JP2013514067A - ホモ多糖の調製方法 - Google Patents

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Abstract

β−1,3−グリコシド結合主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有する側基を有するグルカンの水溶液を、前記グルカンを発酵ブロス中に分泌する菌株を水性培養培地中で発酵させることにより調製する方法であって、該発酵ブロスからの該グルカンの分離を非対称フィルター膜の使用により行う方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、β−1,3−グリコシド結合主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有する側基を有するグルカンの水溶液を、前記グルカンを発酵ブロス中に分泌する菌株を水性培養培地中で発酵させることにより調製する方法であって、該発酵ブロスからの該グルカンの分離を非対称フィルター膜の使用により行う方法に関する。
天然鉱油堆積層において、鉱油は、不浸透性被覆層により地球表面から隔離された多孔性埋蔵岩石の空洞内に存在する。空洞は、極めて微細な空洞、毛細管、細孔などであり得る。微細細孔の首状部は、例えば約1μmのみの直径を有し得る。天然ガス留分を含めた鉱油に加え、堆積層はより高いまたはより低い塩含有率を有する水を含む。
鉱油産生においては、一次産生、二次産生および三次産生に分類される。
一次産生において、堆積層中への坑井の堀抜き後、鉱油は、堆積層の自己圧力により坑井を介して表面にこれ自体流動する。しかしながら、一般に、堆積層のタイプに応じて堆積層中に存在する鉱油の量の約5から10%のみを一次産生により抽出することができるにすぎず、この後は自己圧力が抽出にもはや十分でない。
したがって、二次産生は一次産生後に使用される。二次産生においては、鉱油の産生に役立つ坑井、いわゆる産生井に加え、さらなる坑井が鉱油担持地層中に掘削される。水および/または蒸気がこれらのいわゆる圧入井を介して堆積層中に圧入されて圧力が維持され、または再度増加される。水中での圧入により、鉱油は圧入井から出発して産生井の方向に地層中の空洞を介してゆっくり圧入される。しかしながら、このことは、空洞が油により完全に充填され、水がより粘性の油を水の前方に押出す場合に限り機能する。低粘度の水が空洞に浸透し次第、この水は最小抵抗の経路に沿ってこのときから流動し、すなわち、圧入井と産生井との間で得られた流路を介して流動し、油をもはや水の前方に押し出さない。一般に、堆積層中に存在する鉱油の量の約30から35%のみを一次および二次産生により抽出することができるにすぎない。
鉱油収率は、三次油産生措置によりさらに増加させることができることが公知である。三次鉱油産生は、好適な化学物質を油産生用の補助剤として使用するプロセスを含む。これらは、いわゆる「ポリマー攻法」を含む。ポリマー攻法においては、増粘効果を有するポリマーの水溶液が水の代わりに圧入井を介して鉱油堆積層中に圧入される。ポリマー溶液中での圧入により、鉱油は圧入井から出発して産生井の方向に地層中の前記空洞を介して圧入され、最終的に鉱油は産生井を介して抽出される。鉱油の粘度に適合されるポリマー溶液の高い粘度により、ポリマー溶液は、純水の場合と同様にもはや空洞を抜けることができず、または少なくとも容易には抜けることができない。
非常に多数の異なる水溶性ポリマー、すなわち、合成ポリマー、例えば、ポリアクリルアミドまたはアクリルアミドおよび他のモノマーを含むコポリマーなど、ならびにさらには天然由来の水溶性ポリマーの両方がポリマー攻法のために提案されている。
三次鉱油産生に好適な増粘ポリマーは、多数の規定の要件を満たさなければならない。十分な粘度に加え、ポリマーは、熱的に極めて安定であり、高い塩濃度においてもこれらの増粘効果を保持しなければならない。
ポリマー攻法のために重要な天然由来のポリマーのクラスは、グルコースから得られる分枝ホモ多糖を含む。グルコース単位を含む多糖は、グルカンとも称される。前記分枝ホモ多糖は、統計的表現において約3単位毎にさらなるグルコース単位へのβ−1,6−グリコシド結合を有するβ−1,3−結合グルコース単位の主鎖を有する。このような分枝ホモ多糖の水溶液は、有利な物理化学的特性を有するので、これらがポリマー攻法に特に好適である。
前記構造のホモ多糖は、種々の菌株により、例えば繊維状生育を示し、生育の間、約5から約25・106g/molの典型的な分子量Mwを有する前記構造のホモ多糖を分泌する担子菌類シゾフィルム・コムネ(Schizophyllum commune)により分泌される(慣用名シゾフィラン)。スクレロチウム・ロルフシイ(Sclerotium rolfsii)により分泌される前記構造のホモ多糖をさらに挙げることができる(慣用名:スクレログルカン)。
この目的に使用される水性ポリマー溶液は、ゲル粒子または他の小粒子を全く含まないことがポリマー攻法に重要である。ミクロン範囲の寸法を有する少数の粒子でさえ、鉱油地層中の微細な細孔を閉塞し、こうして鉱油産生を少なくとも悪化させ、または停止さえさせ得る。したがって、三次鉱油産生のためのポリマーは、可能な限り小さい割合のゲル粒子または他の小粒子を有するべきである。
したがって、ポリマー攻法のための使用のため、前記ホモ多糖の溶液が実質的に細胞および細胞断片を含まないことが重要である。それというのも、さもなければこれらはこれらの鉱油地層を閉塞し、このことは鉱油の抽出を悪化させ、またはこの抽出を不可能とさえする。いわゆるMilliporeろ過比(Millipore Fitration Ratio)(MPFR値)をポリマー溶液の良質性についての指標として使用することができる。フィルター抵抗が溶液のろ過の間の時間の過程において変化する手法が本明細書において定められる。
