固定化触媒膜の製造方法、固定化触媒膜および膜透過反応方法
【課題】本発明の課題は、均質な固定化酵素膜を製造することができる固定化触媒膜の製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明に係る固定化触媒膜１００の製造方法は、準備工程および生成工程を備える。準備工程では、第１溶液が準備される。この第１溶液では、少なくとも触媒２００、ポリカチオン化合物３１０、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤が溶媒に溶解されている。膜形成工程では、第１溶液が膜上に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過させられて、その膜上に、固定化触媒膜が形成される。固定化触媒膜では、ポリカチオン化合物およびポリイオン化合物からなるポリイオンコンプレックス中に触媒が固定化されている。
【解決手段】本発明に係る固定化触媒膜１００の製造方法は、準備工程および生成工程を備える。準備工程では、第１溶液が準備される。この第１溶液では、少なくとも触媒２００、ポリカチオン化合物３１０、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤が溶媒に溶解されている。膜形成工程では、第１溶液が膜上に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過させられて、その膜上に、固定化触媒膜が形成される。固定化触媒膜では、ポリカチオン化合物およびポリイオン化合物からなるポリイオンコンプレックス中に触媒が固定化されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定化触媒膜、この固定化触媒膜の製造方法、この固定化触媒膜を用いた膜透過反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品、医療および分析などの分野において、高価で貴重な酵素が触媒として用いられることがある。この酵素を繰り返し用いるために、共有結合法、イオン結合法、物理吸着法、架橋法、包括法などにより酵素を担体に固定化することが行われている。なお、この担体に固定化された酵素を固定化酵素という。
【０００３】
例えば、特許文献１には、イオン結合法と包括法とを組み合わせた複合法で酵素を担体に固定化させる酵素固定化方法が開示されている。この酵素固定化方法では、ポリカチオン化合物が溶解した水溶液と、ポリアニオン化合物が溶解した水溶液とが混合されてポリイオンコンプレックスが沈殿し、このポリイオンコンプレックス中に酵素が固定化される。この酵素固定化方法は、酵素の固定化が水溶液系で行われるため、酵素活性の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２７９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の酵素固定化方法では、均質な固定化酵素膜を製造することは極めて難しい。
【０００６】
本発明の課題は、均質な固定化酵素膜を製造することができる固定化触媒膜の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）
本発明に係る固定化触媒膜の製造方法は、第１準備工程および膜形成工程を備える。第１準備工程では、第１溶液が準備される。この第１溶液では、少なくとも触媒、ポリカチオン化合物、ポリアニオン化合物およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤が溶媒に溶解されている。膜形成工程では、第１溶液が膜に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過されて、膜上に固定化触媒膜が形成される。なお、この固定化触媒膜では、ポリカチオン化合物およびポリイオン化合物からなるポリイオンコンプレックス中に触媒が固定化されている。なお、膜透過方法としては、一次側（第１溶液供給側）を不活性ガス等のガスにより加圧するガス加圧方法が採用されるのが好ましい。また、溶媒は、緩衝液であってもかまわない。
【０００８】
この固定化触媒膜の製造方法では、第１溶液が膜に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過されて、膜上に固定化触媒膜が形成される。このため、この固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、膜上に、均質な固定化酵素膜を製造することができる。
【０００９】
（２）
上述（１）の固定化触媒膜の製造方法において、第１準備工程では、異種の触媒を含む複数の第１溶液が準備されるのが好ましい。そして、膜形成工程では、ｎ番目の固定化触媒層の形成後に、第１溶液がｎ番目の固定化触媒層上に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過されて、ｎ番目の固定化触媒層上に（ｎ＋１）番目の固定化触媒層が形成され、多層構造の固定化触媒膜が形成される。なお、ここで、ｎは１以上の整数である。また、ここで、ｎ番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、（ｎ＋１）番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒によって分解することができるように、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができるように、ｎおよび（ｎ＋１）番目の固定化触媒層にそれぞれ異種の触媒を配置させるのが好ましい。なお、（ｎ＋１）番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、ｎ番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒によって分解することができるように、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができるように、ｎおよび（ｎ＋１）番目の固定化触媒層にそれぞれ異種の触媒を配置させてもかまわない（このとき、固定化触媒膜は逆さまに配置される）。
【００１０】
このため、この固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、多層構造を有する均質な固定化触媒膜を得ることができるようになると共に、例えば、ｎ番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、（ｎ＋１）番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒によって分解させること、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができる。
【００１１】
（３）
本発明に係る固定化触媒膜では、ポリイオンコンプレックス中に触媒が遍在するように触媒がポリイオンコンプレックスに固定化される。なお、この固定化触媒膜が多層構造を有する場合、少なくとも２つの層のポリイオンコンプレックス中に触媒が遍在するように触媒が各ポリイオンコンプレックスに固定化される。
【００１２】
このため、この固定化触媒膜中に基質を供給すると、基質の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促される。また、このような固定化触媒膜では、最終生成物を連続的に固定化触媒膜外に排出することができ、生成物と触媒とを容易に分離させることができる。したがって、このような固定化触媒膜では、最終生成物を連続的に効率よく製造することができる。
【００１３】
（４）
上述（３）の固定化触媒膜は多層構造を有するのが好ましい。そして、この固定化触媒膜では、少なくとも２つの層のポリイオンコンプレックス中に異種の触媒がそれぞれ固定化される。なお、ここでは、溶媒流れ方向上流側の層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、溶媒流れ方向下流側の層に存在する固定化触媒によって分解することができるように、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができるように、異種の触媒を配置させるのが好ましい。
【００１４】
このため、この固定化触媒膜では、異なる複数の分解反応または合成反応を連続的に実行することができる。したがって、この固定化触媒膜では、効率よく最終生成物を得ることができる。
【００１５】
（５）
本発明に係る膜透過反応方法は、第２準備工程および第１膜透過反応工程を備える。第２準備工程では、第２溶液が準備される。この第２溶液には、少なくとも１種類の基質が含まれる。第１膜透過反応工程では、上述（３）の固定化触媒膜中に第２溶液が供給されて化合物（基質を含む）の分解および化合物の合成の少なくとも一方が行われながら、最終生成物が固定化触媒膜外に排出される。
【００１６】
このため、この膜透過反応方法では、化合物（基質を含む）の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促される。また、この膜透過反応方法では、最終生成物を連続的に固定化触媒膜外に排出することができ、生成物と触媒とを容易に分離させることができる。したがって、この膜透過反応方法を利用すれば、最終生成物を連続的に効率よく得ることができる。
【００１７】
（６）
本発明に係る膜透過反応方法は、第３準備工程および第２膜透過反応工程を備える。第３準備工程では、第３溶液が準備される。この第３溶液には、少なくとも１種類の基質が含まれる。第１膜透過反応工程では、上述（４）の固定化触媒膜中に第３溶液が供給されて各層において化合物（基質を含む）の分解または化合物の合成が行われながら、最終生成物が固定化触媒膜外に排出される。
【００１８】
このため、この膜透過反応方法では、異なる複数の分解反応または合成反応を連続的に実行することができる。したがって、この膜透過反応方法を利用すれば、効率よく最終生成物を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、均質な固定化酵素膜を製造することができる。
また、本発明に係る固定化触媒膜の製造方法により得られる固定化酵素膜を利用すれば、化合物の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促されると共に、最終生成物を連続的に固定化触媒膜外に排出することができ、生成物と触媒とを容易に分離させることができる。したがって、このような固定化触媒膜では、最終生成物を連続的に効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固定化触媒膜の断面図である。
【図２】混合溶液を限外ろ過している状態を示した断面図である。
【図３】混合溶液を限外ろ過し終わった状態を示した断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る固定化触媒膜の断面図である。
【図５】混合溶液を第１の層に押し付けている状態を示した断面図である。
【図６】混合溶液を第１の層に押し付け終わった状態を示した断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態の変形例に係る固定化触媒膜の断面図である。
【図８】混合溶液を第２の層に押し付けている状態を示した断面図である。
【図９】混合溶液を第２の層に押し付け終わった状態を示した断面図である。
【図１０】実施例１に係る固定化触媒膜中に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図１１】実施例１に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１２】参考例１に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１３】実施例２に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図１４】実施例２に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１５】参考例２に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１６】実施例３に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図１７】実施例３に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１８】参考例３に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１９】実施例４に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図２０】実施例４に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図２１】実施例５に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図２２】実施例５に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図２３】実施例６に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図２４】実施例６に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
−第１実施形態−
本発明の第１実施形態に係る固定化触媒膜１００は、図１に示されるように、主に、触媒２００およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。この固定化触媒膜１００では、ポリイオンコンプレックス３００中に触媒２００が遍在するよう触媒２００がポリイオンコンプレックス３００に固定化されている。なお、このポリイオンコンプレックス３００は、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とのイオン結合によって形成されている。
【００２２】
触媒２００としては、例えば、酵素、酵母などの生体触媒が用いられる。
酵素としては、例えば、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、リアーゼ、異性化酵素、リガーゼ等が挙げられる。より具体的には、アミラーゼ、セルラーゼ、マルターゼ、カテコールオキシダーゼ（チロシナーゼ）、トリプトファナーゼ、フマラーゼ、ウレアーゼ等が酵素として挙げられる。酵母としては、例えば、パン酵母、ワイン酵母、ビール酵母などが挙げられる。
