JP2008104451A - Method for producing d-lactic acid by continuous fermentation - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing D-lactic acid by a continuous fermentation method that stably maintains high productivity over a long time, under simple operating conditions. <P>SOLUTION: This method for producing D-lactic acid by a continuous fermentation method comprises separating a culture liquid into a filtrate and a non-filtrated liquid with a separation membrane, recovering the D-lactic acid of a desired fermentation product from the filtrate, and then holding or returning the non-filtrated liquid in the culture liquid. By using a porous membrane, having high permeability and high cell-stopping rate and hardly occluded as the separation membrane and by subjecting the culture liquid to filtration treatment at a low inter-membrane difference pressure, the fermentation production efficiency of the D-lactic acid can be improved markedly and stably at low cost. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、培養を行いながら、微生物または培養細胞の培養液より、目詰まりが生じにくい分離膜である多孔性膜を通して生産物を含む液を効率よく濾過・回収すること、および未濾過液を培養液に戻すことで発酵に関与する微生物濃度を向上させることにより、高い生産性を得ることを特徴とする連続発酵によるD−乳酸の製造方法に関するものである。   The present invention efficiently filters and collects a liquid containing a product through a porous membrane that is a separation membrane that is less likely to be clogged than a culture solution of microorganisms or cultured cells while culturing, and an unfiltered solution. It is related with the manufacturing method of D-lactic acid by continuous fermentation characterized by obtaining high productivity by improving the microbe density | concentration in connection with fermentation by returning to a culture solution.

生分解性ポリマーであるポリ乳酸は、CO問題やエネルギー問題の顕在化と共にサスティナビリティー(持続可能性)およびライフサイクルアセスメント(LCA)対応型製品として強い注目を浴びており、その原料である乳酸には効率的で安価な製造法が求められている。 Polylactic acid, a biodegradable polymer, has attracted strong attention as a sustainability and life cycle assessment (LCA) compatible product with the emergence of CO 2 and energy problems. There is a demand for an efficient and inexpensive production method for lactic acid.

現在主に生産されているポリ乳酸はL−乳酸ポリマーであるが、乳酸にはL−乳酸とD−乳酸の2種類の光学異性体があり、D−乳酸についてもポリマー原料、農薬および医薬の中間体として近年注目が集まりつつある。但し、いずれの用途においても、原料たるL−乳酸とD−乳酸には高い光学純度が要求されることは事実である。   Currently produced polylactic acid is an L-lactic acid polymer, but lactic acid has two optical isomers, L-lactic acid and D-lactic acid, and D-lactic acid is also used for polymer raw materials, agricultural chemicals and pharmaceuticals. In recent years, it has attracted attention as an intermediate. However, in any application, high optical purity is required for L-lactic acid and D-lactic acid as raw materials.

自然界には乳酸菌などの乳酸を効率良く生産する細菌が存在し、それらを用いた乳酸製造法の中には既に実用化されているものもある。例えば、L−乳酸を効率良く生産させる細菌として、ラクトバシラス・デルブレッキィ(Lactobacillus delbrueckiiなどがあり、またD−乳酸を効率良く生産させる細菌として、バシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)の微生物などが知られている(特許文献1参照。)。   In nature, there are bacteria that efficiently produce lactic acid such as lactic acid bacteria, and some lactic acid production methods using these bacteria have already been put into practical use. For example, Lactobacillus delbrueckii (Lactobacillus delbrueckii) is a bacterium that efficiently produces L-lactic acid, and a Bacillus laevolacticus microorganism is known as a bacterium that efficiently produces D-lactic acid. (See Patent Document 1).

また、組み換え微生物では、ゲノム情報が豊富で、遺伝子組換え宿主としての実績が十分にある酵母や大腸菌でD−乳酸を生産させる試みがなされている。例えば、大腸菌を組換え宿主として、D−乳酸を生産させた試みが提案されている(特許文献2参照。)。また、既知のラクトバシラス・プランタラム(Lactobacillus plantarmu)由来のD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子を導入することにより酵母によってD−乳酸を生産させようとする試みも存在している(特許文献3参照。)。しかしながら、これらのD−乳酸の発酵法生産は、バッチ式培養に関わるもののみであり、いずれのD−乳酸の生産方法も生産速度が十分ではなく、更に効率的な生産方法が望まれていた。
特開2003−088392号公報 特開2005−102625号公報 特開2002−136293号公報
In addition, in recombinant microorganisms, attempts have been made to produce D-lactic acid in yeast and Escherichia coli that have abundant genome information and have a sufficient track record as genetically modified hosts. For example, an attempt to produce D-lactic acid using E. coli as a recombinant host has been proposed (see Patent Document 2). There is also an attempt to produce D-lactic acid by yeast by introducing a D-lactic acid dehydrogenase gene derived from a known Lactobacillus plantarum (see Patent Document 3). However, the production of these D-lactic acids by fermentation is only related to batch culture, and the production speed of any D-lactic acid is not sufficient, and a more efficient production method has been desired. .
JP 2003-088392 A JP 2005-102625 A JP 2002-136293 A

そこで本発明の目的は、簡便な操作方法で、長時間にわたり安定して高生産性を維持する連続発酵法によるD−乳酸の製造方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing D-lactic acid by a continuous fermentation method that maintains high productivity stably over a long period of time with a simple operation method.

本発明者らは、鋭意研究の結果、微生物や細胞の分離膜内への侵入が少なく、微生物や細胞を膜間差圧が低い条件で濾過した場合に、膜の目詰まりが著しく抑制されることを見出し、課題であった高濃度の微生物の濾過が長期間安定に維持できることを可能とし、本発明を完成した。   As a result of diligent research, the present inventors have found that clogging of the membrane is remarkably suppressed when the microorganisms and cells enter the separation membrane with little penetration and the microorganisms and cells are filtered under a low transmembrane pressure. As a result, it was possible to maintain the stable filtration of high-concentration microorganisms, which was a problem, and completed the present invention.

すなわち、本発明は、培養液を分離膜によって濾液と未濾過液に分離し、濾液から所望の発酵生産物を回収するとともに、未濾過液を培養液に保持または還流させる連続発酵方法によるD−乳酸の製造方法である。具体的に、本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法は、D−乳酸を生産する能力を有する微生物もしくは培養細胞の培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を培養液に追加する連続発酵によるD−乳酸の製造方法であって、該分離膜として平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の多孔性膜を用い、膜間差圧を0.1から20kPaの範囲として低い膜間差圧で濾過処理することにより、安定に低コストで、発酵生産効率を著しく向上させるD−乳酸の製造方法を提供するものである。   That is, the present invention separates a culture solution into a filtrate and an unfiltered solution by a separation membrane, collects a desired fermentation product from the filtrate, and retains or refluxs the unfiltered solution in the culture solution. A method for producing lactic acid. Specifically, in the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, the culture solution of microorganisms or cultured cells having the ability to produce D-lactic acid is filtered through a separation membrane, and the product is recovered from the filtrate. A method for producing D-lactic acid by continuous fermentation in which an unfiltered solution is retained or refluxed in a culture solution, and a fermentation raw material is added to the culture solution, wherein the separation membrane has an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm A method for producing D-lactic acid, which uses a porous membrane and has a transmembrane differential pressure in the range of 0.1 to 20 kPa and filtration at a low transmembrane differential pressure, thereby significantly improving fermentation production efficiency stably at low cost. Is to provide.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の純水透過係数は2×10−9/m/s/pa以上6×10−7/m/s/pa以下である。 According to a preferred embodiment of the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, the porous water has a pure water permeability coefficient of 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 6 × 10 −. 7 m 3 / m 2 / s / pa or less.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の平均細孔径は0.01μm以上0.2μm未満であり、かつ、該平均細孔径の標準偏差が0.1μm以下であり、そして、その膜表面粗さは0.1μm以下である。   According to a preferred embodiment of the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, the porous membrane has an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 0.2 μm, and a standard deviation of the average pore diameter. Is 0.1 μm or less, and the film surface roughness is 0.1 μm or less.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜は多孔性樹脂層を含む多孔性膜である。   According to the preferable aspect of the manufacturing method of D-lactic acid by the continuous fermentation method of this invention, the said porous membrane is a porous membrane containing a porous resin layer.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の膜素材にポリフッ化ビニリデン系樹脂を用いることである。   According to a preferred embodiment of the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, a polyvinylidene fluoride resin is used as the membrane material of the porous membrane.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の微生物の培養液および発酵原料が、糖類を含むことである。   According to the preferable aspect of the manufacturing method of D-lactic acid by the continuous fermentation method of this invention, it is that the culture solution and fermentation raw material of the said microorganism contain saccharides.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の微生物が、D−乳酸デヒドロゲナーゼの酵素活性を増強している微生物であることである。   According to a preferred embodiment of the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, the microorganism is a microorganism that enhances the enzyme activity of D-lactic acid dehydrogenase.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の微生物が、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を組み込んだ組換え微生物であることであり、その組換え微生物が真核細胞であり、そして、その真核細胞が酵母であることである。   According to a preferred embodiment of the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, the microorganism is a recombinant microorganism into which a gene encoding D-lactic acid dehydrogenase is incorporated, and the recombinant microorganism is It is a eukaryotic cell and the eukaryotic cell is yeast.

本発明の連続発酵法によるD−乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記のD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が、ラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、およびペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、およびバシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)由来の遺伝子であることである。   According to a preferred embodiment of the method for producing D-lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, the gene encoding D-lactic acid dehydrogenase is Lactobacillus plantarum, and Pediococcus acidilacti. It is a gene derived from pheasant (Pediococcus acidilacticis) and Bacillus laevolacticus.

本発明によれば、簡便な操作条件で、長時間にわたり安定して所望の発酵生産物の高生産性を維持する連続発酵が可能となり、広く発酵工業において、発酵生産物であるD−乳酸を低コストで安定に生産することが可能となる。本発明のD−乳酸の製造法により得られたD−乳酸は、例えば、合成繊維の原料として有用である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the continuous fermentation which maintains the high productivity of a desired fermentation product stably over a long period of time by simple operation conditions is attained, and D-lactic acid which is a fermentation product is widely used in fermentation industry. It becomes possible to produce stably at low cost. D-lactic acid obtained by the method for producing D-lactic acid of the present invention is useful as a raw material for synthetic fibers, for example.

本発明は、微生物もしくは培養細胞の培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を培養液に追加する連続発酵によるD−乳酸の製造方法であって、分離膜として平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の多孔性膜を用い、膜間差圧を0.1から20kPaの範囲として濾過処理することを特徴とする連続発酵によるD−乳酸の製造方法である。   The present invention is a continuous fermentation in which a culture solution of microorganisms or cultured cells is filtered through a separation membrane, a product is recovered from the filtrate, an unfiltered solution is retained or refluxed in the culture solution, and a fermentation raw material is added to the culture solution. A method for producing D-lactic acid by using a porous membrane having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm as a separation membrane, and performing filtration treatment with a transmembrane differential pressure in the range of 0.1 to 20 kPa. It is a manufacturing method of D-lactic acid by continuous fermentation.

本発明で用いられる多孔性膜は、発酵に使用する微生物および培養細胞による目詰まりが起こりにくく、かつ濾過性能が長期間安定に継続するものであることが望ましい。   It is desirable that the porous membrane used in the present invention is not easily clogged by microorganisms and cultured cells used for fermentation, and the filtration performance continues stably for a long period of time.

本発明で使用される多孔性膜は、平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の分離膜である。後述するように、多孔性膜としては、多孔質基材の少なくとも一表面に多孔質樹脂層を有する構造のものが好ましく用いられる。多孔質樹脂層が多孔性分離膜の両面に存在する場合、少なくとも一方の多孔質樹脂層が、上記の平均細孔径の条件を満たしていればよい。平均細孔径がこの範囲内にあると、菌体や汚泥などがリークすることのない高い排除率と高い透水性を両立させることができ、さらに目詰まりしにくく、透水性を長時間保持することが、より高い精度と再現性を持って実施することができる。平均細孔径が、この範囲内にあれば、動物細胞、酵母、糸状菌などを用いた場合、目詰まりが少なく、また、細胞の濾液への漏れもなく安定に連続発酵が実施可能である。また、動物細胞、酵母および糸状菌より小さな細菌類を用いた場合は、0.4μm以下の平均細孔であればよりよく、0.2μm未満の平均細孔であればなお好適に実施可能である。平均細孔径は、小さすぎると透水量が低下することがあるので、通常は0.01μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.02μm以上であり、さらに好ましくは0.04μm以上である。   The porous membrane used in the present invention is a separation membrane having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm. As will be described later, a porous membrane having a porous resin layer on at least one surface of a porous substrate is preferably used. When the porous resin layer exists on both surfaces of the porous separation membrane, it is sufficient that at least one of the porous resin layers satisfies the above average pore diameter condition. If the average pore size is within this range, it is possible to achieve both a high exclusion rate without leaking bacterial cells and sludge and high water permeability, and it is difficult to clog and keep water permeability for a long time. However, it can be implemented with higher accuracy and reproducibility. If the average pore diameter is within this range, when animal cells, yeast, filamentous fungi, or the like are used, clogging is small, and continuous fermentation can be performed stably without leakage of the cells into the filtrate. When bacteria smaller than animal cells, yeast, and filamentous fungi are used, the average pore size is preferably 0.4 μm or less, and the average pore size is less than 0.2 μm, and can be suitably implemented. is there. If the average pore diameter is too small, the water permeation rate may decrease. Therefore, it is usually preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.02 μm or more, and further preferably 0.04 μm or more.

ここで、平均細孔径は、倍率10,000倍の走査型電子顕微鏡観察における、9.2μm×10.4μmの範囲内で観察できる細孔すべての直径を測定し、平均することにより求めることができる。平均細孔径の標準偏差σは、0.1μm以下であることが好ましい。細孔径の標準偏差σは、上述の9.2μm×10.4μmの範囲内で観察できる細孔数をNとして、測定した各々の直径をXk、細孔直径の平均をX(ave)とした下記の(式1)と算出した。   Here, the average pore diameter can be obtained by measuring and averaging the diameters of all pores that can be observed within a range of 9.2 μm × 10.4 μm in a scanning electron microscope observation at a magnification of 10,000 times. it can. The standard deviation σ of the average pore diameter is preferably 0.1 μm or less. The standard deviation σ of the pore diameter is Nk, which is the number of pores that can be observed within the above-mentioned range of 9.2 μm × 10.4 μm, and the measured diameter is Xk, and the average pore diameter is X (ave). The following (Formula 1) was calculated.