β−1,3−結合グルコース単位を含む分枝ホモ多糖を調製する方法は、公知である。
欧州特許出願公開第271907号明細書、同第504673号明細書および独国特許出願公開第4012238号明細書は、調製方法、すなわち、菌シゾフィルム・コムネを撹拌および曝気しながら回分発酵することにより調製を行う調製する方法を開示している。培養培地は、実質的に、グルコース、酵母抽出物、リン酸二水素カリウム、硫酸マグネシウムおよび水を含む。欧州特許出願公開第271907号明細書は、多糖を単離する方法であって、最初に培養懸濁液を遠心分離し、該多糖をイソプロパノールを用いて上澄みから沈殿させる方法を記載している。第2の方法は、加圧ろ過に続く得られた溶液の限外ろ過を含むが、この方法の詳細は開示されていない。
「Udo Rau,『Biosynthese,Produktion und Eigenschaften von extrazellularen Pilz−Glucanen』,Habilitationsschrift,Technical University of Brunswick,1997,70から95頁」は、連続または回分発酵によるシゾフィランの調製を記載している。シゾフィランは、クロスフローろ過により分別することができる(上記文献75頁)。細胞塊の分別のため、0.5μm、2μm、10μmおよび20μmの細孔直径を有する種々のステンレス鋼膜が試験された。しかしながら、2μm膜については、0.5g/lのグルカンおよび0.5g/lの乾燥バイオマスを含む溶液を用いて小さい透過率のみが得られた。さらに、約0.1g/mlの濃度の菌糸断片が残存した。したがって、第2の超微細浄化工程が提案されている(上記文献94頁)。このようなプロセスは、極めて複雑であり、さらにステンレス鋼膜は極めて高価である。
「Udo Rau,Biopolymers,Editor A.Steinbuchel,6巻,63から79頁,WILEY−VCH出版,ニューヨーク,2002」は、連続または回分発酵によるシゾフィランの調製を記載している。遠心分離およびクロスフロー精密ろ過が、細胞および細胞断片不含のシゾフィランの回収のために推奨されている(上記文献、78頁、セクション10.1)。クロスフロー精密ろ過のため、10μmの細孔径を有する焼結ステンレス鋼膜の使用が該文献において提案されている。しかしながら、こうして得られた透過液は、ダイアフィルトレーションにより再度精製しなければならず、必要であれば、クロスフロー精密ろ過によりさらに精製しなければならない(上記文献、78頁、セクション10.2)。このようなプロセスは、極めて複雑であり、さらにステンレス鋼膜は極めて高価である。
「GIT Fachzeitung Labor 12/92,1233−1238頁」は、細胞を再循環させる分枝β−1,3−グルカンの連続調製を記載している。第1に、200μmの細孔径を有するステンレス鋼膜によるクロスフローろ過が、発酵循環からの分枝β−1,3−グルカンの分離のために提案されている。しかしながら、得られたポリマー含有透過液は、大量の細胞断片により依然として汚染されており、続いて第2の工程において精製しなければならない。この目的のため、ガラス繊維深層フィルターを使用する深層ろ過、3段階加圧ろ過および遠心分離が提案されている。第2の精製段階のためのさらなる方法として、著者らは、セラミック膜のクロスフローろ過の調査に成功していない。これらの実験の結果として、著者らは、クロスフロー精密ろ過が菌糸体を含有する高粘度培養懸濁液の細胞分離に好適ではないことを結論付けた。最終的に、得られた透過液は、続いて第3の精製段階においてダイアフィルトレーションにより精製される。しかしながら、このような3段階プロセスは、極めて複雑であり、したがって工業的産生プロセスに不適である。
国際公開第03/016545号パンフレットは、スクレロチウム・ロルフシイを使用するスクレログルカンの連続調製法を開示している。精製のため、20μmの細孔径を有するステンレス鋼フィルターを使用する、少なくとも7m/sの膜透過流速でのクロスフローろ過が記載されている。しかしながら、20μmフィルターは、極めて小さい粒子の分別には十分ではない。
欧州特許出願公開第271907号明細書 欧州特許出願公開第504673号明細書 独国特許出願公開第4012238号明細書 国際公開第03/016545号パンフレット
Udo Rau,「Biosynthese,Produktion und Eigenschaften von extrazellularen Pilz−Glucanen」,Habilitationsschrift,Technical University of Brunswick,1997,70から95頁 Udo Rau,Biopolymers,Editor A.Steinbuchel,6巻,63から79頁,WILEY−VCH出版,ニューヨーク,2002 GIT Fachzeitung Labor 12/92,1233−1238頁
原則として、微細粒子の除去をより微細なフィルター膜の使用により改善することができることは事実である。しかしながら、細孔径を減少すると、フィルター膜は、次第に不所望な様式のグルカン、特に極めて高い分子量を有するフラクションも保持する。さらに、より微細な膜は、より高いフィルター圧を必要とし、したがって菌が過剰の機械的負荷に供され得る危険が増加する。細胞の破壊および溶解を回避することが意図される。それというのも、調製すべきポリマーがこれにより汚染されるからである。
