JPH02142461A

JPH02142461A - 回転式生化学反応装置

Info

Publication number: JPH02142461A
Application number: JP29460688A
Authority: JP
Inventors: Iori Aoki; 青木　五百里; Kimiaki Yasuda; 公昭安田
Original assignee: AGURO SYST KK; SAKAI ENG KK
Current assignee: AGURO SYST KK; SAKAI ENG KK
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1988-11-24
Publication date: 1990-05-31

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】〔産業上の利用分野〕本発明は通気攪拌槽型バイオリアゲタ−に属する回転式
生化学反応装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来から用いられている縦型攪拌研の欠点は攪拌並びに
エアー供給に要する動力が大きいことや攪拌羽根の剪断
力によって糸状菌や放Ｍ菌の菌糸が切断され細胞が損傷
を受は易いなどの点であった。

通気攪拌槽は、好気的微生物反応器としては最も普及し
た形式である。攪拌羽根として平羽根タービンか、若し
くは下羽根タービンを使用する。

実験室規模の反応器では攪拌羽根は普通１段であるが、
工業規模の反応器では２段以上取り付ける。

攪拌羽根を取り付ける軸の支持部は、無菌シールにしな
れけばならない、邪魔板を４枚ないし６枚取り付け、ス
パージャ−またはノズルより無菌空気を吹き込み、ジャ
ケット若しくは蛇管により温度調節する０反応器の７０
〜８０％しか液を仕込まないが、運転時にはガスのホー
ルドアツプと泡のため液面は可成り上まで来る。培養液
は泡立ち易いので、機械的に破泡するか消泡剤を加えて
消泡させる。反応器内で培養液を直接蒸気吹込みによっ
て滅菌する場９合は、蛇管は滅菌後の冷却に見合うだけ
の伝熱面積を持たせる。反応中の発熱は、微生物反応熱
と攪拌による粘性応力エネルギーの散逸に出来する。回
分操作では萌者は成る時点でピークとなるから、この最
大値が基準となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

通気攪拌槽は、（１）　ｐｌ＋や温度制御を行ない易い、（２）スケー
ルアップ方策がほぼ確立している、（３）　Ｃ５ＴＲに
適する、などの利点を有しているが、反面法の様な欠点がある。

（１）攪拌及び通気に要する動力が大きい。

（２）内部構造が複雑になるため、装置内の洗浄が不充
分となり、雑菌ｌη染され易い、また、無菌シールをし
ているとはいえ、雑菌汚染の恐れを生ずる軸受が存在す
る。

（３）糸状菌培養では攪拌羽根の剪断力によって菌糸が
切断され、細胞が損傷を受は易い。

（１）の欠点を補う方式として横型通気槽１゛Ｐ４曹が
考案され、実用化されている。（２）の欠点は、通気攪
拌槽の有する本質的な欠陥であり、装置の性能向−にを
計れば、内部構造物の複雑性は避けられない。（３）の
欠点を改善する方式は、攪拌タービンの形状を工夫する
方向で種々検討されている。

しかしながら、実用的なノ、（質拡散効率及び酸素移動
速度係数を有し、剪断応力の小さい攪拌タービンは未だ
発明されていないのが現状である。

機械的攪拌によるこの問題に関しては、攪１゛１もター
ビンを用いる限りに於いては、該欠点は解決出来ないで
あろう、何故ならば、普及型通気攪拌槽のモーター駆動
による基質攪拌方式は攪拌効率を向上させることと攪拌
タービンが発生させる剪断応力の強さとの間に正比例の
関係があるからである。また、攪拌タービンを高回転で
運転する大きな「１的の一つは酸素移動速度係数を一４
二げることにあるが、タービンの高回転による剪断応力
を低回転にしてその応力を低下させる手段として、スパ
ージャ−やノズルからのエアの供給方式以外に微小バブ
ルを生成させる他の手段を考案する必要がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記欠点を改善するために、横型攪拌槽を考案
し、更に普及型横型攪拌槽に装備されている攪拌羽根・
攪拌方式に代わる内胴回転方式を採用したことを特徴と
する装置に関するものである。

