JP2022051393A - 微生物または細胞の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置に用いられるマルチノズル - Google Patents

Abstract

【課題】微生物等の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブル（微細気泡）が適用される生物反応装置において採用した場合、撹拌機を使用することなく、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができるマルチノズルを提供する。【解決手段】生物培養液に、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有させる微細気泡発生装置、および培養槽側の出口に設けられた複数の吐出口を備え、複数の吐出口から、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出する。【選択図】図１

Description

本発明は、微生物または細胞（以下、「微生物等」ともいう。）の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置に用いられるマルチノズル、より具体的には、培養槽に収容された、培養液と微生物等を含有する生物培養液（以下、「生物培養液」ともいう。）に、微生物等の培養に有用な気体を含むファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させる生物反応装置に適用されるマルチノズルに関し、撹拌機を使用することなく、培養槽に収容された生物培養液（以下、「培養槽の生物培養液」ともいう。）を撹拌するために用いられるものである。

生物反応は、化学反応と異なり、反応自体は遅いが、多大なエネルギーや多くの化学物質を使用しないので、環境にとって温和で有意義な反応である。

しかしながら、生物反応は、一般的に反応が遅いという問題がある。すなわち、化学反応は、１時間以内の反応で十分な場合が多いのに対して、生物反応の場合は、数時間から長い場合は数日または特に長い場合数週間以上の反応時間を要する場合もある。このため、生物反応を効率的、経済的に行うことが求められている。

本発明者等は、特許文献１～４等において、酸素含有気体のマイクロナノバブルを用いて、微生物等の生物反応を効率的かつ経済的に行うことを提案している。なお、本件の特許請求の範囲および明細書では、従来の「マイクロバブル」、「ナノバブル」を、それぞれ、「ファインバブル」、「ウルトラファインバブル」と称する。

しかしながら、特許文献１～４の生物反応装置では、撹拌機を使用して、培養槽の生物培養液を撹拌することから、
ａ）ストレス・ダメージを受けて、微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、
ｂ）生物反応前の培地滅菌が行いにくい箇所（撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等）が生じ、雑菌混入（コンタミネーション）を防止するのが難しい、
ｃ）撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する
等の問題が生じる。

特許文献５および６では、撹拌機を使用しない微生物等の培養方法が提案されている。しかしながら、特許文献５では、菌体の流加培養（菌体の増殖に伴って培地の量を増加させる）という特殊な培養において、培養タンク本体内に設けるという特殊な構造を採用して、内筒内外の液の比重差を利用して自然循環流が行われる。また、特許文献６では、細胞の培養を、鉛直な一対の培養筒の下部を連結した反応槽という特殊な反応槽を用いて、両培養筒の下部に接続したガス吹込手段から交互にガスを吹き込んで培養液を撹拌するという特殊な方法で撹拌が行われる。このように、特許文献５および６に開示された撹拌手法は、培養槽内の構造が複雑となり、雑菌の混入防止が困難であることから、一般的な培養槽を用いる生物反応装置では採用できないものである。

また、特許文献７には、図２１に示すように、担体２０１に付着させた細胞２０２を培養する培養槽２０３において、培養槽２０３の培養液中で攪拌流が形成されるように、培養槽２０３の培養液中に、拡大した吐出口２０４の内側に整流板２０５を備えた吐出ノズル２０６を配置し、該吐出ノズル２０６からマイクロバブルを含有させた培養液を吐出するようにした付着性細胞培養装置が記載されている。しかしながら、特許文献７の付着性細胞培養装置では、段落［０００５］に記載されているように、付着性細胞を培養する場合の特殊事情（攪拌羽を回転させて培養液を攪拌すると、その攪拌羽の機械的なせん断力により担体２０１から細胞２０２が剥離してしまう虞がある）に鑑み、上記のような特殊な攪拌手法が採用されているものであり、培養槽２０３の培養液の攪拌力は小さく、一般的な生物反応装置では採用できないものである。さらに、培養槽２０３の培養液中に吐出ノズル２０６等を設けることから、雑菌の混入防止が困難となり、一般的な生物反応装置では採用できないものである。

本発明者等は、次の事項を見いだし、本発明をなしたものである。
１）従来の生物反応装置では、撹拌機は、ｉ）培養槽に供給される気体の気泡を細かく剪断する目的、およびｉｉ）培養槽の生物培養液を均一に混合する目的で用いられているが、特許文献１～４のような、酸素含有気体のファインバブル・ウルトラファインバブルを用いる生物反応装置では、既に上記ｉ）の目的は十分に達成されていることから、上記ｉｉ）の目的が達成できれば、撹拌機を使用する必要性が乏しいこと。
２）上記ｉｉ）の目的は、培養槽に還流される、上記ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出するように設けられている複数の吐出口を備えたマルチノズルを用いて培養槽に向けて吐出することにより、経済的かつ効率的に達成できること。
３）上記ファインバブル・ウルトラファインバブルに含有させる気体として、特許文献１～４のような＜好気性または通性嫌気性微生物等＞の培養では酸素を含有する気体が用いられるが、これに限らず、＜偏性嫌気性微生物等＞の培養では、窒素を含有する気体を用いて、また、天然ガス由来の炭素ガス（炭酸ガス、メタンガス等）から有機物（アミノ酸、有機酸、タンパク質等）を生成する微生物＜有機物合成微生物等＞の培養では、炭酸ガス、メタンガス等の天然ガス由来の炭素ガスを用いて、同様に、撹拌機を使用することなく培養が行えること。