さらに、経済的理由から、得られる水性グルカン溶液の濃度は、可能な限り高くあるべきであり、すなわち、第1に、可能な限り小さい発酵プラントを使用することができるようにするため、第2に、水性グルカン溶液を産生場所から使用場所へ輸送するにあたり可能な限りわずかな輸送労力を確保するためである。経済的理由から、少なくとも3g/lのグルカンの濃度が追求されるべきである。このような高い濃度を有するグルカン溶液は、極めて高い粘度を有し、さらに高い構造粘度を有する。このような溶液はろ過が困難である。濃度が高ければ高いほど、ろ過工程が困難になる。
本発明の目的は、分枝β−1,3−グルカンの溶液を調製する経済的方法であって、該溶液が三次鉱油産生における使用に十分な質を有するべき方法を提供することであった。該溶液は、高い比粘度に加え、特に可能な限り低い細胞および細胞断片含有率を有するべきである。濾液については、1.2μmのIsoporeフィルターを用いて<2.5のろ過性規格値MPFRが達成されるべきである。
したがって、β−1,3−グリコシド結合主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有する側基を有するグルカンの水溶液を調製するにあたり、前記構造のグルカンを分泌する菌株を水性培養培地中で発酵させ、続いてグルカンおよびバイオマスを含む該水性発酵ブロスからクロスフロー精密ろ過により得られたグルカンの水溶液を分離することを含む方法であって、支持材料の少なくとも1つの層および少なくとも1つの分離層を含む非対称フィルター膜を該クロスフロー精密ろ過に使用し、該分離層の細孔径が1μmから10μmであり、該支持材料の細孔径が5μmから100μmであり、但し、該分離層の細孔径が該支持材料の細孔径よりも少なくとも1μm大きく、該クロスフローの流速が0.2m/sから20m/sであり、該膜透過圧が0.1から10barである方法が見出された。
好ましいろ過装置の概略図である。 本実験および比較実験に使用される装置の概略図である。 実施例で使用した装置の概略図である。
本発明に関し、以下のことを特に記載することができる:
「グルカン」は、もっぱらグルコース単位から構成されるホモ多糖を意味するものと当業者により解される。本発明による方法により、グルカンの規定のクラスが調製され、特にβ−1,3−グリコシド結合グルコース単位の主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有し、グルコース単位を含む側基を含むグルカンが調製される。好ましくは、側基は、単一のβ−1,6−グリコシド結合グルコース単位からなり、統計的表現において主鎖が3単位毎にさらなるグルコース単位へのβ−1,6−グリコシド結合を有する。
グルカンを分泌するこのような菌株は、当業者に公知である。例は、シゾフィルム・コムネ、スクレロチウム・ロルフシイ、スクレロチウム・グルカニクム(Sclerotium glucanicum)、モニリニア・フルクチゲナ(Monilinia fructigena)、レンチヌラ・エドデス(Lentinula edodes)またはボトリチス・シネラ(Botrytis cinera)を含む。好適な菌株が、例えば欧州特許出願公開第271907号明細書および同第504673号明細書のそれぞれの場合において請求項1にさらに挙げられている。好ましくは、使用される菌株は、シゾフィルム・コムネまたはスクレロチウム・ロルフシイであり、特に好ましくはシゾフィルム・コムネであり、これは、β−1,3−グリコシド結合グルコース単位を含む主鎖上で、統計的表現において主鎖が3単位毎にさらなるグルコース単位へのβ−1,6−グリコシド結合を有するグルカンを分泌し;すなわち、グルカンは好ましくは、いわゆるシゾフィランである。典型的なシゾフィランは、約5から約25・106g/molの重量平均分子量Mwを有する。
第1のプロセス工程において、菌は、好適な水性培養培地中で発酵させる。発酵の過程において、菌は上記クラスのグルカンを水性発酵ブロス中で分泌する。
このような菌株の発酵方法は、原則として当業者に公知であり、例えば、欧州特許出願公開第271907号明細書、同第504673号明細書、独国特許出願公開第4012238号明細書、国際公開第03/016545号パンフレットおよび「Udo Rau,『Biosynthese,Produktion und Eigenschaften von extrazellularen Pilz−Glucanen』,Habilitationsschrift,Technical University of Brunswick,1997」から公知であり、これらはそれぞれの場合において好適な培養培地も挙げている。
本発明によれば、菌は、例えば、水性培養培地中で15℃から40℃、好ましくは25から30℃の温度、例えば約27℃において、好ましくは曝気および運動させながら、例えばスターラーを使用して培養することができる。
本発明による方法において、発酵は、好ましくは、調製すべきグルカンの濃度がろ過すべき発酵ブロス中で少なくとも3g/lになるように実行すべきである。上限は、原則として制限されない。この濃度は、それぞれの場合において使用される発酵装置により依然として取り扱うことができる粘度に依存する。
最後に、グルカンを含む水溶液は、溶解グルカンおよびバイオマス(細胞構成成分を有し、または有しない菌細胞)を含む発酵ブロスからクロスフロー精密ろ過により分離し、バイオマスがそれまでよりも高い濃度を有する水性発酵ブロスが残留する。
本方法の一実施形態において、発酵は、発酵容器中で実施し、発酵後の発酵タンクの含有物を本発明により非対称フィルター膜の使用によりろ過する。
本発明のさらなる実施形態において、発酵は、少なくとも1つの発酵容器を含む好適なプラント中で実施する。発酵ブロスは、プラントから側流を介して連続的に、または時々除去し、グルカンを含む水溶液を該ブロスからクロスフロー精密ろ過により分別する。バイオマスがそれまでよりも高い濃度を有する残留水性発酵ブロスは、少なくとも部分的に発酵容器に再循環させることができる。
