JPH0687768B2 - 回転式固定層型バイオリアクタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、発酵槽又は培養槽等のバイオリアクタ、特に
回転式の固定層型バイオリアクタに関する。

〔従来の技術〕

発酵又は動植物細胞の培養を行なうバイオリアクタに
は、細胞、酵素、酵母、微生物等（以下これらを総称し
て生体触媒という）を固定化した担体を浮遊状態に保っ
た流動層型と、生体触媒を固定化した担体を塔またはカ
ラムに充填した固定層型とがある。さらに、固定層型バ
イオリアクタは、ホローファイバ等のいわゆる中空糸を
担体として用いた中空糸型と、泡ガラス等の粒状担体、
セラミックス多孔体等の三次元網目状担体、ハニカム状
担体あるいは多層平板担体を用いた充填層型とに識別さ
れる。充填層型バイオリアクタの一例として第５図に示
されるように、円筒形のタンク内に生体触媒を固定化し
た粒状担体を充填し、タンク下端から上方へ培地を供給
するバイオリアクタがある。この形式のバイオリアクタ
では培地の流れは押出し流れに近く、また、充填層は培
地の流れている移動相と流れのまったくない固定相（充
填物の相）から成り立っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の従来の固定層型バイオリアクタの
場合、第６図に示されるように生体触媒は担体の上側に
より多く付着し、担体の下側における生体触媒の付着密
度が小さい。また、バイオリアクタの出口に近づくにつ
れて培地中の栄養分濃度、溶存酸素濃度の低下と老廃物
濃度の上昇により細胞増殖が阻害される。このため、バ
イオリアクタによる生産物の生産効率が低いという問題
がある。かかる問題は、第５図に示されるバイオリアク
タを単に水平方向にした横型のバイオリアクタにおいて
も同様に生じる。

本発明は上記の事情に鑑み創案されたものであり、生体
触媒が固定層の全域にわたって均一かつ高密度に付着さ
れ、固定層としての機能が十分に発揮され生産効率の高
い固定層型バイオリアクタを提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するために、軸方向が水平
になるように配置された円筒形のタンクと、このタンク
内に同心になるように配置されたメッシュ状の円筒部材
と、このメッシュ状の円筒部材内に配設された生体触媒
を固定化するための固定層と、タンクの内壁面と円筒部
材の外壁面との間に形成される空所に連通されてこの空
所内に培地を供給する培地供給用ノズルと、円筒部材の
内部にその軸方向に延びるように配置されてタンクに供
給された培地を回収する培地回収用パイプと、円筒部材
の内部にその軸方向に延びるように配置されてタンク内
に酸素を供給する酸素供給用パイプと、タンクおよび円
筒部材を固定層とともに軸回りに回転させる駆動部材と
を備えていることを特徴としている。

〔作用〕

上記本発明による回転式固定層型バイオリアクタによれ
ば、培地はタンクの内壁面と円筒部材の外壁面との間に
形成される空所に培地供給用ノズルによって供給され、
メッシュ状の円筒部材の全域から生体触媒の固定層内に
供給され、この固定層の間を通過した後、円筒部材の内
部に配置された培地回収用パイプによって回収される。
生体触媒の固定層には、円筒部材の内部に配置された酸
素供給用パイプから酸素が供給される。そして、生体触
媒の固定層は、培地および酸素の供給を受けながら駆動
部材によってタンクおよび円筒部材とともに軸回りに回
転される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

第１図は固定層型のうち充填層型のバイオリアクタにお
ける本発明の一実施を示す図である。第１図において、
バイオリアクタ１は円筒形のタンク２を軸方向を水平に
して両端部をそれぞれ外側円形のフランジシール部材4,
6で閉塞したものである。フランジシール６のフランジ
部７の外周には歯形が形成され、フランジ部７自体が回
転用歯車7a（平歯車）として作用し、この回転用歯車7a
は動力伝達部材15,16を介して駆動減速機12により駆動
される駆動歯車14と歯合されている。また、フランジシ
ール部材4,6のタンク閉塞側と反対側の中心部には軸部4
a,6aがそれぞれ突設され、この軸部4a,6aはそれぞれ軸
受部8,10により軸支されている。したがって、駆動減速
機により駆動歯車14を回転することにより回転用歯車7a
がタンク２の中心軸を中心に回転し、バイオリアクタ１
が回転される。

