は５〜７程度で、アルカリ金属、アルカリ土類金属、リンの酸化物を重量百分率で、６〜１２％程度含有する。
【０００９】
なお、天然以外のゼオライトとして、合成ゼオライトがあるが、通常の市販のゼオライトでは加熱によりガラス化するものの、天然ゼオライトと同等の発泡性を得ることは難しい。ただし、上記の天然ゼオライトと同様の組成であれば、合成ゼオライトであってもよい。
【００１０】
原材料となるゼオライトの大きさは平均粒径で０．５〜３．０mm、好ましくは１．０〜２．０mmの範囲である。平均粒子径が０．５mmより小さいと材料の表面積が大きくなり、１０００℃より低温での水分の蒸発が多くなり、材料がガラス化したときに気泡の発生が不十分となり、良好な発泡が得られず、微生物の固定化能力が低下する。平均粒子径が３mmより大きいと、材料表面が先にガラス化溶融し、材料内部の水蒸気が閉じこめられ、極めて大きな気泡が多数発生するようになる。このため、目的の大きさの細孔が少なくなり、微生物の固定化能力が低下する。
【００１１】
ゼオライトの加熱温度としては、１２００〜１４００℃、特に１２６０〜１３００℃、好ましくは１２７０〜１２９０℃、特に１２７０〜１２８０の範囲が好ましい。加熱温度が低すぎると、発生した気泡が目的の大きさより小さくなり過ぎる。加熱温度が高すぎると、発生した気泡が目的の細孔の大きさより大きくなりすぎる。加熱時間としては、原材料の粒径や加熱温度により適宜定めればよいが、通常昇温時間を含めない保持時間として、２時間以下の範囲が好ましく、より好ましくは５〜９０分の範囲で、特に１０分程度が好ましい。昇温時間としては４００℃／hr程度が好ましく、加熱雰囲気としては大気中でよい。
【００１２】
原材料であるゼオライトを加熱発砲後、所定の大きさに粉砕／分級する。粉砕方法としては、少量であれば乳鉢などにより容易に粉砕することができるが、実用規模では通常、ロールクラッシャ等のドライ粉砕用の装置が用いられる。また、分級する方法としては、所定の大きさの目開きを有する篩を用いることで容易に分級することができる。このように多孔質体を粉砕することにより、表面のガラス層が取り除かれ、開放気泡（細孔）となり、この中に微生物が固定化できる。したがって、所望の大きさとなるゼオライト粒を、それぞれ付着しないように分離して加熱したものは、個々の粒子が球状になると共に、ガラス膜で覆われ、気泡が開放されず、微生物の固定化能力が低い。
【００１３】
粉砕された多孔質粒子の大きさは、平均粒子径０．１５〜３．０mm、特に０．６〜２mmの範囲が好ましい。粒子径が０．１５に満たないと、強度、微生物の固定化能力が低く実用的でない。粒子径が３mmを超えると、表面積が減少するため、微生物の固定化能力が減少する。また、嵩密度は０．７〜１．０ g／ml、好ましくは０．７５〜０．９ g／ml、特に０．８〜０．９ g／mlである。嵩密度が０．７ g／ml未満であると、担体強度が低下するとともに、バイオリアクター全体の微生物数が少なくなる。嵩密度が１．０ g／mlを超えると、通液速度が低下し、生産効率が低下すると共に、目詰まり等を生じやすくなる。
【００１４】
多孔質粒子は表面に開放された細孔を有する。このような開放された細孔を有することにより、細孔内に微生物を固定化することができる。開放された細孔の数平均細孔径は５〜４００μm、より好ましくは１０〜２００μm であることが好ましい。細孔の径は大きすぎても、小さすぎても微生物の固定化能力が低下する。このような細孔の径はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で細孔の表面を観察し、これを短径と長径との平均として、５０個程度の細孔の平均として計測することができる。また、所定表面積当たりの細孔の数、すなわち細孔密度は、例えば０．５×０．５mmあたりの細孔数は、好ましくは５〜３０、特に７〜２０の範囲が好ましい。細孔密度が小さすぎると、単位面積あたりの微生物の固定化能力が低下し、細孔密度が大きすぎると、細孔の径が小さくなり、微生物の固定化能力が低下する。このような細孔は連続したものであることが好ましい。
【００１５】
多孔粒子の圧縮強度は９Kg／mm2以上、さらには１０Kg／mm2以上が好ましい。圧縮強度が９Kg／mm2に満たないと、担体として必要な強度が得られない。圧縮強度の上限は２００Kg／mm2程度である。