クロスフロー精密ろ過プロセスは、原則として当業者に公知であり、例えば、「Melin,Rautenbach,Membranverfahren,Springer−Verlag,第3版,2007,309頁から366頁」に記載されている。該文献において、「精密ろ過」は、約0.1μmから約10μmのサイズを有する粒子の除去を意味するものとして当業者により解される。
クロスフローろ過において、ろ過すべき液体の流れは、例えば、好適な循環ポンプにより、ろ過材料として使用される膜の表面に平行に加える。したがって、液体流は、フィルター膜上を連続的に流動し、これにより膜表面上の堆積物の形成が妨げられ、または少なくとも低減される。原則として、全てのタイプのポンプがポンプとして好適である。しかしながら、輸送すべき培地の高粘度により、特に容積移送式真空ポンプ、殊に偏心ねじポンプおよび回転ピストンポンプが有用であることが証明されている。
本発明によれば、非対称フィルター膜をクロスフロー精密ろ過に使用する。非対称フィルター膜は、異なる細孔径を有する少なくとも2つの異なる層からなり、すなわち、少なくとも1つの支持層および1つの分離層からなる。支持層は、比較的厚く、比較的大きい細孔を有する。支持層は、フィルター膜に機械的強度を付与する。支持層の細孔よりも微細な細孔を有する少なくとも1つの分離層は、支持層に施与されている。例えば、細孔径の計測には原則として水銀ポロシメトリーを公知の様式において使用することができる。場合により、分離層と支持層との間に1つ以上の中間層が配置されていてもよい。
非対称膜は、例えば、金属膜またはセラミック膜であり得る。使用される非対称膜は、好ましくは非対称セラミック膜である。非対称セラミック膜の詳細は、例えば、「Melin,Rautenbach,Membranverfahren,Springer−Verlag,第3版,2007,51頁から52頁」に記載されている。
セラミックまたは金属膜の本体は、支持材料から製造されている。これらの膜本体の好適な形態は、当業者に公知であり、当業者によりフィルター装置の設計に従って選択される。本体は、例えば、平膜または管膜として形成されていてよい。平膜は、円盤状構造である。管膜は、1つの流路(単一流路膜)または複数の流路(多流路膜)を有する管状構造である。管膜の流路の内径は、一般に1mmから25mm、特に2mmから12.5mmである。流路は、円形である必要はないが、不規則形状、例えば、円形頂点を有する多角形なども可能である。管膜は、一般に0.1mから5mの長さ、好ましくは0.5から2mの長さである。長さ1mから1.2mの管膜が市販されている。複数の管膜については、一方を他方の後方に、または互いに平行に、場合によりさらには異なるハウジング、いわゆる膜モジュール中で配置されることも可能である。
セラミックフィルター膜の場合、支持材料は、多孔性無機材料、例えば、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタンなど、またはこれらの物質の混合物からなる。金属膜の場合、焼結金属、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネルまたはチタンなどが支持材料として使用される。例えば、焼結金属支持およびセラミック分離層の材料の組合せも可能である。単一流路膜または平膜の場合、支持材料は、一般に0.05から10mm厚、好ましくは1mmから5mm厚である。
多流路膜の使用が特に好ましい。多流路膜の場合、支持材料は、上記流路が通ずる成形体、例えば、円形または六角形成形体を形成する。多流路膜のためのこのような成形体の外径は、一般に5mmから100mm、好ましくは10mmから50mmである。
β−1,3−グリコシド結合主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有する側基を有するグルカン溶液を調製する本発明による方法において、支持材料の細孔径は、5μmから100μm、好ましくは7μmから100μm、特に好ましくは10μmから60μmである。
前記値は、それぞれの場合において、細孔径D90である。用語「細孔径D90」は、当業者に公知である。細孔径D90は、支持材料の細孔径分布曲線から測定され、「細孔径D90」は、材料の細孔体積の90%が≦細孔径D90の細孔径を有する細孔径である。材料の細孔径分布は、例えば、水銀ポロシメトリーおよび/またはガス吸着法により測定することができる。これらの方法は、原則として当業者に公知であり、例えば、関連規格ISO15901−1EN、ISO15901−2ENおよびISO15901−3ENに記載されている。
場合により、1つ以上の中間層が支持材料に施与されていてもよい。支持層または場合により存在する中間層に続いて分離層が存在する。分離層の平均細孔径は、1から10μm、好ましくは1μmから6μm、特に好ましくは2μmから5μmである。この値は、上記のとおりD90細孔径である。
支持層および分離層の細孔径は、支持層の細孔径が分離層よりも少なくとも1μm大きくなるように、当業者によりそれぞれの場合において選択される。好ましくは、支持層の細孔径は、分離層よりも少なくとも5μm、特に好ましくは少なくとも10μm、例えば少なくとも20μm大きい。
分離層および中間層は、例えば、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、これらの物質の混合物または金属合金からなっていてよい。分離層、中間層および支持材料については、同一の物質から製造される必要はなく;正確には異なる物質の組合せが有利であることも多い。
場合により存在する中間層の厚さは、1μmから500μmである。分離層の平均厚さは、一般に1μmから50μm、好ましくは5μmから200μmである。中間層は、それぞれ選択された支持材料の細孔径と分離層の細孔径との間の細孔径を有する。
