JP6579544B2 - Substance conversion method, bioreactor manufacturing method, bioreactor - Google Patents
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Description
本発明は、微生物、特に糸状菌以外の微生物を用いて物質変換を行う技術に関する。 The present invention relates to a technique for performing substance conversion using microorganisms, particularly microorganisms other than filamentous fungi.
微生物の有する多様な酵素を物質変換に利用する発酵法並びに物質変換法は、医薬品原料や化粧品原料、化成品や電子材料などの有用化合物の生産、バイオディーゼルやバイオガスなどのエネルギー、あるいはテトラクロロエチレンやベンゾ[a]ピレンなどの有害難分解性物質の分解除去など、幅広い産業分野への応用が期待されている。 Fermentation methods and substance conversion methods that use various enzymes of microorganisms for substance conversion include production of useful compounds such as pharmaceutical raw materials, cosmetic raw materials, chemical products and electronic materials, energy such as biodiesel and biogas, or tetrachlorethylene and Applications to a wide range of industrial fields such as decomposition and removal of harmful and hardly decomposable substances such as benzo [a] pyrene are expected.
これらの応用分野のうち、発酵に微生物を利用する際に大きな問題となる現象として、カタボライト抑制(非特許文献1)とフィードバック阻害(非特許文献2)が挙げられる。前者は、グルコースのような容易に代謝され得る炭素源が培地中に大量に存在する際に、標的とする発酵産物の生産が遺伝子レベルで抑制される現象であり、標的物質の生産性を向上させる上で極めて大きな障壁となる。このカタボライト抑制を回避する施策としては、易代謝性の炭素源の添加を低レベルで維持させる流加培養法(非特許文献3)あるいは連続添加法(非特許文献4)、カタボライト抑制を誘導するレプレッサータンパク質の遺伝子破壊(非特許文献5)や固体培養法の適用(非特許文献6)などの諸法が挙げられる。特に易代謝性の炭素源の添加レベルを低く維持する前二者の方法は、実際の工業生産の場においてもしばしば利用されている。 Among these application fields, catabolite suppression (Non-Patent Document 1) and feedback inhibition (Non-Patent Document 2) are cited as phenomena that become a major problem when microorganisms are used for fermentation. The former is a phenomenon in which the production of target fermentation products is suppressed at the gene level when a large amount of carbon sources such as glucose that can be easily metabolized are present in the medium, improving the productivity of the target substance. It becomes a very big barrier in making it. As a measure to avoid this catabolite suppression, a fed-batch culture method (Non-patent Document 3) or a continuous addition method (Non-patent Document 4) that maintains the addition of a readily metabolizable carbon source at a low level, induces catabolite suppression. Examples include various methods such as gene disruption of a repressor protein (Non-Patent Document 5) and application of a solid culture method (Non-Patent Document 6). In particular, the former two methods for keeping the addition level of a readily metabolizable carbon source low are often used in actual industrial production.
しかしながら、これらの対策のうち、スケールアップが困難な固体培養法は大量生産を指向する工業生産には不向きであり、流加培養法や連続添加法には培養管理が煩雑であるといった問題点がある。また、レプレッサータンパク質遺伝子の破壊株の創製も面倒であり、得られた破壊株の安定性にも難がある。 However, among these measures, solid culture methods that are difficult to scale up are unsuitable for industrial production oriented to mass production, and culture management is complicated for fed-batch culture methods and continuous addition methods. is there. In addition, the creation of a repressor protein gene-disrupted strain is troublesome, and the stability of the obtained disrupted strain is also difficult.
これらの方法とは別に本発明者らは、中空微粒子を用いて液体培地の液面に形成させたカビ−中空微粒子複合マット上に疎水性有機溶媒を重層し、生産される脂溶性二次代謝物を該有機層中に蓄積させる抽出液面固定化システム(非特許文献7)において、上記のカタボライト抑制が発現しないことを報告した(非特許文献8)。さらにこのシステムでは、カビ−中空微粒子複合マット上に重層した疎水性有機溶媒が抽出溶媒として機能するため、発酵生産されてくる脂溶性二次代謝物は菌体内に蓄積されることなく連続的に菌体内から有機層へと抽出される。その結果、これら二次代謝物は菌体内に過剰に蓄積されることがないため、フィードバック阻害は全く問題とはならない(非特許文献7)。 In addition to these methods, the present inventors layered a hydrophobic organic solvent on a mold-hollow microparticle composite mat formed on the liquid medium surface using hollow microparticles, and produced fat-soluble secondary metabolism. In the extraction liquid surface immobilization system (Non-patent Document 7) for accumulating substances in the organic layer, it was reported that the above-mentioned catabolite suppression did not appear (Non-patent Document 8). Furthermore, in this system, since the hydrophobic organic solvent layered on the mold-hollow particle composite mat functions as an extraction solvent, the fat-soluble secondary metabolite produced by fermentation is continuously accumulated without being accumulated in the cells. Extracted from the fungus body into the organic layer. As a result, since these secondary metabolites do not accumulate excessively in the microbial cells, feedback inhibition is not a problem at all (Non-patent Document 7).
一方、中空微粒子をカビによる微生物変換に応用したバイオリアクターとして、液−液界面バイオリアクタ−がある(非特許文献7、特許文献1)。該バイオリアクターでは、上記の抽出液面固定化システムと同様に、中空微粒子を巻き込んで形成されたカビ−中空微粒子複合マットの上部に疎水性有機溶媒を重層する。この有機層中に微生物変換反応に供する脂溶性基質を溶解させ、反応によって生成する脂溶性産物を有機層に高濃度で蓄積させることができる。液−液界面バイオリアクターはこれまでに、カビを用いた加水分解(非特許文献9)、不斉還元〈非特許文献10)、位置・立体選択的水酸化(非特許文献11)、位置・立体選択的エポキシ化(非特許文献12)などの諸反応に適用され、通常の液体培養法をはるかに凌ぐ産物濃度や光学純度を達成してきた。 On the other hand, there is a liquid-liquid interface bioreactor as a bioreactor in which hollow fine particles are applied to microbial conversion by mold (Non-patent Document 7, Patent Document 1). In the bioreactor, a hydrophobic organic solvent is layered on top of a mold-hollow particle composite mat formed by entraining hollow fine particles, as in the extraction liquid surface immobilization system. In this organic layer, the fat-soluble substrate used for the microbial conversion reaction can be dissolved, and the fat-soluble product produced by the reaction can be accumulated in the organic layer at a high concentration. Liquid-liquid interface bioreactors have so far been hydrolyzed with fungi (Non-patent Document 9), asymmetric reduction (Non-patent Document 10), position / stereoselective hydroxylation (Non-patent Document 11), It has been applied to various reactions such as stereoselective epoxidation (Non-patent Document 12), and has achieved product concentrations and optical purity far surpassing conventional liquid culture methods.
微生物変換で用いられる反応基質は一般に微生物に対して強い毒性を発揮するため、通常の液体培養法では高濃度の基質添加直後に生体触媒たる微生物は死滅してしまう。そのため、反応が有意に進行することはない。これに対し液−液界面バイオリアクターでは、重層溶媒が毒性基質あるいは産物のリザーバーとして機能するため、高濃度の毒性基質の変換であっても変換反応は効率的に進行し、結果として多量の脂溶性産物を有機層中に蓄積させることができる。例えば液−液界面バイオリアクターを用いて、毒性基質であるβ−カリオフィレンをNemania aeneaで位置・立体選択的にエポキシ化した場合、強毒性の産物である(−)−β−カリオフォレンオキサイドの蓄積濃度は、その致死濃度の実に150倍もの高値に達する(非特許文献12)。 Since reaction substrates used in microbial conversion generally exhibit strong toxicity to microorganisms, in a normal liquid culture method, microorganisms as biocatalysts are killed immediately after addition of a high concentration of substrate. Therefore, the reaction does not proceed significantly. In contrast, in a liquid-liquid interface bioreactor, the layered solvent functions as a toxic substrate or product reservoir, so that the conversion reaction proceeds efficiently even when a high concentration of toxic substrate is converted. Soluble products can be accumulated in the organic layer. For example, when β-caryophyllene, which is a toxic substrate, is regio- and stereoselectively epoxidized with Nemania aenea using a liquid-liquid interface bioreactor, (−)-β-caryophorene oxide is a highly toxic product. The accumulated concentration reaches as high as 150 times its lethal concentration (Non-patent Document 12).
さらには、カビ−中空微粒子複合マットで生産される水溶性の発酵産物や酵素を液体培地側に生産・蓄積させる液面固定化システム(非特許文献7、特許文献1)は、特に酵素の生産に有効であり、液体培養法の2倍以上の酵素生産性を達成できる(非特許文献13、14)。 Furthermore, a liquid surface immobilization system (Non-patent Document 7, Patent Document 1) for producing and accumulating water-soluble fermentation products and enzymes produced on mold-hollow fine particle composite mats on the liquid medium side is particularly suitable for enzyme production. The enzyme productivity is more than twice that of the liquid culture method (Non-patent Documents 13 and 14).
上述のように抽出液面固定化システムでは、カタボライト抑制とフィードバック阻害といった実際の工業生産で常に問題となる、2つの大きな障害を一挙に克服することができる。また、液−液界面バイオリアクターは、基質や生成物の水不溶性の問題と微生物毒性の問題との両者を克服することができる有効なデバイスである。 As described above, the extraction liquid surface immobilization system can overcome two major obstacles that are always problems in actual industrial production such as catabolite suppression and feedback inhibition. A liquid-liquid interface bioreactor is an effective device that can overcome both the problems of water insolubility of substrates and products and the problem of microbial toxicity.
しかし、これら両システムは、栄養菌糸を発達させて中空微粒子を取り込む形で、細胞−中空微粒子複合マットを形成させ得る糸状菌(カビ)のみにその適用が限られている。したがって、細菌や酵母、藻類のような糸状菌以外の微生物には適用不可能であるという問題があった。 However, the application of both these systems is limited only to filamentous fungi (molds) that can form vegetative mycelium and take in hollow microparticles to form a cell-hollow microparticle composite mat. Therefore, there is a problem that it cannot be applied to microorganisms other than filamentous fungi such as bacteria, yeast, and algae.
具体的には、カビ以外の微生物であっても、静置条件下であれば、液体培地液面の中空微粒子層の表面に微生物のバイオフィルムを形成させることが可能である。しかし、カビ菌糸のネットワークが中空微粒子を巻き込んで布状のカビ−中空微粒子複合マットを安定的に形成できるのに対し、細菌や酵母のような微生物ではそのようなネットワーク構造を形成させることができない。従って、菌糸を形成しない微生物では、わずかな振動によってバイオフィルム並びに中空微粒子層が崩壊してしまう。また、菌糸を形成しない微生物では、バイオフィルム上に有機溶媒を重層させた場合には、図1(A)において矢印で示したように、静置条件下であっても速やかにバイオフィルムと中空微粒子層が崩壊してしまう。 Specifically, even if it is microorganisms other than mold, it is possible to form a biofilm of microorganisms on the surface of the hollow fine particle layer on the liquid medium liquid surface under static conditions. However, the mold mycelium network can entangle hollow microparticles to form a stable mold-hollow microparticle composite mat, whereas microorganisms such as bacteria and yeast cannot form such a network structure. . Therefore, in a microorganism that does not form hyphae, the biofilm and the hollow fine particle layer are collapsed by slight vibration. Also, in the case of microorganisms that do not form mycelia, when an organic solvent is layered on the biofilm, the biofilm and the hollow can be quickly removed even under stationary conditions, as indicated by arrows in FIG. The fine particle layer will collapse.
