JP2010088335A - Bioreactor - Google Patents
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- C12M27/10—Rotating vessel
Abstract
Description
本発明は、微生物反応装置に関するものである。 The present invention relates to a microorganism reaction apparatus.
近年、酵素反応や微生物を用いた生物反応等を利用して、溶液状態の原料から物質の合成や分解を行う装置、所謂バイオリアクタに関する技術が盛んに開発されている。一般に生物反応は、化学反応と比べると反応速度は遅いが化学反応のように高温・高圧を必要としないため省エネルギー性に優れ、また反応設備を耐熱・耐圧とする必要がないという特長を有している。更には、反応に用いる生物種に応じて、特定の原料から目的とする生成物へ、副反応が少ない反応系を構築することができるという特長も備えていることから、工業的に有利な点が多く注目を浴びている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art In recent years, technologies relating to so-called bioreactors, which are apparatuses for synthesizing and decomposing substances from raw materials in solution using enzyme reactions or biological reactions using microorganisms, have been actively developed. In general, biological reactions are slower than chemical reactions, but they do not require high temperatures and pressures unlike chemical reactions, so they have excellent energy savings, and the reaction equipment does not need to be heat and pressure resistant. ing. Furthermore, since it has the feature that a reaction system with few side reactions can be constructed from a specific raw material to a target product according to the species used in the reaction, it is industrially advantageous. Has attracted much attention (see, for example, Patent Document 1).
微生物を用いたバイオリアクタにおいて、反応効率を高めるためには、反応を触媒する微生物を反応装置内に高濃度で保持する技術が非常に重要となる。このような技術として、従来、微生物に分解されにくい物質で形成した構造体(担体)で微生物を担持する方法が多く用いられてきた。このような担体としては、大きくは、反応容器内部に固定される固定型と、反応容器内を自由に流動する流動型と、に分けることができるが、流動型の担体の方が、反応容器内で担体と原料との接触効率を高くすることが可能であるため、反応効率を高めやすいという利点がある。 In a bioreactor using microorganisms, in order to increase the reaction efficiency, a technique for retaining microorganisms that catalyze the reaction at a high concentration in the reaction apparatus is very important. As such a technique, conventionally, a method of supporting a microorganism with a structure (carrier) formed of a substance that is difficult to be decomposed by the microorganism has been widely used. Such a carrier can be roughly divided into a fixed type that is fixed inside the reaction vessel and a fluid type that freely flows in the reaction vessel, but the fluid type carrier is more suitable for the reaction vessel. Since it is possible to increase the contact efficiency between the carrier and the raw material, there is an advantage that the reaction efficiency is easily increased.
上記の流動型の担体としては、微細な隙間(水路)を有するゲル状物質(例えばアルギン酸カルシウム)で担体を形成する際に、微生物を内包させて形成し、担体内部で高濃度の微生物濃度を実現する包埋型担体を挙げることができる。また、微生物を表面に付着する担体を別途形成し、該担体の表面で高濃度の微生物濃度を実現する付着型担体も知られている(例えば、特許文献2参照)。 The above-mentioned fluid type carrier is formed by encapsulating microorganisms when forming a carrier with a gel-like substance (for example, calcium alginate) having fine gaps (water channels), and has a high concentration of microorganisms inside the carrier. The embedding type | mold carrier implement | achieved can be mentioned. There is also known an attachment-type carrier that separately forms a carrier for attaching microorganisms to the surface and realizes a high concentration of microorganisms on the surface of the carrier (see, for example, Patent Document 2).
また、微生物を用いたバイオリアクタにおいては、所望の反応を行うため、反応を触媒する特定の種類の微生物を反応装置内に高濃度で保持する技術が非常に重要となる。 Further, in a bioreactor using microorganisms, in order to perform a desired reaction, a technique for holding a specific type of microorganisms that catalyze the reaction in a high concentration in the reaction apparatus is very important.
このような技術として、従来は、特定の微生物を高濃度に内包して形成した包埋型担体を反応系内に投入する方法、装置へ流入する物質を全て滅菌した後に反応系内に特定の微生物のみを植種する方法、などが用いられてきた。また、特定の微生物に好適な運転条件に保ち選択圧による制御を採用する技術、薬剤投与によりある種の微生物の増殖を促進または抑制することによる制御を採用する技術なども挙げることが出来る。一方で、特定の種類の微生物のみが繁殖していることを確認するため、微生物の種類と数とを測定する様々な方法が提案されている(例えば、特許文献3から5参照)。
しかしながら、特定の種類の微生物を保持するための上記方法には、次のような問題がある。 However, the above method for retaining a specific type of microorganism has the following problems.
包埋型担体を用いた場合には、包埋した微生物の寿命により反応効率が不安定であり、定期的に担体の交換が必要となってランニングコストの増大を引き起こす。流入物質を滅菌する方法では、滅菌のためのイニシャルコストやランニングコストが増大する上に、滅菌が不十分である場合には、反応に用いない夾雑菌の増殖を招き、反応系内が汚染される。更に、選択圧による制御は経験に頼るところが大きく制御が困難であり、薬剤投与による制御はランニングコストが増大する上に、目的生産物が食品や医薬品の場合に適用出来ない。 When an embedded carrier is used, the reaction efficiency is unstable due to the lifetime of the embedded microorganism, and the carrier needs to be replaced periodically, resulting in an increase in running cost. In the method of sterilizing the inflowing substance, the initial cost and running cost for sterilization increase, and if the sterilization is insufficient, the bacteria that are not used in the reaction are grown and the reaction system is contaminated. The Furthermore, control by selective pressure relies heavily on experience and is difficult to control. Control by drug administration increases running costs and is not applicable when the target product is a food or medicine.
すなわち、従来の方法では、特に連続して運転を行った場合に、特定種類の微生物の濃度を保持し続けることが困難である。連続運転中に、夾雑菌が増殖してしまった場合には、夾雑菌の繁殖を抑制する好適な手段がないため、目的とする微生物の濃度を維持できなくなるばかりか、反応を中断し反応装置内の滅菌や洗浄を行って再始動させるほかない。 That is, in the conventional method, it is difficult to keep the concentration of a specific type of microorganisms, particularly when the operation is continuously performed. There is no suitable means to suppress the propagation of contaminated bacteria when the germs grow during continuous operation, so that the target microorganism concentration cannot be maintained and the reaction is interrupted. There is no other way but to sterilize and clean the inside.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、特定の微生物を高濃度に保持することが可能な反応装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing the reaction apparatus which can hold | maintain a specific microorganisms at high concentration.
発明者は、様々な検討を重ねた結果、凝集性微生物が自己凝集した凝集体を用いる方法にて反応を制御する構成が良いとの発想に至った。微生物の自己凝集体は、凝集性微生物の種類により凝集力・凝集速度などの条件が異なるため、同じ条件下で凝集させた場合に用いる微生物種によって凝集体の大きさに差が生じる。仮に夾雑菌が増殖し始めた場合であっても、このような凝集体の大きさの差を利用することで夾雑菌の分離が可能であると考えた。 As a result of various investigations, the inventor has come up with the idea that the reaction is controlled by a method using an aggregate in which aggregating microorganisms self-aggregate. Since the self-aggregates of microorganisms have different conditions such as agglutination force and agglutination rate depending on the type of aggregating microorganisms, the size of the aggregates varies depending on the type of microorganism used when the microorganisms are aggregated under the same conditions. Even if the germs started to grow, it was considered that the germs could be separated by using such a difference in the size of the aggregates.