本発明による方法を実施するため、非対称フィルター膜を好適なフィルター装置中に設置する。好適なフィルター装置の設計は、原則として当業者に公知である。分離層が支持材料と保持液空間との間に存在すれば有利であるが、本発明はこれに限定されるものではない。
好ましくは、本発明による方法を実施するために管膜を使用することができる。管膜の場合、保持液は、好ましくは1つ以上の流路の内側に導通させ、したがって透過液は支持材料の壁部を通り透過液空間中に外側に向かって現れる。保持液が1つ以上の流路の外側に存在し、透過液が1つ以上の流路の内側に集まることは好ましくない。
管膜は、いわゆる単一流路要素として使用することができる。しかしながら、多流路要素の使用が好ましい。これらの要素は、同一の空間要件と組み合わせてより大きい膜面積、より簡単な設置およびしたがって実質的に低い資本コストの利点を有する。しかしながら、これらの膜要素の場合、透過液は、全支持本体に浸透して膜要素から現れなければならない。構造粘度を有する物質の場合、粘度は、低い流速において特に高く、このことにより、支持本体を通るグルカン溶液の移動がより困難になる。したがって、長い経路および支持本体を通るより複雑な透過液の流れにより、多流路要素は、シゾフィラン溶液のろ過に好適であり得ないことが想定された。
しかしながら、透過液の高粘度および構造粘度特性にかかわらず、多流路要素の使用が可能であり、低い膜透過圧においても高い透過液流を達成することができることが見出された。
本発明によれば、クロスフローの流速は、0.2m/sから20m/s、好ましくは0.5m/sから7m/s、特に好ましくは1m/sから6m/sであるべきである。低すぎる流速は、欠点である。それというのも、循環させるべき大量の保持液により次いで膜が急速に閉塞され、高すぎる流速は不要に高いコストをもたらす。
膜透過圧は、一般に0.1barから10bar、好ましくは0.5barから6bar、殊に1barから4barである。
クロスフロー精密ろ過を実施する温度は、重要ではなく、一般に5℃から150℃、好ましくは10から80℃、特に好ましくは15から40℃である。分別すべき細胞を死滅させることができない場合、すなわち、例えばバイオマスを再循環させる方法においては、温度は15℃から40℃であるべきである。
本発明により使用することができるフィルターユニットの好ましい実施形態を図1に示す。好ましい装置は、循環ポンプP、フィルターモジュールFおよび熱交換器Wを含む。ポンプPにより、フィルター装置F中に配置された膜の表面上の液体の上記クロスフローが生成される。プラント含有物は、熱交換器Wにより自動温度調節することができる。
フィルター装置Fは、膜が隔壁として導入されるハウジングからなる。ハウジングは、いわゆる保持液空間および透過液空間に膜により分割される。ポンプPから到達する液体は、フィードと称され、バイオマスにより汚染されたグルカン溶液である。フィードは、少なくとも1つの供給路を介して保持液空間に流入する。液体流は、濃縮液と称され、少なくとも1つの排出路を通り保持液空間から再度現れる。保持液空間中の圧力は、透過液空間中の圧力よりも高い。圧力差は、膜透過圧と称される。フィード流の一部は、膜を通過し、透過液空間中に集まる。この通過する液体の部分は透過液と称され、バイオマスから分離されたグルカン溶液である。
本発明のさらなる実施形態において、回転内部部材を使用し、または膜自体を回転させることにより膜表面上で高い剪断力を得ることができる。この場合、ダイナミッククロスフローろ過という用語も使用される。ダイナミッククロスフロー精密ろ過を実施するための装置は当業者に公知であり、例えば、Buss−SMS−Cancler GmbH,Duren製のDynaMemモジュールという名称で入手することができる。このようなダイナミッククロスフロー精密ろ過装置の使用の場合、記載された非対称セラミック膜は円盤形態で使用される。
膜ろ過プラントの運転時間は、透過液を用いる定期的な逆洗により場合により延長することができる。この目的のため、保持液空間中の圧力よりも高い圧力を透過液空間中で定期的な間隔において加え、ある量の透過液を膜に通して逆方向に保持液空間中に規定の時間圧入する。この逆洗は、例えば、逆洗ポンプにより、または例えばPall,Bad Kreuznachにより「BACKPULSE DECOLMATEUR BF100」という名称で販売されているピストンシステムの使用により窒素を透過液空間中に圧入することにより行うことができる。逆洗は、1分間から5時間の間隔、好ましくは2分間から60分間の間隔において行うべきであるが、本発明はこの時間サイクルに限定されるものではない。逆洗する透過液の量は、好ましくは、m2膜面積当たり0.05から5リットルの範囲内であるが、好ましくはm2膜面積当たり0.1から2リットルの範囲内である。
使用される発酵排液の質に応じて、使用されるフィルター膜を適切な時間において洗浄することが必要であり得る。フィルター膜の洗浄は、20℃から100℃、特に40℃から80℃の温度において好適な洗浄溶液により膜を処理することにより行うことができる。洗浄溶液として、酸(鉱酸、例えば、リン酸、硝酸など、または有機酸、例えばギ酸など)を使用することができる。酸濃度は、一般に1重量%から10重量%の濃度である。一般に、アルカリ(例えば、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液)の使用により、より良好な洗浄効果が達成される。使用されるアルカリの濃度は、0.1重量%から20重量%である。酸化物質、例えば、過酸化水素、次亜塩素酸塩、特に次亜塩素酸ナトリウムまたは過酢酸などの添加により、洗浄効果を実質的に改善することができる。酸化物質の濃度は、0.5重量%から10重量%、特に1重量%から5重量%であるべきである。洗浄は、特に好ましくは、過酸化水素およびアルカリまたは過酸化水素および次亜塩素酸塩の混合物を用いて実施することができる。膜の洗浄は、プラント操業停止の間に、好ましくは膜ろ過プラント中に設置された状態で、定置洗浄システム(CIPシステム)を用いて行う。m2膜面積当たり50kgからm2膜面積当たり5000kgの量の透過液、好ましくは、m2膜面積当たり50kgからm2当たり1000kgの量の透過液が得られ次第、フィルター膜の洗浄を実施することが有用であることが証明されている。
