JP5151923B2 - 微生物濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、微生物濃縮装置に関するものである。

近年、酵素反応や微生物を用いた生物反応等を利用して、溶液状態の原料から物質の合成や分解を行う装置、所謂バイオリアクタに関する技術が盛んに開発されている。一般に生物反応は、化学反応と比べると反応速度は遅いが化学反応のように高温・高圧を必要としないため省エネルギー性に優れ、また反応設備を耐熱・耐圧とする必要がないという特長を有している。更には、反応に用いる生物種に応じて、特定の原料から目的とする生成物へ、副反応が少ない反応系を構築することができるという特長も備えていることから、工業的に有利な点が多く注目を浴びている（例えば、特許文献１）。

微生物を用いたバイオリアクタにおいては、反応効率を高めるためには、反応を触媒する微生物を反応装置内に高濃度で保持する技術が非常に重要となる。従来は、微生物に分解されにくい物質で形成した構造体（担体）で微生物を担持する方法や、凝集性微生物が自然に自己凝集した凝集体を用いる方法などにより、微生物を濃縮する技術が用いられてきた。あるいは、反応装置から排出される溶液内に含まれる微生物を遠心分離や膜分離などの手法で抽出し反応系に戻すことで、反応装置内の微生物濃度を高濃度に保持する技術もある。

これらの従来技術の内、遠心分離・膜分離を行う方法はイニシャルコストおよびランニングコストが大きいため、工業化には担体や自己凝集体を用いた濃縮方法の方が好ましい。

このような担体として、大きくは、反応容器内部に固定される固定型と、反応容器内を自由に流動する流動型と、に分けることができる。これらを比較すると、固定された担体よりも流動する担体の方が、反応容器内で担体と原料との接触効率を高くすることが可能であるため、反応効率を高めやすいという利点がある。

流動型の担体としては、例えば、微細な隙間（水路）を有するゲル状物質（例えばアルギン酸カルシウム）で担体を形成する際に、微生物を内包させて形成し、担体内部で高濃度の微生物濃度を実現する包埋型担体を挙げることができる。また、微生物を表面に付着する担体を別途形成し、該担体の表面で高濃度の微生物濃度を実現する付着型担体も知られている。

このような、流動型の担体における共通の課題として、反応系中における良好な対流を維持することが挙げられる。そのために、担体は原料溶液に沈降する程度の比重であるとよい。担体がこのような比重を備えると、反応系の撹拌による担体の上昇と、自重による沈降とのバランスにより、系内を良好に対流し、反応効率を高めることができる。このように比重を調節した担体としては、例えば特許文献２に記載の付着型担体が挙げられる。
特開２００６−３２５５７７号公報 特開２００１−２９２７６５号公報

しかし流動型担体は、長期間の使用中に担体同士が衝突し、担体が摩耗・あるいは剥離して劣化することが考えられる。このような現象が起こると、担体を構成する樹脂などの小片が原料溶液中に混入するおそれがある。そのため、流動型担体は食品や医薬品の製造には適用できない。

上記課題を解決する形態としては、自己凝集体を使用する方法が考えられる。自己凝集体は、流動型の担体と同様に、反応容器内で原料との接触効率を高くすることでき、反応効率を高めやすい。また、凝集体の大きさ（粒径）が大きくなると、原料溶液に沈降しやすくなり、反応系内を良好に対流させることが可能である。更に、反応に用いる微生物自体が凝集するために、担体のかけらのような異物が原料溶液に混入するおそれがない。

しかしこれまでは、所望の微生物を自己凝集させる技術が未成熟であるために、反応に用いることができなかった。また、自己凝集という現象は、用いる微生物が凝集性の微生物である場合に生じるものであるため、非凝集性の微生物には適用できなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、微生物の凝集体形成を促進し、凝集体を用いた良好な生物反応を実現する装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の微生物濃縮装置は、凝集性微生物を培養して該凝集性微生物の凝集体を形成する微生物濃縮装置であって、前記凝集性微生物と、該凝集性微生物を用いた生物反応の原料と、を含む原料溶液を撹拌し、前記凝集性微生物を培養する凝集容器を備え、前記凝集容器は、所定の回転軸の周りを回転し、前記凝集性微生物が、前記凝集容器の回転に基づいて該凝集容器の底面を転がり互いに凝集することで、前記凝集体を形成することを特徴とする。