上記１）～３）の着想に基づいて成された本発明のマルチノズルは、微生物等の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置において採用した場合、撹拌機を使用することなく、生物培養液に、空気、酸素、窒素、二酸化炭素、天然ガス由来の炭素ガス、火力発電所から排出される炭酸ガス等の微生物等の培養に有用な気体（以下、「有用気体」ともいう。）を含有する気体のファインバブル・ウルトラファインバブル（以下、「微細気泡」ともいう。）を含有させた生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出できることを特徴とするものであり、これにより、微生物等の活性を低下させずに、上記ａ）～ｃ）の問題が解決できると共に、撹拌を経済的かつ効率的に行うことができる。

本発明のマルチノズルは、特許請求の範囲の請求項１～１３で規定した構造を有するものであり、ａ）培養槽から抜き出されて循環される生物培養液の水流を利用して、有用気体の微細気泡を発生させると共に、ｂ）有用気体の微細気泡を含有させた生物培養液（以下、「微細気泡含有生物培養液」ともいう。）を、複数の吐出口から、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出することにより、培養槽の生物培養液を撹拌し、培養槽中の有用気体の微細気泡を始め生物培養液を均一に混合するものである。本発明のノズルは、搬送管路／吐出管路／吐出口を備えたノズルを複数本束ねた構造をしていることから、マルチノズルと称する。

特許第５９８５１１４号公報 特許第６０８７４７６号公報 特許第６１３８３９０号公報 特許第６４９９２０３号公報 特開平６－３２７４６０号公報 特開２０１２－１１５２３２号公報 特開２０１１－１２０５３５号公報

本発明のマルチノズルの課題は、有用気体を含有する気体の微細気泡が適用される生物反応装置に適用した場合、撹拌機を使用せずに培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持できると共に、撹拌機を使用しないことにより、生物反応装置の培養槽の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる、ひいては、撹拌を経済的かつ効率的に行うことのできるマルチノズルを提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明のマルチノズルは、生物培養液に、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有させる微細気泡発生装置、および培養槽側の出口に設けられた複数の吐出口を備え、複数の吐出口から、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出することにより、培養槽の生物培養液を撹拌することができる。

本発明のマルチノズルは、上記のように、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用せずに、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。

さらに、本発明のマルチノズルを微生物等の培養に有用な気体を含有する微細気泡が適用される生物反応装置において採用した場合、上記のように撹拌機を使用する必要がなくなり、生物反応装置の培養槽の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる。

そして、撹拌機を使用しないことにより、ａ）微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、ｂ）生物反応前の滅菌が行いにくい箇所（撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等）が生じ雑菌混入（コンタミネーション）を防止するのが難しい、ｃ）撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の従来の問題を解決することができる。

このように、撹拌機を使用せず本発明のマルチノズルを用いることにより、培養槽の生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。

本発明のマルチノズルの概要を示す断面模式図である。 図１のＸ－Ｘ’断面を示す断面模式図である。 図１の左端面を示す外観模式図である。 本発明のマルチノズルにおける搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度を説明するための模式図である。 本発明のマルチノズルにおける搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度を説明するための模式図である。 本発明のマルチノズルが適用された生物反応装置の第１実施形態の概要を示す模式図である。 本発明のマルチノズルが適用された生物反応装置の第２実施形態の概要を示す模式図である。 本発明のマルチノズルが適用された生物反応装置の第３実施形態の概要を示す模式図である。 本発明のマルチノズルで用いられる微細気泡発生装置の概要を示す断面模式図である。 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第１例を示す外観模式図である。 図１０の微細気泡発生装置の作動状態を示す断面模式図である。 図１１における、Ｉ－Ｉ断面を示す模式図である。 気体供給部を設けた、図１０の微細気泡発生装置の外見を示す模式図である。 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第２例を示す断面模式図である。 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第３例を示す断面模式図である。 本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置の第４例を示す断面模式図である。 従来の微細気泡発生装置の外観を示す模式図である。 従来の微細気泡発生装置の断面を示す模式図である。 図１８における、ＩＩ－ＩＩ断面を示す模式図である。 従来の撹拌機を用いた生物反応装置を示す模式図である。 特許文献７の付着性細胞培養装置を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態を、添付の図面も参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜本発明のマルチノズルの一般的事項＞
まず、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置の一般的事項について説明する。