そこで、上記の課題を解決するため、本発明の微生物反応装置は、凝集性微生物を含む複数の微生物を培養して該凝集性微生物を含む凝集体を形成すると共に、前記複数の微生物の各々について個体数を制御する微生物反応装置であって、前記複数の微生物と該複数の微生物を用いた生物反応の原料を含む原料溶液とを、自身を貫通する所定の回転軸の周りを回転することで撹拌し、前記凝集性微生物を培養する凝集容器と、前記原料溶液が含む前記微生物の種類および個体数を検出する検出装置と、前記検出装置における検出結果に基づいて、前記凝集容器の回転条件を制御する制御装置と、前記凝集容器の中の前記原料溶液と共に、該原料溶液における特定の深さ方向の位置に浮遊した前記凝集体を排出する排出手段と、を備え、前記凝集容器の内壁に付着する前記凝集性微生物を含む複数の微生物が、前記凝集容器の回転に基づいて該凝集容器の底面を転がり互いに凝集することで、微生物の種類に応じて複数の大きさの前記凝集体を形成し、前記排出手段は、互いに大きさが異なる複数の前記凝集体のうち、特定の大きさを有した凝集体であって、前記凝集体の大きさに基づいて前記凝集容器の特定の深さ方向の位置に浮遊している凝集体を排出することを特徴とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the microorganism reaction apparatus of the present invention cultivates a plurality of microorganisms containing an aggregating microorganism to form an aggregate containing the aggregating microorganism, and for each of the plurality of microorganisms A microorganism reaction apparatus for controlling the number of individuals, wherein the plurality of microorganisms and a raw material solution containing a raw material for biological reaction using the plurality of microorganisms are rotated around a predetermined rotation axis penetrating the microorganisms. The aggregating vessel for agitation and culturing the aggregating microorganism, a detection device for detecting the type and number of the microorganisms contained in the raw material solution, and a rotation condition of the aggregation vessel based on the detection result in the detection device. A control device for controlling, and a discharge means for discharging the aggregate suspended in a position in a specific depth direction in the raw material solution together with the raw material solution in the aggregation container. A plurality of microorganisms including the aggregating microorganism attached to the inner wall of the container roll on the bottom surface of the aggregation container based on the rotation of the aggregation container and aggregate each other, so that the plurality of sizes according to the type of microorganism An aggregate is formed, and the discharge means is an aggregate having a specific size among the plurality of aggregates having different sizes, and the discharge unit is configured to store the aggregation container based on the size of the aggregate. It is characterized by discharging aggregates floating at a specific depth position.
凝集容器内で生物反応が進むと、凝集性微生物は凝集容器内で増殖し、原料溶液中における微小な凝集体の形成や、凝集容器の内壁への付着を起こす。ここで、凝集容器は回転しながら原料溶液を撹拌するため、原料溶液中に形成した微小な凝集体は、撹拌で生じる対流により互いに衝突して肥大し、凝集容器の底部付近に沈降する。または、内壁に付着した凝集性微生物(付着微生物)は、撹拌による原料溶液と付着微生物との摩擦力や付着微生物に加わる重力などにより、一部が内壁から剥離し凝集性微生物の凝集体として原料溶液中に浮遊する。 As the biological reaction progresses in the aggregation container, the aggregating microorganisms grow in the aggregation container, thereby forming minute aggregates in the raw material solution and attaching to the inner wall of the aggregation container. Here, since the raw material solution is agitated while the agglomeration container rotates, the fine aggregates formed in the raw material solution collide with each other due to convection generated by the agitation and become enlarged near the bottom of the agglomeration container. Alternatively, aggregating microorganisms (adherent microorganisms) adhering to the inner wall are partially separated from the inner wall due to frictional force between the raw material solution and the adhering microorganisms by stirring or gravity applied to the adhering microorganisms, and the raw material as aggregates of the aggregating microorganisms. Float in solution.
このように溶液中で成長した凝集体や、壁面から剥離して生じた凝集体は、原料溶液中の微小な凝集体や内壁に付着している付着微生物を取り込みながら回転方向に転がり、雪だるま式に肥大し大きな凝集体へと成長する。このような凝集体の肥大は、凝集容器内の複数箇所で同時多発的に生じるため、凝集容器内には複数の凝集体が形成される。このように、本発明の構成を備える微生物反応装置では、微生物の凝集を促進し微生物の凝集体を形成する。 Aggregates that have grown in solution in this way, or aggregates that have been peeled off from the wall surface, roll in the direction of rotation while taking in micro-aggregates in the raw material solution and adhering microorganisms adhering to the inner wall. It grows into large aggregates. Since such agglomeration of aggregates occurs simultaneously at a plurality of locations in the aggregation container, a plurality of aggregates are formed in the aggregation container. Thus, in the microorganism reaction apparatus provided with the configuration of the present invention, the aggregation of microorganisms is promoted to form an aggregate of microorganisms.
ここで、微生物の自己凝集体は、凝集性微生物の種類により凝集力・凝集速度などの条件が異なるため、同じ条件下で凝集させた場合に用いる微生物種によって凝集体の大きさに差が生じる。凝集体の大きさの差は、原料溶液内での沈降速度の差として現れ、小さい凝集体は浮かびやすく、大きい凝集体は沈みやすいものとなる。たとえば、大きい凝集体は、撹拌による原料溶液の対流からの影響を受けにくいため沈降しやすく、小さい凝集体は原料溶液の対流からの影響を強く受けるため原料溶液内を流動しやすいため沈降しにくい。 Here, since the self-aggregate of microorganisms has different conditions such as agglutination force and agglutination speed depending on the type of aggregating microorganism, the size of the aggregate varies depending on the type of microorganism used when aggregating under the same conditions. . The difference in the size of the aggregates appears as a difference in the sedimentation speed in the raw material solution. Small aggregates are likely to float and large aggregates are likely to sink. For example, large agglomerates are not easily affected by the convection of the raw material solution due to agitation, and thus are easily settled. .
更に、濃縮装置の回転条件を変更することで、この凝集体の大きさの差が拡大する。そのため、検出装置で検出した微生物の個体数に基づいて、原料溶液内から排除した微生物と原料溶液内に保持しておきたい微生物との凝集体の大きさの差が拡大する様に濃縮装置の回転を制御すると、沈降速度の差が拡大し、微生物種ごとに凝集容器の深さ方向に滞留する位置の差が生じる。結果、凝集体は、微生物種に起因する凝集体の大きさに基づいて、凝集容器の特定の深さ方向の位置で滞留する。 Furthermore, the difference in the size of the aggregates is enlarged by changing the rotation conditions of the concentrator. Therefore, on the basis of the number of microorganisms detected by the detection device, the concentration device is designed so that the difference in the size of the aggregates between the microorganisms excluded from the raw material solution and the microorganisms to be retained in the raw material solution is enlarged. When the rotation is controlled, the difference in sedimentation speed is enlarged, and a difference in the position where the flocculation container stays in the depth direction is generated for each microorganism species. As a result, the aggregate stays at a specific position in the depth direction of the aggregation container based on the size of the aggregate due to the microorganism species.
すると、凝集体の大きさの差に応じて原料溶液内で分離した後に、原料溶液から排除したい微生物の凝集体を排出することで、原料溶液内の微生物の量(存在比)を制御することができる。例えば、排除したい微生物が大きな凝集体を形成しやすい場合には、濃縮装置の底部付近に沈降する凝集体を抜き出すことで、排除したい微生物を効率的に取り除く事が出来る。また、排除したい微生物が凝集体を形成しにくい場合には、原料溶液の液面に浮上し液面付近に高濃度で滞留するため、液面付近の原料溶液を抜き出すことで、効率的に取り除くことができる。 Then, after separating in the raw material solution according to the difference in the size of the aggregates, the amount of microorganisms (abundance ratio) in the raw material solution is controlled by discharging the aggregates of microorganisms to be excluded from the raw material solution. Can do. For example, when the microorganisms to be eliminated tend to form large aggregates, the microorganisms to be eliminated can be efficiently removed by extracting the aggregates that have settled near the bottom of the concentrator. In addition, when the microorganisms to be excluded are difficult to form aggregates, they float on the liquid surface of the raw material solution and stay at a high concentration near the liquid surface. Therefore, the raw material solution in the vicinity of the liquid surface is removed efficiently. be able to.
したがってこの構成によれば、特定の微生物を高濃度に保持することが可能な反応装置とすることができる。また、微生物は凝集体を形成しているために、該凝集体を用いた反応により、高効率な生物反応を実現することができる。 Therefore, according to this structure, it can be set as the reaction apparatus which can hold | maintain a specific microorganisms at high concentration. In addition, since microorganisms form aggregates, highly efficient biological reactions can be realized by reactions using the aggregates.
本発明においては、前記検出装置において、微生物の遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するポリヌクレオチドプローブを用い、前記原料溶液に含まれる微生物の種類ごとに個体数を計数することが望ましい。 In the present invention, it is preferable that the detection apparatus uses a polynucleotide probe having a base sequence specific to the base sequence of a microorganism gene and counts the number of individuals for each type of microorganism contained in the raw material solution.
この構成によれば、各微生物の遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するポリヌクレオチドプローブを用いる事で、種類ごとに素早く計数することができる。したがって、計数結果を濃縮装置の回転数制御に速やかに反映させ、微生物反応装置を良好に制御することができる。 According to this configuration, by using a polynucleotide probe having a base sequence specific to the base sequence of each microorganism gene, it is possible to quickly count for each type. Therefore, it is possible to quickly reflect the counting result in the rotational speed control of the concentrating device, and to control the microbial reaction device well.