また、抽出液面固定化システムで用いられる中空微粒子はポリアクリロニトリル製であり、平均粒径10〜200μm、比重は0.06〜0.50と軽量で微小という特徴があった。これらの中空微粒子は、スチレン等の有機溶媒に対して耐溶剤性を示す一方、水に対して非常に安定であった。すなわち、水中に投入された中空微粒子は何ら変化を来すことなく安定に、その形態や表面性状を保ったまま密集して層状を形成する。そのため、互いの微粒子間には何ら接着力および粘着力は働かず、この中空微粒子層は物理的に極めて不安定であって、わずかな衝撃によってもその層状構造は崩壊してしまうという問題があった。 Further, the hollow fine particles used in the extraction liquid surface immobilization system are made of polyacrylonitrile, and have an average particle size of 10 to 200 μm and a specific gravity of 0.06 to 0.50, which are lightweight and minute. These hollow fine particles showed solvent resistance to organic solvents such as styrene, while being very stable to water. That is, the hollow microparticles thrown into the water are stably formed without any change and are densely formed while maintaining the form and surface properties to form a layer. Therefore, no adhesive force or adhesive force acts between the fine particles, and the hollow fine particle layer is physically extremely unstable, and the layered structure collapses even with a slight impact. It was.
特に、上記の抽出液面固定化システムや液−液界面バイオリアクターでは、菌体−中空微粒子複合マットの上に疎水性有機溶媒を重層する。しかし、微生物が菌糸を形成しない細菌や放線菌、酵母や微細藻類の場合、カビのように多数の栄養菌糸が中空微粒子を取り込んで、物理的に強固な複合マットを形成することはできず、かつ、中空微粒子同土が接着または粘着されない。その結果、図1に示したように、バイオフィルム/中空微粒子層は容易に崩壊を来す。このような状態になると発酵生産や微生物変換を行わせることは実質的に不可能となるという問題があった。 In particular, in the extraction liquid surface immobilization system and the liquid-liquid interface bioreactor described above, a hydrophobic organic solvent is layered on the cell-hollow microparticle composite mat. However, in the case of bacteria, actinomycetes, yeasts and microalgae whose microorganisms do not form hyphae, a large number of vegetative mycelia like molds can take in hollow microparticles and form a physically strong composite mat, And the hollow microparticles do not adhere or stick. As a result, as shown in FIG. 1, the biofilm / hollow particle layer easily collapses. In such a state, there is a problem that it is practically impossible to cause fermentation production or microbial conversion.
放線菌を含む細菌や酵母、あるいは微細藻類や植物細胞は、抗生物質や抗ガン剤、抗炎症剤などの医薬品原料や化粧品原料、あるいはバイオ燃料の生産源として極めて重要である。そのため、これら微生物を上記の抽出液面固定化システム及び液−液界面バイオリアクターに適用できれば、製薬業界や化粧品業界、化学工業界などの幅広い産業分野に対し、大きなインパクトを与えることが期待できる。 Bacteria and yeasts containing actinomycetes, or microalgae and plant cells are extremely important as pharmaceutical raw materials such as antibiotics, anticancer agents and anti-inflammatory agents, and as raw materials for producing biofuels. Therefore, if these microorganisms can be applied to the extraction liquid surface immobilization system and the liquid-liquid interface bioreactor, it can be expected to have a great impact on a wide range of industrial fields such as the pharmaceutical industry, the cosmetics industry, and the chemical industry.
本発明はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところは、菌糸を形成しない微生物を生体触媒とした場合であっても、基質を効率良く物質変換する技術、並びに生物活性二次代謝物やバイオ燃料を発酵生産させる技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and the object of the present invention is a technique for efficiently converting a substance into a substance, as well as bioactive secondary metabolism, even when a biocatalyst is a microorganism that does not form hyphae. The purpose is to provide technology for fermenting products and biofuels.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の物質変換方法は、培養槽に、親水性の基質を含む水溶液と、水溶液よりも比重の小さい複数の合成高分子微粒子と、水溶液中で複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材と、微生物と、を添加し、水溶液により形成される水層の液面に、微生物、当該微生物を下側から浮力により保持する複数の合成高分子微粒子、およびバインダー材を含む複合層を形成するステップと、複合層中の微生物を生体触媒として、親水性の基質を反応させるステップと、を含む。なお、本明細書中で物質変換とは、微生物を生体触媒として、基質を別の物質に変換することをいう。具体的には、たとえば栄養源でもあるグルコースを基質として用いて、代謝によりクエン酸に変換することをいう。 In order to solve the above problems, a substance conversion method according to an aspect of the present invention includes an aqueous solution containing a hydrophilic substrate, a plurality of synthetic polymer fine particles having a specific gravity smaller than that of the aqueous solution, and a plurality of the synthetic polymer fine particles in the aqueous solution. And a plurality of synthetic polymer fine particles that retain the microorganisms from below by buoyancy on the liquid surface of the aqueous layer formed by adding a binder material that collects the synthetic polymer fine particles and microorganisms, and Forming a composite layer containing a binder material; and reacting a hydrophilic substrate with a microorganism in the composite layer as a biocatalyst. In the present specification, substance conversion means conversion of a substrate into another substance using a microorganism as a biocatalyst. Specifically, for example, conversion to citric acid by metabolism using glucose, which is also a nutrient source, as a substrate.
この態様によると、菌糸を形成しない微生物を生体触媒とした場合であっても、基質を効率良く物質変換することができる。また、菌糸を形成しない微生物を抽出液面固定化システムに用いた場合であっても、カタボライト抑制とフィードバック阻害という問題を効果的に回避することができる。物質変換に最適な親水/疎水バランスや荷電状態は、使用する微生物、発酵および微生物変換反応の種類によって大きく異なることが想定される。しかし、たとえば合成高分子微粒子とバインダー材の組み合わせや配合量を任意に設定して任意の割合で混合すれば、液体培地の液面に形成される高分子微粒子層の荷電状態を任意に変動させることができる。そのため、本実施の形態の物質変換方法を用いれば、微生物や発酵および微生物変換反応の種類に応じたオーダーメイドな物質変換を容易に行うことができる。 According to this aspect, even when a microorganism that does not form mycelia is used as a biocatalyst, the substrate can be efficiently converted into a substance. Moreover, even when a microorganism that does not form mycelia is used in the extraction liquid surface immobilization system, the problems of catabolite suppression and feedback inhibition can be effectively avoided. It is envisaged that the hydrophilic / hydrophobic balance and charge state optimum for substance conversion vary greatly depending on the microorganism used, fermentation, and type of microbial conversion reaction. However, for example, if the combination and blending amount of the synthetic polymer fine particles and the binder material are arbitrarily set and mixed at an arbitrary ratio, the charged state of the polymer fine particle layer formed on the liquid surface of the liquid medium is arbitrarily changed. be able to. For this reason, by using the substance conversion method of the present embodiment, custom-made substance conversion according to the type of microorganism, fermentation, and microorganism conversion reaction can be easily performed.
物質変換方法において、バインダー材は、カルボキシル化されたセルロース、またはブチラール基とヒドロキシ基とアセチル基を有するポリビニルアルコール誘導体であってもよい。この態様によると、バインダー材が複数の合成高分子微粒子を効率的にまとめることによって、微生物を長期間にわたって保持することができる。 In the substance conversion method, the binder material may be carboxylated cellulose, or a polyvinyl alcohol derivative having a butyral group, a hydroxy group, and an acetyl group. According to this aspect, the binder material efficiently holds the plurality of synthetic polymer fine particles, whereby microorganisms can be retained for a long period of time.
物質変換方法において、バインダー材は、エーテル化度が20〜30mol%のセルロース、またはエーテル化度が60〜70mol%のポリビニルアルコール誘導体であってもよい。この態様によると、バインダー材の水溶液への不溶性と複数の合成高分子微粒子の結合性のバランスが最適となる結果、微生物を長期間にわたって安定的に保持することができる。 In the substance conversion method, the binder material may be cellulose having a degree of etherification of 20 to 30 mol% or a polyvinyl alcohol derivative having a degree of etherification of 60 to 70 mol%. According to this aspect, the balance between the insolubility of the binder material in the aqueous solution and the binding properties of the plurality of synthetic polymer fine particles is optimized, so that microorganisms can be stably retained for a long period of time.
物質変換方法において、微生物は、糸状菌以外の微生物であってもよい。この態様によると、様々な微生物を利用することによって、従来の糸状菌では行うことのできなかった物質変換を行うことができる。 In the substance conversion method, the microorganism may be a microorganism other than the filamentous fungus. According to this aspect, by using various microorganisms, it is possible to perform substance conversion that could not be performed by conventional filamentous fungi.
物質変換方法において、疎水性の有機溶媒を含む有機層を、複合層の液面に重層するステップをさらに含んでもよい。この態様によると、疎水性の基質を物質変換させることができる。 The substance conversion method may further include a step of overlaying an organic layer containing a hydrophobic organic solvent on the liquid surface of the composite layer. According to this embodiment, the hydrophobic substrate can be converted into a substance.
物質変換方法において、親水性の基質が微生物により親水性の化合物に変換されて、当該化合物が水層に蓄積されてもよい。この態様によると、親水性の基質を用いて物質変換により親水性の生成物を得ることができる。 In the substance conversion method, the hydrophilic substrate may be converted into a hydrophilic compound by a microorganism, and the compound may be accumulated in the aqueous layer. According to this embodiment, a hydrophilic product can be obtained by substance conversion using a hydrophilic substrate.
物質変換方法において、親水性の基質が微生物により疎水性の化合物に変換されて、当該化合物が有機層に蓄積されてもよい。この態様によると、親水性の基質を用いて物質変換により疎水性の生成物を得ることができる。 In the substance conversion method, the hydrophilic substrate may be converted into a hydrophobic compound by a microorganism, and the compound may be accumulated in the organic layer. According to this embodiment, a hydrophobic product can be obtained by substance conversion using a hydrophilic substrate.
