JPS63287477A - 固定化微生物による醗酵方法および装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、固定化微生物による醗酵方法とそれに用いら
れる装置、さらに詳しくは、反応基質含有液体培地を、
その底部より曝気しつつ、セラミックス多孔質体よりな
る貫通セル型ハニカムの垂直セル中を通し、該セル内の
セラミックス隔壁上に吸着担持された酵素産生微生物と
接触させて反応せしめる方法およびそれに用いる装置に
関する。

（従来の技術） 近年、固定化酵素は糖類、アミノ酸などの生産用触媒、
分析用触媒等として実用化され、その開発・利用は急速
に進展しつつある。また一方、微生物が生産する酵素を
純粋に単離・精製して固定するためめ煩雑な手間を省く
ため、酵素産生菌などの微生物自体を担体に固定して利
用する微生物固定化技術の研究が進められ、例えば有機
高分子担体を用いた包括法により菌体を固定する方法な
どのあるものは既に実用化されている。しかしながらこ
のような有機質担体は機械的刺激で破壊し易く、また酸
素や基質との接触効率が小さいという欠点がある。

かかる有機質担体に比してガラス、セラミックスなどの
無機質担体は、寸法安定性が大きいこと、劣化または死
滅した微生物を燃焼除去して再使用し得ること、または
細菌および溶液のｐＨ変化や化学的侵食に対して抵抗性
を有することなどの長所を具えるうえ、無機質担体に対
する微生物の固定は物理的吸着によるため、基質や酸素
との接触効率が良好であり、調整容易にして安価である
という利点の故に、微生物固定化無機質担体を利用した
バイオリアクターの研究開発かにわかに活発化しつつあ
る。

従来公知の最も典型的なこの種のバイオリアクターは、
第２図にその概要を示した如く、下部に反応基質含有液
体培地供給口ｌを、また上部に反応生成物含有液体培地
排出口２を具えた筒状竪型反応槽３内に、微生物固定化
用セラミックス多孔質体よりなる貫通セル型ハニカム４
をそのセル５の長軸、が実質的に垂直となるように嵌装
してなる。

ハニカム４は反応槽３の水平断面の略々全体を占める寸
法・配置を有するため、下方の供給口１より供給され上
方の排出口より溢流排出される前記培地Ｓの垂直方向の
流れは、ハニカムの垂直セル中を貫流する。またこの装
置は培地に酸素を供給拡散させるための曝気手段６を槽
底部に有する。

かかる装置においては、下部供給口より圧入される培地
中の基質は、曝気気泡とともにハニカムセル中を上昇す
る間にセル内壁に吸着担持された微生物と接触して微生
物の生産する酵素の作用によって反応し、反応生成物と
ともに上部排出口より排出される。この際、反応効率の
維持ないしは上昇を図るべく培地流速を適宜な値に保つ
とともに、微生物の代謝に必要な量の酸素を曝気によっ
て供給する。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のような反応系においては、一般に時間の経過とと
もに増殖した微生物がハニカム内に蓄積し、セルを狭窄
し遂には閉塞して曝気気泡の通過を妨げ、気泡はハニカ
ム底部で会合滞留して培地の円滑な流れを阻害するとと
もに、培地に対する酸素の拡散溶解量が減少する。その
ため、たとえ基質が流通しても微生物、特に内層部の微
生物の活動は酸欠により衰え、目的とする反応生成物の
収量は急速に減少するに至る。収量を回復せんがために
培地流速を上昇せしめれば反応時間が減少するのみなら
ず、急速な液流の生ずる剪断力によって微生物が離脱流
亡し、却って効率が益々低下するという悪循環を生ずる
。

本発明者は、かかる悪循環を断ち、微生物固定化セラミ
ックスハニカムを利用し、高い反応効率と収量との経時
的低下を来たさない醗酵方法並びに装置を提供すべく鋭
意研究の結果、本発明に到達したものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る固定化微生物による醗酵方法は、。

