JPS62678B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発酵装置内で多相の混合物を分離する
ための改良された方法ならびにその装置に係る。
特に、生物学的変換工程により得られた三相組織
が発酵装置内部において遠心分離作用を受け３種
類の異なつた流れに形成されるような方法ならび
にかかる装置に係る。

生物学的処理プロセスは幾世紀にもわたり例え
ばビールやワインの製造などに利用されている。
近年、生物学的処理プロセスの内で単細胞たんぱ
く質処理プロセスなるものが重要な研究分野にな
ている。一般的にはこの生物学的プロセスは生物
と無生物との間における反作用をともなうあらゆ
る工程を含むものであるが、本明細書ならびに特
許請求の範囲においてはこの用語はもつと限定さ
れた意味合いのものとして用いられている。本文
では、生物学的プロセスは流動環境内の微生物発
酵をともなうプロセスを示すものである。かかる
微生物には例えばバクテリヤやイーストなどがあ
り、又流動環境にはあわ環境が含まれる。

本発明を応用できる周知の生物学的プロセスは
単細胞たんぱく質の生産のための発酵工程であ
る。かかる処理工程の現在好適とされる例は米国
特許第3642578号ならびに第3982998号に記載され
ている。一般的に、単細胞たんぱく質発酵工程の
場合、微生物と栄養流動物を含んだ好気性発酵が
例えば空気の注入などの方法で供給された自由酸
素のある所で遂行される。発酵器内では一般に微
生物と共に栄養流動物がガス注入を受ける。発酵
器の上部にあわが形成され他方装置の下部には液
が含まれる。形成されたあわは破ほう剤で消さ
れ、この破ほう財からガスが除かれ他方流体は発
酵器内に残る。

発酵器の底部から流体を含んだ微生物が通常引
き抜かれ、例えば洗浄遠心分離器などにおいて固
体―液体分離工程を受け、その後回収され洗浄さ
れた微生物のかたまりは乾燥されて最終生成物を
得る。かかる固体―液体分離工程中除かれた流体
にはいぜん貴重な成分が含有されており、従つて
全面的に殺菌消毒され、次に発酵器に戻される。
従来技術による工程の場合は、この再循環流体の
殺菌消毒は再循環流のいかなる汚染をも避けるた
め必要とされる。発酵器内に導入された流体は、
大抵の生物学的プロセスにおいて汚染有機物など
の如き汚染物質を絶対に含んではいけない。と云
うのは発酵器内の生物有機体の最小の汚染により
全体の反応が破かいされ好ましからざる製品、工
場の運転中止それによるコスト高をもたらすから
である。従つて、当業技術分野においてはすべて
の再循環流の殺菌消毒が提案されている。この慣
習は現在産業の全分野にわたり守られている。

本発明による発酵工程には、遠心分離器シリン
ダに多相状態の混合物を通過させ、その遠心分離
器シリンダの内部で急速旋回運動をこれに与え２
種の流体、即ち細胞の多い第１流体と、細胞を除
かれ液体とガスを含有する第２流体とを生成させ
る段階が包含される。最外部の細胞の多い領域と
内方の細胞が除かれた流体領域とに分離するのは
遠心分離器シリンダの内部および発酵器の内部で
行われる。この分離の効率は作業条件ならびにこ
れにともなつて使用される材料いかんによる。

このように、本発明により得られる発酵工程は
次の如き諸段階を有することを特徴としている。

(イ) 培養媒体と微生物の混合物を発酵器内で発酵
させる段階と、 (ロ) 装置内でガスと液体ならびに細胞より成る多
相の混合物を生成させる段階と、 (ハ) この多相の混合物を遠心分離器シリンダ内に
通過させることにより装置内で分離を行う段階
と、 (ニ) 遠心分離器シリンダ内の多相の混合物に遠心
分離器シリンダに接触した状態の急速な旋回運
動を与え、これにより遠心分離器シリンダの少
くとも軸方向長さのかなりの部分にわたり細胞
分が多く液分の除かれた材料より成る第１域と
細胞質材料が除かれ液分の濃い第２域とが生成
される段階と、 (ホ) 遠心分離器シリンダからの２つの別々の流れ
として、ガス相と細胞を除いた液体とより成る
第１流体と細胞が濃厚で液体の除かれた別の第
２流体とを引き出す段階と、 (ヘ) 発酵装置から第１及び若しくは第２の流体の
少くともその一部を所望の生成物として回収す
る段階。

本発明の方法を実施する装置は添付図面に概略
的にかつ横断面で示されている。

好適には、本発明の方法は、遠心分離器シリン
ダに接触し半径方向に最外部の層である所の材料
の第１域を壁からかき落とし放出装置の方に機械
的に軸方向に移動させる連続かき落とし作業を使
用する。このため、より強力な遠心作用を利用で
き、従つてこのかき落としが行われない場合遠心
分離器の壁に堆積する細胞の濃厚な流体の最外部
層に細胞性材料が高度に濃厚になることができ
る。