凝集容器内で生物反応が進むと、凝集性微生物は凝集容器内で増殖し、原料溶液中における微小な凝集体の形成や、凝集容器の内壁への付着を起こす。ここで、凝集容器は回転しながら原料溶液を撹拌するため、原料溶液中に形成した微小な凝集体は、撹拌で生じる対流により互いに衝突して肥大し、凝集容器の底部付近に沈降する。または、内壁に付着した凝集性微生物（付着微生物）は、撹拌による原料溶液と付着微生物との摩擦力や付着微生物に加わる重力などにより、一部が内壁から剥離し凝集性微生物の凝集体として原料溶液中に浮遊する。

このように溶液中で成長した凝集体や、壁面から剥離して生じた凝集体は、原料溶液中の微小な凝集体や内壁に付着している付着微生物を取り込みながら回転方向に転がり、雪だるま式に肥大し大きな凝集体へと成長する。このような凝集体の肥大は、凝集容器内の複数箇所で同時多発的に生じるため、凝集容器内には複数の凝集体が形成される。このように、本発明の構成を備える微生物凝集装置では、微生物の凝集を促進し微生物の凝集体を形成することができる。

本発明の微生物凝集装置は、原料溶液の濃度や凝集性微生物の量などの反応条件を制御することにより、主として凝集体を形成することを目的とした運転をさせることもでき、また、凝集容器を、形成した凝集体を用いた反応容器として用いる事も可能である。反応容器として用いる場合には、微生物が凝集体を形成し高濃度に濃縮しているため、高い反応効率を実現することができる。

本発明においては、前記凝集容器から前記凝集体を含む前記原料溶液が供給される反応容器を有し、前記反応容器では、前記凝集体と前記原料溶液とを含む反応液を撹拌し、前記凝集体に含まれる微生物を培養することが望ましい。
大容量の凝集容器を用いると、凝集容器の回転に必要とする所要動力が大きくなるため、凝集容器を回転させて凝集体を形成することが困難となる。しかし、この構成によれば、相対的に小型の凝集容器を用いて凝集体を形成し、形成した凝集体を用いて相対的に大型の反応容器で目的とする反応を行うことが出来る。そのため、凝集容器を大型化することなく大規模の反応を行うことが可能な装置構成とすることが可能となる。

また、凝集性微生物を凝集させる際、原料溶液が固体を含んでいると、該固体が凝集性微生物同士の凝集を阻害するために凝集体が生じない。しかし、この構成によれば、主として凝集体を形成する凝集容器と、主として生物反応の場として用いる反応容器と、が別体となっているため、まず、固体を含まない溶液を用いて凝集体を形成した後に、固体を含む溶液に凝集体を供給し、良好な反応を行う事が可能となる。

本発明においては、前記原料溶液に非凝集性微生物を供給する第１供給装置を有し、前記凝集容器では、前記凝集容器の回転に基づいて、前記凝集性微生物及び前記非凝集性微生物を含む前記凝集体を形成することが望ましい。
この構成によれば、非凝集性微生物を凝集性微生物の凝集体内に取り込み、共に凝集させる（ヘテロ凝集）ことができるため、非凝集性微生物を含む凝集体を形成し、非凝集性微生物を用いた反応を行うことができる。更には、非凝集性微生物の供給量を制御することで、反応に寄与する凝集性微生物と非凝集性微生物との存在比を制御することもできる。そのため、微生物の選択の自由度が広がり、より反応に適した微生物を高濃度に保持した反応を行うことができる。

本発明においては、同様の理由により、前記反応液に非凝集性微生物を供給する第２供給装置を有し、前記反応容器では、前記反応容器の撹拌に基づいて、前記凝集性微生物及び前記非凝集性微生物を含む前記凝集体を形成することとしても良い。

本発明においては、前記凝集体の粒径を検出する検出装置と、前記検出装置の検出結果に基づいて前記凝集容器の回転速度を制御する制御装置と、を有することが望ましい。
凝集体の粒径が大きくなりすぎると、凝集体の表面積が減少するために反応効率が低下し、また、配管等の閉塞を引き起こすおそれが生じる。一方で、凝集容器内の凝集体は、凝集容器の回転が遅い場合には、凝集体が崩壊しないまま凝集容器内を長時間転がるため大きな凝集体となり、逆に回転が速い場合には凝集体の崩壊が頻発するために小さな凝集体となる。このような凝集体の性質を利用して、凝集容器の凝集体の粒径に基づいて回転速度を変更することで、凝集体を良好な連続反応を可能とする粒径に制御することができる。