なお、本発明において「微生物の遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するポリヌクレオチドプローブ」とは、各微生物の遺伝子と相同的又は相補的な塩基配列を有する核酸を認識し得るが、他の種類の微生物の遺伝子と相同的又は相補的な塩基配列を有する核酸は認識し難いポリヌクレオチドプローブを意味する。 In the present invention, the term “polynucleotide probe having a base sequence specific to the base sequence of a microbial gene” can recognize a nucleic acid having a base sequence homologous or complementary to the gene of each microorganism. A nucleic acid having a base sequence homologous or complementary to a gene of this type of microorganism means a polynucleotide probe that is difficult to recognize.
本発明においては、前記検出装置において、CARD−FISH法を用いた検出を行うことが望ましい。
この構成によれば、微生物の種類、標識に用いる蛍光物質や酵素の種類によって、蛍光色や強度が異なるため、微生物を種類ごとに計数することができる。また、蛍光強度を高め高感度で微生物を検出することが出来るため、例えば従来よりも低倍率の蛍光顕微鏡下での観察によって、細菌を検出し計数することが可能となり、計数に要する時間を短縮することができる。従って、計数結果を濃縮装置の回転数制御に速やかに反映させ、微生物反応装置を良好に制御することができる。
In the present invention, it is preferable that the detection apparatus performs detection using a CARD-FISH method.
According to this configuration, since the fluorescent color and intensity differ depending on the type of microorganism and the type of fluorescent substance or enzyme used for labeling, the microorganism can be counted for each type. In addition, since it is possible to detect microorganisms with high sensitivity by increasing fluorescence intensity, it is possible to detect and count bacteria, for example, by observing under a fluorescence microscope with a lower magnification than before, thereby reducing the time required for counting. can do. Therefore, it is possible to quickly reflect the counting result in the rotational speed control of the concentrating device and to control the microbial reaction device satisfactorily.
本発明においては、前記検出装置は、前記微生物の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で取得する画像を解析する解析手段と、を有し、前記検出手段は、前記撮像手段を用いて前記微生物の画像を撮像する第1工程と、前記解析手段を用いて前記第1工程で得られた画像を二値化し、得られる二値画像において、画素が連結している領域を1個体の微生物として認識する第2工程と、1個体の微生物として認識された領域を計数する第3工程と、を有する計数方法により前記微生物の個体数を計数することが望ましい。
この構成によれば、取得された画像から半自動的に個体数を計数することができるため、迅速に微生物を計数することができる。
In this invention, the said detection apparatus has an imaging means which images the image of the said microorganisms, and an analysis means which analyzes the image acquired by the said imaging means, The said detection means uses the said imaging means. The first step of taking an image of the microorganism and the image obtained in the first step using the analyzing means are binarized, and in the obtained binary image, a region where pixels are connected is represented by one individual. It is desirable to count the number of individuals of the microorganism by a counting method having a second step of recognizing as a microorganism and a third step of counting a region recognized as one individual microorganism.
According to this configuration, since the number of individuals can be counted semi-automatically from the acquired image, microorganisms can be counted quickly.
本発明においては、前記凝集容器から前記凝集体を含む前記原料溶液が供給される反応容器と、を有し、前記反応容器では、前記凝集体と前記原料溶液とを含む反応液を撹拌し前記凝集性微生物を培養することが望ましい。
この構成によれば、反応容器に供給される凝集体は、微生物の個体数または存在比が制御されているため、反応容器内において副反応のない良好な反応を行わせることができる。更に、凝集性微生物を凝集させる際、原料溶液が固体を含んでいると、該固体が凝集性微生物同士の凝集を阻害するために凝集体が生じない。しかし、この構成によれば、主として凝集体を形成する凝集容器と、主として生物反応の場として用いる反応容器と、が別体となっているため、まず、固体を含まない溶液を用いて凝集体を形成した後に、固体を含む溶液に凝集体を供給し、良好な反応を行う事が可能となる。
In the present invention, there is provided a reaction vessel to which the raw material solution containing the aggregate is supplied from the aggregation vessel, and in the reaction vessel, the reaction liquid containing the aggregate and the raw material solution is agitated, It is desirable to culture aggregating microorganisms.
According to this configuration, since the aggregate or the abundance ratio of the microorganisms supplied to the reaction vessel is controlled, it is possible to cause a good reaction without side reaction in the reaction vessel. Furthermore, when aggregating microorganisms are aggregated, if the raw material solution contains a solid, the solids inhibit aggregation between the aggregating microorganisms, so that no aggregates are generated. However, according to this configuration, the aggregation container that mainly forms aggregates and the reaction container that is mainly used as a field for biological reaction are separated, and therefore, the aggregates are first formed using a solution that does not contain solids. After forming the agglomerate, it is possible to supply the aggregate to the solution containing the solid and perform a good reaction.
本発明においては、前記反応容器は、前記反応液が含む前記微生物の種類および個体数を検出する検出装置と、前記検出装置における検出結果に基づいて前記反応容器の撹拌条件を制御する制御装置と、前記反応容器の中の前記反応液と共に、該反応液の特定の深さ方向の位置に浮遊している凝集体を排出する排出手段と、を備え、前記反応液に含まれる前記凝集体が、前記反応容器の撹拌に基づいて凝集または崩壊することで、微生物の種類に応じて複数の大きさの前記凝集体を形成し、前記排出手段は、互いに大きさが異なる複数の前記凝集体のうち、特定の大きさを有した凝集体であって、前記凝集体の大きさに基づいて前記反応容器の特定の深さ方向の位置に浮遊している凝集体を排出することが望ましい。
この構成によれば、反応容器においても微生物の種類ごとに異なる凝集体の大きさの差を利用して、特定の微生物を高濃度に保持することが可能な反応装置とすることができる。
In the present invention, the reaction vessel includes a detection device that detects the type and number of the microorganisms contained in the reaction solution, and a control device that controls the stirring condition of the reaction vessel based on the detection result of the detection device. A discharge means for discharging together with the reaction liquid in the reaction vessel, agglomerates floating at a position in a specific depth direction of the reaction liquid, and the aggregate contained in the reaction liquid comprises Agglomerating or disintegrating based on agitation of the reaction vessel to form the aggregates of a plurality of sizes according to the type of microorganisms, and the discharging means includes a plurality of the aggregates of different sizes. Among them, it is desirable to discharge the aggregate having a specific size, which is floating at a position in the specific depth direction of the reaction vessel based on the size of the aggregate.
According to this configuration, it is possible to provide a reaction apparatus that can maintain a specific microorganism at a high concentration by utilizing the difference in the size of aggregates that differ for each type of microorganism in the reaction vessel.
本発明によれば、微生物種に応じた凝集体の形成のしやすさと、凝集体の大きさによる沈降速度の差を利用し、凝集体の形成条件を制御することで混在する微生物を分離し、目的の微生物を高濃度に保持することが可能な反応装置とすることができる。例えば、反応系内に増殖する夾雑菌を排除したり、2種以上の微生物種を用いる場合に存在比を制御したりすることが可能となると共に、用いる微生物が凝集体を形成しているために、該凝集体を用いた反応により、高効率な生物反応を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to separate mixed microorganisms by controlling the formation conditions of aggregates by utilizing the ease of formation of aggregates according to the type of microorganism and the difference in sedimentation speed depending on the size of aggregates. Thus, a reaction apparatus capable of maintaining the target microorganism at a high concentration can be obtained. For example, it is possible to eliminate contaminants growing in the reaction system, or to control the abundance ratio when two or more microbial species are used, and the microorganisms used form aggregates. In addition, a highly efficient biological reaction can be realized by the reaction using the aggregate.
[第1実施形態]
以下、図1〜図3を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る微生物反応装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
[First Embodiment]
Hereinafter, the microorganism reaction apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In all the drawings below, the film thicknesses and dimensional ratios of the constituent elements are appropriately changed in order to make the drawings easy to see.