しばしば言及する多相混合物はあわである。多
相混合物は常にガス相と液体と細胞相を有す。単
細胞たんぱく質（SCP）発酵工程において発酵作
業から引き出すべき生成物は液を除き細胞の多い
相である。他の生物学的工程の場合、生成物は液
状製品で従つて細胞を除いた液相である。この後
者の例はアルコールを生産する発酵があげられ
る。

本発明の方法は好気性方式即ち発酵器に酸素を
添加する方式、ならびに嫌気方式即ち例えば窒素
を添加したり全然ガスを添加しない方式に応用で
きるものであり、後者の環境の場合発酵中細胞は
エタノール生産のためのアルコール発酵において
炭酸ガスなどのようなガスを生成する。

本発明の好適実施例において、細胞の豊富な流
体か細胞を取り除いた流体の何れかが発酵に再循
環される。再循環は無菌状態で実施されるので何
れの流体も殺菌する必要がない。例えば、アルコ
ール又はゴムを生産する発酵作業において、細胞
の豊富な流体が再循環され、これら再循環せる有
機物を再使用してより多くの所定の生成物を作り
出す。従つて、抽出された細胞なしの流体におけ
るアルコール濃度は最高の細胞活動に対し例えば
６容積％から８容積％の如く低く保たれる事実に
も抱らずきわめて能率良く作業を実施できる。エ
タノール以外の液製品で有機物培養に禁止的な例
えばブタノール、アセトン、アイソプロパノルそ
の他などの如き製品を作り出す場合にも同じ論証
が成立つ。

この工程の更に別の変更例は、真空状態で細胞
を取り除いた流体の流れにおける液製品の除去で
ある。この作業によりあわ内のガス気泡の破裂が
促進され、更に、或る溶剤及び若しくは製品流体
が低圧の下で部分的又は全面的に蒸発し細胞の除
かれた流体に含有する細胞からの回収又は分離を
容易ならしめる。

特に、本発明による工程には培養媒体と微生物
との混合物を発酵器内で発酵させる段階を包含す
る。この発酵器において、ガスと液体及び細胞よ
り成る三相混合物が生成される。この三相混合物
は発酵器内部でガス相と細胞を除いた液相を有す
る流体と、液分を除いた細胞の豊富な相に分離さ
れる。この分離は発酵器内に配した遠心分離器シ
リンダ内で行われる。本発明の工程において、液
の除かれた細胞相は遠心分離器シリンダの内面に
接触している。流体及び若しくは細胞の豊富な相
の少くとも一部が発酵器から抽出される。

本発明の第２実施例によると、上述の如き発酵
工程を実施するための装置が得られる。この装置
には、(イ)出入口導管を有する発酵器ハウジング
と、(ロ)ハウジング内に配された遠心分離器を有
し、該分離器はほゞ切線方向に動く流体材料特に
三相混合物を受けるようになつた内面を有する遠
心分離器シリンダと、(ニ)遠心分離器シリンダから
の発酵細胞とガスを除いた液生成物を受けかつこ
れを送るための第１流体材料導管と、(ホ)遠心分離
器シリンダから細胞材料の豊富な第２流体を受け
かつこれを送るための細胞生成物導管と、(ヘ)例え
ばガス相、液相ならびに細胞相を有する多相混合
物を遠心分離器シリンダの内部円筒面に対してか
なりの切線方向の速度成分でシリンダ内に注入す
るための装置を有す。

遠心分離器シリンダ内における急速な運動によ
り２種の流体が生成され分離が行われる。

本装置をより大きな遠心分離効率で使用できる
ようにするため、遠心分離器内にスクレーパを設
けるのが望ましく、このスクレーパは内部円筒面
に対して同軸状に回転しその面にそつて細胞製品
導管の方に細胞の豊富な材料を前進させるよう構
成配置される。このスクレーパはほゞらせん形の
構造をもつ。かかるスクレーパの回転によりスク
レーパに接触している材料が軸方向に前進させら
れる。基本的には、遠心分離器ならびにスクレー
パはシヤープル（Sharples）遠心分離器の如き
周知の装置で良いが、本発明による発酵器内の遠
心分離器の構成には或る変更を必要とする。