反応基質含有液体培地を、その底部より曝気しつつ、セ
ラミックス多孔質体よりなる貫通セル型ハニカムの垂直
セル中を通し、該セル内のセラミックス隔壁上に吸着担
持された酵素産生微生物と接触させて反応せしめる方法
において、前記セルの下端開口部を指向して曝気された
気泡の浮上刃によって形成された流速をもってセル内を
上昇する前記培地の一部をセルの上端開口部よりハニカ
ム外部あるいは内部の還流路を経て下降還流せしめ再び
前記セル下端開口部へ導き、該培地の昇降循環流を形成
することによって、前記セラミックス隔壁上の微生物の
吸着量を適正に維持することを特徴とする。

本発明方法の好適な態様においては、前記セル内を上昇
する液体培地の線速度は２０〜５００　ｍｔｎ／秒、好
ましくは１００〜３００　ｍｍ７秒である。

また本発明方法においては、前記垂直通路の下端開口部
を指向して曝気された気泡は、好ましくは該開口部へ導
かれる。

本発明方法を実施するための装置は、反応基質含有液体
培地供給口および反応生成物含有該培地排出口を具えた
筒状竪型反応槽内に、微生物固定化用セラミックス多孔
質体よりなる貫通セル型ハニカムをセルの長軸が実質的
に垂直となるように装填してなり、下方よりハニカム内
へ向かって曝気するための曝気手段を有する装置におい
て、垂直に延びる培地下降用還流路をハニカムの外部あ
゛るいは内部に形成したことを特徴とする固定化微生物
による醗酵装置である。

本発明装置におけるハニカムは、好ましくは反応槽横断
面積の少なくとも約３０％の横断面積を有し、またその
好ましい高さは培地ヘッドの少なくとも約３０％である
。また好適なセルピッチ径は約１．０〜２０ｍｍであり
、２０ｍｍを超えると表面積が過小となり、菌体の充分
な量を担持し得ないため好ましくない。

本発明装置の好適な態様においては、曝気された空気を
ハニカム底部のセル開口部へ案内するための案内部材が
ハニカム底部に設けられる。

前記培地下降用流路の横断面積は好ましくはセル横断面
積の総和の少なくとも１／２である。

また上記下降用流路は好ましくは反応槽の内壁に沿って
形成される。

以下に本発明の構成を添付図面に示した態様についてさ
らに詳述する。

第１図は本発明装置の具体例の概要説明図である。

同図において、基質含有液体培地の供給口１および反応
生成物と未反応基質とを含有する培地を排出する排出口
２を具えた、円筒状または角筒状などの筒状竪型反応槽
３はその内部に微生物固定化用のセラミックス多孔質体
、例えば焼結体よりなる貫通セル型ハニカム４を収容す
る。ハニカムは、両端が開口した複数の平行なセル５の
長軸が実質的に垂直となるように装填される。実質的に
垂直とはセルを貫流する培地が円滑に流れる限りにおい
て若干の傾斜は許容される意に解するものとする。また
反応槽３の底部には曝気手段６、例えば圧縮空気供給源
に連通ずる散気用多孔盤または散気筒など、を設け、ハ
ニカム底部のセル下端開口部を指向して曝気し得るよう
に構成する。

かかる本発明装置の最大の要点は、セル５内を貫流して
上昇した培地が、再び下降し得る還流路７をハニカムの
外部に垂直に延設したことにある。

図示の例にあっては、還流路７はハニカムの外壁と反応
槽の内壁とで区画された横断面環状をなすが、例えば第
３図に示すように環状ハニカム４の中心空間部を還流路
としてもよく、また第４図に例示した如く、円筒状反応
槽と、それに内接する角柱状ハニカムとの間隙を還流路
としてもよい。

要はハニカムを貫流して上昇した培地が層流をなして下
降し得るよう、流体抵抗を減少するに充分な横断面積を
具えれば還流路の配置は任意に決定し得る。

さらに本発明装置は、曝気された気泡をハニカム底部の
セル開口部へ案内するための案内部材８をハニカム底面
と曝気手段との間の空間適宜位置に設けることが好まし
く、かかる案内部材は例えば逆漏斗状の環状部材が好適
である。

（作　用） 上述の構成になる本発明装置は、先ずその反応　　　“
に必要な微生物を培養懸濁した液を反応槽に充填し、ハ
ニカムに微生物を吸着担持せしめる。次いで、供給口１
より反応基質を含有した液体培地を供給し、底部の曝気
手段６よりハニカム底面を指向して曝気すれば、気泡は
ハニカムセル中を上昇し、その浮上刃によって形成され
た流速をもって培地がセルを貫流してハニカム上面へ送
られ、還流路７を通って下降し、再びセル下端開口部へ
達する。このようにして矢示の昇降循環流が形成される
。気泡案内部材８は特に操作開始時の気泡をセル内へ誘
導し気泡浮上刃をセル内部に集中して循環流を形成する
のに役立つ。