図1は、本実施形態の微生物反応装置1を示す概略構成図である。図に示すように、本実施形態の微生物反応装置1は、回転軸Lまわりを回転する凝集容器100と、凝集容器100を回転させるための回転装置110と、を備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a
凝集容器100の内部には、凝集性微生物と該微生物を用いた生物反応の原料を含む原料溶液SSが貯留されている。原料溶液SSには凝集性微生物の凝集体AGが複数浮遊している。凝集体AGの形成が促進される原理については、後に詳述する。
In the
原料溶液SSは、深さ方向の位置によって、異なる凝集体が滞留する溶液S1及び溶液S2を有している。溶液S1には、主として目的とする凝集性微生物を含む凝集体AGを含み、溶液S2には、目的の凝集性微生物とは異なる種類の夾雑菌を含む凝集体Cを多く含んでいる。本実施形態では、夾雑菌が所望の凝集性微生物よりも凝集しにくい性質を有するものとし、凝集容器100の底部付近に溶液S1が、液面付近に溶液S2がそれぞれ滞留しているものとして説明する。図では、説明を容易にするために溶液S1と溶液S2との境界を波線で示す。
The raw material solution SS has a solution S1 and a solution S2 in which different aggregates stay depending on the position in the depth direction. The solution S1 contains mainly an aggregate AG containing the target aggregating microorganism, and the solution S2 contains a lot of aggregate C containing a different type of germs different from the target aggregating microorganism. In the present embodiment, it is assumed that the contaminants are less likely to aggregate than the desired aggregating microorganism, and that the solution S1 stays near the bottom of the
微生物反応装置1は、原料溶液SSを貯留するタンク140を備えており、配管150を介して凝集容器100の内部に原料溶液SSを供給する構成となっている。配管150には、途中に原料溶液SSを供給するためのポンプ145が配置されている。
The
更に、微生物反応装置1には、凝集容器100内部の原料溶液SSのうち、溶液S1を選択的に容器外に排出するための配管170を備えており、配管170の途中には排出ポンプ160が配置されている。排出の際には、原料溶液SSと共に凝集体AGも一部排出される。排出先で凝集体AGを利用する場合には、排出ポンプ160は、例えばダイヤフラムポンプ等のようなポンプ内での剪断力が小さい方式のものを用いると、ポンプ通過時に凝集体AGを粉砕しないため好ましい。
Furthermore, the
配管170を介して排出される溶液S1には、凝集性微生物を用いた生物反応により生じた反応生成物も溶解している。そのため、配管170の下流で溶液S1を回収し、反応生成物を分離することで目的物(反応生成物)を得ることが出来る。
In the solution S1 discharged through the
また、微生物反応装置1には、凝集容器100内部の原料溶液SSのうち、溶液S2を選択的に容器外に排出するための排出装置(排出手段)180Aを備えており、一端が原料溶液SSの液面付近に位置する配管180と、配管180の途中に設けられた排出ポンプ185とを備えている。排出装置180を用いると、液面に高濃度に対流する夾雑菌Cを分取して廃棄する事が出来る。
Moreover, the
配管170は、一部にバイパス175が設けられている。バイパスの途中には微生物の種類及び数を検出する検出装置120が設けられている。検出装置120は配管170のバイパス175と接続されていることとしたが、配管170と接続されず、必要に応じて不図示のサンプリング口から原料溶液SSを取り出し、配管170に接続されていない検出装置120を用いて微生物の種類・数を検出することとしても良い。
The
本実施形態の検出装置120では、ポリヌクレオチドプローブを用いた計数方法を用いて原料溶液SSに含まれる複数の微生物を種類ごとに計数する。本発明の検出装置120において、計数用に用いられるポリヌクレオチドプローブは、計数対象である目的の微生物の遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するものであって、目的の微生物と他の種類の微生物とを区別して検出しうるポリヌクレオチドプローブであれば、特に限定されるものではない。
In the
ここで、「微生物の遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するポリヌクレオチドプローブ」とは、各微生物の遺伝子と相同的又は相補的な塩基配列を有する核酸を認識し得るが、他の種類の微生物の遺伝子と相同的又は相補的な塩基配列を有する核酸は認識し難いポリヌクレオチドプローブを意味する。特異性に優れていることが期待できるため、各微生物の16S rDNA遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するポリヌクレオチドプローブであることが好ましい。このようなポリヌクレオチドプローブは、常法により設計し合成することができる。また、各微生物を検出し得るポリヌクレオチドプローブとして公知のポリヌクレオチドプローブを用いる事もできる。 Here, “a polynucleotide probe having a base sequence specific to the base sequence of a microorganism gene” can recognize a nucleic acid having a base sequence homologous or complementary to the gene of each microorganism, but other types A nucleic acid having a base sequence that is homologous or complementary to a gene of a microorganism of the above means a polynucleotide probe that is difficult to recognize. Since it can be expected to be excellent in specificity, it is preferably a polynucleotide probe having a base sequence specific to the base sequence of the 16S rDNA gene of each microorganism. Such a polynucleotide probe can be designed and synthesized by a conventional method. Moreover, a well-known polynucleotide probe can also be used as a polynucleotide probe which can detect each microorganism.
各微生物の遺伝子の塩基配列に特異的な塩基配列を有するポリヌクレオチドプローブを用いて、微生物の種類ごとに計数する方法であれば、特に限定されるものではない。該方法として、例えば、ハイブリダイゼーション法や定量PCR(Polymerase Chain Reaction)法などがある。 There is no particular limitation as long as it is a method of counting for each type of microorganism using a polynucleotide probe having a base sequence specific to the base sequence of the gene of each microorganism. Examples of the method include a hybridization method and a quantitative PCR (Polymerase Chain Reaction) method.
核酸抽出操作を要さず、簡便であることから、in situ ハイブリダイゼーション(ISH)法により検出することが好ましい。特に、安全で且つ感度が良好であるために、蛍光標識されたプローブを用いる蛍光in situ ハイブリダイゼーション(FISH)法により検出することが好ましく、CARD−FISH(Catalyzed Reporter Deposition-Fluorescence in situ Hybridization)法(Pernthaler et al.、APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY、2002年、第68巻、第3094〜3101頁参照)により検出することが好ましい。 Since it does not require a nucleic acid extraction operation and is simple, it is preferable to detect by an in situ hybridization (ISH) method. In particular, in order to be safe and sensitive, detection is preferably performed by a fluorescence in situ hybridization (FISH) method using a fluorescently labeled probe, and a CARD-FISH (Catalyzed Reporter Deposition-Fluorescence in situ Hybridization) method is used. (See Pernthaler et al., APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, 2002, Vol. 68, pp. 3094-3101).
CARD−FISH法とは、HRP(Horse Radish Peroxidase)の酵素反応を利用して蛍光色素を活性化させる事により、蛍光強度を高めた応用技術である。具体的には、HPR標識プローブなどを用いてFISHを行った後に、蛍光標識されたチラミド(tyramide)を作用させる。チラミドはHPRによりラジカル化されるが、このラジカルの寿命は非常に短いため、HPRの近傍にあるチロシンやトリプトファンなどの芳香族化合物とのみ共有結合する。この結果、ラジカル化された蛍光標識チラミドが、HPR標識プローブより標識された微生物に集積するため、従来のFISH法ではよりも非常に感度良く微生物を検出することが出来る。 The CARD-FISH method is an applied technology in which the fluorescence intensity is increased by activating a fluorescent dye using an enzyme reaction of HRP (Horse Radish Peroxidase). More specifically, after FISH is performed using an HPR labeled probe or the like, fluorescently labeled tyramide is used. Tyramide is radicalized by HPR, but the lifetime of this radical is so short that it is covalently bonded only to aromatic compounds such as tyrosine and tryptophan in the vicinity of HPR. As a result, since the radicalized fluorescently labeled tyramide accumulates in the microorganism labeled with the HPR labeled probe, the microorganism can be detected with higher sensitivity than in the conventional FISH method.
例えば、従来のFISH法では60倍から100倍の対物レンズを用いなければ検出出来なかった微生物が、CARD−FISH法により4〜10倍の対物レンズを用いても検出し得るようになる。つまり、CARD−FISH法を用いることにより、従来よりも低倍率の蛍光顕微鏡下での観察によって、細菌を検出し計数することが可能となるため、計数に要する時間を短縮することができる。本実施形態では、このCARD−FISH法を用いる。 For example, microorganisms that could not be detected without using an objective lens with a magnification of 60 to 100 in the conventional FISH method can be detected even with an objective lens with a magnification of 4 to 10 with the CARD-FISH method. That is, by using the CARD-FISH method, it is possible to detect and count bacteria by observation under a fluorescence microscope with a lower magnification than before, so that the time required for counting can be shortened. In this embodiment, this CARD-FISH method is used.