【００２３】
ポリカチオン化合物３１０としては、例えば、キトサン塩、四級化キトサン塩（アミノ基が第四級アンモニウムイオン化されたキトサンの塩）、ポリビニルピリジン塩、四級化ポリビニルピリジン塩（アミノ基が第四級アンモニウムイオン化されたポリビニルピリジンの塩）、ポリ−Ｌ−リシン塩、ポリアリルアミン塩、ポリビニルイミダゾール塩、ポリエチレンイミン塩、ポリビニルピロリドン塩などが用いられる。また、ポリアニオン化合物３２０としては、例えば、カルボキシメチルセルロース塩、ポリアクリル酸塩、ポリメタクリル酸塩、ポリフルオロスルホン酸塩、ポリアルギン酸塩、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリエチレンスルホン酸塩などが用いられる。
【００２４】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
ポリカチオン化合物３１０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第１の水溶液と、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第２の水溶液とを準備する。ポリイオンコンプレックス形成阻害剤としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のハロゲン化物が用いられる。具体的には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等がポリイオンコンプレックス形成阻害剤として挙げられる。第１の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第２の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類の塩であることが好ましいが、異なる種類の塩であってもよい。
【００２５】
なお、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤として塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウムが用いられる場合、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の濃度は、水溶液全体に対して９．５重量％以上であることが好ましい（なお、かかる場合、水溶液には、１重量％程度のポリカチオン化合物またはポリアニオン化合物が添加されている）。また、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤としてヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウムが用いられる場合、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の濃度は、水溶液全体に対して２０重量％以上であることが好ましい（なお、かかる場合、水溶液には、１重量％程度のポリカチオン化合物またはポリアニオン化合物が添加されている）。なお、上記ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の濃度は、あくまでも目安に過ぎない。ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の適切な濃度は、当業者であれば、簡単な実験を行うことにより容易に求めることができる。
【００２６】
第１の水溶液と第２の水溶液とを混合した後、その水溶液に触媒２００を添加して、混合溶液４００を調製する。なお、このとき、混合溶液４００では、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤により、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とからポリイオンコンプレックスが形成されることがない。つまり、この混合溶液４００には、ポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０が溶解している。なお、この混合溶液４００において、ポリカチオン化合物３１０の添加量は、ポリアニオン化合物３２０の添加量と同じ量であってもよいし、異なる量であってもよい。なお、この添加量比はポリイオンコンプレックスの網目構造に大きく影響する。
【００２７】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置５００に混合溶液４００を投入する。なお、限外ろ過膜６００は、混合溶液４００中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水を選択的に透過させる多孔質膜である。また、図２には、平板状の限外ろ過膜６００が図示されているが、限外ろ過膜として、管状の限外ろ過膜や中空糸繊維状の限外ろ過膜などが採用されてもよい。なお、かかる場合、それぞれの形状の限外ろ過膜に適した限外ろ過装置が用意される必要がある。そして、限外ろ過装置５００では、混合溶液４００の上部空間に不活性ガスが供給されると、混合溶液４００が限外ろ過膜６００に向かって押し付けられ、混合溶液４００が限外ろ過される。このとき、混合溶液４００からろ液４１０が分離する。なお、このろ液４１０には、主にポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が含まれる。
【００２８】
限外ろ過が終了すると、図３に示されるように、ろ過膜６００上に固定化触媒膜１００が形成される。固定化触媒膜１００では、均質なポリイオンコンプレックス３００に触媒２００が包括されている。その後、限外ろ過装置５００に緩衝液が投入される。そして、緩衝液の上部空間に不活性ガスが供給されると、緩衝液が固定化触媒膜１００に向かって押し付けられ、緩衝液が固定化触媒膜１００を透過する。この処理により、固定化触媒膜１００からポリイオンコンプレックス形成阻害剤が洗い出される。このようにして固定化触媒膜１００が得られる。なお、緩衝液としては、例えば、酢酸系やリン酸系の緩衝液が用いられる。
【００２９】
なお、ここでは、固定化触媒膜１００を形成するために限外ろ過膜が用いられたが、膜は、混合溶液４００中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒を選択的に透過させる膜であればよく、限外ろ過膜に代えて高分子緻密膜が用いられてもかまわない。
【００３０】
＜固定化触媒膜の使用方法＞
限外ろ過装置５００に固定化触媒膜１００をセットし、基質を含む基質溶液をその限外ろ過装置５００に投入する。次いで、基質溶液の上部空間に不活性ガスを供給して基質溶液を固定化触媒膜１００に押し付けると、基質溶液が固定化触媒膜１００中に浸透する。そして、基質溶液が固定化触媒膜１００に浸透すると、基質溶液中の基質は固定化触媒膜１００中の触媒２００と接触する。この結果、触媒２００により、「基質の分解反応」や、「基質を原料とする合成反応」が促される。そして、触媒２００により生成された生成物は、溶媒（緩衝液）の流れにのって固定化触媒膜１００を透過し、固定化触媒膜１００の系外に排出される。
【００３１】
基質を分解する反応としては、例えば、澱粉（基質）をアミラーゼ（触媒）によってマルトースに分解する反応、マルトース（基質）をマルターゼ（触媒）によってグルコースに分解する反応、グルコース（基質）をチマーゼ（触媒）によってエタノールに分解する反応、スクロース（基質）をインベルターゼ（触媒）によってグルコースに分解する反応、尿素（基質）をウレアーゼ（触媒）によって二酸化炭素とアンモニアに分解する反応が挙げられる。
【００３２】
化合物を合成する反応としては、例えば、フェノール、ピルビン酸およびアンモニア（基質）をβ−チロシナーゼ（触媒）によってＬ−チロシンに合成する反応、インドール、ピルビン酸およびアンモニア（基質）をトリプトファナーゼ（触媒）によってＬ−トリプトファンに合成する反応、フマル酸および水（基質）をフマラーゼ（触媒）によってＬ−リンゴ酸に合成する反応が挙げられる。
【００３３】
＜本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法および固定化触媒膜の効果＞
（１）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、混合溶液４００が限外ろ過膜６００に供給され、混合溶液４００中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が選択的に膜透過されて、限外ろ過膜６００上に固定化触媒膜１００が形成される。このため、この固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、限外ろ過膜６００上に、均質な固定化酵素膜１００を製造することができる。
【００３４】
（２）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、混合溶液４００の溶媒として水が用いられる。このため、生体触媒である酵素や酵母の活性が低下することを抑制することができる。
【００３５】
（３）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、ポリイオンコンプレックス３００中に触媒２００が遍在する固定化触媒膜１００を得ることができる。このため、この固定化触媒膜１００中に基質を供給すると、基質の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促される。また、このような固定化触媒膜１００では、最終生成物を連続的に固定化触媒膜１００外に排出することができ、生成物と触媒２００とを容易に分離させることができる。したがって、このような固定化触媒膜１００では、最終生成物を連続的に効率よく製造することができる。
【００３６】
−第２実施形態−
本発明の第２実施形態に係る触媒膜１０１について説明する。なお、第１実施形態に係る固定化触媒膜１００は１層構造物であったが、第２実施形態に係る固定化触媒膜１０１は、多層構造を有する。なお、第２実施形態では、上記の第１実施形態と同じ構成については、第１実施形態と同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００３７】
第２実施形態に係る固定化触媒膜１０１は、図４に示されるように、第１の層１１０および第２の層１２０を備える。第１の層１１０は、主に、触媒２００およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。また、第２の層１２０は、主に、触媒２１０およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。なお、本実施形態において、触媒２１０は、触媒２００と異なる種類の触媒であるのが好ましい。ただし、触媒２１０は、反応時間を長くする等の目的で、触媒２００と同じ種類の触媒とされてもかまわない。なお、第２の層１２０中のポリイオンコンプレックス３００は、第１の層１１０のポリイオンコンプレックス３００と同じポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０から形成されてもよいし、第１の層１１０のポリイオンコンプレックス３００と異なるポリカチオン化合物およびポリアニオン化合物から形成されてもよい。
【００３８】
＜触媒膜の製造方法＞
先ず、第１の層１１０を、上記の第１実施形態の触媒膜１００と同様の方法で得る（図２、３参照）。なお、この段階で、緩衝液によって第１の層１１０からポリイオンコンプレックス形成阻害剤を洗い出してもよいし、洗い出さなくてもよい。
【００３９】
次に、第２の層１２０を得るために、ポリカチオン化合物３１０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第１の水溶液と、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第２の水溶液とを準備する。第１の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第２の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類の塩であることが好ましいが、異なる種類の塩であってもよい。また、第２の層１２０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第１の層１１０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類であってもよいし、第１の層１１０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と異なる種類であってもよい。
【００４０】
第１の水溶液と第２の水溶液とを混合した後、その水溶液に触媒２１０を添加して、混合溶液４０１を調製する。なお、このとき、混合溶液４０１では、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤により、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とからポリイオンコンプレックスが形成されることがない。つまり、この混合溶液４０１には、ポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０が溶解している。なお、この混合溶液４０１において、ポリカチオン化合物３１０の添加量は、ポリアニオン化合物３２０の添加量と同じ量であってもよいし、異なる量であってもよい。なお、この添加量比はポリイオンコンプレックスの網目構造に大きく影響する。
【００４１】
図５に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０が形成された後に、限外ろ過装置５００に混合溶液４０１を投入する。そして、限外ろ過装置５００では、混合溶液４０１の上部空間に不活性ガスが供給されると、混合溶液４０１が第１の層１１０に向かって押し付けられる。このとき、混合溶液４０１から透過液４１１が分離する。なお、この透過液４１１には、主にポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が含まれる。
【００４２】