【００１６】
次に、このようなゼオライト多孔質粒子の作成方法について説明する。
【００１７】
平均粒子径が０．５〜３．０mmの天然ゼオライトをアルミナセッター上に載置し、好ましくは室温から４００℃／hr程度の昇温速度で、１２６０〜１３００℃に加熱し、２時間以下、好ましくは５〜１０分間保持する。次に、加熱を停止して、室温まで自然冷却し、多孔質体（発泡体）を得る。出来上がった多孔質体を粉砕し、所望の大きさの篩を用いて分級するが、大きいものはさらに粉砕・分級し、所望の大きさになるまでこれを繰り返す。次いで、得られた所定粒径の多孔質粒を水洗して、微粉を取り除くと共に、エッジを削り落とす。最後に乾燥させて担体を得る。
【００１８】
固定化する微生物としては、アルコール発酵、醸造等に用いる酵母（Sacchromyces cerevisiae,Saccharomyces uvarum）、大腸菌（Escherichia coli）、乳酸菌（Lactobacillus属， Streptococcus属）、酢酸菌（ Acetobacter属）、枯草菌（ Bacillus Subtilis）等の一般的な細菌およびこれらの形質転換体（遺伝子組み換え体）等が挙げられるが、なかでも醸造用の酵母が適している。このような醸造用の酵母としては、醸造原料液を代謝して、エチルアルコール、二酸化炭素等を生産するものであればよく、具体的にはサッカロミセス・セルビシエ（Sacchromyces cerevisiae ）、サッカロミセス・ウバルム（Saccharomyces uvarum）等を挙げることができ、特に好ましい酵母として、清酒発酵用の清酒酵母協会６号株、同７号株、同９号株、同１０号株、同１１号株、同１４号株、同１５号株等があるが、いずれのものも本発明の担体に固定化することができる。
【００１９】
このような微生物を担体に固定化する方法としては、担体と微生物とを所定の培養液中に浸漬し、所定時間培養することで容易に担体へ固定化することができる。培養液としては、例えば酵母の場合ＹＥＰＤ液体培地、ＧＰ培地等、バクテリアの場合にはＮＢ培地、ペプトン培地等が挙げられ、培養時間は微生物の種類、培養温度、培地の種類により適宜定められるが、通常２４〜７２時間程度である。
【００２０】
リアクター容器（発酵槽）としては、使用目的、生産量、使用する微生物の種類等により適宜定めればよく、例えば、カラム型リアクター、流動層型リアクター、撹拌槽型リアクター、エアーリフト型リアクター等が挙げられ、また上記岩手県醸造食品試験報告  25(1991)  バイオリアクターによる新製品（清酒生酒）の開発  大森勝雄  に記載された発酵槽も用いることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。
【００２２】
＜実施例１、２＞
〔担体の作製〕
日本ゼオライト社製６号（表中ＮＺ６号と略記する）：粒子径０．５〜１．５mmをアルミナセッターに乗せ、大気雰囲気中、１２７０℃で１０分間加熱保持した。出来上がった多孔質体を粉砕し、０．６〜１．０mm（実施例１）、１．０超〜２．０mm（実施例２）の大きさにそれぞれ分級した。得られた多孔質粒子担体の嵩密度、圧縮破壊強度を測定した。ここで圧縮破壊強度は、担体一粒を取り出し、顆粒強度試験機で測定し、担体の長径から円換算で求めた見かけの断面積で除して算出した。また表面のＳＥＭ写真から数平均細孔径および細孔密度を算出した。ここで、細孔密度とは、０．５×０．５mmの区画内に存在する細孔の数を計測したものである。得られた結果を表１に、その表面のＳＥＭ写真の例を図１に示す。なお、粒子径０．６mm未満の多孔質体は、粒径が小さいため圧縮破壊強度が測定不能であるので省略した。
〔酵母の固定化〕
ＹＥＰＤ培地（グルコース２％、酵母エキス１％、ポリペプトン２％）１００mlと、上記で得られた担体１０g とを５００ml三角フラスコに入れ、１２１℃１５分間の滅菌を行った。その後、清酒酵母協会７号を１白金耳植菌し、２８℃で２日間振とう培養を行い、担体に酵母を固定化した。
〔固定化酵母の測定〕
酵母固定化後の担体を滅菌水中で破砕し、酵母を遊離させ、その懸濁液中の遊離酵母数をトーマの血球計を用いて計測した。遊離酵母数を上記担体の見かけ断面積より得られた見かけ体積で除して算出した。得られた結果を表１に示す。