本実施形態の検出装置120は、上記のように処理した微生物の画像を撮像する撮像手段を有しており、撮像する画像を解析することにより簡便に微生物の種類と数とを検出することとしている。詳しくは、検出装置120では、微生物の画像を撮像する第1工程と、第1工程で得られた画像を二値化し、得られる二値画像において、画素が連結している領域を1個体の微生物として認識する第2工程と、第2工程で1個体の微生物として認識された領域を計数する第3工程と、を有する計数方法を用いて微生物の検出を行う。以下、工程ごとに説明する。
The
まず第1工程として、原料溶液SSに含まれる微生物のデジタル画像(画像)を取得する。微生物のデジタル画像は、適当な倍率の顕微鏡と、該顕微鏡に接続されたCCDカメラなどの撮像手段とを有した、汎用されている顕微鏡撮影装置などを用いて取得することができる。 First, as a first step, a digital image (image) of microorganisms contained in the raw material solution SS is acquired. A digital image of a microorganism can be obtained using a general-purpose microscope photographing apparatus having a microscope with an appropriate magnification and an imaging means such as a CCD camera connected to the microscope.
次に、第2工程として、第1工程で得られたデジタル画像を二値化し、得られた二値画像において、画素が連結している一まとまりを1個体の微生物として認識する。例えば黒白の二値画像では、周囲を黒で囲まれ連結して(連続して)白で表示される領域を、1個体の微生物として認識する。そして、第3工程として、1個体の微生物として認識された各々の領域の数を算出する。 Next, as a second step, the digital image obtained in the first step is binarized, and in the obtained binary image, a group of pixels connected to each other is recognized as one individual microorganism. For example, in a black-and-white binary image, a region surrounded by black and connected (continuously) in white is recognized as a single microorganism. Then, as the third step, the number of each region recognized as one individual microorganism is calculated.
任意の閾値を用いて二値化することにより、デジタル画像は極端な濃淡像で識別化される。得られた二値画像において、画素が連結している一まとまりの領域を一体の微生物として認識することにより、画像中の、背景から分離される物体(微生物)の形状を、迅速かつ簡便に識別することができる。二値化に用いる閾値は、微生物の標識に用いた蛍光物質や酵素の種類や濃度などを考慮して適宜決定することができる。 By binarization using an arbitrary threshold value, a digital image is identified with an extreme grayscale image. In the obtained binary image, the shape of the object (microorganism) separated from the background in the image is identified quickly and easily by recognizing a group of connected pixels as an integral microorganism. can do. The threshold used for binarization can be appropriately determined in consideration of the type and concentration of the fluorescent substance or enzyme used for labeling the microorganism.
このような処理を行うと、含まれる微生物の種類ごとに用いるポリヌクレオチドプローブの種類に基づいて、相同的又は相補的に反応する遺伝子を有する微生物を判別することができる。特に、微生物の標識に用いた蛍光物質や酵素の種類や濃度などに応じて、異なる色・強度の蛍光を発するため、蛍光の種類に応じて微生物の種類を判別することができる。更に、蛍光を発する微生物を撮像し、画像処理を行うことで、迅速かつ簡便に微生物の種類ごとに計数することができる。 When such a treatment is performed, a microorganism having a gene that reacts in a homologous or complementary manner can be discriminated based on the type of polynucleotide probe used for each type of contained microorganism. In particular, since fluorescence of different colors and intensities is emitted according to the type and concentration of the fluorescent substance or enzyme used for labeling the microorganism, the type of microorganism can be determined according to the type of fluorescence. Furthermore, it is possible to quickly and easily count for each type of microorganism by imaging the fluorescent microorganism and performing image processing.
本実施形態の検出装置120では、以上のような計数方法を用いて原料溶液SSに含まれる微生物の個体数を計数する。
In the
検出装置120で検出された微生物の種類及び数は、検出装置120に接続された制御装置130に出力される。制御装置130には、記憶装置にて微生物の個体数についての所定値を記憶しており、記憶している所定値と検出される微生物の個体数とを比較回路で比較することで、現在の運転条件が所望の微生物が得られる運転条件かどうかを判断する。
The type and number of microorganisms detected by the
所定値とは、例えば、本実施形態の微生物反応装置1の反応に用いない夾雑菌の含有許容量や、複数の微生物種の存在比を制御する場合においては、用いる微生物種全体の個体数に対する各々の微生物の個体数の比(即ち存在比)などを挙げることができる。
The predetermined value refers to, for example, the allowable amount of contaminants not used in the reaction of the
制御装置130には、回転装置110も接続されており、検出装置120で検出した微生物の種類及び数に基づいて凝集容器100の回転速度を制御する。
A
このような構成の微生物反応装置1は、凝集容器100が回転することにより内部の原料溶液SSを撹拌し、凝集性微生物を用いた生物反応を促進すると共に、凝集体AGを形成している。図2は、凝集容器100における凝集体AGの形成の様子を示す概略断面図であり、図1の線分A−Aに相当する断面図である。
In the
まず、図2(a)に示すように、生物反応が進むと、凝集性微生物は増殖し、原料溶液SS中で微小な凝集体agを形成すると共に、凝集容器100の内壁に付着する。凝集容器100は回転し原料溶液SSを撹拌するため、内壁に付着した凝集性微生物(付着微生物MO)は、撹拌による原料溶液SSと付着微生物MOとの摩擦力や、付着微生物MOに加わる重力などにより、一部が内壁から剥離する。
First, as shown in FIG. 2A, when the biological reaction proceeds, the aggregating microorganisms grow and form minute aggregates ag in the raw material solution SS and adhere to the inner wall of the
次いで、図2(b)に示すように、剥離した付着微生物MOは、剥離していない付着微生物MOや原料溶液中の微小な凝集体agを取り込みながら回転方向に転がり、雪だるま式に肥大して凝集体AGを形成する。このような凝集体AGの肥大は、凝集容器100内の複数箇所で同時多発的に生じ、凝集容器100内では複数の凝集体AGが形成される。また、凝集体AGは形成の過程において崩壊することもあるが、崩壊した凝集体が核となり、同様に雪だるま式に肥大して再度凝集体AGとなる。このように、凝集性微生物の凝集体AGが形成される。
Next, as shown in FIG. 2 (b), the detached attached microorganisms MO roll in the rotational direction while taking in the attached attached microorganisms MO and the minute aggregates ag in the raw material solution, and are enlarged into a snowball type. Aggregates AG are formed. Such an enlargement of the aggregate AG occurs simultaneously at a plurality of locations in the
凝集体AGの形成に用いる事ができる凝集性微生物としては特に限定が無く、例えばSaccharomyces cerevisiae KF−7株のような凝集性微生物を挙げることができる。 The aggregating microorganism that can be used to form the aggregate AG is not particularly limited, and examples thereof include aggregating microorganisms such as Saccharomyces cerevisiae KF-7.
このように形成される凝集体AGの粒径は、凝集容器100の回転速度(単位時間あたりの回転数)を変化させることにより制御することができる。即ち、回転が遅い場合には、凝集体AGが崩壊しないまま長時間転がるため大きな凝集体が形成され、逆に回転が速い場合には凝集体AGの崩壊が頻発するために小さい凝集体となる。
The particle size of the aggregate AG formed in this way can be controlled by changing the rotation speed (the number of rotations per unit time) of the
また、凝集体AGの粒径は、凝集性微生物の種類により凝集力・凝集速度などの条件が異なるため、同じ条件下で凝集させた場合、存在する微生物種によって凝集体AGの大きさに差が生じる。更に、凝集容器100の回転条件を変更することで、この凝集体AGの大きさの差が拡大する。そのため、凝集容器100の回転を制御することで、原料溶液SSへの沈降しやすさ(沈降速度)の差が拡大し、凝集体AGの大きさに起因する沈降速度の差を利用して、微生物の分離を行うことができる。
The particle size of the aggregate AG varies depending on the type of the flocculating microorganism, such as the cohesive force and the aggregation speed. Therefore, when aggregated under the same conditions, the size of the aggregate AG varies depending on the microorganism species present. Occurs. Furthermore, by changing the rotation conditions of the
本発明の微生物反応装置1では、このようにして生じる凝集体AGの粒径の差を利用して、凝集容器100内の微生物種を制御することができる。例えば、目的とする生物反応に用いない夾雑菌の増殖が認められたような場合、夾雑菌の増殖を抑制し、凝集容器100内の汚染を防止することができる。
In the
図3は、微生物種を制御するための操作の一例を示すフローチャートである。以下のフローチャートの説明においては、図1で示す各符号を用いて説明する。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of an operation for controlling the microorganism species. In the following description of the flowchart, description will be made using the reference numerals shown in FIG.
