紙状バイオデバイス及びバイオリアクタ
【課題】長寿命化及び低コスト化が可能であり、かつ、高効率に除去対象物質を除去することが可能な紙状バイオデバイス及び当該紙状バイオデバイスを用いたバイオリアクタを提供する。
【解決手段】紙状基材１１と、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２と、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３と、により紙状バイオデバイス１０を構成した。
【解決手段】紙状基材１１と、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２と、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３と、により紙状バイオデバイス１０を構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紙状バイオデバイス及び当該紙状バイオデバイスを用いたバイオリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境中の汚染物質等の人体に有害な物質を高効率で除去する技術が求められている。このような技術としては、例えば、流体中の環境ホルモン等を、溶媒抽出で除去したり、活性炭、シリカゲル、アルミナ等の多孔性材料に吸着させて除去したり（例えば特許文献１参照）、酵素を用いたバイオデバイスで除去したりする技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２０２００４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、溶媒抽出法や多孔性材料を用いた吸着法で除去する場合、流体中の汚染物質等の濃度が低濃度であると、汚染物質等を効率よく除去できないという問題があった。
また、酵素を用いたバイオデバイスで除去する場合、酵素自体の経時変化により酵素活性が低下する等の影響で、寿命が短い、コストが高い等の問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、長寿命化及び低コスト化が可能であり、かつ、高効率に除去対象物質を除去することが可能な紙状バイオデバイス及び当該紙状バイオデバイスを用いたバイオリアクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、紙状バイオデバイスにおいて、
紙状基材と、
前記紙状基材上に形成されたメソ多孔性シリカ層と、
前記メソ多孔性シリカ層の細孔の内部に固定された酵素と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記メソ多孔性シリカ層は、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを前記紙状基材上に積層することによって形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記バインダーは酢酸セルロースであることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記紙状基材はセルロース紙であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、バイオリアクタシステムにおいて、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスと、
所定の流体が流れる流路と、を備え、
前記紙状バイオデバイスは、筒状に巻かれた状態で、前記流路中に配置されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のバイオリアクタシステムにおいて、
当該バイオリアクタシステムは、前記流体から除去対象物質を除去するためのシステムであり、
前記酵素はラッカーゼであり、
前記除去対象物質はフェノール系物質であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、酵素をメソ多孔性シリカ層の細孔の内部に固定することにより、酵素自体の経時変化を生じ難くして、酵素活性の低下を抑制しているとともに、メソ多孔性シリカ層を紙状基材上に形成しているので、低コスト化及び長寿命化が可能である。
さらに、紙状バイオデバイスは、酵素を用いたバイオデバイスであるので、高効率に汚染物質を除去することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の紙状バイオデバイスの構成を示す断面図である
【図２】本実施形態のバイオリアクタシステムを模式的に示す図である。
【図３】除去対象物質がフェノール系物質であり、酵素がフェノール系物質に選択的に作用するラッカーゼである場合における酵素反応を説明するための図である。
【図４】（Ａ）紙状バイオデバイスを筒状に巻いた状態を説明する図、（Ｂ）筒状に巻いた紙状バイオデバイスをケース体の本体部に収納した状態を説明する図、（Ｃ）紙状バイオデバイスを流路中に配置した状態を説明する図である。
【図５】メソ多孔性シリカのラッカーゼ吸着特性についての評価実験で得られた図である。
【図６】アセトン中におけるメソ多孔性シリカに固定されたラッカーゼの活性特性についての評価実験で得られた図である。
【図７】紙状バイオデバイスによる除去効率の流速依存性についての評価実験で得られた図である。
【図８】紙状バイオデバイスによる除去効率の循環回数依存性についての評価実験で得られた図である。
【図９】紙状バイオデバイスの動作安定性（経時安定性）についての評価実験で得られた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明を適用可能な実施形態はこれに限定されるものではなく、また、本発明は図示例に限定されるものでもない。
【００１５】
＜紙状バイオデバイス＞
本実施形態に係る紙状バイオデバイス１０は、汚水や汚染ガスなどの流体から環境ホルモン等の除去対象物質を除去するためのデバイスであり、例えば図１に示すように、紙状基材１１と、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２と、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３と、を備えて構成される。
【００１６】
（紙状基材）
紙状基材１１は、メソ多孔性シリカ層１２を保持するための支持体としての機能を有する。
なお、本実施形態では、紙状基材１１として、セルロース紙、具体的には市販されている化学実験用のろ紙を用いているが、紙状基材１１は、これに限定されるものではなく、メソ多孔性シリカ層１２を保持できる紙状の支持体であれば、その他の紙等も適宜用いることが可能である。
【００１７】
（メソ多孔性シリカ層）
メソ多孔性シリカ層１２は、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを紙状基材１１に塗布することによって形成される。
【００１８】
バインダーは、メソ多孔性シリカを紙状基材１１に固定するために、メソ多孔性シリカと紙状基材１１とを接合する接合剤としての機能を有する。
なお、本実施形態では、バインダーとして、酢酸セルロースを用いているが、バインダーは、これに限定されるものではなく、メソ多孔性シリカと紙状基材１１とを接合できる接合剤であれば、その他の高分子等も適宜用いることが可能である。
【００１９】
ここで、メソ多孔性シリカ層１２の形成方法の一例について説明する。
まず、バインダーである酢酸セルロースをアセトン等の有機溶媒に溶解させてバインダー溶液を作成する。
次いで、細孔の内部に酵素１３が固定された粉末状のメソ多孔性シリカを用意し、その粉末状のメソ多孔性シリカをバインダー溶液中に分散させてメソ多孔性シリカ分散液を作成する。
そして、メソ多孔性シリカ分散液を紙状基材１１の一方の面（或いは両面であってもよい。）に塗布して乾燥させると、細孔の内部に酵素１３が固定されたメソ多孔性シリカ層１２が紙状基材１１上に形成される。
【００２０】
なお、本実施形態では、細孔の内部に酵素１３が固定された粉末状のメソ多孔性シリカを用いて紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成するようにしたが、メソ多孔性シリカ層１２の形成方法は、これに限定されるものではなく、例えば、細孔の内部に酵素１３が固定されていない粉末状のメソ多孔性シリカを用いて紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成することも可能である。この場合、紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成した後に、当該メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に酵素１３を固定する。
【００２１】
メソ多孔性シリカ層１２を形成するメソ多孔性シリカは、粉末状であり、例えば、ケイ酸やアルミナなどの各種金属酸化物、ケイ酸と他種の金属との複合酸化物等によって構成することができる。
例えば、ケイ酸により構成されるメソ多孔性シリカの作製においては、例えば、カネマイトのような層状シリケート、アルコキシシラン、シリカゲル、水ガラス、ケイ酸ソーダ等を好ましく用いることができる。
具体的には、メソ多孔性シリカは、例えば、無機材料を界面活性剤と混合反応させて、界面活性剤のミセルの周りに無機の骨格が形成された界面活性剤／無機複合体を形成させた後、例えば、４００℃〜６００℃で焼成したり有機溶剤で抽出したりする等して界面活性剤を除去することにより作製される。これにより、メソ多孔性シリカは、無機骨格中に、界面活性剤のミセルと同じ形状のメソポア細孔を有するものとなる。
【００２２】
メソ多孔性シリカの作製において、ケイ酸等のケイ素含有化合物を出発材料とする場合には、例えば、カネマイトのような層状シリケートを形成して、この層間にミセルを挿入し、そして、ミセルが存在しない層間をシリケート分子でつなぎ、その後、ミセルを除去することによって細孔を形成することができる。
また、メソ多孔性シリカの作製において、水ガラス等のケイ素含有物質を出発材料とする場合には、例えば、ミセルの周囲にシリケート分子を集合させて重合させることによりシリカを形成し、その後、ミセルを除去することによって細孔を形成することができる。この場合、通常、ミセルの形状は柱状となり、その結果、メソ多孔性シリカに、柱状の細孔が形成されることになる。
メソ多孔性シリカは、作製段階で、界面活性剤のアルキル鎖の長さを変えてミセルの径を変化させることによって、細孔の内径を制御することができる。また、界面活性剤と併せて、トリメチルベンゼン、トリプロピルベンゼン等の比較的疎水性の分子を添加することによって、ミセルを膨潤させ、さらに大きな内径の細孔を形成することもできる。
【００２３】
メソ多孔性シリカにおける細孔の配向は、ランダムであっても、一次元シリカナノチャンネルの集合体のように方向性が制御されたものであってもよい。
メソ多孔性シリカの種類としては、細孔のサイズが均一であり、且つ、大きな空隙率を持つという特徴を有する、例えば、ＫＳＷ、ＦＳＭ、ＳＢＡ、ＭＣＭ、ＨＯＭ等の公知の種類を採用することができる。
【００２４】
メソ多孔性シリカの細孔のサイズは、当該メソ多孔性シリカにより形成されるメソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３の立体構造の変化を防止可能な程度に設定されている。これにより、酵素１３の立体構造を維持することができ、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３を安定化することができる。
具体的には、メソ多孔性シリカ層１２の細孔のサイズ（すなわち、メソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔のサイズ）は、酵素１３（酵素分子又は活性部位を含む酵素の断片）のサイズの０．５〜２．０倍程度であることが好ましく、酵素１３のサイズの０．７〜１．４倍程度であることがより好ましく、酵素１３のサイズとほぼ同等であることが最も好ましい。すなわち、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の直径（中心細孔直径）は、酵素１３の直径の０．５〜２．０倍程度であることが好ましく、酵素１３の直径の０．７〜１．４倍程度であることがより好ましく、酵素１３の直径とほぼ同等であることが最も好ましい。なお、具体的な中心細孔直径の値は、酵素１３の直径との関係で決定されるので一律には規定できないが、例えば、１〜５０ｎｍ程度とすることができる。
