JPS5945872A - 微生物培養法とその装置 - 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】 本発明は、主にフィードバック制御法に基いて微生物を
最適に培養する半回分微生物培養法及びその装置に関す
る。

微生物の培養工場において、その栄養源である基質の流
加量を自動的に、制御出来れば、培養を管理する運転要
員の省力化、工程の安定化、製品々質の安定、向上が期
待出来る。ところで微生物の培養系は化学反応系等と比
較すると、微生物が自己調節機能を持っており環境に対
する適応力を発揮するという点で化学反応系と大きく異
なっている。それゆえに、微生物個有の特性を考慮した
化学反応系とは異なる自動制御システムの開発が必要で
あるがそのような系の複雑さのゆえに、微生物培養系を
対象とした基質流加量の自動制御に関する応用例は、き
わめて少なく、また研究例も多く社傘なかった。

次に、以上の事情を更に詳しく述べる。従来研究例とし
てパン酵母に関するものをあげると次のようなものがあ
った。

１）パン酵母の培養系を対象に、排ガス中のエタノール
濃度を一定に保つよう糖流加量を制御す名。

２）パン酵母の培養系を対象に、呼吸商を制御量とし、
これが、ある一定の値の範囲になるよう糖流加量を制御
する。

８）パン酵母の培養系を対象に、排ガス中のエタノール
濃度を測定し、エタノールの生成、資化状態に対応させ
て糖流加量な制御する。

しかしながら、これらの研究例は、オンオフ制御・ン基
本としておシ、制御（目標）量である例えばエタノール
濃度や呼吸商を一定に保つような高度な制御を行なうこ
とは困難であった。そこで我々は、多孔性テフロンを用
いたチュービング法によるアルコールセンサーを開発し
、培養液中のエタノール濃度を、きわめて迅速なる応答
速度によって、連続的に測定することを研究可能とし、
このような応答特性のすぐれたセンサーを用いることに
より、ＰＩＤ方式によるフィードバック制御が可能とな
シ、エタノール濃度を一定に保つような高い制御性を実
現することが出来た。ところで各種の変動が予想される
工場での半回分培養系に上記研究した制御システムを応
用しようとすれば、次に述べるような欠点があるため応
用出来なかった。即ち半回分培養系では、菌体濃度、例
えばパン酵母の濃度の増加、各生産物濃度の増加あるい
は初期に仕込んだ無機塩類、ビタミン類等の濃度の減少
等、培養系の各種状態量が、培養時間経過に応じて変化
する。それが原因で培養系の制御量の動特性を良好にす
る、ＰＩＤ方式等のフィードバック制御法の制御パラメ
ータの最適値が、培養時間の経過とともに変化してしま
い、その結果、制御パラメータを培養時間中終始一定に
固定した形のフィードバック制御によっては制御特性が
良くなかった。

そこで、培養中適宜時間毎に外乱を与えることにより、
最適制御パラメータを遂次割出し、それに従いフィード
バック制御演算を行うことが考えられた。しかしながら
、微生物の培養系においては、培養中にそのような人為
的な外乱を与えることは、微生物が活性を失ったシ、性
質が変化したシしてしばしば予想外の挙動を示し好まし
くなかった。

そこで、発明者等は鋭意研究した結果培養中、培養系の
所定状態量Ｂと、最適制御パラメータとの間には一定の
関係があることを発見し、予じめこの関係を実験によっ
て求めておくことによって、培養巾検出したこの所定状
態量Ｂに対応する最適制御パラメータをマイコン等で演
算することにょシ算出し、これを利用して容易に且つ、
外乱等による常置なくして最適にフィードバック制御を
行うことに成功した。

本発明は上記のような技術思想を背景として完成された
ものであって、従来の微生物培養法の欠点を解消した優
れた微生物培養法及びその装置を提供することを目的と
する。

以下に、本発明をその一実施例を示す図面に基いて説明
する。なお、説明を分シやすくするため、基質（栄養源
）としてグルコースを用い、微生物としてパン酵母を培
養し、そのフィードバック制御方式としてＰＩＤ方式を
採用し、制御量として着目する状態量Ａはエタノール濃
度とし、又最適制御パラメータと関係あるものとして選
ぶ状態量Ｂは、パン酵母濃度Ｘ及び添加グルコース濃度
Ｓｉｎとすることとした。なお、この場合、エタノール
濃度に着目する理由は、よくしられるようにエタノール
濃度を一定に維持することにより、パン酵母を収率良く
しかも短時間に品質よく培養出来るからである。

