JP2004500877A - 多孔質の媒体を含んでなる固定化キャリア - Google Patents

Abstract

本発明は新規な連続醗酵法で使用可能である細胞固定化キャリアに関する。特に、この醗酵法はビールの連続製造において使用される。この細胞固定化キャリアはファイバーの多孔質の媒体を含んでなる。この媒体は少なくとも７０％の気孔率を有する。

Description

【０００１】
（本発明の分野）
本発明は細胞を固定化するキャリアに関する。この固定化キャリアは新規な連続醗酵法で使用することができる。特に、この醗酵法はビールの連続製造において使用される。
【０００２】
（本発明の背景）
醗酵細胞の固定化は醸造工業で適用可能な手法である。これは醗酵槽内での触媒細胞の保持と栄養分の供給とを必要とする。
【０００３】
高い生産性を有する効率的なシステムを得るとともに、最終製品の品質を確保するためには、多数の要件が充たされなければならない。
第１に、キャリアは、高い機械的強度を有する必要があり、化学的に不活性でなければならず、そして細胞に対して毒性があってはならない。
更には、高い担持能力が得られなければならない。担持能力は、キャリアの表面に対する細胞の重量として定義される。加えて、キャリアは固定化された細胞への栄養分の供給にマイナスの影響を及ぼしてはならない。
更には、システムは効率的であり、操作が容易であり、そして高い収率を与えなければならない。
【０００４】
既知のキャリアは、その限定された担持能力及び／又は拡散面での制約により、いずれも工業的な醸造装置において成功裡に使用されなかった。
アルギン酸カルシウム又はκ−カラゲナンビーズなどのポリマーゲル中に酵母細胞を封入又はカプセル化することは、例えばポリマーの溶解による細胞の放出を制御できないために、工程が不安定であるという欠点を有する。
他の固定化キャリアは、変成セルロースのＤＥＡＥ基などのキャリアの正帯電の基によって負帯電の酵母細胞を吸引することに基づいている。しかしながら、ＤＥＡＥの使用は充填床に依存するが、これは拡散面での制約とＣＯ_２によるチャンネリングのために主要な醗酵で使用するのが困難である。このようなキャリアに基づく方法のもう一つの欠点は、タンパク質などの他の負帯電の基も引き付けられ、例えば沈澱により前もって除去されなければならないことである。
固定化キャリアの更に最近の一群は、多孔質ガラスビーズ又は炭化ケイ素などのセラミック材料などの多孔質の媒体上で酵母がコロニー形成することに基づいている。しかしながら、これらの使用は醗酵ユニット中で循環ポンプ又は大量のＣＯ_２の散気を必要とする。
【０００５】
（本発明の要約）
本発明の目的は、高い機械的強度を有し、化学的に不活性で、操作するのが容易であり、そして容易に洗浄可能である細胞固定化キャリアを提供することである。
本発明のもうひとつの目的は、迅速なコロニー形成と効率的なＣＯ_２の排気を可能にする細胞固定化キャリアを提供することである。
更なる目的は、高い担持能力により特徴付けられる高い比表面積を有する固定化キャリアを提供することである。
更に、目的のひとつは、醗酵法において、特にビールの連続製造において使用可能であるキャリアを提供することである。
また、更なる目的は、機械的なポンプ又は大量のガスの散気を必要とせず、結果として、エネルギー効率のよい方法を得ることを可能とする醗酵液の製造用設備を提供することである。
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、細胞固定化キャリアが提供される。このキャリアは酵母などの醗酵細胞の固定化に特に好適である。
この固定化キャリアは、好ましくは７０％以上の気孔率を有する多孔質の媒体を含んでなる。更に好ましくは、このキャリアの気孔率は７５％以上、最も好ましくは８０％以上、例えば８５％である。
【０００７】
このような高気孔率により特徴付けられるキャリアは、ポリマーファイバー又は金属ファイバーなどのファイバーの少なくとも一つの層を作製することにより得ることができる。このキャリアはファイバーに加えて粉末粒子を含んでもよい。
【０００８】
ファイバーの移動を避けるためには、ファイバー間である程度の接合を得ることが好ましい。
【０００９】
ポリマーファイバーのウエブを提供する手法としては、例えばスパンボンド、スパンレイ又はメルトブローがある。
