JP2808036B2 - 三相撹拌流動層型バイオリアクタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は三相撹拌流動層型バイオリアクタに関し、詳
細には、多孔質材からなる浮遊媒体を反応容器内の培養
液中に投入し、該培養液中で通気しながら撹拌流動させ
て、微生物を浮遊媒体の表面に付着させて培養する三相
撹拌流動層型バイオリアクタに関する。

〔従来の技術〕

バイオリアクタは、微生物、動・植物、あるいはそれ
らの細胞から単離した酸素などの種々の生体触媒を用い
て、生物原料を目的生産物に変換させる反応装置であっ
て、通常、生体触媒を含む培養液中で酸素等を含む基体
を通気しながら微生物の培養を行う構成とされている。

そして、従前では、培養液中で通気しながら微生物の
培養を行うバイオリアクタとしては、塔状の反応容器
内の培養液中に微生物を投入して懸濁させる一方、該反
応容器の下部から培養に必要な気体を気泡化させて供給
し、上昇する気泡によって懸濁培養液への通気と流動を
図る懸濁気泡塔式のもの。塔状の反応容器内に液流案
内筒を配設し、反応容器下部からの気泡に随伴して上昇
する懸濁培養液の流れを、該液流案内筒の内外を経る循
環流に形成せしめることで、懸濁培養液への通気と流動
を図る二重管型懸濁気泡塔式のもの。その概念説明図
である第３図ａとそのＡ−Ａ断面図である第3b図に示す
ように、反応容器（11）内に回転軸（12）を介して垂設
した複数のタービン型の撹拌翼（13）にて、反応容器
（11）内の懸濁培養液Ｌを強制的に撹拌すると共に、下
方のノズル（14）からの気泡を細分化させる一方、反応
容器（11）内周面に上下方向に連ねて突設した複数のバ
ッフル板（15）にて、撹拌翼（13）の回転による懸濁培
養液Ｌの随伴・旋回を抑制することで、反応容器（11）
内の懸濁培養液Ｌに渦巻きを形成させることなく、細粒
化された気泡と撹拌・混合させて、その培養効率の向上
を図る通気撹拌式のもの等が多く用いられてきた。

一方、近年では、このような生物変換を司るバイオリ
アクタは、生体触媒機能をより効率良く発揮させて、生
産性の向上および操作の安定性が得られ、更には目的生
産物と生体触媒との分離が容易であることが強く要請さ
れるようになり、これら要請に答えるべく研究開発さ
れ、その生産過程や生産物の分離過程に多くの利点を有
することで注目され、かつ改善が進められているものと
して、発泡体等からなる浮遊媒体を用いる流動層型バイ
オリアクタがある。

この流動層型バイオリアクタは、培養する微生物を反
応容器内の培養液中に懸濁させるに代わり、該微生物を
ウレタンフォーム等の発泡体からなる塊状ないしは粒状
の浮遊媒体の表面に付着させ、反応容器内の培養液中で
培養に必要な気体を通気しながら流動させることで、す
なわち、固・液・気の三相を流動させることで、微生物
を安定かつ効率良く培養すると共に、培養液中からの生
産物の回収分離を容易にしたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、上記の三相流動層型バイオリアクタの
利点を生かし、更に、その生産性の向上を図るべく、多
方面より鋭意検討を重ねてきた。

そして、まず、前述した従前のバイオリアクタの構成
のもとで、その培養液中に培養する菌体を懸濁させるに
代わり、該菌体を、培養液中に投入された浮遊媒体に付
着させ、これに種々の条件下で空気を通気させて培養を
行い、これらをもって、菌体を付着させる浮遊媒体の投
入量を増加させてもなお安定した培養を行うことができ
て、三相流動層型バイオリアクタとして、その生産性の
向上が達成し得るに最適な構成を模索・検討した結果、
以下の知見を得た。

前述した従前の前二者の懸濁気泡塔式および二重
管型懸濁気泡塔式のバイオリアクタでは、浮遊媒体の投
入量の増加にて、培養液中の固体濃度が高まるに従い、
これら浮遊媒体により通気した気泡が合一して浮上し、
酸素供給能力が低下すると共に、培養液を円滑に流動な
いしは循環させ難くなって浮遊媒体の一部に滞留が生
じ、そのため、浮遊媒体表面の菌体が酸素供給不足にて
失活するという現象が起こり、安定した培養を行うこと
が困難となる。