本発明においては、前記凝集体の粒径を検出する検出装置と、前記検出装置の検出結果に基づいて前記反応容器の撹拌条件を制御する制御装置と、を有することが望ましい。
反応容器内の凝集体は、反応容器の撹拌が遅い場合には、撹拌による剪断力が小さいため凝集体が崩壊しにくく、反応容器内での凝集体同士の衝突により凝集し大きな凝集体となる。また、回転が速い場合には撹拌による剪断力を受け、凝集体の崩壊が頻発するために小さな凝集体となる。そのため、反応容器の凝集体の粒径に基づいて撹拌条件を変更することで、凝集体を良好な連続反応を可能とする粒径に制御することができる。

本発明においては、回分式の運転制御がなされることが望ましい。
凝集容器の回転を一時停止させると、凝集体をより多く沈降させることができる。そのため、上澄み液のみ、または、沈降した凝集体のみを選択的に取り出すことができ、装置内の微生物濃度を精度良く管理することができる。

本発明においては、連続式の運転制御がなされることとしても良い。
凝集容器の回転を一時停止させると、用いる凝集性微生物の種類や停止時間によっては、沈降した凝集体が一体となって、反応に不適な凝塊物となるおそれがある。この構成においては、連続式の運転制御をされるため、このような凝塊物を生じず、好適な連続反応が可能となる。

本発明によれば、凝集性微生物の凝集を促進し、良好な凝集体を形成する微生物濃縮装置を提供することができる。形成された微生物の凝集体を用いた生物反応は、異物混入のおそれがないことから、医薬品や食品の製造にも好適に用いることが可能となる。

［第１実施形態］
以下、図１〜図３を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る微生物濃縮装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の微生物濃縮装置１を示す概略構成図である。図に示すように、本実施形態の微生物濃縮装置１は、回転軸Ｌまわりを回転する凝集容器１００と、凝集容器１００を回転させるための回転装置１１０と、を備えている。凝集容器１００の内部には、凝集性微生物と該微生物を用いた生物反応の原料を含む原料溶液ＳＳ１が貯留されており、原料溶液ＳＳ１には凝集性微生物の凝集体ＡＧ１が複数浮遊している。凝集体ＡＧ１の形成が促進される原理については、後に詳述する。

微生物濃縮装置１は、原料溶液ＳＳ１を貯留するタンク１４０を備えており、配管１５０を介して凝集容器１００の内部に原料溶液ＳＳ１を供給する構成となっている。配管１５０には、途中に原料溶液ＳＳ１を供給するためのポンプ１４５が配置されている。

更に、微生物濃縮装置１には、凝集容器１００内部の原料溶液ＳＳ１を容器外に排出するための配管１７０を備えており、配管１７０の途中には排出ポンプ１６０が配置されている。排出の際には、原料溶液ＳＳ１と共に凝集体ＡＧ１も一部排出される。排出先で凝集体ＡＧ１を利用する場合には、排出ポンプ１６０は、例えばダイヤフラムポンプ等のようなポンプ内での剪断力が小さい方式のものを用いると、ポンプ通過時に凝集体ＡＧ１を粉砕しないため好ましい。

配管１７０は、一部にバイパス１７５が設けられている。バイパスの途中には凝集体ＡＧ１の大きさ（粒径）を検出する検出装置１２０が設けられており、原料溶液ＳＳ１の排出と共に、凝集体ＡＧ１の粒径を測定する構成となっている。検出装置１２０は、凝集体ＡＧ１の粒径を検出できれば特に制限はなく、例えば、イメージセンサ等で凝集体ＡＧ１の画像を取得して、凝集体ＡＧ１の平均粒径を算出する構成の装置を用いることができる。