【００２５】
ここで、酵素１３が多量体を形成する場合には、酵素１３のサイズ（径）は、多量体のサイズ（径）とすることができる。ここで、多量体とは、２以上の酵素（タンパク質）が、直接に、又は水などの低分子を介して結合してなる化合物をいい、結合には、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合が含まれる。しかし、これらの結合の種類は、特に制限されない。
【００２６】
メソ多孔性シリカの比表面積は、例えば、２００〜１５００ｍ２程度である。
メソ多孔性シリカの細孔の深さは、２ｎｍ以上である。具体的には、好ましい深さの範囲は２０〜１０００ｎｍであり、より好ましい深さの範囲は５０〜５００ｎｍであり、最も好ましい深さの範囲は５０〜１５０ｎｍである。
メソ多孔性シリカの細孔のピッチは、細孔のピッチを細孔の中心間の距離と定義すると、好ましいピッチは２〜５００ｎｍであり、より好ましいピッチは２〜１００ｎｍであり、最も好ましいピッチは２〜５０ｎｍである。
【００２７】
（酵素）
酵素１３は、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔の内部に固定されている。
酵素１３をメソ多孔性シリカに固定する方法としては、例えば、メソ多孔性シリカに酵素１３を含む溶液（酵素溶液）を滴下するディップ法や、酵素溶液にメソ多孔性シリカを浸漬する浸漬法、メソ多孔性シリカの表面に酵素１３と反応性の高い官能基を導入して酵素１３と共有結合等する方法などが挙げられるが、特に限定されるものではない。これにより、高次構造と活性を保持したまま、酵素１３をメソ多孔性シリカの細孔の内部に導入して固定することができる。
さらに、必要に応じて、公知の酵素固定化法（例えば、導電性高分子、グルタルアルデヒド、光架橋性樹脂等を用いる固定化法等）と併用することもできる。
【００２８】
酵素１３は、汚水や汚染ガスなどの流体に含まれる除去対象物質と選択的に反応する酵素であれば任意であり、除去対象物質の種類によって適宜変更可能である。
具体的には、酵素１３は、例えば、酸化還元酵素、加水分解酵素、転移酵素、異性化酵素等の酵素（酵素タンパク質）である。
また、酵素１３は、例えば、生来の酵素分子であっても、活性部位を含む酵素の断片であってもよい。当該酵素分子又は当該活性部位を含む酵素の断片は、例えば、動植物や微生物から抽出したものであってもよいし、所望によりそれを切断したものであってもよいし、遺伝子工学的に又は化学的に合成したものであってもよい。
【００２９】
酸化還元酵素としては、例えば、ラッカーゼ、グルコースオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、アルコールオキシダーゼ、ホルムアルデヒドオキシダーゼ、ソルビトールオキシダーゼ、フルクトースオキシダーゼ、ザルコシンオキシダーゼ、フルクトシルアミンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、サルコシンオキシダーゼ、コリンオキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシ酪酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、グルタメートデヒドロゲナーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、ウリカーゼ等を用いることができる。この他に、コレステロールエステラーゼ、アセチルコリンエステラーゼ、ブチリルコリンエステラーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、さらにこれら酵素のミュータント等を用いることができる。
【００３０】
加水分解酵素としては、例えば、プロテアーゼ、リパーゼ、アミラーゼ、インベルターゼ、マルターゼ、β−ガラクトシダーゼ、リゾチーム、ウレアーゼ、エステラーゼ、ヌクレアーゼ群、ホスファターゼ群等を用いることができる。
【００３１】
転移酵素としては、例えば、各種アシル転移酵素、キナーゼ群、アミノトランスフェラーゼ群等を用いることができる。
【００３２】
異性化酵素としては、例えば、ラセマーゼ群、ホスホグリセリン酸ホスホムターゼ、グルコース６−リン酸イソメラーゼ等を用いることができる。
【００３３】
メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３は、１種類の酵素であっても、２種類以上の酵素であってもよい。
具体的には、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３は、例えば、１種類の酵素であっても、分子量及び／又はサイズ（径）が略同一の２種類以上の酵素であっても、分子量及び／又はサイズが異なる２種類以上の酵素であってもよい。また、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上である場合、酵素１３は、例えば、同種の除去対象物質（基質）に作用する２種類以上の酵素であっても、異種の除去対象物質に作用する２種類以上の酵素であっても、同種及び／又は異種の除去対象物質に作用する２種類以上の酵素であってもよい。
【００３４】
また、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上である場合、その２種類以上の酵素は、メソ多孔性シリカ層１２における別々の細孔の内部に固定されていても、同一の細孔の内部に固定されていてもよい。
さらに、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上であり、その２種類以上の酵素の中にサイズが異なる酵素が含まれる場合、当該メソ多孔性シリカ層１２を、各酵素のサイズに応じて異なる細孔径を有する同一或いは異種のメソ多孔性シリカにより形成してもよい。
ここで、特に、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上であって、その２種類以上の酵素が異種の除去対象物質に作用する場合、紙状バイオデバイス１０は、その異種の除去対象物質（２種類以上の除去対象物質）を同時に除去することができる。
【００３５】
さらに、酵素１３に加えて、電子伝達物質を、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部、具体的にはメソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔の内部に導入することも可能である。
電子伝達物質は、酵素１３と除去対象物質との間の電子の受け渡しを促進するためのものであり、酵素１３と流体中の除去対象物質との間の電子移動を媒介する媒介物質として機能する。
【００３６】
なお、電子伝達物質は、流体中に含有されていれば任意であり、例えば、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に混入した状態で流体中に含有されていてもよいし、メソ多孔性シリカ層１２やその他の担体に担持された状態で流体中に含有されていてもよい。また、除去対象物質に加えて、電子伝達物質を別途、流体中に含有させることとしてもよい。
具体的には、電子伝達物質としては、例えば、フェリシアン化カリウム、フェロセン、フェロセン誘導体、ベンゾキノン、キノン誘導体、オスミウム錯体、ＨＢＴ、ＡＢＴＳ、ビオルリン酸（violuric acid、Ｖｉｏ）、ＮＮＳ、３−ヒドロキシアントラニル酸（３−ＨＡＡ）、４−アミノアンチピリン、ＨＯＢｔ等を用いることができる。
【００３７】
酵素１３は、細孔のサイズが酵素１３のサイズの０．５〜２．０倍程度であるメソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に安定的に固定されているため、除去対象物質の分子量が大きい場合、除去対象物質とメソ多孔性シリカの表面との間に相互作用がある場合等は、酵素分子内の活性中心が除去対象物質と効率的に電子移動を行うことが難しい場合がある。また、酵素１３が、一次元シリカナノチャンネルの集合体のように方向性が制御されたアスペクト比の大きな細孔を有する粉末状のメソ多孔性シリカにより形成されメソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定されている場合にも同様である。したがって、流体中に、電子伝達物質を含有させることが好ましい。
【００３８】
また、酵素１３に加えて、補酵素も、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部、具体的にはメソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔の内部に導入することも可能である。
補酵素は、酵素１３の活性の発現を触媒するためのものであり、酵素１３と除去対象物質或いは電子伝達物質との間の電子移動を媒介する媒介物質として機能する。
【００３９】
例えば、不安定中間体を経由する反応等、酵素１３のアミノ酸側鎖の触媒作用では容易に進まない反応の場合、適当な構造を有し、酵素反応の発現に関与する低分子量の有機小分子や金属イオン、金属錯体などを補因子（cofactor）として使用することが多い。補因子の中でも有機小分子や金属錯体を補酵素と呼ぶ。特に、酵素１３として、補酵素依存型酵素を用いた場合、流体中に補酵素を導入することによって、酵素反応を効率よく行わせることができる。
【００４０】
補酵素は、酵素１３（補酵素依存型酵素）の種類に応じて、適宜選択することができる。具体的には、補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ＋）、補酵素Ｉ、補酵素ＩＩ、フラビンモノヌクレオチド（ＦＭＮ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）、リポ酸、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）、チアミンピロリン酸（ＴＰＰ）、ピリドキサルリン酸（ＰＡＬＰ）、テトラヒドロ葉酸（ＴＨＦ，Coenzyme F）、ＵＤＰグルコース（ＵＤＰＧ）、補酵素Ａ、補酵素Ｑ、ビオチン、補酵素Ｂ12(コバラミン)、Ｓ−アデノシルメチオニン等の１種又は２種以上の組み合わせが挙げられる。
【００４１】
なお、補酵素は、流体中に含有されていれば任意であり、例えば、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に混入した状態で流体に含有されていてもよいし、メソ多孔性シリカ層１２やその他の担体に担持された状態で流体中に含有されていてもよい。
また、補酵素は、例えば、補因子としての各種金属原子や金属イオン、金属錯体、各種色素など（例えば、Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋、Ｃｕ２＋、Ｚｎ２＋、Ｃｏ３＋等）とともに流体中に含有されていてもよい。
【００４２】
ここで、ＮＡＤ＋などの補酵素を使用すると、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３の活性が低下する場合があることが分かっている。これは、ＮＡＤ＋などの補酵素が、メソ多孔性シリカ層１２表面のシラノール基と反応して、酵素１３の活性に影響を与えるためであると考えられる。
そこで、この場合、流体中に、補酵素を使用した際に生じる酵素１３の活性の低下を抑制するための補酵素用活性低下抑制物質を添加するのが好ましい。
補酵素用活性低下抑制物質としては、例えば、生体高分子や、合成高分子、電解質などが挙げられる。
なお、補酵素用活性低下抑制物質は、流体中に含有されていれば任意であり、例えば、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に溶解した状態で流体に含有されていてもよいし、例えば、メソ多孔性シリカ層１２やその他の担体に担持された状態で流体に含有されていてもよい。
【００４３】
生体高分子は、分子量１０００以上の生体高分子であれば任意であり、具体的には、例えば、血清アルブミン、ゼラチン、セルロース、デンプン等である。
【００４４】
また、合成高分子は、分子量１０００以上の合成高分子であれば任意であり、具体的には、例えば、ポリエチレングリコール、デキストラン等である。
【００４５】