【００１０】
好ましいキャリアは燒結された金属ファイバーの少なくとも一つの層を含んでなる。好ましくは、この媒体は緻密化されている。このキャリアは多数の層を含んでなる層構造体であってもよい。これらの層の各々は金属ファイバーのウエブを含んでなる。この異なる層は積層されて、層構造体を形成する。次に、このように得られた層構造体は燒結され、緻密化される。
【００１１】
金属ファイバーの直径は、好ましくは１μｍと３０μｍの間、例えば２２μｍと３０μｍの間である。
層構造体の異なるウエブは、同一あるいは異なるファイバー直径を有するファイバーから製造可能である。
【００１２】
本発明に係る固定化キャリアに使用される金属ファイバーは、公知の金属又は金属合金からつくることができる。
好ましい合金はステンレス鋼３１６Ｌ、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）、ニクロム（登録商標）、合金ＨＲなどのステンレス鋼である。
【００１３】
これらの材料は不活性で、味の点で中立であり、そして食品用に承認されたものである。これらは高い機械的強度と高い耐薬品性により特徴付けられる。
【００１４】
緻密化は、好ましくは冷等圧プレス操作により行われ、これによって、全表面にわたって均一な孔サイズが分布している媒体を得ることができる。
【００１５】
多孔質の媒体の使用可能な表面を最大化し、醗酵槽の容積を最少とすることが好ましい。
使用可能な表面を最大化することにより、担持能力は最大化される。好ましくは、担持能力は１００ｇ／ｍ^２以上、更に好ましくは１５０ｇ／ｍ^２以上、例えば２００ｇ／ｍ^２以上である。高い担持能力の結果、高い反応速度と改善された製造収率が得られる。
【００１６】
上述のように、このキャリアの気孔率は好ましくは高い。この開放細孔構造によって、効率的なＣＯ_２の排気が可能となり、細胞の迅速なコロニー形成が可能となる。材料の最適な輸送を得るのに、効率的なＣＯ_２の排気が絶対的な要件である。本発明の材料の高い気孔率は、拡散面での制約が妨げになっているＳｉＣキャリアなどの現行のキャリアを超える主要な利点である。これらの制約の結果、酵母の性能に及ぼすマイナスの影響が生じる。
この細孔は全表面にわたって均一に分布しているので、醗酵工程は均一に起こる。
更には、キャリアの高い気孔率のために、担持能力が高い。
【００１７】
本発明に係るキャリアは、最適な物質移動に向けて設計可能であるという利点を有する。
好ましくは、キャリアは、高い使用可能な表面を備えた開放構造を有する。
【００１８】
異なる実施形態が考え得る。
キャリアは管状の形状を有するか、あるいは互いの周りに同心状に配置された本発明に係る材料のいくつかの管を含んでなってもよい。
管を形成する前に、媒体を折り畳まれた形、波形、プリーツ形あるいはさざなみ形にすることができる。
２つの連続した同心状の管の間にスペーサー層を設けることもできる。好適なスペーサー層はメッシュであり、例えば、金属ワイヤを含んでなる規則的に織られた構造体である。また、スペーサー層は折り畳まれた形、波形、プリーツ形あるいはさざなみ形にすることができる。
【００１９】
あるいは、メッシュを含んでなる多数の同心状の管を互いの周りに配置し、これらの同心状の管の間に、本発明に係る媒体を波形又は波形でなくとも配設することができる。
【００２０】
好ましい実施形態においては、金属ファイバーを含んでなるウエブをその長手方向の軸に沿ってロール状に巻いて、ラップアラウンド管を形成する。
この実施形態においても、スペーサー層を使用することが得策である。キャリアとスペーサー層とを含んでなる層構造体として、これをロール状に巻く。
金属ファイバーのウエブ又はこのスペーサー層のいずれかを、折り畳まれた形、波形、プリーツ形あるいはさざなみ形にすることができる。
【００２１】
本発明に係る細胞固定化キャリアは、モジュール組み立てにより容易にスケールアップ可能であるという利点を特徴としている。
【００２２】
この固定化キャリアの更なる利点は、これが例えばバックフラッシュにより容易に洗浄可能であるということである。繰り返しのバックフラッシュが可能であるので、このキャリアは長寿命を有する。
この媒体は化学的な方法で、あるいは水蒸気滅菌により滅菌可能である。
【００２３】