本発明による方法により、三次鉱油産生に好適な、β−1,3−グリコシド結合主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有する側基を有するグルカンの溶液を簡単な様式において調製することができる。
本発明により使用される非対称膜は経済的である。高い透過液流により、膜プラントは低い資本コストを要求し、低いエネルギー消費を有する。非対称膜は長期の耐用期間を有する。
産生物の良質性は、低いろ過比(MPFR値)により表現される良好なろ過特性から明白である。産生物のMPFR値は、1.001から2.5であるが、特に1.01から2.0である。
シゾフィランの収率、すなわち、発酵排液中に存在するシゾフィランの量に対する、発酵排液から回収することができるシゾフィランの量は、25%から97%、特に30%から95%、殊に好ましくは50%から93%である。
グルカンの収率は、当業者に公知である、水を使用するダイアフィルトレーションプロセスにより場合により増加させることができる。
以下の実施例は、本発明をより詳細に説明するためのものである:
ろ過比(MPFR値)の決定
計測原理:
Milliporeろ過比(MPFR値)の決定において、規定のフィルターを流れる濾液の量は、時間に応じて決定する。MPFR値は、以下の式(I)
MPFR=(t190g−t170g)/(t70g−t50g)(I)
[式中、可変部および式は、以下の意味を有する:
190g=190gの濾液が得られる時間、
170g=170gの濾液が得られる時間、
70g=70gの濾液が得られる時間、
50g=50gの濾液が得られる時間]により決定する。
したがって、それぞれの場合において、それぞれの場合において20gの濾液の流動に要求される時間スパンを決定し、すなわち、ろ過プロセスにおける初期および後期において決定し、商を2つの時間スパンから算出する。MPFR値が大きければ大きいほど、ろ過プロセスの持続時間の増加につれて減速されるろ過速度がより大きくなる。このことは、例えばゲルまたは粒子によるフィルターの閉塞の増加を示す。
MPFR値は、以下の方法により決定する:
1.装置
a)Sartorius圧力ろ過装置16249;フィルター直径47mm;200mlの温浸シリンダー(φi=41mm)を有する
b)Isopore膜1.2μm;φ47mm;番号RTTP04700
c)秤り
2.グルカン溶液の調製
第1に、本実験から得られたグルカン溶液および超純水の混合物の50gを調製し、すなわちグルカンの濃度が1.75g/lになるような比で調製する。混合物を10分間撹拌し、均質性を視覚的に確認する。混合物が依然として不均質である場合、混合物が均質になるまでさらなる撹拌を行う。次いで、200gの超純水を用いて混合物を250gの全量とする。この後、撹拌を均質化のために少なくとも1時間行い、この後に0.1MのNaOHを用いてpHを6.0に調整し、次いで撹拌を再度15分間行う。6.0のpHを再度確認する。混合物中のグルカンの最終濃度は、0.35g/lである。
3.ろ過試験の実施
ろ過試験は、室温(T=25℃)において1.0barの圧力(圧縮空気またはN2)において行う。
−粗格子床を多孔板上に配置し、
−微細格子床を多孔板上に配置し、
−膜フィルターを頂部上に配置し、
−シール材(O−リング)を挿入し、
−多孔板および出口栓をシリンダーにねじ締めし、
−出口栓を閉め、
−220g(約220ml)の溶液を導入し、
−上部カバーをシリンダーにねじ締めし、
−吸気管をクランプし、
−圧力を確認し、1.0barに調整し、
−ビーカーをろ過装置下の秤り上に配置する。風袋を押す。
−出口栓を開け、
−濾液が現れなくなったら試験を停止する。
秤りにより、濾液の量を時間に応じて測定する。それぞれの場合において示される質量は、可視的に読み取ることができるが、無論自動的に読み取り、評価することができる。
保持率:
保持率Rは、膜の分離挙動を特性決定するために使用する(Melin,Rautenbach,上記文献6頁参照)。
R=1−ある時間における(透過液中のグルカンの濃度)をこの時間における保持液中のグルカンの濃度により割ったもの。
グルカンは透過液として得られるので、保持率は可能な限り低くあるべきである。精密ろ過の場合、保持率は一般に0%超である。保持率は時間の過程において変化し得るので、経時的な平均保持率を指標として記載する。
本発明により使用されるフィルター膜を用いると、60%未満の平均保持率、有利な場合においてはさらに30%未満の平均保持率が得られる。このことは、グルカンを発酵ブロスから十分に回収することができることを意味する。
濃縮係数:
発酵ブロスの濃縮において、濃縮係数MKは重要な量である。この係数は、0時間において使用される発酵ブロスの質量を、グルカン単離の終了時の発酵ブロスの質量により割った比として定義される。濃縮係数は可能な限り大きくあるべきである。
本発明による方法を用いると、最大15の濃縮係数、有利な場合においてはさらに最大30の濃縮係数を達成することができる。
比較例
対称フィルター膜を使用するろ過
使用されるクロスフローろ過装置を図2に示す。この装置は、120リットルの容量を有する撹拌二重ジャケット受け器B1、偏心ねじポンプP1、管束熱交換器W1、圧力リリーフ弁V1ならびに2つのフィルターモジュールF1およびF2からなるものであった。フィルターモジュールF1およびF2は、それぞれの場合において300秒の間隔において、それぞれの場合において200mlの透過液を用いて3方向弁V3およびV4により透過液を用いて逆洗し、窒素の圧力は7barであった。容器B1の二重ジャケットおよび熱交換器W1を介してクロスフローろ過プラントの含有物を24℃に冷却した。