検出装置１２０で検出された凝集体ＡＧ１の粒径は、検出装置１２０に接続された制御装置１３０に出力される。制御装置１３０には、記憶装置にて凝集体の設定粒径を記憶しており、記憶している設定粒径と検出される凝集体ＡＧ１の粒径とを比較回路で比較することで、現在の運転条件が所望の凝集体が得られる運転条件かどうかを判断する。

制御装置１３０には、回転装置１１０も接続されており、検出装置１２０で検出した凝集体ＡＧ１の粒径に基づいて凝集容器１００の回転速度を制御し、凝集体ＡＧ１の粒径を制御する。

配管１７０を介して排出される原料溶液ＳＳ１には、凝集性微生物を用いた生物反応により生じた反応生成物も溶解している。そのため、配管１７０の下流で原料溶液ＳＳ１を回収し、反応生成物を分離することで目的物（反応生成物）を得ることが出来る。

本実施形態の微生物濃縮装置１は、ポンプ１４５による原料溶液ＳＳ１の供給速度と、排出ポンプ１６０による原料溶液ＳＳ１の排出速度と、を等しく制御し、連続式の反応装置として用いる。凝集容器１００の回転を一時停止させると、図２に示すように用いる凝集性微生物の種類や停止時間によっては、沈降した凝集体ＡＧ１が一体となって、反応に不適な凝塊物Ｘとなるおそれがある。しかし連続式の場合には、常に原料溶液ＳＳ１が撹拌され、且つ新たな原料溶液ＳＳ１の供給と凝集容器１００内の原料溶液ＳＳ１の排出とが行われるため、凝集体ＡＧ１が凝塊物Ｘとなるほど停滞することがない。

このような構成の微生物濃縮装置１は、凝集容器１００が回転することにより内部の原料溶液ＳＳ１を撹拌し、凝集性微生物を用いた生物反応を促進すると共に、凝集体ＡＧ１を形成している。図３は、凝集容器１００における凝集体ＡＧ１の形成の様子を示す概略断面図であり、図１の線分Ａ−Ａに相当する断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、生物反応が進むと、凝集性微生物は増殖し、原料溶液ＳＳ１中で微小な凝集体ａｇ１を形成すると共に、凝集容器１００の内壁に付着する。凝集容器１００は回転し原料溶液ＳＳ１を撹拌するため、内壁に付着した凝集性微生物（付着微生物ＭＯ１）は、撹拌による原料溶液ＳＳ１と付着微生物ＭＯ１との摩擦力や、付着微生物ＭＯ１に加わる重力などにより、一部が内壁から剥離する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、剥離した付着微生物ＭＯ１は、剥離していない付着微生物ＭＯ１や原料溶液中の微小な凝集体ａｇ１を取り込みながら回転方向に転がり、雪だるま式に肥大して凝集体ＡＧ１を形成する。このような凝集体ＡＧ１の肥大は、凝集容器１００内の複数箇所で同時多発的に生じ、凝集容器１００内では複数の凝集体ＡＧ１が形成される。また、凝集体ＡＧ１は形成の過程において崩壊することもあるが、崩壊した凝集体が核となり、同様に雪だるま式に肥大して再度凝集体ＡＧ１となる。このように、凝集性微生物の凝集体ＡＧ１が形成される。

凝集体ＡＧ１の形成に用いる事ができる凝集性微生物としては特に限定が無く、例えばSaccharomyces cerevisiae ＫＦ−７株を挙げることができる。

このように形成される凝集体ＡＧ１の粒径は、凝集容器１００の回転速度（単位時間あたりの回転数）を変化させることにより制御することができる。即ち、回転が遅い場合には、凝集体ＡＧ１が崩壊しないまま長時間転がるため大きな凝集体が形成され、逆に回転が速い場合には凝集体ＡＧ１の崩壊が頻発するために小さい凝集体となる。

このような凝集体ＡＧ１の粒径の差を利用して、生物反応の反応効率を制御することができる。同体積の凝集体が形成されている場合であっても、凝集体が小さいと表面積（原料溶液ＳＳ１との接触面積）が広くなるため反応効率が高くなり、凝集体が大きいと反応効率が低くなる。そのため、凝集容器１００の回転速度を制御することで、凝集体ＡＧ１の粒径を制御し、反応効率を制御することが可能である。

