JPH01215276A - 生物反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ業上の利用分野） 本発明は、固定化担体を用いた生物反応装置（以下バイ
オリアクタという）に関し、詳しくは固定化担体を損な
うことなく反応効率を向上でき、かつ大型のバイオリア
クタにおいてもスケール誤差なく反応を完結させること
ができるバイオリアクタに関する。

（従来の技術） 従来、固定化担体を用いたバイオリアクタとしては、容
器に充填した反応液に固定化担体を浮遊させて反応を行
なわせる方式のもの、あるいは固定化担体をカラム等に
密に充填し、これに外部から気体を通して気固液接触さ
せる方式のもの、あるいはカラムに外部ポンプでの循環
により反応液を循環させる（気）固液接触方式のもの、
などが知られている。

しかしながら、例えば従来の固定化担体浮遊方式のもの
では、反応液の攪拌混合等の操作に伴なって浮遊した固
定化担体が互いに衝突し、該固定化担体が破損したり、
固定された酵素。

微生物等が分離したりすることが多くあるという問題が
あった。

また固定化担体をカラム等に充填してこれに気体あるい
は反応液を通す方式のものでは、いずれも動力効率が悪
く、またバイオリアクタ内は完全な混合槽状態にはなり
難いために、実験室レベルでの反応結果を解析して工業
的な大型装置に応用するというスケールアップ化の手法
を採ることが難しいという問題があった。また更にこの
カラム充填型の装置では、気液接触効率が悪いために、
大量の空気曝気か、あるいは大容量の攪拌器を必要とす
るのが普通で、このために発泡や液の飛沫同伴が起こり
易いというような様々な問題が発生していた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記した従来形式のバイオリアクタにおける
問題点を解消するために、微生物。

酵素を固定した固定化担体を適当な浮遊状態に維持でき
ると共に、該浮遊状態の固定化担体に対し反応液を十分
流通接触させることができる新規な構成のバイオリアク
タを提供するところにある。

また本発明の他の目的は、実験室レベルでの試験の解析
結果に基づいて、スケールアップした工業的な規模の装
置を設計することが容易な構造を有するバイオリアクタ
を提供するところにある。

また更に本発明の別の目的は、生物学的に適した環境条
件１反応条件を選択、制御することが容易であるバイオ
リアクタを提供するところにある。

（課題を解決するための手段） 以上のような目的を実現するために、鋭意研究の結果創
成するに至った本発明のバイオリアクタの特徴は、上下
に開放した竪型筒状の内筒と、二〇内筒の周囲を十分ｔ
ｔ　３１１間を保って囲み、かつ該内筒が十分沈潜する
位置まで内部に液が充填される反応槽外殻としての外筒
と、上記外筒と内筒の間で、酵素又は微生物を固定化し
た固定化担体を浮遊状態で滞留保持可能に設けられた固
定化担体の滞留保持部と、上記内筒の筒内で充填液に内
筒軸方向の流れを生じさせ、この内筒軸方向の液流によ
り該内筒の筒内から湾外を回動する上下方向の循環流を
生じさせる液流発生手段とを備えたという構成をなすと
ころにある。

上記本発明のバイオリアクタは、その運転において、 ａ、外筒内の圧力をゲージ圧５　ｋｇ／ｃｒｒ？・Ｇ以
下で稼動すること、 ｂ、外筒の内径りと内筒の内径ｄの比をｄ／Ｄ　＝０．
２〜０．６とすること、 Ｃ０内筒の内径ｄと内筒の軸長ｌの比をＡ／ｄ≧６とす
ること のａ〜Ｃの条件の下で運転されることが好ましい場合が
多い。また生物学的反応が好気性条件を要求する場合に
は液中での大きな酸素溶解を与えることが好ましい。こ
のために上記ａの条件で装置を運転することが適当する
。

外筒内（装置内）の圧力条件は本発明におけるバイオリ
アクタにおいての本質的問題ではないが、５　ｋｇ／ｃ
ｒｒ？・Ｇ以上では空気圧縮機、培養液等の送入ポンプ
に汎用性のものが使用できなくなる等の問題がある。

また上記外筒の内径りと内筒の内径ｄの比であるｄ／Ｄ
が０．２以下では内筒的流路が狭くなり吐出流量が抵抗
のために小さくなる問題があり、他方０．６以上では内
筒内に内蔵するインペラが大きくなり経済的でないとい
う問題があるため、装置は上記寸法範囲のものとして構
成されるのが好ましい場合が多い。

更にまた内筒の内径ｄと内筒の軸長りの比である１／ｄ
が６未満では、固定化担体の必要容量が少量になること
や、空気を吹込む際の酸素溶解量が低下する等の問題が
あるため好ましくない。