このような系においてハニカムセルを通過する液体培地
は上昇気泡に押し上げられてその流速が適宜に上昇し、
セル壁との間に適当な剪断力が作用するので、経時とと
もに増殖してセル内の隔壁上に吸着担持されている微生
物の一部を取除き、適正吸着量に調節することができる
。このような調節作用を行うための好適な流速は、線速
度にし２　（１〜５００ｍｍ／秒、さらに好ましくは１
００〜３００ｍｍ／秒の範囲にある。流速が上記範囲を
超えて過大であると微生物の離脱流口が激しく反応効率
が低下し、また過小であると微生物の増殖によりセルが
狭窄し、甚だしい場合は閉塞して円滑な酸素並びに基質
の供給が阻害され、同様に反応効率は低下する。

上記の流速は曝気量の増減によって調節することがてき
る。適切な曝気量は反応槽の容量およびヘッド、培地の
供給量および粘度、セルピッチなどのハニカム構造、な
どによって左右されるが、通常０．３〜１．５　ＶＶＭ
程度、好ましくは約０．５〜１、ＱＶＶＭが好適である
。

ここに、ＶＶＭとは単位時間当り、装置容積に対する曝
気容量の比率を表わす。

本発明により、適切な曝気量の選択により微生物の過度
の増殖付着が防止され、気泡はその良好な通過状態が維
持されるとともに循環流により下降して長時間培地中に
滞留するため、培地中への酸素溶解量の指標すなわち総
括酸素移動容量係数（ＫＬａ値）は著増し、微生物の働
きは活発化する。

またハニカム中を通過する培地の流速は増大するため基
質と微生物との接触効率も大となる。かかる接触効率の
増大と上記ＫＬａ値の増加に伴う微生物の活性化とは相
乗的に作用して、反応生成物の収量は従来法の約３倍に
も達することが実証された。

（実施例） 本発明を以下に実施例により説明するが、実施例によっ
て本発明を限定する意図はない。

実施例中、ＫＬａ値の測定は、所謂、亜硫酸ソーダ酸化
法によった。

実施例１ それぞれ容量が２．５リツトルの第１図および第２図に
示す反応槽（ＡおよびＢ）とハニカムを装填しない他は
第２図と同−構造並びに容量の敗気槽（Ｃ）とを用いて
、曝気によるＫＬａ値を対比した。各槽に水を満たし、
流れを止めた状態で０．５ＶＶＭの曝気量を以って１時
間曝気した後のＫＬａ値はそれぞれ次のとおりであった
。

Ａ（本発明装置）　　　１３０ Ｂ（公知装置）７８ Ｃ（対照）　　　　　１３０ すなわち、従来公知の装置已における実験では、気泡の
移動は上昇方向のみに限られるため気泡滞留時間が短く
なったことに加えて、セル中で気泡が会合したために気
泡の表面積が小さくなり酸素溶解量は減少し、ＫＬａ　
４ｍがＣと比較して低下した。

本発明の装置Ａでは、循環流の形成によって気泡の下降
方向への流れが生じて滞留時間が長くなり、また、セル
中の流速が大きく気泡の会合が生じにくいためＣと略々
間等のＫＬａ値が得られた。

これらの結果より、本発明装置Ｂは、担体と基質との接
触効率の点でも有利であることが充分首肯される。

実施例２ 内径５２ｍｍ、液面までのヘッド２３５　ｍｍの第１図
および第２図に示す型式の５００　ｒｄ容反応槽にそれ
ぞれセラミックス多孔質体よりなるハニカムを充填した
。第１図の反応槽には、ムライトの焼成体よりなるセル
ピッチ７．４ｍ＋ｎの２３ｍｍ口Ｘ１３０　ｍｍＨ、固
体正味容量１６ｍ１のハニカム担体を用いた。この反応
槽を第１リアクターと称した。