Figure 2008104451
Figure 2008104451

本発明で用いられる多孔性膜において、培養液の透過性が重要点の一つであり、透過性の指標として、使用前の多孔性膜の純水透過係数を用いることができる。多孔性膜の純水透過係数が、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで透水量を測定し算出したとき、2×10−9/m/s/pa以上であることが好ましく、2×10−9以上6×10−7/m/s/pa以下であれば、実用的に十分な透過水量が得られる。 In the porous membrane used in the present invention, the permeability of the culture solution is one of the important points, and the pure water permeability coefficient of the porous membrane before use can be used as the permeability index. When the pure water permeability coefficient of the porous membrane was calculated by measuring the water permeability at a head height of 1 m using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane, 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s. / Pa or more is preferable, and if it is 2 × 10 −9 or more and 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less, a practically sufficient amount of permeated water can be obtained.

本発明で用いられる多孔性膜の表面粗さは、分離膜の目詰まりに影響を与える因子であり、好ましくは、その表面粗さが0.1μm以下のときに分離膜の剥離係数や膜抵抗を低下させることができ、より低い膜間差圧で連続発酵が実施可能である。また、表面粗さが低いことで、微生物や培養細胞の濾過において、膜表面で発生する剪断力を低下させることが期待でき、微生物または培養細胞の破壊が抑制され、多孔性膜の目詰まりも抑制されることにより、長期間安定な濾過が可能になると考えられる。   The surface roughness of the porous membrane used in the present invention is a factor that affects the clogging of the separation membrane. Preferably, when the surface roughness is 0.1 μm or less, the separation coefficient or membrane resistance of the separation membrane. The continuous fermentation can be carried out with a lower transmembrane pressure difference. In addition, the low surface roughness can be expected to reduce the shearing force generated on the membrane surface during filtration of microorganisms and cultured cells, the destruction of microorganisms or cultured cells is suppressed, and the porous membrane is clogged. It is considered that stable filtration is possible for a long time by being suppressed.

ここで、表面粗さは、下記の原子間力顕微鏡装置(AFM)を使用して、下記の条件で測定することができる。
・装置 原子間力顕微鏡装置(Digital Instruments(株)製Nanoscope IIIa)
・条件 探針 SiNカンチレバー(Digital Instruments(株)製)
走査モード コンタクトモード(気中測定)
水中タッピングモード(水中測定)
走査範囲 10μm、25μm 四方(気中測定)
5μm、10μm 四方(水中測定)
走査解像度 512×512
・試料調製 測定に際し膜サンプルは常温でエタノールに15分浸漬後RO水中に24時間浸漬し洗浄した後風乾し用いた。RO水とは、濾過膜の一種である逆浸透膜(RO膜)を用いて濾過し、イオンや塩類などの不純物を排除した水を指す。RO膜の孔の大きさは、概ね2nm以下である。
Here, the surface roughness can be measured under the following conditions using the following atomic force microscope (AFM).
・ Atomic force microscope (Nanoscope IIIa manufactured by Digital Instruments)
・ Condition probe SiN cantilever (manufactured by Digital Instruments)
Scan mode Contact mode (in-air measurement)
Underwater tapping mode (underwater measurement)
Scanning range 10μm, 25μm square (measurement in air)
5μm, 10μm square (underwater measurement)
Scanning resolution 512 × 512
Sample preparation For measurement, the membrane sample was immersed in ethanol at room temperature for 15 minutes, immersed in RO water for 24 hours, washed, and then air-dried. The RO water refers to water that has been filtered using a reverse osmosis membrane (RO membrane), which is a type of filtration membrane, to exclude impurities such as ions and salts. The pore size of the RO membrane is approximately 2 nm or less.

膜の表面粗さdroughは、AFMにより各ポイントのZ軸方向の高さから下記の(式2)から算出した。 The surface roughness d rough of the film was calculated from the following (Equation 2) from the height of each point in the Z-axis direction by AFM.

Figure 2008104451
Figure 2008104451

本発明における多孔性膜は、被処理水の水質や用途に応じた分離性能と透水性能を有するものであり、阻止性能、透水性能や耐汚れ性という分離性能の点からは、多孔質樹脂層を含む多孔性膜であることが好ましい。すなわち、好ましい多孔性膜は、多孔質基材の表面に、分離機能層として作用とする多孔質樹脂層を有している。多孔質基材は、多孔質樹脂層を支持して分離膜に強度を与える。   The porous membrane in the present invention has separation performance and water permeability according to the quality of water to be treated and applications, and in terms of separation performance such as blocking performance, water permeability and dirt resistance, the porous resin layer It is preferable that the film contains a porous film. That is, a preferred porous membrane has a porous resin layer that acts as a separation functional layer on the surface of the porous substrate. The porous substrate supports the porous resin layer and gives strength to the separation membrane.

本発明で用いられる多孔性膜が、多孔質基材の表面に多孔質樹脂層を有している場合、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していても、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していなくてもどちらでも良く、用途に応じて選択される。   When the porous membrane used in the present invention has a porous resin layer on the surface of the porous substrate, the porous substrate is porous even if the porous resin layer penetrates the porous substrate. It does not matter if the porous resin layer does not penetrate, and it is selected according to the application.

多孔質基材の材質としては、有機材料および無機材料等で特に限定されないが、有機繊維が望ましい。好ましい多孔質基材は、セルロース繊維、セルローストリアセテート繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維およびポリエチレン繊維などの有機繊維を用いてなる織布や不織布であり、なかでも、密度の制御が比較的容易であり、製造も容易で安価な不織布が好ましく用いられる。多孔質基材の平均厚みは、好ましくは50μm以上3000μm以下である。   The material of the porous substrate is not particularly limited, and is preferably an organic fiber, such as an organic material and an inorganic material. A preferred porous substrate is a woven fabric or a nonwoven fabric using organic fibers such as cellulose fiber, cellulose triacetate fiber, polyester fiber, polypropylene fiber and polyethylene fiber, and among them, the density control is relatively easy, Nonwoven fabrics that are easy to manufacture and inexpensive are preferably used. The average thickness of the porous substrate is preferably 50 μm or more and 3000 μm or less.

多孔質樹脂層は、上述したように分離機能層として作用するもので、有機高分子膜を好適に使用することができる。有機高分子膜は、基本的に有機ポリマー材料から構成される分離膜のことであり、例えば、有機繊維の不織布やマクロポア構造多孔質有機基材と当該多孔質有機基材の孔径より小さな孔径を有する多孔質樹脂層が複合化された構造を持つ場合が多い。   As described above, the porous resin layer functions as a separation functional layer, and an organic polymer membrane can be preferably used. The organic polymer membrane is a separation membrane basically composed of an organic polymer material. For example, a pore size smaller than the pore size of the organic fiber nonwoven fabric or macropore structure porous organic substrate and the porous organic substrate. In many cases, the porous resin layer has a composite structure.

多孔質樹脂層の材質としては、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂およびセルローストリアセテート系樹脂などが挙げられ、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物であってもよい。なかでも、溶液による製膜が容易で、物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂およびポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく用いられる。特に、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはそれを主成分とするものが最も好ましく用いられる。
ここで、ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体が好ましく用いられるが、フッ化ビニリデンの単独重合体の他、フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体との共重合体も好ましく用いられる。このようなビニル系単量体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよび三塩化フッ化エチレンなどが例示される。
The material of the porous resin layer includes polyethylene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene fluoride resin, polysulfone resin, polyethersulfone resin, polyacrylonitrile resin, cellulose resin, and cellulose triacetate. And a mixture of resins mainly composed of these resins may be used. Among them, polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polyethersulfone resins, and polyacrylonitrile resins that are easy to form in solution and have excellent physical durability and chemical resistance. Is preferably used. In particular, a polyvinylidene fluoride resin or a resin containing the same as the main component is most preferably used.
Here, as the polyvinylidene fluoride-based resin, a homopolymer of vinylidene fluoride is preferably used. In addition to a homopolymer of vinylidene fluoride, a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride is used. A polymer is also preferably used. Examples of such vinyl monomers include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and trichlorofluoroethylene.

本発明で用いられる多孔性膜は、平膜であっても中空糸膜であっても良い。   The porous membrane used in the present invention may be a flat membrane or a hollow fiber membrane.

多孔性膜が平膜の場合、その厚みは用途に応じて選択されるが、好ましくは20μm以上5000μm以下の範囲であり、より好ましくは50μm以上2000μm以下の範囲で選択される。上述のように、多孔性膜は、多孔質基材と多孔質樹脂層とから形成されていても良い。多孔質基材の厚みは、好ましくは50μm以上3000μm以下の範囲で選択される。   When the porous membrane is a flat membrane, its thickness is selected according to the application, but is preferably in the range of 20 μm to 5000 μm, more preferably in the range of 50 μm to 2000 μm. As described above, the porous film may be formed of a porous substrate and a porous resin layer. The thickness of the porous substrate is preferably selected in the range of 50 μm or more and 3000 μm or less.

多孔性膜が中空糸膜の場合、内径は好ましくは200μm以上5000μm以下の範囲で選択され、膜厚は好ましくは20μm以上2000μm以下の範囲で選択される。また、有機繊維または無機繊維を筒状にした織物や編み物を含んでいても良い。   When the porous membrane is a hollow fiber membrane, the inner diameter is preferably selected in the range of 200 μm to 5000 μm, and the film thickness is preferably selected in the range of 20 μm to 2000 μm. Moreover, the woven fabric and knitting which made the organic fiber or the inorganic fiber the cylinder shape may be included.

まず、多孔性膜のうち、平膜の作成法の概要について説明する。   First, an outline of a method for producing a flat film among the porous films will be described.

多孔質基材の表面に、樹脂と溶媒とを含む原液の被膜を形成すると共に、その原液を多孔質基材に含浸させる。その後、被膜を有する多孔質基材の被膜側表面のみを、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させると共に、多孔質基材の表面に多孔質樹脂層を形成する。   A film of a stock solution containing a resin and a solvent is formed on the surface of the porous base material, and the porous base material is impregnated with the stock solution. Thereafter, only the coating-side surface of the porous substrate having a coating is brought into contact with a coagulation bath containing a non-solvent to solidify the resin, and a porous resin layer is formed on the surface of the porous substrate.

原液は、樹脂を溶媒に溶解させて調整する。原液の温度は、製膜性の観点から、通常、5〜120℃の範囲内で選定することが好ましい。溶媒は、樹脂を溶解するものであり、樹脂に作用してそれらが多孔質樹脂層を形成するのを促すものである。溶媒としては、N−メチルピロリジノン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N −メチル− 2− ピロリドン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、リン酸トリメチル、シクロヘキサノン、イソホロン、γ −ブチロラクトン、メチルイソアミルケトン、フタル酸ジメチル、プロピレングリコールメチルエーテール、プロピレンカーボネート、ジアセトンアルコール、グリセロールトリアセテート、アセトンおよびメチルエチルケトンなどを用いることができる。なかでも、樹脂の溶解性の高いN−メチルピロリジノン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)およびジメチルスルホキシド(DMSO)が好ましく用いられる。これらの溶媒は、単独で用いても良いし2種類以上を混合して用いても良い。原液は、先述の樹脂を好ましくは5重量%以上60重量%以下の濃度で、上述の溶媒に溶解させることにより調整することができる。   The stock solution is prepared by dissolving the resin in a solvent. The temperature of the stock solution is usually preferably selected within the range of 5 to 120 ° C. from the viewpoint of film forming properties. The solvent dissolves the resin and acts on the resin to encourage them to form a porous resin layer. Examples of the solvent include N-methylpyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, Tetramethylurea, trimethyl phosphate, cyclohexanone, isophorone, γ-butyrolactone, methyl isoamyl ketone, dimethyl phthalate, propylene glycol methyl ether, propylene carbonate, diacetone alcohol, glycerol triacetate, acetone and methyl ethyl ketone can be used. Of these, N-methylpyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF) and dimethylsulfoxide (DMSO), which have high resin solubility, are preferably used. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The stock solution can be prepared by dissolving the above-mentioned resin in the above-mentioned solvent at a concentration of preferably 5 wt% or more and 60 wt% or less.

また、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンおよびグリセリンなどの溶媒以外の成分を溶媒に添加しても良い。溶媒に非溶媒を添加することもできる。非溶媒は、樹脂を溶解しない液体である。非溶媒は、樹脂の凝固の速度を制御して細孔の大きさを制御するように作用する。非溶媒としては、水や、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類を用いることができる。なかでも、非溶媒として、価格の点から水やメタノールが好ましく用いられる。溶媒以外の成分および非溶媒は、混合物であってもよい。   Further, for example, components other than the solvent such as polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone and glycerin may be added to the solvent. Non-solvents can also be added to the solvent. The non-solvent is a liquid that does not dissolve the resin. The non-solvent acts to control the pore size by controlling the rate of solidification of the resin. As the non-solvent, water and alcohols such as methanol and ethanol can be used. Of these, water or methanol is preferably used as the non-solvent from the viewpoint of cost. Components other than the solvent and the non-solvent may be a mixture.

原液には、開孔剤を添加することもできる。開孔剤は、凝固浴に浸漬された際に抽出されて、樹脂層を多孔質にする作用を持つものである。開孔剤を添加することにより、平均細孔径の大きさを制御することができる。開孔剤は、凝固浴への溶解性の高いものであることが好ましい。開孔剤としては、例えば、塩化カルシウムや炭酸カルシウムなどの無機塩を用いることができる。また、開孔剤として、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどのポリオキシアルキレン類や、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールおよびポリアクリル酸などの水溶性高分子化合物や、グリセリンを用いることができる。   A pore opening agent may be added to the stock solution. The pore-opening agent is extracted when immersed in the coagulation bath, and has a function of making the resin layer porous. By adding a pore opening agent, the average pore size can be controlled. The pore-opening agent is preferably one having high solubility in the coagulation bath. As the pore opening agent, for example, an inorganic salt such as calcium chloride or calcium carbonate can be used. As the pore opening agent, polyoxyalkylenes such as polyethylene glycol and polypropylene glycol, water-soluble polymer compounds such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral and polyacrylic acid, and glycerin can be used.

次に、多孔性膜のうち、中空糸膜の作成法の概要の一例を例示して説明する。   Next, an example of the outline of a method for producing a hollow fiber membrane among the porous membranes will be described as an example.

中空糸膜は、樹脂と溶媒からなる原液を二重管式口金の外側の管から吐出すると共に、中空部形成用流体を二重管式口金の内側の管から吐出して、冷却浴中で冷却固化して作製することができる。   The hollow fiber membrane discharges a stock solution composed of a resin and a solvent from the outer tube of the double-tube base, and discharges a hollow portion forming fluid from the inner tube of the double-tube base in a cooling bath. It can be produced by cooling and solidifying.