本発明の別の態様も、物質変換方法である。この物質変換方法は、培養槽に、親水性の基質を含む水溶液と、水溶液よりも比重の小さい複数の合成高分子微粒子と、水溶液中で複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材と、微生物と、を添加し、水溶液により形成される水層の液面に、微生物、当該微生物を下側から浮力により保持する複数の合成高分子微粒子、および水溶液中で当該複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材を含む複合層を形成するステップと、疎水性の基質および疎水性の有機溶媒を含む有機層を、複合層の上面に重層するステップと、複合層中の微生物を生体触媒として、疎水性の基質を反応させるステップと、を含む。 Another embodiment of the present invention is also a substance conversion method. In this substance conversion method, an aqueous solution containing a hydrophilic substrate, a plurality of synthetic polymer fine particles having a specific gravity smaller than that of the aqueous solution, a binder material for collecting the plurality of synthetic polymer fine particles in the aqueous solution, a microorganism, , And on the liquid surface of the aqueous layer formed by the aqueous solution, microorganisms, a plurality of synthetic polymer fine particles that retain the microorganisms from below by buoyancy, and a binder that collects the plurality of synthetic polymer fine particles in the aqueous solution Forming a composite layer containing a material, overlaying an organic layer containing a hydrophobic substrate and a hydrophobic organic solvent on the top surface of the composite layer, and using a microorganism in the composite layer as a biocatalyst to form a hydrophobic layer Reacting the substrate.
本発明の別の態様は、バイオリアクターの製造方法である。このバイオリアクターの製造方法は、培養槽に、水溶液と、微生物と、水溶液よりも比重の小さい複数の合成高分子微粒子と、水溶液中で複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材と、を添加して混合し、水溶液により形成される水層の液面に、微生物、当該微生物を下側から浮力により保持する複数の合成高分子微粒子、および水溶液中で当該複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材を含む複合層を形成するステップを含む。 Another embodiment of the present invention is a method for producing a bioreactor. In this bioreactor manufacturing method, an aqueous solution, microorganisms, a plurality of synthetic polymer fine particles having a specific gravity smaller than that of the aqueous solution, and a binder material that collects the plurality of synthetic polymer fine particles in the aqueous solution are added to the culture tank. Mixed on the surface of the aqueous layer formed by the aqueous solution, microorganisms, a plurality of synthetic polymer fine particles that retain the microorganisms from below by buoyancy, and a binder material that combines the plurality of synthetic polymer fine particles in the aqueous solution Forming a composite layer comprising:
本発明の別の態様は、バイオリアクターである。このバイオリアクターは、培養槽と、培養槽に収容された水溶液と、微生物を含み水溶液の液面に形成された複合層と、を備え、複合層は、水溶液よりも比重が小さく微生物を下側から浮力により保持する複数の合成高分子微粒子と、水溶液中で複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材と、を含む。 Another aspect of the invention is a bioreactor. The bioreactor includes a culture tank, an aqueous solution contained in the culture tank, and a composite layer that includes microorganisms and is formed on a liquid surface of the aqueous solution. The composite layer has a specific gravity smaller than that of the aqueous solution and lowers the microorganisms. A plurality of synthetic polymer fine particles retained by buoyancy and a binder material that collects the plurality of synthetic polymer fine particles in an aqueous solution.
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.
本発明によれば、微生物を用いて基質を効率良く物質変換することができる。 According to the present invention, a substrate can be efficiently converted into a substance using a microorganism.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において重複する説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the description which overlaps in description of drawing is abbreviate | omitted suitably.
[第1の実施の形態]
本実施の形態の物質変換方法は、培養槽12に、親水性の基質を含む水溶液と、水溶液よりも比重の小さい複数の合成高分子微粒子と、水溶液中で複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材と、微生物と、を添加し、水溶液により形成される水層20の液面に、低比重の合成高分子微粒子/バインダー材/微生物菌体を含む複合層30を形成するステップと、複合層30中の微生物を生体触媒として、親水性の基質Xを反応させるステップと、を含む。
[First Embodiment]
In the substance conversion method of the present embodiment, an aqueous solution containing a hydrophilic substrate, a plurality of synthetic polymer fine particles having a specific gravity smaller than that of the aqueous solution, and a binder for collecting the plurality of synthetic polymer fine particles in the aqueous solution in the culture tank 12 Adding a material and microorganisms to form a composite layer 30 containing low-specific gravity synthetic polymer fine particles / binder material / microbial cells on the liquid surface of the aqueous layer 20 formed of an aqueous solution; and composite layer And reacting the hydrophilic substrate X with the microorganism in 30 as a biocatalyst.
図2(A)は、第1の実施の形態に係る物質変換方法を模式的に示す図である。 FIG. 2A is a diagram schematically showing the substance conversion method according to the first embodiment.
本実施の形態の物質変換方法では、バイオリアクター10を使用する。バイオリアクター10は、培養槽12と、低比重の合成高分子微粒子/バインダー材/微生物菌体を含む複合層30とを含む。培養槽12は、糸状菌を培養して物質変換を行うための培養反応器である。水層20は、水と微生物に供給される栄養源とを含む水溶液である液体培地から形成される。また、本実施の形態では、水層20は微生物を生体触媒として物質変換される親水性の基質Xも含む。親水性の基質Xは、栄養源自体であってもよい。複合層30は、複数の合成高分子微粒子と、水溶液中で複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材を含む。複数の合成高分子微粒子は、水溶液よりも比重が小さく、バインダー材によりまとめられた状態にて微生物を水溶液の液面に浮かせることができる。本明細書中で比重とは、中空構造を有する微粒子の場合にはその内部に含まれる気体も考慮した値をいう。一方、真比重とは、微粒子を粉末にした場合の比重、つまり内部に含まれる気体を考慮しない値をいう。 In the material conversion method of the present embodiment, the bioreactor 10 is used. The bioreactor 10 includes a culture tank 12 and a composite layer 30 containing low-specific gravity synthetic polymer particles / binder material / microbial cells. The culture tank 12 is a culture reactor for culturing filamentous fungi to perform substance conversion. The aqueous layer 20 is formed from a liquid medium that is an aqueous solution containing water and a nutrient source supplied to microorganisms. In the present embodiment, the aqueous layer 20 also includes a hydrophilic substrate X that is converted into a substance using a microorganism as a biocatalyst. The hydrophilic substrate X may be the nutrient source itself. The composite layer 30 includes a plurality of synthetic polymer fine particles and a binder material that collects the plurality of synthetic polymer fine particles in an aqueous solution. The plurality of synthetic polymer fine particles have a specific gravity smaller than that of the aqueous solution, and the microorganisms can be floated on the liquid surface of the aqueous solution in a state of being collected by the binder material. In the present specification, the specific gravity refers to a value that takes into account the gas contained in the case of fine particles having a hollow structure. On the other hand, the true specific gravity refers to a specific gravity when fine particles are powdered, that is, a value that does not consider the gas contained therein.
(合成高分子微粒子)
本実施の形態に使用される合成高分子微粒子として、たとえば上述した特許文献1(特開2008−29251号公報)に記載の中空微粒子が挙げられる。合成高分子微粒子は、約10〜約200μm、比重は約0.06〜約0.50と軽量で微小であるものが好ましい。素材的にはポリアクリロニトリルやポリスチレンなどの合成高分子をエマルジョン重合もしくは懸濁重合した後、熱膨張などの工程によって微粒子内部に空洞を持たせたものが好ましい。また、比重調製材としてタルクや炭酸カルシウムなどの無機材の微粉をコートしたものであってもよい。これらの性質を満たす合成高分子微粒子として、例えばAdvancell HB−2051(積水化学工業株式会社製、平均粒径20μm、真比重0.5)、MFL−80GCA(松本油脂製薬株式会社製、炭酸カルシウムコート型、平均粒径20μm、真比重0.2)、MFL−80GTA(松本油脂製薬株式会社製、炭酸カルシウムコート型、平均粒径20μm、真比重0.2)が挙げられる。
(Synthetic polymer fine particles)
Examples of the synthetic polymer fine particles used in the present embodiment include hollow fine particles described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-29251) described above. The synthetic polymer fine particles are preferably about 10 to about 200 μm and specific gravity of about 0.06 to about 0.50 and lightweight and fine. As a material, it is preferable that a synthetic polymer such as polyacrylonitrile or polystyrene is emulsion-polymerized or suspension-polymerized and then voids are provided inside the fine particles by a process such as thermal expansion. Moreover, what coated fine powder of inorganic materials, such as a talc and a calcium carbonate, as a specific gravity preparation material may be used. As synthetic polymer fine particles satisfying these properties, for example, Advancell HB-2051 (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., average particle size 20 μm, true specific gravity 0.5), MFL-80GCA (manufactured by Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd., calcium carbonate coat) Mold, average particle size 20 μm, true specific gravity 0.2), MFL-80GTA (manufactured by Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd., calcium carbonate coat type, average particle size 20 μm, true specific gravity 0.2).
(バインダー材)
図1(A)に経時的に示したように、複合層30として中空微粒子である合成高分子微粒子のみを用いて微生物を保持した場合、液面に形成された複合層30は物理的に極めて脆弱であり、その表面並びに層中に複合層30を形成させても容易に崩壊してしまう。特に、複合層30上に疎水性の有機層40を重層する場合、複合層30は速やかに崩壊する。
(Binder material)
As shown in FIG. 1A, when the microorganism is held using only the synthetic polymer fine particles that are hollow fine particles as the composite layer 30, the composite layer 30 formed on the liquid surface is physically extremely It is fragile and easily collapses even if the composite layer 30 is formed on the surface and the layer. In particular, when the hydrophobic organic layer 40 is overlaid on the composite layer 30, the composite layer 30 rapidly collapses.
微生物として菌糸を形成しない微生物を用いて物質変換を行う場合、合成高分子微粒子の脆弱性を改善して物理的な強度を付加するためには、当該微粒子同士を接着もしくは密着させることが有効である。そのため、複合層30に接着材料あるいは粘着材料(以下、バインダー材と称する)を配合させることが有効である。 When material conversion is performed using microorganisms that do not form mycelia as microorganisms, it is effective to adhere or closely adhere the fine particles to improve the brittleness of the synthetic polymer fine particles and add physical strength. is there. Therefore, it is effective to add an adhesive material or a pressure-sensitive adhesive material (hereinafter referred to as a binder material) to the composite layer 30.
しかし、合成高分子微粒子が常時水と疎水性有機溶媒に接触しているため、このバインダー材には(1)水と疎水性有機溶媒の両者に対して溶解せずに粘着力を保持し続けること、(2)合成高分子微粒子と同程度以下の粒径であること(過度に大きすぎないこと)、(3)合成高分子微粒子の液面浮上に伴って液面に形成される複合層30中に取り込まれ得ること、(4)細菌、放線菌、酵母、微細藻類などの使用される微生物に対して毒性を発現しないこと、などのいくつかの制約が課せられる。 However, since the synthetic polymer fine particles are always in contact with water and the hydrophobic organic solvent, the binder material (1) keeps the adhesive force without dissolving in both the water and the hydrophobic organic solvent. (2) The particle size is equal to or smaller than that of the synthetic polymer fine particles (not excessively large), and (3) the composite layer is formed on the liquid surface as the synthetic polymer fine particles float. Some restrictions are imposed, such as being able to be incorporated into 30 and (4) not being toxic to the microorganisms used, such as bacteria, actinomycetes, yeasts, microalgae and the like.
