JP5061639B2 - Continuous fermentation equipment - Google Patents

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Description

本発明は、微生物または細胞の培養方法の改良およびそれに用いられる培養装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、培養を行いながら、微生物または培養細胞の発酵培養液から、目詰まりが生じにくい多孔性分離膜を通して生産物を含む液を効率よく濾過・回収すること、および未濾過液を発酵培養液に戻すことにより発酵に関与する微生物濃度を向上させ、高い生産性を得る化学品を製造するための連続発酵装置に関するものである。   The present invention relates to an improvement of a microorganism or cell culture method and a culture apparatus used therefor. More specifically, the present invention efficiently filters and collects a liquid containing a product from a fermentation broth of microorganisms or cultured cells through a porous separation membrane that is less likely to be clogged, while performing culture, and unfiltered. The present invention relates to a continuous fermentation apparatus for producing a chemical product that improves the concentration of microorganisms involved in fermentation by returning the liquid to a fermentation broth and obtains high productivity.

微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法は、大きく(1)バッチ発酵法(Batch発酵法)および流加発酵法(Fed−Batch発酵法)と(2)連続発酵法に分類することができる。   Fermentation methods, which are substance production methods involving the cultivation of microorganisms and cultured cells, are roughly classified into (1) batch fermentation methods (Batch fermentation methods), fed-batch fermentation methods (Fed-Batch fermentation methods), and (2) continuous fermentation methods. can do.

上記(1)のバッチ発酵法および流加発酵法は、設備的には簡素であり短時間で培養が終了し、雑菌汚染による被害が少ないという利点がある。しかしながら、時間経過とともに培養液中の生産物濃度が高くなり、浸透圧あるいは生産物阻害等の影響により生産性及び収率が低下してくる。そのため、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持するのが困難である。   The batch fermentation method and fed-batch fermentation method (1) are simple in terms of equipment, have an advantage that the culture is completed in a short time, and there is little damage due to contamination with bacteria. However, the product concentration in the culture solution increases with the passage of time, and the productivity and yield are reduced due to the influence of osmotic pressure or product inhibition. Therefore, it is difficult to maintain high yield and high productivity stably over a long period of time.

一方、上記(2)の連続発酵法は、発酵槽内で目的物質が高濃度に蓄積するのを回避することによって、長時間にわたって高収率かつ高生産性を維持できるという特徴がある。L−グルタミン酸(特許文献1参照。)やL−リジン(非特許文献1参照。)の発酵について連続培養法が開示されている。しかしながら、これらの例では、培養液へ原料の連続的な供給を行うと共に、微生物や細胞を含んだ培養液を抜き出すために、培養液中の微生物や細胞が希釈されることから、生産効率の向上は限定されたものであった。   On the other hand, the continuous fermentation method (2) is characterized in that a high yield and high productivity can be maintained over a long period of time by avoiding accumulation of the target substance at a high concentration in the fermenter. A continuous culture method is disclosed for fermentation of L-glutamic acid (see Patent Document 1) and L-lysine (see Non-Patent Document 1). However, in these examples, since the raw material is continuously supplied to the culture solution and the culture solution containing microorganisms and cells is extracted, the microorganisms and cells in the culture solution are diluted. The improvement was limited.

このことから、連続発酵法において、微生物や培養細胞を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると同時に濾過された微生物や培養細胞を培養液に保持または還流させることにより、培養液中の微生物や細胞濃度を高く維持する方法が提案されている。   From this, in the continuous fermentation method, microorganisms and cultured cells are filtered through a separation membrane, and the product is recovered from the filtrate, and at the same time, the filtered microorganisms and cultured cells are retained or refluxed in the culture solution. A method of maintaining a high microorganism or cell concentration has been proposed.