原液は、上述の平膜の作成法で述べた樹脂を好ましくは20重量%以上60重量%以下の濃度で、上述の平膜の生成法で述べた溶媒に溶解させることにより調整することができる。また、中空部形成用流体には、通常気体もしくは液体を用いることができる。また、得られた中空糸膜の外表面に、新たな多孔性樹脂層をコーティング(積層)することもできる。積層は中空糸膜の性質、例えば、親水性・疎水性あるいは細孔径等を所望の性質に変化させるために行うことができる。積層される新たな多孔性樹脂層は、樹脂を溶媒に溶解させた原液を、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させることによって作製することができる。その樹脂の材質は、例えば、上述有機高分子膜の材質と同様のものが好ましく用いられる。また、積層方法としては、原液に中空糸膜を浸漬してもよいし、中空糸膜の表面に原液を塗布してもよく、積層後、付着した原液の一部を掻き取ったり、エアナイフを用いて吹き飛ばしすることにより積層量を調整することもできる。   The stock solution can be prepared by dissolving the resin described in the above-described method for producing a flat film, preferably in a concentration of 20% by weight or more and 60% by weight or less, in the solvent described in the above-described method for forming a flat film. . Moreover, a gas or a liquid can be normally used for the hollow portion forming fluid. In addition, a new porous resin layer can be coated (laminated) on the outer surface of the obtained hollow fiber membrane. Lamination can be performed in order to change the properties of the hollow fiber membrane, for example, hydrophilicity / hydrophobicity or pore diameter, to desired properties. A new porous resin layer to be laminated can be produced by bringing a stock solution obtained by dissolving a resin in a solvent into contact with a coagulation bath containing a non-solvent to coagulate the resin. As the material of the resin, for example, the same material as that of the organic polymer film is preferably used. As a lamination method, the hollow fiber membrane may be immersed in the stock solution, or the stock solution may be applied to the surface of the hollow fiber membrane. After the lamination, a part of the attached stock solution is scraped off or an air knife is used. It is also possible to adjust the stacking amount by blowing it away.

本発明で用いられる多孔性膜は、支持体と組み合わせることによって膜分離エレメントとして使用することができる。支持体として支持板を用い、該支持板の少なくとも片面に本発明で用いられる多孔性膜を配した多孔性膜を有する膜分離エレメントは、本発明で用いられる膜エレメントの好適な形態の一つである。この形態では、膜面積を大きくすることが困難なので、透水量を大きくするために、支持板の両面に多孔性膜を配することも好ましい態様である。   The porous membrane used in the present invention can be used as a membrane separation element by combining with a support. A membrane separation element having a porous membrane in which a support plate is used as a support and the porous membrane used in the present invention is disposed on at least one side of the support plate is one of the preferred forms of the membrane element used in the present invention. It is. In this embodiment, since it is difficult to increase the membrane area, it is also a preferable aspect to dispose a porous membrane on both surfaces of the support plate in order to increase the water permeability.

本発明において、微生物や細胞を濾過処理する際の膜間差圧は、微生物や細胞および培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよいが、膜間差圧を0.1kPa以上20kPa以下の範囲とすることが重要である。濾過の駆動力としては、培養液と多孔性膜処理水の液位差(水頭差)を利用したサイホンにより多孔性膜に膜間差圧を発生させることが可能であり、また、濾過の駆動力として多孔性膜処理水側に吸引ポンプを設置してもよいし、多孔性膜の培養液側に加圧ポンプを設置することも可能である。膜間差圧は培養液と多孔性膜処理水の液位差を変化させることで制御することができる、また、ポンプを使用する場合には吸引圧力により制御することができ、更に培養液側の圧力を導入する気体または液体の圧力によって制御することができる。これら圧力制御を行う場合には培養液側の圧力と多孔性膜処理水側の圧力差をもって膜間差圧とし、膜間差圧の制御に用いることができる。   In the present invention, the transmembrane pressure difference during filtration of microorganisms and cells may be any condition as long as the microorganisms, cells and medium components are not easily clogged, but the transmembrane pressure difference is 0.1 kPa or more and 20 kPa or less. It is important to have a range. As a driving force for filtration, it is possible to generate a transmembrane differential pressure in the porous membrane by siphon using the liquid level difference (water head difference) of the culture solution and the porous membrane treated water. As a force, a suction pump may be installed on the porous membrane treated water side, or a pressure pump may be installed on the culture solution side of the porous membrane. The transmembrane pressure can be controlled by changing the liquid level difference between the culture solution and the porous membrane treated water. In addition, when using a pump, it can be controlled by the suction pressure. Can be controlled by the pressure of the gas or liquid introduced. When performing these pressure controls, the pressure difference between the culture solution side pressure and the porous membrane treated water side can be used as the transmembrane pressure difference and used to control the transmembrane pressure difference.

また、本発明において使用される多孔性膜は、濾過処理する膜間差圧0.1kPa以上20kPa以下の範囲で濾過処理することができるものであることが好ましい。また、使用前の純水透過係数が、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで透水量を測定し算出したとき、2×10−9/m/s/pa以上の範囲であることが好ましく、さらに2×10−9/m/s/pa以上6×10−7/m/s/pa以下の範囲にあることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the porous membrane used in the present invention can be subjected to filtration treatment in a range of a transmembrane differential pressure of 0.1 kPa to 20 kPa. In addition, when the pure water permeability coefficient before use was calculated by measuring the water permeability at a head height of 1 m using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane, 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / It is preferably in the range of s / pa or more, and more preferably in the range of 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa to 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa. .

本発明で使用される発酵原料としては、培養する微生物の生育を促し、目的とする発酵生産物であるD−乳酸を良好に生産させ得るものであればよいが、炭素源、窒素源、無機塩類、および必要に応じてアミノ酸やビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する通常の液体培地が好ましく用いられる。   The fermentation raw material used in the present invention is not limited as long as it promotes the growth of microorganisms to be cultured and can produce the desired fermentation product D-lactic acid satisfactorily. A normal liquid medium containing salts and organic micronutrients such as amino acids and vitamins as needed is preferably used.

上記の炭素源としては、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトースやラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、更には酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類およびグリセリンなども使用される。ここで糖分とは、多価アルコールの最初の酸化生成物であり、アルデヒド基またはケトン基をひとつ持ち、アルデヒド基を持つ糖をアルドース、ケトン基を持つ糖をケトースと分類される炭水化物のことを指す。   Examples of the carbon source include glucose, sucrose, fructose, saccharides such as galactose and lactose, starch saccharified solution containing these saccharides, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, and organic acids such as acetic acid, ethanol, etc. Other alcohols and glycerin are also used. Here, sugar is the first oxidation product of polyhydric alcohol, which is a carbohydrate that has one aldehyde group or ketone group, categorized as aldose, saccharide with aldehyde group, and ketose as sugar with ketone group. Point to.

また上記の窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類および各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。   As the nitrogen source, ammonia gas, aqueous ammonia, ammonium salts, urea, nitrates, and other auxiliary organic nitrogen sources such as oil cakes, soybean hydrolysate, casein decomposition products, other amino acids, Vitamins, corn steep liquor, yeast or yeast extract, meat extract, peptides such as peptone, various fermented cells and hydrolysates thereof are used.

また上記の無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等を適宜添加することができる。   Moreover, as said inorganic salt, phosphate, magnesium salt, calcium salt, iron salt, manganese salt, etc. can be added suitably.

本発明で使用される微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合にはその栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加する。また、消泡剤も必要に応じて使用することができる。   When the microorganism used in the present invention requires a specific nutrient for growth, the nutrient is added as a preparation or a natural product containing it. Moreover, an antifoamer can also be used as needed.

本発明において、培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液のことを言い、追加する発酵原料の組成は、目的とするD−乳酸の生産性が高くなるように、培養開始時の発酵原料組成から適宜変更しても良い。   In the present invention, the culture solution refers to a solution obtained as a result of growth of microorganisms or cultured cells on the fermentation raw material, and the composition of the fermentation raw material to be added is such that the productivity of the target D-lactic acid is increased. The fermentation raw material composition at the start of culture may be changed as appropriate.

本発明では、培養液中の糖類濃度は5g/L以下に保持されるようにすることが好ましい。その理由は、培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。微生物の培養は、通常、pH4〜8、温度20〜40℃の範囲で行われることが多い。培養液のpHは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウムおよびアンモニアガスなどによって上記範囲内のあらかじめ定められた値に調節される。微生物または培養細胞の培養において、酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を21%以上に保つ、培養を加圧する、攪拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。逆に、酸素の供給速度を下げる必要あれば、炭酸ガス、窒素およびアルゴンなど酸素を含まないガスを空気に混合して供給することも可能である。   In the present invention, the saccharide concentration in the culture solution is preferably maintained at 5 g / L or less. The reason is to minimize the loss of saccharide due to withdrawal of the culture solution. The culture of microorganisms is usually performed in the range of pH 4-8 and temperature 20-40 ° C. The pH of the culture solution is adjusted to a predetermined value within the above range by an inorganic acid or an organic acid, an alkaline substance, urea, calcium carbonate, ammonia gas, or the like. If it is necessary to increase the oxygen supply rate in culturing microorganisms or cultured cells, add oxygen to the air to maintain the oxygen concentration at 21% or higher, pressurize the culture, increase the agitation rate, increase the aeration rate, etc. The following means can be used. Conversely, if it is necessary to reduce the oxygen supply rate, it is also possible to supply a gas containing no oxygen such as carbon dioxide, nitrogen and argon mixed with air.

本発明においては、培養初期にBatch培養またはFed−Batch培養を行って微生物濃度を高くした後に連続培養(引き抜き)を開始しても良いし、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続培養を行っても良い。適当な時期から原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養物の引き抜きの開始時期は、必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養物の引き抜きは連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。原料培養液には、上記に示したような菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、培養液の環境が微生物または培養細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが効率よい生産性を得るのに好ましく、一例として、乾燥重量として5g/L以上に維持することで良好な生産効率が得られる。また、連続発酵装置の運転上の不具合、生産効率の低下を招かなければ、微生物の濃度の上限値は限定されない。   In the present invention, batch culture or fed-batch culture may be performed at the initial stage of culture to increase the microorganism concentration, and then continuous culture (pullout) may be started. Culture may be performed. It is possible to supply the raw material culture solution and extract the culture from an appropriate time. The starting times of the supply of the raw material culture solution and the withdrawal of the culture are not necessarily the same. Further, the supply of the raw material culture solution and the withdrawal of the culture may be continuous or intermittent. Nutrients necessary for cell growth as described above may be added to the raw material culture solution so that the cell growth is continuously performed. The concentration of microorganisms or cultured cells in the culture solution should be maintained at a high level so that the environment of the culture solution is not suitable for the growth of microorganisms or cultured cells and the rate of death does not increase. As an example, good production efficiency can be obtained by maintaining the dry weight at 5 g / L or more. Moreover, the upper limit of the density | concentration of microorganisms will not be limited if the malfunction on the operation | movement of a continuous fermentation apparatus and the fall of production efficiency are not caused.

発酵生産能力のあるフレッシュな菌体を増殖させつつ行う連続培養操作は、培養管理上、通常、単一の発酵反応槽で行うことが好ましい。しかしながら、菌体を増殖しつつ生産物を生成する連続培養法であれば、発酵反応槽の数は問わない。発酵反応槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵反応槽を用いることもあり得る。この場合、複数の発酵反応槽を配管で並列または直列に接続して連続培養を行っても発酵生産物の高生産性は得られる。   The continuous culture operation performed while growing fresh cells having fermentation production ability is usually preferably performed in a single fermentation reaction tank in terms of culture management. However, the number of fermentation reaction tanks is not limited as long as it is a continuous culture method for producing a product while growing cells. A plurality of fermentation reaction tanks may be used because the capacity of the fermentation reaction tank is small. In this case, high productivity of the fermentation product can be obtained even if continuous fermentation is performed by connecting a plurality of fermentation reaction tanks in parallel or in series by piping.

本発明で使用される微生物や培養細胞は、D−乳酸を生産することが可能な微生物や培養細胞であり、例えば、野生型株では、D−乳酸を合成する能力を有するラクトバシラス属(Lactobacillus)、バシラス属(Bacillus)属およびペディオコッカス(Pediococcus)に属する微生物が挙げられる。   The microorganism or cultured cell used in the present invention is a microorganism or cultured cell capable of producing D-lactic acid. For example, in a wild type strain, Lactobacillus having an ability to synthesize D-lactic acid is used. And microorganisms belonging to the genus Bacillus and Pediococcus.

本発明では、これら野生型株のD−乳酸デヒドロゲナーゼ(以下、D−LDHともいうことがある。)の酵素活性を増強していることが好ましい。酵素活性を増強させる方法としては、従来知られている薬剤変異による方法も用いることができる。更に好ましくは、微生物がD−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を組み込むことによりD−乳酸デヒドロゲナーゼの酵素活性を増強した組換え微生物が挙げられる。   In the present invention, it is preferable that the enzyme activity of these wild-type strains of D-lactate dehydrogenase (hereinafter also referred to as D-LDH) is enhanced. As a method for enhancing the enzyme activity, a conventionally known method using drug mutation can also be used. More preferably, a recombinant microorganism in which the enzyme activity of D-lactate dehydrogenase is enhanced by incorporating a gene encoding D-lactate dehydrogenase.

本発明では、組換え微生物の宿主としては、原核細胞である大腸菌、乳酸菌、および真核細胞である酵母などが好ましく、特に好ましくは酵母である。   In the present invention, the host of the recombinant microorganism is preferably prokaryotic cells such as Escherichia coli, lactic acid bacteria, and eukaryotic cells such as yeast.

本発明では、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が、ラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、およびペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、およびバシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)由来の遺伝子であることが好ましく、更に好ましくはバシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)由来の遺伝子である。   In the present invention, the gene encoding D-lactate dehydrogenase is derived from Lactobacillus plantarum, Pediococcus acidilactici, and Bacillus lavolacticus (Bacillus lavolactus). Preferably, it is a gene derived from Bacillus laevolacticus.

本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法により製造された濾過・分離発酵液に含まれるD−乳酸の分離・精製は、従来知られている濃縮、蒸留および晶析などの方法を組み合わせて行うことができる。   The separation / purification of D-lactic acid contained in the filtered / separated fermentation liquid produced by the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to the present invention is performed by combining conventionally known methods such as concentration, distillation and crystallization. It can be carried out.