( 1 )の制約は物理的に非常に厳しい。タッキファイヤーのような粘着材は分子レベル、より厳密にはカルボキシル基やヒドロキシ基のような極性官能基の存在によってその接着・粘着性が発揮されるが(非特許文献15)、このような分子レベルでの接着・粘着性の付与には、タッキファイヤ一分子の水中あるいは有機層中での溶解・拡散が伴うため、長期に渡って合成高分子微粒子同士を接着・粘着させておくことは不可能である。事実、ポリビニルアルコールのような水溶性高分子は水に完全に溶解してしまうため、複合層30を物理的に安定に保つことはできないことが確認されている。また、テルペン樹脂や低分子量スチレン樹脂のような通常の固体状タッキファイヤーは凝集力が強すぎるため、微粉状に粉砕しても強く凝集してしまい、分級はおろか水中に分散することすら不可能である。従って、有機溶媒に対する安定性はもちろん、水に対しても完全には溶解せずに、微粒子表面のみが水和して粘着力を発揮できる材料の探索が不可欠となった。 The constraint of (1) is physically very strict. Adhesives such as tackifiers exhibit adhesion and tackiness at the molecular level, more strictly, by the presence of polar functional groups such as carboxyl groups and hydroxy groups (Non-patent Document 15). Adhesion and tackiness at the level involves dissolution and diffusion of a single tackifier molecule in water or in an organic layer, so it is not possible to adhere and adhere synthetic polymer particles to each other over a long period of time. Is possible. In fact, it has been confirmed that a water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol is completely dissolved in water, so that the composite layer 30 cannot be kept physically stable. Also, ordinary solid tackifiers such as terpene resins and low molecular weight styrene resins are too cohesive, so they aggregate strongly even when pulverized into fine powders, making classification impossible even in water. It is. Accordingly, it has become indispensable to search for a material that not only dissolves in water, but also hydrates only on the surface of the fine particles and exhibits adhesive strength, as well as stability in organic solvents.
(2)の粒径については粉砕と分級によって所望の範囲、例えば10μm〜200μmの範囲に容易に設定できることが条件となる。200μm以上の粒径では合成高分子微粒子とともに液面に浮上させることは不可能となるため、(3)の制約、すなわち、複合層30中に取り込まれて微粒子同士を粘着させるという所期の目的を達することができない。さらに、条件の(4)を満たすことができなければ、発酵や微生物変換反応に供することは不可能である。 The condition (2) is that the particle diameter can be easily set to a desired range, for example, a range of 10 μm to 200 μm, by pulverization and classification. Since it is impossible to float on the liquid surface together with the synthetic polymer fine particles with a particle size of 200 μm or more, the restriction (3), that is, the intended purpose of adhering the fine particles by being taken into the composite layer 30 Can't reach. Furthermore, if the condition (4) cannot be satisfied, it cannot be subjected to fermentation or microbial conversion reaction.
上記したような長時間に渡って合成高分子微粒子同士を水中で粘着させ得る微粒子であるバインダー材について、鋭意探索・検討を行った。寒天やデンプン、アルギン酸やゼラチンなどの水溶性天然高分子、ポリビニルアルコールやポリアクリレートなどの水溶性合成高分子、及び変性デンプンやカルボキシメチルセルロースなどの水溶性半合成高分子は、添加後の一定時間は複合層30の物理的安定化をもたらすが、それらの水溶性が高すぎるため、複合層30を長時間安定化させることは困難であることが確認された。特に、抽出液面固定化システムや液−液界面バイオリアクターの態様における複合層30に疎水性有機溶媒を重層した場合、複合層30は静置条件下であっても容易に崩壊してしまう。 The binder materials, which are fine particles capable of adhering the synthetic polymer fine particles to each other in water for a long time as described above, have been intensively searched and examined. Water-soluble natural polymers such as agar and starch, alginic acid and gelatin, water-soluble synthetic polymers such as polyvinyl alcohol and polyacrylate, and water-soluble semi-synthetic polymers such as modified starch and carboxymethyl cellulose Although physical stabilization of the composite layer 30 is brought about, it was confirmed that it is difficult to stabilize the composite layer 30 for a long time because their water solubility is too high. In particular, when a hydrophobic organic solvent is overlaid on the composite layer 30 in the embodiment of the extraction liquid surface immobilization system or the liquid-liquid interface bioreactor, the composite layer 30 easily collapses even under stationary conditions.
これらの水溶性高分子と比較して、本発明者は、(1)軽度にカルボキシル化されたセルロース、または(2)ブチラール基とヒドロキシ基とアセチル基を有するポリビニルアルコール誘導体が、長期に渡って水中で粘着性を保持して、複合層30に物理的強度を与えることを見出した。本実施の形態でセルロースが「軽度にカルボキシル化された」とは、エーテル化度(単位)が約0.20〜約0.30(約20〜約30mol%)であることをいう。 Compared with these water-soluble polymers, the present inventors have found that (1) lightly carboxylated cellulose or (2) polyvinyl alcohol derivatives having a butyral group, a hydroxy group and an acetyl group have been used for a long time. It has been found that the adhesiveness is maintained in water and the composite layer 30 is given physical strength. In the present embodiment, “lightly carboxylated” of cellulose means that the degree of etherification (unit) is about 0.20 to about 0.30 (about 20 to about 30 mol%).
前者(1)は半合成高分子であり、セルロースのC−6位のヒドロキシ基が部分的にカルボキシメチル化されたポリマーであり、水に対して不溶であるにもかかわらず、その微粒子表面は水和されて膨潤し、粘着力を発揮する。また、材料がセルロースであるために、食品や試料用の添加物や化粧品原料として使用されるほど、人体に対しても微生物に対しても無害である。このような製品として、たとえば日本製紙株式会社製のサンローズSLDシリーズが挙げられる。なお、本願明細書では、半合成高分子も合成高分子の一種とする。 The former (1) is a semi-synthetic polymer, which is a polymer in which the C-6 hydroxy group of cellulose is partially carboxymethylated and insoluble in water. It hydrates and swells, and exhibits adhesive strength. Further, since the material is cellulose, it is harmless to human bodies and microorganisms as it is used as an additive for foods and samples and a cosmetic raw material. An example of such a product is the Sunrose SLD series manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd. In the present specification, the semi-synthetic polymer is also a kind of synthetic polymer.
後者(2)は、完全な合成高分子であり、ポリビニルアルコールとアルデヒド類を反応させて合成されたポリビニルアセタール樹脂を基体とし、アルデヒドの鎖長によって種々物性の異なる材料である。環状のアセタール構造に加えて少量のアセチル基並びにヒドロキシ基も生成しており、多くの製品は極性溶媒である水と非極性溶媒であるヘキサンの両者に対して不溶である。一方で、多くの商品の表面は水中で水和して、5〜8%相当の水分を含んで粘着力を発揮することができる。このような製品として、たとえば積水化学工業株式会社のエスレックB並びにKシリーズが挙げられる。 The latter (2) is a completely synthetic polymer, a material based on a polyvinyl acetal resin synthesized by reacting polyvinyl alcohol and an aldehyde, and having various physical properties depending on the chain length of the aldehyde. In addition to the cyclic acetal structure, small amounts of acetyl and hydroxy groups are also formed, and many products are insoluble in both the polar solvent water and the nonpolar solvent hexane. On the other hand, the surface of many products can be hydrated in water and can exhibit adhesive strength by containing 5-8% of water. Examples of such products include SLECK B and K series of Sekisui Chemical Co., Ltd.
加えて、バインダー材は、以下の特性を有することが好ましい。
・平均分子量:約1万〜約5万(ダルトン)、好ましくは約2万〜約4万
・エーテル化度(mol%):軽度にカルボキシル化されたセルロースの場合、約20〜約30mol%。ブチラール基とヒドロキシ基とアセチル基を有するポリビニルアルコール誘導体の場合、約50〜約80mol%、好ましくは約60〜約70mol%
・粘度(mPa・s):約5〜約70mPa・s、好ましくは約10〜約60mPa・s
・ガラス転移温度(℃):約50〜約80℃、好ましくは約60〜約70℃。なお、ガラス転移温度とは、加熱に伴い、高分子がガラス状の硬い状態からゴム状の柔らかい状態に変化する現象が起る温度をいう。
・軟化点(℃):約100〜約160℃、好ましくは約125〜約150℃。なお、軟化点とは、温度上昇によって軟化し、変形を始める時の温度をいう。
・粘着力(gf/cm2):バインダー材を一度イソプロパノールで溶解し、脱溶剤によって薄膜に成形して測定したと想定すると、180℃剥離で約50〜約300gf/cm2、好ましくは約100〜約200gf/cm2
・溶解性(不溶性)および吸水率(%):エスレックB並びにKシリーズ(積水化学工業株式会社)では約1〜約20%(w/w)、好ましくは約2〜約10%。サンローズSLDシリーズ(日本製紙株式会社)では約5〜約30%、好ましくは約10〜約20%
・非極性有機溶媒(ヘキサン、スチレンなど)に対して不溶
In addition, the binder material preferably has the following characteristics.
Average molecular weight: about 10,000 to about 50,000 (Dalton), preferably about 20,000 to about 40,000. Degree of etherification (mol%): about 20 to about 30 mol% in the case of lightly carboxylated cellulose. In the case of a polyvinyl alcohol derivative having a butyral group, a hydroxy group and an acetyl group, about 50 to about 80 mol%, preferably about 60 to about 70 mol%
Viscosity (mPa · s): about 5 to about 70 mPa · s, preferably about 10 to about 60 mPa · s
Glass transition temperature (° C.): about 50 to about 80 ° C., preferably about 60 to about 70 ° C. The glass transition temperature is a temperature at which a phenomenon occurs in which the polymer changes from a glassy hard state to a rubbery soft state with heating.
Softening point (° C.): about 100 to about 160 ° C., preferably about 125 to about 150 ° C. The softening point refers to a temperature at which the softening occurs due to temperature rise and deformation starts.
Adhesive strength (gf / cm 2 ): Assuming that the binder material was once dissolved in isopropanol and formed into a thin film by desolvation and measured, about 50 to about 300 gf / cm 2 at 180 ° C. peeling, preferably about 100 ~ About 200 gf / cm 2
-Solubility (insoluble) and water absorption (%): About 1 to about 20% (w / w), preferably about 2 to about 10% for SREC B and K series (Sekisui Chemical Co., Ltd.). About 5 to about 30%, preferably about 10 to about 20% in the Sunrose SLD series (Nippon Paper Industries Co., Ltd.)
・ Insoluble in nonpolar organic solvents (hexane, styrene, etc.)