本発明の装置は、微生物（細菌、放線菌、酵母。

糸状ｉＷ）を固定した担体或いは微生物フロックを生体
触媒として利用する生化学反応に於いて、上記課題を改
善する手段を提案し得る。即ち、第１図に示す如く、横
型攪（゛ト槽に回転体の内胴を設け、その中に担体或い
は微生物フロックを充填する方式を採る。内胴は空ＶＸ
率の高いメツシュ様枯造物から成り、メツシュ径は担体
或いは微生物フロックが内＋１）１から漏れない程度に
する。内ＩＩＩ！は、円筒状、長方体などの培養種に応
した形状を採るものとし、内服の素材は同様に培養種に
よってステンレスからガラスやポリカーボネートに至る
迄適宜応用出来る。培養基質は、横型攪拌槽の外部に設
けた循環ポンプにより、循環用パイプを通じて外胴より
内ｊル１へ心びかれる。循環用パイプは、循環ポンプの
他に熱交換器とエアーミキサーを付Ｊｊ！′Ｌ、微／Ｊ
＼エアーバブルの供給と培養６１λ度の制御を行なう。

また、エアー供給量及び基質循環量を制御することによ
って、内胴内に於ける基質攪拌及び担体や微生物フロッ
クへのＮ！素供給を制御出来ろ。

更に、内胴をｇ！ｌ！Ｉｔにより回転ＩＩ動させること
により、より完全な攪拌混合を可能にし、担体や微生物
フロックへ与える剪断応力は著しく小さいものとなる。

勿論、内胴の回転速度を上げれば攪拌効率は増大するが
、酸素供給方式としてエアーミキサーを採用しているた
めに、悴及型通気攪拌槽に採用されている攪拌タービン
の如く高回転速度を維持する必要は無い。本装置に於け
るエアーミキサーの採用を可能としたのは、粒状固形物
を全て内胴に封入したために、循環基質が固形粒子フリ
ーとなり、エアーミキサー内の目詰まりを防止出来たた
めである。この攪拌槽へのインプットやアウトプット（
エアー供給、基質供給、消泡剤供給。

ｐｌ＋制御、植苗、基質交換、排気など）は、バルブや
フィルターなどの周辺機器を所定の生物工学用器材で装
備することによって無菌的に行なうことが出来る。

本発明の装置の攪拌効率と剪断応力を明らかにする目的
で、普及型の攪拌槽であるジャーファメンター（いわし
や社１Ｌ３Ｑ容量）と本装置の同容景の小型試験機を用
いて性能比較試験を行なった。攪拌効率は、亜硫酸酸化
法による一般的な手法を用い酸素移動速度係数で表現し
、剪断力はカラギーナン・ゲル化粒子を用い剪断応力に
よる破砕の度合を粒度分布で明らかにした。先ず亜硫酸
酸化法による酸素移動速度を比較するため、両装置の実
験条件を同一にした。即ち、エアーの供給量を０．２ｖ
ｖｍにし、実験温度を３０℃に設定し、基質容量を２Ｑ
にした。ジャーファメンターの攪拌装置は、フラット・
タービンとパドル羽根を用いた。

この実験結果を第２図に示す８図から明らかな様に、４
０　ｍ　ｊＩＩｏＱ　Ｏ，／　Ｑ　−ｈｒの酸素移動速
度を達成するには、本装置では１５ｒｐｍ、フラット・
タービンでは２６０ｒｐｎ＋、パドル羽根では実に４６
０ｒｐｎ＋を必要とする。また、カラギーナン・ゲル化
粒子を用いた攪拌効果による破砕実験の粒度分布分析結
果（第３図）から、本装置とジャーファメンターのパド
ル羽根は剪断応力が小さいことが判明した。

実験条件はエアー供給量０．５ｖｖ＋ａ、実験温度３０
℃。

基質量２Ｑ、攪拌時間２４時間とした。カラギーナン粒
子が破砕されない攪拌回転数は、本装置に於いては１１
００ｒｐであり、フラット・タービンでは５０ｒｐｍ以
下、パドル羽根では１５０ｒｐｍ以下となった。

ジャーファメンターに於いては、如何なる攪拌形状のタ
ービンを用いても、上記程度の攪拌では酸素移動速度は
２〜３１１ＩｌｏＱＯ□／Ｑ−ｈｒであり、この攪拌回
転数では好気醗酵に於ける適正培養条件を創出すること
は不可能である。特に、低い剪断力の下で好気的培養を
行なう必要がある動・植物細胞培養やゲル粒子に包括し
た好気生機生物の増殖型固定化担体を用いた醗酵には１
本発明の装置が有用であると考えられる。

本発明は、動・植物細胞培養及び酵素や微生物を固定し
た担体を用いて生化学反応を触媒させる試験、研究およ
び産業分野に利用される。

〔実施例〕実施例１糸状菌の１種である黒麹菌（アスペルギルス・ニガー、
Ｊ　ＣＭ　　５５４８株）をセルローススポンジ担体に
着生固定させ、粗糖を炭宏源としてクエン酸発酵を試み
た。

