【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体触媒を、液体の連続流中に置くことにより、遠心力場に存在する少なくとも１つのチャンバー内に生体触媒を収容することを含み、該液体の連続流は重力場に相反する力を生じるように作用し、該生体触媒に作用するすべての力のベクトルの総和が、該生体触媒をチャンバー内のある位置に実質的に固定し、
該液体の水圧は周囲圧よりも大きく、かつ前記チャンバー内には気相が存在しないことを特徴とする生体触媒の収容方法。
【請求項２】
前記生体触媒を収容する前記ステップが複数のチャンバーを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記培地が溶存気体を含有する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記生体触媒が支持複合体を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記生体触媒が微生物、動物、植物、細胞内成分、細菌細胞、真菌細胞、酵母細胞、酵素、酵素系、原核細胞及び真核細胞からなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記生体触媒が生成物を分泌する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
生成物が気体、金属、重金属、貴金属、抗生物質、酵素、短鎖アルコール、短鎖酸、タンパク質、ホルモン、アミノ酸、窒素性塩基及びアルカロイドからなる群から選択される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記生体触媒が気体供給源から気体を除去する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記生体触媒が化学変換を触媒する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記生体触媒が毒性化合物を無毒化合物に変換する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記生体触媒が小容量又は大容量の溶液から成分を除去する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記成分が金属、硝酸イオン、汚染物質及び二酸化炭素からなる群から選択される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
遠心場内で流れる液体培地に懸濁された生体触媒を収容するための少なくとも１つのチャンバー、
重力に相反し、生体触媒を固定する手段、
液体培地に気相が接触することなく前記液体培地をポンプで供給する手段、
および容器の水圧を周囲の大気圧よりも高く維持する手段を備える、生体触媒をインキュベートする装置。
【請求項１４】
複数の装置が直列に配列されたことを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
複数の装置が並列に配列されたことを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
さらに、生体触媒を有する、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記生体触媒がさらに支持複合体を含む、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
細胞培養及び発酵に使用される、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の装置。
[Claims]
(1)
The biocatalyst, by placing a continuous flow of liquids, the method comprising receiving at least one biocatalyst into the chamber present in the centrifugal force field, a continuous flow of the liquid results in opposing forces to gravitational field acts as the sum of all forces of vector acting on the biological catalyst is substantially fixed at a certain position in the chamber a biological catalyst,
A method for accommodating a biocatalyst, wherein a water pressure of the liquid is higher than an ambient pressure and a gas phase does not exist in the chamber.
(2)
The method of claim 1, wherein said step of containing said biocatalyst comprises a plurality of chambers.
(3)
The method according to claim 1, wherein the medium contains a dissolved gas.
(4)
4. The method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the biocatalyst comprises a support complex .
(5)
The biocatalyst is selected from the group consisting of microorganisms, animals, plants, intracellular components, bacterial cells, fungal cells, yeast cells, enzymes, enzyme systems, prokaryotic cells and eukaryotic cells . 2. The method according to item 1 .
6.
The method according to any one of claims 1 to 5 , wherein the biocatalyst secretes a product .
7.
7. The method of claim 6, wherein the product is selected from the group consisting of gases, metals, heavy metals, noble metals, antibiotics, enzymes, short alcohols, short acids, proteins, hormones, amino acids, nitrogenous bases and alkaloids .
8.
The method according to claim 1, wherein the biocatalyst removes gas from a gas source .
9.
The method according to claim 1, wherein the biocatalyst catalyzes a chemical transformation .
10.
10. The method of claim 9 , wherein the biocatalyst converts a toxic compound to a non-toxic compound .
11.
The method of any one of claims 1 to 5, wherein the biocatalyst removes components from a small or large volume solution .
12.
The method according to claim 11 , wherein the component is selected from the group consisting of metals, nitrate ions, pollutants and carbon dioxide .