第２リアククーとしての第２図の反応槽には、コージェ
ライトの焼成体よりなるセルピッチ２．５ｍａｎの５０
ｍｍφＸ１５０　ｍｍＨ、固体正味容量４５ｍ７！のハ
ニカム担体を用いた。

両リアクターのハニカムにそれぞれ酵母、オーレオバシ
ジウム（Ａｕｒｅｏｂａｓｉｄｉｕｍ）　、ｓｐ、５Ｎ
−６４２を吸着担持させ、 グルコース基質　　　　　３３．５％ イースト　エキストラクト　１．１％ ｐＨ５，０ の組成を有する水性液体培地を供給し、１．ＯＶＶＭの
曝気を行ないつつグルコースを減成してエリスＩＪ　）
−ルを生産した。このときハニカムセル内の流体線速度
は第１リアクターでは２００　ｍｍ／ｓｅｃ、第２リア
クターでは５０ｍｍ／ｓｅｃであった。

第２リアクターのハニカムは醗酵開始後２週間でセルの
狭窄が顕著となり３週間口には完全に閉塞した。一方、
第１リアクターのハニカムは一ヶ月に亘るも全く閉塞を
生ずることなく、安定した連続運転が可能であった。両
リアクターによる醗酵の結果を次表に示す。

本水理学的滞留時間 上表からも明らかな通り、本発明方法によれば従来法に
比して生産速度が約３倍にも及んでいることは、基質と
酵母との接触効率が高く、且つ溶存酸素量が大きく酵母
菌体の代謝が旺盛であることを示すものである。

（発明の効果） 上述の説明から充分理解される通り、本発明方法並びに
装置によれば、循環流の形成上伸ってバイオリアクター
のハニカム担体のセル内の流速増大により微生物吸着ｌ
が常に適正な値に維持されるため、微生物の代謝に必要
且つ充分な量の酸素が曝気により培地に供給拡散され微
生物の活性が良好に維持されるのみならず、また、循環
流の形成による基質と微生物との接触効率の増大という
両者の相乗効果によって生産量が飛躍的に増大するとと
もに、長期間安定した連続運転を可能となし、生産性の
極めて高く、且つ生化学工業上大きい利用価値のあるバ
イオリアクターを提供し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の態様を示す概要説明図、第２図は
従来公知の醗酵装置を示す概要説明図であり、 第３図および第４図は本発明装置の要部のそれぞれ別の
態様を示す概略平面図である。 １・・・培地供給口　　　　２・・・培地排出口３・・
・反応槽　　　　　　４・・・ハニカム訃・・セル　　
　　　　　６・・・曝気手段７・・・還流路　　　　　
　訃・・案内部材第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応基質含有液体培地を、その底部より曝気しつつ
   、セラミックス多孔質体よりなる貫通セル型ハニカムの
   垂直セル中を通し、該セル内のセラミックス隔壁上に吸
   着担持された酵素産生微生物と接触させて反応せしめる
   方法において、前記セルの下端開口部を指向して曝気さ
   れた気泡の浮上刃によって形成された流速をもってセル
   内を上昇する前記培地の一部をセルの上端開口部よりハ
   ニカム外部あるいは内部の還流路を経て下降還流せしめ
   再び前記セル下端開口部へ導き、該培地の昇降循環流を
   形成することによって、前記セラミックス隔壁上の微生
   物の吸着量を適正に維持することを特徴とする固定化微
   生物による醗酵方法。 ２、前記セル内を上昇する培地の線速度が２０〜５００
   ｍｍ／秒である特許請求の範囲第１項記載の固定化微生
   物による醗酵方法。 ３、反応基質含有液体培地供給口および反応生成物含有
   該培地排出口を具えた筒状竪型反応槽内に、微生物固定
   化用セラミックス多孔質体よりなる貫通セル型ハニカム
   をセルの長軸が実質的に垂直となるように装填してなり
   、下方よりハニカム内へ向かって曝気するための曝気手
   段を有する装置において、垂直に延びる培地下降用還流
   路をハニカムの外部あるいは内部に形成したことを特徴
   とする固定化微生物による醗酵装置。 ４、曝気された空気をハニカム底部のセル開口部へ案内
   するための案内部材をハニカム底部に設けた特許請求の
   範囲第３項記載の固定化微生物による醗酵装置。