本実施形態の微生物濃縮装置１は、以上のような構成となっている。

以上のような構成の微生物濃縮装置１によれば、凝集性微生物の凝集を促進し微生物の凝集体ＡＧ１を良好に形成することができる。

なお、本実施形態においては、原料溶液ＳＳ１の排出と共に凝集体ＡＧ１も一部排出されることとしたが、原料溶液ＳＳ１のみを排出することとしても構わない。

また、本実施形態においては、検出装置１２０に供給される原料溶液ＳＳ１は、凝集体ＡＧ１の粒径を検出した後に、再度凝集容器１００内に戻すこととしても良い。

また、本実施形態においては、制御装置１３０に接続された検出装置１２０の検出結果に基づいて凝集容器１００の回転数を制御することとしたが、業種体ＡＧ１の粒径測定を手動で行い、別途制御装置１３０を操作して回転数を制御することとしても良い。

また、本実施形態の微生物濃縮装置１は、連続式の運転制御を行うこととしたが、回分式（バッチ式）の運転制御を行う事としても良い。例えば、ポンプ１４５および排出ポンプ１６０を停止した状態で、凝集容器１００を回転させて容器内で反応を行い、凝集容器１００の回転を停止してから、排出ポンプ１６０による原料溶液ＳＳ１の排出と、ポンプ１４５による原料溶液ＳＳ１の供給とをそれぞれ行うこととしても良い。このような運転を行う場合、凝集容器１００の回転を一時停止させると、凝集体ＡＧ１をより多く沈降させることができる。そのため、上澄み液のみ、または、沈降した凝集体ＡＧ１のみを選択的に取り出すことができ、装置内の微生物濃度を精度良く管理することができる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る微生物濃縮装置２を示す概略構成図である。本実施形態の微生物濃縮装置２は、第１実施形態の微生物濃縮装置１と一部共通している。異なるのは、配管１７０の下流側に別途生物反応を行う場としての反応容器２００を備えることである。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図に示すように、微生物濃縮装置２が備える反応容器２００は、配管１７０を介して供給される原料溶液ＳＳ１を含む反応液ＲＳ１が満たされており、主として凝集容器１００で形成された凝集体ＡＧ１が複数浮遊している。

反応液ＲＳ１の組成は、原料溶液ＳＳ１と同じ組成であることには限らず、凝集体ＡＧ１を形成する凝集性微生物を用いて所望の反応を行う種々の原料を含む溶液を用いることができる。更には、反応液ＲＳは、例えば木くずや木の葉などの固体を含んでいても構わない。

また、反応容器２００は、反応液ＲＳ１を撹拌する撹拌装置２１０と、反応容器２００内の凝集体ＡＧ１の粒径を検出する検出装置２２０と、反応容器２００から流出する反応液ＲＳ１が含む液体と固体を分離する固液分離槽２３０と、を備えている。微生物濃縮装置２は、原料溶液ＳＳ１が反応容器２００へ連続して流入し、且つ反応容器２００からは反応液ＲＳ１が連続して流出する、連続式の運転制御を行っているが、回分式の運転制御を行う事としても構わない。

撹拌装置２１０は、攪拌器２１２および攪拌器２１２を運転する回転モータ２１４を有している。本実施形態では、攪拌機２１２で撹拌する撹拌式としたが、反応容器２００内に吹き込む気体で反応液ＲＳ１を撹拌する流動床式であっても良い。また、その両方を備えていても構わない。

検出装置２２０には、検出装置１２０と同様の装置を用いることができる。検出装置２２０で検出された凝集体ＡＧ１の粒径は、検出装置２２０に接続された制御装置１３０に出力される。制御装置１３０には、回転モータ２１４が接続されており、入力された粒径に基づいて攪拌器２１２との回転速度を制御し、反応容器２００内の凝集体ＡＧ１の粒径を制御する。

反応容器２００内の凝集体ＡＧ１は、撹拌装置２１０の撹拌による剪断力で粉砕され、凝集性微生物の小片ＳＰとなって反応容器２００から流出する。或いは、反応容器２００内で繁殖する凝集性微生物の付着や、凝集体ＡＧ１同士の衝突による付着等に起因して、粒径が大きくなり流動不良となって沈降する。検出装置２２０は、このような凝集体ＡＧ１の粒径変化を検出する。