例えば、セラミックス膜を用いた連続発酵装置において、連続発酵する技術が提案されている(特許文献2、特許文献3および特許文献4参照。)が、これらの提案では、分離膜の目詰りによる濾過流量や濾過効率の低下に問題があり、目詰まり防止のために、逆洗浄等を行っている。また別に、分離膜を用いたコハク酸の製造方法が提案されている(特許文献5参照。)。しかしながら、この提案では膜分離において、高い濾過圧(約200kPa)が採用されている。高い濾過圧は、コスト的にも不利であるばかりでなく、濾過処理において微生物や細胞が圧力によって物理的なダメージを受けることから、微生物や細胞を連続的に培養液に戻す連続発酵法においては適切ではない。   For example, in a continuous fermentation apparatus using a ceramic membrane, techniques for continuous fermentation have been proposed (see Patent Document 2, Patent Document 3 and Patent Document 4). In these proposals, filtration by clogging of the separation membrane is performed. There is a problem in the flow rate and the reduction in filtration efficiency, and back washing or the like is performed to prevent clogging. Separately, a method for producing succinic acid using a separation membrane has been proposed (see Patent Document 5). However, this proposal employs a high filtration pressure (about 200 kPa) in membrane separation. The high filtration pressure is not only disadvantageous in terms of cost, but also in the continuous fermentation method in which microorganisms and cells are physically damaged by pressure during filtration, so that microorganisms and cells are continuously returned to the culture medium. Not appropriate.

このように、従来の連続発酵法には様々な問題があり、産業的応用が難しかった。すなわち、連続発酵法において、微生物や細胞を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると同時に濾過された微生物や細胞を培養液に還流させ、培養液中の微生物や細胞濃度を向上させ、かつ、高く維持させることで高い物質生産性を得ることは、依然として困難であり、技術の革新が望まれていた。
特開平10−150996号公報 特開平5−95778号公報 特開昭62−138184号公報 特開平10−174594号公報 特開2005−333886号公報 Toshihiko Hirao et. al.(ヒラノ・トシヒコ ら)、 Appl. Microbiol. Biotechnol.(アプライド マイクロバイアル アンド マイクロバイオロジー),32,269−273(1989)
As described above, the conventional continuous fermentation method has various problems, and industrial application is difficult. That is, in a continuous fermentation method, microorganisms and cells are filtered through a separation membrane, and the product is recovered from the filtrate, and at the same time, the filtered microorganisms and cells are refluxed to the culture solution to improve the microorganisms and cell concentration in the culture solution, In addition, it is still difficult to obtain high material productivity by maintaining a high level, and technological innovation has been desired.
JP-A-10-150996 JP-A-5-95778 Japanese Patent Laid-Open No. 62-138184 JP-A-10-174594 JP 2005-333886 A Toshihiko Hirao et. Al. (Hirano Toshihiko et al.), Appl. Microbiol. Biotechnol. (Applied Microvials and Microbiology), 32, 269-273 (1989)

本発明の目的は、簡便な操作方法で、長時間にわたり安定して高生産性を維持する連続発酵法による化学品を製造するための連続発酵装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a continuous fermentation apparatus for producing a chemical product by a continuous fermentation method that stably maintains high productivity over a long period of time by a simple operation method.

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

本発明は、発酵培養液を分離膜によって濾液と未濾過液に分離し、濾液から所望の発酵生産物を回収するとともに、未濾過液を発酵培養液に保持または還流させる連続発酵方法による化学品の製造装置であって、分離膜として、平均細孔径が、0.01μm以上1μm未満の範囲にある多孔性膜を用い低い膜間差圧で濾過処理することにより、安定に低コストで、発酵生産効率を著しく向上させる化学品の製造装置を提供するものである。   The present invention separates a fermentation broth into a filtrate and a non-filtrate by a separation membrane, collects a desired fermentation product from the filtrate, and retains or refluxs the non-filtrate in the fermentation broth. By using a porous membrane having an average pore diameter in the range of 0.01 μm or more and less than 1 μm as a separation membrane, and performing filtration treatment with a low transmembrane pressure difference, fermentation can be performed stably at low cost. The present invention provides a chemical manufacturing apparatus that significantly improves production efficiency.