上記処理が完了すると、図６に示されるように、第１の層１１０上に第２の層１２０が形成される。この第２層１２０では、第１の層１１０と同様に、均質なポリイオンコンプレックス３００に触媒２１０が包括されている。また、この第２の層１２０は、第１の層１１０と密着している。その後、限外ろ過装置５００に緩衝液が投入される。そして、緩衝液の上部空間に不活性ガスが供給されると、緩衝液が第２の層１２０に向かって押し付けられ、緩衝液が各層１１０，１２０を透過する。この処理により、各層１１０，１２０からポリイオンコンプレックス形成阻害剤が洗い出される。このようにして２層構造の固定化触媒膜１０１が得られる。なお、緩衝液としては、例えば、酢酸系やリン酸系の緩衝液が用いられる。
【００４３】
＜触媒膜の使用方法＞
限外ろ過装置５００に固定化触媒膜１０１をセットし、基質を含む基質溶液をその限外ろ過装置５００に投入する。次いで、基質溶液の上部空間に不活性ガスを供給して基質溶液を固定化触媒膜１０１に押し付けると、基質溶液が固定化触媒膜１０１中に浸透する。そして、基質溶液が固定化触媒膜１０１に浸透すると、基質溶液中の基質は、第２の層１２０中の触媒２１０と接触する。この結果、触媒２１０により、「基質の分解反応」や、「基質を原料とする合成反応」が促され、基質とは異なる化合物が生成する。その後、その化合物は、第１の層１１０中の触媒２００と接触する。この結果、触媒２００により、「化合物の分解反応」や、「化合物を原料とする合成反応」が促され、さらに異なる化合物が生成する。つまり、この固定化触媒膜１０１では、分解反応や合成反応が２段階で生じる。そして、触媒２００により生成された生成物は、溶媒（緩衝液）の流れにのって固定化触媒膜１０１の第１の層１１０を透過し、固定化触媒膜１００の系外に排出される。
【００４４】
＜本実施形態における効果＞
（１）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、多層構造を有する均質な固定化触媒膜を得ることができるようになる。
【００４５】
（２）
本実施形態に係る固定化触媒膜１０１は、第１の層１１０および第２の層１２０を有する多層構造体である。そして、この固定化触媒膜１０１では、種類の異なる触媒２００，２１０が各層１１０，１２０のポリイオンコンプレックス３００中にそれぞれ固定化されている。このため、この固定化触媒膜１０１では、第２の層１２０に存在する触媒２１０により生成される生成物を、第１の層１１０に存在する触媒２００によって分解すること、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができる。
【００４６】
＜変形例＞
（Ａ）
固定化触媒膜１０２は、図７に示されるように、上記の第１の層１１０および第２の層１２０に加えて、第３の層１３０を有していてもよい。なお、図７において、第３の層１３０は、第２の層１１０の上に形成されている。なお、固定化触媒膜１０２は、４層以上の多層構造体であってもかまわない。
【００４７】
第３の層１３０は、主に、触媒２２０およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。なお、本変形例において、触媒２２０は、触媒２００および触媒２１０と異なる種類の触媒であるのが好ましい。ただし、触媒２２０は、反応時間を長くする等の目的で、触媒２００および触媒２１０の少なくとも一方の触媒と同じ種類の触媒とされてもかまわない。なお、第３の層１３０のポリイオンコンプレックス３００は、各層１１０，１２０のポリイオンコンプレックス３００と同じポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０から形成されてもよいし、各層１１０，１２０のポリイオンコンプレックス３００と異なるポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０から形成されてもよい。
【００４８】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
先ず、第１の層１１０および第２の層１２０を、上記の第２実施形態の固定化触媒膜１０１と同様の方法で得る（図２、３、５および６参照）。なお、この段階で、緩衝液によって第１の層１１０および第２の層１２０中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤を洗い出してもよいし、洗い出さなくてもよい。
【００４９】
次に、第３の層１３０を得るために、ポリカチオン化合物３１０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第１の水溶液と、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第２の水溶液とを準備する。第２の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第１の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類の塩であることが好ましいが、異なる種類の塩であってもよい。また、第３の層１３０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第１の層１１０形成用の混合溶液および第２の層１２０形成用の混合溶液の少なくとも一方の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類であってもよいし、第１の層１１０形成用の混合溶液および第２の層１２０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と異なる種類であってもよい。
【００５０】
第１の水溶液と第２の水溶液とを混合した後、その水溶液に触媒２２０を添加して、混合溶液４０２を調製する。なお、このとき、混合溶液４０２では、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤により、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とからポリイオンコンプレックスが形成されることがない。つまり、この混合溶液４０２には、ポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０が溶解している。なお、この混合溶液４０２において、ポリカチオン化合物３１０の添加量は、ポリアニオン化合物３２０の添加量と同じ量であってもよいし、異なる量であってもよい。なお、この添加量比はポリイオンコンプレックスの網目構造に大きく影響する。
【００５１】
図８に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０および第２の層１２０が形成された後に、限外ろ過装置５００に混合溶液４０２を投入する。そして、限外ろ過装置５００では、混合溶液４０２の上部空間に不活性ガスが供給されると、混合溶液４０２が第２の層１２０に向かって押し付けられる。このとき、混合溶液４０２から透過液４１２が分離する。なお、この透過液４１２には、主にポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が含まれる。
【００５２】
上記処理が完了すると、図９に示されるように、第２の層１２０上に第３の層１３０が形成される。この第３の層１３０では、第１の層１１０および第２の層１２０と同様に、均質なポリイオンコンプレックス３００に触媒２２０が包括されている。また、この第３の層１３０は、第２の層１２０と密着している。その後、限外ろ過装置５００に緩衝液が投入される。そして、緩衝液の上部空間に不活性ガスが供給されると、緩衝液が第３の層１３０に向かって押し付けられ、緩衝液が各層１１０，１２０，１３０を透過する。この処理により、各層１１０，１２０，１３０からポリイオンコンプレックス形成阻害剤が洗い出される。このようにして３層構造の固定化触媒膜１０２が得られる。なお、緩衝液としては、例えば、酢酸系やリン酸系の緩衝液が用いられる。
【００５３】
＜触媒膜の使用方法＞
限外ろ過装置５００に固定化触媒膜１０２をセットし、基質を含む基質溶液をその限外ろ過装置５００に投入する。次いで、基質溶液の上部空間に不活性ガスを供給して基質溶液を固定化触媒膜１０２に押し付けると、基質溶液が固定化触媒膜１０１中に浸透する。そして、基質溶液が固定化触媒膜１０２に浸透すると、基質溶液中の基質は、第３の層１３０中の触媒２２０と接触する。この結果、触媒２２０により、「基質の分解反応」や、「基質を原料とする合成反応」が促され、基質とは異なる化合物が生成する。次に、その化合物は、第２の層１２０中の触媒２１０と接触する。この結果、触媒２１０により、「化合物の分解反応」や、「化合物を原料とする合成反応」が促され、さらに異なる化合物が生成する。その後、その化合物は、第１の層１１０中の触媒２００と接触する。この結果、触媒２００により、「化合物の分解反応」や、「化合物を原料とする合成反応」が促され、さらに異なる化合物が生成する。つまり、この固定化触媒膜１０２では、分解反応や合成反応が３段階で生じる。そして、触媒２００により生成された生成物は、溶媒（緩衝液）の流れにのって固定化触媒膜１０２の第１の層１１０を透過し、固定化触媒膜１００の系外に排出される。
【００５４】
（Ｂ）
先の実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、第１の層１１０および第２の層１２０が連続的に形成されたが、第１の層１１０および第２の層１２０が個別に作製されてもかまわない。なお、かかる場合、第１の層１１０と、第２の層１２０とを湿潤状態で積み重ねて使用することにより、固定化触媒膜１０１と同様の機能を発現することができる。
【００５５】
（Ｃ）
先の実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、第１の層１１０と第２の層１２０とが密着するように固定化触媒膜１０１が形成されたが、第１の層１１０と第２の層１２０との間に、ポリイオンコンプレックスのみから成る層（つまり、触媒を含まない）が形成されてもかまわない。
【００５６】
次に、実施例を示して上記実施形態に係る固定化触媒膜１００，１０１，１０２をさらに詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例によって何ら限定されない。
【実施例１】
【００５７】
＜固定化触媒膜の作製＞
ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２００であるα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）０．０３ｇを添加して、混合溶液４００を調製した。
【００５８】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４００を投入した後、混合溶液４００の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４００を限外ろ過膜６００に向かって押し付け、混合溶液４００を限外ろ過した。
【００５９】
限外ろ過完了後、図３に示されるように、限外ろ過膜６００上に固定化触媒膜１００が形成された。次いで、限外ろ過装置５００に２０ｇの酢酸緩衝液を投入した後、酢酸緩衝液の上部空間に窒素ガスを供給して、酢酸緩衝液を固定化触媒膜１００に向かって押し付け、固定化触媒膜１００に酢酸緩衝液を透過させた。なお、この固定化触媒膜１００は乾燥されることはなく湿潤状態で使用された。
【００６０】
＜固定化触媒膜を用いた基質の分解＞
図１０に示されるように、固定化触媒膜１００を限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００にセットした。また、ｐＨ５．９の澱粉水溶液７００を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１０は、澱粉水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。限外ろ過装置５００に澱粉水溶液７００を投入し、澱粉水溶液７００の上部空間に窒素ガスを供給することにより０．２ＭＰａの圧力で澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１００に押し付け、澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１００に浸透させた。なお、このとき、澱粉水溶液７００の温度を３０℃に調整した。その結果、固定化触媒膜１００中のα−アミラーゼにより澱粉７１０が分解されて、マルトース７１１およびグルコース７１２が生成した（図１１参照）。
【００６１】
なお、固定化触媒１００の二次側（溶媒透過側）の液中のマルトース７１１およびグルコース７１２の濃度は、高速液体クロマトグラフイー（株式会社島津製作所製）を用いて検量線法により定量した。なお、測定条件は以下の通りであった。
・送液ユニット ：ＬＣ−１０ＡＤ ＶＰ
・カラムオーブン ：ＣＴＯ−１０Ａ ＶＰ
・デガッサー ：ＤＧＶ−１２Ａ
・示差屈折計検出器：ＲＩＤ−１０Ａ
・カラム名称 ：Ａｓａｈｉｐａｋ ＮＨ２Ｐ−５０ ４Ｅ（昭和電工株式会社製）
・移動相 ：７５重量％アセトニトリル水溶液
・移動相速度 ：１ｍＬ／分
・環境温度 ：３０℃
【００６２】
（参考例１）
ｐＨ５．９の澱粉水溶液を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）は、澱粉水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、この澱粉水溶液にα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）を添加した後、この澱粉水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、α−アミラーゼにより澱粉が分解されて、マルトースおよびグルコースが生成した（図１２参照）。
【実施例２】
【００６３】
触媒２００をマルターゼ（東京化成工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は実施例１と同様にして固定化触媒膜１００ａを得た。また、ｐＨ５．９のマルトース水溶液７０１を準備した。なお、基質であるマルトース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１１は、マルトース水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、図１３に示されるように、実施例１と同様にして、マルトース水溶液７０１を固定化触媒膜１００ａに浸透させた。その結果、固定化触媒膜１００ａ中のマルターゼによりマルトース７１１が分解されて、グルコース７１２が生成した（図１４参照）。
【００６４】
（参考例２）