本発明の工程ならびに装置は色々な種類の発酵
工程に関連して使用できる。ガス相はしばしば酸
素供給相なるも、又全然自由酸素を含まない相で
も有り得る。ガス相が酸素供給相であるような工
程の例は好気性単細胞たんぱく質発酵工程であ
る。この方法は本発明の現在好適とされる応用で
ある。本発明の方法ならびに装置の応用に対する
他の例は細胞自体が炭酸ガスを作り出しそれによ
りあわ立ちが発生するような方法である。他の作
業は窒素を注入したり又はガスを全く注入しない
ような嫌気性方式である。上述せる如く、実際の
プロセスの生成物は細胞だが同様に液相でも良
い。アルコール及び水に対する可溶性のゴムは発
酵プロセスの液相から回収される製品の例であ
る。

以下、本発明の詳細を添付図面を参照しながら
説明する。

発酵器１には頂部をふた片３でカバーされたほ
ぼ円筒形状のハウジング２がある。円筒形部分２
の下端でハウジングは底部分４で閉ざされてい
る。

供給源１１からポンプ１２により支給材料が導
管１０経由ハウジング２内部に送られる。ハウジ
ング２内部に中空軸６に接続したタービン５がお
かれている。この中空軸６はベアリング７と８に
支持された高速回転できるよう配置されている。
中空軸６とタービン５を回転させるためのモータ
駆動ユニツト９が中空軸に連動接続している。

タービンに空気を導入するためハウジングの底
部分４に室１３が取付けられている。中空軸６に
通路１４が設けられている。ライン１６経由室１
３に導入される空気は中空軸経由タービン５に送
られ、ハウジング内でタービン５をして小さな気
泡を生成せしめハウジング２内で発酵塊の空気混
入を発生せしめる。

ハウジング２内部に濃縮遠心分離器２７が配さ
れている。この遠心分離器には、ハウジング２内
に同軸状におかれ遠心分離器ハウジング３０と遠
心分離器チユーブ２５との間に環状スペース２８
を形成した円筒形ハウジング３０がある。この環
状スペース内に流体はチユーブ２５のトツプ２５
ａにある孔７０からせき２５ｂの方に流れ出口４
５を通じてハウジング２の外に流出する。遠心分
離器チユーブ２５内にらせん形のロータ要素３２
が同軸状中空ロータ５３上におかれている。この
中空ロータ５３は、上端を３４下端を３５のベヤ
リングで回転支承された軸３３に取付けられてい
る。モータ駆動装置３６がロータ５３に取付けた
軸３３に駆動接続し、遠心分離器チユーブ２５内
でらせん形要素３２を高速回転させる。

遠心分離器チユーブ２５もロータ５３の軸３３
に同心状の中空軸６０によりハウジング３０内で
回転ができる。中空軸６０は底部では６１頂部で
は６２のベヤリング６１上に回転できるよう取付
けられている。中空軸６０と３３の両方は、ギヤ
ボツクス６３及びモータ駆動装置３６により同方
向なるも異なつた回転速度で回転できるよう接続
されている。中空ロータ５３は遠心分離器チユー
ブ２５とハウジング３０の頂部２５ａを通じ、ベ
ヤリング６２，６４により中空ロータ５３と共に
回転のできる切頭円錐形部材３１に延びている。
切頭円錐形部材３１に流入するあわ及び若しくは
液は中空軸５３を通じてロータと遠心分離器チユ
ーブ２５の回転中下降し孔６５を通じて出て分離
又は濃縮が行われる。例えば、この中空ロータ５
３とらせん形ロータ要素３２が4000rpm、遠心分
離器チユーブ２５が5000rpmで回転作動すると、
有機物を含有する孔６５からの流体又はあわは、
液ガス相が上昇し遠心分離チユーブ２５の孔７０
から出て環状スペース２８内に放出される。液は
せき２５ｂ上に集められ、出口４５を通じハウジ
ング２の外に流出する。せき２５ｂはハウジング
３０の内壁の１側に回転できるよう遠心分離器チ
ユーブ２５から十分な距離をおいて取付けられて
いる。細胞の豊富な流体相又はペーストは遠心分
離器チユーブ２５の汀線６６にそつて下降し孔８
５より出てハウジング３０の傾斜底部８６上に集
まる。この細胞の豊富な流体は発酵器の出口４３
から流出する。ハウジングチユーブを貫通するチ
ユーブ４４は出口４５からの液体相又は出口４３
からの細胞の豊富な相を随意再循環させるのに利
用でき、かかる再循環に使用するバルブ又はコン
トロール機構は図示省略されてある。本発明の特
に長所とする点、細胞の豊富なペースト若しくは
細胞の除かれた液の再循環をこれらの生成物をい
ぜん無菌環境においたまま実施することが可能で
あることにある。