まず、始めに凝集容器100内を滅菌・洗浄し、原料溶液SSを貯留すると共に凝集性微生物を含む所望の微生物を植種する。そして、所定の回転速度で凝集容器100を回転させ、凝集体AGを形成する(ステップS11)。
First, the inside of the
次いで、一定期間の運転後に、検出装置120を用いて凝集容器100内の原料溶液SSに含まれる微生物の種類及び数を検出し、夾雑菌の菌数を確認すると共に、夾雑菌の存在比を許容値と比較する。夾雑菌の菌数が許容値未満であれば、そのまま凝集容器100の運転を継続する(ステップS12)。
Next, after a certain period of operation, the type and number of microorganisms contained in the raw material solution SS in the
検出装置120で検出される夾雑菌の菌数が許容値以上であれば、凝集容器100の運転条件の変更を行う(ステップS13)。微生物の自己凝集体は、凝集性微生物の種類により凝集力・凝集速度などの条件が異なるため、同じ条件下で凝集させた場合に用いる微生物種によって凝集体の大きさに差が生じる。この性質を利用し、夾雑菌と所望の微生物との相対的な凝集のしやすさにより運転条件を変更する。
If the number of germs detected by the
即ち、夾雑菌が所望の微生物よりも相対的に凝集しにくい場合には、凝集容器100の回転速度を速めて、より夾雑菌の凝集を阻害するように制御する。すると、夾雑菌を含む凝集体、または夾雑菌自体は浮上しやすくなり凝集容器100内の原料溶液SSの液面付近に滞留する。このような夾雑菌としては、例えば糸状細菌が挙げられる。
That is, when the harmful bacteria are less likely to aggregate than the desired microorganism, the rotation speed of the
また、夾雑菌が所望の微生物よりも相対的に凝集しやすい場合には、凝集容器100の回転速度を落として、より夾雑菌の凝集を助長するように制御する。すると、夾雑菌を含む凝集体は沈降しやすくなり、凝集容器100の底部付近に滞留する。
In addition, when the bacteria are more likely to aggregate than the desired microorganism, the rotation speed of the
一定期間、このように運転条件を制御した後、夾雑菌を含む凝集体Cを凝集容器100から抜き取る。本実施形態の微生物反応装置1では、凝集容器100内から排出装置180Aを用いて夾雑菌が多く滞留している溶液S2を抜き取り廃棄する(ステップS14)。
After controlling the operating conditions in this way for a certain period, the aggregate C containing contaminants is extracted from the
夾雑菌の抜き取りの後、再度検出装置120を用いて凝集容器100内の原料溶液SSに含まれる微生物の種類及び数を検出する。凝集容器100の運転条件変更とその後の抜き取りにより夾雑菌の菌数が許容値未満となっていれば、凝集容器100の運転を継続する。一方で、夾雑菌の菌数が引き続き許容値以上であれば、再度凝集容器100の運転条件の変更(S13)を行う(ステップS15)。
After extracting the germs, the type and number of microorganisms contained in the raw material solution SS in the
ステップS13からステップS15までの循環(ループ)については、例えば最大の連続ループ数を設定しておき、該連続ループ数の設定値以上のループが行われた場合には、装置を停止し洗浄・滅菌処理を行うこととしておくと、無用に長時間の運転を行う事がない。 For the circulation (loop) from step S13 to step S15, for example, the maximum number of continuous loops is set, and when a loop exceeding the set value of the number of continuous loops is performed, the apparatus is stopped and the cleaning / If sterilization is performed, it will not be unnecessarily operated for a long time.
また、上記フローにて制御可能な夾雑菌の最大比を予め設定しておき、夾雑菌が該最大比以上に含まれている場合には、装置を停止し洗浄・滅菌処理を行うこととしておいても、無用に長時間の運転を行う事がなく好適である。 In addition, the maximum ratio of germs that can be controlled by the above flow is set in advance, and if the germs are contained above the maximum ratio, the device is stopped and washing and sterilization is performed. Even if it exists, it does not perform a driving | operation for a long time unnecessarily and is suitable.
以上のように、微生物反応装置1の運転を制御することで、夾雑菌の増殖を抑制する。
As described above, by controlling the operation of the
一般に微生物は、環境に順応し徐々に増殖する時期(誘導期、遅滞期)を過ぎると、一定以上に増殖した微生物が指数関数的に増殖する時期(指数増殖期、対数増殖期)を迎える。そのため、夾雑菌の増殖抑制という観点からは、対数増殖期を迎える前、あるいは対数増殖期に入ってからできるだけ初期のうちに夾雑菌の増殖抑制のための運転条件変更を行うことが好ましい。そのため、上記フローにおいては、一定時間ごとに夾雑菌の菌数を確認し(S12)、得られる夾雑菌の増殖速度から許容値に達するまでの期間を想定することで、夾雑菌の測定結果が許容値未満であってもS13の運転条件変更を行うこととしても良い。 In general, when the microorganisms adapt to the environment and gradually grow (the induction period, the lag period), the microorganisms that have grown to a certain level will reach an exponential growth period (exponential growth period, logarithmic growth period). For this reason, from the viewpoint of suppressing the growth of contaminating bacteria, it is preferable to change the operating conditions for suppressing the growth of contaminating bacteria before reaching the logarithmic growth phase or as early as possible after entering the logarithmic growth phase. Therefore, in the above flow, by confirming the number of contaminating bacteria at regular time intervals (S12) and assuming a period from the resulting growth rate of the contaminating bacteria to an allowable value, the measurement result of the contaminating bacteria is obtained. Even if it is less than the allowable value, the operating condition may be changed in S13.
また、本実施形態の微生物反応装置1にて、凝集性微生物を含む2種以上の微生物を用いた生物反応を行う場合、好適な微生物の存在比を維持するために利用することとしても良い。図4は、微生物種を制御するための操作の一例を示すフローチャートである。
Moreover, when performing the biological reaction using 2 or more types of microorganisms containing an aggregating microorganism in the
即ち、始めに凝集容器100内を滅菌・洗浄し、原料溶液SSを貯留すると共に凝集性微生物を含む複数の微生物を植種する。そして、所定の回転速度で凝集容器100を回転させ、凝集体AGを形成する(ステップS21)。
That is, first, the inside of the
次いで、一定期間の運転後に、検出装置120を用いて凝集容器100内の原料溶液SSに含まれる微生物の種類及び数を検出し、微生物の存在比を確認する。微生物の存在比が適切であれば、そのまま凝集容器100の運転を継続する(ステップS22)。
Next, after a certain period of operation, the type and number of microorganisms contained in the raw material solution SS in the
検出装置120で検出される微生物の存在比が不適であれば、凝集容器100の運転条件の変更を行い、微生物種による凝集体の形成しやすさを利用して分離させる(ステップS23)。
If the abundance ratio of the microorganisms detected by the
一定期間、このように運転条件を制御した後、凝集体AGを凝集容器100から抜き取り微生物の存在比を調節する(ステップS24)。
After controlling the operating conditions in this way for a certain period of time, the aggregate AG is extracted from the
抜き取り操作の後、再度検出装置120を用いて原料溶液SSに含まれる微生物の種類及び数を検出して、微生物の存在比を確認する。凝集容器100の運転条件変更とその後の抜き取りにより微生物の存在比が適切な値となっていれば、凝集容器100の運転を継続する。一方で、微生物の存在比が引き続き不適であれば、再度凝集容器100の運転条件の変更(S23)を行う(ステップS25)。
After the extraction operation, the type and number of microorganisms contained in the raw material solution SS are detected again using the
ステップS23からステップS25までのループについては、最大の連続ループ数を設定しておき、該連続ループ数の設定値以上のループが行われた場合には、装置を停止することとしておくと、無用に長時間の運転を行う事がない。また、制御可能な存在比のずれの最大置を予め設定しておき、制御可能なずれから大きく逸脱する場合には装置を停止することとしておくと、無用に長時間の運転を行う事がない。 For the loop from step S23 to step S25, the maximum number of continuous loops is set, and when a loop exceeding the set value of the number of continuous loops is performed, it is unnecessary to stop the apparatus. Do not drive for a long time. Also, if the maximum deviation of the controllable existence ratio is set in advance and the apparatus is stopped when it deviates greatly from the controllable deviation, it will not run unnecessarily for a long time. .