本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、［好気性または通性嫌気性微生物等］の培養に好適に用いることができる。具体的には、醸造、発酵等による食品、薬品、化学品等の製造、バイオマスを利用したバイオエタノールの製造等の微生物等による反応生成物の製造のみならず、微生物等の増殖にも適用できる。［好気性または通性嫌気性微生物等］を培養する場合には、有用気体として酸素を含有する気体が用いられる。

［好気性または通性嫌気性微生物等］を用いた生物反応は、培養槽に収容した微生物等を含有する培養液中において、培養液を栄養源として、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させるものである。

［好気性または通性嫌気性微生物等］の培養液としては、糖類、窒素源が含有されたものを用いる。糖類としては、通常、マルトース、スクロース、グルコース、フルクトース、これらの混合物等の糖類、エタノール等が用いられ、培養液における糖類の濃度は、特に限定されないものの、０．１～１０ｗ／ｖ％とするのが好ましい。また、窒素源としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウムまたはコーンスティープリカー、酵母エキス、肉エキス、ペプトン等が用いられ、０．１～１０ｗ／ｖ％とするのが好ましい。さらに、培養液には糖類、窒素源以外にも、必要に応じて、ビタミン、無機塩類等を添加することが好ましい。

［好気性または通性嫌気性微生物等］としては、醸造、発酵等の技術分野で従来用いられている、アスペルギルス菌等の麹菌、納豆菌、酢酸菌、酵母菌、乳酸菌等の好気性および通性嫌気性の微生物のほか、遺伝子組み換え技術で創り出される各種好気性および通性嫌気性の微生物を用いることができる。また、細胞としては、例えば、抗体医薬として使用される生理活性ペプチドまたは蛋白質を製造するための動物細胞、とりわけ遺伝子組換え動物細胞等が挙げられる。

さらに、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、ビフィズス菌等の大気レベルの濃度の酸素に暴露することにより生育が阻害される［偏性嫌気性微生物等］の培養にも用いることができる。［偏性嫌気性微生物等］を培養する場合には、有用気体として窒素が用いられる。

さらに、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、天然ガス由来の炭素ガス（炭酸ガス、メタンガス）、火力発電所から排出される炭酸ガス等から、アミノ酸、有機酸、タンパク質等の有機物を生成する［有機物合成微生物等］の培養にも用いることができる。［有機物合成微生物等］を培養する場合には、有用気体として、天然ガス由来の炭素ガス、火力発電所から排出される炭酸ガス等が用いられる。

＜本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置において用いられる微細気泡＞
次に、本発明のマルチノズル、および、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置において用いられる微細気泡について説明する。

本発明のマルチノズル、および、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置において用いられる「ファインバブル・ウルトラファインバブル」（微細気泡）とは、「ファインバブル」および／または「ウルトラファインバブル」を意味する。「通常の気泡」は水中を急速に上昇して表面で破裂して消えるのに対し、「ファインバブル」といわれる直径１００μｍ以下の微小気泡は、水中で縮小していって消滅し、この際に、フリーラジカルと共に、直径１μｍ以下の極微小気泡である「ウルトラファインバブル」を発生し、この「ウルトラファインバブル」は比較的長時間水中に残存する。

本発明のマルチノズル、および、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置においては、個数平均直径が１００μｍ以下の気泡を「ファインバブル」といい、個数平均直径が１μｍ以下の気泡を「ウルトラファインバブル」という。「ファインバブル・ウルトラファインバブル」（微細気泡）の気泡径を測定する方法としては、画像解析法、レーザー回折散乱法、電気的検知帯法、共振式質量測定法、光ファイバープローブ法等が一般に用いられ、ナノバブルの気泡径を測定する方法としては、動的光散乱法、ブラウン運動トラッキング法、電気的検知帯法、共振式質量測定法等が一般に用いられている。

＜本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置の特徴＞
まず、従来用いられている、酸素含有気体の微細気泡を含有させて微生物等を培養する生物反応装置について説明する。

図２０に示すように、従来の生物反応装置では、培養槽ポンプ１０１により培養槽１０２から生物培養液１０３を抜き出し、酸素含有気体ａが供給される微細気泡発生装置１０４により酸素含有気体ａの微細気泡を含有させて、培養槽１０２に還流すると共に、撹拌機１０５により培養槽１０２中の生物培養液１０３を撹拌している。また、培養槽ポンプ１０１と微細気泡発生装置１０４との間にろ過器（図示せず）を配置して、培養槽１０２から抜き出した生物培養液１０３から分離したろ過液を、微細気泡発生装置１０４に供給することも行われている。

本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置は、図６の第１実施形態のように、生物培養液１を収容する培養槽２、培養槽ポンプ３等により生物培養液１を培養槽２から抜き出す抜出管路４を備えており、マルチノズル５は、抜出管路４と培養槽２との間に配され、生物培養液１を培養槽２に還流する。マルチノズル５は、生物培養液１に、有用気体を含有する気体Ａの微細気泡を含有させる微細気泡発生装置５－１、および培養槽２側の出口に設けられた複数の吐出口５－２を備えており、複数の吐出口５－２が、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル５の中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出するように設けられていることを特徴とするものである。