本発明を更に詳しく説明するため、次に本発明
の可能な実施と例示をあげるが、これらは本発明
の範囲を不当に制限するものではない。生成物即
ち細胞外の新陳代謝生成物を作り出すイーストを
所望の全個体数を支持するのに適当な栄養物と共
に媒体中で培養する。より高い濃度で禁止的な例
えばアルコールや溶剤、若しくは再使用できる
（即ちリジンの如きアミノ酸）生成物は連続的に
発酵器から取り出さねばならぬ。アルコール生産
の場合、イーストエス・セルベシエ（S.
cervesiae）が適当なミネラル、燐酸塩及びマグ
ネシウムと共に糖みつ上で生長する。所望の細胞
濃度に達したら遠心分離器を動かす。高濃度の細
胞を含有する炭酸ガス生産によるあわは遠心分離
器に連続的に通される。細胞は遠心分離器からの
細胞の豊富なペーストの形態で発酵器に戻され、
他方流出物は５から８％の濃度にアルコールを含
有する。アルコールは液状の細胞の除かれた流出
物の流れから引きはがされ液相は再循環その他の
処理をすることができる。大抵の場合、もう１度
パスさせるためより多くの糖みつで再び堅固にす
る。これによりイーストが最も活発なレベルに迄
アルコール濃度を下げて保持し、アルコールレベ
ルが増加し発酵が約10％から12％のアルコール濃
度でストツプするにつれイーストは遅くなる。細
胞が発酵装置に戻ると高い細胞濃度が増加しアル
コール生産の発酵率が増える。

プロセスが単細胞たんぱく質の生成のために設
計された場合、プロセスには細胞を高濃度に生長
させる段階と次いで細胞を取り除き同時に表面浮
遊物を再循環させる。例えば、ピチアパストリス
（Pichia pastoris）は糖みつを40％濃度で送りリ
ツトル当り120グラムのレベルに迄生長できる
が、発酵器内のアルコール濃度は０％から0.05％
に保たれる。温度は30℃で、アンモニヤをPH調整
及び窒素含有率のために供給しPHは3.5である。
再循環される媒体は必要に応じ燐酸塩、マグネシ
ウムならびに微量ミネラルで再堅固にされる。発
酵器内の保持時間は約８時間から10時間である。
この場合、表面浮遊物はリジン、メチオニン、又
はトリプトフアンなどの如き細胞外の生成物を含
むことがあり、これら生成物はいかなる抽出技術
でも取り除くことができ表面浮遊物を発酵装置に
戻す前に市販品として回収ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による発酵装置の縦断面図であ
る。 ２：ハウジング；５：タービン；９：モータ駆
動装置；１３，１４：室、通路；２５：遠心分離
器シリンダ；２７：遠心分離器；３０：固定せる
遠心分離器ハウジング；３１：切頭円錐形部材；
３２：らせん形ロータ要素又はスクレーパ；４
３：出口又は細胞生成物導管；４５：出口又は第
１流体材料導管；７０，８５：孔又は第１、２開
口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 培養媒体と微生物との混合物を発酵器内で発
   酵させる段階と、発酵器内でガス、液体ならびに
   細胞より成る多相混合物を生成する段階と、多相
   混合物を遠心分離器シリンダ内に通すことにより
   発酵器内で分離を実施する段階と、遠心分離器シ
   リンダ内の多相混合物に遠心分離器シリンダに接
   触する急速な旋回運動を与えこれにより遠心分離
   器シリンダの軸方向長さの少くともかなりの部分
   にそつて細胞の豊富にして液が除かれた材料より
   成る第１域と、細胞質材料が除かれ液の豊富な第
   ２域が発生する段階と、遠心分離器シリンダから
   の２本の別々の流れとしてガス相と細胞の除かれ
   た液体を有する第１流体と細胞が豊富にして液体
   の除かれた別の第２流体とを引き出す段階と、第
   １及び若しくは第２流体の少くとも一部分を所望
   の生成物として発酵器から回収する段階とを有す
   ることを特徴とする発酵方法。 ２ 発酵方法を実施するための装置にして、 (i) 入口及び出口導管を有する発酵器ハウジング
   と、 (ii) ハウジング内に配された遠心分離器にして、 （―ａ） 内部円筒面を有し該内部円筒面上に
   ほゞ切線方向に運動する流体材料を受けるよ
   うになつた遠心分離器シリンダと、 （―ｂ） 発酵細胞とガスとが除かれた液体生
   成物を遠心分離器シリンダから受けこれを送
   るための第１流体材料導管と、 （―ｃ） 遠心分離器シリンダから細胞材料が
   豊富な第２流体を受けこれを送るための細胞
   生成物導管とを有する前記遠心分離器と、 (iii) ハウジング内部から多相混合物を遠心分離器
   シリンダ内に遠心分離器の内部円筒面に対して
   切線方向のかなりの速度成分で注入するための
   装置を有することを特徴とする発酵装置。