そして、検出される粒径が設定粒径より大きい場合には、撹拌装置２１０による剪断を強くするために回転モータ２１４の回転数を大きくして凝集体ＡＧ１の粉砕を行い、検出される粒径が設定粒径より小さい場合には、回転モータ２１４の回転数を小さくする制御を行う。

また、反応容器２００内の凝集体ＡＧ１の粒径が設定粒径よりも大きい場合に、反応容器２００に流入する凝集体を小さくすることで、粒径を制御することとしても良い。本実施形態の制御装置１３０には、検出装置１２０および回転装置１１０も接続されている。したがって、検出装置２２０で検出する凝集体ＡＧ１の粒径が設定粒径よりも大きい場合に、制御装置１３０は凝集容器１００の回転速度を早くするように回転装置１１０を制御して、反応容器２００に流入する凝集体の粒径を小さくすることとしても構わない。

同様の考え方により、凝集容器１００内の凝集体ＡＧ１の粒径を検出装置１２０で検出して、設定粒径よりも大きい場合には攪拌装置２１０の撹拌速度を早く、設定粒径よりも小さい場合には攪拌装置２１０の撹拌速度を遅く制御して反応容器２００内での凝集体ＡＧ１の粒径を制御することもできる。

固液分離槽２３０は、反応容器２００から流出する反応液ＲＳ１に含まれる固形分を沈降させ液体と分離させる機能を備える。固液分離槽２３０では、流出する反応液ＲＳ１が含む小片ＳＰも沈降するため、沈降した小片ＳＰを回収し再度反応容器２００に投入することで、反応容器２００内の微生物濃度を高濃度に保つ事ができる。
本実施形態の微生物濃縮装置２は、以上のような構成となっている。

以上のような構成の微生物濃縮装置２では、凝集容器１００において、主として凝集体ＡＧ１を形成し、反応容器２００にて、主として凝集体ＡＧ１を用いた生物反応を行うこととして、各容器の用途を代えている。通常、凝集性微生物を凝集させる際、原料溶液が固体を含んでいると、該固体が凝集性微生物同士の凝集を阻害するために凝集体が生じない。しかし、本実施形態の構成によれば、反応液ＲＳ１が植物残渣などの固体を含む場合であっても、凝集容器１００にて、固体を含まない原料溶液ＳＳ１を用いて凝集体ＡＧ１を形成した後に、反応容器２００に凝集体ＡＧ１を供給することで、凝集体ＡＧ１を用いた反応液ＲＳ１の反応が可能となる。したがって、固体を含む反応液であっても良好な反応を行う事が可能となり、反応液ＲＳ１の選択自由度が広がる。

［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る微生物濃縮装置３を示す概略構成図である。本実施形態の微生物濃縮装置３は、第１実施形態の微生物濃縮装置１と一部共通している。異なるのは、凝集容器１００内の原料溶液に非凝集性微生物を供給する構成を備えていることである。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

微生物濃縮装置３は、凝集容器１００内に非凝集性微生物を供給する供給装置（第１供給装置）３００Ａを備えている。供給装置３００Ａは、非凝集性微生物を含む溶液を貯留するタンク３００ａを有し、配管３２０ａおよび配管３２０ａが接続される配管１５０を介して凝集容器１００の内部に非凝集性微生物を供給する構成となっている。配管３２０ａには、途中に非凝集性微生物を含む溶液を供給するためのポンプ３１０ａが配置されている。本実施形態では、配管３２０ａを配管１５０に接続することとしたが、配管３２０ａを介して直接凝集容器１００の内部に非凝集性微生物を含む溶液を供給する事としても良い。

凝集容器１００の内部には、凝集性微生物、非凝集性微生物およびこれらの微生物を用いた生物反応の原料を含む原料溶液ＳＳ２が貯留されており、原料溶液ＳＳ２には凝集性微生物および非凝集性微生物の凝集体ＡＧ２が複数浮遊している。

図６は、凝集容器１００における凝集体ＡＧ２の形成の様子を示す概略断面図であり、図５の線分Ｂ−Ｂに相当する断面図である。

本実施形態の微生物濃縮装置３は、凝集性微生物に非凝集性微生物が付着し、両者を含む凝集体を形成する現象（ヘテロ凝集）を積極的に利用することで、凝集性微生物のみならず非凝集性微生物も高濃度に保持することを実現している。