一方、最後者の通気撹拌式のバイオリアクタでは、
培養液中の固体濃度をある程度に高めても、これらを強
制的に撹拌・流動させ得るものの、その反応容器内周面
に突設したバッフル板（15）の側面に一部の浮遊媒体が
捕捉されて滞留し、これら浮遊媒体表面の菌体が失活す
ると現象が生じて、安定した培養を行うことが困難とな
る。これは、そのバッフル板（15）が、複数の撹拌翼
（13）が形成する旋回流を一方の側面で受けて抑制する
構成とされているため、該バッフル板（15）の旋回流の
上流側面と反応容器（11）内壁との間の角部に滞流が生
じ、該滞流部に浮遊媒体が捕捉されるからである。反
面、この滞流を解消するために、撹拌翼（13）の回転を
高めるなどして撹拌を強化すると、浮遊媒体表面の菌体
が剥離ないしは失活して、所期の培養が達成できなくな
ると共に、生産物の回収も困難になるという問題が発生
する。

従って、浮遊媒体を用いる三相流動層難バイオリアク
タにおいては、その生産性を向上させるために、微生物
を付着させる浮遊媒体の投入量を、単に増加させただけ
ではその目的が達成されず、該浮遊媒体を投入した培養
液を、浮遊媒体に滞留が生じないように、かつ付着した
微生物が剥離するような過剰の流動を加えないように、
撹拌流動させて、浮遊媒体表面の微生物と培養液、特に
通気される気体との接触効率を高め得るように改善され
た装置構成か必要であることがわかった。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたもので、微
生物を付着させる浮遊媒体の投入量を増加させてもな
お、該浮遊媒体の滞留や、付着した微生物の剥離を生ぜ
しめることなく撹拌流動させることができ、浮遊媒体表
面の微生物と培養液および気体との接触効率を高め得
て、もって、その生産性を高め得る三相撹拌流動層型バ
イオリアクタの提供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は以下の構成とされ
ている。すなわち、本発明に係る三相撹拌流動層型バイ
オリアクタは、多孔材質等からなる浮遊媒体を、下底部
に給気手段を備える反応容器内の培養液中に投入し、該
培養液中で通気しながら撹拌流動させて、微生物を浮遊
媒体の表面に付着させて培養する三相撹拌流動層型バイ
オリアクタにおいて、前記反応容器内に、該反応容器内
下部に位置させた放射流型翼と該放射流型翼の上方に位
置させた軸流型翼とを同軸上に垂設すると共に、軸流型
翼を同芯状に囲撓し、内周面に上下方向に連なって内方
に突出する複数の整流フィンを設けた液流案内筒を配設
し、かつ、液流案内筒下端と反応容器底との間に、放射
流型翼を放射状をなして包囲する複数の整流板を配設し
てなるものである。

〔作用〕

本発明に係る三相撹拌流動層型バイオリアクタにおい
ては、下底部に給気手段を備える反応容器内に、該反応
容器下部に位置させた放射流型翼と該放射流型翼の上方
に位置させた軸流型翼とを同軸上に垂設すると共に、軸
流型翼を同芯状に囲撓する液流案内筒を配設するので、
多孔質材等からなる浮遊媒体を、反応容器内に充填した
培養液中に投入し、下底部の給気手段を介して培養に必
要な気体を下方から供給して培養液中に通気させる一
方、液流案内筒内に垂設した軸流型翼によって、該液流
案内筒内に下降流を形成し、浮遊媒体を含む培養液を、
液流案内筒の内部で流下し外側で上昇する循環流として
流動させて、該培養液中で浮遊媒体表面に微生物を付着
させて培養することができる。

また、反応容器内下部に軸流型翼と同軸上に垂設した
放射流型翼によって、下方から供給される気体を微細な
気泡に分散させると共に、その気泡を軸流型翼にて流下
させられた浮遊媒体を含む培養液と混合・撹拌させるこ
とができるので、浮遊媒体表面への酸素供給効率を高め
て、安定かつ効率の良い培養を行うことができる。

ところで、放射流型翼は、半径方向の放射流を形成
し、この放射流をもって、流下する浮遊媒体を含む培養
液と下方からの気泡とを混合・撹拌させながら外周方向
に流す一方、これらをその回転方向にも旋回させんとす
るが、その垂設位置に対応する液流案内筒下端と反応容
器底との間には、該放射流型翼を放射状をなして包囲す
る複数の整流板が配設されているので、該放射流型翼に
よって液流案内筒の外側方向に送り出される浮遊媒体を
含む培養液は、これら整流板によって旋回流を形成する
ことを阻止され、半径方向の流れに整流されて流出し、
旋回流を形成することなく液流案内筒の外側を上昇させ
られる。