また、電解質は、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に溶解して、陽イオンと陰イオンとに電離する物質であれば任意であり、具体的には、例えば、塩化カリウム等である。
【００４６】
なお、流体には、補酵素用活性低下抑制物質として、分子量１０００以上の生体高分子、分子量１０００以上の合成高分子及び電解質のうちの少なくとも何れか１つが添加されていればよい。
また、流体に添加される分子量１０００以上の生体高分子の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。流体に添加される分子量１０００以上の合成高分子の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。流体に添加される電解質の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。
【００４７】
＜バイオリアクタシステム＞
本実施形態に係るバイオリアクタシステム１は、汚水等から環境ホルモン等の除去対象物質を除去するためのシステムであり、紙状バイオデバイス１０と、汚水等が流れる流路２０と、を備えて構成される。
なお、本実施形態では、バイオリアクタシステム１を、汚水等の液体から除去対象物質を除去するシステムとして構成したが、これに限ることはなく、バイオリアクタシステム１は、流体から除去対象物質を除去するシステムであれば任意であり、例えば汚染ガス等の気体から除去対象物質を除去するシステムとして構成することも可能である。
【００４８】
具体的には、バイオリアクタシステム１は、例えば図２に示すように、紙状バイオデバイス１０と、汚水等の液体が流れる流路２０と、紙状バイオデバイス１０を収納するためのケース体３０と、ケース体３０に収納された紙状バイオデバイス１０を一定の温度に保つための恒温水槽４０と、紙状バイオデバイス１０によって処理する汚水等（以下「処理前液」という。）を入れるための流入容器５０と、流入容器５０内の処理前液を流路２０に送り込むための第一ポンプ６０と、流路２０内の液体をケース体３０に収納された紙状バイオデバイス１０に循環させるための第二ポンプ７０と、紙状バイオデバイス１０によって処理された汚水等（以下「処理後液」という）を入れるための流出容器８０と、を備えて構成される。
【００４９】
また、バイオリアクタシステム１は、必要に応じて、例えば図２に示すように、流入容器５０内の処理前液に空気等の所定のガスを供給するためのガスポンプ５１や、ガスポンプ５１により供給されるガスの流量を測定するための流量計５２を備えることが好ましい。
具体的には、例えば、除去対象物質がフェノール系物質であり、酵素がフェノール系物質に選択的に作用するラッカーゼである場合、例えば図３（Ａ）に示すように、まず、酸化型のラッカーゼ（Ｅox）は、選択的触媒作用により基質（すなわち、流体中のフェノール系物質（Ｘ））を酸化して、生成物（Ｙ）を生成し、還元型のラッカーゼ（Ｅred）となる。そして、この還元型のラッカーゼ（Ｅred）は、流体中の酸素と反応して酸化型のラッカーゼ（Ｅox）に戻る。また、電子伝達物質を添加した場合、図３（Ｂ）に示すように、除去対象物質であるフェノール系物質（Ｘ）と酵素（Ｅ）との間の反応を電子伝達物質（Ｍ）が媒介し、より効率的な除去を行うことが可能となる。この場合、流体（本実施形態の場合、流路２０内の液体）中に酸素が不足していると、還元型のラッカーゼは酸化型のラッカーゼに戻ることができず、酵素反応が進まない。このように、酵素反応に酸素等の所定のガスが必要な場合、バイオリアクタシステム１にガスポンプ５１等を備えることが好ましい。
【００５０】
また、ガスポンプ５１で汚染ガス等の気体を供給する等のバブリング機能を装着すれば、バイオリアクタシステム１を汚染ガス等の気体から除去対象物質を除去するシステムとして構成することができる。
【００５１】
本実施形態において、ケース体３０は、筒状の本体部３０ａと、本体部３０ａの両端部を塞ぐための蓋部３０ｂ，３０ｂと、により構成されている。
また、バイオリアクタシステム１において、紙状バイオデバイス１０は、例えば図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、酵素１３が固定されたメソ多孔性シリカ層１２を内側にして筒状に巻かれた状態で、本体部３０ａ内に収納されている。そして、本体部３０ａは、例えば図４（Ｃ）に示すように、当該本体部３０ａの両端部が蓋部３０ｂ，３０ｂで塞がれて、当該本体部３０ａ内に収納されている筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０の貫通方向が流路２０に沿うように、当該流路２０中に配設されている。すなわち、紙状バイオデバイス１０は、筒状に巻かれた状態で、流路２０中に配置されている。
【００５２】
なお、本実施形態では、筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０をそのまま用いるように構成したが、これに限ることはなく、例えば、筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０の一端側（流出容器８０側）を塞ぐ等して、筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０の内側（中空部分）を通過する流体が、紙状バイオデバイス１０を透過して外側へと染み出す状態にして用いるように構成することも可能である。この場合、流路２０を流れる流体が紙状バイオデバイス１０を透過するので、流体中の除去対象物質を効率よく酵素１３に接触させることが可能となる。
また、本実施形態では、紙状バイオデバイス１０を筒状に巻かれた状態で流路２０中に配置するように構成したが、これに限ることはなく、例えば、紙状バイオデバイス１０を筒状に巻かずにそのまま流路２０に直交するように配置して、流路２０を流れる流体が紙状バイオデバイス１０を透過するように構成することも可能である。この場合も、流路２０を流れる流体が紙状バイオデバイス１０を透過するので、流体中の除去対象物質を効率よく酵素１３に接触させることが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態において、流路２０の両端には、例えば図２に示すように、三方バルブ２１，２１が取り付けられている。
そして、バイオリアクタシステム１は、この三方バルブ２１，２１によって、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）と、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を再び紙状バイオデバイス１０に供給する経路（図２における「Ｐａｔｈ（２）」）と、を切り替えることができるように構成されている。
【００５４】
以下、具体的な実施例によって本発明を説明するが、発明はこれらに限定されるものではない。
本実施例では、除去対象物質としてフェノール系物質であるビスフェノールＡを採用し、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定する酵素１３としてラッカーゼを採用する。また、メソ多孔性シリカ層１２を形成するバインダーとして、酢酸セルロースを採用し、それをアセトンに溶解させて使用する。
【００５５】
〔１〕メソ多孔性シリカのラッカーゼ吸着特性
まず、メソ多孔性シリカ層１２を形成するメソ多孔性シリカのラッカーゼ吸着特性について評価した。
【００５６】
具体的には、まず、サイズ（径）が７．０ｎｍよりも若干小さいラッカーゼを固定するので、細孔径（中心細孔直径）が７.０ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカを準備した。
また、ラッカーゼ濃度が１〜１５ｍｇ／ｍｌの範囲で異なる複数種類のラッカーゼ溶液を準備した。
そして、粉末状のメソ多孔性シリカを１００ｍｇずつ各ラッカーゼ溶液に浸漬させて、当該メソ多孔性シリカへのラッカーゼの吸着量を測定した。
また、比較のために、細孔径（中心細孔直径）が１．５ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカについても同様にして、当該メソ多孔性シリカへのラッカーゼの吸着量を測定した。
【００５７】
その結果を図５に示す。図５において、縦軸は１００ｍｇのメソ多孔性シリカ（ＦＳＭ）へのラッカーゼの吸着量（ｍｇ）を示し、横軸は当該メソ多孔性シリカを浸漬させたラッカーゼ溶液のラッカーゼ濃度（ｍｇ／ｍｌ）を示す。
【００５８】
図５に示す結果から、ラッカーゼ溶液の濃度にかかわらず、比較例の場合、すなわちメソ多孔性シリカの細孔径が１．５ｎｍの場合（△）よりも、実施例の場合、すなわちメソ多孔性シリカの細孔径が７．０ｎｍの場合（□）の方が、ラッカーゼの吸着量が多いことが分かった。これにより、細孔のサイズが、ラッカーゼのサイズの０．２倍程度であるメソ多孔性シリカでは、ラッカーゼの吸着量が少なく、ラッカーゼが主に細孔外部の表面部分に吸着していると考えられる。これに対し、細孔のサイズが、ラッカーゼのサイズとほぼ同等であるメソ多孔性シリカでは、ラッカーゼの吸着量が多く、大部分のラッカーゼが細孔内部に吸着（固定）していると考えられる。
また、図５に示す結果から、実施例の場合、すなわちメソ多孔性シリカの細孔径が７．０ｎｍの場合（□）は、ラッカーゼ濃度が約１０ｍｇ／ｍｌで吸着量が飽和に達することが分かった。
【００５９】
〔２〕アセトン中におけるメソ多孔性シリカに固定されたラッカーゼの活性特性
次に、メソ多孔性シリカ層１２を形成するバインダー（酢酸セルロース）を溶解させるアセトン中における、メソ多孔性シリカに固定されたラッカーゼの活性特定について評価した。
【００６０】
具体的には、まず、細孔径（中心細孔直径）が７.０ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカを、ラッカーゼ濃度が１０ｍｇ／ｍｌのラッカーゼ溶液に浸漬させて、ラッカーゼが固定された粉末状のメソ多孔性シリカ（以下「Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０」という。）を作成した。
そして、Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０をアセトンに添加して、所定時間毎に当該Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０中のラッカーゼの酵素活性を測定した。
【００６１】
その結果を図６に示す。図６において、縦軸は相対酵素活性（％）＝１００×（（時間“Ｔ１”経過後のＬａｃ−ＦＳＭ７．０のラッカーゼの酵素活性）／（アセトンに添加する前のＬａｃ−ＦＳＭ７．０のラッカーゼの酵素活性））を示し、横軸は時間“Ｔ１”（ｍｉｎ）を示す。
【００６２】
図６に示す結果から、Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０のアセトン中での保存時間が２５００分を超えても、相対酵素活性が８０％以上を維持できることが分かった。すなわち、ラッカーゼが固定されたメソ多孔性シリカを、酢酸セルロースをアセトンに溶解させて作成したバインダー溶液中に分散させた状態でも、当該ラッカーゼの活性を長時間維持できることが分かった。これにより、ラッカーゼ（酵素１３）の活性を維持した状態で、紙状バイオデバイス１０を作成できることが分かった。
【００６３】
〔３〕紙状バイオデバイス１０による除去効率の流速依存性
次に、紙状バイオデバイス１０を作成し、それを備えたバイオリアクタシステム１を構成して、当該紙状バイオデバイス１０による除去効率の流速依存性について評価した。
【００６４】
具体的には、まず、細孔径（中心細孔直径）が７.０ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカを、ラッカーゼ濃度が１０ｍｇ／ｍｌのラッカーゼ溶液に浸漬させて、Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０を作成した。
次いで、バインダー溶液として、酢酸セルロースを１０％含むアセトン溶液を準備し、そのバインダー溶液に１００ｍｇのＬａｃ−ＦＳＭ７．０を分散させて、メソ多孔性シリカ分散液を作成した。
次いで、紙状基材１１として、市販されている化学実験用のろ紙を５．０ｃｍ×２０．０ｃｍの矩形状に切断したものを準備し、その紙状基材１１の一方の面にメソ多孔性シリカ分散液を塗布して、真空デシケータ中で１２時間静置した。
次いで、紙状基材１１に塗布されているメソ多孔性シリカ分散液を蒸留水でリンスしてポリマー化し、真空デシケータ中で２４時間乾燥させて、紙状バイオデバイス１０を作成した。