以上のように、微生物反応装置1の運転を制御することで、微生物の存在比を制御することができる。
As described above, the abundance ratio of microorganisms can be controlled by controlling the operation of the
図3,図4に示したフローを組み合わせることで、例えば、2種の微生物を用いた反応において夾雑菌が発生した場合には、まず、図3に示したフローにより夾雑菌を凝集容器から排除した後に、図4のフローにより存在比を制御することができる。更に、3種以上の微生物を用いた反応を行う場合には、用いる微生物の種類に応じて図4のフローを複数回行い微生物の存在比を制御することができる。 By combining the flows shown in FIG. 3 and FIG. 4, for example, when contaminants are generated in a reaction using two types of microorganisms, the contaminants are first removed from the aggregation vessel by the flow shown in FIG. After that, the abundance ratio can be controlled by the flow of FIG. Furthermore, when performing reaction using 3 or more types of microorganisms, the flow of FIG. 4 can be performed several times according to the kind of microorganisms to be used, and the abundance ratio of microorganisms can be controlled.
以上のような構成の微生物反応装置1によれば、微生物種に応じた凝集体AGの形成のしやすさと、凝集体AGの大きさによる沈降速度の差を利用し、凝集体AGの形成条件を制御することで混在する微生物を分離し、目的の微生物を高濃度に保持することが可能な反応装置とすることができる。微生物反応装置1を用いると、例えば、反応系内に増殖する夾雑菌を排除したり、2種以上の微生物種を用いる場合に存在比を制御したりすることが可能となると共に、用いる微生物が凝集体AGを形成しているために、該凝集体AGを用いた反応により、高効率な生物反応を実現することができる。
According to the
なお、本実施形態では、夾雑菌が所望の微生物よりも相対的に凝集しにくいこととしたため、排出装置180Aを用いて液面近くの溶液S2を抜き出すこととしたが、排出装置180Aによる抜き取りの位置は夾雑菌の性質によって変化する。即ち、夾雑菌が所望の微生物よりも相対的に凝集しやすい場合には、溶液S2は底部付近に滞留するため、排出装置180Aは底部付近から抜き出しを行うこととなる。また、底部付近から抜き出しを行う場合には、凝集容器100の底部付近に別途払い出し口を設けておき、該払い出し口の開閉操作にて抜き出しを行う事としても良い。
In the present embodiment, since it is determined that contaminants are less likely to aggregate than the desired microorganism, the solution S2 near the liquid surface is extracted using the
[第2実施形態]
図5は、本発明の第2実施形態に係る微生物反応装置2を示す概略構成図である。本実施形態の微生物反応装置2は、第1実施形態の微生物反応装置1と一部共通している。異なるのは、配管170の下流側に別途生物反応を行う場としての反応容器200を備えることである。したがって、本実施形態において第1実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a
反応容器200は、配管170を介して供給される原料溶液SSを含む反応液RSが満たされている。反応液RSの組成は、原料溶液SSと同じ組成であることには限らず、凝集体AGを形成する凝集性微生物を用いて所望の反応を行う種々の原料を含む溶液を用いることができる。更には、反応液RSは、例えば木くずや木の葉などの固体を含んでいても構わない。
The
反応液RSは、深さ方向の位置によって、異なる凝集体が滞留する溶液S1及び溶液S2を有しており、溶液S1には、主として目的とする凝集性微生物を含む凝集体AGを含み、溶液S2には、夾雑菌を含む凝集体Cを多く含んでいる。図では、説明を容易にするために溶液S1と溶液S2との境界を波線で示す。 The reaction solution RS has a solution S1 and a solution S2 in which different aggregates stay depending on the position in the depth direction, and the solution S1 contains an aggregate AG mainly containing a target aggregating microorganism. S2 contains a large amount of aggregate C containing contaminating bacteria. In the figure, the boundary between the solution S1 and the solution S2 is indicated by a wavy line for ease of explanation.
また、反応容器200は、反応液RSを撹拌する撹拌装置210と、反応容器200内の反応液RSに含まれる微生物の個体数を検出する検出装置220と、反応容器200から反応液が流出する流出路(排出手段)240とを備えており、流出路240の途中には、流出する反応液RSが含む液体と固体を分離する固液分離槽230と、を備えている。微生物反応装置2は、原料溶液SSが反応容器200へ連続して流入し、且つ反応容器200からは流出路240を介して反応液RSが連続して流出する、連続式の運転制御を行っているが、回分式の運転制御を行う事としても構わない。
In addition, the
撹拌装置210は、攪拌器212および攪拌器212を運転する回転モータ214を有している。本実施形態では、攪拌機212で撹拌する撹拌式としたが、反応容器200内に吹き込む気体で反応液RSを撹拌する流動床式であっても良い。また、その両方を備えていても構わない。
The
検出装置220には、検出装置120と同様の装置を用いることができる。検出装置220で検出された微生物数は、検出装置220に接続された制御装置130に出力される。制御装置130には、回転モータ214が接続されており、入力された検出値に基づいて攪拌器212との回転速度を制御し、反応容器200内の凝集体AGの粒径を制御する。
A device similar to the
反応容器200内の凝集体AGは、撹拌装置210の撹拌による剪断力で粉砕され、凝集性微生物の小片SPとなって反応容器200から流出する。或いは、反応容器200内で繁殖する凝集性微生物の付着や、凝集体AG同士の衝突による付着等に起因して、粒径が大きくなり流動不良となって沈降する。
Aggregates AG in the
固液分離槽230は、反応容器200から流出する反応液RSに含まれる固形分を沈降させ液体と分離させる機能を備える。固液分離槽230では、流出する反応液RSが含む小片SPも沈降するため、沈降した小片SPを回収し再度反応容器200に投入することで、反応容器200内の微生物濃度を高濃度に保つ事ができる。
The solid-
微生物反応装置2は、連続式の運転制御を行っているため。流出路240からは、反応液RSが連続して流出している。その際、反応液RSのうち、目的とする凝集体AGは沈降しやすいため反応容器200の底部に滞留し(溶液S1)、夾雑菌を含む凝集体Cは液面付近に滞留するため(溶液S2)、夾雑菌を含む凝集体Cは流出路240を介して流出しやすくなっている。
本実施形態の微生物反応装置2は、以上のような構成となっている。
This is because the
The
本実施形態の微生物反応装置2においても、反応液RSにおける夾雑菌の増殖の抑制や、反応液RSに含まれる微生物の存在比の制御を行うことが可能である。図6は、本実施形態の微生物反応装置2において、夾雑菌の増殖を制御するための操作の例を示すフローチャートである。
Also in the
まず、始めに反応容器200内を滅菌・洗浄した後に、凝集容器100から供給される原料溶液SSを貯留する。そして、所定の撹拌条件で撹拌装置210を運転し、撹拌を行う(ステップS31)。
First, after the inside of the
次いで、一定期間の運転後に、検出装置220を用いて反応液RSに含まれる微生物の種類及び数を検出し、夾雑菌の菌数を確認すると共に、夾雑菌の存在比を許容値と比較する。夾雑菌の菌数が許容値未満であれば、そのままの撹拌条件で反応容器200の運転を継続する(ステップS32)。
Next, after a certain period of operation, the type and number of microorganisms contained in the reaction solution RS are detected using the
検出装置220で検出される夾雑菌の菌数が許容値以上であれば、反応容器200の撹拌条件の変更を行い、主として撹拌装置210による撹拌の剪断力を利用して、凝集体の大きさを制御する(ステップS33)。
If the number of contaminating bacteria detected by the
一定期間、撹拌条件を制御した後、夾雑菌を含む凝集体を反応容器200から抜き取る。夾雑菌が凝集しにくく浮上しやすい場合、本実施形態の微生物反応装置2では、越流により反応容器200から流出する。夾雑菌が凝集しやすく沈降しやすい場合、反応容器200内の底部から反応液RSごと夾雑菌を抜き取る。本実施形態では、夾雑菌を含む凝集体Cは凝集しにくく浮上しやすい性質を備えているため、連続式の運転制御により、溶液S2おける夾雑菌を含む凝集体Cの濃度を高め、反応液RSの流出と共に、流出路240を介してより多く系外に排出される(ステップS34)。
After controlling the stirring conditions for a certain period of time, aggregates containing contaminating bacteria are extracted from the
夾雑菌の抜き取りの後、再度検出装置220を用いて反応液RSに含まれる微生物の種類及び数を検出し、夾雑菌の菌数が許容値未満となっていれば、反応容器200の運転を継続する。一方で、夾雑菌の菌数が引き続き許容値以上であれば、再度反応容器200の撹拌条件の変更(S33)を行う(ステップS35)。
After extracting the germs, the type and number of microorganisms contained in the reaction solution RS are detected again using the
図7は、本実施形態の微生物反応装置2において、微生物種を制御するための操作の一例を示すフローチャートである。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of an operation for controlling the microorganism species in the
即ち、反応容器200内を滅菌・洗浄した後に、凝集容器100から供給される原料溶液SSを貯留する。そして、所定の撹拌条件で撹拌し装置の運転を行う(ステップS41)。
That is, after the inside of the
次いで、一定期間の運転後に、検出装置220を用いて反応容器200内の反応液RSに含まれる微生物の種類及び数を検出し、微生物の存在比を確認する。微生物の存在比が適切であれば、そのままの撹拌条件で反応容器200の運転を継続する(ステップS42)。
Next, after a certain period of operation, the type and number of microorganisms contained in the reaction liquid RS in the
検出装置220で検出される微生物の存在比が不適であれば、凝集容器100の運転条件の変更を行って、反応液RSで存在比が少なくなっている微生物を多く供給できるように、反応容器200へ供給される原料溶液SSに含まれる微生物の存在比を変更する(ステップS43)。凝集容器100の運転条件の変更は図4で示されたフローチャートに従い行う。
If the abundance ratio of microorganisms detected by the
微生物の存在比を変更した原料溶液SSの供給を一定期間行った後、再度検出装置220を用いて反応液RSに含まれる微生物の種類及び数を検出して、微生物の存在比を確認する。微生物の存在比が適切な値となっていれば、凝集容器100の運転を所定の微生物の存在比となる運転条件に戻し、その後の運転を継続する。一方で、微生物の存在比が引き続き不適であれば、再度凝集容器100の運転条件の変更(S43)を行う(ステップS45)。
