JPH0279966A - バイオリアクターシステム - 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】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、バイオリアクターシステムに関する。さら
に詳しくは、有機酸産生菌を用いて所望の有機酸を安定
かつ連続的に生産できるバイオリアクターシステムに関
する。

（ロ）従来の技術 従来から、微生物を用いて各種有用有機物を生産する方
法として、培養槽中で一定期間培養を行ういわゆるバッ
チ式の発酵法が行われている。

しかし、かかるバッチ式の発酵法では、多量の培養液を
取扱うことができ装置構成も比較的簡便である反面、有
機物の分離回収操作か煩雑であり、また発酵時間と共に
培地濃度が城少して目的有機物の生成速度が低下するた
め微生物の利用効率に限度があるという問題がある。そ
して、ことに乳酸菌等の有機酸産生菌を用いて有機酸を
産生ずる場合には、時間と共に培養液のｐｌ＋が低下す
ることにより有機酸産生菌の代謝が阻害を受けてさらに
有機酸の生成速度が低下する問題があり、有機酸の連続
生産に供することが困難であった。

この点に関し、上記微生物を適当な担体に化学結合や物
理吸着をさせるか、またはカラーギナンやアルギン酸カ
ルシウムなどのゲルに包括固定し、それらの担体または
ゲルの粒子を反応器中に充填または流動させて、原料基
質液を通過させる方式のバイオリアクター（担体充填層
あるいは担体流動層型バイオリアクター）や、透析膜あ
るいはホローファイバーの膜を介して固定した微生物層
にこの膜を介して原料液を通過させて生成物をとり出す
方式のバイオリアクター（模型バイオリアクター）が提
案されるに至っている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、かかる担体充填層型、担体流動層型及び
模型のバイオリアクターにおいては、固定化された微生
物を使用する点で汎用性に欠けると共に装置構成が複雑
となり、また有機酸の生産においては前記したバッチ式
の発酵法と同様なｐＨ低下の問題を生じる虞れがあり、
さらにバッチ式の方法に比して処理できる培養液の量が
少なく工業生産に適するものではなかった。

この発明はこのような状況下なされたものであり、こと
に、固定化微生物や微生物の固定層を用いることなく、
有機酸産生菌によって有機酸を工業生産レベルで連続的
かつ安定に生産できるバイオリアクターシステムを提供
しようとするものである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明者は、上記観点から有機酸を連続生産できる装置
構成や培養条件等について、検討を行った。従来から乳
酸菌等の有機酸産生菌の培養至適条件についての実験室
レベルでの研究は行われているが、工業生産レベルでの
乳酸の生産に適する至適条件はそのシステムの具体的な
構成により変動じ不明な状況であった。本発明者らはか
かる認識の下に鋭意研究を行った結果、特定の装置構成
及び条件の組合せによって有機酸を工業生産レベルで連
続的かつ安定に生産できる事実を見出しこの発明を完成
させるに至った。

かくしてこの発明によれば、撹拌手段を備え有機酸産生
菌とグルコース培地を含む培養液を貯留する反応器、送
液手段を備え上記反応器中の培養液を循環移送する循環
流路、この循環流路の途中に設けられ培養液中の産生有
機酸を濾過により該循環流路外に排出する濾過手段、及
びこの濾過手段から排出される有機酸含有濾液を回収す
る液貯留槽を具備してなるバイオリアクターシステムが
提供される。そしてさらに、このシステムにおいて、培
養液中のグルコース濃度が３〜１５重量％の間に保たれ
るようにグルコース培地を補給する培地供給手段と、ｐ
ｉセンザを有しこの出力に基づいて培養液中のｐＨが５
．０〜８．５の間に保たれるようにアルカリ水溶液の導
入操作を行うアルカリ供給手段とを上記反応器に付設す
ると共に、培養液の１時間当りの循環量と反応器中の培
養液貯留量との比り月＝２〜１：８となるように上記送
液手段を制御してなるバイオリアクターシステムが提供
される。

この発明に用いる反応器としては、従来のバッチ式発酵
用と同様な容量の培養槽を用いることができ、通常、縦
長の円筒状容器を用いるのが適している。かかる反応器
中には撹拌手段が付設され、この撹拌手段としては回転
式の撹拌器が適している。なお、撹拌効率ひいては反応
効率の点で円筒状容器を用い、この円筒状容器内に液流
通可能な大きさ又は液流通部を有する円盤状仕切り板を
複数内設し、この仕切り板と仕切り板間に撹拌用のプロ
ペラが各々配置されるようプロペラシャフトを挿通させ
た撹拌手段を設けるのが好ましい。ここで液流通可能な
大きさの円盤状仕切り板としては、容器内径よりも小さ
な直径を有するものが適しており、液流通部を有する仕
切り板としては、中央部にプロペラシャフトよりも大き
な穴が穿設されたしのが適している。また、かかる反応
器には適宜、加温手段が付設されていてもよい。