また、液流案内筒の上方に還流し、軸流型翼によって
液流案内筒内に吸引・流下させられる浮遊媒体を含む培
養液は、該軸流型翼の回転に随伴して液流案内筒内で旋
回流を形成しようとするが、該液流案内筒の内周面に
は、上下方向に連なって内方に突出する複数の整流フィ
ンが設けられているので、これらの整流フィンによって
旋回流の形成を阻止され、下方向の流れに整流されて旋
回流を形成することなく液流案内筒内を流下し、その上
方で渦巻きを形成して浮遊媒体を過度に集中させること
がない。また、このことにより、軸流型翼の液推進効率
を高く保つことができる。

加えて、例えば、プロペラ翼等の軸流型翼は、その本
体目的に沿って、液に与える軸方向の推力が高く、かつ
回転方向の分力が低くなるように構成されるので、液流
案内筒の内部における培養液の随伴旋回流は下降流に比
べて格段に小さくなり、該随伴旋回流を阻止する整流フ
ィンは、比較的に低く突出させてもその目的を果たし
得、また、該整流フィンの側面に対する随伴旋回流の押
し付け力は、その下降流の力に比べて格段に低くなるた
め、、培養液と共に流下する浮遊媒体は、これら整流フ
ィンに捕捉されて滞留する懸念がない。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図ａは本実施例の三相撹拌流動層型バイオリアク
タの概要を示す正断面図であり、第１図ｂは第１図ａの
Ｉ−Ｉ断面図、第１図ｃは第１図ａのII−II断面図であ
る。

これら図において、（１）は反応槽であって、外反応
槽（１）は、自由液面を形成する縦型円筒容器に構成さ
れ、ここでは図示を省略した培養液Ｌの充填・補充手段
および微生物を付着させる浮遊媒体Ｐの投入・回収手段
に連通されてある。

（２）は液流案内筒であって、該液流案内筒（２）
は、反応槽（１）内に同芯状に立設されてある。また、
該液流案内筒（２）の上部内周面には、第１図ｂに示す
ように、上下方向に連なり、中心方向に向けて板状に突
出する複数の整流フィン（2a）を、円周方向に等ピッチ
に凸設している。

（３）は整流板であって、該整流板（３）は、液流案
内筒（２）下方にその下端円周方向に沿う複数箇所に上
下方向に配され、液流案内筒（２）を反応槽（１）内底
面に液流通可能に間隔を隔てて支持している。

また、これら整流板（３）は、第１図ｃに示すよう
に、円周方向に互いに等間隔を隔て、かつ、半径方向に
放射状をなして複数枚配され、それぞれの下端部を反応
槽（１）内底面に、上端部を液流案内筒（２）下端に連
結されている。

（４）は回転軸であって、該回転軸（４）は、上端部
を反応槽（１）上部に設けられたモータ（５）の出力軸
に連結させて、反応槽（１）の中心に垂設されてある。

（６）はデイスクタービン翼であって、該デイスクタ
ービン翼（６）は、片羽根翼型のもので、その翼部を下
にして、整流板（３）の内側に反応槽（１）内底面と間
隔を隔てて、回転軸（４）下端に取着されている。

（７）は軸流型翼であって、該軸流型翼（７）は、通
常のプロペラ翼型のもので、デイスクタービン翼（６）
の上方の整流案内筒（２）の内下部に位置する部位の回
転軸（４）上に取着されている。

なお、回転軸（４）は一定方向に回転し、その回転に
て、軸流型翼（７）には下降流を、デイスクタービン翼
（６）には半径方向に向く放射流を形成させる。

（８）は吹込口であって、該吹込口（８）は、反応槽
（１）の下底部中心に設けられ、図外の空気圧縮機に連
通された噴気ノズル（９）を備えている。

上記構成を具備する本実施例の三相撹拌流動層型バイ
オリアクタにおいては、まず、培養液Ｌを反応槽（１）
内に充填すると共に、該培養液Ｌ中に、培養すべき微生
物と、該微生物を表面に付着させる粒状の浮遊媒体Ｐを
投入する。

このとき、培養液Ｌは、液流案内筒（２）の上端より
高い液面を形成するまで充填され、一方、浮遊媒体Ｐ
は、ウレタンフォーム発泡体等からなり、培養液Ｌ中に
おいて短時間で浮上ないしは沈降することなく浮遊し得
る比重のものが選定される。