まず、本発明に係る微生物培養装置（以下本発明装置と
いう）について説明する。

第１図は本発明装置の簡略培養系統図であって、１はパ
ン酵母を培養する培養タンクである。該培養タンク１の
上部には、基質としてのグルコースを培養タンク１内に
流下するためのパイプ２の先端が取付けられ、パイプ２
の他端はグルコースを貯蔵するグルコースタンク８に連
結している。該。

パイプ２の途中にはグルコースを培養タンク１に供給す
るためのポンプ４が装設され、またダイヤフラム弁等の
操作部５が介設されている。培養タンク１の上部には、
培養液中のエタノール濃度を検出する、多孔性テフロン
を用いたチュービング法によるアルコールセンサ６が取
付けられている。

７は、一定に維持しようとするエタノール濃度の目標値
を設定する設定器であシ、８はその設定器７から出力さ
れた目標値信号と前記アルコールセンサ６から出力され
たエタノール濃度信号を入力し、双方を比較しその差を
偏差信号εとして出力する比較減算器である。培養タン
ク１の上部には、培養タンク１中の菌体濃度、本実施例
では培養パン酵母の濃度Ｘを検出する菌体濃度センサ９
が下垂固設されている。１０は、上記培養系の制御量と
してのエタノール濃度の制御動特性が良好となるような
、パン酵母濃度Ｘ及び供給されるグルコースの濃度Ｓｉ
ｎと、制御パラメータＰｒ（比例帯）。

Ｔｉ（積分時間）　、　Ｔｄ　（微分時間）との関係を
、例えば次に述べるようにして予め求めておいたものを
記憶する記憶回路である。上記方法とは、所定のパン酵
母濃度Ｘｓ　、グルコース濃度Ｓｉｎ　ｓの場合におけ
る培養系に、ステップ外乱を加えるＺｉｅｇｌｅｒ−Ｎ
ｉｃｈｏｌｓ　応答法を適用し、その場合における制御
量の動特性が最適となる最適制御パラメータを実験的に
求め、更に他のパン酵母濃度Ｘ、グルコース濃度Ｓｉｎ
の場合について、前記Ｚｉｅｇｌｅｒ−Ｎｉｃｈｏｌｓ
法によシ、最適動特性を与える最適制御パラメータを求
め、このようにして、各種のパン酵母濃度Ｘ、グルコー
ス濃度Ｓｉｎの値についての最適制御パラメータＰｒ、
Ｔｉ、Ｔｄの値、関係を求めておく。

ここに良好な制御動特性とは、速みやかにエタノール濃
度が目標値に収束することをいう。本実施例の場合は、
上記関係は次式（１）のように簡単なものとなった。

ここに、ＸＳ　、　５ｉｎｓは、前記所定の値であシ、
その場合の最適なＰｒの値がＰｒｓである。Ｔｉ、Ｔｄ
は本実施例の場合においては、　Ｘ　、　Ｓｉｎとは関
係ないも菌体濃度センサ９からの出力信号Ｘ及び、前記
記憶回路１０からの出力信号を入力し、そのパン酵母濃
度Ｘ及びその時点で培養タンクｌに供給されているグル
コース濃度Ｓｉｎ　（これは個々のグルコースタンク・
８によって各一定であシ、予め既知である）の場合にお
ける最適制御パラメータＰｒ　、　Ｔｉ　。

Ｔｄを、前記関係式（１）に基き算出する回路である。

１２は、その最適パラメータ算出回路１１から出力され
る信号と、前記比較減算器８から出力される偏差信号ε
を入力し、次式（２）に従って、ＰＩＤフィードバック
演算を行い、制御動作信号Ｚを算出するフィードバック
演算回路である。この制御動作信号Ｚは前記操作部５へ
入力され、それに従い、操作部５は弁開度を調節する。

第１図において、１８は培養タンク１に設けられ、培養
液を攪拌する攪拌羽根であシ、１４は培養タンク１の排
ガス用パイプである。

第２図は、第１図に示す本発明装置に、フィードフォワ
ード的制御機能を付与した本発明装置の簡略培養系統図
である。１５は、前記フィードバック演算回路１２から
出力された制御動作信号Ｚと前記菌体濃度センサ９から
の出力信号を入力し、次式（３）に従い、制御動作信号
Ｚを算出するフィードフォワード加算回路である。

／　１　　μ Ｚ　＝　−（□　ｖｘ−ｂ）＋Ｚ　　　　　　　　　（
３）ａ　　ＹＳ＋ｎ この−！−（−Ｅ＝ｖｘ　−ｂ　）をフィードバック制
御動作ａ　　　ＹＳｔｎ 信号Ｚに加えることによ如、例えばパン酵母濃凍Ｘに大
きな変化が生じた場合等に、よシ制御性よくエタノール
濃度を制御し得ることとなる。なお、ここに、μは比増
殖速度、Ｙは対糖収率、■は培養液量、ａ、ｂは定数で
ある。