本発明の３Ω容小型試験装置に、種培養用のノん質（ａ
糖　２％、硫安　０．２５％、ＫＨ□ＰＯ４０，１％。

Ｍ　Ｐｓ　３０４・７）１，０　０．０４％）と３鵬角
のセルローススポンジの体積比が１＝１になる様に調整
して、全容積を２Ｑとし、１２１℃で１時間の湿熱滅菌
後、放冷し、上記菌の胞子を１０’／ｄの密度になる様
に接種した。培養温度を２５℃に設定し、　２０ｒｐｖ
ａの内胴回転数で０．ｌｖｖｍのエアー供給を行ない、
３日間種培養をした。菌体は全てセルローススポンジ上
に発育し、基質中に菌体の漏出は認められなかった。

種培養終了後に菌体の着生した担体を残し、種培養基質
を除去し発酵用基質（粗糖　１４％、ＫｌシＰＯ４１％
、Ｍ　ｇＳ　（１４・７１１２０　０．０４％）を無菌
的に１Ω添加し、同様に２Ｏｒｐｍの内胴回転数で６日
間バッチ式培養を行なった。培養温度を３０’Ｃに設定
し、エアーの供給量をＯ，ｌｖｖｍとした。上記条件下
の培養で、消費糖のクエン酸転換効率は８６％であった
。

実施例２放線菌の１種であるストレプトマイセス・グリセウス（
ＡＴＣＣ２３３４株）をセルロース・スポンジ担体に着
生固定させ、本発明の装置を用いてストリプ１〜マイシ
ンの生産をバッチ式培養法で試みた。

１．４Ｑの種培養基質（ブドウ糖　１％、酵母エキス１
％）を本発明の３Ｑ容／ｈ型試験装置に添加し、１２１
℃で１時間の湿熱滅菌を行なった後、放冷し、別に三角
フラスコ（５〇−容で２００ａｉ！の基質量）で培養し
た上記菌株を接種した。　２０ｒｐｍの内用回転数で、
３０℃、２日間種培養した後、無菌的に３１１ｗ１１角
のセルロース・スポンジ担体を添加し、培養全容積を２
ａに調整した。更に２日間種培養を継続し、菌体を担体
に着性固定させた。

種培養終了後に、着生固定した担体を残し、種培養用基
質を除去した。発酵用基質（ＩＱ当りブドウ糖　２０　
ｇ　、　ＭｇＳＯ４・７１１，０　１０ｇ、クエン酸ナ
トリウム　ｌｏｇ　、　ＮａＣＱ　　５　ｇ　％ＣａＣ
Ｑ２・２８２００．３ｇ、　Ｋｌｌ、ＰＯ４０，５に、
　ＦｅＳＯ４・７１１．０　２ｍｇ。

ＣＬＩＳＯ４・５Ｈ２０１■、ｚｎＳ０４・７７Ｈ２Ｏ
１ｒ：、Ｎｔ１１ＭｏＯ４・２Ｈ，００，Ｊｍｇを含有
する）を無菌的に添加し、同様に２０ｒｐ’ｍの内用回
転数で２５℃、７日間培養した。ストレプトマイシンの
測定はディスク拡散法で行なった。その結果、培養７日
目で２４０犀／−の濃度のストレプトマイシンが生産さ
れた６実施例３ムラサキ（リンスパーマム・エリスロリゾン）の根（紫
根）は、殺菌作用と創傷治癒作用を示す赤紫色のシコニ
ン系化合物を含有し、１キから高級染料や医薬品として
用いられて来た。本実施例に於いては、常法に従ってプ
ロトプラスト法によってシコニン系化合物を高生産する
ムラサキの細胞培養株を選抜した該選抜株のカルスを、
本発明の装置を用いて培養しシコニンの生産を試みた。