この状態から、吹込口（８）の噴気ノズル（９）を介
して反応槽（１）内に空気Ａを圧入すると共に、モータ
（５）を運転して培養操作に入るのである。

モータ（５）の運転によって、回転軸（４）を介して
軸流型翼（７）とデイスクタービン翼（６）とを同軸回
転させると、液流案内筒（２）内の浮遊媒体Ｐを含む培
養液Ｌは、軸流型翼（７）にて下方に向けて流がされ、
一方、噴気ノズル（９）を介して圧入されて吹込口
（８）から上昇する空気Ａは、この吹込口（８）の上方
で回転するデイスクタービン翼（６）により微細な気泡
Ｂに分散させられる。そして、この気泡Ｂと、液流案内
筒（２）内を流下してきた浮遊媒体Ｐを含む培養液Ｌと
は、デイスクタービン翼（６）が形成する半径方向の放
射流によって混合・撹拌されながら整流板（３）間を経
て外周方向に送り出され、反応槽（１）側壁と液流案内
筒（２）との間で上昇させられる。

この混合・撹拌と上昇の間で、微細な気泡Ｂとされた
空気Ａと培養液Ｌとの接触効率が高まり、培養液Ｌ中に
溶解された空気Ａにより浮遊媒体Ｐの表面に付着した微
生物への酸素供給が達成され、該微生物の増殖が進む。
また、反応槽（１）側壁と液流案内筒（２）との間で気
泡Ｂと共に上昇させられた浮遊媒体Ｐを含む培養液Ｌ
は、液流案内筒（２）の上開口より吸引・流下させら
れ、第１図ａ中の矢印で示すように、液流案内筒（２）
の内外を経る循環液に形成されて流動を続ける。一方、
上昇した気泡Ｂの内で合一して大きくなったもののみが
液面より放出され、残りの微細な気泡Ｂは循環流に随伴
して液流案内筒（２）内を流下するので、該液流案内筒
（２）内でも微生物の培養が継続される。

ところで、デイスクタービン翼（６）は半径方向の放
射流を形成することで、気泡Ｂと浮遊媒体Ｐを含む培養
液Ｌを混合・撹拌させながら外周方向に流す一方、これ
らをその回転方向にも旋回させるので、これを無制御に
放置すると、反応槽（１）内の培養液Ｌ全体が旋回し始
め、特に吸引・流下させられる液流案内筒（２）上では
渦巻きを形成する。

そして、培養液Ｌ全体が旋回や渦巻きを起こすと、該
培養液Ｌと流動性の異なる浮遊媒体Ｐが、一種の遠心分
離作用を受けて特定部位に過剰集中したり、循環量が減
少したりして、安定した培養の継続が不可能になる。

ここで、本実施例においては、デイスクタービン翼
（６）の外周側に、放射状をなして上下方向に配された
複数の整流板（３）を設け、このデイスクタービン翼
（６）にて外周方向に送り出される浮遊媒体Ｐを含む培
養液Ｌと気泡Ｂとの旋回成分を、これら整流板（３）に
て半径方向の流れに変換・整流して流出させることで、
これらの旋回を阻止する。また、整流板（３）は放射状
に配されるので、これにより浮遊媒体Ｐが捕捉・滞留さ
せられる懸念はない。

一方、液流案内筒（２）上方に還流し、その内部に吸
引・流下させられる浮遊媒体Ｐを含む培養液Ｌは、軸流
型翼（７）の回転に随伴して旋回流を形成しようとする
が、この液流案内筒（２）の上部内周面に上下方向に凸
設された整流フィン（2a）にて旋回を阻止され、下方向
の流れに整流されて流下するので、液流案内筒（２）上
方で渦巻きを形成して浮遊媒体Ｐを過度に集中させるこ
とがなく、また、随伴旋回による相対速度の低下を防い
で軸流型翼（７）の液推進効率を高く保つことができ
る。

加えて、プロペラ翼型とされた軸流型翼（７）は、軸
方向の推力を高くする一方で、回転方向の分力を低く抑
え得るので、液流案内筒（２）内の培養液Ｌの随伴旋回
流は下降流に比べて格段に小さくなり、該随伴旋回流を
阻止する整流フィン（2a）は、比較的に低く突出された
ものでもその目的を果たし得、また、該整流フィン（2
a）側面に対する随伴旋回流の押し付け力は、その下降
流の力に比べて格段に低くなるため、流下する培養液Ｌ
中の浮遊媒体Ｐは、これら整流フィン（2a）に捕捉され
て滞留する懸念がない。

従って、本実施例の三相撹拌流動層型バイオリアクタ
においては、培養液Ｌ中に投入する浮遊媒体Ｐの量を増
加させても、比較的に穏やかな速度の循環流をもって、
浮遊媒体Ｐに滞留や過度集中を生じさせることなく流動
させて、浮遊媒体Ｐ表面の微生物に効率よく酸素供給さ
せることができ、安定かつ高効率の培養を行うことがで
きる。