この発明における培養液は、有機酸産生菌とグルコース
培地とからなる。ここで有機酸産生菌としては、乳酸菌
、酪酸産生菌、酢酸産生菌等が挙げられる。一方、上記
グルコース培地とは、グルコースを主成分としさらに栄
養分を含有する液状培地を意味し、通常、グルコースと
ポリペプトン及び酵母エキスを有機成分として含有する
ものを用いるのが好ましい。この発明においては、グル
コース濃度が３〜１５重ｆｆ１（ｖ／ｖ）％の培地が適
しており、７〜９重量％とするのが好ましい。ポリペプ
トン及び酵母等の栄養分は０．０１〜１容量（ｖ／ｖ）
％の範囲とするのが好ましく、０．１５〜０．３５容量
％とするのがより好ましい。グルコース濃度がこの範囲
を逸脱すると産生、回収される有機酸の濃度が安定せず
適さない。従って、培養液循環時においてもこの条件が
保たれるように、反応器にはグルコース培地を補給する
培地供給手段が付設される。かかる培地供給手段として
は、所定流量でグルコース培地を反応器内に連続もしく
は断続的に導入する管路で構成するのが適しており、こ
の流ｍや導入ｍは、運転時における培養液中のグルコー
ス濃度の低下１に見合う量、すなわちグルコース濃度が
一定に保たれるよう制御するのが適している。なお、か
かる培地供給手段には、連続蒸気滅菌装置が付設されて
いてもよい。

上記反応器には、さらにアルカリ供給手段が付設される
のが適している。このアルカリ供給手段はｐＨセンサの
出力に基づいてアルカリ水溶液を培養槽内へ注入してｐ
ｌ＋を５．０〜８．５好ましくは、ｐｕ６．０〜７．５
の範囲に調整するものであり、ｐＨセンサの出力との比
較器とこの比較器からの出力に基づいてフィードバック
制御される電鉱弁を備えたアルカリ水溶液供給管で構成
するのが好ましい。この際のアルカリとしては、水酸化
ナトリウム、水酸化カリウム等が適している。なお、か
かるアルカリ供給手段は複数設けられていてもよく、こ
とに培養槽内に航述した円盤状仕切り板を配設した場合
には、迅速なｐｕ？ＪＸＪ整を行う点で各仕切り板間の
領域毎にアルカリ供給手段を付設するのが好ましい。な
お、培養液のｐｌ＋が上記範囲を逸脱すると、有機酸の
産生効率が低下するので好ましくない。

この発明における循環流路には、送液手段及び濾過手段
が付設される。送液手段は、循環時の培養液の送液量を
制御できる送液ポンプで構成するのが適しており、この
際の送液量（循環ｆｆｋ）は、１時間当り、培養槽中の
培養液貯留量のＩ７２〜ｌ／８（好ましくは１／２〜Ｉ
／４）が置換されるように一定に制御される。送液量が
この範囲を逸脱すると条件を一定に保っても有機酸を安
定に連続生産することができず適さない。一方、濾過手
段としては、半透膜、限外膜、限外濾過膜等の産生有機
酸を通過できるが、微生物や懸濁物質を通過させない膜
を濾過膜とするのが適しており、濾過された有機酸含有
濾液は管路を通じて液貯留槽に回収される。

なお、この濾過手段の構造はとくに限定されないが、こ
とに濾過膜の膜面に平行して送液する構造、例えばダイ
ジェンシャルフロー型の濾過器を用いる場合には、この
濾過器に並列にバイパス流路を設けかつこのバイパス流
路に流量制御バルブを取付ける構成を採ることができる
。とくに、濾過膜に目詰まりが生じて透過量が下がり透
過量を一定にするために透過圧を上げなければならない
とき、バイパス流路を設けているものは、液流通量を制
御することにより線速度を下げずに透過圧を上げること
かできるが、従来法では、バルブをとじると透過圧は上
がるが、線速度を下げてしまいそのためにさらに目詰ま
りを生じることになる。

またバイパス制御の場合は、膜面積を増やした場合もバ
イパスのバルブの制御に上り線速度を一定にできる。

かかるバイパス流路の接続構成例を第６図（ロ）に例示
した。なお、第６図（イ）はバイパス流路を設けていな
い構成を対比して示すものである。

図中、４は送液ポンプ、５は循環流路、６Ａはグイジェ
ンシャルフロー型濾過器、７は液貯留槽、５１は流量制
御バルブ、６Ｉは濾過膜を各々示し、Ａは微生物、Ｂは
産生有機酸を示すものである。

そして第６図（ロ）においては、濾過器６Ａの入口側と
出口側を接続するバイパス流路５２か設けられており、
このバイパス流路５２には流量制御バルブ５３が介設さ
れている。