【００６５】
次いで、ケース体３０の本体部３０ａとして、ガラス製の筒（長さ：６ｃｍ、内径：１０ｍｍ）を準備し、その本体部３０ａ内に、筒状に巻いた紙状バイオデバイス１０を収納し、紙状バイオデバイス１０を備えたバイオリアクタシステム１を構成した。
次いで、恒温水槽４０の温度を３０℃に設定し、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替えた。
次いで、処理前液として、１．０ｍＭのビスフェノールＡ溶液を準備し、流入容器５０に入れた。
次いで、第一ポンプ６０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０〜１８．０ｍｌ／ｍｉｎの範囲で異なる複数種類の流速を設定し、第一ポンプ６０を動作させた。
そして、各流速について流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００６６】
その結果を図７に示す。図７において、縦軸は除去効率（％）＝１００×（［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（流速“Ｓ”での処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］／［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（流速２．０ｍｌ／ｍｉｎでの処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］）を示し、横軸は流速“Ｓ”（ｍｌ／ｍｉｎ）を示す。
【００６７】
図７に示す結果から、流速が大きくなるほど、除去効率が低下することが分かった。これにより、除去対象物質（ビスフェノールＡ）を含む流体の滞留時間が大きいほど、酵素１３（ラッカーゼ）との反応が十分に進行し、効率的に除去対象物質（ビスフェノールＡ）を除去できることが分かった。
【００６８】
〔４〕紙状バイオデバイス１０による除去効率の循環回数依存性
次に、紙状バイオデバイス１０による除去効率の循環回数依存性について評価した。
【００６９】
具体的には、まず、上記〔３〕の場合と同様にして、紙状バイオデバイス１０を備えたバイオリアクタシステム１を構成した。
次いで、恒温水槽４０の温度を３０℃に設定し、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替えた。
次いで、処理前液として、１．０ｍＭのビスフェノールＡ溶液を準備して流入容器５０に入れ、第一ポンプ６０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０ｍｌ／ｍｉｎを設定し、第一ポンプ６０を動作させた。
【００７０】
次いで、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を再び紙状バイオデバイス１０に供給する経路（図２における「Ｐａｔｈ（２）」）に切り替えた。
次いで、第二ポンプ７０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０ｍｌ／ｍｉｎを設定し、第二ポンプ７０を動作させて、流路２０内の液体を紙状バイオデバイス１０に循環させた。
【００７１】
次いで、循環回数が所定回数に達すると、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替え、具体的には、流入容器５０側の三方バルブ２１はそのまま（「Ｐａｔｈ（２）」のまま）の状態で、流出容器８０側の三方バルブ２１を「Ｐａｔｈ（１）」と同様に切り替えて、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７２】
また、比較のために、ラッカーゼが固定されていない粉末状のメソ多孔性シリカを用いて作成したデバイスを備えたリアクタを構成し、同様にして、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７３】
その結果を図８に示す。図８において、縦軸はビスフェノールＡの相対濃度（％）＝１００×（（循環回数“Ｎ”での処理後液中のビスフェノールＡ濃度）／（処理前液中のビスフェノールＡ濃度））を示し、横軸は循環回数“Ｎ”（回）を示す。
【００７４】
図８に示す結果から、比較例の場合、すなわちメソ多孔性シリカ層１２にラッカーゼが固定されていない場合（△）でも、循環回数が増加するほど、相対濃度が低下することが分かった。また、比較例の場合は、所定濃度以下の低濃度のビスフェノールＡは除去できないことが分かった。これにより、所定濃度を上回る高濃度のビスフェノールＡは、酵素１３（ラッカーゼ）が固定されていないメソ多孔性シリカ層１２や紙状基材１１への吸着だけでも除去できるが、所定濃度以下の低濃度のビスフェノールＡは除去できないことが分かった。
【００７５】
一方、実施例の場合、すなわちメソ多孔性シリカ層１２にラッカーゼが固定されている場合（□）も、循環回数が増加するほど、相対濃度が低下することが分かった。また、実施例の場合は、所定濃度以下の低濃度のビスフェノールＡでも除去できることが分かった。これにより、ビスフェノールＡは、メソ多孔性シリカ層１２に固定されたラッカーゼとの反応により、非常に低濃度であっても効率的に除去できることが分かった。これは、メソ多孔性シリカの比表面積が非常に大きく酵素１３（ラッカーゼ）を高密度に固定できること、固定された酵素１３（ラッカーゼ）の活性が維持されていることが効いていると考えられる。
【００７６】
〔５〕紙状バイオデバイス１０の動作安定性（経時安定性）
次に、紙状バイオデバイス１０の動作安定性（経時安定性）について評価した。
【００７７】
具体的には、まず、上記〔３〕の場合と同様にして、紙状バイオデバイス１０を備えたバイオリアクタシステム１を構成した。
次いで、恒温水槽４０の温度を３０℃に設定し、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替えた。
次いで、処理前液として、１．０ｍＭのビスフェノールＡ溶液を準備して流入容器５０に入れ、第一ポンプ６０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０ｍｌ／ｍｉｎを設定し、第一ポンプ６０を動作させた。
そして、所定時間毎に、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７８】
また、比較のために、ラッカーゼをメソ多孔性シリカに固定しない状態でバインダー溶液に分散させて作成したデバイスを備えたリアクタを構成し、同様にして、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７９】
その結果を図９に示す。図９において、縦軸は除去効率（％）＝１００×（［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（時間“Ｔ２”経過後の処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］／［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（時間０．５ｈでの処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］）を示し、横軸は時間“Ｔ２”（ｈ）を示す。
【００８０】
図９に示す結果から、比較例の場合、すなわちラッカーゼをメソ多孔性シリカ層１２に固定しない場合（△）は、時間が経過するほど除去効率が低下し、約４５０時間が経過すると、除去効率がほぼ０％になることが分かった。これにより、ラッカーゼをメソ多孔性シリカ層１２に固定しないと、当該ラッカーゼが剥がれてしまったり失活してしまったりすることが分かった。
【００８１】
一方、実施例の場合、すなわちラッカーゼをメソ多孔性シリカ層１２に固定した場合（□）は、時間が経過してもほとんど除去効率が低下せず、１４００時間が経過しても、除去効率が９０％程度を維持できることが分かった。これは、メソ多孔性シリカ層１２（具体的には、メソ多孔性シリカ層１２を形成するメソ多孔性シリカ）の細孔のサイズが、酵素１３（ラッカーゼ）のサイズとほぼ同じであるため、酵素１３（ラッカーゼ）が構造的に安定した状態で固定されて、活性が維持されているためと考えられる。
【００８２】
以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、紙状バイオデバイス１０は、紙状基材１１と、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２と、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３と、を備えて構成されている。
すなわち、酵素１３をメソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定することにより、酵素１３自体の経時変化を生じ難くして、酵素活性の低下を抑制しているとともに、メソ多孔性シリカ層１２を紙状基材１１上に形成しているので、低コスト化及び長寿命化が可能である。
さらに、紙状バイオデバイス１０は、酵素１３を用いたバイオデバイスであるので、高効率に汚染物質等の除去対象物質を除去することが可能である。
【００８３】
また、以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを紙状基材１１上に積層するだけの簡易な手法で、紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成することができる。
【００８４】
また、以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、バインダーは酢酸セルロースであるので、取り扱い易く低コスト化が容易である。
【００８５】
また、以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、紙状基材１１はセルロース紙であるので、取り扱い易く低コスト化が容易である。
【００８６】
また、以上説明した本実施形態のバイオリアクタシステム１によれば、紙状バイオデバイス１０は、筒状に巻かれた状態で流路２０中に配置されているので、非常に簡便な構成で、汚染物質等の除去対象物質を除去することが可能である。
【００８７】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨から逸脱しない限り、適宜変更可能であることはいうまでもない。
【００８８】
例えば、上記の実施形態では、紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１を、流体から除去対象物質を除去するデバイス及びシステムとして構成したが、これに限定されることはなく、例えば、有用な物質を高効率で生成するデバイス及びシステムとして構成することも可能である。例えば、アルコール脱水素酵素の逆反応を利用して、アルデヒドからエタノールを生成すること等も可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ バイオリアクタシステム
１０ 紙状バイオデバイス
１１ 紙状基材
１２ メソ多孔性シリカ層
１３ 酵素
２０ 流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紙状バイオデバイス及び当該紙状バイオデバイスを用いたバイオリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境中の汚染物質等の人体に有害な物質を高効率で除去する技術が求められている。このような技術としては、例えば、流体中の環境ホルモン等を、溶媒抽出で除去したり、活性炭、シリカゲル、アルミナ等の多孔性材料に吸着させて除去したり（例えば特許文献１参照）、酵素を用いたバイオデバイスで除去したりする技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２０２００４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、溶媒抽出法や多孔性材料を用いた吸着法で除去する場合、流体中の汚染物質等の濃度が低濃度であると、汚染物質等を効率よく除去できないという問題があった。