第２図は第１図に示されているバイオリアクタ１のII-I
I線断面図であり、第３図は同じくIII-III線断面図であ
る。第２図、第３図においてタンク２の内側には円筒形
のメッシュ22がタンク２と同心となるように配設され、
メッシュ22の内側には軸方向を同一とした複数の酸素補
給用パイプ24、培地回収用パイプ26が配設されている。
また、メッシュ22の内側には生体触媒を固定化するため
の担体が充填されている。さらに、メッシュ22の外側の
タンク２との間隙部分には培地供給用ノズル28が複数配
設されている。

タンク２はガラス、金属等通常のバイオリアクタ用の材
質からなっていてよく、タンク２の直径および長さはバ
イオリアクタの規模に応じて適宜決定することができ
る。

タンク２の両端部を閉塞するフランジシール部材４の内
部には、軸部4aの内部を通って培地供給用ノズル28に連
通するように培地供給用流路40が形成されている。ま
た、フランジシール部材６の内部には、軸部6aの内部を
通って酸素補給用パイプ24に酸素を送るための酸素供給
用流路42と、培地回収用パイプ26により回収された培
地、生産物、老廃物等を次工程へ送るための培地回収用
流路44とが形成されている。

第２図に示されるように、フランジシール部４の軸部4a
は、ロータリシール30を介して軸受部８に液密状に軸支
されている。この軸受部８には培地供給用流路40と連通
するように培地供給管９がシール部材31を介して液密状
に接続されている。また、フランジシール部６の軸部6a
は、ロータリシール32aを介して軸受部10に気密状に軸
支されている。そして、軸受部10には、酸素供給用流路
52および培地回収用流路54が形成され、それぞれ軸部6a
内の酸素供給用流路42および培地回収用流路44と連通す
るように培地回収管11がロータリシール32bおよびシー
ル部材33を介してそれぞれ気密状、液密状に接続されて
いる。そして、前述したように、駆動減速機12によって
駆動歯車14が回転すると、タンク２、フランジシール部
材４（軸部4a）、フランジシール部材６（軸部6a）が一
体的に回転する。

メッシュ22は、例えば同一円周上に等間隔で配設した支
持棒材の外側のワイヤーを一定の間隔でスパイラル状に
巻回して形成したワイヤーメッシュ、あるいはパンチン
グメタル等の金網状のメッシュ等でよい。このメッシュ
22はタンク２と同心状態で両開口端をフランジシール部
材4,6により閉塞されているため、タンク２の内部はメ
ッシュ22によって内側と外側に２分割され、メッシュ22
の内側には生体触媒を固定化するための担体が充填され
ている。

酸素補給用パイプ24は生体触媒により消費された培地中
の酸素を補給して培地の溶存酸素濃度を一定に保つもの
であり、酸素供給用流路52,42を通って送られてきた酸
素が酸素補給用パイプ24の壁面を通過して培地中に補給
される。この場合、動植物細胞のような細胞膜を持たな
い生体触媒を酸素の気泡が消滅する際に生じる剪断力か
ら守るために、酸素補給用パイプ24は酸素を発泡しない
状態で培地中に供給するものが好ましい。このような酸
素補給用パイプ24として、例えば多孔性焼結SUS支持パ
イプの周囲をはっ水性を有するテフロン多孔質膜で覆い
密封したもの、あるいは、多孔性焼結SUS支持パイプの
外周壁に、はっ水性を有するシリコン薄膜を形成したも
の等がある。

このような酸素補給用パイプ24は第３図に示される例で
は、メッシュ22の内側にメッシュ22と同心の円周上に位
置するように等間隔に６本配設されている。酸素補給用
パイプの配設本数および配設位置はバイオリアクタの規
模に応じて適宜決定することができる。

培地回収用パイプ26はバイオリアクタ中で生産された生
産物、使用済培地および老廃物を回収し次工程（精製工
程等）へ送るためのものであり、片側開口の多孔性焼結
SUSパイプの開口側をフランジシール部材６の培地回収
用流路44に接続したものである。第３図に示される例で
は、培地回収用パイプ26はメッシュ22の内側のメッシュ
22と同心の円周上に位置するように等間隔に６本および
中心部に１本の計７本配設されている。

