JPH0779677B2 - 培養装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微生物及び／又は細胞を
培養する培養装置に係り、特に光合成微生物及び／又は
動植物細胞ないしプロトプラスト等の培養に好適な回転
ドラム式培養装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微生物及び／又は細胞の培養装
置、特に液体培養装置においては、固定タンクを設け気
体の供給と培地の混合を目的として、プロペラ式攪拌装
置、マグネティックスターラー、エアリフト方式用のド
ラフトチューブ等が用いられて来た。また、回分式培養
装置においては、モノー式、レシプロ式等の振とう機や
ローラーボトルのように振動や回転させることにより混
合と気液接触を行う装置が用いられている。しかしなが
ら、これらは小型の装置に限られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】工業化にあたっては、
大量培養と生産（増殖）量の精密制御が求められている
が、従来の固定タンク式では次の様な欠点があった。 （１）培養装置内に散気管、攪拌装置、各種のセンサー
類、ドラフトチューブなど、様々な障害物が存在してい
るため、槽内液の流れに滞留部分が多く生じ、そこへ培
養菌体、藻体あるいは細胞などが濃厚に付着する。 （２）散気装置、攪拌装置を用いても、必ずしもガス溶
解効率は高くなく、通常大量のガスを供給しなければな
らない。 （３）強度の弱い微生物や細胞培養などにおいては、攪
拌装置により強い剪断流を起こす方法は適用し難い。 そこで、本発明は、上記問題点を改善した槽内の不均一
化を防ぎ、培養細胞に損傷が少ない気液接触効率のよい
培養装置を提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、微生物及び／又は細胞等を培養する培
養装置において、少なくとも一端に固定連結部を備えた
回転培養容器と、該培養容器を水平軸方向に保持しつつ
回転させる駆動装置を有し、前記固定連結部に液流入口
ならびに流出口、ガス流入口ならびに流出口、及び光導
入口をそれぞれ設け、これらを前記培養容器内と連通さ
せると共に、該液流出口より固液分離装置を解して液流
入口へ培養液の一部を循環させる液循環機構と、該ガス
流出口より排出するガスの一部をガス流入口に循環させ
るガス循環機構とを有することを特徴とする培養装置と
したものである。前記装置において、液流出口には、前
記培養容器内で上向に開口する流出管を有すると共に、
該流出管の高さを上下に調整できるように配備するのが
よい。

【０００５】ここで、培養容器は回転する形状であれば
良く、円筒形、円錐台形、球形、樽形、ボトル形等、適
宜選定できる。また固定連結部は、培養容器の回転軸の
片端に設置しても、両端に設置しても良い。培養容器の
容積が大なる場合には、それ以外のものは光放散体を含
めて、培養器の両端の固定連結部にそれぞれ設けること
ができ、またそれぞれの部品について、強度の面からも
有利である。

【０００６】この固定連結部は自立式でも、駆動装置と
接続した構成としてもかまわない。固定連結部は、培養
容器内外の流入・流出の連結部位で、ここから培養器内
に例えば、光放散体、散気管、液体の供給管および溢流
管等の流通手段を突出させる。また支持部位でもあっ
て、回転する培養器内に固定して位置させたい物、例え
ば、付着物剥離用ワイパー（スクレーパー）、各種セン
サー等も、固定連結部より必要により突出させることが
できる。

【０００７】本発明の培養容器への液の張込み量は、混
合培養液流出管の位置を上下に移動することにより自由
に調整することができ、容積効率がほぼ１００％の条件
でも運転することが可能であるが、ガスの溶解効率を高
いレベルに維持するために、通常は、容積効率を５０〜
７０％の範囲に設定して運転することが好ましい。さら
に、装置からの排出液（菌体混合液）は固液分離装置に
よって菌体と培養終了液とに分離するが、培養残液中に
はなお菌体増殖に必要な有機物あるいは各種の有効な微
量成分が残留している。従って、培養残液を装置に供給
する原液に合流させ残留成分を繰返し再利用するのがよ
い。

【０００８】ガス類は装置外から任意の滅菌手段を介し
てブロワー等によって供給し、散気管によって回転する
培養容器の各部に均一になるように曝気を行うが、特に
脆弱な微生物、細胞、プロトプラストについては散気管
を使用せず、気液界面から拡散させてもよい。ガス類の
供給方法は、一過性でもよいが、その利用効率に限界が
ある。したがって、本発明では装置内溶液の散気による
攪拌をさらに強める目的も兼ねて、装置からの排出ガス
をガス供給管に連結して繰り返し利用し、コスト低減を
も同時に達成することができる。最終的な排出ガスは滅
菌工程を経て系外へ排出されることは言うまでもない。