次に本発明にかかる微生物培養法（以下本発明法という
）を上記本発明装置を例にとって説明する。

本発明法は、予めステップ応答法等により、培養液中の
エタノール濃度が最適に制御されるような、パン酵母濃
度Ｘ及びグルコース濃度Ｓｉｎと、制御パラメータとの
間の関係を求めておき、それを記憶回路１０に記憶して
おく。次に、操業中の培養タンク１中のパン酵母濃度Ｘ
と培養タンク１に供給されるグルコースの濃度Ｓｉｎを
求める。パン酵母濃度Ｘを求める方法としては、培養夕
／りｌに供給されたグルコース総量から間接的に推定す
る法あるいは、第１図に示すようなパン酵母濃度センサ
ー９によシ直接自動的に検知する法等がある。又グルコ
ース濃度Ｓｉｎを求める方法としては、培養タンク１に
グルコースを供給するパイプ２に取付けられた濃度計に
よる方法あるいは、グルコースタンク８に一定の既知の
濃度のグルコース溶液を貯蔵しておく法等がある。次に
、最適パラメータ算出回路１１において、求められたパ
ン酵母濃度Ｘ及びグルコース濃度Ｓｉｎに対応する最適
パラメータＰｒ　、Ｔｉ　、Ｔｄを、記憶回路１０に記
憶された前記関係式（１）に基き算出する。他方アルコ
ールセ／す６から出力された培養液のエタノール濃度と
、目標とするエタノール濃度とを、比較減算器８におい
て減算しその偏差εを算出する。次にフィードバック演
算回路１２において、偏差εと前記最適制御パラメータ
Ｐｒ、Ｔｉ、Ｔｄと前記（２）式に基き、制御動作信号
Ｚを演算し出力する。最後に、その制御動作信号Ｚに従
って操作部δの弁開度を調節しグルコースの供給量を制
御する。なお、パン酵母濃度Ｘが大巾に変化するような
場合にも、良好な制御動特性をもって制御し得るように
、前記フイードフ演算した値を式（３）に示すように、
前記制御動作信号Ｚに加算し、その和Ｚ′に従って操作
部５を調節してもよい。なお、ポンプ４の回転数を調節
してグルコースの供給量を制御してもよい。

次に、本発明法によって実施した微生物の培養制御結果
を第８図の中央部に示す。

実施ｓ件は、１０ｉジャーファーメンタ−を用い、培養
温度を８８°Ｏ，ＰＨを４７．溶存酸素濃度を８　ｐｐ
ｍ以上とした。比較のため制御パラメータを固定した従
来例の制御結果を第４図の中央に示す。他の条件は本発
明法の実施例と同一である。ここに、第８，４図中、Ｔ
１は自動制御のスタート時点（それ以前は手動で安定さ
せている）、Ｔ２．Ｔ１１は夫々ル濃度を示す。なお、
第８図及び第４図においては、エタノール濃度の変化を
示すグラフの上方に、前記制御パラメータの１つＰｒ（
比例帯）のグラフ（横軸時間、縦軸％）を示し、下方に
、パン酵母濃度Ｘのグラフ（横軸時間、縦軸ｇ／））を
示す。

なお、第８図のパン酵母濃度Ｘのグラフにおいて実線は
培養タンク１への添加グルコース総量から推測されたパ
ン酵母濃度Ｘ値である０′黒点はパン酵母濃度Ｘの実測
値である。

第８図、第４図から明らかなように、外乱が加わっても
、本発明法による場合の方がエタノール濃度の変動は速
やかに減衰される。その結果、パン酵母の培養を速やか
に且つ収率良く行うことが出来る。

次に基質（栄養源）としてエタノール、微生物としてエ
タノール資化性酵母を用いてアミノ酸を生産する場合に
、本発明装置及び本発明法を適用した実施例について述
べる。この場合には、制御量として着目する状態貴人と
して、エタノール濃度を選び培養前半（２０時間）にお
いてはエタノール濃度を１０００　ｐｐｍに保つことに
よって酵母を生産し、培養後半においてはエタノール濃
度ヲ９０００ｐｐｍまで上昇させてアミノ酸含量を上昇
させることとする。すなわちこの実施例では制御量が段
階的に変化する場合である。また、最適制御パラメータ
と関係がある状態量Ｂとしては、エタノール資化性酵母
濃度Ｘ、培養液量■及び酵母活性αに着目する。第５図
はこの実施例の培養系統を示す図面であって、設定器７
は培養前半と後半において、制御しようとするエタノー
ル濃度の目標値を切換えうるプログラム機能を有する設
定器である。