Claim 13
At least one chamber for containing a biocatalyst suspended in a liquid medium flowing in a centrifuge field,
Means to fix the biocatalyst, contrary to gravity,
Means for pumping the liquid medium without contacting the gas phase with the liquid medium,
And a means for incubating the biocatalyst comprising means for maintaining the water pressure of the container above ambient atmospheric pressure.
14.
14. The device according to claim 13, wherein a plurality of devices are arranged in series.
15.
14. The device according to claim 13, wherein a plurality of devices are arranged in parallel.
16.
The device according to any one of claims 13 to 15 , further comprising a biocatalyst.
17.
17. The device of claim 16 , wherein said biocatalyst further comprises a support complex.
18.
The device according to any one of claims 13 to 17, which is used for cell culture and fermentation.
【図面の簡単な説明】
本明細書に含まれその一部である添付の図面は、本発明のいくつかの科学的原則および実施形態を示し、その説明とともに本発明の原則の説明に供されるものである。
【図１】
向流式遠心法の主な特徴を示す図である。
【図２】
向流式遠心法における運転力の分析を示す図である。
【図３】
向流式遠心法の主な問題点を示す図である。
【図４】
向流式遠心法の従来処理における数学上の欠点を示す図である。
【図５】
長時間にわたって従来の向流式遠心法を使用した際の固定化粒子への影響を示す図である。
【図６】
本発明のプロセスに使用される改良された向流式遠心法を示す図である。
【図７】
液体の流れとまったく逆向きの遠心場に拘束されている時の粒子に作用する重力の影響による粒子の動きを算定する数学的計算を示す図である。
【図８】
図７の拘束下における、算定された粒子の動きを示す図である。
【図９】
ある半径に固定化された状態での数学的評価を示す図である。
【図１０】
回転する円筒形バイオリアクターチャンバーにおける遠心力と流速力のバランスを分析した図である。
【図１１】
回転する円錐形の生体触媒固定化チャンバー中における遠心力と流速力のバランスを分析した図である。
【図１２】
回転する円錐形の生体触媒固定化チャンバーにおける粒子の三次元配列を示す図である。
【図１３】
回転する円錐形の生体触媒固定化チャンバーにおける粒子の三次元配列においての、層間の(inter-stratum)「緩衝領域」を示す図である。
【図１４】
回転する円錐形の生体触媒固定化チャンバーにおける粒子の二次元配列においての、層間の流速の変位の数学的分析を示す図である。
【図１５】
円錐形の生体触媒固定化チャンバーおよび、その寸法を決定する境界条件の一例を示す図である。
【図１６】
図１５のチャンバーにおける流量１０ｍＬ／分の時の遠心と流速力の位置的変化を分析した図である。
【図１７】
遠心バイオリアクターへの液体投入において、所望の溶存気体濃度を維持するように設計された工程配列のブロックダイアグラムである。
【図１８】
代表的な液流圧レギュレーターの図である。
【図１９】
遠心発酵プロセスの第一の実施形態を回転軸に平行の方向から見たときの断面図である。
【図２０】
図１９のローターボディを回転軸に平行の方向から見たときの図である。
【図２１】
図１９の取り外し可能なバイオリアクターチャンバーの一つの横断面図である。
【図２２】
図１９のローターボディを回転軸に垂直の方向から見たときの断面図である。
【図２３】
回転軸に平行の方向から図２２中に示される点線沿いに見たときの図１９のローターボディの断面図である。
【図２４】
回転軸に平行の方向から図２２中に示される点線沿いに見たときの図１９のローターボディの断面図である。
【図２５】