＜本発明のマルチノズルの設置＞
本発明のマルチノズルは培養槽２の外側に設置されるが、培養槽２に収容された生物培養液１が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズルの個数、マルチノズルの設置位置等の設定できる。例えば、図６の第１実施形態のように縦型培養槽２の底部にマルチノズル５を１個設置することもできるし、図７の第２実施形態のように縦型培養槽２の側面部にマルチノズル５を１個設置することもできるし、また、図８の第３実施形態のように横型培養槽２の底部にマルチノズル５を複数個設置することもできる。

本発明のマルチノズルが設置される培養槽の形状としては、一般に用いられている円筒形、立方体形、直方体形のものを用いることができるが、撹拌を均一・均質に行う観点からは、円筒形のものが好ましい。

また、本発明のマルチノズルが設置される培養槽としては、図６の第１実施形態および図７の第２実施形態のような縦型培養槽、または、図８の第３実施形態のような横型培養槽が挙げられるが、横型培養槽が好ましい。図８の第３実施形態のような横型培養槽に設置することにより、培養槽２に収容された生物培養液１が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズル５の個数、マルチノズル５の設置位置等の設計を行う際の選択肢を増やすことができ、望ましい撹拌状態を実現しやすくなる。また、生物培養液１の単位体積当たりに供給される微細気泡の量を一定とすると、横型培養槽を用いた場合には、生物培養液１の表面当たりの微細気泡の量を小さくできるため、生物培養液１の表面に形成される泡の厚みを小さくすることができる。

＜マルチノズルの設置数＞
本発明のマルチノズル５は、培養槽２に複数個設けることが好ましい。マルチノズル５を複数個設けることにより、培養槽２に収容された生物培養液１が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズルの個数、マルチノズルの設置位置等の設計を行う際の選択肢を増やすことができ、望ましい撹拌状態を実現しやすくなる。さらに、複数個のマルチノズルから吐出される、微細気泡含有生物培養液の吐出量を、複数個のマルチノズルにおいてそれぞれ独立して調整することにより、望ましい撹拌状態を実現するために設計を行う際の選択肢を更に増やすことができる。

このように、本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置では、有用気体を含有する気体Ａの微細気泡含有生物培養液を、培養槽２に還流する際に、マルチノズル５の中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用することなく、微生物等の活性が維持できる生物反応装置および生物反応方法を提供することができる。そして、撹拌機を使用しないことにより、ａ）微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、ｂ）生物反応前の滅菌が行いにくい箇所（撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等）が生じ雑菌混入（コンタミネーション）を防止するのが難しい、ｃ）撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の従来の問題を解決することができる。さらに、培養槽内面にバッフル・邪魔板等の部材を設ける必要がないことから、培養槽内面にテフロン加工（テフロン：登録商標）を施し、汚れの付着防止、雑菌混入（コンタミネーション）のリスク低減を図ることができる。このように、撹拌機を使用せずマルチノズルを用いることにより、培養槽の生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。

本発明のマルチノズルが適用される生物反応装置では、抜出管路４とマルチノズル５との間に、培養槽２から抜き出した生物培養液１を、ろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離するろ過器を配置し、このろ過液を、マルチノズル５に供給することができる。このように、微生物等を除いたろ過液に有用気体を含有する気体Ａの微細気泡を含有させ、マルチノズル５の吐出口５－２から吐出することにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。ろ過液を除いた生物培養液は、回収されるか、または、別の管路を通じて培養槽２に還流される。

＜本発明のマルチノズルの好適な態様＞
次に、本発明のマルチノズルの好適な態様について、図１～図５を用いて説明する。

好適なマルチノズル５としては、図１に示すように、
１）抜出管路４に接続された下端部５－３、
２）培養槽２に接続された上端部５－４、
３）下端部５－３に供給された生物培養液１を分流し、上端部５－４側に搬送する、ノズルの中心軸Ｂに沿って設けられた複数の搬送管路５－５、
４）各搬送管路５－５に接続された、複数の吐出管路５－６、および
５）各吐出管路５－６の培養槽２側の出口に設けられた、複数の吐出口５－２
を備えており、複数の吐出口５－２が、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル５の中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出するように設けられていることを特徴とする。

マルチノズル５の複数の吐出口５－２は、上記のように、通常は、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル５の中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出するように設けられるが、複数の吐出口５－２が培養槽２の壁面より内側に突出して設置される場合には、微細気泡含有生物培養液を、中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して９０°を超え１８０°未満となる方向に吐出することもできる。このように、微細気泡含有生物培養液を中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して９０°を超え１８０°未満となる方向に吐出すると、培養槽２の内壁面に微細気泡含有生物培養液が衝突する、微細気泡の浮上を抑制する等の作用が生じることから、培養槽２に収容された生物培養液１を適切に撹拌するための設計を行う際の選択肢を増やすことができる。