また、１６は培養タンク１の液面の位置を検知し、液量
■を検出する液量計である。酵母活性αはエタノール濃
度Ｐから求め得ることが分っている。

予め、上記、エタノール資化性酵母濃度ｙ、培養液量Ｖ
及び酵母活性αと最適制御パラメータＰｒ。

Ｔｉ、Ｔｄとの関係を求めた結果次式（４）　、　（５
）が得られる。

Ｐｒ　＝　ｆ、　（α−Ｖ・Ｘ）　　　　　　　　　　
　　　（４）Ｔｄ　＝　ｆｔ（（１−ｖ−ｘ）（５）Ｔ
ｉは固定でよい。そこでそれを記憶回路１０に記憶しチ
オく。操業中の培養系において、エタノール資化性酵母
濃度ｙ、培養液量■及び酵母活性αを検出し、上記式（
４）　、　（５）に基き、最適パラメータ算出回路１１
において、最適制御パラメータを算出し、以後パン酵母
の培養の場合と同様にして、フィードバック制御演算し
、制御を行う。上記アミノ酸生産のための実施例の実施
結果を第６図下方に示す。実施条件は１０ノジヤーフア
ーメンターを用い、ＰＨを４．５、培養温度を８０℃、
溶存酸素濃度をＩｐＩ）ｍ以上とした。比較のため制御
パラメータＰｒを４５優に、Ｔｄを２．５（ｍｉｎ）に
固定した従来例の制御結果を第７図下方に示す。他の条
件は本発明法の実施例と同じである。図中Ｔ１は自動制
御開始時点、Ｔ２は外乱として１０チエタノール水溶液
２０ＣＣを添加した時点を示す。横軸は時間、縦軸はエ
タノール濃度を示す。なお第６，７図には、エタノール
濃度の上方に、制御パラメータＰｒ（％）を、更に上方
に制御パラメータＴｄ（ｍｉｎ）を示した。第６，７図
から明らかな如く、外乱に対して本発明法による方力、
エタノール濃度の制御特性がはるかに良く、又エタノー
ル濃度の目標値の設定切換によっても本発明の方が制御
特性が良い。

本発明装置及び本発明法は以上述べた場合に限らず、培
養すべき微生物としては、バクテリア。

他の酵母、原生動物等に応用できる。又基質としては、
炭素源として糖、モラセス、グルコース。

アルコール、有機酸（酢酸）その他、又炭素源と無機塩
類との一定割合混合物等が考えられる。また、制御量と
して着目する状態量Ａとしては、培養液中の基質濃度（
エタノール、糖、その他）、または生産物濃度（エタノ
ール、酢酸、その他）等を用いてもよく、また、排ガス
中のｏｘ　、　ＣＯ２濃度、エタノール濃度を用いても
よい。更に、変化させる制御パラメータとしてはＰｒ、
Ｔｉ、Ｔｄの全て又は任意の組合せあるいは任意の一つ
でもよい。

その最適制御パラメータとの一定の関係を求める状態量
Ｂとしては、前記酵母濃度ｘ、ｘ’　、グルコース濃度
Ｓｉｎ等に限らず、培養系の任意の状態量である。また
、酵母濃度Ｘは、添加基質量（単位時間）の時間積分量
から推定することが出来、その添加基質量は予め決定し
ておきうるから、実用を予め求めることとしておいても
よい。

なお、前記設定器７，７′・比較減算器８．記憶回路１
０　、１０　、最適制御パラメータ算出回路１１゜フィ
ードバック演算回路及びフィードフォワード加算回路等
の一部又は全部をマイコン等のコンピューターの、上記
回路９機器の機能を有する各手段で構成しても勿論良い
。