次に、本実施例の構成の三相撹拌流動層型バイオリア
クタを用いた例と、従来の懸濁気泡式のバイオリアクタ
を三相流動層型として用いた例と対比して、その性能を
ガス吸収能力にて実験・評価した結果を、第２図のグラ
フに例示する。

この例では、反応槽の内径を0.4m、液流案内筒の内径
を0.23m、デイスクタービン翼の外径を0.2mとした。ま
た、流体として水道水にシリコンオイルを200ppm添加し
た混合液を用い、該混合液中に３〜10mm径のウレタンフ
ォーム発泡体からなる浮遊媒体を37Vo1％投入し、これ
に種々のガス空塔速度で空気を通気すると共に、デイス
クタービン翼の回転数ｎを種々に設定し、該混合液中へ
の酸素供給効率を示す指標である容量係数ＫLa（1/se
c）の変動を測定・評価した。また、比較例では、上記
と同一の混合液中に、同じ浮遊媒体を同率で投入し、こ
れに種々のガス空塔速度で空気を通気し、同様に、その
容量係数ＫLaの変動を測定・評価した。なお、第２図の
グラフの横軸としたガス空塔速度Ugは、通気量（cm³/se
c）を反応槽内の断面積（cm²）で割った値（cm/sec）で
ある。また、同グラフ中の○印でプロットした曲線はデ
イスクタービン翼の回転数ｎを6.7/secに、□印でプロ
ットした曲線は回転数ｎを5.0/secに、△印でプロット
した曲線は回転数ｎを3.3/secに、それぞれ設定した本
例の測定値を示す。また、●印でプロットした曲線は比
較例の測定値を示す。

第２図のグラフに明らかなように、本実施例の三相撹
拌流動層型バイオリアクタは、従来の懸濁気泡式のバイ
オリアクタに比較し、溶液中へのガス供給効率が高く、
特に低ガス空塔速度Ugの領域では格段に高いので、微生
物を付着させる浮遊媒体ｐの投入量を増加させた高濃度
培養が可能となり、しかも、強制循環流動および撹拌条
件を種々に設定できるので、各種微生物の特性それぞれ
に対応させて、広い範囲の操作条件の設定が可能とな
り、その培養効率を高めることができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明に係る三相撹拌流動層型
バイオリアクタは、培養液中に投入する浮遊媒体の量を
増加させてもなお、これら浮遊媒体を、特定部位に滞留
や過剰集中させたり、過剰に流動させて表面の微生物の
剥離を生ぜしめることのない、比較的に穏やかな速度の
整流をもって循環流動させると共に、通気される気体を
微細な気泡として培養液と撹拌させて、培養液中へのガ
ス供給効率を高めることができ、しかも、その操作条件
の広い範囲に設定することができ、もって、浮遊媒体表
面に付着させた微生物を、失活させることなく、高濃度
で効率良く培養することができ、その生産性を格段に向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明の実施例の三相撹拌流動層型バイオリ
アクタの概要を示す正断面図、 第１図ｂは第１図ａのＩ−Ｉ断面図、 第１図ｃは第１図ａのII−II断面図、 第２図は本発明に関わる容量係数ＫLaとガス空塔速度Ug
との関係を示すグラフ、 第３図ａは従来の通気撹拌式のバイオリアクタの概要を
示す正断面図、 第３図ｂは第３図ａのＡ−Ａ断面図である。 （１）……反応槽、（２）……液流案内筒、 （2a）……整流フィン、（３）……整流板、 （４）……回転軸、（６）……デイスクタービン翼、 （７）……軸流型翼、（８）……吹込口、 （９）……噴気ノズル、Ｂ……気泡 Ｌ……培養液、Ｐ……浮遊媒体。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質材等からなる浮遊媒体を、下底部に
   給気手段を備える反応容器内の培養液中に投入し、該培
   養液中で通気しながら撹拌流動させて、微生物を浮遊媒
   体の表面に付着させて培養する三相撹拌流動層型バイオ
   リアクタにおいて、前記反応容器内に、該反応容器内下
   部に位置させた放射流型翼と該放射流型翼の上方に位置
   させた軸流型翼とを同軸上に垂設すると共に、軸流型翼
   を同芯状に囲撓し、内周面に上下方向に連なって内方に
   突出する複数の整流フィンを設けた液流案内筒を配設
   し、かつ、液流案内筒下端と反応容器底との間に、放射
   流型翼を放射状をなして包囲する複数の整流板を配設し
   てなることを特徴とする三相撹拌流動層型バイオリアク
   タ。