本発明において反応槽内に充填される液は、微生物が生
命を維持し、代謝産物の生産を活発に行なうために必要
な栄養源や原料かうなるものが使用される。

また内筒の筒内で充填反応液の内筒軸方向の流れを生じ
させる液流発生手段としては、例えば該内筒内に軸流ポ
ンプを配置する構成の例のものを好ましく例示すること
ができる。

内筒と外筒の間に形成される固定化担体の滞留部は、例
えばこれら内筒と外筒の間の上下位置に、担体は通過で
きないが液の流れは自由な多孔質板あるいは網体を配置
する等によって形成することができる。

本発明において微生物又は酵素を担持する固定化担体は
、既知の種々のものを使用することができ、例えば微生
物の培養に使用される寒天培地、合成樹脂製のビーズ状
担体等を例示することができる。

固定化担体の滞留部においては、該固定化担体を浮遊状
態として反応槽内の混合特性を完全混合の状態とするこ
とが好ましく、したがってこのためには、上記内筒の筒
内で充填反応液の内筒軸方向の流れを生じさせ、これに
より該内筒の筒内から筒外を回動するように生じさせる
上下方向の循環流を、上記滞留部においては上方に向う
液流として与えることがよい。

（作　　用） 本発明は前記の構成をなすことによって、固定化担体と
培養液の接触頻度が効果的に確保でき、生物学的あるい
は生物化学的反応が促進される。また固定化担体の破損
がなく安定持続した反応を継続させることが可能となる
。

また反応槽内の混合特性が完全混合の状態として得られ
、環境因子の制御、反応結果の解析に基づく装置のスケ
ールアップへの応用が容易化される。

（実施例） 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明よりなるバイオリアクタの構成概要を概
念的に示したものであり、第２図はこのバイオリアクタ
を二連式に連続させて構成した場合の装置概要を示した
ものである。

これらの図で示される例において、バイオリアクタ１の
反応槽の外股を形成している外筒７の内部には、上下に
開放した筒状の内筒８が図示の如く固定的に内装され、
その内筒８の筒内部（以下どれを内側通路３３という）
に液流発生装置としての軸流インペラ１２が設置されて
いる。この軸流インペラ１２の駆動により反応槽内には
図示矢印で示した上下に循環する液流が発生される。

反応槽は恒温装置４によって生物学的あるいは生物化学
的な反応を好適に行なわせるに適した環境温度に維持さ
れる。

上記内筒８の筒外面と外筒７の内面の間には、上下位置
が多孔質板２８で仕切られた微生物（あるいは酵素）の
固定化担体２９を滞留保持するための滞留部２が区画形
成され、上記軸流インペラ１２により発生された液流に
より該滞留部２には下方から上方に向かって液が流れ、
これにより固定化担体が浮遊して完全混合状態が実現さ
れる。したがって固定化担体（従って固定化された微生
物等）と充填液の接触が良好に確保されることになる。

なお３は原液流入管、４は反応液の送出管である。また
３０は反応槽内の液のｐＨ状態を微生物等の至適環境に
維持するために設けられたｐＨ調整液の注入管を示して
いる。

以上の構成概要を有するバイオリアクタによれば、反応
槽内の外筒と内筒の間の通路（以下これを外側通路３２
という）である滞留部に保持された微生物等の固定化担
体は、外筒と内筒の間のリング状の間隙部分に浮遊可能
に保持され、下方から上昇する液流により浮遊して完全
混合状態となって液と微生物等との良好な接触が図られ
るどういう効果が得られる。

第２図は上記単槽のバイオリアクタを、三つ連続して配
置した場合の構成を示したものであり、この形式によれ
ば単一種類の固定化された微生物等により生物学的（あ
るいは生物化学的）な反応を行なわせることができるだ
けでなく、必要に応じて異なる種類の微生物等を充填し
た反応槽の組合せとすることもできる特徴がある。

第３図は上記第１図で概念的に示した装置の具体的な構
成を示したものであり、第４図は同装置の液流発生装置
の構成を拡大して示した図、第５図は内筒上部の部分を
拡大して示した図である。

これらの図で示された例のバイオリアクタ１は、竪型円
筒状の外筒フからなる反応槽の内部に、該外筒と同心円
的に上下に開放した竪型円筒状の内筒８が配置され、内
筒周方向に間欠配置された支持兼邪魔板９を介して外筒
フにより固定支持されている。