フィルターモジュールF1およびF2において、対称管膜、すなわち、セラミックATZ(アルミナ/チタニア/ジルコニア)を含むTAMI製の5流路要素を使用した。膜の細孔径D90は3.5μmであった。膜は、対称構造を有し、分離層または中間層を有しなかった。膜管の長さは1mであり、外径は20mmであった。モジュール要素の膜面積は0.11m2であった。流路の水力直径は6mmであった。
本実験にはシゾフィルム・コムネを使用し、すなわち、「Udo Rau,Biopolymers,A.Steinbuchel編,WILEY−VCH出版,6巻,63−79頁」に記載のシゾフィランを回分発酵において調製した。発酵時間は96時間であった。99.6kgのこの発酵ブロス(=フィード)を容器B1(図2)中に導入し、ポンプP1により7m3/hの循環速度において4bar圧において45分間循環させた。容器の含有物を分析し、1リットル当たり9.8グラムのシゾフィランの含有率が測定された。
次いで、循環速度を5.1m3/hに設定し、1.1barの膜透過圧を加えた。膜透過流速は5m/sであった。フィルターモジュールから現れる透過液を回収し、秤量した。本実験の最初の10分間の間、0.75kgの透過液が得られた。これは、20.4kg/h/m2の透過液流に対応する。膜透過圧は2.9barであった。ろ過を16時間運転し、この時間において6.18kgの透過液が得られた。最後の1時間においては、5.4gの透過液のみを得ることができたにすぎなかった。それというのも、膜が事実上完全に閉塞されたからである。
回収された透過液を分析し、1リットル当たり6.7グラムのグルカン含有率が見出された。したがって、収率は4%にすぎなかった。透過液のMPFR値は2.8であり、本実験の間のグルカンの平均保持率は32%であった。濃縮係数は1.07にすぎなかった。
(実施例1)
非対称フィルター膜を使用するろ過
本実施例においても、実施例1に記載のクロスフローろ過装置を使用した。フィルターモジュールF1およびF2は、それぞれの場合において120秒の間隔において、それぞれの場合において200mlの透過液を用いて3方向弁V3およびV4により透過液を用いて逆洗し、窒素の圧力は4barであった。容器B1の二重ジャケットおよび熱交換器W1によってクロスフローろ過プラントの含有物を22℃に冷却した。
SICを含む非対称管膜、すなわち、37流路要素(St.Gobain製の「CRYSTAR,Type FT3000」モデル)をフィルターモジュールF1およびF2において使用した。膜の細孔径D90は3.0μmであった。支持材料の細孔径D90は、30μmであった。膜管の長さは1mであり、外径は32mmであった。モジュール要素の膜面積は0.42m2であった。流路の水力直径は3.4mmであった。
本実験には実施例1に記載の発酵排液を使用した。115kgのこの発酵ブロス(=フィード)を容器B1中に導入し、ポンプP1により4bar圧および7m3/hの循環速度において50分間循環させた。容器の含有物を分析し、1リットル当たり8.7グラムのシゾフィランの含有率が測定された。
この後、循環速度を4.1m3/hに設定し、1.1barの膜透過圧を加えた。膜透過流速は1.7m/sであった。フィルターモジュールから現れる透過液を回収し、秤量した。透過液取り出しの開始50分後、25kgの発酵ブロスを容器B1に添加した。透過液取り出しの開始16時間20分後、40kgの発酵ブロスを容器B1に添加し、循環速度を6.5m3/hに設定した。この時間まで、77kgの透過液が得られた。これは、5.6kg/m2/hの平均透過液流に対応する。本実験の開始から20時間後、さらなる55kgの発酵ブロスを容器B1に添加した。本実験の開始後22.5時間後、109kgの透過液が透過液容器中で回収された。透過液を分析した。
この第1のろ過工程における透過液のMPFR値は、1.3であった。シゾフィランの含有率は、1リットル当たり6.9グラム(この時間までの平均保持率26%)であり、7/sにおける粘度は1380mPa・sであった。
ここで透過液のための回収容器を交換し、さらなる20kgの発酵ブロスを容器B1に添加し、ろ過をさらに19.5時間運転した。この時間において、さらなる85kgの透過液が得られた。これは、5.1kg/h/m2の平均透過液流に対応する。
第2のろ過工程の間に回収された透過液を分析した。MPFR値は1.2であり、シゾフィランの含有率は1リットル当たり7.8グラム(全実験にわたる平均保持率29%)であり、7/sにおける粘度は1560mPa・sであった。
したがって、両方のろ過工程にわたる収率は64%であった。濃縮係数は4.2であった。
考察
比較例および実施例の値を以下の表1に再度列記する。
Figure 2013514067
これらの実験は、本発明によりろ過された産生物が、MPFR値の決定の間に1.2μmフィルターを閉塞し得る実質的に少ない構成成分を含むことを示す。本発明による方法を用いると、発酵ブロスをさらに大きい程度に濃縮することができる。本発明による方法における収率は、対称フィルター膜を使用する比較例における収率よりもかなり高く、さらに非対称フィルター膜を使用する本発明による実施例における保持率は、対称フィルター膜を使用する比較例における保持率よりもかなり低い。
(実施例2)
非対称フィルター膜を使用するろ過
本実施例においても、実施例1に記載のクロスフローろ過装置を使用した。しかしながら、透過液逆洗のために、装置は2つの「BACKPULSE DECOLMATEUR BF100」ピストンシステム(図3参照、位置B3およびB4)を備えた。フィルターモジュールF1およびF2は、それぞれの場合において900秒の間隔において、それぞれの場合において100mlの透過液を用いてボール弁V3およびV4により透過液を用いて逆洗し、窒素の圧力は10barであった。