回転軸に平行の方向から図２２中に示される点線沿いに見たときの図１９のローターボディの断面図である。
【図２６】
回転軸に平行の方向から図２２中に示される点線沿いに見たときの図１９のローターボディの断面図である。
【図２７】
回転軸に平行の方向から図２２中に示される点線沿いに見たときの図１９のローターボディの断面図である。
【図２８】
図１９の回転シャフト中の軸チャンネルおよびその末端の図である。
【図２９】
図２８の回転シャフトの分配ハブの詳細図である。
【図３０】
代表的な高性能端面シールの断面図である。
【図３１】
回転軸に平行の方向から見たときの第二の実施形態の遠心発酵プロセスの断面図である。
【図３２】
回転軸に平行の方向から見たときの図３１のローターボディの図である。
【図３３】
図３１のバイオリアクターチャンバーの一つの横断面図である。
【図３４】
回転軸に垂直の方向から見たときの図３１のローターボディの断面図である。
【図３５】
図３１の回転シャフトにおける軸チャンネルおよびその末端の図である。
【図３６】
代表的な高性能端面シールの断面図である。
【図３７】
切頭円錐に類似する図２１および３３の生体触媒固定化チャンバーの部分の図式的および数学的表現である。
【図３８】
図１９および３１のローターボディを用いて、０．００１および０．０１ｍｍ／分の沈降速度の粒子を図１５に示される寸法および境界条件拘束(boundary condition constraints)下で粒子固定した際の、１０ｍＬ／分までの流量における、流量とローター速度の関係を示すグラフである。
【図３９】
図１９および３１のローターボディを用いて、０．１、１．０および１０．０ｍｍ／分の沈降速度の粒子を図１５に示される寸法および境界条件拘束下で粒子固定した際の、１０ｍＬ／分までの流量における、流量とローター速度の関係を示すグラフである。
【図４０】
図１９および３１のローターボディを用いて、０．１、１．０および１０．０ｍｍ／分の沈降速度の粒子を図１５に示される寸法および境界条件拘束下で粒子固定した際の、１００ｍＬ／分までの流量における、流量とローター速度の関係を示すグラフである。
【図４１】
本発明の第一の実施形態におけるローターサイズと容量との関係を示すグラフである。
【図４２】
本発明の第二の実施形態におけるローターサイズと容量との関係を示すグラフである。
【図４３】
本発明のプロセスの実施形態における、ローターサイズと１００Ｘｇの相対遠心力を維持するのに必要な回転速度の関係を示すグラフである。
【図４４】
二つの遠心バイオリアクターを経由する先駆化学物質の継続的プロセッシングが行えるように設計された、遠心工程配列のブロックダイアグラムである。
【図４５】
固定された生体触媒が、該生体触媒が付着する支持粒子から成る複合体中にある用途に用いることができる実施形態である。
【図４６】
約１×１０10個のピー・プチダ(P. putida)細胞をＣＢＲ中に注入し、固定化した後に
、５ｐｐｍの硝酸ウラニル（ｐＨ＝４．７）の流れを開始した実施例実験の結果を示す。ＣＢＲアウトプットを、ウラニルイオン処理量について、ＩＣＰ−ＡＥＳによりモニタリングした。
【図４７】
培地炭素源として、最初にグルコース上で、その後キシロースに切り替えて（Ｔ＝０において）成長させたエー・プルランス(A. pullulans)培養物からのキシラナーゼ生産の経時的変化を示す図である。
【図４８】
電流測定的に測定した硝酸イオンのインプット対アウトプットレベルの分析の結果を示す図である。
【図４９】
固定化された発酵酵母集団によりエタノールを生じる、例えばグルコースの嫌気性発酵によりエタノールを生じる一つのＣＢＲ実施形態を示す図である。
【図５０】
並列する一列の生体触媒固定化チャンバー中に周期的に導入するための置換微生物細胞を生じる一つのＣＢＲ実施形態を示す図である。
【図５１】
装置が十字形デザインを有する本発明の実施形態である。
【図５２】
フランジ付チャンバーキャップを示す本発明の実施形態である。
【図５３】
フレームおよび安全ハウジングの構造を示す本発明の実施形態である。
【図５４】
金属を分離する本発明の実施形態におけるアウトプット液体流における銅イオン濃度の測定結果対インプット液体流における銅イオン濃度の測定結果を示す図である。
【図５５】
装置が鉱石から金属を分離する本発明の実施形態である。
【図５６】
装置がガスを除去する本発明の実施形態である。
[Brief description of the drawings]
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate several scientific principles and embodiments of the present invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG.