D−乳酸の分離・精製方法としては、例えば、濾過・分離発酵液のpHを1以下にしてからジエチルエーテルや酢酸エチル等で抽出する方法、イオン交換樹脂に吸着洗浄した後に溶出する方法、酸触媒の存在下でアルコールと反応させてエステルとし蒸留する方法、およびカルシウム塩やリチウム塩として晶析する方法などが挙げられる。好ましくは、濾過・分離発酵液の水分を蒸発させた濃縮D−乳酸溶液を蒸留操作にかけることができる。ここで、蒸留する際には、蒸留原液の水分濃度が一定になるように水分を供給しながら蒸留することが好ましい。D−乳酸水溶液の留出後は、水分を加熱蒸発することにより濃縮し、目的とする濃度の精製D−乳酸を得ることができる。留出液として低沸点成分(エタノール、酢酸等)を含むD−乳酸水溶液を得た場合は、低沸点成分をD−乳酸濃縮過程で除去することが好ましい態様である。蒸留操作後、留出液について必要に応じて、イオン交換樹脂、活性炭およびクロマト分離等による不純物除去を行い、さらに高純度のD−乳酸を得ることもできる。   Examples of methods for separating and purifying D-lactic acid include, for example, a method in which the pH of the filtered / separated fermentation broth is 1 or less and extraction with diethyl ether, ethyl acetate, or the like, a method in which elution is performed after adsorption washing on an ion exchange resin, an acid Examples thereof include a method of reacting with an alcohol in the presence of a catalyst to distill as an ester, and a method of crystallizing as a calcium salt or a lithium salt. Preferably, the concentrated D-lactic acid solution obtained by evaporating water from the filtered / separated fermentation broth can be subjected to a distillation operation. Here, when distilling, it is preferable to distill while supplying water so that the water concentration of the undistilled stock solution is constant. After distilling off the D-lactic acid aqueous solution, the water can be concentrated by heating to evaporate to obtain purified D-lactic acid having a target concentration. When a D-lactic acid aqueous solution containing a low-boiling component (ethanol, acetic acid, etc.) is obtained as a distillate, it is a preferred embodiment that the low-boiling component is removed during the D-lactic acid concentration process. After the distillation operation, impurities can be removed from the distillate by ion exchange resin, activated carbon, chromatographic separation, or the like, if necessary, to obtain higher purity D-lactic acid.

本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置1つの例は、主に、微生物もしくは培養細胞を保持しD−乳酸を製造するための発酵反応槽、および微生物もしくは培養細胞と培養液を濾過分離するための多孔性膜を含む膜分離エレメントから構成される。膜分離エレメントは、発酵反応槽の内部または外部のいずれに設置されてもよい。   One example of a continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation of the present invention is mainly a fermentation reaction tank for holding microorganisms or cultured cells and producing D-lactic acid, and microorganisms or cultured cells. And a membrane separation element including a porous membrane for separating the culture solution by filtration. The membrane separation element may be installed either inside or outside the fermentation reaction tank.

本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法は、平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の多孔性膜を使用し、濾過圧力である膜間差圧が0.1から20kPaの範囲で濾過処理することを特徴としている。そのため、特別に発酵反応槽内を加圧状態に保つ必要がないことから、濾過分離装置と発酵反応槽間で培養液を循環させる動力手段が不要となり、膜分離エレメントを発酵反応槽内部に設置して発酵装置をコンパクト化することが可能である。   In the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, a porous membrane having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used, and filtration is performed in a range of a transmembrane differential pressure of 0.1 to 20 kPa. It is characterized by processing. Therefore, there is no need to keep the inside of the fermentation reactor in a pressurized state, so there is no need for a power means to circulate the culture solution between the filtration separator and the fermentation reactor, and a membrane separation element is installed inside the fermentation reactor. Thus, the fermentation apparatus can be made compact.

本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置のうち、膜分離エレメントが発酵反応槽の内部に設置された代表的な一例を図1の概要図に示す。   Among the continuous fermentation apparatuses used in the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation of the present invention, a typical example in which a membrane separation element is installed inside the fermentation reaction tank is shown in the schematic diagram of FIG.

図1は、本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置の一つの実施の形態を示す概略側面図である。図1において、連続発酵装置は、内部に膜分離エレメント2を備えた発酵反応槽1と水頭差制御装置3で基本的に構成されている。発酵反応槽1内の膜分離エレメント2には多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜としては、例えば、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている膜、および膜エレメントを使用することができる。膜分離エレメントについては、追って詳述する。   FIG. 1 is a schematic side view showing one embodiment of a continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation of the present invention. In FIG. 1, the continuous fermentation apparatus basically includes a fermentation reaction tank 1 having a membrane separation element 2 therein and a water head difference control device 3. A porous membrane is incorporated in the membrane separation element 2 in the fermentation reaction tank 1. As this porous membrane, for example, a membrane and a membrane element disclosed in International Publication No. 2002/064240 pamphlet can be used. The membrane separation element will be described in detail later.

次に、図1の連続発酵装置による連続発酵の形態について説明する。図1において、培地供給ポンプ7によって培地を発酵反応槽1に連続的もしくは断続的に投入する。培地は投入前に必要に応じて加熱殺菌、あるいは加熱滅菌、あるいはフィルターを用いた滅菌を行うことができる。発酵生産時には、必要に応じて攪拌機5で発酵反応槽1内の培養液を攪拌し、また必要に応じて気体供給装置4によって必要とする気体を供給し、また必要に応じてpHセンサ・制御装置9、およびpH調整溶液供給ポンプ8によって培養液のpHを調整し、また必要に応じて温度調節器10によって培養液の温度を調節することにより生産性の高い発酵生産を行うことができる。ここでは、計装・制御装置による培養液の物理化学的条件の調節に、pHおよび温度を例示したが、必要に応じて溶存酸素やORPの制御、更にはオンラインケミカルセンサーなどの分析装置により培養液中のD−乳酸の濃度を測定し、それを指標とした物理化学的条件の制御を行うことができる。また、培地の連続的もしくは断続的投入の形態に関しては、上記計装装置による培養液の物理化学的環境の測定値を指標として、培地投入量および速度を適宜調節することができる。   Next, the form of continuous fermentation by the continuous fermentation apparatus of FIG. 1 will be described. In FIG. 1, the medium is continuously or intermittently charged into the fermentation reaction tank 1 by the medium supply pump 7. The medium can be subjected to heat sterilization, heat sterilization, or sterilization using a filter as necessary before addition. During fermentation production, the culture solution in the fermentation reaction tank 1 is agitated by the agitator 5 as necessary, and the necessary gas is supplied by the gas supply device 4 as necessary, and the pH sensor / control is performed as necessary. Fermentative production with high productivity can be performed by adjusting the pH of the culture solution with the apparatus 9 and the pH adjusting solution supply pump 8 and adjusting the temperature of the culture solution with the temperature controller 10 as necessary. Here, the pH and temperature are exemplified for the adjustment of the physicochemical conditions of the culture solution by the instrumentation / control device. However, the dissolved oxygen and ORP are controlled as necessary, and the culture is performed by an analytical device such as an online chemical sensor. The concentration of D-lactic acid in the liquid can be measured, and physicochemical conditions can be controlled using the concentration as an index. In addition, regarding the form of continuous or intermittent addition of the medium, the amount and speed of the medium input can be appropriately adjusted using the measured value of the physicochemical environment of the culture solution by the instrumentation device as an index.

培養液は、発酵反応槽1内に設置された膜分離エレメント2によって微生物もしくは培養細胞と発酵生産物に濾過・分離され、発酵生産物は装置系から取り出される。また、濾過・分離された微生物もしくは培養細胞は装置系内にとどまることにより装置系内の微生物もしくは培養細胞濃度を高く維持でき、生産性の高い発酵生産を可能としている。ここで、膜分離エレメント2による濾過・分離には、発酵反応槽1の水面との水頭差圧によって行い、特別な動力は必要ない。また、必要に応じてレベルセンサ6および水頭差圧制御装置3によって、膜分離エレメント2の濾過・分離速度、及び発酵反応槽内の培養液量を適当に調節することができる。上記の膜分離エレメントによる濾過・分離には水頭差圧によって行うことを例示したが、必要に応じてポンプ等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧することにより濾過・分離することもできる。   The culture solution is filtered and separated into microorganisms or cultured cells and a fermentation product by a membrane separation element 2 installed in the fermentation reaction tank 1, and the fermentation product is taken out from the apparatus system. Moreover, the microorganisms or cultured cells filtered and separated remain in the apparatus system, so that the concentration of the microorganisms or cultured cells in the apparatus system can be maintained high, and fermentation production with high productivity is possible. Here, the filtration / separation by the membrane separation element 2 is performed by the water head differential pressure with the water surface of the fermentation reaction tank 1, and no special power is required. Further, the filtration / separation speed of the membrane separation element 2 and the amount of the culture solution in the fermentation reaction tank can be appropriately adjusted by the level sensor 6 and the head differential pressure control device 3 as necessary. The filtration / separation by the membrane separation element is exemplified by the water head differential pressure. However, if necessary, the filtration / separation can be performed by suction filtration using a pump or the like, or by pressurizing the inside of the apparatus system.

図2は、本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる他の連続発酵装置の例を説明するための概略側面図である。図2は、膜分離エレメントが、発酵反応槽の外部に設置された連続発酵装置の代表的な例である。   FIG. 2 is a schematic side view for explaining an example of another continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid according to the present invention. FIG. 2 is a typical example of a continuous fermentation apparatus in which the membrane separation element is installed outside the fermentation reaction tank.

図2において、連続発酵装置は、発酵反応槽1と、膜分離エレメント2を備えた膜分離槽12と、水頭差制御装置3とで基本的に構成されている。ここで、膜分離エレメント2には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性を備えた膜分離エレメントとしては、例えば、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および膜分離エレメントを使用することが好適である。また、膜分離槽12は、培養液循環ポンプ11を介して発酵反応槽1に接続されている。   In FIG. 2, the continuous fermentation apparatus basically includes a fermentation reaction tank 1, a membrane separation tank 12 having a membrane separation element 2, and a water head difference control device 3. Here, the membrane separation element 2 incorporates a porous membrane. As the membrane separation element having porosity, it is preferable to use, for example, the separation membrane and the membrane separation element disclosed in WO2002 / 064240. Further, the membrane separation tank 12 is connected to the fermentation reaction tank 1 via the culture solution circulation pump 11.

図2において、培地供給ポンプ7によって培地を発酵反応槽1に投入し、必要に応じて、攪拌機5で発酵反応槽1内の培養液を攪拌し、また必要に応じて、気体供給装置4によって必要とする気体を供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置4で供給することができる。また必要に応じて、pHセンサ・制御装置9およびよびpH調整溶液供給ポンプ8によって培養液のpHを調整し、また必要に応じて、温度調節器10によって培養液の温度を調節することにより、生産性の高い発酵生産を行うことができる。さらに、装置内の培養液は、培養液循環ポンプ11によって発酵反応槽1と膜分離槽12の間を循環する。発酵生産物を含む培養液は、膜分離エレメント2によって微生物と発酵生産物に濾過・分離され、発酵生産物を装置系から取り出すことができる。また、濾過・分離された微生物は、装置系内にとどまることにより装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。   In FIG. 2, the medium is introduced into the fermentation reaction tank 1 by the medium supply pump 7, the culture solution in the fermentation reaction tank 1 is stirred by the stirrer 5 as necessary, and the gas supply device 4 is used as necessary. Necessary gas can be supplied. At this time, the supplied gas can be recovered and recycled and supplied again by the gas supply device 4. If necessary, the pH of the culture solution is adjusted by the pH sensor / control device 9 and the pH adjusting solution supply pump 8, and the temperature of the culture solution is adjusted by the temperature controller 10 as necessary. Fermentative production with high productivity can be performed. Furthermore, the culture solution in the apparatus is circulated between the fermentation reaction tank 1 and the membrane separation tank 12 by the culture solution circulation pump 11. The culture solution containing the fermentation product is filtered and separated into the microorganism and the fermentation product by the membrane separation element 2, and the fermentation product can be taken out from the apparatus system. Moreover, the microorganisms filtered and separated remain in the apparatus system, so that the microorganism concentration in the apparatus system can be maintained high, and fermentation production with high productivity is possible.

ここで、膜分離エレメント2による濾過・分離は、膜分離槽12の水面との水頭差圧によって行うことができ、特別な動力を必要としない。必要に応じて、レベルセンサ6および水頭差圧制御装置3によって、膜分離エレメント2の濾過・分離速度および装置系内の培養液量を適当に調節することができる。必要に応じて、気体供給装置4によって必要とする気体を膜分離槽12内に供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置4で膜分離槽12内に供給することができる。   Here, the filtration / separation by the membrane separation element 2 can be performed by the water head differential pressure with the water surface of the membrane separation tank 12, and no special power is required. If necessary, the filtration / separation speed of the membrane separation element 2 and the amount of culture solution in the apparatus system can be appropriately adjusted by the level sensor 6 and the head differential pressure control device 3. If necessary, the required gas can be supplied into the membrane separation tank 12 by the gas supply device 4. At this time, the supplied gas can be recovered and recycled and supplied again into the membrane separation tank 12 by the gas supply device 4.

膜分離エレメント2による濾過・分離は、必要に応じて、ポンプ等による吸引濾過あるいは装置系内を加圧することにより、濾過・分離することもできる。また、別の培養槽(図示せず)で連続発酵に微生物または培養細胞を培養し、それを必要に応じて発酵反応槽内に供給することができる。別の培養槽で連続発酵に微生物または培養細胞を培養し、得られた培養液を必要に応じて発酵槽内に供給することにより、常にフレッシュでD−乳酸の生産能力の高い微生物または培養細胞による連続発酵が可能となり、高い生産性能を長期間維持した連続発酵が可能となる。   The filtration / separation by the membrane separation element 2 may be performed by suction filtration using a pump or the like, or by pressurizing the inside of the apparatus system, if necessary. In addition, microorganisms or cultured cells can be cultured for continuous fermentation in a separate culture tank (not shown), and supplied to the fermentation reaction tank as necessary. By culturing microorganisms or cultured cells for continuous fermentation in a separate culture tank and supplying the obtained culture solution into the fermentor as necessary, the microorganisms or cultured cells that are always fresh and have a high production capacity for D-lactic acid Enables continuous fermentation with high production performance maintained for a long period of time.

次に、本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置で、好ましく用いられる膜分離エレメントについて説明する。   Next, the membrane separation element preferably used in the continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid of the present invention will be described.

図3に示す膜分離エレメントについて説明する。図3は、本発明で用いられる膜分離エレメントを例示説明するための概略斜視図である。本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、好ましくは、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および膜分離エレメントを用いることができる。膜分離エレメントは、図3に示されるように、剛性を有する支持板13の両面に、流路材14と前記の分離膜15(多孔性膜)をこの順序で配し構成されている。支持板13は、両面に凹部16を有している。分離膜15は、培養液を濾過する。流路材14は、分離膜15で濾過された濾液を効率よく支持板13に流すためのものである。支持板13に流れた濾液は、支持板13の凹部16を通り、集水パイプ17を介して連続発酵装置外部に取り出される。濾液を取り出すための動力として、水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を用いることができる。   The membrane separation element shown in FIG. 3 will be described. FIG. 3 is a schematic perspective view for illustrating the membrane separation element used in the present invention. In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid according to the present invention, preferably, a separation membrane and a membrane separation element disclosed in WO 2002/064240 can be used. As shown in FIG. 3, the membrane separation element is configured by arranging a flow path material 14 and the separation membrane 15 (porous membrane) in this order on both surfaces of a rigid support plate 13. The support plate 13 has recesses 16 on both sides. The separation membrane 15 filters the culture solution. The flow path member 14 is for efficiently flowing the filtrate filtered by the separation membrane 15 to the support plate 13. The filtrate that has flowed to the support plate 13 passes through the recess 16 of the support plate 13 and is taken out of the continuous fermentation apparatus via the water collecting pipe 17. As a power for taking out the filtrate, a method such as a differential pressure at the water head, a pump, suction filtration with a liquid or gas, or pressurization in the apparatus system can be used.