複数の合成高分子微粒子同士の粘着を促すバインダー材としては上記の半合成あるいは合成高分子材料が好適であるが、合成高分子微粒子に対するこれらの配合量に留意する必要がある。バインダー材の配合量が多いほど複合層30の安定性は向上するが、過剰に入れすぎた場合には、複合層30への取り込み率の低下や調製コストの上昇をもたらすことになる。バインダー材の比重は1.0前後のものが多いため、それ自体に液面浮上性はないか非常に小さい。したがって、バインダー材を過剰量配合した場合には、合成高分子微粒子によって浮上せしめられるバインダー材の量は限られているため、残余のものは培養器の底部に沈降することになる。 The above-mentioned semi-synthetic or synthetic polymer material is suitable as a binder material that promotes adhesion between a plurality of synthetic polymer fine particles, but it is necessary to pay attention to the amount of these blended with respect to the synthetic polymer fine particles. The stability of the composite layer 30 is improved as the blending amount of the binder material is increased. However, when the amount is excessively added, the incorporation rate into the composite layer 30 and the preparation cost are increased. Since the specific gravity of the binder material is often around 1.0, the liquid material itself has no liquid surface floating property or is very small. Therefore, when an excessive amount of the binder material is blended, the amount of the binder material that is levitated by the synthetic polymer fine particles is limited, and the remaining material settles to the bottom of the incubator.
合成高分子微粒子に対するバインダー材の配合比は合成高分子微粒子の比重並びに粒径により異なるが、例えば、比重0.23、平均粒径20mmの中空微粒子(マツモトマイクロスフェアー MFL−81GTA、松本油脂製薬工業)1gに配合するバインダー量は50mgで十分であり、比重0.50、平均粒径20mmの中空微粒子(Advancell HB−2051、積水化学工業)1gに配合するバインダ一量は25mgで十分である。合成高分子微粒子とバインダー材の比率は、約5:約1であることが好ましく、約40:約1であることがより好ましい。これにより、複数の合成高分子微粒子の浮上性をある程度維持しつつ、合成高分子微粒子の接着に寄与することのないバインダー材を減らすことによって、バインダー材を有効に利用することができる。 The blending ratio of the binder material to the synthetic polymer fine particles varies depending on the specific gravity and particle size of the synthetic polymer fine particles. For example, hollow fine particles having a specific gravity of 0.23 and an average particle size of 20 mm (Matsumoto Microsphere MFL-81GTA, Matsumoto Yushi Seiyaku) Industrial) 50 mg of binder is sufficient for 1 g, and 25 mg of binder is sufficient for 1 g of hollow microparticles (Advancel HB-2051, Sekisui Chemical) having a specific gravity of 0.50 and an average particle size of 20 mm. . The ratio of the synthetic polymer fine particles to the binder material is preferably about 5: about 1, and more preferably about 40: about 1. Accordingly, the binder material can be effectively used by reducing the binder material that does not contribute to the adhesion of the synthetic polymer fine particles while maintaining the floating property of the plurality of synthetic polymer fine particles to some extent.
(水溶液)
水層20を形成させる水溶液として使用できる液体培地には特に制約はなく、目的物質の生産のために好適な組成とpHのものを使用すればよい。例えば炭素・エネルギー源としてはグルコースやスクロース等の単糖類、可溶性デンプン等の多糖類、グリセロールなどのポリオール類が利用できる。微生物として微細藻類を用いる場合は、炭素・エネルギー源を加えずに培養に供することもできる。窒素源についても特に制約はなく、硝酸アンモニウムや塩化アンモニウムなどの無機態窒素源、ペプトンやソイトンなどの有機態窒素源、他の添加剤として酵母エキスやアミノ酸類、ビタミン類やりン酸塩などを適宜使用すればよい。なお、微生物として微細藻類を用いる場合は光照射を行う必要があるが、光照射条件についても特に制約はなく、例えば1500Lux光を12時間照射/12時間暗所の条件で照射すればよい。
(Aqueous solution)
There is no restriction | limiting in particular in the liquid culture medium which can be used as the aqueous solution which forms the water layer 20, What is necessary is just to use the thing of suitable composition and pH for production of a target substance. For example, monosaccharides such as glucose and sucrose, polysaccharides such as soluble starch, and polyols such as glycerol can be used as the carbon / energy source. When microalgae are used as microorganisms, they can be subjected to culture without adding a carbon / energy source. There are no particular restrictions on the nitrogen source, and inorganic nitrogen sources such as ammonium nitrate and ammonium chloride, organic nitrogen sources such as peptone and soyton, and yeast additives, amino acids, vitamins and phosphates as other additives are used as appropriate. Use it. In addition, when using microalgae as microorganisms, it is necessary to perform light irradiation. However, there is no particular limitation on the light irradiation condition, and for example, 1500 Lux light may be irradiated for 12 hours / 12 hours in a dark place.
(微生物)
適用可能な微生物についても特に制約はなく、細菌であればBacillus属やEscherichia属、放線菌であればStreptomyces属やRhodococcus属、酵母であればSaccharomyces属やCandida属、微細藻類であればChlorella属やChlorococcum属等を代表例として挙げることができる。このような様々な微生物を利用することによって、従来の糸状菌では行うことのできなかった物質変換を行うことができる。なお、カビについても本実施の形態の物質変換方法は十分に適用可能である。例えばAspergillus属やPenicillium属などのほとんど全ての属種について適用可能である。
(Microorganism)
There are no particular restrictions on applicable microorganisms, including Bacillus genus and Escherichia genus for bacteria, Streptomyces genus and Rhodococcus genus for actinomycetes, Saccharomyces genus and Candida genus for yeast, and Chlorella genus for microalgae. A representative example is Chlorococcum genus. By using such various microorganisms, it is possible to carry out substance conversion that could not be performed by conventional filamentous fungi. Note that the material conversion method of the present embodiment is sufficiently applicable to molds. For example, it can be applied to almost all genus species such as Aspergillus genus and Penicillium genus.
(製造方法)
次に、バイオリアクター10の製造方法を説明する。本実施の形態では、まず複数の合成高分子微粒子とバインダー材とを予め混合しておく。この混合物に培地と使用菌株の細胞懸濁液を所定の配合比になるように加えて混合し、所定量を培養槽12に分注して静置する。その結果、複数の合成高分子微粒子が密集して液面浮上することによって、微生物及びバインダー材微粒子も共に浮上し、液体培地液面に低比重合成高分子微粒子/バインダー材/微生物菌体を含む複合層30が形成される。図1(B)に、複合層30にバインダー材を用いて製造されたバイオリアクター10の例を示す。左から右に向かって経時的に示すように、バインダー材を用いない場合(図1(A))と比べて、複合層30が安定的に形成されている。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the bioreactor 10 will be described. In the present embodiment, first, a plurality of synthetic polymer fine particles and a binder material are mixed in advance. To this mixture, the medium and the cell suspension of the strain used are added and mixed so as to have a predetermined mixing ratio, and a predetermined amount is dispensed into the culture tank 12 and left to stand. As a result, when a plurality of synthetic polymer fine particles are densely floated on the liquid surface, both the microorganisms and the binder material fine particles also float, and the liquid medium liquid surface contains low specific gravity synthetic polymer fine particles / binder material / microbial cells. A composite layer 30 is formed. FIG. 1B shows an example of a bioreactor 10 manufactured using a binder material for the composite layer 30. As shown with time from left to right, the composite layer 30 is stably formed as compared with the case where no binder material is used (FIG. 1A).
添加する培地と種菌懸濁液の比率については、本培養系は通常のフラスコ培養やジャーファーメンターによる培養とは異なり、配合する種菌量、合成高分子微粒子の量、バインダー材の量は、培地当りの設定とはならず液体培地液面の面積に依存して決定される。なぜなら、本培養系における微生物増殖速度、物質生産速度、物質処理速度は液体培地の液量に依存するのではなく、液面積に全て依存するためである。従って、液面積換算で設定できる植菌量は1cm2当り約5〜約100μl、好ましくは約10〜約50μl、合成高分子微粒子の量は比重により異なり、例えば比重0.06の中空微粒子(MMF−DE−1:松本油脂製薬工業)の波面積1cm2当りの配合量は約2〜約50mg、好ましくは約5〜約20mg、バインダー材の配合量は合成高分子微粒子の配合量に依存するが、液面積1cm2当り概ね約0.5〜約10mg、好ましくは約1〜約5mgの範囲である。 Regarding the ratio of the culture medium to be added and the inoculum suspension, this culture system differs from normal flask culture and jar fermenter culture, and the amount of inoculum to be added, the amount of synthetic polymer fine particles, and the amount of binder material are It is determined not depending on the hit setting but depending on the liquid medium liquid surface area. This is because the microorganism growth rate, substance production rate, and substance treatment rate in the main culture system do not depend on the liquid volume of the liquid medium but all on the liquid area. Accordingly, the amount of inoculation that can be set in terms of the liquid area is about 5 to about 100 μl, preferably about 10 to about 50 μl per 1 cm 2 , and the amount of synthetic polymer fine particles varies depending on the specific gravity. For example, hollow fine particles (MMF with a specific gravity of 0.06) -DE-1: Matsumoto Yushi Pharmaceutical Co., Ltd.) per 2 cm 2 wave area is about 2 to about 50 mg, preferably about 5 to about 20 mg, and the amount of binder material depends on the amount of synthetic polymer fine particles. Is generally in the range of about 0.5 to about 10 mg, preferably about 1 to about 5 mg per cm 2 of liquid area.
なお、図2(A)に示したバイオリアクター10が製造できるのであれば、各物質を加える順序はここで示したものに限られない。たとえば複数の合成高分子微粒子とバインダー材とをあとで混合してもよい。また、公知の滅菌方法を用いて適宜滅菌を行ってもよい。 As long as the bioreactor 10 shown in FIG. 2A can be manufactured, the order of adding each substance is not limited to that shown here. For example, a plurality of synthetic polymer fine particles and a binder material may be mixed later. Moreover, you may sterilize suitably using a well-known sterilization method.
(物質変換)
次に、バイオリアクター10を用いた物質変換について説明する。複合層30の上面にバイオフィルムとして形成された複合層30中の微生物の働きにより、親水性の基質Xは、糸状菌を生体触媒として、目的物である生成物X’に物質変換される。なお、物質変換時、つまり微生物の培養時には、バイオリアクター10は静置してもよいし、低速にて回転されてもよい。
(Substance conversion)
Next, substance conversion using the bioreactor 10 will be described. Due to the action of microorganisms in the composite layer 30 formed as a biofilm on the upper surface of the composite layer 30, the hydrophilic substrate X is converted into a product X ′, which is a target product, using filamentous fungi as a biocatalyst. In addition, at the time of substance conversion, that is, at the time of culturing microorganisms, the bioreactor 10 may be left stationary or rotated at a low speed.
微生物と親水性の基質Xとを適宜組み合わせることにより、様々な生成物X’が得られる。親水性の基質Xとしてたとえば液体培地中の栄養源を用いることにより、抗生物質等の有用二次代謝物、有機酸やアミノ酸等の一次代謝物、さらには、グルコシダーゼやリパーゼ等の有用酵素を効率的に生産し、水層20中に高濃度で蓄積させることができる。 Various products X ′ can be obtained by appropriately combining the microorganism and the hydrophilic substrate X. By using a nutrient source in a liquid medium as the hydrophilic substrate X, for example, useful secondary metabolites such as antibiotics, primary metabolites such as organic acids and amino acids, and useful enzymes such as glucosidase and lipase can be used efficiently. Can be produced and accumulated in the water layer 20 at a high concentration.