すなわち、本発明の連続発酵装置は、微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品の製造装置であって、微生物もしくは培養細胞を発酵させるための発酵反応槽と、その発酵反応槽内部に配設され分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための分離膜エレメントと、該分離膜エレメントに接続され濾過された発酵生産物を含む透過液を排出するための手段と、該分離膜の膜間差圧を0.1から20kPaの範囲に制御するための手段からなり、該分離膜が平均細孔径0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜であることを特徴とする連続発酵装置である。   That is, the continuous fermentation apparatus of the present invention filters the fermentation broth of microorganisms or cultured cells with a separation membrane, collects the product from the filtrate and holds or refluxs the unfiltrated liquid in the fermentation broth, and An apparatus for producing a chemical product by continuous fermentation in which fermentation raw materials are added to the fermentation broth, comprising a fermentation reaction tank for fermenting microorganisms or cultured cells, and a separation membrane disposed inside the fermentation reaction tank A separation membrane element for filtering the fermented culture broth, means for discharging the permeate containing the filtered fermentation product connected to the separation membrane element, and the transmembrane pressure difference of the separation membrane to 0. The continuous fermentation apparatus is characterized in that it comprises means for controlling in the range of 1 to 20 kPa, and the separation membrane is a porous membrane having pores having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の純水透過係数は2×10-9/m/s/pa以上6×10-7/m/s/pa以下である。 According to a preferred aspect of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the porous membrane has a pure water permeability coefficient of 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 6 × 10 −7 m 3 / m 2 /. It is below s / pa.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の平均細孔径は0.01μm以上0.2μm未満の範囲内にあり、かつ、その細孔径の標準偏差は0.1μm以下である。   According to a preferred embodiment of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the average pore diameter of the porous membrane is in the range of 0.01 μm or more and less than 0.2 μm, and the standard deviation of the pore diameter is 0.1 μm or less. It is.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の膜表面粗さは0.1μm以下の多孔性膜である。   According to a preferred aspect of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the membrane surface roughness of the porous membrane is a porous membrane of 0.1 μm or less.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜は多孔質樹脂層を含む多孔性膜であり、その多孔質樹脂層の素材はポリフッ化ビニリデンを含んでいる。   According to a preferred aspect of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the porous membrane is a porous membrane including a porous resin layer, and the material of the porous resin layer includes polyvinylidene fluoride.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の膜間差圧を制御するための手段は、発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差を制御する水頭差制御装置である。   According to a preferred aspect of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the means for controlling the transmembrane pressure difference is a water head difference control apparatus for controlling the liquid level difference between the fermentation culture solution and the porous membrane treated water.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の膜間差圧を制御するための手段は、加圧ポンプまたは/および吸引ポンプである。   According to a preferred aspect of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the means for controlling the transmembrane pressure difference is a pressurization pump or / and a suction pump.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜を含む膜分離エレメントを構成する部材が高圧蒸気滅菌操作に耐性であることである。   According to a preferred aspect of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the member constituting the membrane separation element including the porous membrane is resistant to high-pressure steam sterilization operation.

本発明の連続発酵装置の好ましい態様によれば、化学品はL−乳酸である。   According to a preferred embodiment of the continuous fermentation apparatus of the present invention, the chemical is L-lactic acid.

本発明の連続発酵装置によれば、簡便な操作条件で、長時間にわたり安定して所望の発酵生産物の高生産性を維持する連続発酵が可能となり、広く発酵工業において、発酵生産物である各種化学品を低コストで安定に生産することが可能となる。   According to the continuous fermentation apparatus of the present invention, continuous fermentation capable of maintaining high productivity of a desired fermentation product stably over a long period of time under simple operation conditions is possible, and is a fermentation product widely in the fermentation industry. Various chemical products can be stably produced at low cost.

本発明の連続発酵装置は、微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品の製造装置であって、微生物を発酵させるための発酵反応槽と、その発酵反応槽内部に配設され分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための分離膜エレメントと、該分離膜エレメントに接続され濾過された微生物と発酵生産物を排出するための手段と、該分離膜の膜間差圧を0.1から20kPaの範囲に制御するための手段からなり、該分離膜が平均細孔径0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜であることを特徴とする連続発酵装置である。   The continuous fermentation apparatus of the present invention filters the fermentation broth of microorganisms or cultured cells through a separation membrane, collects the product from the filtrate, holds or refluxs the unfiltrated liquid in the fermentation broth, and provides a fermentation raw material. Is an apparatus for producing a chemical product by continuous fermentation, wherein a fermentation reaction vessel for fermenting microorganisms and a fermentation culture solution provided inside the fermentation reaction vessel and provided with a separation membrane are provided. Separation membrane element for filtration, means for discharging filtered microorganisms and fermentation products connected to the separation membrane element, and controlling the transmembrane pressure difference of the separation membrane within the range of 0.1 to 20 kPa The continuous fermentation apparatus is characterized in that the separation membrane is a porous membrane having pores having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm.