先ず、該選抜株のカルスを前以て大量培養し、そのｌＯ
ｇ（乾燥重量換算）を次表に示す。

表　シコニン生産に用いる培地組成（■／Ｑ）組成　　
　　　増殖用培地　　　生産用培地Ｎｌｌ、　ＮＯ，、
５００ＫＮ０．　　　　　　　　　　　１９００　　　　　　
　　８ＯＮａＮＯ，、２４８０Ｑ３　（ＮＯａ　”）ｘ・４１（，０６９４Ｎａｌ１２
Ｐ０４・２１２０　　　　　　　　　　　　　　　　１
９に１１□ＰＯ４１７０にＣＱ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　６５０ａ２・２１１□０１５０融ＳＯ４・７Ｈ，０１２０７５０融ＣＱ２・６１１□０２０３Ｎａ、５ｏ４１４８０ＦｅＳＯ，・７Ｈ２０２８Ｍｎ５Ｏ，・４１１□０　　　　　　　　２２ＺｎＳＯ
，・７１１．０　　　　　　　　９　　　　　　　　　
３ＮａＦｅ−ＥＤＴＡ−２Ｎａｚ−ＥＤＴＡ　　　　　　　　　　３７＋＋、８０
，２　　　　　　　　４．５ＣｕＳＯ，・５Ｈ２００，
０２５０，３Ｎａ２ＭｏＯ，・２１１，０　　　　　　
　０．２５蔗糖　　　　　　　　　３Ｘ１０’　　　　
　　３Ｘ１０’イノシトール　　　　　１００　　　　
　　１００チアミン・ＨＣＱ　　　　　　　０．４増殖
用培地２Ｑを入れた本発明の小）（！試験装置に無菌的
に添加し、９日間培養した。培養Ｖｒ１度を２５℃とし
、内胴の回転数をｌＯｒｐｍに設定しエアーは０，５ｖ
ｖｍ供給した。増殖培養終了後に増殖用培地を除去し、
次表に示す生産用培地の３／４１：１度を２Ｑ添加した
。生産培養期間を１４日に設定し、その間漸次、生産用
培地をフィードし、生産培養終了時の１４４日目は、そ
の濃度が４７３になる様に調整した。本装置の運転条件
は増殖培養と同様にした。

カルスの培養期間の合計を２３日間に設定したが、その
間のカルスの増加量は、カルスの小塊が不均一に培養基
中に分散するために１ｌｌｌ定出来ず、培養終了時に乾
燥重量を測定した。またカルス中のシコニン化合物の定
量は、常法に従いカルスをＣＨＣＱ　、溶液中で磨砕し
、１日暗所に静置した後、Ｍｇ５ｏ４を加えて濾過し、
エバポレーターでｄ５縮した。ａ相液は、ＫＯ１１溶液
でアルカリ性にし、（ｉ２２ｎｍで分光分析した。

２３日間の増殖培養および生産培養の結果、カルスは乾
燥重量で４２ｇ／２Ｑに増！孜し、その増加皐は仕込細
胞重量の４．８倍に相当した。また、シコニン系化合物
収量は６．２８０■／２Ｑに達し、２３日間の培養期間
中、培養液中にはカルスの破片の小さな浮遊物は殆んど
発生しなかった。之はカルスが受ける本装置の攪拌によ
る剪断応力が著しく小さかったことを示唆し１本発明の
装置は植物の組織培養に適すると断定出来る。

〔発明の効果〕

本発明装置は従来用いられていた縦型攪拌槽に代えて横
型攪拌槽とし、内周回転方式を採用することによって攪
拌及び通気に要する動力を節減し。

攪拌羽根の使用を取除いたので羽根の剪断力による菌糸
の切断、Ｍ胞の損傷を防止出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に成る回転式生化学反応装置の説明用フ
ローシー１−であり、第２図は夫々の攪拌方式による攪
拌効率を回転数と酸素移動速度とで表わした図であり、
第３図は攪拌回転数とカラギーナン・ゲル粒子の粒度分
布を示す図である。図中、１・・外胴２・・内胴３・・担体４・・滅菌培地貯槽５・・空気６・・フィルター７・・エアミキサー８・・熱交換器９・・培地＠環ポンプ１０・・排気ｌｌ・・フィルター１２・・ミストセパレーター１３・・内用回転用原動ａ・・回転式リアクター攪拌方式ｂ・・フラノ１−タービン攪拌方式Ｃ・・パドル羽根攪拌方式

Claims

【特許請求の範囲】

１　横型攪拌槽内に、円筒状、長方体などの空隙率の高
いメッシュ様構造物の内胴を有し、内胴のメッシュが細
菌、放線菌、酵母、糸状菌などの微生物或いは各種の酵
素を固定した担体や微生物フロック或いは動・植物細胞
の小塊が漏れない程度の口径を有し、循環ポンプを横型
攪拌槽の外部に設けられてあつて培養基質を循環用パイ
プを通じて外胴より内胴に導びく構造であり、循環用パ
イプが循環ポンプの他に熱交換器とエアーミキサーを付
帯していて微小エアーバブルの発生と供給および反応温
度の制御も可能ならしめてあり、完全攪拌混合を著しく
低い剪断力の下で行なうことを可能ならしめた回転式生
化学反応装置。