本実施の形態の物質変換方法を用いた物質変換の例としては、たとえば栄養源でもあるグルコースを基質として用いて、クエン酸を生成する反応が挙げられる。 As an example of substance conversion using the substance conversion method of the present embodiment, for example, a reaction of generating citric acid using glucose, which is also a nutrient source, as a substrate can be mentioned.
以上、本実施の形態の物質変換方法によれば、菌糸を形成しない微生物を生体触媒とした場合であっても、基質を効率良く物質変換することができる。また、菌糸を形成しない微生物を抽出液面固定化システムに用いた場合であっても、カタボライト抑制とフィードバック阻害という問題を効果的に回避することができる。物質変換に最適な親水/疎水バランスや荷電状態は、使用する微生物、発酵および微生物変換反応の種類によって大きく異なることが想定される。しかし、たとえば合成高分子微粒子とバインダー材の組み合わせや配合量を任意に設定して任意の割合で混合すれば、液体培地の液面に形成される高分子微粒子層の荷電状態を任意に変動させることができる。そのため、本実施の形態の物質変換方法を用いれば、微生物や発酵および微生物変換反応の種類に応じたオーダーメイドな物質変換を容易に行うことができる。 As described above, according to the substance conversion method of the present embodiment, even when a microorganism that does not form mycelia is used as a biocatalyst, the substrate can be efficiently converted into a substance. Moreover, even when a microorganism that does not form mycelia is used in the extraction liquid surface immobilization system, the problems of catabolite suppression and feedback inhibition can be effectively avoided. It is envisaged that the hydrophilic / hydrophobic balance and charge state optimum for substance conversion vary greatly depending on the microorganism used, fermentation, and type of microbial conversion reaction. However, for example, if the combination and blending amount of the synthetic polymer fine particles and the binder material are arbitrarily set and mixed at an arbitrary ratio, the charged state of the polymer fine particle layer formed on the liquid surface of the liquid medium is arbitrarily changed. be able to. For this reason, by using the substance conversion method of the present embodiment, custom-made substance conversion according to the type of microorganism, fermentation, and microorganism conversion reaction can be easily performed.
(第2の実施の形態)
図2(B)は、第2の実施の形態に係る物質変換方法を模式的に示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 2B is a diagram schematically illustrating the substance conversion method according to the second embodiment.
本実施の形態では、第1の実施の形態のバイオリアクター10において、複合層30の上面に有機層40を積層した構造を有する。有機層40は、微生物に対して実質的に毒性を示さない疎水性の有機溶媒を含む。 In the present embodiment, the bioreactor 10 of the first embodiment has a structure in which an organic layer 40 is stacked on the upper surface of the composite layer 30. The organic layer 40 includes a hydrophobic organic solvent that is not substantially toxic to microorganisms.
有機層40と水層20との液/液界面に位置する複合層30中の微生物は、水層20から栄養源と水、有機層40に接した大気から酸素の供給をそれぞれ受けて活発な代謝活動を続け、標的とする生成物X’を高濃度で生産および蓄積することができる。本実施の形態では、親水性の基質Xから疎水性の二次代謝物である生成物X’が有機層40に蓄積される。 Microorganisms in the composite layer 30 located at the liquid / liquid interface between the organic layer 40 and the aqueous layer 20 are actively supplied with nutrients and water from the aqueous layer 20 and oxygen supplied from the atmosphere in contact with the organic layer 40. The metabolic activity can continue and the targeted product X ′ can be produced and accumulated at high concentrations. In the present embodiment, a product X ′, which is a hydrophobic secondary metabolite, is accumulated in the organic layer 40 from the hydrophilic substrate X.
本実施の形態の物質変換方法を用いた物質変換の例としては、たとえば基質としてグルコースを用いてγ−デカラクトンを生成する発酵が挙げられる。 As an example of substance conversion using the substance conversion method of the present embodiment, for example, fermentation in which γ-decalactone is produced using glucose as a substrate can be mentioned.
複合層30上に重層する有機溶媒としては、微生物に対して実質的に毒性を示さず生育を阻害しない溶媒を用いることが好ましい。このような疎水性の有機溶媒としては、3以上、好ましくは4以上のLogP値を有する疎水性の有機溶媒であれば特に制約はない。ただし、ヒトに対する毒性が低いこと、反応基質や標的とする脂溶性産物の溶解性に優れること、適度な沸点を有し、揮発性に乏しいこと、安価であることなどの条件を満たすことが好ましい。有機溶媒として、例えばデカンやドデカンのような中鎖ノルマルパラフィン類、ヘキシルエーテルやイソアミルエーテルのような中鎖脂肪族エーテル類、KF−96L−1CSのような低粘性ジメチルシリコンオイルなどを好適に使用することができる。 As the organic solvent layered on the composite layer 30, it is preferable to use a solvent that is not substantially toxic to microorganisms and does not inhibit growth. Such a hydrophobic organic solvent is not particularly limited as long as it is a hydrophobic organic solvent having a Log P value of 3 or more, preferably 4 or more. However, it is preferable to satisfy the conditions such as low toxicity to humans, excellent solubility of the reaction substrate and target lipophilic product, moderate boiling point, poor volatility, and low cost. . As an organic solvent, for example, medium chain normal paraffins such as decane and dodecane, medium chain aliphatic ethers such as hexyl ether and isoamyl ether, and low viscosity dimethyl silicone oil such as KF-96L-1CS are preferably used. can do.
以上、本実施の形態の物質変換方法によっても、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。加えて、有機層40が疎水性の二次代謝物の抽出溶媒層およびリザーバー層として機能するため、生成物阻害あるいはフィードバック阻害を効果的に回避することができる。 As described above, the same effect as that of the first embodiment can also be obtained by the material conversion method of the present embodiment. In addition, since the organic layer 40 functions as an extraction solvent layer and a reservoir layer for hydrophobic secondary metabolites, product inhibition or feedback inhibition can be effectively avoided.
(第3の実施の形態)
図2(C)は、第3の実施の形態に係る物質変換方法を模式的に示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 2C is a diagram schematically illustrating the substance conversion method according to the third embodiment.
本実施の形態では、水層20ではなく有機層40に疎水性の基質Xを加える点が、第2の実施の形態のバイオリアクター10とは異なる。 This embodiment is different from the bioreactor 10 of the second embodiment in that the hydrophobic substrate X is added to the organic layer 40 instead of the aqueous layer 20.
本実施の形態のバイオリアクター10によると、疎水性の基質Xから疎水性の生成物X’が生成され、有機層40に蓄積される。 According to the bioreactor 10 of the present embodiment, the hydrophobic product X ′ is generated from the hydrophobic substrate X and accumulated in the organic layer 40.
本実施の形態の物質変換方法を用いた物質変換の例としては、たとえば微生物としてPichia kluyveri NBRC 1165、基質としてシトロネロールを用いて酢酸シトロネリルを生成させる反応(実施例2)、微生物としてCandida viswanathii NBRC 10321、基質としてシトロネロールを用いてシトロネル酸を生成させる反応(実施例3)、微生物としてRhodococcus equi NBRC3730、基質として2−オクタノールを用いて2−オクタノンを生成させる反応(実施例4)が挙げられる。 Examples of substance conversion using the substance conversion method of the present embodiment include, for example, Pichia kluyveri NBRC 1165 as a microorganism, citronellol acetate as a substrate (Example 2), and Candida viswanathii NBRC 10321 as a microorganism. Examples include a reaction for producing citronellic acid using citronellol as a substrate (Example 3), a reaction for producing Rhodococcus equi NBRC3730 as a microorganism and 2-octanone using 2-octanol as a substrate (Example 4).
以上、本実施の形態の物質変換方法によっても、第2の実施の形態と同様に、有機層40は反応溶媒として機能するだけでなく、基質Xや生成物X’のリザーバーとして機能する。つまり、疎水性の基質Xは微生物に対して毒性を有することが多いが、有機層40により微生物と接する基質Xの濃度が希釈される。そのため、微生物の生存に影響を与えない基質Xとして、様々な物質を選択することができる。また、有機層40中に添加できる基質Xの濃度および有機層40中に蓄積される生成物X’の濃度は、従来の液体培養法と比較して飛躍的に向上する。本実施の形態の物質変換方法によると、複合層30と有機層40の界面に位置する微生物は生育を阻害されずに活発に代謝活動を行うことができる。そのため、酸化還元反応のような補酵素要求性の反応や誘導酵素反応等も問題なく触媒することができる。本実施の形態の物質変換方法によると、不活性炭素の水酸化反応のような高難易度な微生物変換反応も効率的に進行させることができる。また、本実施の形態の物質変換方法によると、生成物の回収も有機層40からの取り出しのみで済む。そのため、煩雑な溶媒抽出工程を省略することができる。 As described above, according to the substance conversion method of the present embodiment, as in the second embodiment, the organic layer 40 not only functions as a reaction solvent but also functions as a reservoir for the substrate X and the product X ′. That is, the hydrophobic substrate X is often toxic to microorganisms, but the concentration of the substrate X in contact with the microorganisms is diluted by the organic layer 40. Therefore, various substances can be selected as the substrate X that does not affect the survival of microorganisms. Further, the concentration of the substrate X that can be added to the organic layer 40 and the concentration of the product X ′ accumulated in the organic layer 40 are dramatically improved as compared with the conventional liquid culture method. According to the substance conversion method of the present embodiment, microorganisms located at the interface between the composite layer 30 and the organic layer 40 can actively perform metabolic activities without being inhibited from growth. Therefore, a coenzyme-requiring reaction such as an oxidation-reduction reaction or an induced enzyme reaction can be catalyzed without any problem. According to the material conversion method of the present embodiment, a highly difficult microbial conversion reaction such as a hydroxylation reaction of inert carbon can be efficiently advanced. Further, according to the material conversion method of the present embodiment, the product can be recovered only by taking it out from the organic layer 40. Therefore, a complicated solvent extraction step can be omitted.
(第4の実施の形態)
図2(D)は、第4の実施の形態に係る物質変換方法を模式的に示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 2D is a diagram schematically showing the substance conversion method according to the fourth embodiment.
本実施の形態では、第3の実施の形態と同様に、有機層40に疎水性の基質Xを加える。一方、本実施の形態のバイオリアクター10によると、疎水性の基質Xから親水性の生成物X’が水層20に蓄積される点が、第3の実施の形態とは異なる。 In the present embodiment, a hydrophobic substrate X is added to the organic layer 40 as in the third embodiment. On the other hand, the bioreactor 10 of the present embodiment is different from the third embodiment in that the hydrophilic product X ′ is accumulated in the aqueous layer 20 from the hydrophobic substrate X.
本実施の形態の物質変換方法を用いた物質変換の例としては、たとえば基質としてフルオロベンゼンを用いてフルオロカテコールを生成する反応が挙げられる。 As an example of substance conversion using the substance conversion method of the present embodiment, for example, a reaction of generating fluorocatechol using fluorobenzene as a substrate can be mentioned.
以上、本実施の形態の物質変換方法によっても、第3の実施の形態と同様の効果が得られる。 As described above, the same effect as that of the third embodiment can also be obtained by the material conversion method of the present embodiment.