図4に示す膜分離エレメントについて説明する。図4は、本発明で用いられる別の膜分離エレメントを例示説明するための概略斜視図である。膜分離エレメントは、図4に示すように、中空糸膜(多孔性膜)で構成された分離膜束18と上部樹脂封止層19と下部樹脂封止層20によって主に構成される。分離膜束18は、上部樹脂封止層19および下部樹脂封止層20よって束状に接着・固定化されている。下部樹脂封止層20による接着・固定化は、分離膜束18の中空糸膜(多孔性膜)の中空部を封止しており、培養液の漏出を防ぐ構造になっている。一方、上部樹脂封止層19は、分離膜束18の中空糸膜(多孔性膜)の内孔を封止しておらず、集水パイプ22に濾液が流れる構造となっている。この膜分離エレメントは、支持フレーム21を介して連続発酵装置内に設置することが可能である。分離膜束18によって濾過された濾液は、中空糸膜の中空部を通り、集水パイプ22を介して連続発酵装置外部に取り出される。濾液を取り出すための動力として、水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を用いることができる。   The membrane separation element shown in FIG. 4 will be described. FIG. 4 is a schematic perspective view for illustrating another membrane separation element used in the present invention. As shown in FIG. 4, the membrane separation element is mainly constituted by a separation membrane bundle 18 constituted by a hollow fiber membrane (porous membrane), an upper resin sealing layer 19 and a lower resin sealing layer 20. The separation membrane bundle 18 is bonded and fixed in a bundle by an upper resin sealing layer 19 and a lower resin sealing layer 20. Adhesion / fixation by the lower resin sealing layer 20 has a structure in which the hollow portion of the hollow fiber membrane (porous membrane) of the separation membrane bundle 18 is sealed to prevent leakage of the culture solution. On the other hand, the upper resin sealing layer 19 does not seal the inner hole of the hollow fiber membrane (porous membrane) of the separation membrane bundle 18 and has a structure in which the filtrate flows through the water collecting pipe 22. This membrane separation element can be installed in the continuous fermentation apparatus via the support frame 21. The filtrate filtered by the separation membrane bundle 18 passes through the hollow portion of the hollow fiber membrane and is taken out to the outside of the continuous fermentation apparatus via the water collecting pipe 22. As a power for taking out the filtrate, a method such as a differential pressure at the water head, a pump, suction filtration with a liquid or gas, or pressurization in the apparatus system can be used.

本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置の膜分離エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作に耐性の部材であることが好ましい。連続発酵装置内が滅菌可能であれば、連続発酵時に好ましくない微生物による汚染の危険を回避することができ、より安定した連続発酵が可能となる。膜分離エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作の条件である、121℃で15分間に耐性であることが好ましい。膜分離エレメント部材は、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、PVDF、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂およびポリサルホン系樹脂等の樹脂を好ましく選定することができる。   The member constituting the membrane separation element of the continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid of the present invention is preferably a member resistant to high-pressure steam sterilization operation. If the inside of the continuous fermentation apparatus can be sterilized, it is possible to avoid the risk of contamination by undesirable microorganisms during continuous fermentation, and more stable continuous fermentation is possible. The members constituting the membrane separation element are preferably resistant to 15 minutes at 121 ° C., which is the condition of the high-pressure steam sterilization operation. Membrane separation element members include, for example, metals such as stainless steel and aluminum, polyamide resins, fluorine resins, polycarbonate resins, polyacetal resins, polybutylene terephthalate resins, PVDF, modified polyphenylene ether resins, and polysulfone resins. The resin can be preferably selected.

本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、膜分離エレメントは、図1のように発酵反応槽内に設置しても良いし、図2のように発酵反応槽外に設置しても良い。膜分離エレメントを発酵反応槽外に設置する場合には、別途、膜分離槽を設けてその内部に膜分離エレメントを設置することができ、発酵反応槽と膜分離槽の間を培養液を循環させながら、膜分離エレメントにより培養液を連続的に濾過することができる。   In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid of the present invention, the membrane separation element may be installed in the fermentation reaction tank as shown in FIG. 1 or installed outside the fermentation reaction tank as shown in FIG. You may do it. When the membrane separation element is installed outside the fermentation reaction tank, a separate membrane separation tank can be provided and the membrane separation element can be installed in the inside, and the culture fluid is circulated between the fermentation reaction tank and the membrane separation tank. The culture solution can be continuously filtered through the membrane separation element.

本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、膜分離槽は、高圧蒸気滅菌可能であることが望ましい。膜分離槽が高圧蒸気滅菌可能であると、雑菌による汚染回避が容易である。   In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing D-lactic acid according to the present invention, the membrane separation tank is preferably capable of high-pressure steam sterilization. If the membrane separation tank can be autoclaved, it is easy to avoid contamination with germs.

本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法に従って、連続発酵を行った場合、従来のバッチ発酵と比較して高い体積生産速度が得られ、極めて効率のよい発酵生産が可能となる。ここで、連続培養における生産速度は、次の(式3)で計算される。
・発酵生産速度(g/L/hr)=抜き取り液中の生産物濃度(g/L)×培養液抜き取り速度(L/hr)÷装置の運転液量(L)・・・(式3)
また、バッチ培養での発酵生産速度は、原料炭素源をすべて消費した時点の生産物量(g)を、炭素源の消費に要した時間(h)とその時点の培養液量(L)で除して求められる。
When continuous fermentation is performed according to the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation of the present invention, a high volumetric production rate is obtained as compared with conventional batch fermentation, and extremely efficient fermentation production is possible. Here, the production rate in continuous culture is calculated by the following (Equation 3).
Fermentation production rate (g / L / hr) = product concentration in the drawn solution (g / L) × culture solution drawing rate (L / hr) ÷ operating solution volume (L) of the apparatus (Formula 3)
In addition, the fermentation production rate in batch culture is calculated by dividing the amount of product (g) at the time when all of the raw carbon source is consumed by the time (h) required for consumption of the carbon source and the amount of culture solution (L) at that time. Is required.

本発明の連続発酵によるD−乳酸の製造方法によって得られたD−乳酸は、ポリエステル樹脂の原料に用いられ、それらポリエステル樹脂は、射出成形、押出成形、ブロー成形、真空成形、溶融紡糸およびフィルム成形などの任意の成形方法により、所望の形状に成形することができ、機械部品などの樹脂成形品、衣料・産業資材などの繊維、および包装・磁気記録などのフィルムとして使用することができる。   The D-lactic acid obtained by the method for producing D-lactic acid by continuous fermentation of the present invention is used as a raw material for polyester resins, which are injection molding, extrusion molding, blow molding, vacuum molding, melt spinning, and film. It can be formed into a desired shape by any molding method such as molding, and can be used as a resin molded product such as a machine part, a fiber such as clothing or industrial material, and a film such as packaging or magnetic recording.

以下、本発明のD−乳酸の製造方法をさらに具体的に説明するために、図1および図2の概要図に示す連続発酵装置を用いることによる連続的なD−乳酸の発酵生産について、実施例を挙げて説明する。   Hereinafter, in order to more specifically describe the method for producing D-lactic acid according to the present invention, continuous fermentation production of D-lactic acid by using the continuous fermentation apparatus shown in the schematic diagrams of FIGS. An example will be described.

D−乳酸濃度のHPLCによる分析方法は次のとおりである。
[D−乳酸濃度のHPLCによる分析方法]
培養液を遠心分離し、得られた上清を膜濾過した後、下記に示す条件でHPLC法により乳酸量を測定した。
・カラム:Shim−Pack SPR−H(島津社製)
・ 移動相:5っM p−トルエンスルホン酸(流速0.8mL/min)
・反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/min)
・検出方法:電気伝導度
・温度:45℃。
The method for analyzing the D-lactic acid concentration by HPLC is as follows.
[Analysis method of D-lactic acid concentration by HPLC]
The culture solution was centrifuged, and the resulting supernatant was subjected to membrane filtration, and then the amount of lactic acid was measured by the HPLC method under the conditions shown below.
Column: Shim-Pack SPR-H (manufactured by Shimadzu Corporation)
Mobile phase: 5M p-toluenesulfonic acid (flow rate 0.8 mL / min)
Reaction solution: 5 mM p-toluenesulfonic acid, 20 mM Bistris, 0.1 mM EDTA · 2Na (flow rate 0.8 mL / min)
-Detection method: electrical conductivity-Temperature: 45 ° C.

また、D−乳酸の光学純度測定は、下記の条件でHPLC法により測定した。   The optical purity of D-lactic acid was measured by the HPLC method under the following conditions.

カラム:TSK−gel Enantio L1(東ソー社製)
・移動相 :1mM 硫酸銅水溶液
・流速:1.0ml/min
・検出方法 :UV254nm
・温度 :30℃
また、D−乳酸の光学純度は、次式で計算される。
・光学純度(%)=100×(D−L)/(L+D)
ここで、LはL−乳酸の濃度であり、DはD−乳酸の濃度を表す。
Column: TSK-gel Enantio L1 (manufactured by Tosoh Corporation)
-Mobile phase: 1 mM aqueous copper sulfate-Flow rate: 1.0 ml / min
・ Detection method: UV254nm
・ Temperature: 30 ℃
Moreover, the optical purity of D-lactic acid is calculated by the following formula.
Optical purity (%) = 100 × (DL) / (L + D)
Here, L represents the concentration of L-lactic acid, and D represents the concentration of D-lactic acid.

(参考例1)多孔性膜の作製(その1)
樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)樹脂を、また溶媒としてN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)をそれぞれ用い、これらを90℃の温度下に十分に攪拌し、下記組成を有する原液を得た。
[原液]
・PVDF:13.0重量%
・DMAc:87.0重量%
次に、上記の原液を25℃の温度に冷却した後、あらかじめガラス板上に貼り付けて置いた、密度が0.48g/cm3で、厚みが220μmのポリエステル繊維製不織布(多孔質基材)に塗布し、直ちに下記組成を有する25℃の温度の凝固浴中に5分間浸漬して、多孔質基材に多孔質樹脂層が形成された多孔性膜を得た。
[凝固浴]
・水 :30.0重量%
・DMAc:70.0重量%
この多孔性膜をガラス板から剥がした後、80℃の温度の熱水に3回浸漬してDMAcを洗い出し、分離膜を得た。多孔質樹脂層表面の9.2μm×10.4μmの範囲内を、倍率10,000倍で走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、観察できる細孔すべての直径の平均は0.1μmであった。次に、上記分離膜について純水透水透過係数を評価したところ、50×10-93/m2/s/Paであった。純水透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで行った。また、平均細孔径の標準偏差は0.035μmで、膜表面粗さは0.06μmであった。
(Reference Example 1) Production of porous membrane (part 1)
Polyvinylidene fluoride (PVDF) resin was used as the resin and N, N-dimethylacetamide (DMAc) was used as the solvent, and these were sufficiently stirred at a temperature of 90 ° C. to obtain a stock solution having the following composition.
[Undiluted solution]
・ PVDF: 13.0% by weight
DMAc: 87.0% by weight
Next, after cooling the above stock solution to a temperature of 25 ° C., a polyester fiber non-woven fabric (porous substrate) having a density of 0.48 g / cm 3 and a thickness of 220 μm, which was previously pasted on a glass plate. And immediately immersed in a coagulation bath at 25 ° C. having the following composition for 5 minutes to obtain a porous film having a porous resin layer formed on a porous substrate.
[Coagulation bath]
-Water: 30.0% by weight
DMAc: 70.0% by weight
After peeling this porous membrane from the glass plate, it was immersed in hot water at a temperature of 80 ° C. three times to wash out DMAc to obtain a separation membrane. When the surface of the porous resin layer was observed with a scanning electron microscope at a magnification of 10,000 within the range of 9.2 μm × 10.4 μm, the average diameter of all observable pores was 0.1 μm. . Next, when the pure water permeability coefficient was evaluated about the said separation membrane, it was 50 * 10 < -9 > m < 3 > / m < 2 > / s / Pa. The pure water permeation amount was measured using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane at a head height of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.035 μm, and the membrane surface roughness was 0.06 μm.

(参考例2)多孔性膜の作製(その2)
重量平均分子量41.7万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ-ブチロラクトンとを、それぞれ38重量%と62重量%の割合で170℃の温度で溶解し原液を作製した。この原液をγ-ブチロラクトンを中空部形成液体として随拌させながら口金から吐出し、温度20℃のγ-ブチロラクトン80重量%水溶液からなる冷却浴中で固化して中空糸膜を作製した。
(Reference Example 2) Production of porous membrane (part 2)
A vinylidene fluoride homopolymer having a weight average molecular weight of 41,000 and γ-butyrolactone were dissolved at a temperature of 170 ° C. at a rate of 38% by weight and 62% by weight, respectively, to prepare a stock solution. This stock solution was discharged from the base while stirring γ-butyrolactone as a hollow portion forming liquid, and solidified in a cooling bath composed of an 80% by weight aqueous solution of γ-butyrolactone at a temperature of 20 ° C. to produce a hollow fiber membrane.

次いで、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテートプロピオネート(イーストマンケミカル社、CAP482−0.5)を1重量%、N-メチル-2-ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名“イオネットT−20C”(登録商標))を5重量%、および水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して原液を調整した。この原液を、上記で得られた中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させた本発明で用いる中空糸膜(多孔性膜)を製作した。得られた中空糸膜(分離膜)の被処理水側表面の平均細孔径は、0.05μmであった。次に、上記の分離膜である中空糸膜について純水透水量を評価したところ、5.5×10-93/m2・s・Paであった。透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで行った。また、平均細孔径の標準偏差 は0.006μmであった。 Next, 14% by weight of vinylidene fluoride homopolymer having a weight average molecular weight of 284,000, 1% by weight of cellulose acetate propionate (Eastman Chemical Co., CAP482-0.5), and N-methyl-2-pyrrolidone 77% by weight, polyoxyethylene coconut oil fatty acid sorbitan (manufactured by Sanyo Chemical Co., Ltd., trade name “IONET T-20C” (registered trademark)) 5% by weight, and water 3% by weight at a temperature of 95 ° C. The stock solution was prepared by mixing and dissolving. This undiluted solution was uniformly applied to the surface of the hollow fiber membrane obtained above, and a hollow fiber membrane (porous membrane) used in the present invention was immediately solidified in a water bath. The average pore diameter of the treated water side surface of the obtained hollow fiber membrane (separation membrane) was 0.05 μm. Next, the pure water permeation rate of the hollow fiber membrane as the separation membrane was evaluated and found to be 5.5 × 10 −9 m 3 / m 2 · s · Pa. The amount of water permeation was measured using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane at a head height of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.006 μm.