図２は、図１のＸ－Ｘ’断面を示す断面模式図であるが、このように、複数の搬送管路５－５は、マルチノズル５の中心軸Ｂに沿って設けられる。また、図３は、図１の左端面を示す外観模式図であるが、このように、複数の吐出口５－２は、マルチノズル５の中心軸Ｂに対して対称的に、上端部５－４の周囲に沿って配置されるのが好ましい。

図１には、微細気泡発生装置５－１を図示していないが、微細気泡発生装置５－１の設置の態様としては、
ａ）下端部５－３と搬送管路５－５の間に、１つの微細気泡発生装置５－１を設ける態様、
ｂ）各吐出管路５－６に、それぞれ微細気泡発生装置５－１を設ける態様、または
ｃ）各搬送管路５－５に、それぞれ微細気泡発生装置５－１を設ける態様
を採用することができる。

上記ａ）の態様は、設置、維持等のコストの観点から好ましく、上記ｂ）およびｃ）の態様は、各吐出口５－２から吐出される生物培養液１の微細気泡量を個別に調整できる観点から好ましい。

＜微細気泡含有生物培養液の吐出＞
本発明のマルチノズルでは、複数の吐出口は、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出するように設けられている。これにより、複数の吐出口から吐出される微細気泡含有生物培養液により、撹拌機を使用することなく、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。

微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル５の中心軸Ｂの培養槽２側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出するために、接続された一対の搬送管路５－５および吐出管路５－６の位置関係を次のように設定することができる。

［位置関係Ａ］
図４および図５に示すように、接続された一対の搬送管路５－５および吐出管路５－６を含む各平面Ｃにおいて、搬送管路５－５と吐出管路５－６が成す鋭角側の角度αを９０°を超え１８０°未満に設定する。

この位置関係Ａにより、各吐出口５－２から吐出される、微細気泡含有生物培養液の方向を、マルチノズル５の中心軸Ｂから遠ざかる多方向として、培養槽２に収容された生物培養液１を撹拌することができる。

吐出口５－２の数をｎ個とすると、接続された搬送管路５－５および吐出管路５－６の各対１～ｎにおける角度α１～αｎは、９０°を超え１８０°未満の範囲において個別に適宜設定することができる。

［位置関係Ｂ］
図５に示すように、接続された一対の搬送管路５－５および吐出管路５－６を含む各平面Ｃと、各平面Ｃに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Ｂを含む平面Ｄが成す鋭角側の角度βを０°を超え９０°未満に設定する。

この位置関係Ｂにより、各吐出口５－２から吐出される、微細気泡含有生物培養液の方向を、中心軸Ｂを中心とする多方向として、培養槽２に収容された生物培養液１を撹拌することができる。

吐出口５－２の数をｎ個とすると、平面Ｃとこれに対応する平面Ｄはｎ対存在するが、各対における角度β１～βｎは、０°を超え９０°未満の範囲において個別に適宜設定することができる。

上記角度α１～αｎおよび角度β１～βｎは、培養槽２の形状、吐出口５－２の個数・設置位置等に応じて、培養槽２に収容された生物培養液１が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により適宜設定することができる。

＜マルチノズルに設けられる微細気泡発生装置＞
本発明のマルチノズルで用いる微細気泡発生装置としては、公知または市販されている、水流方式の微細気泡発生装置を用いることができる。

水流方式の微細気泡発生装置としては、図９に示すようなものが挙げられる。この微細気泡発生装置６では、圧をかけた状態で微細気泡発生装置６の入口部６－１から生物培養液を供給し、管路の径を絞って流速を上げながら、のど部６－２で乱流を発生させる。この状態で、有用気体を含有する気体Ａを気体入口６－３から供給し、吸引部６－４において生物培養液と混合し、水流により微細気泡となり、出口部６－５から、有用気体を含有する気体Ａの微細気泡を含有する生物培養液が排出される。

＜本発明のマルチノズルで好適に用いられる微細気泡発生装置＞
本発明のマルチノズルでは、図１０～図１３に示す第１例、図１４に示す第２例、図１５に示す第３例、および図１６に示す第４例のような微細気泡発生装置６を好適に用いることができる。

図１７～図１８に示すような従来の微細気泡発生装置６では、筒状体からなる本体６－６内を流れる液体に対して、本体６－６の中心軸に垂直な面に沿って、側面に設けられた複数の空気噴出口９から吹き込まれた気体は、気体の複数の帯Ｇ’を形成して本体６－６の内面に沿って流れ出口部６－５付近で微細気泡Ｈ’となるため、微細気泡の生成効率が悪く、液体の微細気泡含有率を効率良く十分に高めることは難しい。

一方、図１０～図１３に示す第１例、図１４に示す第２例、図１５に示す第３例、および図１６に示す第４例のような微細気泡発生装置６では、図１１および図１２に示すように、本体６－６内を流れる液体に対して、本体６－６の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられたスリット７から吹き込まれた気体は、本体６－６の内面に沿って気体の連続する幅広の薄層Ｇ（以下、「薄層Ｇ」ともいう。）を形成して本体６－６の内面に沿って流れ、微細気泡Ｈが徐々に形成されると共に、出口部６－５付近で多量の微細気泡Ｈが形成されるため、微細気泡の生成効率を向上させ、液体の微細気泡含有率を効率良く十分に高めることができる。さらに、薄層Ｇが、微生物等が微細気泡発生装置６の内面に衝突するのを防止するクッションの役割を果たすため、微生物等がストレス・ダメージを受けたりするのを低減することができる。