【０００９】またガス溶解効率向上のため容器内の圧力
を上げ、液中のガス分圧の上昇を行うことができるが培
養器には十分強度をもった材質の容器が必要である。し
たがって、光合成微生物又は細胞といえども不透明の金
属製の容器が使用される。この場合は後述のような容器
内への光供給手段を設けることが必要である。光合成細
菌、微細藻類あるいは植物細胞やプロトプラスト等の光
培養において用いる光放散体は、光ファイバーによって
伝送された人工光及び／又は太陽光を培養容器内に高密
度、かつ均一に分散できるものであり、その材質は石英
ガラス製、ＰＭＭＡ製（ポリメチルメタクリレート）、
その他公知のものが適用できる。

【００１０】また、ＰＭＭＡやその他の樹脂などのロッ
ドの表面に溝や傷等をつけて加工したり、あるいは前記
した各種の光放散体に光を乱反射する各種の粒状物を分
散、封入する方法を採用するとよい。この場合、装置内
液に均等に光を放散させるためには、表面に付ける傷や
溝あるいは微粒子の密度は、接続点から遠くなるほど大
きくするのがよい。また、各種の光放散体は強度の強い
透明な物質で保護体をつくり、保護する方法が好まし
い。

【００１１】

【作用】本発明の培養装置において、細胞乃至はプロト
プラスト及び／又は微生物と液体培地の混合物（以後、
混合液＝ＭＬと略記する）は培養容器内壁を濡らし薄膜
を形成する。このためガスの溶解効率が高く、かつ培養
に対する傷害を与えにくい。但し、比較的物理的なスト
レスに耐性の強い微生物等については、槽内に散気装置
を設けても良い。槽自体が回転するため、槽の一部に培
養が集積することがなくＭＬの状態は均一に設定でき
る。また本発明の装置は連続培養系としても構成できる
ので、流入基質・希釈率等を調節することにより、ケモ
スタット、タービドスタット等として培養の増殖を制御
することができる。なお、ガス体及び液体として供給さ
れた基質の残りを返送して利用効率を高めた構造によ
り、安価で省資源的な培養ができる。

【００１２】以上のように、本発明はデリケートな培養
対象についても、大量培養が可能であり、かつ連続培養
系を構成できる精密制御可能なリアクタとして工業的な
利用範囲が広い。適用例として生理活性物質（増殖因子
・酵素・抗生物質等）を産生する細菌・酵母・放線菌類
等の微生物（例えば形質導入された大腸菌や海洋性バチ
ルス等）の培養槽として、また特定物質の資化微生物に
よる処理装置として、また分離細胞やウィルス等の培養
装置等が挙げられる。また加圧下での培養にも適用でき
るので、深海の耐圧性微生物用のリアクタとしても適用
できる。また、光合成微生物、光合成細胞乃至クロロプ
ラスト等の培養には、導光体、光放散体を設置できるよ
う構成するので、より有効に培養することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図面を用いて具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されない。 実施例１ この実施例は、円筒形で両端に支持連結部を配した装置
を用いて光合成微生物の培養を行う場合を説明する。図
１は、光合成微生物培養装置（以下、培養装置という）
の断面説明図である。図２は、図１の装置の液体とガス
体の流れを説明するフロー概略図である。図１におい
て、１は回転培養容器、２は固定連結部である。培養容
器１と固定連結部２とは回転可能でかつ漏れないように
連結されている。培養容器１は、駆動装置４（回転数は
５の回転計によって表示される）の駆動により、これに
接して回転ロール３が回転し、この回転を培養容器１に
伝達する。培養容器１の緩慢な回転によって装置内のＭ
Ｌは培養容器の内壁に沿ってフィルム状の薄膜が形成さ
れ、ガス吹込管８、散気管９から供給されたガスが極め
て有効に利用される。

【００１４】固定連結部２にはガス吹込管８、散気管
９、ガス排出管（ガス循環管）（図−２）８′、複数の
光放散体７（通常さや管６によって保護されている。図
３に固定軸の縦断面図を示す）。培養容器の内壁の付着
物を機械的に剥離するためのワイパー１１が設置されて
おり、また図２に記載のように原水流入管１５、ＭＬ流
出管１６が設置されており、特にＭＬ流出管１６は、そ
の高さを上下することによって培養装置内溶液の液張込
み量（容積効率）を自由に調整することができる。また
図１に示したように培養装置の液張込み量（水位１０
Ａ，Ｂ）によって、培養装置に光エネルギーを導入する
光拡散体の数も適当に増減することができる。