本例の内筒８は、その上下の開放部においてその開放先
端側に向ってベルマウス状（又は円錐状）に形成された
顎部１０．１１が設けられ、該内筒を通る液流の流れを
スムースとするようにされている。

１２は内筒８の筒内下部に配置された軸流インペラであ
り、槽外のモータ１５により回転軸１６により第４図の
矢印方向に回転されることで内筒を内を下方に流れる液
流を発生させるようになっている。またこの軸流インペ
ラ１２は置型断面をもつ羽根１３を備え、ボスの流入側
には流れ羽根にスムースに液を流すために半球状のキャ
ップ１４が組付けられている。なお内筒８の内壁面とイ
ンペラの羽根の回転先端との間の間隙δ（第４図参照）
は、液の逆流を防止するために機械的設計において許容
される範囲で可及的に小さくすることが好ましく、具体
的には内筒８の内径ｄと上記インペラの羽根１３の外径
ｄａとの比は、ｄ　／　ｄ　ａ≦１．０１に選定される
ことがよい。

内筒８の上記インペラを包囲する下方部分は、上部と別
体に準備したもの（例えば第４図の符合８′で示したも
の）をパツキン１８を介してボルト締め接合等により一
体化する構造としてもよい、このようにすれば、インペ
ラの羽根１３を内装する内筒の下方部分のみを精密加工
することで装置の加工等を容易化することができるから
である。なお第４図の符合１７で示した部材は、内筒の
周方向に間欠的に配置された内筒支持のための支柱部材
である。

２０は散気管であり、上記内筒の上部近傍の適当箇所に
配置されて、多数の散気孔からエアを噴出するようにな
っている。これは生物学的（あるいは生物化学的）な反
応が好気性雰囲気で行なわれることが必要な場合に利用
される。

２１は上記内筒８内の軸流インペラ１２の上部位置に配
置された整流板である。この整流板は、この種装置では
渦流が発生し易くその渦流はポンプ効率を低下させるの
で、これを防止するために設けられている。

３は反応槽上部の一部に接続された原液流入管、５は反
応槽の下部の一部に接続された反応液の送出管である。

なお２２は反応槽の天井部に設けられた脱気管であり、
絞り弁２３を介して大気に開放されている。そして上記
原液流入管３の上流側に接続される不図示の送液ポンプ
からの送液圧力による加圧、送出管の下流側に接続され
た不図示の絞り弁の絞りにより与えられる液流出量、お
よび上記脱気管２２に接続の絞り弁２３の絞り程度のバ
ランスで、反応槽内の圧力状態が上述した５ｋｇ／ｃｒ
ｒｌ−Ｇ以下の適当な値に設定することができるように
なっている。

２８は固定化担体２９を滞留保持するための滞留部を形
成するためのリング状の形状をなしている多孔質板であ
り、外筒フと内筒８の間の上下位置に、仕切りとして配
置されている。この多孔質板は、固定化担体の流通は阻
止するが、液の流通はスムースに許容できる適当な孔が
多数形成されているものである。

なお本例のバイオリアクタにおいては、第５図に示す如
く外筒７内部と内筒８内部の適所の圧力状態を検出する
ためにマノメータ２４．２５が設置されている。マノメ
ータ２４は、外側通路３２の内筒上部顎部１０と同高位
置の圧力を検出するように設置され、またマノメータ２
５は内筒８の内側通路内においてそ上端から該内筒の内
径ｄ長さ寸法だけ下側に下った位置の圧力を検出するよ
うに設置されている。

以上の構成のバイオリアクタにおいて、生物学的あるい
は生物化学的反応を行なわせるにあたって留意すべき点
は、第１には生化学反応の促進であり、第２には大涜量
を確保することである。

本例のバイオリアクタにおいてこれらの留意点を好適に
実現するには、例えば第３図における軸流インペラ１２
が配置され従って液流の速い内筒８内に散気管２０を配
置して、しかもインペラの方向に散気孔を開口させるよ
うにする構成が好ましく採用される。これにより液中に
導入されたエアが単に浮上するのではなく、液中におい
て攪拌作用等を迅速に受けて溶解し、大きな溶存酸素の
状態を確保することができるようになる。また溶存酸素
の量を多くするために反応槽内は加圧下とすることが好
ましい。

また担体に固定化された微生物等と液との接触を高効率
化するために、液の循環をスムースに行なわせることが
好ましく、このために内筒の開放端部を上述のようにベ
ルマウス（あるいは円錐状）とすることがよい、この内
筒端部のベルマウス等の開きの程度は、内筒下端と反応
槽底との間の距離、内筒上端と液面までの距離のｈを、
内筒８の内径ｄに対し０．３７倍以上に設定することが
好ましい場合が多い、　０．３７倍以下である場合には
、循環流量がその部分を通過する際に圧力損失が大きく
かかる虞れがある等の問題がある。