基質をマルトース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は参考例１と同様にしてマルトース水溶液を得た。そして、このマルトース水溶液に０．０５ｇのマルターゼ（東京化成工業株式会社製、一級試薬）を添加した後、参考例１と同様に、このマルトース水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、マルターゼによりマルトースが分解されて、グルコースが生成した（図１５参照）。
【実施例３】
【００６５】
触媒２００をパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）に代えた以外は実施例１と同様にして固定化触媒膜１００ｂを得た。また、ｐＨ５．９のグルコース水溶液７０２と、ｐＨ５．０のグルコース水溶液７０２とを準備した。なお、基質であるグルコース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１２は、グルコース水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、図１６に示されるように、実施例１と同様にして、上記２種類のグルコース水溶液７０２を別々の固定化触媒膜１００ｂにそれぞれ浸透させた。その結果、固定化触媒膜１００ｂ中のパン酵母によりグルコース７１２が分解されて、エタノール７１３が生成した（図１７参照）。
【００６６】
なお、固定化触媒膜１００ｂの二次側（溶媒透過側）の液中のエタノール７１３の濃度は、ガスクロマトグラフイー（株式会社島津製作所製、ＧＣ−１４Ａ）を用いて検量線法により定量した。なお、測定条件は以下の通りであった。
・カラム名称：Ｔｈｅｒｍｏｎ−３０００ ５％ ＳＨＩＮＣＡＲＢＯＮ Ａ ６０〜８０（信和加工株式会社製）
・移動相 ：水素，ヘリウム
・移動相速度：０．５ｋｇ／ｃｍ２
・検出器 ：熱伝導度型
・環境温度 ：５０℃
【００６７】
（参考例３）
基質をグルコース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は参考例１と同様にしてグルコース水溶液を得た。そして、このグルコース水溶液に０．５ｇのパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）を添加した後、参考例１と同様に、このグルコース水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、グルコースが分解されて、エタノールが生成した（図１８参照）。
【実施例４】
【００６８】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
（１）第１の層の作製
ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２００であるマルターゼ（東京化成工業株式会社製）０．０５ｇを添加して、混合溶液４００を調製した。
【００６９】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４００を投入した後、混合溶液４００の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４００を限外ろ過膜６００に向かって押し付け、混合溶液４００を限外ろ過した。
【００７０】
限外ろ過完了後、図３に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０が形成された。
【００７１】
（２）第２の層の作製
上記と同様にして、ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２１０であるα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）を添加して、混合溶液４０１を調製した。
【００７２】
図５に示されるように、第１の層１１０が形成された限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４０１を投入した後、混合溶液４０１の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４０１を第１の層１１０に向かって押し付けた。
【００７３】
上記処理完了後、図６に示されるように、第１の層１１０上に第２の層１２０が形成された。次いで、限外ろ過装置５００に２０ｇの酢酸緩衝液を投入した後、酢酸緩衝液の上部空間に窒素ガスを供給して、酢酸緩衝液を第２の層１２０に向かって押し付け、第１の層１１０および第２の層１２０に酢酸緩衝液を透過させた。その結果、２層構造の固定化触媒膜１０１が得られた。なお、この固定化触媒膜１０１は乾燥されることはなく湿潤状態で使用された。
【００７４】
＜固定化触媒膜を用いた基質の分解＞
図１９に示されるように、固定化触媒膜１０１を限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００にセットした。また、ｐＨ５．９の澱粉水溶液７００を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１０は、澱粉水溶液全体に対して１０重量％となるように添加された。限外ろ過装置５００に澱粉水溶液７００を投入し、澱粉水溶液７００の上部空間に窒素ガスを供給することにより０．２ＭＰａの圧力で澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０１に押し付け、澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０１に浸透させた。なお、このとき、澱粉水溶液７００の温度を３０℃に調整した。その結果、第２の層１２０中のα−アミラーゼにより澱粉７１０が分解されてマルトース７１１およびグルコース７１２が生成し、そのマルトース７１１が第１の層１１０中のマルターゼにより一部分解されてグルコース７１２が生成した（図２０参照）。
【実施例５】
【００７５】
触媒２００をパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）に代え、触媒２１０をマルターゼ（東京化成工業株式会社製）に代えた以外は実施例４と同様にして固定化触媒膜１０１ａを得た。また、ｐＨ５．９のマルトース水溶液７０１を準備した。なお、基質であるマルトース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１１は、マルトース水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、図２１に示されるように、実施例４と同様にして、マルトース溶液７０１を固定化触媒膜１０１ａに浸透させた。その結果、第２の層１２０中のマルトースによりマルトース７１１が分解されてグルコース７１２が生成し、そのグルコース７１２が第１の層１１０ａ中のパン酵母により分解されてエタノール７１３が生成した（図２２参照）。
【実施例６】
【００７６】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
（１）第１の層の作製
ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２００であるパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）を添加して、混合溶液４００を調製した。
【００７７】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４００を投入した後、混合溶液４００の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４００を限外ろ過膜６００に向かって押し付け、混合溶液４００を限外ろ過した。
【００７８】
限外ろ過完了後、図３に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０が形成された。
【００７９】
（２）第２の層の作製
上記と同様にして、ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２１０であるマルターゼ（東京化成工業株式会社製、一級試薬）を添加して、混合溶液４０１を調製した。
【００８０】
図５に示されるように、第１の層１１０が形成された限外ろ過装置５００に混合溶液４０１を投入した後、混合溶液４０１の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４０１を第１の層１１０に向かって押し付けた。
【００８１】
上記処理完了後、図６に示されるように、第１の層１１０上に第２の層１２０が形成された。
【００８２】
（３）第３の層の作製
上記と同様にして、ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２２０であるα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）を添加して、混合溶液４０２を調製した。
【００８３】
図８に示されるように、第２の層１２０が形成された限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４０２を投入した後、混合溶液４０２の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４０２を第２の層１２０に向かって押し付けた。
【００８４】
上記処理完了後、図９に示されるように、第２の層１２０上に第３の層１３０が形成された。次いで、限外ろ過装置５００に２０ｇの酢酸緩衝液を投入した後、酢酸緩衝液の上部空間に窒素ガスを供給して、酢酸緩衝液を第３の層１３０に向かって押し付け、第１の層１１０、第２の層１２０および第３の層１３０に酢酸緩衝液を透過させた。その結果、３層構造の固定化触媒膜１０２が得られた。なお、この固定化触媒膜１０２は乾燥されることはなく湿潤状態で使用された。
【００８５】
＜固定化触媒膜を用いた基質の分解＞
図２３に示されるように、固定化触媒膜１０２を限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００にセットした。また、ｐＨ５．９の澱粉水溶液７００を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１０は、澱粉水溶液全体に対して１０重量％となるように添加された。限外ろ過装置５００に澱粉水溶液７００を投入し、澱粉水溶液７００の上部空間に窒素ガスを供給することにより０．２ＭＰａの圧力で澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０２に押し付け、澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０１に浸透させた。なお、このとき、澱粉水溶液７００の温度を３０℃に調整した。その結果、第３の層１３０中のα−アミラーゼにより澱粉７１０が分解されてマルトース７１１およびグルコース７１２が生成し、そのマルトース７１１が第２の層１２０中のマルターゼにより分解されてグルコース７１２が生成し、そのグルコースが第１の層１１０中のパン酵母により分解されてエタノールが生成した（図２４参照）。
【実施例７】
【００８６】
触媒２００をウレアーゼ（フナコシ株式会社製、一級試薬）に代えた以外は実施例１と同様にして固定化触媒膜を得た。また、０．１５重量％の尿素水溶液（ｐＨ７．４）を準備した。そして、図１３に示されるように、実施例１と同様にして、尿素水溶液を固定化触媒膜に浸透させた。その結果、固定化触媒膜中のウレアーゼにより尿素が分解されて、二酸化炭素とアンモニアが生成した。
【００８７】
なお、固定化触媒膜の二次側（溶媒透過側）の液中のアンモニア濃度は、高速液体クロマトグラフイー（株式会社島津製作所製）を用いて検量線法により定量した。なお、測定条件は以下の通りであった。
・送液ユニット ：ＬＣ−１０ＡＤ ＶＰ
・カラムオーブン ：ＣＴＯ−１０Ａ ＶＰ
・デガッサー ：ＤＧＶ−１２Ａ
・示差屈折計検出器：ＲＩＤ−１０Ａ
・カラム名称 ：Ａｓａｈｉｐａｋ ＮＨ２Ｐ−５０ ４Ｅ（昭和電工株式会社製）
・移動相 ：７５重量％アセトニトリル水溶液
・移動相速度 ：１ｍＬ／分
・環境温度 ：３０℃
【００８８】
（参考例４）
基質を尿素（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は参考例１と同様にして尿素水溶液を得た。そして、この尿素水溶液にウレアーゼ（フナコシ株式会社製）を添加した後、参考例１と同様に、この尿素水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、ウレアーゼにより尿素が分解されて、二酸化炭素とアンモニアが生成した。
【符号の説明】
【００８９】
１００，１００ａ，１００ｂ，１０１，１０１ａ，１０２ 固定化触媒膜
２００，２１０，２２０ 触媒
３００ ポリイオンコンプレックス
３１０ ポリカチオン化合物
３２０ ポリアニオン化合物
４００，４０１，４０２ 混合溶液（第１溶液、第２溶液、第３溶液）
６００ 限外ろ過膜（膜）
７１０ 澱粉（基質）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定化触媒膜、この固定化触媒膜の製造方法、この固定化触媒膜を用いた膜透過反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品、医療および分析などの分野において、高価で貴重な酵素が触媒として用いられることがある。この酵素を繰り返し用いるために、共有結合法、イオン結合法、物理吸着法、架橋法、包括法などにより酵素を担体に固定化することが行われている。なお、この担体に固定化された酵素を固定化酵素という。
【０００３】
例えば、特許文献１には、イオン結合法と包括法とを組み合わせた複合法で酵素を担体に固定化させる酵素固定化方法が開示されている。この酵素固定化方法では、ポリカチオン化合物が溶解した水溶液と、ポリアニオン化合物が溶解した水溶液とが混合されてポリイオンコンプレックスが沈殿し、このポリイオンコンプレックス中に酵素が固定化される。この酵素固定化方法は、酵素の固定化が水溶液系で行われるため、酵素活性の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２７９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の酵素固定化方法では、均質な固定化酵素膜を製造することは極めて難しい。
【０００６】
本発明の課題は、均質な固定化酵素膜を製造することができる固定化触媒膜の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）