まず、図６（ａ）に示すように、原料溶液ＳＳ２中では、凝集容器１００の内壁への付着微生物ＭＯ１の付着や、原料溶液ＳＳ２中でのヘテロ凝集による微小な凝集体ａｇ２の形成が起きる。そして、付着微生物ＭＯ１は、撹拌による原料溶液ＳＳ２と付着微生物ＭＯ１との摩擦力や、付着微生物ＭＯ１に加わる重力などにより、一部が内壁から剥離する。

次いで、図６（ｂ）に示すように、剥離した付着微生物ＭＯ１は、剥離していない付着微生物ＭＯ１や原料溶液中の微小な凝集体ａｇ２、更には原料溶液ＳＳ２中の非凝集性微生物ＭＯ２を取り込みながら回転方向に転がり、雪だるま式に肥大して凝集体ＡＧ２を形成する。このような凝集体ＡＧ２の肥大は、凝集容器１００内の複数箇所で同時多発的に生じ、凝集容器１００内では複数の凝集体ＡＧ２が形成される。このように、凝集性微生物の凝集体ＡＧ２が形成される。

凝集体ＡＧ２の形成に用いる事ができる非凝集性微生物ＭＯ２としては特に限定が無く、例えばSaccharomyces cerevisiae ＥＰ１株を挙げることができる。

以上のような構成の微生物濃縮装置３では、非凝集性微生物を含む凝集体ＡＧ２を効率的に形成することができるため、非凝集性微生物を濃縮し効率的な反応を行わせることが出来る。したがって、微生物の選択の自由度が広がり、より反応に適した微生物を高濃度に保持した反応を行うことができる。

なお、本実施形態では、非凝集性微生物を含む溶液を貯留する構成としてタンク３００ａを１つ備える事としたが、複数のタンクを備え複数種の微生物を原料溶液に供給する事としても良い。

［第４実施形態］
図７は、本発明の第４実施形態に係る微生物濃縮装置４を示す概略構成図である。本実施形態の微生物濃縮装置４は、第２実施形態の微生物濃縮装置２と一部共通しており、反応容器２００内の反応液に非凝集性微生物を供給する構成を備えている点が異なっている。

微生物濃縮装置４は、凝集容器１００内に非凝集性微生物を供給する供給装置（第２供給装置）３００Ｂを備えている。供給装置３００Ｂは、非凝集性微生物を含む溶液を貯留するタンク３００ｂを備えており、配管３２０ｂおよび配管３２０ｂが接続される配管１７０を介して反応容器２００の内部に非凝集性微生物を供給する構成となっている。配管３２０ｂには、途中に非凝集性微生物を含む溶液を供給するためのポンプ３１０ｂが配置されている。本実施形態では、配管３２０ｂを配管１７０に接続することとしたが、配管３２０ｂを介して直接反応容器２００の内部に非凝集性微生物を含む溶液を供給する事としても良い。

反応容器２００の内部には、凝集性微生物、非凝集性微生物およびこれらの微生物を用いた生物反応の原料を含む反応液ＲＳ２が貯留されており、反応液ＲＳ２には凝集性微生物および非凝集性微生物の凝集体ＡＧ２が複数浮遊している。

凝集体ＡＧ２は、凝集容器１００から供給される凝集体ＡＧ１および凝集性微生物と、反応容器２００に供給される非凝集性微生物とがヘテロ凝集することにより形成される。通常、図に示す様な撹拌型の反応容器２００に、凝集性微生物と非凝集性微生物とを混在させ、撹拌するだけでは凝集体は形成しない。しかし、本実施形態では、凝集容器１００から既に凝集している凝集体ＡＧ１が供給されている。このような凝集体存在下では、撹拌型の反応容器２００においても凝集性微生物の凝集が促進されることを確認しており、凝集の過程において、ヘテロ凝集も促進される。

以上のような構成の微生物濃縮装置４では、固体を含む反応液であっても、凝集性微生物および非凝集性微生物から選ばれる反応に適した微生物を高濃度に保持した凝集体を用いて、良好な反応を行う事が可能となる。

なお、本実施形態においては、反応容器２００内の反応液に非凝集性微生物を供給することとしたが、合わせて凝集容器１００内の原料溶液に非凝集性微生物を供給する構成を備えることとしても構わない。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