なお、第1〜4の実施の形態では、水層20の液面にあらかじめ中空微粒子/バインダー材層を形成させ、その上に微生物を載せることにより、複合層30を形成してもよい。この形成方法は、特に、多数の微生物を対象とした、微生物あるいは酵素のスクリーニング法として有効である。上述した各実施の形態では、液体培養法と比較して高い物質生産性を有している。また、通気や撹拌操作が不要であり、さらには溶媒抽出工程を省略できる。そのため、この形成方法は、多数の微生物を対象とした大規模スクリーニングに威力を発揮する。 In the first to fourth embodiments, the composite layer 30 may be formed by previously forming a hollow fine particle / binder material layer on the liquid surface of the water layer 20 and placing microorganisms thereon. This formation method is particularly effective as a screening method for microorganisms or enzymes targeting a large number of microorganisms. In each embodiment mentioned above, it has high substance productivity compared with the liquid culture method. Further, no aeration or stirring operation is required, and the solvent extraction step can be omitted. Therefore, this formation method is effective for large-scale screening for a large number of microorganisms.
[用途]
上述した物質変換方法は、例えば、乳酸や酪酸等の有機酸やγ−デカラクトン等の香料原料、あるいはウルソデオキシコール酸やビタミンD3等の医薬品原料の生産などに適用することが想定される。微生物を適宜選択することにより、これらの生産を容易に効率化することができる。
[Usage]
The substance conversion method described above is assumed to be applied to production of organic acids such as lactic acid and butyric acid, fragrance raw materials such as γ-decalactone, or pharmaceutical raw materials such as ursodeoxycholic acid and vitamin D3. By appropriately selecting microorganisms, their production can be easily made efficient.
微生物は様々な酵素の高生産性微生物として有用である。微生物は、たとえばアミラーゼやセルラーゼ等の糖質分解酵素の他、プロテアーゼ、リパーゼ等の高生産に好適である。上述した物質変換方法にこれら微生物を用いることにより、液体培養法はもちろん固体培養法をも凌ぐ生成物の高収率が達成可能となる。 Microorganisms are useful as high productivity microorganisms of various enzymes. Microorganisms are suitable for high production of proteases, lipases and the like, in addition to saccharide-degrading enzymes such as amylase and cellulase. By using these microorganisms in the above-described material conversion method, it is possible to achieve a high yield of a product that surpasses not only the liquid culture method but also the solid culture method.
一方、微生物変換への分野への応用としては、一般的な反応種、例えば、エステルの加水分解、アルコールやアルデヒドの酸化、ケトンやオレフィンの還元等に限定されるものではない。例えば、不活性炭素の水酸化やエポキシ化反応等、様々な反応種に利用することが可能である。 On the other hand, application to the field of microbial conversion is not limited to general reactive species such as hydrolysis of esters, oxidation of alcohols and aldehydes, reduction of ketones and olefins, and the like. For example, it can be used for various reactive species such as hydroxylation of inert carbon and epoxidation reaction.
以下、本発明を実施例によってさらに詳しく説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.
以下、実施例1−1〜1−5と比較例1−1〜1−4では、バインダー材のスクリーニングを行った。また、実施例2〜4では、基質としてそれぞれシトロネロール、シトロネロール、2−オクタノールを用いて、微生物を生体触媒として物質変換を行った実験結果を示す。また、比較例2〜4として、基質としてそれぞれ実施例1〜4と同じ物質を用いてエマルジョン培養系および水−有機溶媒二相系にて物質変換を行った実験結果を示す。実施例2と重複する操作は記載を適宜省略する。 Hereinafter, in Examples 1-1 to 1-5 and Comparative Examples 1-1 to 1-4, screening of the binder material was performed. Moreover, in Examples 2-4, the experimental result which performed substance conversion using microorganisms as a biocatalyst is shown, respectively using citronellol, citronellol, and 2-octanol as a substrate. Moreover, as Comparative Examples 2 to 4, experimental results obtained by performing substance conversion in the emulsion culture system and the water-organic solvent two-phase system using the same substances as in Examples 1 to 4 as substrates are shown. Description of operations that are the same as those in Embodiment 2 is omitted as appropriate.
(実施例1−1〜1−5と比較例1−1〜1−4)
水中においても長期にわたって溶解しない反面、表面が水和されて粘着性を発現する微粒子(バインダー材)を広範にスクリーニングした。
(Examples 1-1 to 1-5 and Comparative Examples 1-1 to 1-4)
On the other hand, fine particles (binder material) whose surface is hydrated and develops stickiness are not extensively dissolved in water but are extensively screened.
内径30mm、容積50mlのガラス製バイアルに、合成高分子微粒子としてポリアクリロニトリル製中空微粒子(HB−2051、積水化学工業)300mg、供試バインダー材(0、5、10、15、20、25、30mgの7水準)及び0.005%ローズベンガル水溶液15mlを120rpmで60分間回転振盪させて混和し、l夜放置して中空微粒子とバインダー材を含む複合層を液面に形成させた。供試バインダー材として、サンローズSLD−F1(日本製紙)(実施例1−1)、サンローズSLD−FM(日本製紙)(実施例1−2)、エスレックBL−S’DA−C51(積水化学工業)(実施例1−3)エスレックBL−1BC−H47(積水化学工業)(実施例1−4)、エスレックBL−1HCJ−740(積水化学工業)(実施例1−5)、寒天(比較例1−1)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(比較例1−2)、アルギン酸ナトリウム(比較例1−3)、ポリビニルアルコール(比較例1−4)の9種を用いた(いずれも100μmメッシュパス)。ローズベンガル水溶液の液面に形成された複合層の上にデカンを2ml重層して60rpmで24時間回転振盪させ、複合層の状態を目視で観察した。 In a glass vial having an inner diameter of 30 mm and a volume of 50 ml, 300 mg of polyacrylonitrile hollow microparticles (HB-2051, Sekisui Chemical Co., Ltd.) as synthetic polymer microparticles and binder materials for test (0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 mg) 7) and 0.005% Rose Bengal aqueous solution (15 ml) were mixed by rotating and shaking at 120 rpm for 60 minutes, and allowed to stand overnight to form a composite layer containing hollow fine particles and a binder material on the liquid surface. As a test binder material, Sunrose SLD-F1 (Nippon Paper Industries) (Example 1-1), Sunrose SLD-FM (Nippon Paper Industries) (Example 1-2), ESREC BL-S'DA-C51 (Sekisui) Chemical Industry) (Example 1-3) ESREC BL-1BC-H47 (Sekisui Chemical) (Example 1-4), ESREC BL-1HCJ-740 (Sekisui Chemical) (Example 1-5), agar ( Nine types of Comparative Example 1-1), sodium carboxymethylcellulose (Comparative Example 1-2), sodium alginate (Comparative Example 1-3), and polyvinyl alcohol (Comparative Example 1-4) were used (all 100 μm mesh pass). . 2 ml of decane was layered on the composite layer formed on the liquid surface of the rose bengal aqueous solution, and the mixture was shaken and rotated at 60 rpm for 24 hours, and the state of the composite layer was visually observed.
実施例1−1〜1−5の配合系では、5mg以上の配合量であれば中空微粒子とバインダー材を含む複合層は崩壊しなかった。したがって、これらのバインダー材は、菌糸を形成しない微生物を水中で保持するためにも使用できることが示された。一方、比較例のバインザー材(比較例1−1〜1−4)の配合系では、30mgの配合量であっても複合層は崩壊した。 In the blending systems of Examples 1-1 to 1-5, the composite layer containing the hollow fine particles and the binder material did not collapse if the blending amount was 5 mg or more. Therefore, it was shown that these binder materials can also be used to retain microorganisms that do not form mycelia in water. On the other hand, in the compounding system of the visor material of Comparative Example (Comparative Examples 1-1 to 1-4), the composite layer collapsed even when the compounding amount was 30 mg.
(実施例2)
内径30mm、容積50mlのガラス製バイアルに合成高分子微粒子としてポリアクリロニトリル製中空微粒子(HB−2051、積水化学工業)を300mg、バインダー材としてサンローズSLD−F1あるいはSLD−FM(日本製紙)を20mg、微生物としてPichia kluyveri NBRC 1165の1日培養液を200μl配合し、1日間静置培養して中空微粒子/バインダー材/微生物菌体を含む複合層を形成させた。その後、この複合層上に基質および有機層とし10% シトロネロール/デカン溶液を3ml重層し、30℃、10日間、60rpmの回転振盪条件下で反応させた。
(Example 2)
In a glass vial with an inner diameter of 30 mm and a volume of 50 ml, 300 mg of polyacrylonitrile hollow microparticles (HB-2051, Sekisui Chemical Co., Ltd.) as synthetic polymer microparticles and 20 mg of Sunrose SLD-F1 or SLD-FM (Nippon Paper Industries) as binder materials Then, 200 μl of a daily culture solution of Pichia kluyveri NBRC 1165 as a microorganism was blended, and allowed to stand for 1 day to form a composite layer containing hollow microparticles / binder material / microbial cells. Thereafter, 3 ml of a 10% citronellol / decane solution as a substrate and an organic layer was layered on this composite layer, and reacted at 30 ° C. for 10 days under a rotary shaking condition of 60 rpm.
10日間培養で生成した有機層中の目的物質である酢酸シトロネリルの濃度をガスクロマトグラフィーで定量した結果、5.8g/Lの蓄積濃度が確認された。 As a result of quantifying the concentration of citronellyl acetate as the target substance in the organic layer produced by culturing for 10 days by gas chromatography, an accumulated concentration of 5.8 g / L was confirmed.
(比較例2)
比較対象として、P.kluyveri NBRC 1165の1日培養液に直接シトロネロールを10%レベルで添加するエマルジョン培養系(比較例2−1)と、10%シトロネロール/デカン溶液を三角フラスコ中の同株の1日培養液に添加して振盪培養する水−有機溶媒二相系(比較例2−2)を採用した。
(Comparative Example 2)
As a comparison object, P.I. An emulsion culture system (Comparative Example 2-1) in which citronellol is directly added to the daily culture of kluyveri NBRC 1165 at a 10% level, and a 10% citronellol / decane solution are added to the daily culture of the same strain in an Erlenmeyer flask. Then, a water-organic solvent two-phase system (Comparative Example 2-2) for shaking culture was employed.
その結果、エマルジョン培養系ではシ卜ロネロールの強毒性が発現し、酢酸シトロネリルの生成は全く認められなかった。水−有機溶媒二相系においてもシトロネロールの強毒性を十分には回避できず、生成した酢酸シトロネリルのデカン層中における蓄積濃度はわずか0.1g/Lであった。 As a result, citronellol strong toxicity was expressed in the emulsion culture system, and citronellyl acetate was not produced at all. Even in the water-organic solvent two-phase system, the strong toxicity of citronellol could not be sufficiently avoided, and the accumulated concentration of citronellyl acetate produced in the decane layer was only 0.1 g / L.