本発明に係るキャリアは、醗酵液を製造するための固定化キャリアとして使用されるように意図されている。特に、これは低醗酵あるいは高醗酵のビールを製造するのに使用されるように意図されている。しかしながら、これは他のアルコール飲料の製造のためにも使用可能である。
最良の目的はこのキャリアをビールの連続製造において使用することである。
【００２４】
第２の態様によれば、本発明に係る細胞固定化キャリアの酵母醗酵への使用が提供される。この固定化キャリアは連続的な酵母醗酵工程での使用に特に好適である。
【００２５】
第３の態様によれば、アルコール飲料を連続製造するための設備が提供される。
この設備は、本発明に係る少なくとも一つの固定化キャリアを含んでなるバイオリアクターを含んでなる。
好ましくは、このバイオリアクターはガス上昇吸出し管（ドラフトチューブ）を備えたバイオリアクターである。
【００２６】
固定化キャリアはリアクター内の吸出管中に位置する。好ましくは、キャリアは吸出し管の下部に配置され、更に好ましくはキャリアは吸出し管の底部に配置される。
【００２７】
連続醗酵時に醗酵細胞が洗い流されるのを防止するために、醗酵細胞の固定化が必要である。
好ましくは、リアクター内の５０％以上の細胞が固定化される。これにより、吸出し管の周りを囲む環状部内よりも吸出し管内の方が細胞の濃度が高まり、結果として、吸出し管内のＣＯ_２生成が高まる。
更には、ＣＯ_２泡は鋭いエッジ上で容易に上昇するので、固定化キャリア中の燒結金属ファイバーにより追加のＣＯ_２ガスが吸出し管内で生成する。このようにして、可溶のＣＯ_２の濃度は低下するが、このことは醗酵プロセスに有益である。
【００２８】
環状部内よりも吸出し管内の方がＣＯ_２ガスの生成が多いことは、リアクター内の醗酵媒体の循環を促進する。
【００２９】
高い気孔率の開放構造によって、循環媒体に対して殆ど抵抗がないので、固定化キャリアは本発明に係るガス上昇吸出し管バイオリアクター内で特に有用である。
本発明に係る設備内で、醗酵媒体の良好な混合と循環を得るために、機械的ポンプ又は大量のガス散気の使用は必要でない。
他方、醗酵媒体の混合と循環は、酵母細胞により生成するＣＯ_２により駆動される。
結果として、本発明に係る設備はエネルギー効率を高くすることができる。
【００３０】
醗酵媒体の循環は、安定な連続醗酵を有利にする。醗酵媒体の運動を限定された追加の散気により最適化することができる。
【００３１】
固定化キャリアは主要な醗酵段階で特に有用である。
【００３２】
本発明に係る設備においてポンプの使用はもはや必要でないので、汚染のリスクが低減される。
この汚染のリスクは連続醗酵工程で特に重要である。
【００３３】
本発明の第４の態様によれば、醗酵法によりビール又は他のアルコール飲料を連続製造するための方法が提供される。この醗酵工程は本発明に係る固定化キャリアを持つガス上昇吸出し管バイオリアクターなどのバイオリアクター中で行われる。
【００３４】
好ましい方法は、
本発明に係る固定化キャリアを設けるステップと、
上記キャリア上に酵母を固定化するステップと、
上記バイオリアクターに好ましくは連続的な方法で栄養分を供給するステップと、
ビールを好ましくは連続的な方法で移すステップと
を含んでなる。この移されたビールは更に処理可能であり、このビールは、例えば仕上げ処理のために仕上げタンクに移される。
【００３５】
添付の図面を参照しながら本発明を更に説明する。
【００３６】
（本発明の好ましい実施の形態の説明）
固定化キャリア用の可能な多孔質の媒体は２つの層を含んでなり、これらの層の各々は金属ファイバーのウエブを含んでなる。
第１の層は直径２２μｍの金属ファイバーの不織ウエブを含んでなる。第２の層は直径３０μｍの金属ファイバーのウエブを含んでなる。
【００３７】
金属ファイバーは、例えば米国特許３，３７９，０００号に述べられているようなバンドルドドローイングにより得られる。
第１及び第２の層は相互に接触するようになされ、そして以降の工程において得られた層構造体は燒結され、冷等圧プレス操作により緻密化される。
この固定化キャリアは１２００ｇ／ｍ^２の重量と７６．７８％の気孔率を有する。
【００３８】
この多孔質の媒体から作製される異なる実施の形態を考えることができる。原則として、高い気孔率の媒体を含んでなり、高い担持能力により特徴付けられる各キャリアの設計がアルコール飲料の製造において使用可能である。図１ないし図６にいくつかの図示した例を示す。