とくに、濾過手段においては、濾過膜に生じうる目詰ま
りや濃度分極によって線速度が低下して経時的に有機酸
の回収量が低下することがしばしば生じうるが、この場
合において上記バイパス流路５２の制御バルブ５３を閉
鎖方向へ制御することにより、回収量を回復でき、一定
の線速度で安定に有機酸の回収を行うことが可能となる
。さらに、濾過手段として、濾過膜が多層になった濾過
器（負荷が増大）に代替して用いる場合においても、バ
イパス流路５２の制御バルブ５３の制御によって、透過
圧を低下させることなく代替前と同じ線速度に設定する
ことができ、有機酸を定常的かつ効率良く回収すること
が可能となる。

（ホ）作用 反応器内での培養により生じた有機酸は、循環流路に移
送されて濾過手段を通じて連続回収されるが、かかる培
養回収サイクルにおいて反応器内の培地条件及びｐｌ＋
が所定範囲内に維持されると共に循環速度ひいては培養
液の反応器内滞留時間が一定に維持されることにより、
有機酸産生菌の活性の低下を招くことなくかつ充分な有
機酸産生時間が確保され、安定で効率良く有機酸を連続
製造できることとなる。

（へ）実施例 第１図に示すｌは、この発明のバイオリアクターシステ
ムの一実施例を示す構成説明図である。

図において、バイオリアクターシステムＩは、撹拌器３
を備えた内容量ｔｔｏｏｃの円筒状容器からなる反応器
２と、送液ポンプ４を有し反応器２の底部から上部へ接
続される循環流路５と、循環流路５の途中に設けられた
平膜型濾過器６と、濾過器６からの濾液を回収する液貯
留槽７とから基本構成されてなる。また、反応器２上部
には、グルコース溶液供給タンク８１、ポリペプトンと
酵母エキストラクトの水溶液を貯留した栄養分供給タン
ク８２、水蒸気バブリング手段を備えた連続蒸気滅菌装
置８３及び培地供給管８４から構成される培地供給部８
が接続されている。さらに、反応器２の側部には、ＩＮ
の水酸化ナトリウム水溶液タンク９１．送液ポンプ９２
、アルカリ供給管９３及びアルカリ注入器９４から構成
されるアルカリ供給部９が付設されてなる。

上記反応器２の内部構成を第２図及び第４図（ａ）に示
した。図に示すように反応器２内は中央に穴２２を有す
る二枚の円盤状仕切り板２１によって液流通可能な三つ
の部屋に多段分割されており、撹拌器３は３枚のプロペ
ラ３１を有するプロペラシャフト３２からなり、そのプ
ロペラ３１がそれぞれ上記三つの部屋に配置するよう構
成されてなる。なお、ここで仕切りｔｉ２＋としては中
央にシャフト３２よりも直径の大きな円形穴を有するも
のを反応器内壁に取付けて構成したが、第４図（ｂ）の
ように反応器の内径よりも小さな円盤状仕切り仮２３を
シャフト３２に取付けて構成してもよい。

一方、アルカリ注入器９４は第３図に示すようにｐ＋＋
センサ９５、比較制御器９６及びアルカリ供給管用の電
磁弁９７とから構成され、比較制御器９６はｐＨセンザ
９５による検出ｐ１１が６．５以上になった際に電磁弁
９７を一定時間開放して培養液のｐＨを６．５以上に保
つようにタンク９１内の水酸化ナトリウム水溶液を反応
器内に注入できるような自動制御機構とされている。

そして上記構成からなるバイオリアクターシステムにお
いて、反応器２中には、グルコース濃度０．１重量％、
ポリペプトン０．Ｏ１１容量、酵母エキトスラクト０．
０１容量％の培地と乳酸菌（ストレプトコッカス、フエ
ーカリス）　Ｉ　Ｏ”ｌｌ！／ｃａ＋’とからなる１０
００１２の培養液１０が貯留されており、これに対応し
て送液ポンプ４は、１時間当り培養液ｌＯの１／２．５
の量を循環すなわち置換できる送液量に制御されている
。また、送液ポンプ８５８６は各々培養液中のグルコー
ス濃度、ポリペプトン濃度、酵母エキトスラクト濃度を
ほぼ一定に保つよう液量制御されており、具体的には、
グルコース８重量％、ポリペプトン０．０５容爪％、酵
母エキストラクト０．０５容量％の培地を２５０１１２
／分の流量で連続蒸気滅菌装置８３を介して連続注入で
きるよう設定されている。

かかるバイオリアクターシステム■こおいて運転を１０
日間行ったところ、運転全期間において液貯留槽内に６
．５〜７．２重量％の乳酸水溶液が１時間当り２５０ｘ
（ｉの速度で安定に回収されることが判明した。