培地供給用ノズル28はタンク２の軸方向に新鮮な培地を
均一に供給するためにタンク２とメッシュ22との間隙部
分に配設されるものである。第２図に示される例では、
注射針状のノズルがフランジシール部材４の培地供給用
流路40に連通するように配設されている。通常、培地供
給用ノズル28は同一円周上に等間隔をなすようにタンク
２の軸方向に配設され、各ノズルの先端までの長さは同
一でもよく、あるいは周期的に変化させたもの（例え
ば、各ノズルの先端がサインカーブを形成するもの）で
あってもよい。培地供給用ノズル28の配設本数および配
設位置はバイオリアクタの規模に応じて適宜決定するこ
とができる。

このような本発明に係るバイオリアクタにおいて、培地
供給管９から供給された培地は、フランジシール部材４
内の培地供給用流路40を通って培地供給用ノズル28から
タンク２とメッシュ22との間隙部分に供給される。バイ
オリアクタ１のタンク２内では、供給された培地はメッ
シュ22を通過してメッシュ22内に充填されている担体間
をタンク半径方向内側に向って流れ、培地回収用パイプ
26によって回収され培地回収用流路44,54を通って次工
程へ送られる。そして、本発明ではバイオリアクタ１は
回転しているため、培地とともにタンク内に流入した生
体触媒は、担体（固定層）の表面積全域にわたって接触
し、第４図に示されるように担体全体に均一かつ高密度
に付着することになる。また、生体触媒の付着（固定）
後の生体触媒による有用物質の生産段階においても、バ
イオリアクタ１が回転しているため、培地が攪拌されて
培地の栄養分濃度、溶存酸素濃度がタンク２内部の全域
にわたって均一化され、この均一化された培地が固定層
全域に供給される。したがって、生体触媒の代謝活性が
高くなり生産物の生産効率が向上する。本発明における
バイオリアクタの回転速度は、生体触媒の種類、バイオ
リアクタの規模等から最適な条件を設定することがで
き、例えば動物細胞の場合、１〜16回転／時程度が好ま
しい。

本発明において適用可能な生体触媒は、付着性動物細
胞、酵母および微生物等種々の生体触媒が挙げられる。

また、生体触媒を固定化する固定層は、生体親和性に優
れた公知の粒状担体、三次元網目状担体、ハニカム状担
体および多層平板担体あるいは中空糸等の種々の担体を
用いることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、生体触媒が固定層の表面積全域にわた
って均一かつ高密度に付着され、固定層の機能が十分に
発揮されるとともに、培地中の栄養分濃度、溶存酸素濃
度が均一化されることにより生体触媒の代謝活性が維持
され、バイオリアクタによる生産物の生産効率が著しく
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側面図、第２図は第１図の
II-II線断面図、第３図は第１図のIII-III線断面図、第
４図は本発明における担体への生物触媒の付着状態を示
す説明図、第５図は従来の充填層型バイオリアクタを示
す図、第６図は従来のバイオリアクタにおける担体への
生体触媒の付着状態を示す説明図である。 １……バイオリアクタ、２……タンク、4,6……フラン
ジシール部材、4a,6a……軸部、７……フランジ部、7a
……回転用歯車、8,10……軸受部、９……培地供給管、
11……培地回収管、12……駆動減速機、14……駆動歯
車、15,16……動力伝達部材、22……メッシュ、24……
酸素補給用パイプ、26……培地回収用パイプ,28……培
地供給用ノズル、30,32……ロータリシール、31,33……
シール部材、40……培地供給用流路、42,52……酸素供
給用流路、44,54……培地回収用流路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向が水平になるように配置された円筒
   形のタンクと、 このタンク内に同心になるように配置されたメッシュ状
   の円筒部材と、 このメッシュ状の円筒部材内に配設された生体触媒を固
   定化するための固定層と、 タンクの内壁面と円筒部材の外壁面との間に形成される
   空所に連通されてこの空所内に培地を供給する培地供給
   用ノズルと、 円筒部材の内部にその軸方向に延びるように配置されて
   タンクに供給された培地を回収する培地回収用パイプ
   と、 円筒部材の内部にその軸方向に延びるように配置されて
   タンク内に酸素を供給する酸素供給用パイプと、 タンクおよび円筒部材を固定層とともに軸回りに回転さ
   せる駆動部材と、 を備えていることを特徴とする回転式固定層型バイオリ
   アクタ。