本発明に係る固定化触媒膜の製造方法は、第１準備工程および膜形成工程を備える。第１準備工程では、第１溶液が準備される。この第１溶液では、少なくとも触媒、ポリカチオン化合物、ポリアニオン化合物およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤が溶媒に溶解されている。膜形成工程では、第１溶液が膜に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過されて、膜上に固定化触媒膜が形成される。なお、この固定化触媒膜では、ポリカチオン化合物およびポリイオン化合物からなるポリイオンコンプレックス中に触媒が固定化されている。なお、膜透過方法としては、一次側（第１溶液供給側）を不活性ガス等のガスにより加圧するガス加圧方法が採用されるのが好ましい。また、溶媒は、緩衝液であってもかまわない。
【０００８】
この固定化触媒膜の製造方法では、第１溶液が膜に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過されて、膜上に固定化触媒膜が形成される。このため、この固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、膜上に、均質な固定化酵素膜を製造することができる。
【０００９】
（２）
上述（１）の固定化触媒膜の製造方法において、第１準備工程では、異種の触媒を含む複数の第１溶液が準備されるのが好ましい。そして、膜形成工程では、ｎ番目の固定化触媒層の形成後に、第１溶液がｎ番目の固定化触媒層上に供給され、第１溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒が選択的に膜透過されて、ｎ番目の固定化触媒層上に（ｎ＋１）番目の固定化触媒層が形成され、多層構造の固定化触媒膜が形成される。なお、ここで、ｎは１以上の整数である。また、ここで、ｎ番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、（ｎ＋１）番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒によって分解することができるように、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができるように、ｎおよび（ｎ＋１）番目の固定化触媒層にそれぞれ異種の触媒を配置させるのが好ましい。なお、（ｎ＋１）番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、ｎ番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒によって分解することができるように、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができるように、ｎおよび（ｎ＋１）番目の固定化触媒層にそれぞれ異種の触媒を配置させてもかまわない（このとき、固定化触媒膜は逆さまに配置される）。
【００１０】
このため、この固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、多層構造を有する均質な固定化触媒膜を得ることができるようになると共に、例えば、ｎ番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、（ｎ＋１）番目の固定化触媒層に存在する固定化触媒によって分解させること、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができる。
【００１１】
（３）
本発明に係る固定化触媒膜では、ポリイオンコンプレックス中に触媒が遍在するように触媒がポリイオンコンプレックスに固定化される。なお、この固定化触媒膜が多層構造を有する場合、少なくとも２つの層のポリイオンコンプレックス中に触媒が遍在するように触媒が各ポリイオンコンプレックスに固定化される。
【００１２】
このため、この固定化触媒膜中に基質を供給すると、基質の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促される。また、このような固定化触媒膜では、最終生成物を連続的に固定化触媒膜外に排出することができ、生成物と触媒とを容易に分離させることができる。したがって、このような固定化触媒膜では、最終生成物を連続的に効率よく製造することができる。
【００１３】
（４）
上述（３）の固定化触媒膜は多層構造を有するのが好ましい。そして、この固定化触媒膜では、少なくとも２つの層のポリイオンコンプレックス中に異種の触媒がそれぞれ固定化される。なお、ここでは、溶媒流れ方向上流側の層に存在する固定化触媒により生成される生成物を、溶媒流れ方向下流側の層に存在する固定化触媒によって分解することができるように、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができるように、異種の触媒を配置させるのが好ましい。
【００１４】
このため、この固定化触媒膜では、異なる複数の分解反応または合成反応を連続的に実行することができる。したがって、この固定化触媒膜では、効率よく最終生成物を得ることができる。
【００１５】
（５）
本発明に係る膜透過反応方法は、第２準備工程および第１膜透過反応工程を備える。第２準備工程では、第２溶液が準備される。この第２溶液には、少なくとも１種類の基質が含まれる。第１膜透過反応工程では、上述（３）の固定化触媒膜中に第２溶液が供給されて化合物（基質を含む）の分解および化合物の合成の少なくとも一方が行われながら、最終生成物が固定化触媒膜外に排出される。
【００１６】
このため、この膜透過反応方法では、化合物（基質を含む）の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促される。また、この膜透過反応方法では、最終生成物を連続的に固定化触媒膜外に排出することができ、生成物と触媒とを容易に分離させることができる。したがって、この膜透過反応方法を利用すれば、最終生成物を連続的に効率よく得ることができる。
【００１７】
（６）
本発明に係る膜透過反応方法は、第３準備工程および第２膜透過反応工程を備える。第３準備工程では、第３溶液が準備される。この第３溶液には、少なくとも１種類の基質が含まれる。第１膜透過反応工程では、上述（４）の固定化触媒膜中に第３溶液が供給されて各層において化合物（基質を含む）の分解または化合物の合成が行われながら、最終生成物が固定化触媒膜外に排出される。
【００１８】
このため、この膜透過反応方法では、異なる複数の分解反応または合成反応を連続的に実行することができる。したがって、この膜透過反応方法を利用すれば、効率よく最終生成物を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、均質な固定化酵素膜を製造することができる。
また、本発明に係る固定化触媒膜の製造方法により得られる固定化酵素膜を利用すれば、化合物の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促されると共に、最終生成物を連続的に固定化触媒膜外に排出することができ、生成物と触媒とを容易に分離させることができる。したがって、このような固定化触媒膜では、最終生成物を連続的に効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固定化触媒膜の断面図である。
【図２】混合溶液を限外ろ過している状態を示した断面図である。
【図３】混合溶液を限外ろ過し終わった状態を示した断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る固定化触媒膜の断面図である。
【図５】混合溶液を第１の層に押し付けている状態を示した断面図である。
【図６】混合溶液を第１の層に押し付け終わった状態を示した断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態の変形例に係る固定化触媒膜の断面図である。
【図８】混合溶液を第２の層に押し付けている状態を示した断面図である。
【図９】混合溶液を第２の層に押し付け終わった状態を示した断面図である。
【図１０】実施例１に係る固定化触媒膜中に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図１１】実施例１に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１２】参考例１に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１３】実施例２に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図１４】実施例２に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１５】参考例２に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１６】実施例３に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図１７】実施例３に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１８】参考例３に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図１９】実施例４に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図２０】実施例４に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図２１】実施例５に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図２２】実施例５に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【図２３】実施例６に係る固定化触媒膜に基質溶液を供給している状態を示した断面図である。
【図２４】実施例６に係る基質から生成される生成物の転化率の経時変化を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
−第１実施形態−
本発明の第１実施形態に係る固定化触媒膜１００は、図１に示されるように、主に、触媒２００およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。この固定化触媒膜１００では、ポリイオンコンプレックス３００中に触媒２００が遍在するよう触媒２００がポリイオンコンプレックス３００に固定化されている。なお、このポリイオンコンプレックス３００は、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とのイオン結合によって形成されている。
【００２２】
触媒２００としては、例えば、酵素、酵母などの生体触媒が用いられる。
酵素としては、例えば、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、リアーゼ、異性化酵素、リガーゼ等が挙げられる。より具体的には、アミラーゼ、セルラーゼ、マルターゼ、カテコールオキシダーゼ（チロシナーゼ）、トリプトファナーゼ、フマラーゼ、ウレアーゼ等が酵素として挙げられる。酵母としては、例えば、パン酵母、ワイン酵母、ビール酵母などが挙げられる。
【００２３】
ポリカチオン化合物３１０としては、例えば、キトサン塩、四級化キトサン塩（アミノ基が第四級アンモニウムイオン化されたキトサンの塩）、ポリビニルピリジン塩、四級化ポリビニルピリジン塩（アミノ基が第四級アンモニウムイオン化されたポリビニルピリジンの塩）、ポリ−Ｌ−リシン塩、ポリアリルアミン塩、ポリビニルイミダゾール塩、ポリエチレンイミン塩、ポリビニルピロリドン塩などが用いられる。また、ポリアニオン化合物３２０としては、例えば、カルボキシメチルセルロース塩、ポリアクリル酸塩、ポリメタクリル酸塩、ポリフルオロスルホン酸塩、ポリアルギン酸塩、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリエチレンスルホン酸塩などが用いられる。
【００２４】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
ポリカチオン化合物３１０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第１の水溶液と、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第２の水溶液とを準備する。ポリイオンコンプレックス形成阻害剤としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のハロゲン化物が用いられる。具体的には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等がポリイオンコンプレックス形成阻害剤として挙げられる。第１の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第２の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類の塩であることが好ましいが、異なる種類の塩であってもよい。
【００２５】
なお、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤として塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウムが用いられる場合、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の濃度は、水溶液全体に対して９．５重量％以上であることが好ましい（なお、かかる場合、水溶液には、１重量％程度のポリカチオン化合物またはポリアニオン化合物が添加されている）。また、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤としてヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウムが用いられる場合、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の濃度は、水溶液全体に対して２０重量％以上であることが好ましい（なお、かかる場合、水溶液には、１重量％程度のポリカチオン化合物またはポリアニオン化合物が添加されている）。なお、上記ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の濃度は、あくまでも目安に過ぎない。ポリイオンコンプレックス形成阻害剤の適切な濃度は、当業者であれば、簡単な実験を行うことにより容易に求めることができる。