微細気泡発生装置６の本体６－６の筒状体６－６ａの断面形状は、円形または矩形とすることができるが、円形とするのが好ましい。断面形状を円形とすることにより、薄層Ｇの厚さを均等なものとでき、液体の微細気泡含有率を効率良く高められる傾向にある。本体６－６の筒状体６－６ａの断面形状は、図１２に示すように真円形であってもよいし、略真円形または楕円形であってもよい。

なお、微細気泡発生装置６において、スリット７は、「本体６－６の中心軸に垂直な面（以下、「垂直面」ともいう。）に沿って設けられる」が、これは、垂直面に大凡沿って設けられることを意味する。また、微細気泡発生装置６において、スリット７は、「本体６－６の側面に連続して設けられる」が、後で述べるように、本体６－６を１本の筒状体６－６ａで形成するような場合、スリット７を設けることにより本体６－６が分離しないように、一部に接続部を残すこともできる。

また、筒状体６－６ａからなる本体６－６には、その中心軸に沿って棒状体、好ましくは断面形状が円形の棒状体を配することが好ましい。これにより、本体６－６への液体の供給量が同じであっても、本体６－６内を流れる液体の流速（以下、「液体の流速」ともいう。）を高くできるので、薄層Ｇを安定的に形成することができ、また、ファインバブル乃至ウルトラファインバブルの微細気泡を含有する液体を効率良く生成することができる。

微細気泡発生装置６において、薄層Ｇを円滑に形成するためには、
１）液体の流速、および
２）本体６－６内の液体の流れに直交する方向への、スリット７から吹き込まれる気体の流速（以下、「気体の流速」ともいう。）
のバランスを適切なものとすることが必要である。液体の流速に比べ気体の流速が大きすぎる場合には、本体６－６の中心軸近くまで気体が吹き込まれ、薄層Ｇを形成するのが困難となる。一方、液体の流速に比べ気体の流速が小さすぎる場合には、液体がスリット７から本体６－６の外部に漏れ出すこととなる。

＜気体供給部＞
図１３に示すように、本発明において用いられる微細気泡発生装置６においては、スリット７に加圧された気体（例えば、加圧された空気および／または酸素）を供給する気体供給部８が接続される。好適には、気体供給部８は、スリット７を囲むように、本体６－６の外部に気密に設けられる。

気体供給部８に供給される気体の圧力（以下、「気体の圧力」ともいう。）は、基本的には、液体がスリット７から本体６－６の外部に漏れ出さないようにするために、本体６－６内を流れる液体の圧力よりも高くすることが好ましい。

一方、気体の圧力を高くするとこれに伴い気体の流速が大きくなるため、気体の圧力を高くしすぎると、液体の流速に比べ気体の流速が大きくなりすぎ、薄層Ｇを形成するのが困難となる傾向にある。

気体の圧力は、これらの要素を考慮して適切な値を設定することができるが、通常は、液体がスリット７から本体６－６の外部に漏れ出さない圧力（例えば、１．５ａｔｍ）を下限値とし、３．０ａｔｍを上限値とするのが好ましい。

＜スリット＞
微細気泡発生装置６のスリット７は、図１０～１１および図１４～１６に示すように、本体６－６の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられた細孔である。

スリット７の間隙は、液体の流速、気体の流速、気体の圧力も考慮して、薄層Ｇを形成できる適切な値を設定することができる。

また、スリット７の間隙は、狭すぎると微細気泡Ｈの生成効率が低下し、広すぎると出口部６－５付近で薄層Ｇから微細気泡Ｈが形成されにくくなるので、これらの要素も考慮して適切な値を設定することができる。

スリット７の間隙は、これらの要素を考慮して適切な値を設定することができるが、通常は０．５ｍｍ～２．０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ～１．５ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ～０．８ｍｍの範囲に設定することができる。

液体の微細気泡含有率を効率良く高めるためには、気体の流速を大きくして気体の吹き込み量を増加することが好ましいが、一方で、上記＜マルチノズルに設けられる微細気泡発生装置＞で説明したように、気体の流速を液体の流速に比べて大きくするに伴い、薄層Ｇを形成するのが困難となる。