After supplying the raw material solution SS in which the abundance ratio of microorganisms is changed for a certain period, the type and number of microorganisms contained in the reaction solution RS are detected again using the
以上のように、微生物反応装置2の運転を制御することで、反応液RSにおける夾雑菌の増殖の抑制や、反応液RSに含まれる微生物の存在比の制御を行うことが可能である。
As described above, by controlling the operation of the
以上のような構成の微生物反応装置2によれば、反応容器200に供給される凝集体AGは、微生物の個体数または存在比が制御されているため、反応容器200内において副反応のない良好な反応を行わせることができる。更に、主として凝集体を形成する凝集容器100と、主として生物反応の場として用いる反応容器200と、が別体となっているため、例えば反応液RSが固体を含む場合であっても、固体を含まない溶液を用いて凝集体AGを形成した後に、固体を含む溶液に凝集体を供給し、良好な反応を行う事が可能となる。
According to the
また、反応容器200が検出装置220と、撹拌装置210の撹拌条件を制御する制御装置130とを備えているため、反応容器200内の反応液RSにおいて特定の微生物を高濃度に保持することが可能な反応装置とすることができる。
In addition, since the
なお、本実施形態では、反応容器200に接続される凝集容器100は1つとしているが、複数接続される事としても良い。複数の凝集容器100を用いる場合には、各々の凝集容器において同様に夾雑菌の抑制や微生物の存在比の制御を行うこととすると良い。
In the present embodiment, the number of
また、ここでは、凝集容器100の運転条件を制御することで反応容器200内の微生物の存在比を制御することとしたが、図6に示したフローチャートに基づいて、夾雑菌の代わりに存在比が多い微生物を抜き取り、存在比を制御することとしても良い。
Here, the abundance ratio of the microorganisms in the
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
1,2…微生物反応装置、100…凝集容器、120,220…検出装置、130…制御装置、180…側管(排出口)、200…反応容器、AG…凝集体、L…回転軸、RS…反応液、SS…原料溶液、
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記複数の微生物と該複数の微生物を用いた生物反応の原料を含む原料溶液とを、自身を貫通する所定の回転軸の周りを回転することで撹拌し、前記凝集性微生物を培養する凝集容器と、
前記原料溶液が含む前記微生物の種類および個体数を検出する検出装置と、
前記検出装置における検出結果に基づいて、前記凝集容器の回転条件を制御する制御装置と、
前記凝集容器の中の前記原料溶液と共に、該原料溶液における特定の深さ方向の位置に浮遊した前記凝集体を排出する排出手段と、を備え、
前記凝集容器の内壁に付着する前記凝集性微生物を含む複数の微生物が、前記凝集容器の回転に基づいて該凝集容器の底面を転がり互いに凝集することで、微生物の種類に応じて複数の大きさの前記凝集体を形成し、
前記排出手段は、互いに大きさが異なる複数の前記凝集体のうち、特定の大きさを有した凝集体であって、前記凝集体の大きさに基づいて前記凝集容器の特定の深さ方向の位置に浮遊している凝集体を排出することを特徴とする微生物反応装置。 A microorganism reaction apparatus for culturing a plurality of microorganisms containing an aggregating microorganism to form an aggregate containing the aggregating microorganism, and controlling the number of individuals for each of the plurality of microorganisms,
Aggregation container for agitating the plurality of microorganisms and a raw material solution containing a raw material for biological reaction using the plurality of microorganisms by rotating around a predetermined rotation axis penetrating the microorganisms and culturing the aggregating microorganisms When,
A detection device for detecting the type and number of the microorganisms contained in the raw material solution;
Based on the detection result in the detection device, a control device for controlling the rotation conditions of the aggregation container;
A discharge means for discharging the aggregate suspended at a position in a specific depth direction in the raw material solution together with the raw material solution in the aggregation container;
A plurality of microorganisms including the aggregating microorganisms adhering to the inner wall of the aggregation container roll on the bottom surface of the aggregation container based on rotation of the aggregation container to aggregate each other, thereby having a plurality of sizes according to the type of microorganism. Forming the aggregate of
The discharge means is an agglomerate having a specific size among the agglomerates having different sizes, and is arranged in a specific depth direction of the agglomeration container based on the size of the agglomerate. A microorganism reaction apparatus characterized by discharging aggregates floating at a position.
前記撮像手段を用いて前記微生物の画像を撮像する第1工程と、
前記第1工程で得られた画像を二値化し、得られる二値画像において、画素が連結している領域を1個体の微生物として認識する第2工程と、
1個体の微生物として認識された領域を計数する第3工程と、を有する計数方法により前記微生物の個体数を計数することを特徴とする請求項3に記載の微生物反応装置。 The detection device has an imaging means for capturing an image of the microorganism,
A first step of taking an image of the microorganism using the imaging means;
A second step of binarizing the image obtained in the first step, and recognizing a region where pixels are connected as one individual microorganism in the obtained binary image;
The microorganism reaction apparatus according to claim 3, wherein the number of individuals of the microorganism is counted by a counting method including a third step of counting a region recognized as one individual microorganism.
前記反応容器では、前記凝集体と前記原料溶液とを含む反応液を撹拌し、前記凝集性微生物を培養することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の微生物反応装置。 A reaction vessel to which the raw material solution containing the aggregate is supplied from the aggregation vessel,
The microorganism reaction apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein in the reaction vessel, a reaction liquid containing the aggregate and the raw material solution is stirred to culture the aggregating microorganism.
前記検出装置における検出結果に基づいて前記反応容器の撹拌条件を制御する制御装置と、
前記反応容器の中の前記反応液と共に、該反応液の特定の深さ方向の位置に浮遊している凝集体を排出する排出手段と、を備え、
前記反応液に含まれる前記凝集体が、前記反応容器の撹拌に基づいて凝集または崩壊することで、微生物の種類に応じて複数の大きさの前記凝集体を形成し、
前記排出手段は、互いに大きさが異なる複数の前記凝集体のうち、特定の大きさを有した凝集体であって、前記凝集体の大きさに基づいて前記反応容器の特定の深さ方向の位置に浮遊している凝集体を排出することを特徴とする請求項5に記載の微生物反応装置。 The reaction vessel includes a detection device that detects the type and number of the microorganisms contained in the reaction solution;
A control device for controlling the stirring condition of the reaction vessel based on the detection result in the detection device;
A discharge means for discharging the agglomerates floating at a position in a specific depth direction of the reaction solution together with the reaction solution in the reaction vessel,
The aggregate contained in the reaction solution aggregates or disintegrates based on the stirring of the reaction vessel, thereby forming the aggregate of a plurality of sizes according to the type of microorganism,
The discharge means is an agglomerate having a specific size among the agglomerates having different sizes, and is arranged in a specific depth direction of the reaction vessel based on the size of the agglomerates. The microorganism reaction apparatus according to claim 5, wherein aggregates floating in the position are discharged.
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