容器B1を包囲する二重ジャケットおよび熱交換器W1を使用してクロスフローろ過ユニットの含有物を29℃から30℃に温度制御した。
アルミナを含む非対称管膜、すなわち、19流路要素(Pall製の「MEMBRALOX,Type EP1940」モデル)をフィルターモジュールF1およびF2において使用した。膜の細孔径D90は5.0μmであった。支持材料の細孔径D90は、12μmであった。膜管の長さは1020mmであった。膜管は、丸みのついた角を有する六角形の形状を有し、2つの対向する角間の距離は31mmであり、2つの対向する縁間の距離は28mmである。モジュール要素の膜面積は0.24m2であった。流路の直径は4mmであった。
本実験は、比較例に記載のとおり調製された、1リットル当たり8.3グラムのシゾフィランを含有する発酵排液を用いて実施した。本実験の開始時、100kgのこの発酵ブロス(=フィード)を容器B1中に導入し、ポンプP1の循環速度を2.8m3/hに設定し、膜透過圧を0.9barに設定した。膜透過流速は1.6m/sであった。フィルターモジュールから現れる透過液を回収し、秤量した。透過液取り出しの開始20分後、41kgの発酵ブロスを容器B1に添加した。透過液取り出しの開始10時間35分後、膜透過圧は1.8barに上昇した。透過液取り出しを中断した。この時間まで、100.6kgの透過液が得られた。これは、19.8kg/m2/hの平均透過液流に対応する。透過液を分析した。この第1のろ過工程における透過液のMPFR値は、1.7であった。シゾフィランの含有率は、1リットル当たり6.3グラムであった。
ここで透過液のための回収容器を交換し、さらなる107kgの発酵ブロスを容器B1に添加し、膜透過圧を1.2barに設定した。この第2のろ過工程の開始から7時間55分後、24.3kgの透過液が回収された。これは、6.4kg/m2/hの平均透過液流に対応する。この第1のろ過工程における透過液の分析は、1.6のMPFR値および1リットル当たり7.4グラムのシゾフィランの含有率を示した。
ここで透過液のための回収容器を交換し、ろ過をさらに15時間運転した。この時間において、さらなる47.2kgの透過液が得られ、膜透過圧は1.5barに上昇した。平均透過液流は6.6kg/h/m2であった。第3のろ過工程の間に回収された透過液を分析した。MPFR値は2.2であり、シゾフィランの含有率は1リットル当たり7.7グラムであった。
3つのろ過工程にわたるグルカンの収率は57%であり、濃縮係数は3.3であり、保持率は28%であった。

Claims (12)

  1. β−1,3−グリコシド結合主鎖および該主鎖へのβ−1,6−グリコシド結合を有する側基を有するグルカンの水溶液を調製する方法であって、
    前記構造のグルカンを分泌する菌株を水性培養培地中で発酵させ、続いてグルカンおよびバイオマスを含む該水性発酵ブロスからクロスフロー精密ろ過により得られたグルカンの水溶液を分離することを含み、支持材料の少なくとも1つの層および少なくとも1つの分離層を含む非対称フィルター膜を該クロスフロー精密ろ過に使用し、該分離層の細孔径が1μmから10μmであり、該支持材料の細孔径が5μmから100μmであり、但し、該分離層の細孔径が該支持材料の細孔径よりも少なくとも1μm大きく、該クロスフローの流速が0.2m/sから20m/sであり、膜透過圧が0.1から10barである方法。
  2. 該分離層の細孔径が、該支持材料の細孔径よりも少なくとも5μm大きい、請求項1に記載の方法。
  3. 該発酵を、15から40℃の温度において曝気および運動させながら実施する、請求項1または2に記載の方法。
  4. 該菌株が、シゾフィルム・コムネまたはスクレロチウム・ロルフシイである、請求項1に記載の方法。
  5. セラミック非対称フィルター膜を使用する、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
  6. 非対称金属フィルター膜を使用する、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
  7. 非対称フィルター膜として多流路要素を使用する、請求項1から6のいずれかに記載の方法。
  8. ろ過すべき該発酵ブロス中の該グルカンの濃度が少なくとも3g/lである、請求項1から7のいずれかに記載の方法。
  9. 該非対称フィルター膜を定期的に逆洗する、請求項1から8のいずれかに記載の方法。
  10. 該発酵を、少なくとも1つの発酵容器を含むプラント中で実施し、バイオマスおよびグルカンを含む発酵ブロスを該プラントから側流を介して取り出し、グルカンの水溶液を該ブロスからクロスフロー精密ろ過により分別し、バイオマスを含む残留発酵ブロスの少なくとも一部を該発酵容器に再循環させる、請求項1から9のいずれかに記載の方法。
  11. 該膜を、過酸化水素およびアルカリの混合物を用いて定期的間隔において洗浄し、但し、それぞれの場合において、それぞれの先行する洗浄後にm2膜面積当たり50kgからm2膜面積当たり5000kgの量の透過液が達成され次第、該洗浄を行うことを条件とする、請求項1から10のいずれかに記載の方法。
  12. 該膜を、次亜塩素酸塩およびアルカリの混合物を用いて定期的間隔において洗浄し、但し、それぞれの場合において、それぞれの先行する洗浄後にm2膜面積当たり50kgからm2膜面積当たり5000kgの量の透過液が達成され次第、該洗浄を行うことを条件とする、請求項1から10のいずれかに記載の方法。
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