上記の「液体の微細気泡含有率の向上」と「薄層Ｇの安定的な形成」とを両立させるためには、図１４に示す第２例、図１５に示す第３例、および図１６に示す第４例の微細気泡発生装置のように、スリット７を本体６－６の中心軸に垂直な面に対して上流側に傾斜させることが好ましい。これにより、気体の流速自体を大きくしても、薄層Ｇの形成を妨げる、本体６－６内の液体の流れに直交する方向への気体の流速を低減できる作用が生じる。本体６－６の中心軸に垂直な面に対して上流側に傾斜する角度θ（以下、「傾斜角度θ」ともいう。）は、液体の流速、気体の流速等に応じて薄層Ｇを安定的に形成できるように鋭角とすることができる。傾斜角度θは、上記作用を考慮して、０°以上８０°以下とするのが好ましく、６０°以上８０°以下とするのがより好ましく、７０°以上８０°以下とするのがさらに好ましい。

また、上記の「液体の微細気泡含有率の向上」と「薄層Ｇの安定的な形成」とを両立させるためには、スリット７を本体６－６に複数段設けることも好ましい。これにより、気体の流速自体を大きくしなくても、気体の吹き込み量を増加することができる。スリット７の段数は、気体の吹き込み量を増加する観点からは多い方が好ましいが、多すぎるとノズルの構造が複雑になり製造コスト・メンテナンスコストが高くなることから、これらの要素を考慮して適宜設定することができる。スリット７の段数は、通常、１～３段とするのが好ましい。

＜スリットの形成＞
スリット７は、図１０～図１３に示す第１例のように、本体６－６を１本の筒状体６－６ａで形成し、一部に接続部を残して筒状体の周面を切削して形成することもできるし、また、図１４に示す第２例、図１５に示す第３例、および図１６に示す第４例のように、本体６－６を２本以上の筒状体６－６ｂ、６－６ｃ等で形成し、これらの筒状体６－６ｂ、６－６ｃ等の接続部に形成することもできる。

図１４に示す第２例では、本体６－６を２本の断面形状が円形の筒状体６－６ｂ、６－６ｃで形成し、これらの筒状体６－６ｂ、６－６ｃ等の接続部に傾斜角度θのスリット７を形成しているが、この第２例では、断面積の小さいスリット７が長くなることに伴い、スリット７の洗浄がやりにくくなる、本体６－６内に供給される気体の圧力が圧力損失により低下する等の懸念がある。

図１５に示す第３例は、上記懸念を解消するものであり、断面形状が円形の筒状体６－６ｃにおいて、断面形状が円形の筒状体６－６ｂとの接続部の先端部を切除することにより、スリット７の長さを短くしたものである。これにより、スリット７の洗浄を容易にし、本体６－６内に供給される気体の圧力損失を低減することができる。

＜出口部＞
図１１に示すように、出口部６－５付近で、薄層Ｇが本体６－６の内面から離れて微細気泡Ｈが形成されるが、薄層Ｇが本体６－６の内面から離れやすくするために、出口部６－５付近における本体６－６の内径を、下流側に向けて漸次拡張することができる。

また、図１６に示す第４例のように、出口部６－５付近の本体６－６の内面に凹凸を形成し、液体の流れに乱流を生じさせることにより、微細気泡Ｈの形成を促進することができる。本体６－６の内面に凹凸を形成する手段としては、本体６－６の内面を切削して凹部を形成する手段、本体６－６の内面にコイル状の部材を接合して凸部を形成する手段等が挙げられる。

＜その他＞
微生物等の培養に有用な気体として酸素を用いる場合、微細気泡の酸素含有率の上限値は６０％未満であり、５５％以下が好ましく、５０％以下がより好ましく、４５％以下が最も好ましい。微細気泡の酸素含有率を６０％以上と過度に大きくすると、酸素の酸化作用により微生物等が受けるストレス・ダメージが大きくなってしまう。また、微細気泡の酸素含有率の下限値は２３％以上であり、２５％以上が好ましく、２７％以上がより好ましく、３０％以上が最も好ましい。微細気泡の酸素含有率を２３％未満と過度に小さくすると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。酸素含有率を高めた微細気泡を形成する気体を得るためには、通常、吸着剤を用いたＰＳＡ法、ＶＳＡ法等、水の電気分解法、深冷分離法、膜分離法、化学吸着法等の公知の酸素富化手段を用いて気体の酸素含有率を高めることが好ましく、経済的観点からは、酸素富化膜を用いるのが好ましい。

また、生物培養液を培養槽から抜き出すための培養槽ポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができる。

また、本発明のマルチノズルの素材としては、耐食性に優れるステンレス、チタン等の金属、耐熱性・耐薬品性に優れるテフロン（登録商標）等の合成樹脂を用いることが好ましい。

＜まとめ＞
以上に説明したように、本発明のマルチノズルでは、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用せずに、培養槽の生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。

さらに、本発明のマルチノズルを適用した生物反応装置では、撹拌機を使用しないことにより、生物反応装置の培養槽の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる。そして、撹拌機を使用しないことにより、ａ）微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、ｂ）生物反応前の滅菌が行いにくい箇所（撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等）が生じ雑菌混入（コンタミネーション）を防止するのが難しい、ｃ）撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の問題を解決することができる。

このように、撹拌機を使用せずマルチノズルを用いることにより、培養槽の生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。