(参考例3)バシラス・ラエボラクティカス JCM2513の染色体DNAの調製
バシラス・ラエボラクティカス JCM2513を、GYP培地(特開2003−088392号公報に記載のGYP培地)100mlに接種し、温度30℃の温度で24時間培養して培養物を得た。得られた培養物を3000rpmで15分間、遠心分離処理し湿潤菌体0.5gを得た後、該湿潤菌体から、斎藤、三浦の方法(Biochem.Biophys.Acta.,72,619(1963))により染色体DNAを得た。次いで、この染色体DNA60μgおよび制限酵素Sau3AI、3ユニットを10mMトリス−塩酸緩衝液(50mM NaCl、10mM MgSO4および1mM ジチオスレイトール含有(pH 7.4))に各々混合し、温度37℃で30分間反応させた。反応終了液を常法により、フェノール抽出処理し、エタノール沈澱処理してSau3AIで消化されたバシラス・ラエボラクティカス JCM2513の染色体DNA断片50μgを得た。
Reference Example 3 Preparation of Chromosomal DNA of Bacillus laevolacticus JCM2513 Bacillus laevolacticus JCM2513 was inoculated into 100 ml of GYP medium (GYP medium described in JP-A-2003-088392) at a temperature of 30 ° C. The culture was obtained by culturing at a temperature of 24 hours for 24 hours. The obtained culture was centrifuged at 3000 rpm for 15 minutes to obtain 0.5 g of wet cells, and from the wet cells, the method of Saito and Miura (Biochem. Biophys. Acta., 72, 619 (1963 )) To obtain chromosomal DNA. Next, 60 μg of this chromosomal DNA and 3 units of restriction enzyme Sau3AI were mixed with 10 mM Tris-HCl buffer solution (containing 50 mM NaCl, 10 mM MgSO 4 and 1 mM dithiothreitol (pH 7.4)), respectively, at a temperature of 37 ° C. for 30 minutes. Reacted. The reaction-terminated solution was subjected to phenol extraction treatment by an ordinary method, ethanol precipitation treatment, and 50 μg of a chromosomal DNA fragment of Bacillus laevolacticus JCM2513 digested with Sau3AI.

(参考例4)プラスミドベクターDNAを利用したバシラス・ラエボラクティカス JCM2513の遺伝子ライブラリーの作製
エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)で自律複製可能なプラスミドベクタ−DNA(pUC19)20μgおよび制限酵素BamHI200ユニットを、50mMトリス−塩酸緩衝液(100mM NaClおよび10mM硫酸マグネシウム含有(pH7.4))に混合し、温度37℃で2時間反応させて消化液を得、該消化液を常法によりフェノール抽出し、更にエタノール沈澱処理を行った。
(Reference Example 4) Preparation of a gene library of Bacillus laevolacticus JCM2513 using plasmid vector DNA Plasmid vector DNA (pUC19) 20 μg capable of autonomous replication in Escherichia coli and a restriction enzyme BamHI200 unit were used. , Mixed with 50 mM Tris-HCl buffer (containing 100 mM NaCl and 10 mM magnesium sulfate (pH 7.4)), reacted at a temperature of 37 ° C. for 2 hours to obtain a digested solution, and the digested solution was phenol-extracted by a conventional method, Further, ethanol precipitation treatment was performed.

その後、プラスミドベクター由来のDNAフラグメントが再結合することを防止するため、バクテリアルアルカリホスファターゼ処理により、DNA断片の脱リン酸化を行い、常法によりフェノール抽出処理し、更にエタノール沈澱処理を行った。   Thereafter, in order to prevent the DNA fragment derived from the plasmid vector from recombining, the DNA fragment was dephosphorylated by a bacterial alkaline phosphatase treatment, followed by phenol extraction treatment by an ordinary method, and further ethanol precipitation treatment.

このBamHIで消化されたpUC19を1μg、参考例3で得られたSau3AIで消化されたバシラス・ラエボラクティカス JCM2513の染色体DNA断片1μg、および2ユニットのT4DNAリガーゼ(宝酒造(株)製)を、66mM塩化マグネシウム、10mMジチオスレイトールおよび10mM ATPを含有する66mMトリス−塩酸緩衝液(pH7.5)に添加し、温度16℃で16時間反応させ、DNAを連結させた。次いで、得られたDNA混合物で、常法によりエシェリヒア・コリ JM109を形質転換し、これを50μg/mlのアンピシリンナトリウムを含むLB寒天培地上にまき、約20,000個のコロニーを得、遺伝子ライブラリーとした。約20,000個のコロニーより、組換えDNAの回収を行なった。回収の方法は、上記に示した斎藤、三浦の方法に従った。   1 μg of pUC19 digested with BamHI, 1 μg of chromosomal DNA fragment of Bacillus laevolacticus JCM2513 digested with Sau3AI obtained in Reference Example 3, and 2 units of T4 DNA ligase (Takara Shuzo Co., Ltd.) It was added to 66 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) containing 66 mM magnesium chloride, 10 mM dithiothreitol and 10 mM ATP, and reacted at a temperature of 16 ° C. for 16 hours to ligate DNA. Next, Escherichia coli JM109 was transformed with the obtained DNA mixture by a conventional method, and this was spread on an LB agar medium containing 50 μg / ml ampicillin sodium to obtain about 20,000 colonies. It was rally. Recombinant DNA was recovered from about 20,000 colonies. The method of recovery was according to the method of Saito and Miura shown above.

(参考例5)D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子のスクリーニング用宿主の作製
バシラス・ラエボラクティカス JCM2513株のD−LDH遺伝子のスクリーニングを、機能相補によって行った。その原理の詳細は、「(DOMINIQUE, G., Appl Environ Microbiol, United States (1995) 61 266-272)」に記載されている。すなわち、エッシェリシア・コリのD−乳酸デヒドロゲナーゼ酵素活性およびピルビン酸ギ酸リアーゼ酵素活性を欠失した株を作製する必要がある。キリルらの方法(Kirill, A., PNAS, United States (2000) 97 6640-6645)によって、エッシェリシア・コリのD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子(ldhA)およびピルビン酸ギ酸リアーゼ遺伝子(pflBおよびpflD)を破壊欠失した株を作製した。このようにして作製した株を、エシェリヒア・コリ TM33株(E.coli ΔldhA ΔpflB::Km ΔpflD::Cm)と命名し、D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子のスクリーニング用宿主とした。
Reference Example 5 Preparation of a Host for Screening for D-Lactate Dehydrogenase Gene Screening for the D-LDH gene of Bacillus laevolacticus JCM2513 strain was performed by functional complementation. Details of the principle are described in “(DOMINIQUE, G., Appl Environ Microbiol, United States (1995) 61 266-272)”. That is, it is necessary to produce a strain that lacks the D-lactate dehydrogenase enzyme activity and pyruvate formate lyase enzyme activity of Escherichia coli. Destruction of Escherichia coli D-lactate dehydrogenase gene (ldhA) and pyruvate formate lyase gene (pflB and pflD) by the method of Kirill et al. (Kirill, A., PNAS, United States (2000) 97 6640-6645) The lost strain was made. The strain thus prepared was named Escherichia coli TM33 strain (E. coli ΔldhA ΔpflB :: Km r ΔpflD :: Cm r ) and used as a screening host for the D-lactate dehydrogenase gene.

(参考例6)D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子のスクリーニング
エシェリヒア・コリ TM33株を、50μg/mlのカナマイシン硫酸塩および15μg/mlのクロラムフェニコールを含むLB培地100mlに接種し、温度37℃で24時間培養し、培養物を得た。このようにして得られた培養物を、3,000rpmで15分間遠心分離処理し、湿潤菌体0.8gを得た。得られた湿潤菌体を10%グリセロール溶液10mlで3度洗浄した後、10%グリセロール溶液0.1mlにけん濁しコンピテントセルとした。このコンピテントセルに、参考例4で得られたバシラス・ラエボラクティカス JCM2513株の遺伝子ライブラリーを1μl加え、電気穿孔法の常法に従い導入した株を50μg/mlのアンピシリンナトリウムを含むM9GP寒天培地(M9培地+0.4%グルコース+0.2%ペプトン)上にまき、嫌気条件下で生育可能であった株を数株得た。
Reference Example 6 Screening of D-Lactate Dehydrogenase Gene Escherichia coli TM33 strain was inoculated into 100 ml of LB medium containing 50 μg / ml kanamycin sulfate and 15 μg / ml chloramphenicol, and the temperature was 37 ° C. for 24 hours. The culture was obtained. The culture thus obtained was centrifuged at 3,000 rpm for 15 minutes to obtain 0.8 g of wet cells. The obtained wet cells were washed 3 times with 10 ml of 10% glycerol solution and suspended in 0.1 ml of 10% glycerol solution to obtain a competent cell. To this competent cell, 1 μl of the gene library of Bacillus laevolacticus JCM2513 obtained in Reference Example 4 was added, and the strain introduced according to the conventional method of electroporation was added to M9GP agar containing 50 μg / ml ampicillin sodium. Several strains were obtained which were seeded on a medium (M9 medium + 0.4% glucose + 0.2% peptone) and were able to grow under anaerobic conditions.

(参考例7)D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子を含有するDNAの塩基配列の解析
上記で得られた組換えDNAを含有するエシェリヒア・コリ TM33/pBL2から、常法に従いプラスミドを調製し、得られた組換えDNAを用い塩基配列の決定を行った。塩基配列の決定は、Taq DyeDeoxy Terminator Cycle Sequencing Kit(アプライドバイオケミカル社製)を用いSangerの方法に従って行った。得られたD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子を含むDNAの塩基配列は、2,995塩基対あった。この配列についてGenetyx(ソフトウェア開発株式会社製)を用いてオープン・リーディング・フレーム検索を行い、1,011塩基対のD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子のDNA配列(配列番号1)を仮決定した。
(Reference Example 7) Analysis of base sequence of DNA containing D-lactate dehydrogenase gene Plasmid was prepared from Escherichia coli TM33 / pBL2 containing the recombinant DNA obtained above according to a conventional method, and the resulting set The nucleotide sequence was determined using the replacement DNA. The base sequence was determined using the Taq DyeDeoxy Terminator Cycle Sequencing Kit (Applied Biochemical) according to the method of Sanger. The base sequence of the DNA containing the obtained D-lactate dehydrogenase gene was 2,995 base pairs. This sequence was subjected to open reading frame search using Genetyx (Software Development Co., Ltd.) to tentatively determine the DNA sequence (SEQ ID NO: 1) of the 1,011 base pair D-lactate dehydrogenase gene.

(参考例8)D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子発現ベクターの作製
バシラス・ラエボラクティカスから、D−LDH遺伝子をクローニングした。D−LDH遺伝子は、全てPCR法によりクローニングを行い、同様の方法で発現ベクターに導入している。クローニング方法を以下に示す。
(Reference Example 8) Production of D-lactate dehydrogenase gene expression vector The D-LDH gene was cloned from Bacillus laevolacticus. All of the D-LDH genes are cloned by the PCR method and introduced into the expression vector by the same method. The cloning method is shown below.

バシラス・ラエボラクティカスを培養し遠心回収後、UltraClean Microbial DNA Isolation Kit(MO BIO社製)を用いてゲノムDNAの抽出を行った。詳細な操作方法は、付属のプロトコールに従った。得られたゲノムDNAを続くPCRの鋳型とした。上記で得られたDNAを鋳型として、それぞれPCRによりD−LDH遺伝子のクローニングを行った。PCR増幅反応には、Taqの50倍の正確性を持つとされるKOD−Plus−polymerase(東洋紡社製)を用いた。反応バッファーおよびdNTPmixなどは、付属のものを使用した。D−LDH遺伝子増幅用プライマー(配列番号2、3)は、5末端側にはXhoI認識配列、3末端側にはNotI認識配列がそれぞれ付加されるようにして作製した。   After Bacillus laevoralticus was cultured and collected by centrifugation, genomic DNA was extracted using UltraClean Microbial DNA Isolation Kit (manufactured by MO BIO). The detailed operation method followed the attached protocol. The obtained genomic DNA was used as a template for subsequent PCR. The D-LDH gene was cloned by PCR using the DNA obtained above as a template. For the PCR amplification reaction, KOD-Plus-polymerase (manufactured by Toyobo Co., Ltd.), which is said to be 50 times more accurate than Taq, was used. The attached reaction buffer and dNTPmix were used. D-LDH gene amplification primers (SEQ ID NOs: 2 and 3) were prepared such that an XhoI recognition sequence was added to the 5 terminal side and a NotI recognition sequence was added to the 3 terminal side, respectively.

各PCR増幅断片を精製し末端をT4 Polynucleotide Kinase(TAKARA社製)によりリン酸化後、pUC118ベクター(制限酵素HincIIで切断し、切断面を脱リン酸化処理したもの)にライゲーションした。ライゲーションは、DNA Ligation Kit Ver.2(TAKARA社社製)を用いて行った。エシェリヒア・コリ DH5αに形質転換し、プラスミドDNAを回収することにより、D−LDH遺伝子がサブクローニングされたプラスミドが得られた。この各D−LDH遺伝子が挿入されたpUC118ベクターを制限酵素XhoIおよびNotIで切断し、得られた各DNA断片を酵母発現用ベクターpTRS11(図5)のXhoI/NotI切断部位に導入した。このようにして作製したD−LDH遺伝子発現ベクターをpTM63と示す。   Each PCR amplified fragment was purified, and the end was phosphorylated with T4 Polynucleotide Kinase (manufactured by TAKARA), and then ligated to pUC118 vector (which was cleaved with restriction enzyme HincII and the cleaved surface was dephosphorylated). Ligation was performed using DNA Ligation Kit Ver. 2 (manufactured by TAKARA) was used. By transforming into Escherichia coli DH5α and recovering the plasmid DNA, a plasmid in which the D-LDH gene was subcloned was obtained. The pUC118 vector into which each D-LDH gene was inserted was cleaved with restriction enzymes XhoI and NotI, and the resulting DNA fragments were introduced into the XhoI / NotI cleavage sites of the yeast expression vector pTRS11 (FIG. 5). The D-LDH gene expression vector thus prepared is designated as pTM63.

(参考例9)D−LDH遺伝子発現ベクターの酵母への導入
参考例8のようにして得られたpTM63を酵母サッカロマイセス・セレビシエ NBRC10505株に形質転換した。形質転換は、YEASTMAKER Yeast Transformation System(CLONTECH社製)を用いた酢酸リチウム法により行った。詳細は、付属のプロトコールに従った。宿主とするサッカロマイセス・セレビシエ NBRC10505株はウラシル合成能を欠損した株であり、pTM63の持つURA3遺伝子の働きにより、ウラシル非添加培地上でpTM63の導入された形質転換体の選択が可能である。
Reference Example 9 Introduction of D-LDH Gene Expression Vector into Yeast pTM63 obtained as in Reference Example 8 was transformed into the yeast Saccharomyces cerevisiae NBRC10505 strain. Transformation was performed by the lithium acetate method using YEASTMAKER Yeast Transformation System (manufactured by CLONTECH). For details, the attached protocol was followed. The Saccharomyces cerevisiae NBRC10505 strain used as a host is a strain lacking the ability to synthesize uracil. By the action of the URA3 gene of pTM63, it is possible to select a transformant introduced with pTM63 on a uracil-free medium.