【００２６】
第１の水溶液と第２の水溶液とを混合した後、その水溶液に触媒２００を添加して、混合溶液４００を調製する。なお、このとき、混合溶液４００では、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤により、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とからポリイオンコンプレックスが形成されることがない。つまり、この混合溶液４００には、ポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０が溶解している。なお、この混合溶液４００において、ポリカチオン化合物３１０の添加量は、ポリアニオン化合物３２０の添加量と同じ量であってもよいし、異なる量であってもよい。なお、この添加量比はポリイオンコンプレックスの網目構造に大きく影響する。
【００２７】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置５００に混合溶液４００を投入する。なお、限外ろ過膜６００は、混合溶液４００中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水を選択的に透過させる多孔質膜である。また、図２には、平板状の限外ろ過膜６００が図示されているが、限外ろ過膜として、管状の限外ろ過膜や中空糸繊維状の限外ろ過膜などが採用されてもよい。なお、かかる場合、それぞれの形状の限外ろ過膜に適した限外ろ過装置が用意される必要がある。そして、限外ろ過装置５００では、混合溶液４００の上部空間に不活性ガスが供給されると、混合溶液４００が限外ろ過膜６００に向かって押し付けられ、混合溶液４００が限外ろ過される。このとき、混合溶液４００からろ液４１０が分離する。なお、このろ液４１０には、主にポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が含まれる。
【００２８】
限外ろ過が終了すると、図３に示されるように、ろ過膜６００上に固定化触媒膜１００が形成される。固定化触媒膜１００では、均質なポリイオンコンプレックス３００に触媒２００が包括されている。その後、限外ろ過装置５００に緩衝液が投入される。そして、緩衝液の上部空間に不活性ガスが供給されると、緩衝液が固定化触媒膜１００に向かって押し付けられ、緩衝液が固定化触媒膜１００を透過する。この処理により、固定化触媒膜１００からポリイオンコンプレックス形成阻害剤が洗い出される。このようにして固定化触媒膜１００が得られる。なお、緩衝液としては、例えば、酢酸系やリン酸系の緩衝液が用いられる。
【００２９】
なお、ここでは、固定化触媒膜１００を形成するために限外ろ過膜が用いられたが、膜は、混合溶液４００中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および溶媒を選択的に透過させる膜であればよく、限外ろ過膜に代えて高分子緻密膜が用いられてもかまわない。
【００３０】
＜固定化触媒膜の使用方法＞
限外ろ過装置５００に固定化触媒膜１００をセットし、基質を含む基質溶液をその限外ろ過装置５００に投入する。次いで、基質溶液の上部空間に不活性ガスを供給して基質溶液を固定化触媒膜１００に押し付けると、基質溶液が固定化触媒膜１００中に浸透する。そして、基質溶液が固定化触媒膜１００に浸透すると、基質溶液中の基質は固定化触媒膜１００中の触媒２００と接触する。この結果、触媒２００により、「基質の分解反応」や、「基質を原料とする合成反応」が促される。そして、触媒２００により生成された生成物は、溶媒（緩衝液）の流れにのって固定化触媒膜１００を透過し、固定化触媒膜１００の系外に排出される。
【００３１】
基質を分解する反応としては、例えば、澱粉（基質）をアミラーゼ（触媒）によってマルトースに分解する反応、マルトース（基質）をマルターゼ（触媒）によってグルコースに分解する反応、グルコース（基質）をチマーゼ（触媒）によってエタノールに分解する反応、スクロース（基質）をインベルターゼ（触媒）によってグルコースに分解する反応、尿素（基質）をウレアーゼ（触媒）によって二酸化炭素とアンモニアに分解する反応が挙げられる。
【００３２】
化合物を合成する反応としては、例えば、フェノール、ピルビン酸およびアンモニア（基質）をβ−チロシナーゼ（触媒）によってＬ−チロシンに合成する反応、インドール、ピルビン酸およびアンモニア（基質）をトリプトファナーゼ（触媒）によってＬ−トリプトファンに合成する反応、フマル酸および水（基質）をフマラーゼ（触媒）によってＬ−リンゴ酸に合成する反応が挙げられる。
【００３３】
＜本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法および固定化触媒膜の効果＞
（１）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、混合溶液４００が限外ろ過膜６００に供給され、混合溶液４００中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が選択的に膜透過されて、限外ろ過膜６００上に固定化触媒膜１００が形成される。このため、この固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、限外ろ過膜６００上に、均質な固定化酵素膜１００を製造することができる。
【００３４】
（２）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、混合溶液４００の溶媒として水が用いられる。このため、生体触媒である酵素や酵母の活性が低下することを抑制することができる。
【００３５】
（３）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、ポリイオンコンプレックス３００中に触媒２００が遍在する固定化触媒膜１００を得ることができる。このため、この固定化触媒膜１００中に基質を供給すると、基質の分解および化合物の合成の少なくとも一方が満遍なく促される。また、このような固定化触媒膜１００では、最終生成物を連続的に固定化触媒膜１００外に排出することができ、生成物と触媒２００とを容易に分離させることができる。したがって、このような固定化触媒膜１００では、最終生成物を連続的に効率よく製造することができる。
【００３６】
−第２実施形態−
本発明の第２実施形態に係る触媒膜１０１について説明する。なお、第１実施形態に係る固定化触媒膜１００は１層構造物であったが、第２実施形態に係る固定化触媒膜１０１は、多層構造を有する。なお、第２実施形態では、上記の第１実施形態と同じ構成については、第１実施形態と同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００３７】
第２実施形態に係る固定化触媒膜１０１は、図４に示されるように、第１の層１１０および第２の層１２０を備える。第１の層１１０は、主に、触媒２００およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。また、第２の層１２０は、主に、触媒２１０およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。なお、本実施形態において、触媒２１０は、触媒２００と異なる種類の触媒であるのが好ましい。ただし、触媒２１０は、反応時間を長くする等の目的で、触媒２００と同じ種類の触媒とされてもかまわない。なお、第２の層１２０中のポリイオンコンプレックス３００は、第１の層１１０のポリイオンコンプレックス３００と同じポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０から形成されてもよいし、第１の層１１０のポリイオンコンプレックス３００と異なるポリカチオン化合物およびポリアニオン化合物から形成されてもよい。
【００３８】
＜触媒膜の製造方法＞
先ず、第１の層１１０を、上記の第１実施形態の触媒膜１００と同様の方法で得る（図２、３参照）。なお、この段階で、緩衝液によって第１の層１１０からポリイオンコンプレックス形成阻害剤を洗い出してもよいし、洗い出さなくてもよい。
【００３９】
次に、第２の層１２０を得るために、ポリカチオン化合物３１０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第１の水溶液と、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第２の水溶液とを準備する。第１の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第２の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類の塩であることが好ましいが、異なる種類の塩であってもよい。また、第２の層１２０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第１の層１１０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類であってもよいし、第１の層１１０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と異なる種類であってもよい。
【００４０】
第１の水溶液と第２の水溶液とを混合した後、その水溶液に触媒２１０を添加して、混合溶液４０１を調製する。なお、このとき、混合溶液４０１では、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤により、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とからポリイオンコンプレックスが形成されることがない。つまり、この混合溶液４０１には、ポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０が溶解している。なお、この混合溶液４０１において、ポリカチオン化合物３１０の添加量は、ポリアニオン化合物３２０の添加量と同じ量であってもよいし、異なる量であってもよい。なお、この添加量比はポリイオンコンプレックスの網目構造に大きく影響する。
【００４１】
図５に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０が形成された後に、限外ろ過装置５００に混合溶液４０１を投入する。そして、限外ろ過装置５００では、混合溶液４０１の上部空間に不活性ガスが供給されると、混合溶液４０１が第１の層１１０に向かって押し付けられる。このとき、混合溶液４０１から透過液４１１が分離する。なお、この透過液４１１には、主にポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が含まれる。
【００４２】
上記処理が完了すると、図６に示されるように、第１の層１１０上に第２の層１２０が形成される。この第２層１２０では、第１の層１１０と同様に、均質なポリイオンコンプレックス３００に触媒２１０が包括されている。また、この第２の層１２０は、第１の層１１０と密着している。その後、限外ろ過装置５００に緩衝液が投入される。そして、緩衝液の上部空間に不活性ガスが供給されると、緩衝液が第２の層１２０に向かって押し付けられ、緩衝液が各層１１０，１２０を透過する。この処理により、各層１１０，１２０からポリイオンコンプレックス形成阻害剤が洗い出される。このようにして２層構造の固定化触媒膜１０１が得られる。なお、緩衝液としては、例えば、酢酸系やリン酸系の緩衝液が用いられる。
【００４３】
＜触媒膜の使用方法＞
限外ろ過装置５００に固定化触媒膜１０１をセットし、基質を含む基質溶液をその限外ろ過装置５００に投入する。次いで、基質溶液の上部空間に不活性ガスを供給して基質溶液を固定化触媒膜１０１に押し付けると、基質溶液が固定化触媒膜１０１中に浸透する。そして、基質溶液が固定化触媒膜１０１に浸透すると、基質溶液中の基質は、第２の層１２０中の触媒２１０と接触する。この結果、触媒２１０により、「基質の分解反応」や、「基質を原料とする合成反応」が促され、基質とは異なる化合物が生成する。その後、その化合物は、第１の層１１０中の触媒２００と接触する。この結果、触媒２００により、「化合物の分解反応」や、「化合物を原料とする合成反応」が促され、さらに異なる化合物が生成する。つまり、この固定化触媒膜１０１では、分解反応や合成反応が２段階で生じる。そして、触媒２００により生成された生成物は、溶媒（緩衝液）の流れにのって固定化触媒膜１０１の第１の層１１０を透過し、固定化触媒膜１００の系外に排出される。
【００４４】
＜本実施形態における効果＞
（１）
本実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法を利用すれば、多層構造を有する均質な固定化触媒膜を得ることができるようになる。
【００４５】
（２）
本実施形態に係る固定化触媒膜１０１は、第１の層１１０および第２の層１２０を有する多層構造体である。そして、この固定化触媒膜１０１では、種類の異なる触媒２００，２１０が各層１１０，１２０のポリイオンコンプレックス３００中にそれぞれ固定化されている。このため、この固定化触媒膜１０１では、第２の層１２０に存在する触媒２１０により生成される生成物を、第１の層１１０に存在する触媒２００によって分解すること、または、他の化合物と反応させて新たな化合物を合成することができる。
【００４６】
＜変形例＞
（Ａ）
固定化触媒膜１０２は、図７に示されるように、上記の第１の層１１０および第２の層１２０に加えて、第３の層１３０を有していてもよい。なお、図７において、第３の層１３０は、第２の層１１０の上に形成されている。なお、固定化触媒膜１０２は、４層以上の多層構造体であってもかまわない。
【００４７】
第３の層１３０は、主に、触媒２２０およびポリイオンコンプレックス３００から構成されている。なお、本変形例において、触媒２２０は、触媒２００および触媒２１０と異なる種類の触媒であるのが好ましい。ただし、触媒２２０は、反応時間を長くする等の目的で、触媒２００および触媒２１０の少なくとも一方の触媒と同じ種類の触媒とされてもかまわない。なお、第３の層１３０のポリイオンコンプレックス３００は、各層１１０，１２０のポリイオンコンプレックス３００と同じポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０から形成されてもよいし、各層１１０，１２０のポリイオンコンプレックス３００と異なるポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０から形成されてもよい。