１ （培養液、微生物等を含有する）生物培養液
２ 培養槽
３ 培養槽ポンプ
４ 抜出管路
５ マルチノズル
５－１ ファインバブル・ウルトラファインバブル（微細気泡）発生装置
５－２ （複数の）吐出口
５－３ 下端部
５－４ 上端部
５－５ （複数の）搬送管路
５－６ （複数の）吐出管路
６ 微細気泡発生装置
６－１ 入口部
６－２ のど部
６－３ 気体入口
６－４ 吸引部
６－５ 出口部
６－６ 本体
６－６ａ 筒状体
６－６ｂ 筒状体
６－６ｃ 筒状体
７ スリット
８ 気体供給部
９ 空気噴出口
Ａ 有用気体を含有する気体
Ｂ （マルチノズルの）中心軸
Ｃ 接続された一対の搬送管路および吐出管路を含む各平面
Ｄ 各平面Ｃに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Ｂを含む平面
Ｅ 幅広の薄層
Ｆ 微細気泡
Ｇ （本体の内面に沿って形成される）気体の連続する幅広の薄層
Ｇ’ （本体の内面に沿って形成される）気体の複数の帯
Ｈ 微細気泡
Ｈ’ 微細気泡
α 各平面Ｃにおいて、搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度
β 各平面Ｃと、各平面Ｃに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Ｂを含む平面Ｄが成す鋭角側の角度
１０１ 培養槽ポンプ
１０２ 培養槽
１０３ 生物培養液
１０４ 微細気泡発生装置
１０５ 撹拌機
ａ 酸素含有気体
２０１ 担体
２０２ 細胞
２０３ 培養槽
２０４ 吐出口
２０５ 整流板
２０６ 吐出ノズル
θ 傾斜角度

Claims (13)

1. 微生物または細胞の培養に有用な気体を含有するファインバブル・ウルトラファインバブルが適用される生物反応装置において用いられるマルチノズルであって、
   生物培養液を収容する培養槽から抜き出された生物培養液が供給される下端部、
   上記培養槽に接続され、上記培養槽から抜き出された生物培養液を上記培養槽に還流する上端部、
   上記下端部に接続され、上記下端部に供給された生物培養液を分流し上記上端部側に搬送する、中心軸に平行に設けられた複数の搬送管路、
   上記各搬送管路に接続された、複数の吐出管路、および
   上記各吐出管路の上記培養槽側の出口に設けられた、複数の吐出口を備えると共に、
   上記培養槽から抜き出された生物培養液にファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させる、ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置を備えており、
   上記複数の吐出口から、ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた、上記培養槽から抜き出された生物培養液を、上記マルチノズルの中心軸の上記培養槽側方向に対して０°～９０°となる多方向に吐出することにより、上記培養槽に収容された生物培養液を撹拌することを特徴とするマルチノズル。
2. 接続された一対の上記搬送管路および上記吐出管路を含む各平面において、該搬送管路と該吐出管路が成す鋭角側の角度が、９０°を超え１８０°未満であることを特徴とする、請求項１に記載のマルチノズル。
3. 上記各平面が上記マルチノズルの中心軸を含む平面であることを特徴とする、請求項２に記載のマルチノズル。
4. 上記各平面が上記マルチノズルの中心軸を含まない平面であり、上記各平面と、上記各搬送管路および上記マルチノズルの中心軸を含む平面が成す鋭角側の角度が０°を超え９０°未満であることを特徴とする、請求項２に記載のマルチノズル。
5. 上記各吐出管路に、ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置がそれぞれ設けられることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載のマルチノズル。
6. 上記下端部と上記搬送管路の間に、上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置が１つ設けられることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載のマルチノズル。
7. 上記各搬送管路に、上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置がそれぞれ設けられることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載のマルチノズル。
8. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置が、
   上流側に、上記培養槽から抜き出された生物培養液が流入する入口部が設けられ、下流側に、ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた該生物培養液を放出する出口部が設けられた筒状体からなる本体と、
   上記本体の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられたスリットと、
   上記スリットに接続され、上記スリットに気体を供給する気体供給部と、
   を有することを特徴とする、請求項１～７のいずれかに記載のマルチノズル。
9. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記スリットの、上記本体の中心軸に垂直な面に対して上流側に傾斜する角度θが、鋭角であることを特徴とする、請求項８に記載のマルチノズル。
10. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記スリットが、上記本体に複数段設けられていることを特徴とする、請求項８または９に記載のマルチノズル。
11. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記本体が１つの筒状体で形成されており、上記スリットが、一部に接続部を残し、上記１つの筒状体の周面を切削して設けられていることを特徴とする、請求項８～１０のいずれかに記載のマルチノズル。
12. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記本体が２本以上の筒状体で形成されており、上記スリットが、上記筒状体の接続部に形成されていることを特徴とする、請求項８～１０のいずれかに記載のマルチノズル。
13. 上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置において、上記出口部付近における上記本体の内径が、下流側に向けて漸次拡張されていることを特徴とする、請求項８～１２のいずれかに記載のマルチノズル。

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