また、酵素を用いたバイオデバイスで除去する場合、酵素自体の経時変化により酵素活性が低下する等の影響で、寿命が短い、コストが高い等の問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、長寿命化及び低コスト化が可能であり、かつ、高効率に除去対象物質を除去することが可能な紙状バイオデバイス及び当該紙状バイオデバイスを用いたバイオリアクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、紙状バイオデバイスにおいて、
紙状基材と、
前記紙状基材上に形成されたメソ多孔性シリカ層と、
前記メソ多孔性シリカ層の細孔の内部に固定された酵素と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記メソ多孔性シリカ層は、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを前記紙状基材上に積層することによって形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記バインダーは酢酸セルロースであることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記紙状基材はセルロース紙であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、バイオリアクタシステムにおいて、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスと、
所定の流体が流れる流路と、を備え、
前記紙状バイオデバイスは、筒状に巻かれた状態で、前記流路中に配置されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のバイオリアクタシステムにおいて、
当該バイオリアクタシステムは、前記流体から除去対象物質を除去するためのシステムであり、
前記酵素はラッカーゼであり、
前記除去対象物質はフェノール系物質であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、酵素をメソ多孔性シリカ層の細孔の内部に固定することにより、酵素自体の経時変化を生じ難くして、酵素活性の低下を抑制しているとともに、メソ多孔性シリカ層を紙状基材上に形成しているので、低コスト化及び長寿命化が可能である。
さらに、紙状バイオデバイスは、酵素を用いたバイオデバイスであるので、高効率に汚染物質を除去することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の紙状バイオデバイスの構成を示す断面図である
【図２】本実施形態のバイオリアクタシステムを模式的に示す図である。
【図３】除去対象物質がフェノール系物質であり、酵素がフェノール系物質に選択的に作用するラッカーゼである場合における酵素反応を説明するための図である。
【図４】（Ａ）紙状バイオデバイスを筒状に巻いた状態を説明する図、（Ｂ）筒状に巻いた紙状バイオデバイスをケース体の本体部に収納した状態を説明する図、（Ｃ）紙状バイオデバイスを流路中に配置した状態を説明する図である。
【図５】メソ多孔性シリカのラッカーゼ吸着特性についての評価実験で得られた図である。
【図６】アセトン中におけるメソ多孔性シリカに固定されたラッカーゼの活性特性についての評価実験で得られた図である。
【図７】紙状バイオデバイスによる除去効率の流速依存性についての評価実験で得られた図である。
【図８】紙状バイオデバイスによる除去効率の循環回数依存性についての評価実験で得られた図である。
【図９】紙状バイオデバイスの動作安定性（経時安定性）についての評価実験で得られた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明を適用可能な実施形態はこれに限定されるものではなく、また、本発明は図示例に限定されるものでもない。
【００１５】
＜紙状バイオデバイス＞
本実施形態に係る紙状バイオデバイス１０は、汚水や汚染ガスなどの流体から環境ホルモン等の除去対象物質を除去するためのデバイスであり、例えば図１に示すように、紙状基材１１と、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２と、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３と、を備えて構成される。
【００１６】
（紙状基材）
紙状基材１１は、メソ多孔性シリカ層１２を保持するための支持体としての機能を有する。
なお、本実施形態では、紙状基材１１として、セルロース紙、具体的には市販されている化学実験用のろ紙を用いているが、紙状基材１１は、これに限定されるものではなく、メソ多孔性シリカ層１２を保持できる紙状の支持体であれば、その他の紙等も適宜用いることが可能である。
【００１７】
（メソ多孔性シリカ層）
メソ多孔性シリカ層１２は、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを紙状基材１１に塗布することによって形成される。
【００１８】
バインダーは、メソ多孔性シリカを紙状基材１１に固定するために、メソ多孔性シリカと紙状基材１１とを接合する接合剤としての機能を有する。
なお、本実施形態では、バインダーとして、酢酸セルロースを用いているが、バインダーは、これに限定されるものではなく、メソ多孔性シリカと紙状基材１１とを接合できる接合剤であれば、その他の高分子等も適宜用いることが可能である。
【００１９】
ここで、メソ多孔性シリカ層１２の形成方法の一例について説明する。
まず、バインダーである酢酸セルロースをアセトン等の有機溶媒に溶解させてバインダー溶液を作成する。
次いで、細孔の内部に酵素１３が固定された粉末状のメソ多孔性シリカを用意し、その粉末状のメソ多孔性シリカをバインダー溶液中に分散させてメソ多孔性シリカ分散液を作成する。
そして、メソ多孔性シリカ分散液を紙状基材１１の一方の面（或いは両面であってもよい。）に塗布して乾燥させると、細孔の内部に酵素１３が固定されたメソ多孔性シリカ層１２が紙状基材１１上に形成される。
【００２０】
なお、本実施形態では、細孔の内部に酵素１３が固定された粉末状のメソ多孔性シリカを用いて紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成するようにしたが、メソ多孔性シリカ層１２の形成方法は、これに限定されるものではなく、例えば、細孔の内部に酵素１３が固定されていない粉末状のメソ多孔性シリカを用いて紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成することも可能である。この場合、紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成した後に、当該メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に酵素１３を固定する。
【００２１】
メソ多孔性シリカ層１２を形成するメソ多孔性シリカは、粉末状であり、例えば、ケイ酸やアルミナなどの各種金属酸化物、ケイ酸と他種の金属との複合酸化物等によって構成することができる。
例えば、ケイ酸により構成されるメソ多孔性シリカの作製においては、例えば、カネマイトのような層状シリケート、アルコキシシラン、シリカゲル、水ガラス、ケイ酸ソーダ等を好ましく用いることができる。
具体的には、メソ多孔性シリカは、例えば、無機材料を界面活性剤と混合反応させて、界面活性剤のミセルの周りに無機の骨格が形成された界面活性剤／無機複合体を形成させた後、例えば、４００℃〜６００℃で焼成したり有機溶剤で抽出したりする等して界面活性剤を除去することにより作製される。これにより、メソ多孔性シリカは、無機骨格中に、界面活性剤のミセルと同じ形状のメソポア細孔を有するものとなる。
【００２２】
メソ多孔性シリカの作製において、ケイ酸等のケイ素含有化合物を出発材料とする場合には、例えば、カネマイトのような層状シリケートを形成して、この層間にミセルを挿入し、そして、ミセルが存在しない層間をシリケート分子でつなぎ、その後、ミセルを除去することによって細孔を形成することができる。
また、メソ多孔性シリカの作製において、水ガラス等のケイ素含有物質を出発材料とする場合には、例えば、ミセルの周囲にシリケート分子を集合させて重合させることによりシリカを形成し、その後、ミセルを除去することによって細孔を形成することができる。この場合、通常、ミセルの形状は柱状となり、その結果、メソ多孔性シリカに、柱状の細孔が形成されることになる。
メソ多孔性シリカは、作製段階で、界面活性剤のアルキル鎖の長さを変えてミセルの径を変化させることによって、細孔の内径を制御することができる。また、界面活性剤と併せて、トリメチルベンゼン、トリプロピルベンゼン等の比較的疎水性の分子を添加することによって、ミセルを膨潤させ、さらに大きな内径の細孔を形成することもできる。
【００２３】
メソ多孔性シリカにおける細孔の配向は、ランダムであっても、一次元シリカナノチャンネルの集合体のように方向性が制御されたものであってもよい。
メソ多孔性シリカの種類としては、細孔のサイズが均一であり、且つ、大きな空隙率を持つという特徴を有する、例えば、ＫＳＷ、ＦＳＭ、ＳＢＡ、ＭＣＭ、ＨＯＭ等の公知の種類を採用することができる。
【００２４】
メソ多孔性シリカの細孔のサイズは、当該メソ多孔性シリカにより形成されるメソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３の立体構造の変化を防止可能な程度に設定されている。これにより、酵素１３の立体構造を維持することができ、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３を安定化することができる。
具体的には、メソ多孔性シリカ層１２の細孔のサイズ（すなわち、メソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔のサイズ）は、酵素１３（酵素分子又は活性部位を含む酵素の断片）のサイズの０．５〜２．０倍程度であることが好ましく、酵素１３のサイズの０．７〜１．４倍程度であることがより好ましく、酵素１３のサイズとほぼ同等であることが最も好ましい。すなわち、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の直径（中心細孔直径）は、酵素１３の直径の０．５〜２．０倍程度であることが好ましく、酵素１３の直径の０．７〜１．４倍程度であることがより好ましく、酵素１３の直径とほぼ同等であることが最も好ましい。なお、具体的な中心細孔直径の値は、酵素１３の直径との関係で決定されるので一律には規定できないが、例えば、１〜５０ｎｍ程度とすることができる。
【００２５】
ここで、酵素１３が多量体を形成する場合には、酵素１３のサイズ（径）は、多量体のサイズ（径）とすることができる。ここで、多量体とは、２以上の酵素（タンパク質）が、直接に、又は水などの低分子を介して結合してなる化合物をいい、結合には、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合が含まれる。しかし、これらの結合の種類は、特に制限されない。
【００２６】
メソ多孔性シリカの比表面積は、例えば、２００〜１５００ｍ２程度である。
メソ多孔性シリカの細孔の深さは、２ｎｍ以上である。具体的には、好ましい深さの範囲は２０〜１０００ｎｍであり、より好ましい深さの範囲は５０〜５００ｎｍであり、最も好ましい深さの範囲は５０〜１５０ｎｍである。
メソ多孔性シリカの細孔のピッチは、細孔のピッチを細孔の中心間の距離と定義すると、好ましいピッチは２〜５００ｎｍであり、より好ましいピッチは２〜１００ｎｍであり、最も好ましいピッチは２〜５０ｎｍである。
【００２７】
（酵素）
酵素１３は、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔の内部に固定されている。
酵素１３をメソ多孔性シリカに固定する方法としては、例えば、メソ多孔性シリカに酵素１３を含む溶液（酵素溶液）を滴下するディップ法や、酵素溶液にメソ多孔性シリカを浸漬する浸漬法、メソ多孔性シリカの表面に酵素１３と反応性の高い官能基を導入して酵素１３と共有結合等する方法などが挙げられるが、特に限定されるものではない。これにより、高次構造と活性を保持したまま、酵素１３をメソ多孔性シリカの細孔の内部に導入して固定することができる。
さらに、必要に応じて、公知の酵素固定化法（例えば、導電性高分子、グルタルアルデヒド、光架橋性樹脂等を用いる固定化法等）と併用することもできる。
【００２８】