【００４８】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
先ず、第１の層１１０および第２の層１２０を、上記の第２実施形態の固定化触媒膜１０１と同様の方法で得る（図２、３、５および６参照）。なお、この段階で、緩衝液によって第１の層１１０および第２の層１２０中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤を洗い出してもよいし、洗い出さなくてもよい。
【００４９】
次に、第３の層１３０を得るために、ポリカチオン化合物３１０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第１の水溶液と、ポリアニオン化合物３２０およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を緩衝液に溶解させた第２の水溶液とを準備する。第２の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第１の水溶液のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類の塩であることが好ましいが、異なる種類の塩であってもよい。また、第３の層１３０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤は、第１の層１１０形成用の混合溶液および第２の層１２０形成用の混合溶液の少なくとも一方の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と同じ種類であってもよいし、第１の層１１０形成用の混合溶液および第２の層１２０形成用の混合溶液中のポリイオンコンプレックス形成阻害剤と異なる種類であってもよい。
【００５０】
第１の水溶液と第２の水溶液とを混合した後、その水溶液に触媒２２０を添加して、混合溶液４０２を調製する。なお、このとき、混合溶液４０２では、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤により、ポリカチオン化合物３１０とポリアニオン化合物３２０とからポリイオンコンプレックスが形成されることがない。つまり、この混合溶液４０２には、ポリカチオン化合物３１０およびポリアニオン化合物３２０が溶解している。なお、この混合溶液４０２において、ポリカチオン化合物３１０の添加量は、ポリアニオン化合物３２０の添加量と同じ量であってもよいし、異なる量であってもよい。なお、この添加量比はポリイオンコンプレックスの網目構造に大きく影響する。
【００５１】
図８に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０および第２の層１２０が形成された後に、限外ろ過装置５００に混合溶液４０２を投入する。そして、限外ろ過装置５００では、混合溶液４０２の上部空間に不活性ガスが供給されると、混合溶液４０２が第２の層１２０に向かって押し付けられる。このとき、混合溶液４０２から透過液４１２が分離する。なお、この透過液４１２には、主にポリイオンコンプレックス形成阻害剤および水が含まれる。
【００５２】
上記処理が完了すると、図９に示されるように、第２の層１２０上に第３の層１３０が形成される。この第３の層１３０では、第１の層１１０および第２の層１２０と同様に、均質なポリイオンコンプレックス３００に触媒２２０が包括されている。また、この第３の層１３０は、第２の層１２０と密着している。その後、限外ろ過装置５００に緩衝液が投入される。そして、緩衝液の上部空間に不活性ガスが供給されると、緩衝液が第３の層１３０に向かって押し付けられ、緩衝液が各層１１０，１２０，１３０を透過する。この処理により、各層１１０，１２０，１３０からポリイオンコンプレックス形成阻害剤が洗い出される。このようにして３層構造の固定化触媒膜１０２が得られる。なお、緩衝液としては、例えば、酢酸系やリン酸系の緩衝液が用いられる。
【００５３】
＜触媒膜の使用方法＞
限外ろ過装置５００に固定化触媒膜１０２をセットし、基質を含む基質溶液をその限外ろ過装置５００に投入する。次いで、基質溶液の上部空間に不活性ガスを供給して基質溶液を固定化触媒膜１０２に押し付けると、基質溶液が固定化触媒膜１０１中に浸透する。そして、基質溶液が固定化触媒膜１０２に浸透すると、基質溶液中の基質は、第３の層１３０中の触媒２２０と接触する。この結果、触媒２２０により、「基質の分解反応」や、「基質を原料とする合成反応」が促され、基質とは異なる化合物が生成する。次に、その化合物は、第２の層１２０中の触媒２１０と接触する。この結果、触媒２１０により、「化合物の分解反応」や、「化合物を原料とする合成反応」が促され、さらに異なる化合物が生成する。その後、その化合物は、第１の層１１０中の触媒２００と接触する。この結果、触媒２００により、「化合物の分解反応」や、「化合物を原料とする合成反応」が促され、さらに異なる化合物が生成する。つまり、この固定化触媒膜１０２では、分解反応や合成反応が３段階で生じる。そして、触媒２００により生成された生成物は、溶媒（緩衝液）の流れにのって固定化触媒膜１０２の第１の層１１０を透過し、固定化触媒膜１００の系外に排出される。
【００５４】
（Ｂ）
先の実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、第１の層１１０および第２の層１２０が連続的に形成されたが、第１の層１１０および第２の層１２０が個別に作製されてもかまわない。なお、かかる場合、第１の層１１０と、第２の層１２０とを湿潤状態で積み重ねて使用することにより、固定化触媒膜１０１と同様の機能を発現することができる。
【００５５】
（Ｃ）
先の実施形態に係る固定化触媒膜の製造方法では、第１の層１１０と第２の層１２０とが密着するように固定化触媒膜１０１が形成されたが、第１の層１１０と第２の層１２０との間に、ポリイオンコンプレックスのみから成る層（つまり、触媒を含まない）が形成されてもかまわない。
【００５６】
次に、実施例を示して上記実施形態に係る固定化触媒膜１００，１０１，１０２をさらに詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例によって何ら限定されない。
【実施例１】
【００５７】
＜固定化触媒膜の作製＞
ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２００であるα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）０．０３ｇを添加して、混合溶液４００を調製した。
【００５８】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４００を投入した後、混合溶液４００の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４００を限外ろ過膜６００に向かって押し付け、混合溶液４００を限外ろ過した。
【００５９】
限外ろ過完了後、図３に示されるように、限外ろ過膜６００上に固定化触媒膜１００が形成された。次いで、限外ろ過装置５００に２０ｇの酢酸緩衝液を投入した後、酢酸緩衝液の上部空間に窒素ガスを供給して、酢酸緩衝液を固定化触媒膜１００に向かって押し付け、固定化触媒膜１００に酢酸緩衝液を透過させた。なお、この固定化触媒膜１００は乾燥されることはなく湿潤状態で使用された。
【００６０】
＜固定化触媒膜を用いた基質の分解＞
図１０に示されるように、固定化触媒膜１００を限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００にセットした。また、ｐＨ５．９の澱粉水溶液７００を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１０は、澱粉水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。限外ろ過装置５００に澱粉水溶液７００を投入し、澱粉水溶液７００の上部空間に窒素ガスを供給することにより０．２ＭＰａの圧力で澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１００に押し付け、澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１００に浸透させた。なお、このとき、澱粉水溶液７００の温度を３０℃に調整した。その結果、固定化触媒膜１００中のα−アミラーゼにより澱粉７１０が分解されて、マルトース７１１およびグルコース７１２が生成した（図１１参照）。
【００６１】
なお、固定化触媒１００の二次側（溶媒透過側）の液中のマルトース７１１およびグルコース７１２の濃度は、高速液体クロマトグラフイー（株式会社島津製作所製）を用いて検量線法により定量した。なお、測定条件は以下の通りであった。
・送液ユニット ：ＬＣ−１０ＡＤ ＶＰ
・カラムオーブン ：ＣＴＯ−１０Ａ ＶＰ
・デガッサー ：ＤＧＶ−１２Ａ
・示差屈折計検出器：ＲＩＤ−１０Ａ
・カラム名称 ：Ａｓａｈｉｐａｋ ＮＨ２Ｐ−５０ ４Ｅ（昭和電工株式会社製）
・移動相 ：７５重量％アセトニトリル水溶液
・移動相速度 ：１ｍＬ／分
・環境温度 ：３０℃
【００６２】
（参考例１）
ｐＨ５．９の澱粉水溶液を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）は、澱粉水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、この澱粉水溶液にα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）を添加した後、この澱粉水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、α−アミラーゼにより澱粉が分解されて、マルトースおよびグルコースが生成した（図１２参照）。
【実施例２】
【００６３】
触媒２００をマルターゼ（東京化成工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は実施例１と同様にして固定化触媒膜１００ａを得た。また、ｐＨ５．９のマルトース水溶液７０１を準備した。なお、基質であるマルトース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１１は、マルトース水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、図１３に示されるように、実施例１と同様にして、マルトース水溶液７０１を固定化触媒膜１００ａに浸透させた。その結果、固定化触媒膜１００ａ中のマルターゼによりマルトース７１１が分解されて、グルコース７１２が生成した（図１４参照）。
【００６４】
（参考例２）
基質をマルトース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は参考例１と同様にしてマルトース水溶液を得た。そして、このマルトース水溶液に０．０５ｇのマルターゼ（東京化成工業株式会社製、一級試薬）を添加した後、参考例１と同様に、このマルトース水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、マルターゼによりマルトースが分解されて、グルコースが生成した（図１５参照）。
【実施例３】
【００６５】
触媒２００をパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）に代えた以外は実施例１と同様にして固定化触媒膜１００ｂを得た。また、ｐＨ５．９のグルコース水溶液７０２と、ｐＨ５．０のグルコース水溶液７０２とを準備した。なお、基質であるグルコース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１２は、グルコース水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、図１６に示されるように、実施例１と同様にして、上記２種類のグルコース水溶液７０２を別々の固定化触媒膜１００ｂにそれぞれ浸透させた。その結果、固定化触媒膜１００ｂ中のパン酵母によりグルコース７１２が分解されて、エタノール７１３が生成した（図１７参照）。
【００６６】
なお、固定化触媒膜１００ｂの二次側（溶媒透過側）の液中のエタノール７１３の濃度は、ガスクロマトグラフイー（株式会社島津製作所製、ＧＣ−１４Ａ）を用いて検量線法により定量した。なお、測定条件は以下の通りであった。
・カラム名称：Ｔｈｅｒｍｏｎ−３０００ ５％ ＳＨＩＮＣＡＲＢＯＮ Ａ ６０〜８０（信和加工株式会社製）
・移動相 ：水素，ヘリウム
・移動相速度：０．５ｋｇ／ｃｍ２
・検出器 ：熱伝導度型
・環境温度 ：５０℃
【００６７】
（参考例３）
基質をグルコース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は参考例１と同様にしてグルコース水溶液を得た。そして、このグルコース水溶液に０．５ｇのパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）を添加した後、参考例１と同様に、このグルコース水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、グルコースが分解されて、エタノールが生成した（図１８参照）。
【実施例４】
【００６８】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
（１）第１の層の作製
ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２００であるマルターゼ（東京化成工業株式会社製）０．０５ｇを添加して、混合溶液４００を調製した。
【００６９】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４００を投入した後、混合溶液４００の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４００を限外ろ過膜６００に向かって押し付け、混合溶液４００を限外ろ過した。
【００７０】
限外ろ過完了後、図３に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０が形成された。
【００７１】
（２）第２の層の作製
上記と同様にして、ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２１０であるα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）を添加して、混合溶液４０１を調製した。
【００７２】