It is a figure which shows the main characteristics of the countercurrent centrifugal method.
FIG. 2
It is a figure which shows the analysis of the driving force in a countercurrent centrifugal method.
FIG. 3
It is a figure which shows the main problem of the countercurrent centrifugal method.
FIG. 4
It is a figure which shows the mathematical defect in the conventional process of a countercurrent centrifugal method.
FIG. 5
It is a figure which shows the influence on the immobilized particle when using the conventional countercurrent centrifugal method for a long time.
FIG. 6
FIG. 3 illustrates an improved countercurrent centrifugation method used in the process of the present invention.
FIG. 7
FIG. 3 is a diagram showing mathematical calculations for calculating the movement of a particle under the influence of gravity acting on the particle when confined in a centrifugal field that is completely opposite to the flow of the liquid.
FIG. 8
FIG. 8 is a diagram illustrating the calculated particle motion under the constraint of FIG. 7.
FIG. 9
It is a figure showing the mathematical evaluation in the state where it was fixed to a certain radius.
FIG. 10
It is the figure which analyzed the balance of the centrifugal force and the flow velocity force in the rotating cylindrical bioreactor chamber.
FIG. 11
It is the figure which analyzed the balance of the centrifugal force and the flow velocity force in the rotating conical biocatalyst immobilization chamber.
FIG.
FIG. 3 shows a three-dimensional array of particles in a rotating conical biocatalyst immobilization chamber.
FIG. 13
FIG. 3 shows an inter-stratum “buffer region” in a three-dimensional array of particles in a rotating conical biocatalyst immobilization chamber.
FIG. 14
FIG. 3 shows a mathematical analysis of the displacement of flow rates between layers in a two-dimensional array of particles in a rotating conical biocatalyst immobilization chamber.
FIG.
It is a figure which shows an example of the conical biocatalyst immobilization chamber and the boundary conditions which determine the dimension.
FIG. 16
FIG. 16 is a diagram illustrating an analysis of centrifugation and a positional change in flow velocity force at a flow rate of 10 mL / min in the chamber of FIG. 15.
FIG.
1 is a block diagram of a process sequence designed to maintain a desired dissolved gas concentration during liquid input to a centrifugal bioreactor.
FIG.
FIG. 2 is a diagram of a representative liquid pressure regulator.
FIG.
It is sectional drawing when the 1st embodiment of a centrifugal fermentation process is seen from the direction parallel to a rotation axis.
FIG.
FIG. 20 is a diagram when the rotor body of FIG. 19 is viewed from a direction parallel to a rotation axis.
FIG. 21
FIG. 20 is a cross-sectional view of one of the removable bioreactor chambers of FIG.
FIG.
FIG. 20 is a cross-sectional view of the rotor body of FIG. 19 when viewed from a direction perpendicular to a rotation axis.
FIG. 23
FIG. 20 is a cross-sectional view of the rotor body of FIG. 19 when viewed along a dotted line shown in FIG. 22 from a direction parallel to the rotation axis.
FIG. 24
FIG. 20 is a sectional view of the rotor body of FIG. 19 when viewed along a dotted line shown in FIG. 22 from a direction parallel to the rotation axis.
FIG. 25
FIG. 20 is a sectional view of the rotor body of FIG. 19 when viewed along a dotted line shown in FIG. 22 from a direction parallel to the rotation axis.
FIG. 26
FIG. 20 is a cross-sectional view of the rotor body of FIG. 19 when viewed along a dotted line shown in FIG. 22 from a direction parallel to the rotation axis.
FIG. 27
FIG. 20 is a sectional view of the rotor body of FIG. 19 when viewed along a dotted line shown in FIG. 22 from a direction parallel to the rotation axis.
FIG. 28
FIG. 20 is a view of the shaft channel and its end in the rotating shaft of FIG. 19.
FIG. 29
FIG. 29 is a detailed view of the distribution hub of the rotating shaft of FIG. 28.
FIG.
It is sectional drawing of a typical high performance end face seal.