酵素１３は、汚水や汚染ガスなどの流体に含まれる除去対象物質と選択的に反応する酵素であれば任意であり、除去対象物質の種類によって適宜変更可能である。
具体的には、酵素１３は、例えば、酸化還元酵素、加水分解酵素、転移酵素、異性化酵素等の酵素（酵素タンパク質）である。
また、酵素１３は、例えば、生来の酵素分子であっても、活性部位を含む酵素の断片であってもよい。当該酵素分子又は当該活性部位を含む酵素の断片は、例えば、動植物や微生物から抽出したものであってもよいし、所望によりそれを切断したものであってもよいし、遺伝子工学的に又は化学的に合成したものであってもよい。
【００２９】
酸化還元酵素としては、例えば、ラッカーゼ、グルコースオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、アルコールオキシダーゼ、ホルムアルデヒドオキシダーゼ、ソルビトールオキシダーゼ、フルクトースオキシダーゼ、ザルコシンオキシダーゼ、フルクトシルアミンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、サルコシンオキシダーゼ、コリンオキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシ酪酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、グルタメートデヒドロゲナーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、ウリカーゼ等を用いることができる。この他に、コレステロールエステラーゼ、アセチルコリンエステラーゼ、ブチリルコリンエステラーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、さらにこれら酵素のミュータント等を用いることができる。
【００３０】
加水分解酵素としては、例えば、プロテアーゼ、リパーゼ、アミラーゼ、インベルターゼ、マルターゼ、β−ガラクトシダーゼ、リゾチーム、ウレアーゼ、エステラーゼ、ヌクレアーゼ群、ホスファターゼ群等を用いることができる。
【００３１】
転移酵素としては、例えば、各種アシル転移酵素、キナーゼ群、アミノトランスフェラーゼ群等を用いることができる。
【００３２】
異性化酵素としては、例えば、ラセマーゼ群、ホスホグリセリン酸ホスホムターゼ、グルコース６−リン酸イソメラーゼ等を用いることができる。
【００３３】
メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３は、１種類の酵素であっても、２種類以上の酵素であってもよい。
具体的には、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３は、例えば、１種類の酵素であっても、分子量及び／又はサイズ（径）が略同一の２種類以上の酵素であっても、分子量及び／又はサイズが異なる２種類以上の酵素であってもよい。また、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上である場合、酵素１３は、例えば、同種の除去対象物質（基質）に作用する２種類以上の酵素であっても、異種の除去対象物質に作用する２種類以上の酵素であっても、同種及び／又は異種の除去対象物質に作用する２種類以上の酵素であってもよい。
【００３４】
また、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上である場合、その２種類以上の酵素は、メソ多孔性シリカ層１２における別々の細孔の内部に固定されていても、同一の細孔の内部に固定されていてもよい。
さらに、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上であり、その２種類以上の酵素の中にサイズが異なる酵素が含まれる場合、当該メソ多孔性シリカ層１２を、各酵素のサイズに応じて異なる細孔径を有する同一或いは異種のメソ多孔性シリカにより形成してもよい。
ここで、特に、メソ多孔性シリカ層１２に固定する酵素１３が２種類以上であって、その２種類以上の酵素が異種の除去対象物質に作用する場合、紙状バイオデバイス１０は、その異種の除去対象物質（２種類以上の除去対象物質）を同時に除去することができる。
【００３５】
さらに、酵素１３に加えて、電子伝達物質を、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部、具体的にはメソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔の内部に導入することも可能である。
電子伝達物質は、酵素１３と除去対象物質との間の電子の受け渡しを促進するためのものであり、酵素１３と流体中の除去対象物質との間の電子移動を媒介する媒介物質として機能する。
【００３６】
なお、電子伝達物質は、流体中に含有されていれば任意であり、例えば、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に混入した状態で流体中に含有されていてもよいし、メソ多孔性シリカ層１２やその他の担体に担持された状態で流体中に含有されていてもよい。また、除去対象物質に加えて、電子伝達物質を別途、流体中に含有させることとしてもよい。
具体的には、電子伝達物質としては、例えば、フェリシアン化カリウム、フェロセン、フェロセン誘導体、ベンゾキノン、キノン誘導体、オスミウム錯体、ＨＢＴ、ＡＢＴＳ、ビオルリン酸（violuric acid、Ｖｉｏ）、ＮＮＳ、３−ヒドロキシアントラニル酸（３−ＨＡＡ）、４−アミノアンチピリン、ＨＯＢｔ等を用いることができる。
【００３７】
酵素１３は、細孔のサイズが酵素１３のサイズの０．５〜２．０倍程度であるメソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に安定的に固定されているため、除去対象物質の分子量が大きい場合、除去対象物質とメソ多孔性シリカの表面との間に相互作用がある場合等は、酵素分子内の活性中心が除去対象物質と効率的に電子移動を行うことが難しい場合がある。また、酵素１３が、一次元シリカナノチャンネルの集合体のように方向性が制御されたアスペクト比の大きな細孔を有する粉末状のメソ多孔性シリカにより形成されメソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定されている場合にも同様である。したがって、流体中に、電子伝達物質を含有させることが好ましい。
【００３８】
また、酵素１３に加えて、補酵素も、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部、具体的にはメソ多孔性シリカ層１２を形成する粉末状のメソ多孔性シリカの細孔の内部に導入することも可能である。
補酵素は、酵素１３の活性の発現を触媒するためのものであり、酵素１３と除去対象物質或いは電子伝達物質との間の電子移動を媒介する媒介物質として機能する。
【００３９】
例えば、不安定中間体を経由する反応等、酵素１３のアミノ酸側鎖の触媒作用では容易に進まない反応の場合、適当な構造を有し、酵素反応の発現に関与する低分子量の有機小分子や金属イオン、金属錯体などを補因子（cofactor）として使用することが多い。補因子の中でも有機小分子や金属錯体を補酵素と呼ぶ。特に、酵素１３として、補酵素依存型酵素を用いた場合、流体中に補酵素を導入することによって、酵素反応を効率よく行わせることができる。
【００４０】
補酵素は、酵素１３（補酵素依存型酵素）の種類に応じて、適宜選択することができる。具体的には、補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ＋）、補酵素Ｉ、補酵素ＩＩ、フラビンモノヌクレオチド（ＦＭＮ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）、リポ酸、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）、チアミンピロリン酸（ＴＰＰ）、ピリドキサルリン酸（ＰＡＬＰ）、テトラヒドロ葉酸（ＴＨＦ，Coenzyme F）、ＵＤＰグルコース（ＵＤＰＧ）、補酵素Ａ、補酵素Ｑ、ビオチン、補酵素Ｂ12(コバラミン)、Ｓ−アデノシルメチオニン等の１種又は２種以上の組み合わせが挙げられる。
【００４１】
なお、補酵素は、流体中に含有されていれば任意であり、例えば、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に混入した状態で流体に含有されていてもよいし、メソ多孔性シリカ層１２やその他の担体に担持された状態で流体中に含有されていてもよい。
また、補酵素は、例えば、補因子としての各種金属原子や金属イオン、金属錯体、各種色素など（例えば、Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋、Ｃｕ２＋、Ｚｎ２＋、Ｃｏ３＋等）とともに流体中に含有されていてもよい。
【００４２】
ここで、ＮＡＤ＋などの補酵素を使用すると、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３の活性が低下する場合があることが分かっている。これは、ＮＡＤ＋などの補酵素が、メソ多孔性シリカ層１２表面のシラノール基と反応して、酵素１３の活性に影響を与えるためであると考えられる。
そこで、この場合、流体中に、補酵素を使用した際に生じる酵素１３の活性の低下を抑制するための補酵素用活性低下抑制物質を添加するのが好ましい。
補酵素用活性低下抑制物質としては、例えば、生体高分子や、合成高分子、電解質などが挙げられる。
なお、補酵素用活性低下抑制物質は、流体中に含有されていれば任意であり、例えば、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に溶解した状態で流体に含有されていてもよいし、例えば、メソ多孔性シリカ層１２やその他の担体に担持された状態で流体に含有されていてもよい。
【００４３】
生体高分子は、分子量１０００以上の生体高分子であれば任意であり、具体的には、例えば、血清アルブミン、ゼラチン、セルロース、デンプン等である。
【００４４】
また、合成高分子は、分子量１０００以上の合成高分子であれば任意であり、具体的には、例えば、ポリエチレングリコール、デキストラン等である。
【００４５】
また、電解質は、流入容器５０内の処理前液（後述）等の流体に溶解して、陽イオンと陰イオンとに電離する物質であれば任意であり、具体的には、例えば、塩化カリウム等である。
【００４６】
なお、流体には、補酵素用活性低下抑制物質として、分子量１０００以上の生体高分子、分子量１０００以上の合成高分子及び電解質のうちの少なくとも何れか１つが添加されていればよい。
また、流体に添加される分子量１０００以上の生体高分子の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。流体に添加される分子量１０００以上の合成高分子の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。流体に添加される電解質の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。
【００４７】
＜バイオリアクタシステム＞
本実施形態に係るバイオリアクタシステム１は、汚水等から環境ホルモン等の除去対象物質を除去するためのシステムであり、紙状バイオデバイス１０と、汚水等が流れる流路２０と、を備えて構成される。
なお、本実施形態では、バイオリアクタシステム１を、汚水等の液体から除去対象物質を除去するシステムとして構成したが、これに限ることはなく、バイオリアクタシステム１は、流体から除去対象物質を除去するシステムであれば任意であり、例えば汚染ガス等の気体から除去対象物質を除去するシステムとして構成することも可能である。
【００４８】
具体的には、バイオリアクタシステム１は、例えば図２に示すように、紙状バイオデバイス１０と、汚水等の液体が流れる流路２０と、紙状バイオデバイス１０を収納するためのケース体３０と、ケース体３０に収納された紙状バイオデバイス１０を一定の温度に保つための恒温水槽４０と、紙状バイオデバイス１０によって処理する汚水等（以下「処理前液」という。）を入れるための流入容器５０と、流入容器５０内の処理前液を流路２０に送り込むための第一ポンプ６０と、流路２０内の液体をケース体３０に収納された紙状バイオデバイス１０に循環させるための第二ポンプ７０と、紙状バイオデバイス１０によって処理された汚水等（以下「処理後液」という）を入れるための流出容器８０と、を備えて構成される。
【００４９】