本発明で分離膜として用いられる多孔性膜について説明する。本発明で用いられる多孔性膜は、被処理水の水質や用途に応じた分離性能と透水性能を有するものである。多孔性膜は、阻止性能および透水性能や耐汚れ性という分離性能の点からは、多孔質樹脂層を含む多孔性膜であることが好ましい。このような多孔性膜は、多孔質基材の表面に、分離機能層として作用とする多孔質樹脂層を有している。多孔質基材は、多孔質樹脂層を支持して分離膜に強度を与えるものである。   A porous membrane used as a separation membrane in the present invention will be described. The porous membrane used in the present invention has separation performance and water permeability according to the quality of water to be treated and the application. The porous membrane is preferably a porous membrane including a porous resin layer from the viewpoint of separation performance such as blocking performance, water permeability performance, and dirt resistance. Such a porous membrane has a porous resin layer that acts as a separation functional layer on the surface of the porous substrate. The porous substrate supports the porous resin layer and gives strength to the separation membrane.

多孔質基材の材質は、有機材料および/または無機材料等からなり、中でも有機繊維が望ましく用いられる。好ましい多孔質基材は、セルロース繊維、セルローストリアセテート繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維およびポリエチレン繊維などの有機繊維を用いてなる織布や不織布等である。中でも、密度の制御が比較的容易であり製造も容易で安価な不織布が好ましく用いられる。   The material of the porous substrate is made of an organic material and / or an inorganic material, and organic fiber is preferably used among them. Preferred porous substrates are woven fabrics and nonwoven fabrics made of organic fibers such as cellulose fibers, cellulose triacetate fibers, polyester fibers, polypropylene fibers and polyethylene fibers. Among them, a nonwoven fabric that is relatively easy to control the density, easy to manufacture, and inexpensive is preferably used.

また、多孔質樹脂層は、上述したように分離機能層として作用するものであり、有機高分子膜を好適に使用することができる。有機高分子膜の材質としては、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂およびセルローストリアセテート系樹脂等が挙げられる。有機高分子膜は、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物からなるものであってもよい。ここで主成分とは、その成分が50重量%以上、好ましくは60重量%以上含有することをいう。中でも、多孔質樹脂層を構成する素材としては、溶液による製膜が容易で物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂およびポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく用いられる。多孔質樹脂層を構成する素材には、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはそれを主成分とする樹脂が最も好ましく用いられる。   Further, as described above, the porous resin layer functions as a separation functional layer, and an organic polymer membrane can be suitably used. Examples of the material of the organic polymer film include polyethylene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene fluoride resin, polysulfone resin, polyethersulfone resin, polyacrylonitrile resin, cellulose resin, and the like. Examples thereof include cellulose triacetate resins. The organic polymer film may be made of a mixture of resins mainly composed of these resins. Here, the main component means that the component is contained in an amount of 50% by weight or more, preferably 60% by weight or more. Among them, the materials constituting the porous resin layer include polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polysulfone resins, which are easy to form a film with a solution and have excellent physical durability and chemical resistance. Ethersulfone resins and polyacrylonitrile resins are preferably used. The material constituting the porous resin layer is most preferably a polyvinylidene fluoride resin or a resin containing it as a main component.

ここで、ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体が好ましいが、フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体との共重合体も好ましく用いられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよび三塩化フッ化エチレンなどが例示される。   Here, as the polyvinylidene fluoride resin, a homopolymer of vinylidene fluoride is preferable, but a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride is also preferably used. Examples of vinyl monomers copolymerizable with vinylidene fluoride include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and ethylene trichloride fluoride.