【００３９】
図１を参照すると、固定化キャリア１０は３つの同心状の、間隔をあけた管１１、１２、１３を含んでなる。
この多孔質の媒体は管１１、１２、１３の形状になるようにロール状に巻かれ、溶着される。多数のこれらの管は互いに同心状に配置されて、固定化キャリアを形成することができる。
好ましくは、この管は円形あるいは楕円形の断面を有する。
このキャリアは例えば１５００ｍｍの長さと１００ｍｍの外径を有する。
管のサイズと数は、キャリアの使用可能な表面を決定し、キャリアの担持能力に直接的な影響を及ぼす。
【００４０】
場合によっては、スペーサー層を２つの隣接する同心状の管の間に介在させる。
図２に、３つの同心状の管２１、２２、２３と、２つの隣接する管の間のスペーサー層２４、２５とを含んでなる固定化キャリア２０の好ましい実施の形態の断面を示す。
このスペーサー層は、例えば２つの隣接する管の間に作られる空間中に折り畳まれた規則的に織られたメッシュである。
【００４１】
図３は更なる実施の形態の断面を示す。
固定化キャリア３０は３つの同心状の、間隔をあけた管３１、３２、３３を含んでなる。
この媒体は管を形成する前に波形となっている。
スペーサー層を２つの隣接する同心状の管の間に配設することができる。
【００４２】
媒体を巻くことにより、単位容積当りの使用可能な表面を増加させることができる。
図４は気孔率８５％の金属ファイバーのウエブをその長手方向の軸に沿ってロール状に巻いて、ラップアラウンド管を形成した実施の形態を示す。このキャリアの断面はらせん状の曲線である。
このラップアラウンド管は１５００ｍｍの長さと１００ｍｍの外径を有する。
【００４３】
巻く前に、多孔質の媒体を折り畳まれた形、波形、プリーツ形あるいはさざなみ形にすることができる。
【００４４】
図５は単位容積当りの表面を増加させるために、多孔質の媒体を巻く代替的な方法を示す。
【００４５】
図６の実施形態は、
多孔質の媒体６１をスペーサー層６２に接触させるようにすることにより層構造体を形成し、
この層構造体をロール状に巻いて、ラップアラウンド管を形成する
ことにより得られる。
スペーサー層６２は例えば折り畳まれたメッシュである。
【００４６】
あるいは、このメッシュをロール状に巻いて、ラップアラウンド管を形成し、メッシュにより作られる空間中にこの多孔質の媒体を折り畳むことができる。
【００４７】
図７に、供給タンク１、ガス上昇バイオリアクター６及び仕上げタンク１５を含んでなる設備を示す。
【００４８】
供給ポンプ３は、供給パイプ４と入口５とを介して上記バイオリアクター６に新しい媒体２を供給する。この媒体は醗酵媒体７と混合される。この醗酵媒体は環状部１１中を下方に移動し、吸出し管８中を上方に移動する。この循環は固定化キャリア９から放出されるＣＯ_２ガス１０により駆動される。その結果、吸出し管８により決められる上昇流域と、吸出し管を囲む環状部１１により決められる下降流域との間で密度差が形成される。
【００４９】
２つの電導度計２０及び２１は醗酵媒体７の均一性を測定する。この２つの電導度計はコンピューター２３に接続した読み取り装置２２に接続されている。
このシステムは酵母細胞により生成するＣＯ_２により駆動される。
通常、散気又はポンプ駆動は必要でない。
【００５０】
非均一性の事態が起こる場合には、コンピューター２３が空気バルブ２６を調整して、最適な循環に必要な量のガスを散気する。
この目的のために、コンピューター２３は調節可能な空気バルブ２６に接続されている。この空気バルブは、例えばＣＯ_２及び／又はＯ_２のガス入力ライン２７と散気口２４との間に配置される。散気口２４には滅菌した空気フィルター２５が設けられている。
【００５１】
媒体２は、醗酵媒体７中の遊離した細胞により、また上記キャリア９上の固定化された細胞により醗酵される。
好ましくは、媒体２に酸素が豊富に含まれており、上記バイオリアクター中の醗酵細胞に充分な酸素を供給する。
この醗酵済みのビールは出口１２から配管１３を通って処理済ビール容器１４中に流れ、ここに処理済ビール１５が集められる。
【００５２】
生成したＣＯ_２は排気口１６から除去することができる。ＣＯ_２回収設備によりこの生成したＣＯ_２を回収することが可能である。
【００５３】