図５に示されるように、第１の層１１０が形成された限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４０１を投入した後、混合溶液４０１の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４０１を第１の層１１０に向かって押し付けた。
【００７３】
上記処理完了後、図６に示されるように、第１の層１１０上に第２の層１２０が形成された。次いで、限外ろ過装置５００に２０ｇの酢酸緩衝液を投入した後、酢酸緩衝液の上部空間に窒素ガスを供給して、酢酸緩衝液を第２の層１２０に向かって押し付け、第１の層１１０および第２の層１２０に酢酸緩衝液を透過させた。その結果、２層構造の固定化触媒膜１０１が得られた。なお、この固定化触媒膜１０１は乾燥されることはなく湿潤状態で使用された。
【００７４】
＜固定化触媒膜を用いた基質の分解＞
図１９に示されるように、固定化触媒膜１０１を限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００にセットした。また、ｐＨ５．９の澱粉水溶液７００を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１０は、澱粉水溶液全体に対して１０重量％となるように添加された。限外ろ過装置５００に澱粉水溶液７００を投入し、澱粉水溶液７００の上部空間に窒素ガスを供給することにより０．２ＭＰａの圧力で澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０１に押し付け、澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０１に浸透させた。なお、このとき、澱粉水溶液７００の温度を３０℃に調整した。その結果、第２の層１２０中のα−アミラーゼにより澱粉７１０が分解されてマルトース７１１およびグルコース７１２が生成し、そのマルトース７１１が第１の層１１０中のマルターゼにより一部分解されてグルコース７１２が生成した（図２０参照）。
【実施例５】
【００７５】
触媒２００をパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）に代え、触媒２１０をマルターゼ（東京化成工業株式会社製）に代えた以外は実施例４と同様にして固定化触媒膜１０１ａを得た。また、ｐＨ５．９のマルトース水溶液７０１を準備した。なお、基質であるマルトース（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１１は、マルトース水溶液全体に対して１重量％となるように添加された。そして、図２１に示されるように、実施例４と同様にして、マルトース溶液７０１を固定化触媒膜１０１ａに浸透させた。その結果、第２の層１２０中のマルトースによりマルトース７１１が分解されてグルコース７１２が生成し、そのグルコース７１２が第１の層１１０ａ中のパン酵母により分解されてエタノール７１３が生成した（図２２参照）。
【実施例６】
【００７６】
＜固定化触媒膜の製造方法＞
（１）第１の層の作製
ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２００であるパン酵母（オリエンタル酵母工業株式会社製）を添加して、混合溶液４００を調製した。
【００７７】
図２に示されるように、限外ろ過膜６００がセットされた限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４００を投入した後、混合溶液４００の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４００を限外ろ過膜６００に向かって押し付け、混合溶液４００を限外ろ過した。
【００７８】
限外ろ過完了後、図３に示されるように、限外ろ過膜６００上に第１の層１１０が形成された。
【００７９】
（２）第２の層の作製
上記と同様にして、ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２１０であるマルターゼ（東京化成工業株式会社製、一級試薬）を添加して、混合溶液４０１を調製した。
【００８０】
図５に示されるように、第１の層１１０が形成された限外ろ過装置５００に混合溶液４０１を投入した後、混合溶液４０１の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４０１を第１の層１１０に向かって押し付けた。
【００８１】
上記処理完了後、図６に示されるように、第１の層１１０上に第２の層１２０が形成された。
【００８２】
（３）第３の層の作製
上記と同様にして、ポリカチオン化合物３１０である四級化キトサン（日本水産株式会社製のキトサンを既知の方法で第四級アンモニウムイオン化させたもの）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第１の水溶液を準備した。また、ポリアニオン化合物３２０であるカルボキシメチルセルロースナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１．０１ｇと、ポリイオンコンプレックス形成阻害剤である臭化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）１１．２ｇとを１００ｇの酢酸緩衝液（ｐＨ５．９）に溶解させた第２の水溶液を準備した。そして、第１の水溶液と第２の水溶液とを混合させた水溶液に、触媒２２０であるα−アミラーゼ（エムピーバイオメディカルズ社製、一級試薬）を添加して、混合溶液４０２を調製した。
【００８３】
図８に示されるように、第２の層１２０が形成された限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００に混合溶液４０２を投入した後、混合溶液４０２の上部空間に窒素ガスを供給して、混合溶液４０２を第２の層１２０に向かって押し付けた。
【００８４】
上記処理完了後、図９に示されるように、第２の層１２０上に第３の層１３０が形成された。次いで、限外ろ過装置５００に２０ｇの酢酸緩衝液を投入した後、酢酸緩衝液の上部空間に窒素ガスを供給して、酢酸緩衝液を第３の層１３０に向かって押し付け、第１の層１１０、第２の層１２０および第３の層１３０に酢酸緩衝液を透過させた。その結果、３層構造の固定化触媒膜１０２が得られた。なお、この固定化触媒膜１０２は乾燥されることはなく湿潤状態で使用された。
【００８５】
＜固定化触媒膜を用いた基質の分解＞
図２３に示されるように、固定化触媒膜１０２を限外ろ過装置（アドバンテック東洋株式会社製、品名：撹拌型ウルトラホルダー）５００にセットした。また、ｐＨ５．９の澱粉水溶液７００を準備した。基質である澱粉（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）７１０は、澱粉水溶液全体に対して１０重量％となるように添加された。限外ろ過装置５００に澱粉水溶液７００を投入し、澱粉水溶液７００の上部空間に窒素ガスを供給することにより０．２ＭＰａの圧力で澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０２に押し付け、澱粉水溶液７００を固定化触媒膜１０１に浸透させた。なお、このとき、澱粉水溶液７００の温度を３０℃に調整した。その結果、第３の層１３０中のα−アミラーゼにより澱粉７１０が分解されてマルトース７１１およびグルコース７１２が生成し、そのマルトース７１１が第２の層１２０中のマルターゼにより分解されてグルコース７１２が生成し、そのグルコースが第１の層１１０中のパン酵母により分解されてエタノールが生成した（図２４参照）。
【実施例７】
【００８６】
触媒２００をウレアーゼ（フナコシ株式会社製、一級試薬）に代えた以外は実施例１と同様にして固定化触媒膜を得た。また、０．１５重量％の尿素水溶液（ｐＨ７．４）を準備した。そして、図１３に示されるように、実施例１と同様にして、尿素水溶液を固定化触媒膜に浸透させた。その結果、固定化触媒膜中のウレアーゼにより尿素が分解されて、二酸化炭素とアンモニアが生成した。
【００８７】
なお、固定化触媒膜の二次側（溶媒透過側）の液中のアンモニア濃度は、高速液体クロマトグラフイー（株式会社島津製作所製）を用いて検量線法により定量した。なお、測定条件は以下の通りであった。
・送液ユニット ：ＬＣ−１０ＡＤ ＶＰ
・カラムオーブン ：ＣＴＯ−１０Ａ ＶＰ
・デガッサー ：ＤＧＶ−１２Ａ
・示差屈折計検出器：ＲＩＤ−１０Ａ
・カラム名称 ：Ａｓａｈｉｐａｋ ＮＨ２Ｐ−５０ ４Ｅ（昭和電工株式会社製）
・移動相 ：７５重量％アセトニトリル水溶液
・移動相速度 ：１ｍＬ／分
・環境温度 ：３０℃
【００８８】
（参考例４）
基質を尿素（和光純薬工業株式会社製、一級試薬）に代えた以外は参考例１と同様にして尿素水溶液を得た。そして、この尿素水溶液にウレアーゼ（フナコシ株式会社製）を添加した後、参考例１と同様に、この尿素水溶液を３０℃に保ちながら放置した。その結果、ウレアーゼにより尿素が分解されて、二酸化炭素とアンモニアが生成した。
【符号の説明】
【００８９】
１００，１００ａ，１００ｂ，１０１，１０１ａ，１０２ 固定化触媒膜
２００，２１０，２２０ 触媒
３００ ポリイオンコンプレックス
３１０ ポリカチオン化合物
３２０ ポリアニオン化合物
４００，４０１，４０２ 混合溶液（第１溶液、第２溶液、第３溶液）
６００ 限外ろ過膜（膜）
７１０ 澱粉（基質）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも触媒、ポリカチオン化合物、ポリアニオン化合物およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を溶媒に溶解させた第１溶液を準備する第１準備工程と、
前記第１溶液を膜に供給し、前記第１溶液中の前記ポリイオンコンプレックス形成阻害剤および前記溶媒を選択的に膜透過させて、前記膜上に、前記ポリカチオン化合物および前記ポリイオン化合物からなるポリイオンコンプレックス中に前記触媒が固定化された固定化触媒膜を形成する膜形成工程と
を備える、固定化触媒膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１準備工程では、異種の前記触媒を含む複数の前記第１溶液が準備され、
前記膜形成工程では、ｎ番目の前記固定化触媒層の形成後に、前記第１溶液が前記ｎ番目の前記固定化触媒層上に供給され、前記第１溶液中の前記ポリイオンコンプレックス形成阻害剤および前記溶媒が選択的に膜透過させられて、前記ｎ番目の前記固定化触媒層上に（ｎ＋１）番目の前記固定化触媒層が形成され、多層構造の固定化触媒膜が形成される
請求項１に記載の固定化触媒膜の製造方法。
【請求項３】
ポリイオンコンプレックス中に触媒が遍在するように前記触媒がポリイオンコンプレックスに固定化される
固定化触媒膜。
【請求項４】
多層構造を有し、少なくとも２つの層の前記ポリイオンコンプレックス中に異種の前記触媒がそれぞれ固定化される
請求項３に記載の固定化触媒膜。
【請求項５】
少なくとも１種類の基質を含む第２溶液を準備する第２準備工程と、
請求項３に記載の固定化触媒膜中に前記第２溶液を供給して化合物の分解および化合物の合成の少なくとも一方を行いながら最終生成物を前記固定化触媒膜外に排出する第１膜透過反応工程と
を備える、膜透過反応方法。
【請求項６】
少なくとも１種類の基質を含む第３溶液を準備する第３準備工程と、
請求項４に記載の固定化触媒膜中に前記第３溶液を供給して各層において化合物の分解または化合物の合成を連続的に行いながら最終生成物を前記固定化触媒膜外に排出する第２膜透過反応工程と
を備える、膜透過反応方法。
【請求項１】
少なくとも触媒、ポリカチオン化合物、ポリアニオン化合物およびポリイオンコンプレックス形成阻害剤を溶媒に溶解させた第１溶液を準備する第１準備工程と、
前記第１溶液を膜に供給し、前記第１溶液中の前記ポリイオンコンプレックス形成阻害剤および前記溶媒を選択的に膜透過させて、前記膜上に、前記ポリカチオン化合物および前記ポリイオン化合物からなるポリイオンコンプレックス中に前記触媒が固定化された固定化触媒膜を形成する膜形成工程と
を備える、固定化触媒膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１準備工程では、異種の前記触媒を含む複数の前記第１溶液が準備され、
前記膜形成工程では、ｎ番目の前記固定化触媒層の形成後に、前記第１溶液が前記ｎ番目の前記固定化触媒層上に供給され、前記第１溶液中の前記ポリイオンコンプレックス形成阻害剤および前記溶媒が選択的に膜透過させられて、前記ｎ番目の前記固定化触媒層上に（ｎ＋１）番目の前記固定化触媒層が形成され、多層構造の固定化触媒膜が形成される
請求項１に記載の固定化触媒膜の製造方法。
【請求項３】
ポリイオンコンプレックス中に触媒が遍在するように前記触媒がポリイオンコンプレックスに固定化される
固定化触媒膜。
【請求項４】
多層構造を有し、少なくとも２つの層の前記ポリイオンコンプレックス中に異種の前記触媒がそれぞれ固定化される
請求項３に記載の固定化触媒膜。
【請求項５】
少なくとも１種類の基質を含む第２溶液を準備する第２準備工程と、
請求項３に記載の固定化触媒膜中に前記第２溶液を供給して化合物の分解および化合物の合成の少なくとも一方を行いながら最終生成物を前記固定化触媒膜外に排出する第１膜透過反応工程と
を備える、膜透過反応方法。
【請求項６】
少なくとも１種類の基質を含む第３溶液を準備する第３準備工程と、
請求項４に記載の固定化触媒膜中に前記第３溶液を供給して各層において化合物の分解または化合物の合成を連続的に行いながら最終生成物を前記固定化触媒膜外に排出する第２膜透過反応工程と
を備える、膜透過反応方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１２−１４３１８８（Ｐ２０１２−１４３１８８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８６２（Ｐ２０１１−３８６２）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第５６回 高分子研究発表会（神戸）予稿集 発行所：社団法人 高分子学会 発行日：平成２２年７月１６日
【出願人】（３９９０３００６０）学校法人 関西大学 (208)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第５６回 高分子研究発表会（神戸）予稿集 発行所：社団法人 高分子学会 発行日：平成２２年７月１６日
【出願人】（３９９０３００６０）学校法人 関西大学 (208)
【Ｆターム（参考）】
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