このようにして得られた形質転換体へのD−LDH遺伝子発現ベクター導入の確認は、ウラシル非添加の液体培地で培養した形質転換株から、ゲノムDNA抽出キットGenとるくん(TAKARA社製)によりプラスミドDNAを含むゲノムDNAを抽出し、これを鋳型として“PreMix Taq”(登録商標)(TAKARA社製)を用いたPCRにより行った。プライマーには、D−LDH遺伝子をクローニングした際に用いたプライマーを使用した。その結果、全ての形質転換体において、D−LDH遺伝子が導入されていることが確認された。   Confirmation of D-LDH gene expression vector introduction into the transformant thus obtained was performed using a genomic DNA extraction kit Gen Toru-kun (manufactured by TAKARA) from a transformant cultured in a liquid medium without uracil. Genomic DNA including plasmid DNA was extracted, and this was performed by PCR using “PreMix Taq” (registered trademark) (manufactured by TAKARA) as a template. The primer used when cloning the D-LDH gene was used. As a result, it was confirmed that the D-LDH gene was introduced into all the transformants.

pTM63が導入されたサッカロマイセス・セレビシエ NBRC10505株を以下、NBRC10505/pTM63株と示す。   The Saccharomyces cerevisiae NBRC10505 strain into which pTM63 has been introduced is hereinafter referred to as NBRC10505 / pTM63 strain.

(実施例1) 連続発酵によるD−乳酸の製造(その1)
図1の連続発酵装置を稼働させることにより、D−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表1に示す組成のD−乳酸生産培地を用い、この装置による連続発酵試験を行った。培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。分離膜には、参考例1で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。多孔性膜の平均細孔径は上記のとおり0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9/m/s/paである。本実施例における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:120平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)空気
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH5.0に調整
・滅菌:膜分離エレメントを含む培養槽、および使用培地は総て121℃、20minのオートクレーブにより高圧蒸気滅菌
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御。
(Example 1) Production of D-lactic acid by continuous fermentation (part 1)
In order to investigate whether or not a D-lactic acid continuous fermentation system can be obtained by operating the continuous fermentation apparatus of FIG. 1, a continuous fermentation test using this apparatus was performed using a D-lactic acid production medium having the composition shown in Table 1. . The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. As the membrane separation element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. As the separation membrane, a porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 1 was used. The average pore diameter of the porous membrane is 0.1 μm as described above, and the pure water permeability coefficient is 50 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa. The operating conditions in this example are as follows unless otherwise specified.
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 120 square cm
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
-Fermentation reactor aeration rate: 0.2 (L / min) air-Fermentation reactor agitation speed: 800 (rpm)
・ PH adjustment: pH 5.0 adjusted with 5N NaOH ・ Sterilization: All culture tanks containing membrane separation elements and used media are autoclaved at 121 ° C. for 20 min. High pressure steam sterilization ・ Membrane permeate flow control: By transmembrane pressure difference Flow control.

(連続発酵開始後〜90時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜264時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
微生物として、NBRC10505/pTM63株を用い、培地として表1に示す組成のD−乳酸生産培地を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価はHPLC法により測定した。また、グルコース濃度の測定には、“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬社製)を用いた。
(After continuous fermentation up to 90 hours: controlled at 0.1 kPa to 5 kPa
90 to 180 hours: Control at 2 kPa or less
180 to 264 hours: controlled at 0.1 kPa or more and 20 kPa or less)
The NBRC10505 / pTM63 strain was used as the microorganism, the D-lactic acid production medium having the composition shown in Table 1 was used as the medium, and the concentration of the product D-lactic acid was evaluated by the HPLC method. For measurement of glucose concentration, “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.

Figure 2008104451
Figure 2008104451

まず、NBRC10505/pTM63株を、試験管で5mlのD−乳酸生産培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を、新鮮なD−乳酸生産培地50mlに植菌し、500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。   First, the NBRC10505 / pTM63 strain was cultured with shaking in a 5 ml D-lactic acid production medium overnight in a test tube (pre-culture). The obtained culture broth was inoculated into 50 ml of a fresh D-lactic acid production medium, and cultured with shaking at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a 500 ml Sakaguchi flask (pre-culture).

前々培養液を、図1に示した連続発酵装置の1.5LのD−乳酸生産培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整、温度調整およびpH調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、D−乳酸生産培地の連続供給を行い、連続発酵装置の培養液量を1.5Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるD−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置6により、発酵反応槽水頭を最大2m以内、すなわち膜間差圧が20kPa以内となるように適宜水頭差を変化させることで行った。適宜、膜透過濾液中の生産されたD−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、該D−乳酸および投入グルコースから算出されたD−乳酸生産速度を表2に示した。264時間の発酵試験を行った結果、図1に示した連続発酵装置を用いることにより、安定したD−乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。   The culture solution is inoculated in a 1.5 L D-lactic acid production medium of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1, the fermentation reaction tank 1 is stirred at 800 rpm by the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 is aerated. The amount was adjusted, the temperature was adjusted, and the pH was adjusted, and cultured for 24 hours (preculture). Immediately after completion of the pre-culture, the D-lactic acid production medium is continuously supplied, and the continuous fermentation apparatus is continuously cultured while controlling the amount of permeated water so that the amount of the culture solution becomes 1.5 L. Manufactured. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference so that the head of the fermentation reaction tank is within 2 m at maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa, by the water head difference control device 6. went. The produced D-lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeated filtrate were measured as appropriate. In addition, Table 2 shows the D-lactic acid production rate calculated from the D-lactic acid and input glucose. As a result of conducting a fermentation test for 264 hours, it was confirmed that stable production of D-lactic acid by continuous fermentation was possible by using the continuous fermentation apparatus shown in FIG.

(実施例2) 連続発酵によるD−乳酸の製造(その2)
微生物もしくは培養細胞としてNBRC10505/pTM63株を用い発酵培地として表1に示す組成のD−乳酸生産培地を用い、図2に示す連続発酵装置用いて連続発酵試験を行った。また、上記D−乳酸生産培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。分離膜としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。分離膜には、参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。この実施例2における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
[運転条件]
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・膜分離槽容量:0.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:4000平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)空気
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH7.0に調整
・培養液循環速度:100ml/min
・滅菌:膜分離エレメントを含む培養槽および使用培地は、総て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御
(連続発酵開始後〜90時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜264時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
D−乳酸およびグルコース濃度は、実施例1と同様の方法を用いて評価した。
(Example 2) Production of D-lactic acid by continuous fermentation (part 2)
A NBRC10505 / pTM63 strain was used as a microorganism or cultured cell, a D-lactic acid production medium having the composition shown in Table 1 was used as the fermentation medium, and a continuous fermentation test was performed using the continuous fermentation apparatus shown in FIG. The D-lactic acid production medium was used after being autoclaved at 121 ° C. for 15 minutes. As the membrane separation element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. As the separation membrane, a porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) was used. As the separation membrane, a porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2 was used. The operating conditions in Example 2 are as follows unless otherwise specified.
[Operating conditions]
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
・ Membrane separation tank capacity: 0.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 4000 square cm
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
-Fermentation reactor aeration rate: 0.2 (L / min) air-Fermentation reactor agitation speed: 800 (rpm)
-PH adjustment: pH 7.0 adjusted with 5N NaOH-Culture medium circulation rate: 100 ml / min
Sterilization: All the culture tank and membrane used including the membrane separation element were autoclaved by autoclaving at a temperature of 121 ° C. for 20 minutes.
-Membrane permeate control: Flow control by transmembrane pressure (starting continuous fermentation up to 90 hours: 0.1 kPa to 5 kPa, 90 to 180 hours: 2 kPa or less, 180 to 264 hours: 0.1 kPa to 20 kPa Controlled by)
The D-lactic acid and glucose concentrations were evaluated using the same method as in Example 1.

まず、NBRC10505/pTM63株を試験管で5mlのD−乳酸生産培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を、新鮮なD−乳酸生産培地50mlに植菌し、500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図2に示した連続発酵装置の2.0LのD−乳酸生産培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整、温度調整、pH調整および培養液循環速度調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、D−乳酸生産培地の連続供給を行い、連続発酵装置の培養液量を2.0Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるD−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置3により、膜間差圧として0.1kPa以上20kPa以下となるように適宜水頭差を変化させることにより行った。適宜、膜透過濾液中の生産されたD−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、該D−乳酸および投入グルコースから算出されたD−乳酸発酵生産性を表2に示した。   First, the NBRC10505 / pTM63 strain was cultured with shaking in a 5 ml D-lactic acid production medium overnight in a test tube (pre-culture). The obtained culture broth was inoculated into 50 ml of a fresh D-lactic acid production medium, and cultured with shaking at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a 500 ml Sakaguchi flask (pre-culture). The culture solution was inoculated in the 2.0 L D-lactic acid production medium of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, the fermentation reaction tank 1 was stirred at 800 rpm by the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 was aerated. The amount was adjusted, the temperature was adjusted, the pH was adjusted, and the culture medium circulation rate was adjusted, and the culture was performed for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the D-lactic acid production medium is continuously supplied, and the continuous fermentation apparatus is continuously cultured while controlling the amount of permeated water so that the culture liquid volume becomes 2.0 L. Manufactured. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test was performed by appropriately changing the water head difference by the water head difference control device 3 so that the transmembrane pressure difference was 0.1 kPa to 20 kPa. The produced D-lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeated filtrate were measured as appropriate. In addition, Table 2 shows the D-lactic acid fermentation productivity calculated from the D-lactic acid and input glucose.

(比較例1)バッチ発酵によるD−乳酸の製造(その1)
微生物を用いた発酵形態として最も典型的なバッチ発酵を2L容のジャーファーメンターを用いて行い、そのD−乳酸生産性を評価した。培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。この比較例1では、微生物としてNBRC10505/pTM63株を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価はHPLCを用いて評価し、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬社製)を用いた。比較例1の運転条件は、下記のとおりである。
・発酵反応槽容量(D−乳酸生産培地量):1.0(L)
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)空気
・発酵反応槽攪拌速度:300(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH5.0に調整。
Comparative Example 1 Production of D-lactic acid by batch fermentation (part 1)
The most typical batch fermentation as a fermentation form using microorganisms was performed using a 2 L jar fermenter, and its D-lactic acid productivity was evaluated. The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. In Comparative Example 1, the strain NBRC10505 / pTM63 was used as the microorganism, the concentration of the product D-lactic acid was evaluated using HPLC, and the glucose concentration was measured by “Glucose Test Wako C” (registered trademark). (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. The operating conditions of Comparative Example 1 are as follows.
-Fermentation reactor capacity (D-lactic acid production medium amount): 1.0 (L)
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
-Fermentation reactor aeration rate: 0.2 (L / min) air-Fermentation reactor agitation speed: 300 (rpm)
-PH adjustment: Adjust to pH 5.0 with 5N NaOH.

まず、NBRC10505/pTM63株を試験管で5mlのD−乳酸生産培地で一晩振とう培養した(前々培養)。前々培養液を新鮮なD−乳酸生産培地50mlに植菌し500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前培養)。前培養液をジャーファーメンターの1.0LのD−乳酸生産培地に植菌した。D−乳酸生産培地を用い、バッチ発酵を行った。その結果を実施例1および実施例2の連続発酵試験で得られたD−乳酸発酵生産性を比較して表2に示す。   First, NBRC10505 / pTM63 strain was cultured with shaking in a 5 ml D-lactic acid production medium overnight in a test tube (pre-culture). The culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh D-lactic acid production medium and cultured with shaking in a 500 ml Sakaguchi flask at 30 ° C. for 24 hours (preculture). The preculture was inoculated into a 1.0 L D-lactic acid production medium of a jar fermenter. Batch fermentation was performed using a D-lactic acid production medium. The results are shown in Table 2 comparing the D-lactic acid fermentation productivity obtained in the continuous fermentation test of Example 1 and Example 2.

Figure 2008104451
Figure 2008104451

これら比較の結果、図1および図2に示す連続発酵装置を用いることにより、D−乳酸の生産速度が大幅に向上することを明らかにすることができた。本発明によって開示された分離膜である多孔性膜を組み込んだ連続発酵装置を用い、膜間差圧を制御することにより、培養液を多孔性膜によって濾液と未濾過液に分離し、濾液から所望の発酵生産物を回収するとともに、未濾過液を培養液に戻す連続発酵方法を可能とし、微生物量を高く維持しながら、連続発酵によるD−乳酸の製造が可能であることが明らかとなった。   As a result of these comparisons, it was clarified that the production rate of D-lactic acid was significantly improved by using the continuous fermentation apparatus shown in FIGS. 1 and 2. By using a continuous fermentation apparatus incorporating a porous membrane, which is a separation membrane disclosed by the present invention, by controlling the transmembrane pressure difference, the culture solution is separated into a filtrate and an unfiltered solution through the porous membrane, and the filtrate is separated from the filtrate. It becomes clear that it is possible to produce a D-lactic acid by continuous fermentation while recovering a desired fermentation product and allowing a continuous fermentation method in which an unfiltered solution is returned to a culture solution while maintaining a high amount of microorganisms. It was.

(実施例3)連続発酵によるD−乳酸の製造(その3)
図1の連続発酵装置を稼働させることにより、D−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表3に示す組成のD−乳酸発酵培地を用い、この装置による連続発酵試験を行った。培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。分離膜には、参考例1で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。多孔性膜の平均細孔径は上記のとおり0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9/m/s/paである。この実施例3における運転条件は、特に断らないり限り下記のとおりである。
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:120平方cm
・温度調整:37(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)窒素ガス
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH6.0に調整
・滅菌:膜分離エレメントを含む培養槽、および使用培地は総て121℃、20minの
オートクレーブにより高圧蒸気滅菌
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御。
(Example 3) Production of D-lactic acid by continuous fermentation (part 3)
In order to examine whether or not a D-lactic acid continuous fermentation system can be obtained by operating the continuous fermentation apparatus of FIG. 1, a continuous fermentation test using this apparatus was performed using a D-lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 3. . The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. As the membrane separation element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. As the separation membrane, a porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 1 was used. The average pore diameter of the porous membrane is 0.1 μm as described above, and the pure water permeability coefficient is 50 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa. The operating conditions in Example 3 are as follows unless otherwise specified.
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 120 square cm
・ Temperature adjustment: 37 (℃)
-Fermentation reactor aeration rate: 0.2 (L / min) nitrogen gas-Fermentation reactor agitation speed: 800 (rpm)
・ PH adjustment: pH 6.0 adjusted with 5N NaOH ・ Sterilization: All culture tanks containing membrane separation elements and used media are autoclaved at 121 ° C. for 20 min. Flow control.