上記キャリア９はワイヤ１９によりリアクター中に固定されている。上記キャリア９は吸出し管８の底部に固定されている。吸出し管８は例えば上記リアクター６内で液体の高さ７の１４％の位置に配置されている。（リアクターの直径）／（吸出し管の直径）の関係は２の平方根に等しい。この吸出し管の高さは例えばこの液体の高さの７５％に等しい。この液体の高さは例えばこのリアクターの高さの６６％に等しく、３４％のヘッドスペースが泡形成に必要である。
【００５４】
固定化された細胞はキャリアのバックフラッシュにより除去可能である。冷水又は湯、ＮａＯＨ溶液及び／又はグルカナーゼ及びキシラナーゼなどの酵素溶液が使用可能である。
例えば水蒸気滅菌により、あるいはこの媒体を過酢酸とＨ_２Ｏ_２（１．５％ｖ／ｖ）の混合物によりリンスすることにより、この媒体の滅菌が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る固定化キャリアの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】
本発明に係る固定化キャリアの一実施の形態を示す断面図である。
【図３】
本発明に係る固定化キャリアの一実施の形態を示す断面図である。
【図４】
本発明に係る固定化キャリアの一実施の形態を示す断面図である。
【図５】
本発明に係る固定化キャリアの一実施の形態を示す断面図である。
【図６】
本発明に係る固定化キャリアの一実施の形態を示す断面図である。
【図７】
連続醗酵用の設備を示す図である。

Claims (15)

1. 多孔質の媒体を含んでなる細胞固定化キャリアであって、上記多孔質の媒体がファイバーの層を少なくとも一つ含んでなり、上記媒体が少なくとも７０％の気孔率を有する細胞固定化キャリア。
2. 上記媒体が少なくとも８０％の気孔率を有する請求項１に記載の細胞固定化キャリア。
3. 上記多孔質の媒体が燒結された金属ファイバーの層を少なくとも一つ含んでなる請求項１又は請求項２に記載の細胞固定化キャリア。
4. 上記媒体が１μｍ〜３０μｍの直径を有する金属ファイバーを含んでなる請求項１〜３のいずれか一つに記載の細胞固定化キャリア。
5. 上記媒体の担持能力が少なくとも１００ｇ／ｍ^２である請求項１〜４のいずれか一つに記載の細胞固定化キャリア。
6. 上記キャリアが上記媒体で作られた管を複数含んでなり、上記管が互いの周りに同心状に配置されている請求項１〜５のいずれか一つに記載の細胞固定化キャリア。
7. スペーサー層が２つの連続する同心状の管の間に配置されている請求項６に記載の細胞固定化キャリア。
8. 上記媒体がその長手方向の軸に沿ってロール状に巻かれて、ラップアラウンド管を形成した請求項１〜７のいずれか一つに記載の細胞固定化キャリア。
9. 上記媒体と上記スペーサー層とを含んでなる層構造体が、その長手方向の軸に沿ってロール状に巻かれて、ラップアラウンド管を形成した請求項８に記載の細胞固定化キャリア。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の固定化キャリアの酵母の醗酵への使用。
11. バイオリアクターを含んでなる、醗酵液を連続的に製造するための設備であって、上記バイオリアクターが請求項１〜９のいずれか一つに記載の固定化キャリアを少なくとも一つ含んでなる設備。
12. 上記バイオリアクターが、ガス上昇吸出し管を備えたバイオリアクターである請求項１１に記載の設備。
13. 上記キャリアが上記吸出し管内に固定されている請求項１２に記載の設備。
14. 上記バイオリアクター内での上記醗酵液の循環が、固定化された生物により生成するガスによって駆動される請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の設備。
15. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の固定化キャリア上での醗酵プロセスにより醗酵液を連続的に製造する方法であって、
    本発明に係る固定化キャリアをバイオリアクター中に設けるステップと、
    上記キャリア上に酵母を固定化するステップと、
    上記バイオリアクターに栄養分を供給するステップと、
    ビールを、好ましくは連続的な方法で、移すステップと
    を含んでなる方法。