また流量を最大限に確保しつつ、効率をできるだけ高く
し動力を節減するには、上記第３図の構成のバイオリア
クタにおいてはインペラ１２を高効率軸流インペラとし
て設計し、比速度（ｒｐｍ　　−Ｊ　（ｍ”／ｗｉｎ）
　／　ｍ　”　）が　９００〜３０００（Ｄ置型断面を
有するものとすることがよい。

実施例１ （スィートツルガム搾汁液からのし一乳酸の生ａ）（固
定化担体（ゲルビーズ）の調整） ラクトバシルス　カゼイ　バラエティ　カゼイ（Ｌａｃ
ｔｏｂａｃＪｌｌｕｓ　ｃａｓｅｊ　ｖａｒ　ｃａｓｅ
ｉ　）をブリックス（Ｂｒ１ｇｇ５）培地で３７℃、２
０時間嫌気培養し、その培養液１容に対し、アルギン酸
ナトリウム２．５を液９容を加え、塩化カルシウム５％
溶液に滴下して３〜４ｍｍφの球状ゲルビーズとした。

（装置仕様） 第４図のバイオリアクタを第１図の仕様で、下記の通り
に構成した。

１槽の容量　　　　　　　８００ａｊ！ゲルピース容量
　　　　　１５０ｍＡ ゲルピース空陳率　　　　０．７７ ゲルビース直径　　　　　３〜４ｍｌφ軸流ボンプ：ゲ
ッチンゲン型３枚羽根 羽根径　　　４０ｍｍ 回転数　　０〜１１００ｒｐ 運転条件：滞留時間　　　６．Ｏｈｒ Ｈ７ 温度　　　　　３５℃ 以上の条件で乳酸の生成を行ないその結果を下記表１に
示した。

表　　　１ 以上の結果を、軸流ポンプの周速と、Ｌ−乳酸生成速度
の関係として第６図に示した。

軸流ポンプはポンプ相似則により周速と吐出量が比例す
ることから、ゲルビーズと培養液との接触回数が比例す
ることになり、上記表１および第６図からも、Ｌ−乳酸
生成速度は軸流ポンプの周速に略比例して定量的な制御
が可能なことが理解できる。

実施例２ （スィートツルガム搾汁液からのし一乳酸の生産）上記
実施例１に比べて、装置仕様を第２図の二連式に変更し
た以外は同様の条件でＬ−乳酸の生成を行なった。

牛の結果を実施例１と対比して下記第２表に示した。

表　　　２ 上記表２の通り、路間−の反応条件を保持させた場合に
おいては、はとんでし−乳酸生成速度は変化することな
く同一の性能が継続時間４００ｈ「に渡って得ることが
できた。

このことより、単一楢の試験で性能を把握すればスケー
ルアップが容易に行なえることが分る。

このことは、従来、ジャーファーメンタでの性能試験を
確認してもパイロットテスト、コマーシャルテストがそ
れぞれの段階で必要とされていた、ことと比べて極めて
装置設計の容易なことを意味し、工業的規模での装置設
計を実験質レベルで十分確認できる利点と合せてその有
用性は極めて大きい。

実施例３ （酵母：サツカロミセス　ルキシー（鉦匹り皿と−ｃｅ
ｓ　ｒｏｕｘｉｉ　）　：細胞の固定化菌体を用いた酢
酸の生産） サツカロミセス　ルキシー（旦匹■ｐ ｒｏｕｘｉｉ）をＹＭ−培地で培養し、その培養液１容
に対し、実施例１と同様に球状ゲルビーズを調整した。

次に、グルコース３％、硫酸アンモニウム０．５％、リ
ン酸二カリウム０．０８５％、リン酸−カリウム０．０
１５％、硫酸マグネシウム０．０５％、およびビタミン
　、無機イオン等の微量成分からなる培地（ｐ）１５．
５）を使用し、実施例１の装置仕様で散気管２０からエ
アを吹き込みながら酢酸の生産を行なった。その結果を
下記表３および第７図に示した。

表　　　３ 一般に、好気性菌を利用したバイオリアクタにおいては
、呼吸が溶存酸素（Ｄｏ）の影響を受けることが多い。

特に固定化反応系では、固定化材によって反応がＤ　Ｏ
’ＩＩＡ度に律速される傾向は一層大きくなる。

ところで上記表３および第７図で示された本実施例３の
結果からは、固定化酵母細胞を用いて酢酸の生成を行な
い、その反応槽内の圧力を変化させた場合に、圧力状態
に略比例して酢酸の生成が得られることが分る。