(実施例3)
内径30mm、容積50mlのガラス製バイアルに合成高分子微粒子としてポリアクリロニトリル製中空微粒子(MFL−80GTA、松本油脂製薬工業)を200mg、バインダー材としてエスレックBL−1BC−H47(積水化学工業)を10mg、微生物としてCandida viswanathii NBRC 10321の1日培養液を100μl配合し、1日間静置培養して中空微粒子/バインダー材/微生物菌体を含む複合層を形成させた。その後、この複合層上に基質/有機層として10%シトロネロール/デカン溶液を3ml重層し、30℃、14日間、60rpmの回転振盪条件下で反応させた。
(Example 3)
200 mg of polyacrylonitrile hollow microparticles (MFL-80GTA, Matsumoto Yushi Seiyaku Kogyo Co., Ltd.) as synthetic polymer microparticles in a glass vial with an inner diameter of 30 mm and a volume of 50 ml, and 10 mg of ESREC BL-1BC-H47 (Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder material, 100 μl of a daily culture solution of Candida viswanathii NBRC 10321 as a microorganism was blended and allowed to stand for 1 day to form a composite layer containing hollow microparticles / binder material / microbial cells. Thereafter, 3 ml of a 10% citronellol / decane solution as a substrate / organic layer was layered on this composite layer, and the mixture was reacted at 30 ° C. for 14 days under a rotary shaking condition of 60 rpm.
14日間培養で生成した有機層中の目的物質であるシトロネル酸の濃度をガスクロマトグラフィーで定量した結果、38.7g/Lの蓄積濃度が確認された。
(比較例3)
比較対象として、C. viswanathii NBRC 110321の1日培養液に直接シトロネロールを10%レベルで添加するエマルジョン培養系(比較例3−1)と10%シトロネロール/デカン溶液を三角フラスコ中の同株の1日培養液に添加して振盪培養する水−有機溶媒二相系(比較例3−2)を採用した。
As a result of quantifying the concentration of citronellic acid as the target substance in the organic layer produced by culturing for 14 days by gas chromatography, an accumulated concentration of 38.7 g / L was confirmed.
(Comparative Example 3)
As a comparison object, C.I. An emulsion culture system (Comparative Example 3-1) in which citronellol is directly added to the daily culture of Viswanathii NBRC 110321 at a 10% level and a 10% citronellol / decane solution are added to the daily culture of the same strain in an Erlenmeyer flask. A water-organic solvent two-phase system (Comparative Example 3-2) for shaking culture was employed.
その結果、エマルジョン培養系ではシトロネロールの強毒性が発現し、シトロネル酸の生成は全く認められなかった。水−有機溶媒二相系においてもシトロネロールの強毒性を十分には回避できず、生成したシ卜ロネル酸のデカン層中における蓄積濃度はわずか0.3g/Lであった。 As a result, strong toxicity of citronellol was expressed in the emulsion culture system, and no generation of citronellic acid was observed. Even in the water-organic solvent two-phase system, the strong toxicity of citronellol could not be sufficiently avoided, and the accumulated concentration of the generated silonic acid in the decane layer was only 0.3 g / L.
(実施例4)
内径30mm、容積50mlのガラス製バイアルに合成高分子微粒子としてポリアクリロニトリル製中空微粒子(MFL−80GCA、松本油脂製薬工業)を200mg、バインダー材としてエスレックBL−1HCJ−740(積水化学工業)を20mg、微生物としてRhodococcus equi NBRC3730の1日培養液を100μl配合し、1日間静置培養して中空微粒子/バインダー材/微生物菌体を含む複合層を形成させた。その後、この複合層上に基質/有機層として5%の2−オクタノール/KF−96L−1CS(ジメチルシリコンオイル、信越化学工業)溶液を3ml重層し、30℃、10日間、60rpmの回転振盪条件下で反応させた。
Example 4
200 mg of polyacrylonitrile hollow microparticles (MFL-80GCA, Matsumoto Yushi Seiyaku Kogyo Co., Ltd.) as synthetic polymer microparticles in a glass vial having an inner diameter of 30 mm and a volume of 50 ml, and 20 mg of ESREC BL-1HCJ-740 (Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder material, 100 μl of a daily culture solution of Rhodococcus equi NBRC3730 as a microorganism was blended and left to stand for 1 day to form a composite layer containing hollow microparticles / binder material / microbial cells. Thereafter, 3 ml of a 5% 2-octanol / KF-96L-1CS (dimethylsilicone oil, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) solution as a substrate / organic layer was layered on this composite layer, and the conditions of rotational shaking at 60 ° C. for 10 days at 30 ° C. Reacted below.
10日間培養で生成した有機層中の目的物質2−オクタノンの濃度をガスクロマトグラフィーで定量した結果、33.7g/Lの蓄積濃度が確認された。図3には、実施例4および比較例4−1,4−2における目的物質2−オクタノンの生成濃度を示す。 As a result of quantifying the concentration of the target substance 2-octanone in the organic layer produced by culturing for 10 days by gas chromatography, an accumulation concentration of 33.7 g / L was confirmed. FIG. 3 shows the production concentration of the target substance 2-octanone in Example 4 and Comparative Examples 4-1 and 4-2.
(比較例4)
比較対象として、Rhodococcus equi NBRC3730の1日培養液に直接2−オクタノールを5%レベルで添加するエマルジョン培養系(比較例4−1)と、5%の2−オクタノール/KF−96L−1CS溶液を三角フラスコ中の同株の1日培養液に添加して振盪培養する水−有機溶媒二相系(比較例4−2)を採用した。
(Comparative Example 4)
For comparison, an emulsion culture system (Comparative Example 4-1) in which 2-octanol was directly added to the daily culture of Rhodococcus equi NBRC3730 at a 5% level and a 5% 2-octanol / KF-96L-1CS solution were added. A water-organic solvent two-phase system (Comparative Example 4-2) that was added to the daily culture of the same strain in an Erlenmeyer flask and shake-cultured was used.
その結果、エマルジョン培養系では2−オクタノールの強毒性が発現し、2−オクタノンの生成は全く認められなかった(図3)。水−有機溶媒二相系においても2−オクタノールの強毒性を十分には回避できず、生成した2−オクタノンの有機層中における蓄積濃度はわずか0.9g/Lであった(図3)。 As a result, 2-octanol was highly toxic in the emulsion culture system, and 2-octanone was not produced at all (FIG. 3). Even in the water-organic solvent two-phase system, the strong toxicity of 2-octanol could not be sufficiently avoided, and the accumulated concentration of the produced 2-octanone in the organic layer was only 0.9 g / L (FIG. 3).
本実施例おける合成高分子微粒子とバインダー材とを適度な配合比にて使用すれば、長期にわたって複合層を安定化させることができること、また本実施例の物質変換方法を使用すれば、従来の液体培地法や水−有機溶媒二相系反応法をはるかに凌駕する物質生産が可能となることが確認された。 If the synthetic polymer fine particles and the binder material in this example are used in an appropriate blending ratio, the composite layer can be stabilized over a long period of time, and if the material conversion method of this example is used, It was confirmed that it was possible to produce substances that far exceeded the liquid medium method and the water-organic solvent two-phase reaction method.
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 As described above, the present invention has been described with reference to the above-described embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention can be appropriately combined or replaced with the configuration of the embodiment. It is included in the present invention. In addition, it is possible to appropriately change the combinations and the order of steps in the embodiments based on the knowledge of those skilled in the art and to add various modifications such as various design changes to the embodiments. The described embodiments can also be included in the scope of the present invention.
Claims (11)
前記複合層中の微生物を生体触媒として、前記親水性の基質を反応させるステップと、を含み、
前記バインダー材は、エーテル化度が20〜30mol%のカルボキシル化されたセルロース、またはエーテル化度が60〜70mol%のブチラール基とヒドロキシ基とアセチル基を有するポリビニルアルコール誘導体であることを特徴とする物質変換方法。 An aqueous solution containing a hydrophilic substrate, a plurality of synthetic polymer particles having a specific gravity smaller than that of the aqueous solution, a binder material for collecting the plurality of synthetic polymer particles in the aqueous solution, and a microorganism are added to the culture tank. And forming a composite layer containing the microorganism, the plurality of synthetic polymer fine particles that hold the microorganism from below by buoyancy, and the binder material on the liquid surface of the aqueous layer formed by the aqueous solution;
The microorganisms of the composite layer as biocatalysts, look including the steps of: reacting the hydrophilic substrate,
The binder material is a carboxylated cellulose having an etherification degree of 20 to 30 mol%, or a polyvinyl alcohol derivative having a butyral group, a hydroxy group, and an acetyl group having an etherification degree of 60 to 70 mol%. Substance conversion method.
疎水性の基質および疎水性の有機溶媒を含む有機層を、前記複合層の上面に重層するステップと、
前記複合層中の微生物を生体触媒として、前記疎水性の基質を反応させるステップと、を含み、
前記バインダー材は、エーテル化度が20〜30mol%のカルボキシル化されたセルロース、またはエーテル化度が60〜70mol%のブチラール基とヒドロキシ基とアセチル基を有するポリビニルアルコール誘導体であることを特徴とする物質変換方法。 The culture tank were added a liquid medium, wherein a small plurality of synthetic polymer microparticles having a specific gravity than the liquid medium, the binder material to combine the plurality of synthetic polymer particles in the liquid medium, and the microorganism, the said Forming a composite layer containing the microorganism, the plurality of synthetic polymer fine particles that retain the microorganism by buoyancy from below, and the binder material on the liquid surface of the aqueous layer formed by the liquid medium ;
Overlaying an organic layer comprising a hydrophobic substrate and a hydrophobic organic solvent on top of the composite layer;
The microorganisms of the composite layer as biocatalysts, look including the steps of: reacting the hydrophobic substrate,
The binder material is a carboxylated cellulose having an etherification degree of 20 to 30 mol%, or a polyvinyl alcohol derivative having a butyral group, a hydroxy group, and an acetyl group having an etherification degree of 60 to 70 mol%. Substance conversion method.
前記培養槽に収容された水溶液と、
微生物を含み前記水溶液の液面に形成された複合層と、を備え、
前記複合層は、前記水溶液よりも比重が小さく前記微生物を下側から浮力により保持する複数の合成高分子微粒子と、前記水溶液中で前記複数の合成高分子微粒子をまとめるバインダー材と、を含み、
前記バインダー材は、エーテル化度が20〜30mol%のカルボキシル化されたセルロース、またはエーテル化度が60〜70mol%のブチラール基とヒドロキシ基とアセチル基を有するポリビニルアルコール誘導体であることを特徴とするバイオリアクター。 A culture tank;
An aqueous solution contained in the culture vessel;
A composite layer containing microorganisms and formed on the liquid surface of the aqueous solution,
The composite layer is seen containing a plurality of synthetic polymer fine particles held by the buoyancy of the microorganism specific gravity smaller than the aqueous solution from the lower side, and a binder material to combine the plurality of synthetic polymer particles in the aqueous solution ,
The binder material is a carboxylated cellulose having an etherification degree of 20 to 30 mol%, or a polyvinyl alcohol derivative having a butyral group, a hydroxy group, and an acetyl group having an etherification degree of 60 to 70 mol%. Bioreactor.
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