また、バイオリアクタシステム１は、必要に応じて、例えば図２に示すように、流入容器５０内の処理前液に空気等の所定のガスを供給するためのガスポンプ５１や、ガスポンプ５１により供給されるガスの流量を測定するための流量計５２を備えることが好ましい。
具体的には、例えば、除去対象物質がフェノール系物質であり、酵素がフェノール系物質に選択的に作用するラッカーゼである場合、例えば図３（Ａ）に示すように、まず、酸化型のラッカーゼ（Ｅox）は、選択的触媒作用により基質（すなわち、流体中のフェノール系物質（Ｘ））を酸化して、生成物（Ｙ）を生成し、還元型のラッカーゼ（Ｅred）となる。そして、この還元型のラッカーゼ（Ｅred）は、流体中の酸素と反応して酸化型のラッカーゼ（Ｅox）に戻る。また、電子伝達物質を添加した場合、図３（Ｂ）に示すように、除去対象物質であるフェノール系物質（Ｘ）と酵素（Ｅ）との間の反応を電子伝達物質（Ｍ）が媒介し、より効率的な除去を行うことが可能となる。この場合、流体（本実施形態の場合、流路２０内の液体）中に酸素が不足していると、還元型のラッカーゼは酸化型のラッカーゼに戻ることができず、酵素反応が進まない。このように、酵素反応に酸素等の所定のガスが必要な場合、バイオリアクタシステム１にガスポンプ５１等を備えることが好ましい。
【００５０】
また、ガスポンプ５１で汚染ガス等の気体を供給する等のバブリング機能を装着すれば、バイオリアクタシステム１を汚染ガス等の気体から除去対象物質を除去するシステムとして構成することができる。
【００５１】
本実施形態において、ケース体３０は、筒状の本体部３０ａと、本体部３０ａの両端部を塞ぐための蓋部３０ｂ，３０ｂと、により構成されている。
また、バイオリアクタシステム１において、紙状バイオデバイス１０は、例えば図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、酵素１３が固定されたメソ多孔性シリカ層１２を内側にして筒状に巻かれた状態で、本体部３０ａ内に収納されている。そして、本体部３０ａは、例えば図４（Ｃ）に示すように、当該本体部３０ａの両端部が蓋部３０ｂ，３０ｂで塞がれて、当該本体部３０ａ内に収納されている筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０の貫通方向が流路２０に沿うように、当該流路２０中に配設されている。すなわち、紙状バイオデバイス１０は、筒状に巻かれた状態で、流路２０中に配置されている。
【００５２】
なお、本実施形態では、筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０をそのまま用いるように構成したが、これに限ることはなく、例えば、筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０の一端側（流出容器８０側）を塞ぐ等して、筒状に巻かれた紙状バイオデバイス１０の内側（中空部分）を通過する流体が、紙状バイオデバイス１０を透過して外側へと染み出す状態にして用いるように構成することも可能である。この場合、流路２０を流れる流体が紙状バイオデバイス１０を透過するので、流体中の除去対象物質を効率よく酵素１３に接触させることが可能となる。
また、本実施形態では、紙状バイオデバイス１０を筒状に巻かれた状態で流路２０中に配置するように構成したが、これに限ることはなく、例えば、紙状バイオデバイス１０を筒状に巻かずにそのまま流路２０に直交するように配置して、流路２０を流れる流体が紙状バイオデバイス１０を透過するように構成することも可能である。この場合も、流路２０を流れる流体が紙状バイオデバイス１０を透過するので、流体中の除去対象物質を効率よく酵素１３に接触させることが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態において、流路２０の両端には、例えば図２に示すように、三方バルブ２１，２１が取り付けられている。
そして、バイオリアクタシステム１は、この三方バルブ２１，２１によって、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）と、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を再び紙状バイオデバイス１０に供給する経路（図２における「Ｐａｔｈ（２）」）と、を切り替えることができるように構成されている。
【００５４】
以下、具体的な実施例によって本発明を説明するが、発明はこれらに限定されるものではない。
本実施例では、除去対象物質としてフェノール系物質であるビスフェノールＡを採用し、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定する酵素１３としてラッカーゼを採用する。また、メソ多孔性シリカ層１２を形成するバインダーとして、酢酸セルロースを採用し、それをアセトンに溶解させて使用する。
【００５５】
〔１〕メソ多孔性シリカのラッカーゼ吸着特性
まず、メソ多孔性シリカ層１２を形成するメソ多孔性シリカのラッカーゼ吸着特性について評価した。
【００５６】
具体的には、まず、サイズ（径）が７．０ｎｍよりも若干小さいラッカーゼを固定するので、細孔径（中心細孔直径）が７.０ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカを準備した。
また、ラッカーゼ濃度が１〜１５ｍｇ／ｍｌの範囲で異なる複数種類のラッカーゼ溶液を準備した。
そして、粉末状のメソ多孔性シリカを１００ｍｇずつ各ラッカーゼ溶液に浸漬させて、当該メソ多孔性シリカへのラッカーゼの吸着量を測定した。
また、比較のために、細孔径（中心細孔直径）が１．５ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカについても同様にして、当該メソ多孔性シリカへのラッカーゼの吸着量を測定した。
【００５７】
その結果を図５に示す。図５において、縦軸は１００ｍｇのメソ多孔性シリカ（ＦＳＭ）へのラッカーゼの吸着量（ｍｇ）を示し、横軸は当該メソ多孔性シリカを浸漬させたラッカーゼ溶液のラッカーゼ濃度（ｍｇ／ｍｌ）を示す。
【００５８】
図５に示す結果から、ラッカーゼ溶液の濃度にかかわらず、比較例の場合、すなわちメソ多孔性シリカの細孔径が１．５ｎｍの場合（△）よりも、実施例の場合、すなわちメソ多孔性シリカの細孔径が７．０ｎｍの場合（□）の方が、ラッカーゼの吸着量が多いことが分かった。これにより、細孔のサイズが、ラッカーゼのサイズの０．２倍程度であるメソ多孔性シリカでは、ラッカーゼの吸着量が少なく、ラッカーゼが主に細孔外部の表面部分に吸着していると考えられる。これに対し、細孔のサイズが、ラッカーゼのサイズとほぼ同等であるメソ多孔性シリカでは、ラッカーゼの吸着量が多く、大部分のラッカーゼが細孔内部に吸着（固定）していると考えられる。
また、図５に示す結果から、実施例の場合、すなわちメソ多孔性シリカの細孔径が７．０ｎｍの場合（□）は、ラッカーゼ濃度が約１０ｍｇ／ｍｌで吸着量が飽和に達することが分かった。
【００５９】
〔２〕アセトン中におけるメソ多孔性シリカに固定されたラッカーゼの活性特性
次に、メソ多孔性シリカ層１２を形成するバインダー（酢酸セルロース）を溶解させるアセトン中における、メソ多孔性シリカに固定されたラッカーゼの活性特定について評価した。
【００６０】
具体的には、まず、細孔径（中心細孔直径）が７.０ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカを、ラッカーゼ濃度が１０ｍｇ／ｍｌのラッカーゼ溶液に浸漬させて、ラッカーゼが固定された粉末状のメソ多孔性シリカ（以下「Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０」という。）を作成した。
そして、Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０をアセトンに添加して、所定時間毎に当該Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０中のラッカーゼの酵素活性を測定した。
【００６１】
その結果を図６に示す。図６において、縦軸は相対酵素活性（％）＝１００×（（時間“Ｔ１”経過後のＬａｃ−ＦＳＭ７．０のラッカーゼの酵素活性）／（アセトンに添加する前のＬａｃ−ＦＳＭ７．０のラッカーゼの酵素活性））を示し、横軸は時間“Ｔ１”（ｍｉｎ）を示す。
【００６２】
図６に示す結果から、Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０のアセトン中での保存時間が２５００分を超えても、相対酵素活性が８０％以上を維持できることが分かった。すなわち、ラッカーゼが固定されたメソ多孔性シリカを、酢酸セルロースをアセトンに溶解させて作成したバインダー溶液中に分散させた状態でも、当該ラッカーゼの活性を長時間維持できることが分かった。これにより、ラッカーゼ（酵素１３）の活性を維持した状態で、紙状バイオデバイス１０を作成できることが分かった。
【００６３】
〔３〕紙状バイオデバイス１０による除去効率の流速依存性
次に、紙状バイオデバイス１０を作成し、それを備えたバイオリアクタシステム１を構成して、当該紙状バイオデバイス１０による除去効率の流速依存性について評価した。
【００６４】
具体的には、まず、細孔径（中心細孔直径）が７.０ｎｍである粉末状のメソ多孔性シリカを、ラッカーゼ濃度が１０ｍｇ／ｍｌのラッカーゼ溶液に浸漬させて、Ｌａｃ−ＦＳＭ７．０を作成した。
次いで、バインダー溶液として、酢酸セルロースを１０％含むアセトン溶液を準備し、そのバインダー溶液に１００ｍｇのＬａｃ−ＦＳＭ７．０を分散させて、メソ多孔性シリカ分散液を作成した。
次いで、紙状基材１１として、市販されている化学実験用のろ紙を５．０ｃｍ×２０．０ｃｍの矩形状に切断したものを準備し、その紙状基材１１の一方の面にメソ多孔性シリカ分散液を塗布して、真空デシケータ中で１２時間静置した。
次いで、紙状基材１１に塗布されているメソ多孔性シリカ分散液を蒸留水でリンスしてポリマー化し、真空デシケータ中で２４時間乾燥させて、紙状バイオデバイス１０を作成した。
【００６５】
次いで、ケース体３０の本体部３０ａとして、ガラス製の筒（長さ：６ｃｍ、内径：１０ｍｍ）を準備し、その本体部３０ａ内に、筒状に巻いた紙状バイオデバイス１０を収納し、紙状バイオデバイス１０を備えたバイオリアクタシステム１を構成した。
次いで、恒温水槽４０の温度を３０℃に設定し、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替えた。
次いで、処理前液として、１．０ｍＭのビスフェノールＡ溶液を準備し、流入容器５０に入れた。
次いで、第一ポンプ６０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０〜１８．０ｍｌ／ｍｉｎの範囲で異なる複数種類の流速を設定し、第一ポンプ６０を動作させた。
そして、各流速について流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００６６】
その結果を図７に示す。図７において、縦軸は除去効率（％）＝１００×（［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（流速“Ｓ”での処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］／［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（流速２．０ｍｌ／ｍｉｎでの処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］）を示し、横軸は流速“Ｓ”（ｍｌ／ｍｉｎ）を示す。
【００６７】
図７に示す結果から、流速が大きくなるほど、除去効率が低下することが分かった。これにより、除去対象物質（ビスフェノールＡ）を含む流体の滞留時間が大きいほど、酵素１３（ラッカーゼ）との反応が十分に進行し、効率的に除去対象物質（ビスフェノールＡ）を除去できることが分かった。
【００６８】
〔４〕紙状バイオデバイス１０による除去効率の循環回数依存性
次に、紙状バイオデバイス１０による除去効率の循環回数依存性について評価した。
【００６９】
具体的には、まず、上記〔３〕の場合と同様にして、紙状バイオデバイス１０を備えたバイオリアクタシステム１を構成した。
次いで、恒温水槽４０の温度を３０℃に設定し、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替えた。