これは溶存酸素濃度Ｄｏと圧力の関係をみると、その圧
力に対するＤＯの濃度勾配△ＣはΔＣ＝Ｃ５−ＣＩ で与えられ、ここで Ｃｓ寓飽和り。

Ｃ１−運転り。

の式より、Ｃｓは反応槽内の圧力に比例して太きなるこ
とから、結果的に 酸素供給能力　■　圧力 となり、必然的にバイオリアクタ内に圧力に応じた量の
酸素を供給することができ、酢酸の生成速度が圧力に比
例することになるのである。

本実施例３の結果からは、反応槽内の圧力を高くするこ
とにより、同一バイオリアクタで生産量を大きくするこ
とができることが分る他、第３図で示した例の装置では
、軸流インペラとエア吹き込み位置との関係を好適に設
定することで溶存酸素量を大きくできるようにしている
ので、吹き込み強度を大きくすることが不要ないしその
必要度合を小さくでき−１したがって従来装置において
問題となっていた発泡、飛沫同伴が可及的に少なくなり
、工業的装置として極めて有用性が高いものであること
を示している。

（発明の効果） 以上述べた如く、本発明よりなるバイオリアクタは、微
生物、酵素を固定した固定化担体を反応液を攪拌流動さ
せる液流発生機構と固定化担体の滞留部が区画されてい
るため、固定下担体を損傷することなくこれを適当な浮
遊状態に維持して長期に安定した反応を行なわせること
ができ、また該浮遊状態の固定化担体に対し反応液を十
分流通接触させることかで包で反応容積効率が高いとい
う効果が得られる。

また、反応槽内の液の流動特性は、内筒に内で軸方向の
液流を発生させる液流発生機である例えば軸流ポンプの
相似則に支配されるので、小さなジャーファーメンタに
よる実験室レベルでの試験の解析結果を基づいて、スケ
ールアップした装置を設計することが容易であり、工業
的な規模の装置設計が容易かっ、精密に行なえるという
効果もある。

また更に、本発明よりなる反応槽内の混合特性は、循環
混合流の完全混合槽であり、反応制御因子を同一条件に
調整することが容易で、微生物学的に適した反応条件を
選択するのに適しているという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明よりなるバイオリアクタの構成概要を概
念的に示したものであり、第２図はこのバイオリアクタ
を二連式に連続させて構成した場合の装置概要を示した
ものである。 第３図は上記第１図で概念的に示した装置の具体的な構
成を示したものであり、第４図は同装置の液流発生装置
の構成を拡大して示した図、第５図は内筒上部の部分を
拡大して示した図である。 第６図は実施例１におけるし一乳酸生成速度と軸流イン
ペラの回転数の関係を示した図、第７図は実施例３にお
ける酢酸生成速度と反応禮内圧力の関係を示した図であ
る。 １：バイオリアクタ　２：滞留部（間隙）３：流入管　
　　　　４：恒温装置 ５：送出管　　　　　６：絞り弁 ７：外筒　　　　　　８：内筒 ９：支持兼邪魔板　　１０．　ｊｌ：顎部１２：軸流イ
ンペラ　　１３：羽根 １４：半球状キャップ　１５：モータ １６二回転軸　　　　　１７：支柱部材１８：パツキン
　　　　１９：散気孔 ２０：散気管　　　　　２１：整流板 ２２：脱気管　　　　　２３：絞り弁 ２４．２５：マノメータ　２６：外側通路２７：内側通
路　　　　２８：支持板 ２９：固定化担体　　　３０：　　ｐＨ調整液注入管第
３図 鵬４図 第５図 ｇ　遠Ｃ”７Ｌ／５ｅｃ） 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　上下に開放した竪型筒状の内筒と、この内筒の周囲
   を十分な隙間を保って囲み、かつ該内筒が十分沈潜する
   位置まで内部に液が充填される反応槽外殻としての外筒
   と、上記外筒と内筒の間で、酵素又は微生物を固定化し
   た固定化担体を浮遊状態で滞留保持可能に設けられた固
   定化担体の滞留保持部と、上記内筒の筒内で充填液に内
   筒軸方向の流れを生じさせ、この内筒軸方向の液流によ
   り該内筒の筒内から筒外を回動する上下方向の循環流を
   生じさせる液流発生手段と、を備えたことを特徴とする
   生物反応装置。 ２　発生する液流が、固定化担体の滞留保持部内を下方
   から上方に流れることを特徴とする請求項１に記載の生
   物反応装置。