【００１５】図２において培養容器１内に適量の光合成
細菌、微細藻類あるいは特定の細胞（以後、培養とい
う）を接種し、原液流入管１５からそれぞれの微生物及
び／又は細胞類の増殖に適した培養液を連続的に注入す
る。培養容器１は前記の通り緩慢な速度で回転し、散気
管９から供給されたガス体と液中及び装置内壁にフィル
ム状に持ちあげられるＭＬに供給ガスが効率よく吸収さ
れる。また、装置内のＭＬの攪拌、混合は培養容器の回
転の他、装置内に設置された複数の光放散体のバッフル
効果によっても緩慢に行われるので、培養に対して衝撃
を与えることはない。

【００１６】培養が必要量増殖したＭＬはＭＬ流出管１
６によって装置外に取り出されるが、例えばセラミック
フィルター、メンブレンフィルターなどの所謂膜によっ
て構成された固液分離装置２０によって培養１７と分離
液１８に分離される。なお培養の分離には沈殿・遠心分
離等の手段を用いてもよい。培養１７は有用物質生産あ
るいはその他の目的に有効利用できる。分離液１８は前
記した目的のために原水流入管１５に返送され、培養装
置内で、残留する有効成分が培養に繰り返し利用され
る。

【００１７】光合成微生物及び／又は細胞類の培養に必
要な光エネルギーは、太陽光１９を太陽光集光装置１２
によって、及び／又は人工光発生装置１３からの人工光
は光伝送用ファイバー１４によって装置内に取りつけら
れた光放散体７と連結され、複数の光放散体から液中に
高密度かつ均一に分散、供給される。一方、培養に必要
なガス体はブロワー２１によって図示されていない滅菌
工程を経てガス吹込管８を経由して装置内の散気管に送
られ、菌体に供給されるが、装置からの排出ガスはガス
循環管８′を経由してブロワー９の吸気側に連結され、
各種微生物により繰り返し利用される。余剰（発生）ガ
スは、余剰ガス排出管８″から図示されていない滅菌工
程を経て系外に排出される。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、前記詳述した構成とし
たことにより、次のような作用効果を奏する。 （１）断面が円形の横型回転ドラム式の培養装置とした
ことにより、装置内壁の気相部分に装置内液がフィルム
状の薄膜となり、供給ガスが液側に効果的に移動し、従
来技術よりは遙かに少ないガス量で微生物あるいは細胞
類を大量培養することができる。 （２）槽自体が回転するため、培養装置内に気液及び菌
体を混合するための機械的攪拌装置がなくてもよく、培
養に強い剪断力を与えることがなく、細胞類に損傷を与
えないので、デリケートな対象の大量培養に好適であ
る。 （３）微生物あるいは細胞培養に必要な基質類あるいは
ガス体は、返送あるいは循環により繰り返し利用される
ので、基質を有効に利用できる。（４）連続培養装置として用いることが可能で、希釈率
等の培養条件を微妙に調整することが容易に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光合成微生物培養装置の断面説明図で
ある。

【図２】図１の装置の液体とガスの流れを説明するフロ
ー概略図である。

【図３】固定軸の縦断面図である。

【符号の説明】

１：培養容器、２：固定連結部、３：回転ロール、４：
駆動装置、５：回転計、６：さや管、７：光ファイバー
（光放散体）、８：ガス吸込管、８′：ガス循環管、
９：散気管、１０：水位、１１：ワイパー、１５：原液
流入管、１６：菌体混合液（ＭＬ）流出管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微生物及び／又は細胞等を培養する培養
   装置において、少なくとも一端に固定連結部を備えた回
   転培養容器と、該培養容器を水平軸方向に保持しつつ回
   転させる駆動装置を有し、前記固定連結部に液流入口な
   らびに流出口、ガス流入口ならびに流出口、及び光導入
   口をそれぞれ設け、これらを前記培養容器内と連通させ
   ると共に、該液流出口より固液分離装置を介して液流入
   口へ培養液の一部を循環させる液循環機構と、該ガス流
   出口より排出するガスの一部をガス流入口に循環させる
   ガス循環機構とを有することを特徴とする培養装置。
2. 【請求項２】 前記液流出口には、前記培養容器内で上
   向に開口する流出管を有すると共に、該流出管の高さを
   上下に調整できるように配備したことを特徴とする請求
   項１記載の培養装置。