また、アルカリ注入器９４における比較制御器９６の比
較設定ｐＩＩを変化させた場合に得られる乳酸生成速度
とｐＨとの関係を第５図に示した。このように、ｐ＋＋
約６．０〜約７．０の間においてとくに高い生成速度が
得られていることが判る。ただし、Ｉ）１１５．０未満
あるいはｐＨ８，５を越えると生成速度が著しく低下す
ることが判明した。

さらに、グルコース濃度が３重量％未満又は１５重量％
を越えると乳酸生成速度が低下することも判明した。ま
た、循環ｍを貯留量の１７２（時間当り）未満としたり
１７８以上とした場合には、培養液の反応器内滞留時間
が過小又は過多となりすぎて、高い乳酸生成速度が得ら
れなかったり、安定な生成速度が得られない不都合が生
じることが判明した。

（ト）発明の効果 この発明のバイオリアクターシステムによれば有機酸産
生菌によって有機酸を連続的かつ安定に生産することが
できる。そしてバッチ式の培養槽と同様な培養槽を用い
て培養を行うことができるため、工業生産レベルの多量
の培養液を取り扱うことができ、しかも固定化微生物や
微生物の固定層等を必要としないため、装置構成ことに
流路構成ら簡略化され装置設計上も有利である。さらに
、従来のバッチ式の発酵法のように産生有機酸の分離回
収操作が不要で、得られた回収液をそのまま製品や目的
とする用途に利用できるという利点を有する。

従って、この発明のバイオリアクターシステムは、有機
酸生産装置として極めて有用なものである。

なお、かかるバイオリアクターシステムは、有機酸生産
装置としてのみならず、有機酸産生菌の培養、増殖の用
途に利用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例のバイオリアクターシス
テムを示す構成説明図、第２図、第３図及び第４図は、
同じく各々その要部を示す構成説明図、第５図は、同じ
く制御ｐｌ＋と乳酸生成速度との関係を示すグラフ図、
第６図は同じく他の循環流路及び濾過手段の構成を示す
ものであり、（イ）は単一の循環流路からなる構成、（
ロ）はバイパス流路を有する構成を各々例示する説明図
である。 ８１・・・・・・グルコース溶液供給タンク、８２・・
・・・・栄養分供給タンク、 ８３・・・・・・連続蒸気滅菌装置、 ８４・・・・・・培地供給管、９・・・・・・アルカリ
供給部、９１・・・・・・水酸化ナトリウム水溶液タン
ク、９３・・・・・・アルカリ供給管、 ９４・・・・・・アルカリ注入器、９５・・・・・・ｐ
Ｈセンサ、９６・・・・・・比較制御器、９７・・・・
・・電磁弁。 ｌ・・・・・・パイオリ・アクタ−システム、２・・・
・・・反応器、２１．２３・・・・・・円盤状仕切り板
、３・・・・・・撹拌ｉ、　　　　３１・・・・・・プ
ロペラ、３２・・・・・・プロペラシャフト、 ４．８５，８６．９２・・・・・・送液ポンプ、５・・
・・・・循環流路、　　　６・・・・・・平膜型濾過器
、６Ａ・・・・・・グイジェンシ中ルフａ−型濾過器、
６Ｉ・・・・・・濾過膜、　　　７・・・・・・液貯留
槽、８・・・・・・培地供給部、 ５１．５３・・・・・・流量制御バルブ、５２・・・・
・・バイパス流路、 第 図 諮 図 ＜ａ＞ （ｂ） 第 図 Ｈ （イ） 図 （ロ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、撹拌手段を備え有機酸産生菌とグルコース培地を含
   む培養液を貯留する反応器、送液手段を備え上記反応器
   中の培養液を循環移送する循環流路、この循環流路の途
   中に設けられ培養液中の産生有機酸を濾過により該循環
   流路外に排出する濾過手段、及びこの濾過手段から排出
   される有機酸含有濾液を回収する液貯留槽を具備してな
   るバイオリアクターシステム。 ２、請求項１のシステムにおいて、培養液中のグルコー
   ス濃度が３〜１５重量％の間に保たれるようにグルコー
   ス培地を補給する培地供給手段と、ｐＨセンサを有しこ
   の出力に基づいて培養液中のｐＨが５．０〜８．５の間
   に保たれるようにアルカリ水溶液の導入操作を行うアル
   カリ供給手段とを反応器に付設すると共に、培養液の１
   時間当りの循環量と反応器中の培養液貯留量との比が１
   ：２〜１：８となるように上記送液手段を制御してなる
   バイオリアクターシステム。 ３、請求項１のシステムにおいて、循環流路の濾過手段
   に並列に、流量制御バルブを有するバイパス流路が設け
   られてなるバイオリアクターシステム。