FIG. 31
It is sectional drawing of the centrifugal fermentation process of 2nd Embodiment when it sees from the direction parallel to a rotation axis.
FIG. 32
FIG. 32 is a view of the rotor body of FIG. 31 when viewed from a direction parallel to the rotation axis.
FIG. 33
FIG. 32 is a cross-sectional view of one of the bioreactor chambers of FIG. 31.
FIG. 34
FIG. 32 is a cross-sectional view of the rotor body of FIG. 31 when viewed from a direction perpendicular to the rotation axis.
FIG. 35
FIG. 32 is a view of the shaft channel and its end in the rotating shaft of FIG. 31.
FIG. 36
It is sectional drawing of a typical high performance end face seal.
FIG. 37
FIG. 34 is a schematic and mathematical representation of a portion of the biocatalyst immobilization chamber of FIGS. 21 and 33 resembling a truncated cone.
FIG. 38
Using the rotor bodies of FIGS. 19 and 31, 10 mL of particles with sedimentation speeds of 0.001 and 0.01 mm / min immobilized under the dimensions and boundary condition constraints shown in FIG. 4 is a graph showing a relationship between a flow rate and a rotor speed at a flow rate up to / minute.
FIG. 39
Using the rotor bodies of FIGS. 19 and 31, particles having sedimentation velocities of 0.1, 1.0 and 10.0 mm / min were immobilized under the size and boundary condition constraints shown in FIG. 6 is a graph showing a relationship between a flow rate and a rotor speed at a flow rate up to a minute.
FIG. 40
Using the rotor bodies of FIGS. 19 and 31, particles having sedimentation velocities of 0.1, 1.0 and 10.0 mm / min were immobilized under the size and boundary condition constraints shown in FIG. 6 is a graph showing a relationship between a flow rate and a rotor speed at a flow rate up to a minute.
FIG. 41
4 is a graph illustrating a relationship between a rotor size and a capacity according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 42
It is a graph which shows the relation between the rotor size and capacity in a second embodiment of the present invention.
FIG. 43
4 is a graph illustrating the relationship between the rotor size and the rotational speed required to maintain a relative centrifugal force of 100 Xg in an embodiment of the process of the present invention.
FIG. 44
1 is a block diagram of a centrifugation process sequence designed to allow for continuous processing of precursor chemicals via two centrifugal bioreactors.
FIG. 45
This is an embodiment where the immobilized biocatalyst can be used for applications in a composite of support particles to which the biocatalyst adheres .
FIG. 46
Approximately 1 × 10 10 P. putida cells were injected into CBR, immobilized and then started with a flow of 5 ppm uranyl nitrate (pH = 4.7). Show. CBR output was monitored by ICP-AES for uranyl ion throughput.
FIG. 47
FIG. 3 shows the time course of xylanase production from A. pullulans cultures grown first on glucose and then switched to xylose (at T = 0) as a medium carbon source.
FIG. 48
FIG. 3 is a diagram showing the results of an analysis of the input versus output level of nitrate ions measured amperometrically.
FIG. 49
FIG. 2 illustrates one CBR embodiment that produces ethanol by an immobilized fermentation yeast population, for example, by anaerobic fermentation of glucose.
FIG. 50
FIG. 4 illustrates one CBR embodiment that produces replacement microbial cells for periodic introduction into a side-by-side row of biocatalyst immobilization chambers.
FIG. 51
Figure 3 is an embodiment of the present invention in which the device has a cruciform design.
FIG. 52
3 is an embodiment of the invention showing a flanged chamber cap.
FIG. 53
3 is an embodiment of the present invention showing the structure of a frame and a safety housing.
FIG. 54
FIG. 6 is a diagram showing a measurement result of a copper ion concentration in an output liquid stream versus a measurement result of a copper ion concentration in an input liquid stream in an embodiment of the present invention for separating metals.
FIG. 55
FIG. 3 is an embodiment of the present invention wherein the apparatus separates metal from ore.
FIG. 56
The device is an embodiment of the present invention for removing gas.