＜実施例３、４＞
以下の担体を用いる他は、実施例１、２と同様にして酵母を固定化し、酵母数を計測した。その結果を表１に示す。
【００２３】
サンゼオライト社製８〜２０＃（表中ＳＺ８〜２０＃と略記する）：粒子径０．８〜３．０mmを実施例１、２と同様に加熱・粉砕し、０．６〜１．０mm（実施例３）、１．０超〜２．０mm（実施例４）の大きさにそれぞれ分級し、担体を得た。実施例１、２と同様にして測定した担体の特性を表１に示す。
＜実施例５、６＞
以下の担体を用いる他は、実施例３、４と同様にして酵母を固定化し、酵母数を計測した。その結果を表１に示す。なお、粒子径０．６mm未満の多孔質体は、粒径が小さいため圧縮破壊強度が測定不能であるので省略した。
【００２４】
実施例３、４において、加熱温度を１３００℃とした他は実施例３、４と同様にして加熱・分級し、０．６〜１．０mm（実施例５）、１．０超〜２．０mm（実施例６）の大きさの多孔質粒子にそれぞれ分級し、担体を得た。この担体について実施例１、２と同様にして測定した特性を表１に示す。なお、粒子径０．６mm未満の多孔質体は、粒径が小さいため圧縮破壊強度が測定不能であるので省略した。
【００２５】
＜比較例１＞
担体として市販のガラスビーズ：粒子径２〜３mmを用いる他は、実施例１、２と同様にして酵母を固定化し、酵母数を計測した。その結果を表１に、その表面のＳＥＭ写真の例を図２に示す。
【００２６】
＜比較例２＞
以下の担体を用いる他は、実施例１、２と同様にして酵母を固定化し、酵母数を計測した。その結果を表１に示す。
【００２７】
日本ゼオライト社製８号（ＮＺ８号）：粒子径０．１〜０．５mmを実施例１、２と同様にして加熱・分級し、１．０超〜２．０mmの大きさの多孔質粒子にそれぞれ分級し、担体を得た。実施例１、２と同様にして測定した担体の特性を表１に、その表面のＳＥＭ写真の例を図３に示す。
【００２８】
＜比較例３＞
以下の担体を用い、加熱温度を１３１０℃とした他は、実施例１、２と同様にして酵母を固定化し、酵母数を計測した。その結果を表１に示す。
【００２９】
ケーエス鉱業社製：粒子径２０〜４０mm材を実施例１、２と同様にして加熱・分級し、１．０超〜２．０mmの大きさの多孔質粒子にそれぞれ分級し、担体を得た。実施例１、２と同様にして測定した担体の特性を表１に、その表面のＳＥＭ写真の例を図４に示す。
【００３０】
＜比較例４＞
以下の担体を用いる他は、実施例１、２と同様にして酵母を固定化し、酵母数を計測した。その結果を表１に示す。
【００３１】
サンゼオライト社製８〜２０＃（ＳＺ８〜２０＃）：粒子径１〜２mmを、１粒、１粒離してアルミナセッターに乗せ、粒子相互が付着しないようにして１３００℃で加熱し、粉砕・分級せずにそのまま担体とした。実施例１、２と同様にして測定した担体の特性を表１に、その表面のＳＥＭ写真の例を図５に示す。
【００３２】
【表１】
0003844374.tif 000002
【００３３】
表１から明らかなように、本発明のバイオリアクター用担体は、酵母の固定化能力は従来のガラス担体と同等〜約２倍であり、圧縮破壊強度は２倍以上と優れた特性を示している。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば機械的強度が高く、安価で、しかも微生物の固定化量の多いバイオリアクター用担体、およびその製造方法が提供可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１、２により得られた多孔質粒子表面の例である図面代用写真。
【図２】本発明の比較例１のガラスビーズ表面のＳＥＭ写真の例である図面代用写真。
【図３】本発明の比較例２により得られた多孔質粒子表面の例である図面代用写真。
【図４】本発明の比較例３により得られた多孔質粒子表面の例である図面代用写真。
【図５】本発明の比較例４により得られた多孔質粒子表面の例である図面代用写真。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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