以上述べたところから明らかな如く、本発明は制御が非
常に難しい微生物の培養系において、Ｐｒ。

Ｔｉ、Ｔｄ等のパラメータを測定した状態ＪＩＢに基い
て変化させることによシ、外乱等を加えることなくして
、制御量を極めて制御性良く自動制御出来るので、目的
とする微生物を早く、且つ収率良く、しかも品質良く培
養することが出来る優れた発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は、いずれも本発明装置及び本発明の詳細な説明す
るためのものであって、第１図は本発明装置の簡略培養
系統図、第２図は本発明装置の簡略培養系統図、第８図
は本発明法の実施結果本発明法の他の実施結果を示すグ
ラフ（横軸時間。 縦軸エタノール濃度）、第７図は従来法の他の実施結果
を示すグラフ（横軸時間、縦軸エタノール濃度）である
。 ■・・・培養タンク、８・・・グルコースタンク、５・
・・操作部、６゛゛アルコールセンサ、７，７・・・設
定器、８゛°゛比較減算器、９゛°゛菌体濃度センサ、
１０　、１０゛・記憶回路、１１・・・最適パラメータ
算出回路、１２・・・フィードバック演算回路、１５・
・・フィードフォワード加算回路、Ｘ・・・パン酵母濃
度、ｙ・・・エタノール資化性酵母濃度、ε・・・偏差
、Ｚ、Ｚ・・・制御動作信号 代理人弁理士　東　島　隆　泊 第３図 第４図 １２３４５ 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微生物培養系の状態量Ａを制御量とするＰＩＤ。 ＰＤ　、　ＰＩ　、Ｐ方式等のフィードバック制御に基
   き、培養地に加える基質の量を調節することによって微
   生物を培養する微生物培養法において、制御量の動特性
   が良好になるような、フィードバック制御演算に用いら
   れる制御パラメータと培養系の状態量Ｂとの間の一定の
   関係を予め実験によシ求め記憶しておき、稼動中の培養
   系の前記状態量Ｂを求め、前記予め求めておいた関係に
   基き、その状態量Ｂに対応する最適制御パラメータ値を
   選出し、他方、鋼その培養系の制御量を検出し、目標値
   との偏差を算出し、その偏差と前記最適制御パラメータ
   値に基き前記フィードバック演算を実行して最適制御動
   作信号を算出し、その制御動作信号に従い培養系の操作
   部を操作し、基質の添加量を最適に調節することによっ
   て微生物を培養することな特徴とする微生物培養法。 ２、前記操作部の操作は、前記フィードバック制御演算
   による制御動作信号値に、菌体濃度に基いたフィードフ
   ォワード制御演算による制御動作値を加えた値に従って
   行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の微生物培養法。 ３、前記微生物はパン酵母であシ、前記制御量はエタノ
   ール濃度であシ、前記基質はグルコースであシ、前記状
   態量Ｂはパン酵母濃度と基質グルコース濃度であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の微
   生物培養法。 ４、前記微生物はエタノール資化性酵母であシ、前記制
   御量はエタノール濃度であシ、前記基質はエタノールで
   あ如、前記状態量Ｂは、エタノール資化性酵母濃度と酵
   母活性と培養液量とであるこＩ特許とす、特ＦＦ工り門
   弟１項えは第２よゎ載の微生物培養法。 ５、微生物の培養タンクと、該培養タンクへ基質を基質
   用タンクからパイプを通じて供給するポンプと、該パイ
   プの途中に介設され基質供給量を調節する操作部と、微
   生物培養タンクの所定の場所に取付けられ、培養系の状
   態ｉＢを直接自動検出するセンサーと、制御量の動特性
   が良好となるような、培養系の状態量Ｂと制御パラメー
   タとの間の一定の関係を予め記憶している記憶手段と、
   その記憶手段からの出力信号と前記センサーからの出力
   信号を入力し、最適制御パラメータを算出する最適パラ
   メータ算出手段と、培養タンクに取付けられ、前記制御
   量を検知する制御量センサーと、目標とする制ｔＵｋを
   設定し出力する設定手段と、該設定手段からの出力信号
   と前記制御量センサーからの出力信号を入力し比較して
   その差を出力する比較減算手段と、その比較減算手段か
   らの出力信号と前記最適パラメータ算出回路からの出力
   信号を入力しそれら信号に基きフィードバック制御演算
   を行い制御動作信号を前記基質調節操作部へ出力し基質
   量を制御するフィードバック演算手段とを備えたことを
   特徴とする微生物培養装置。 ６、前記操作部へは、フィードバック制御演算による制
   御動作信号に、菌体濃度に基くフイーヒヲ×−ド制御演
   算による制御動作信号が加算されたものが入力されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の微生物培養
   装置。 ７、前記微生物はパン酵母であシ、前記制御量はエタノ
   ール濃度であシ、前記基質はグリコースであシ、前記状
   態量Ｂけパン酵母濃度とグルコース濃度であることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項又は第６項記載の微生物
   培養装置。 ８前記微生物はエタノール資化性酵母であり、前記制御
   量はエタノール濃度であり、前記基質はエタノールであ
   シ、前記状態量Ｂは、エタノール資化性酵母濃度と、酵
   母活性と、培養液量とであることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項又は第６項記載の微生物培養装置。