以下、実施例を示しながら、本発明を更に具体的に説明する。以下に示す実施例では、小型の凝集容器として丸底フラスコを用いたモデル実験を行い、凝集体の形成と粒径の制御について確認を行った。

５００ｍｌ丸底フラスコに、０．１％の凝集性微生物を含む１０％グルコース水溶液を３００ｍｌ入れた。本実施例では、Saccharomyces cerevisiae ＫＦ−７株を用いた。

上記丸底フラスコをロータリーエバポレータに取り付け、３０℃に保温し１日以上回転させて撹拌し、フラスコ内の様子を観察した。また、回転速度を変化させた条件での実施を行い、形成される凝集体の粒径に対する回転速度の影響を確認した。回転速度の水準として、１８ｒｐｍ、５０ｒｐｍ、１００ｒｐｍの３水準の検討を行った。

表１に検討の結果を示す。いずれの水準においても丸底フラスコの内壁に微生物が付着すると共に、凝集体の形成が確認できた。また、凝集体は、回転速度が早くなるほど直径が小さくなる傾向が見られた。更に、凝集体が小さいほど液面に滞留しやすく、大きくなると沈降しやすいことも確認できた。

以上の結果より、本発明により良好に凝集性微生物の凝集体が形成可能であること、および凝集容器の回転速度を制御することで凝集体の粒径を制御可能であることが確認でき、本発明の有用性が確かめられた。

本発明の第１実施形態の微生物濃縮装置を示す概略構成図である。 回転を停止させた凝集容器の様子を示す概略図である。 凝集容器における凝集体の形成の様子を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る微生物濃縮装置を示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る微生物濃縮装置を示す概略構成図である。 凝集容器における凝集体の形成の様子を示す概略断面図である。 本発明の第４実施形態に係る微生物濃縮装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１，２，３，４…微生物濃縮装置、１００…凝集容器、１２０，２２０…検出装置、１３０…制御装置、２００…反応容器、３００Ａ…供給装置（第１供給装置）、３００Ｂ…供給装置（第２供給装置）、ＡＧ１，ＡＧ２…凝集体、ＲＳ１，ＲＳ２…反応液、ＳＳ１，ＳＳ２…原料溶液、

Claims (6)

1. 凝集性微生物を培養して該凝集性微生物を含む凝集体を形成する微生物濃縮装置であって、
   前記凝集性微生物と該凝集性微生物を用いた生物反応の原料とを含む原料溶液を撹拌し、前記凝集性微生物を培養する凝集容器と、該凝集容器から前記原料溶液が供給される反応容器と、第１の検出装置と、制御装置とを備え、
   前記凝集容器は、該凝集容器を貫通する所定の回転軸の周りを回転することで前記原料溶液を撹拌し、前記凝集性微生物を、前記凝集容器の回転に基づいて該凝集容器の底面を転がり互いに凝集させることで前記凝集体を形成するものであり、
   前記反応容器は、前記凝集体と前記原料溶液とを含む反応液を撹拌し、前記凝集体に含まれる微生物を培養するものであり、
   前記第１の検出装置は、前記反応容器内の前記凝集体の粒径を検出するものであり、
   前記制御装置は、前記第１の検出装置の検出結果に基づいて前記反応容器の撹拌条件を制御するものであることを特徴とする微生物濃縮装置。
2. 前記原料溶液に非凝集性微生物を供給する第１供給装置を有し、
   前記凝集容器では、前記凝集容器の回転に基づいて、前記凝集性微生物及び前記非凝集性微生物を含む前記凝集体を形成することを特徴とする請求項１に記載の微生物濃縮装置。
3. 前記凝集容器内の前記凝集体の粒径を検出する第２の検出装置を備え、
   前記制御装置は、前記第２の検出装置の検出結果に基づいて前記凝集容器の回転速度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の微生物濃縮装置。
4. 前記反応液に非凝集性微生物を供給する第２供給装置を有し、
   前記反応容器では、前記反応容器の撹拌に基づいて、前記凝集性微生物及び前記非凝集性微生物を含む前記凝集体を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の微生物濃縮装置。
5. 回分式の運転制御がなされることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の微生物濃縮装置。
6. 連続式の運転制御がなされることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の微生物濃縮装置。

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