次いで、処理前液として、１．０ｍＭのビスフェノールＡ溶液を準備して流入容器５０に入れ、第一ポンプ６０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０ｍｌ／ｍｉｎを設定し、第一ポンプ６０を動作させた。
【００７０】
次いで、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を再び紙状バイオデバイス１０に供給する経路（図２における「Ｐａｔｈ（２）」）に切り替えた。
次いで、第二ポンプ７０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０ｍｌ／ｍｉｎを設定し、第二ポンプ７０を動作させて、流路２０内の液体を紙状バイオデバイス１０に循環させた。
【００７１】
次いで、循環回数が所定回数に達すると、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替え、具体的には、流入容器５０側の三方バルブ２１はそのまま（「Ｐａｔｈ（２）」のまま）の状態で、流出容器８０側の三方バルブ２１を「Ｐａｔｈ（１）」と同様に切り替えて、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７２】
また、比較のために、ラッカーゼが固定されていない粉末状のメソ多孔性シリカを用いて作成したデバイスを備えたリアクタを構成し、同様にして、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７３】
その結果を図８に示す。図８において、縦軸はビスフェノールＡの相対濃度（％）＝１００×（（循環回数“Ｎ”での処理後液中のビスフェノールＡ濃度）／（処理前液中のビスフェノールＡ濃度））を示し、横軸は循環回数“Ｎ”（回）を示す。
【００７４】
図８に示す結果から、比較例の場合、すなわちメソ多孔性シリカ層１２にラッカーゼが固定されていない場合（△）でも、循環回数が増加するほど、相対濃度が低下することが分かった。また、比較例の場合は、所定濃度以下の低濃度のビスフェノールＡは除去できないことが分かった。これにより、所定濃度を上回る高濃度のビスフェノールＡは、酵素１３（ラッカーゼ）が固定されていないメソ多孔性シリカ層１２や紙状基材１１への吸着だけでも除去できるが、所定濃度以下の低濃度のビスフェノールＡは除去できないことが分かった。
【００７５】
一方、実施例の場合、すなわちメソ多孔性シリカ層１２にラッカーゼが固定されている場合（□）も、循環回数が増加するほど、相対濃度が低下することが分かった。また、実施例の場合は、所定濃度以下の低濃度のビスフェノールＡでも除去できることが分かった。これにより、ビスフェノールＡは、メソ多孔性シリカ層１２に固定されたラッカーゼとの反応により、非常に低濃度であっても効率的に除去できることが分かった。これは、メソ多孔性シリカの比表面積が非常に大きく酵素１３（ラッカーゼ）を高密度に固定できること、固定された酵素１３（ラッカーゼ）の活性が維持されていることが効いていると考えられる。
【００７６】
〔５〕紙状バイオデバイス１０の動作安定性（経時安定性）
次に、紙状バイオデバイス１０の動作安定性（経時安定性）について評価した。
【００７７】
具体的には、まず、上記〔３〕の場合と同様にして、紙状バイオデバイス１０を備えたバイオリアクタシステム１を構成した。
次いで、恒温水槽４０の温度を３０℃に設定し、三方バルブ２１，２１を調節して、紙状バイオデバイス１０から流出してきた液体を処理後液として流出容器８０へと排出する経路（図２における「Ｐａｔｈ（１）」）に切り替えた。
次いで、処理前液として、１．０ｍＭのビスフェノールＡ溶液を準備して流入容器５０に入れ、第一ポンプ６０を調節して、紙状バイオデバイス１０（具体的には、紙状バイオデバイス１０が収納されたケース体３０）に供給する液体の流速として２．０ｍｌ／ｍｉｎを設定し、第一ポンプ６０を動作させた。
そして、所定時間毎に、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７８】
また、比較のために、ラッカーゼをメソ多孔性シリカに固定しない状態でバインダー溶液に分散させて作成したデバイスを備えたリアクタを構成し、同様にして、流出容器８０へと排出された処理後液中のビスフェノールＡ濃度を測定した。
【００７９】
その結果を図９に示す。図９において、縦軸は除去効率（％）＝１００×（［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（時間“Ｔ２”経過後の処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］／［（処理前液中のビスフェノールＡ濃度）−（時間０．５ｈでの処理後液中のビスフェノールＡ濃度）］）を示し、横軸は時間“Ｔ２”（ｈ）を示す。
【００８０】
図９に示す結果から、比較例の場合、すなわちラッカーゼをメソ多孔性シリカ層１２に固定しない場合（△）は、時間が経過するほど除去効率が低下し、約４５０時間が経過すると、除去効率がほぼ０％になることが分かった。これにより、ラッカーゼをメソ多孔性シリカ層１２に固定しないと、当該ラッカーゼが剥がれてしまったり失活してしまったりすることが分かった。
【００８１】
一方、実施例の場合、すなわちラッカーゼをメソ多孔性シリカ層１２に固定した場合（□）は、時間が経過してもほとんど除去効率が低下せず、１４００時間が経過しても、除去効率が９０％程度を維持できることが分かった。これは、メソ多孔性シリカ層１２（具体的には、メソ多孔性シリカ層１２を形成するメソ多孔性シリカ）の細孔のサイズが、酵素１３（ラッカーゼ）のサイズとほぼ同じであるため、酵素１３（ラッカーゼ）が構造的に安定した状態で固定されて、活性が維持されているためと考えられる。
【００８２】
以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、紙状バイオデバイス１０は、紙状基材１１と、紙状基材１１上に形成されたメソ多孔性シリカ層１２と、メソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定された酵素１３と、を備えて構成されている。
すなわち、酵素１３をメソ多孔性シリカ層１２の細孔の内部に固定することにより、酵素１３自体の経時変化を生じ難くして、酵素活性の低下を抑制しているとともに、メソ多孔性シリカ層１２を紙状基材１１上に形成しているので、低コスト化及び長寿命化が可能である。
さらに、紙状バイオデバイス１０は、酵素１３を用いたバイオデバイスであるので、高効率に汚染物質等の除去対象物質を除去することが可能である。
【００８３】
また、以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを紙状基材１１上に積層するだけの簡易な手法で、紙状基材１１上にメソ多孔性シリカ層１２を形成することができる。
【００８４】
また、以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、バインダーは酢酸セルロースであるので、取り扱い易く低コスト化が容易である。
【００８５】
また、以上説明した本実施形態の紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１によれば、紙状基材１１はセルロース紙であるので、取り扱い易く低コスト化が容易である。
【００８６】
また、以上説明した本実施形態のバイオリアクタシステム１によれば、紙状バイオデバイス１０は、筒状に巻かれた状態で流路２０中に配置されているので、非常に簡便な構成で、汚染物質等の除去対象物質を除去することが可能である。
【００８７】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨から逸脱しない限り、適宜変更可能であることはいうまでもない。
【００８８】
例えば、上記の実施形態では、紙状バイオデバイス１０及びバイオリアクタシステム１を、流体から除去対象物質を除去するデバイス及びシステムとして構成したが、これに限定されることはなく、例えば、有用な物質を高効率で生成するデバイス及びシステムとして構成することも可能である。例えば、アルコール脱水素酵素の逆反応を利用して、アルデヒドからエタノールを生成すること等も可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ バイオリアクタシステム
１０ 紙状バイオデバイス
１１ 紙状基材
１２ メソ多孔性シリカ層
１３ 酵素
２０ 流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙状基材と、
前記紙状基材上に形成されたメソ多孔性シリカ層と、
前記メソ多孔性シリカ層の細孔の内部に固定された酵素と、
を備えることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記メソ多孔性シリカ層は、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを前記紙状基材上に積層することによって形成されていることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記バインダーは酢酸セルロースであることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記紙状基材はセルロース紙であることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスと、
所定の流体が流れる流路と、を備え、
前記紙状バイオデバイスは、筒状に巻かれた状態で、前記流路中に配置されることを特徴とするバイオリアクタシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のバイオリアクタシステムにおいて、
当該バイオリアクタシステムは、前記流体から除去対象物質を除去するためのシステムであり、
前記酵素はラッカーゼであり、
前記除去対象物質はフェノール系物質であることを特徴とするバイオリアクタシステム。
【請求項１】
紙状基材と、
前記紙状基材上に形成されたメソ多孔性シリカ層と、
前記メソ多孔性シリカ層の細孔の内部に固定された酵素と、
を備えることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記メソ多孔性シリカ層は、粉末状のメソ多孔性シリカとバインダーとを混合したものを前記紙状基材上に積層することによって形成されていることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記バインダーは酢酸セルロースであることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスにおいて、
前記紙状基材はセルロース紙であることを特徴とする紙状バイオデバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の紙状バイオデバイスと、
所定の流体が流れる流路と、を備え、
前記紙状バイオデバイスは、筒状に巻かれた状態で、前記流路中に配置されることを特徴とするバイオリアクタシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のバイオリアクタシステムにおいて、
当該バイオリアクタシステムは、前記流体から除去対象物質を除去するためのシステムであり、
前記酵素はラッカーゼであり、
前記除去対象物質はフェノール系物質であることを特徴とするバイオリアクタシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１４３１８２（Ｐ２０１２−１４３１８２Ａ）
【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２０１１−３５１８（Ｐ２０１１−３５１８）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（５０５３０３０５９）株式会社船井電機新応用技術研究所 (108)
【出願人】（０００２０１１１３）船井電機株式会社 (7,855)
【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）
【出願人】（５０５３０３０５９）株式会社船井電機新応用技術研究所 (108)
【出願人】（０００２０１１１３）船井電機株式会社 (7,855)
【Ｆターム（参考）】
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