(連続発酵開始後〜90時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜245時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
微生物として、バシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を用い、培地として表3に示す組成のD−乳酸発酵培地を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価はHPLC法により測定した。また、グルコース濃度の測定には、“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬社製)を用いた。
(After continuous fermentation up to 90 hours: controlled at 0.1 kPa to 5 kPa
90 to 180 hours: Control at 2 kPa or less
180 to 245 hours: controlled at 0.1 kPa or more and 20 kPa or less)
The Bacillus laevolacticus ATCC23492 strain was used as the microorganism, the D-lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 3 was used as the medium, and the concentration of the product D-lactic acid was evaluated by the HPLC method. For measurement of glucose concentration, “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.

Figure 2008104451
Figure 2008104451

まず、バシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を、試験管で5mlのD−乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を、新鮮なD−乳酸発酵培地50mlに植菌し、500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。   First, Bacillus laevolacticus ATCC23492 strain was cultured overnight in a test tube with 5 ml of D-lactic acid fermentation medium overnight (pre-culture). The obtained culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh D-lactic acid fermentation medium, and cultured with shaking at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a 500 ml Sakaguchi flask (pre-culture).

前々培養液を、図1に示した連続発酵装置の1.5LのD−乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整、温度調整およびpH調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、D−乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の培養液量を1.5Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるD−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置6により、発酵反応槽水頭を最大2m以内、すなわち膜間差圧が20kPa以内となるように適宜水頭差を変化させることで行った。適宜、膜透過濾液中の生産されたD−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、該D−乳酸および投入グルコースから算出されたD−乳酸生産速度を表4に示した。245時間の発酵試験を行った結果、本連続発酵装置を用いることにより、安定したD−乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。   The culture solution is inoculated in a 1.5 L D-lactic acid fermentation medium of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1, the fermentation reaction tank 1 is stirred at 800 rpm by the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 is aerated. The amount was adjusted, the temperature was adjusted, and the pH was adjusted, and cultured for 24 hours (preculture). Immediately after completion of the pre-culture, the D-lactic acid fermentation medium is continuously supplied, and the continuous fermentation apparatus is continuously cultured while controlling the amount of permeated water so that the amount of the culture solution is 1.5 L. Manufactured. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference so that the head of the fermentation reaction tank is within 2 m at maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa, by the water head difference control device 6. went. The produced D-lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeated filtrate were measured as appropriate. In addition, Table 4 shows the D-lactic acid production rate calculated from the D-lactic acid and input glucose. As a result of conducting the fermentation test for 245 hours, it was confirmed that stable D-lactic acid production by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(実施例4) 連続発酵によるD−乳酸の製造(その4)
微生物もしくは培養細胞としてバシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を用い発酵培地として表3に示す組成のD−乳酸発酵培地を用い、図2に示す連続発酵装置用いて連続発酵試験を行った。また上記D−乳酸発酵培地は121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。分離膜としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。分離膜には、参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。この実施例4における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
[運転条件]
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・膜分離槽容量:0.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:4000平方cm
・温度調整:37(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)窒素
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH6.0に調整
・培養液循環速度:100ml/min
・滅菌:膜分離エレメントを含む培養槽および使用培地は、総て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御
(連続発酵開始後〜90時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜250時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
・D−乳酸およびグルコース濃度は、実施例1と同様の方法を用いて評価した。
(Example 4) Production of D-lactic acid by continuous fermentation (part 4)
A continuous fermentation test was carried out using a continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2 using a Bacillus laevolacticus ATCC23492 strain as a microorganism or cultured cell and a D-lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 3 as the fermentation medium. The D-lactic acid fermentation medium was used after autoclaving at a temperature of 121 ° C. for 15 minutes. As the membrane separation element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. As the separation membrane, a porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) was used. As the separation membrane, a porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2 was used. The operating conditions in Example 4 are as follows unless otherwise specified.
[Operating conditions]
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
・ Membrane separation tank capacity: 0.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 4000 square cm
・ Temperature adjustment: 37 (℃)
Fermentation reactor aeration rate: 0.2 (L / min) Nitrogen Fermentation reactor agitation speed: 800 (rpm)
-PH adjustment: pH 6.0 adjusted with 5N NaOH-Culture medium circulation rate: 100 ml / min
Sterilization: All the culture tank and membrane used including the membrane separation element were autoclaved by autoclaving at a temperature of 121 ° C. for 20 minutes.
・ Membrane permeate flow control: Flow control by transmembrane pressure difference (90 hours after the start of continuous fermentation: control at 0.1 kPa to 5 kPa)
90 to 180 hours: controlled at 2 kPa or less 180 to 250 hours: controlled at 0.1 kPa or more and 20 kPa or less)
-D-lactic acid and glucose concentration were evaluated using the same method as in Example 1.

まず、バシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を試験管で5mlのD−乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を、新鮮なD−乳酸発酵培地50mlに植菌し、500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図2に示した連続発酵装置の2.0LのD−乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整、温度調整、pH調整および培養液循環速度調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、D−乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の培養液量を2.0Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるD−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置3により、膜間差圧として0.1kPa以上20kPa以下となるように適宜水頭差を変化させることにより行った。適宜、膜透過濾液中の生産されたD−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、該D−乳酸および投入グルコースから算出されたD−乳酸発酵生産性を表4に示した。   First, Bacillus laevolacticus ATCC23492 strain was cultured in a test tube with shaking overnight in 5 ml of D-lactic acid fermentation medium (pre-culture). The obtained culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh D-lactic acid fermentation medium, and cultured with shaking in a 500 ml Sakaguchi flask at a temperature of 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). The culture solution is inoculated in the 2.0 L D-lactic acid fermentation medium of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, the fermentation reaction tank 1 is stirred at 800 rpm by the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 is aerated. The amount was adjusted, the temperature was adjusted, the pH was adjusted, and the culture medium circulation rate was adjusted, and the culture was performed for 24 hours (preculture). Immediately after the completion of the pre-culture, the D-lactic acid fermentation medium is continuously supplied and continuously cultured while controlling the amount of permeated water so that the amount of the culture solution in the continuous fermentation apparatus becomes 2.0 L. Manufactured. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test was performed by appropriately changing the water head difference by the water head difference control device 3 so that the transmembrane pressure difference was 0.1 kPa to 20 kPa. The produced D-lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeated filtrate were measured as appropriate. In addition, Table 4 shows D-lactic acid fermentation productivity calculated from the D-lactic acid and input glucose.

(比較例2)バッチ発酵によるD−乳酸の製造(その2)
微生物を用いた発酵形態として最も典型的なバッチ発酵を2L容のジャーファーメンターを用いて行い、そのD−乳酸生産性を評価した。培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。この比較例2では、微生物としてバシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価はHPLCを用いて評価し、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコー”(登録商標C)(和光純薬社製)を用いた。比較例2の運転条件は、下記のとおりである。
・発酵反応槽容量(D−乳酸生産培地量):1.0(L)
・温度調整:37(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)窒素
・発酵反応槽攪拌速度:300(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH6.0に調整。
Comparative Example 2 Production of D-lactic acid by batch fermentation (part 2)
The most typical batch fermentation as a fermentation form using microorganisms was performed using a 2 L jar fermenter, and its D-lactic acid productivity was evaluated. The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. In Comparative Example 2, Bacillus laevolacticus ATCC23492 strain was used as the microorganism, the concentration of the product D-lactic acid was evaluated using HPLC, and the glucose concentration was measured by “glucose test wako” ( (Registered trademark C) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. The operating conditions of Comparative Example 2 are as follows.
-Fermentation reactor capacity (D-lactic acid production medium amount): 1.0 (L)
・ Temperature adjustment: 37 (℃)
Fermentation reactor aeration rate: 0.2 (L / min) Nitrogen Fermentation reactor agitation speed: 300 (rpm)
-PH adjustment: Adjust to pH 6.0 with 5N NaOH.

まず、バシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を試験管で5mlのD−乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々培養)。前々培養液を新鮮なD−乳酸発酵培地50mlに植菌し500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前培養)。前培養液をジャーファーメンターの1.5LのD−乳酸発酵培地に植菌した。D−乳酸発酵培地を用い、バッチ発酵を行った。その結果を実施例3と実施例4の連続発酵試験で得られたD−乳酸発酵生産性を比較して表4に示す。   First, Bacillus laevolacticus ATCC23492 strain was cultured overnight in a test tube with 5 ml of D-lactic acid fermentation medium (pre-culture). The culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh D-lactic acid fermentation medium, and cultured with shaking in a 500 ml Sakaguchi flask at a temperature of 30 ° C. for 24 hours (preculture). The preculture was inoculated into a 1.5 L D-lactic acid fermentation medium of a jar fermenter. Batch fermentation was performed using a D-lactic acid fermentation medium. The results are shown in Table 4 comparing the D-lactic acid fermentation productivity obtained in the continuous fermentation test of Example 3 and Example 4.

Figure 2008104451
Figure 2008104451

これらを比較した結果、D−乳酸を生産する能力を有する微生物が異なったとしても、図1および図2に示す連続発酵装置を用いることにより、D−乳酸の生産速度が大幅に向上することを明らかにすることができた。本発明によって開示された分離膜である多孔性膜を組み込んだ連続発酵装置を用い、膜間差圧を制御することにより、培養液を多孔性膜によって濾液と未濾過液に分離し、濾液から所望の発酵生産物を回収するとともに、未濾過液を培養液に戻す連続発酵方法を可能とし、微生物量を高く維持しながら、連続発酵によるD−乳酸の製造が可能であることが明らかとなった。   As a result of comparing these, even if the microorganisms having the ability to produce D-lactic acid are different, the production rate of D-lactic acid is greatly improved by using the continuous fermentation apparatus shown in FIGS. I was able to clarify. By using a continuous fermentation apparatus incorporating a porous membrane, which is a separation membrane disclosed by the present invention, by controlling the transmembrane pressure difference, the culture solution is separated into a filtrate and an unfiltered solution through the porous membrane, and the filtrate is separated from the filtrate. It becomes clear that it is possible to produce a D-lactic acid by continuous fermentation while recovering a desired fermentation product and allowing a continuous fermentation method in which an unfiltered solution is returned to a culture solution while maintaining a high amount of microorganisms. It was.

図1は、本発明で用いられる連続発酵装置の例を説明するための概略側面図である。FIG. 1 is a schematic side view for explaining an example of a continuous fermentation apparatus used in the present invention. 図2は、本発明で用いられる他の連続発酵装置の例を説明するための概略側面図である。FIG. 2 is a schematic side view for explaining an example of another continuous fermentation apparatus used in the present invention. 図3は、本発明で用いられる膜分離エレメントの例を説明するための概略斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining an example of the membrane separation element used in the present invention. 図4は、本発明で用いられる他の膜分離エレメントの例を説明するための概略斜視図である。FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining an example of another membrane separation element used in the present invention. 図5は、本発明のD−乳酸の製造方法で用いられる酵母用発現ベクターpTRS11のフィジカルマップを示す構築図である。FIG. 5 is a construction diagram showing a physical map of the expression vector pTRS11 for yeast used in the method for producing D-lactic acid of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 発酵反応槽
2 膜分離エレメント
3 水頭差圧制御装置
4 気体供給装置
5 攪拌機
6 レベルセンサ
7 培地供給ポンプ
8 pH調整溶液供給ポンプ
9 pHセンサ・制御装置
10 温度調節器
11 培養液循環ポンプ
12 膜分離槽
13 支持板
14 流路材
15 分離膜
16 凹部
17 集水パイプ
18 分離膜束
19 上部樹脂封止層
20 下部樹脂封止層
21 支持フレーム
22 集水パイプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fermentation reaction tank 2 Membrane separation element 3 Water head differential pressure control device 4 Gas supply device 5 Stirrer 6 Level sensor 7 Medium supply pump 8 pH adjustment solution supply pump 9 pH sensor / control device 10 Temperature controller 11 Culture fluid circulation pump 12 Membrane Separation tank 13 Support plate 14 Channel material 15 Separation membrane 16 Recess 17 Water collecting pipe 18 Separation membrane bundle 19 Upper resin sealing layer 20 Lower resin sealing layer 21 Support frame 22 Water collection pipe

Claims (12)

D−乳酸を生産する能力を有する微生物もしくは培養細胞の培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を培養液に追加する連続発酵によるD−乳酸の製造方法であって、該分離膜として平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の多孔性膜を用い、膜間差圧を0.1から20kPaの範囲として濾過処理することを特徴とする連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The culture solution of microorganisms or cultured cells having the ability to produce D-lactic acid is filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, the unfiltered solution is retained or refluxed, and the fermentation raw material is used as the culture solution. A method for producing D-lactic acid by continuous fermentation added to the above, wherein a porous membrane having an average pore size of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used as the separation membrane, and the transmembrane pressure difference is in the range of 0.1 to 20 kPa. A method for producing D-lactic acid by continuous fermentation, characterized by performing a filtration treatment. 多孔性膜の純水透過係数が、2×10−9/m/s/pa以上6×10−7/m/s/pa以下であることを特徴とする請求項1記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。 The pure water permeability coefficient of the porous membrane is 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less. The manufacturing method of D-lactic acid by continuous fermentation of description. 多孔性膜の平均細孔径が0.01μm以上0.2μm未満であり、かつ、該平均細孔径の標準偏差が0.1μm以下であることを特徴とする請求項1または2記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   3. The continuous fermentation according to claim 1, wherein the porous membrane has an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 0.2 μm, and a standard deviation of the average pore diameter of 0.1 μm or less. A method for producing D-lactic acid. 多孔性膜の膜表面粗さが0.1μm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 3, wherein the membrane surface roughness of the porous membrane is 0.1 µm or less. 多孔性膜が多孔性樹脂層を含む多孔性膜である請求項1から4のいずれかに記載のD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous membrane is a porous membrane comprising a porous resin layer. 多孔性膜の膜素材にポリフッ化ビニリデン系樹脂を用いることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 5, wherein a polyvinylidene fluoride resin is used as a membrane material of the porous membrane. 微生物の培養液および発酵原料が、糖類を含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 6, wherein the culture solution of the microorganism and the fermentation raw material contain saccharides. 微生物が、D−乳酸デヒドロゲナーゼの酵素活性を増強している微生物であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 7, wherein the microorganism is a microorganism having enhanced enzyme activity of D-lactic acid dehydrogenase. 微生物が、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を組み込んだ組換え微生物であることを特徴とする請求項8記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to claim 8, wherein the microorganism is a recombinant microorganism into which a gene encoding D-lactic acid dehydrogenase is incorporated. 組換え微生物が真核細胞であることを特徴とする請求項9記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to claim 9, wherein the recombinant microorganism is a eukaryotic cell. 真核細胞が酵母であることを特徴とする請求項10記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to claim 10, wherein the eukaryotic cell is yeast. D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が、ラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、およびペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)、およびバシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)由来の遺伝子であることを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。   Genes encoding D-lactate dehydrogenase are Lactobacillus plantarum, Pediococcus acidilactici, and Bacillus laevolactic genes The method for producing D-lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 9 to 11.
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