バイオリアクター

バイオリアクターは、「生体反応器」とも呼ばれ、文字通り生物が持つ触媒機能を利用して望ましい化学反応を進めるための装置を指します。具体的には、微生物やその一部である酵素、あるいは動植物の細胞などを生体触媒として用い、物質変換や合成を行うために設計されたリアクター（反応器）の総称です。

概要

近年のバイオテクノロジー分野における目覚ましい進歩、特に遺伝子工学や細胞培養技術の発展を背景に、バイオリアクターは急速な進化を遂げてきました。これは単に技術的な進歩に留まらず、環境との調和を目指すこれからの工業のあり方を考える上で、非常に重要な技術要素として関心を集めています。

従来の化学触媒を用いた反応器と比較した場合、バイオリアクターには多くの利点があります。最も特徴的なのは、反応が比較的穏和な温度や圧力の条件下で進行することです。これによりエネルギー消費を抑えられるだけでなく、特定の生成物のみを選択的に得やすいため、副生成物の発生を抑制できる傾向にあります。結果として、分離精製工程の簡略化や高収率の達成につながることが少なくありません。

一方で、課題も存在します。例えば、外部からの微生物混入によるコンタミネーション（汚染）のリスクや、生体触媒自体の活性が時間経過と共に失われる（失活）といった問題への対策が必要です。

バイオリアクターという言葉は、必ずしも先端技術だけに限定されるものではありません。古くから存在する、微生物の発酵を利用して味噌や酒を製造する際に用いられる樽や桶なども、広義にはバイオリアクターの一種とみなすことができます。また、現代においても、好気性細菌や嫌気性細菌の働きを活用して有機物を分解し、水の浄化を行う下水処理施設や、水族館における水質浄化システムなども、バイオリアクターの原理を応用した例といえます。最近では、下水中の有機物を嫌気性細菌によって分解させ、エネルギー源となるメタンガスを回収する技術が一部地域で実用化されるなど、環境技術としての応用も進んでいます。

プロセス形態と工業化

バイオリアクターの運転形式には、主に「バッチプロセス」と「連続プロセス」があります。バッチプロセスは、原料を一度投入し、所定の時間反応させた後に生成物を取り出す方式で、時間をかけてじっくりと反応を進めたい場合や、高付加価値の製品を少量生産する場合に適しています。一方、連続プロセスは、原料を常に供給しながら生成物を継続的に取り出す方式で、大量生産や効率的な処理に向いています。一般的には、バッチプロセスの方がより複雑な反応や高価な物質の生産に用いられる傾向があります。

バイオリアクターが工業的に初めて大規模に利用された例として、ペニシリンの生産が挙げられます。現在では、医薬品、食品、化学品など、様々な分野でバイオリアクターを用いた生産が行われています。利用される生体触媒も多様で、特定の酵素を単独で用いるものから、微生物や動物細胞を生きたまま利用するものまで、目的に応じて使い分けられています。

生体触媒と生成物の例

L-アスパラギン酸：アスパルターゼ（酵素）を利用
インターフェロン-β：ヒト繊維芽細胞を利用
エタノール：酵母（微生物）を利用
ブドウ糖：セルロースを加水分解する酵素を利用

生体触媒を安定化させたり、回収を容易にしたりするために、多孔質のガラスビーズなど、様々な素材が担持体として用いられることもあります。

応用方法と規制

生体触媒を反応系内に保持する方法としては、「固定化生体触媒」や「膜型生体触媒」といった技術が実用化されています。固定化生体触媒は、触媒を不溶性の担体や膜に固定したり、カプセル化したりする技術です。膜型生体触媒は、膜を利用して触媒や生成物を分離・回収しながら反応を進める方式です。

なお、遺伝子組換え体（特定の遺伝子操作が施された微生物や細胞）を培養する際には、環境への影響を考慮し、培養容量に規制が設けられている場合があります。例えば、日本ではカルタヘナ法に基づき、特定の遺伝子組換え体の利用では培養容量が20リットル以内に制限されています。これに対し、自然発生的な突然変異体には、このような容量制限はありません。

バイオリアクター