本発明で用いられる多孔性膜は、発酵に使用する微生物および培養細胞による目詰まりが起こりにくく、かつ濾過性能が長期間安定に継続する性能を有するものであることが望ましい。そのため、本発明で使用される多孔性膜は、平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜であることが重要である。   The porous membrane used in the present invention is desirably one that is not easily clogged by microorganisms and cultured cells used for fermentation and has a performance that allows filtration performance to continue stably for a long period of time. Therefore, it is important that the porous membrane used in the present invention is a porous membrane having pores having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm.

平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の範囲にあると、菌体や汚泥などがリークすることのない高い排除率と、高い透水性を両立させることができ、さらに目詰まりしにくく、透水性を長時間保持することが、より高い精度と再現性を持って実施することができる。平均細孔径が、0.01μm以上1μm未満の範囲にあれば、動物細胞、酵母および糸状菌などを用いた場合、目詰まりが少なく、また、細胞の濾液への漏れもなく安定に連続発酵が実施可能である。また、動物細胞、酵母および糸状菌より小さな細菌類を用いた場合は、0.4μm以下の平均細孔径であればよりよく、0.2μm以下の平均細孔径であればなお好適に実施可能である。平均細孔径は、小さすぎると透水量が低下することがあるので、通常は0.02μm以上が好ましく、より好ましくは0.04μm以上である。   When the average pore diameter is in the range of 0.01 μm or more and less than 1 μm, it is possible to achieve both a high exclusion rate that does not cause leakage of bacterial cells and sludge, and high water permeability. Can be carried out with higher accuracy and reproducibility. If the average pore size is in the range of 0.01 μm or more and less than 1 μm, when animal cells, yeasts, filamentous fungi, etc. are used, there is little clogging and stable continuous fermentation without leakage of cells into the filtrate. It can be implemented. When bacteria smaller than animal cells, yeast, and filamentous fungi are used, the average pore diameter is preferably 0.4 μm or less, and the average pore diameter is preferably 0.2 μm or less. is there. If the average pore diameter is too small, the water permeation rate may be lowered. Therefore, it is usually preferably 0.02 μm or more, and more preferably 0.04 μm or more.

ここで、平均細孔径は、倍率10,000倍の走査型電子顕微鏡観察における、9.2μm×10.4μmの範囲内で観察できる細孔すべての直径を測定し、平均することにより求めることができる。   Here, the average pore diameter can be obtained by measuring and averaging the diameters of all pores that can be observed within a range of 9.2 μm × 10.4 μm in a scanning electron microscope observation at a magnification of 10,000 times. it can.

また、細孔径の標準偏差σは、0.1μm以下であることが好ましい。細孔径の標準偏差σは、上記の9.2μm×10.4μmの範囲内で観察できる細孔数をNとして、測定した各々の直径をXk、細孔直径の平均をX(ave)とした、下記の式(1)により算出される。   The standard deviation σ of the pore diameter is preferably 0.1 μm or less. The standard deviation σ of the pore diameter is defined as N, where X is the number of pores that can be observed within the above-mentioned range of 9.2 μm × 10.4 μm, and X (ave) is the average pore diameter. Is calculated by the following equation (1).

Figure 0005061639
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本発明で用いられる多孔性膜において、発酵培養液の透過性が重要点の一つであり、透過性の指標として、使用前の多孔性膜の純水透過係数を用いることができる。多孔性膜の純水透過係数が、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで透水量を測定し算出したとき、2×10−9/m/s/pa以上であることが好ましく、2×10−9以上6×10−7/m/s/pa以下であれば、実用的に十分な透過水量が得られる。より好ましい純水透過係数は、2×10−9/m/s/pa以上1×10−7/m/s/pa以下である。 In the porous membrane used in the present invention, the permeability of the fermentation broth is one of the important points, and the pure water permeability coefficient of the porous membrane before use can be used as the permeability index. When the pure water permeability coefficient of the porous membrane was calculated by measuring the water permeability at a head height of 1 m using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane, 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s. / Pa or more is preferable, and if it is 2 × 10 −9 or more and 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less, a practically sufficient amount of permeated water can be obtained. A more preferable pure water permeability coefficient is 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 1 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less.

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

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

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

Figure 0005061639
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本発明で用いられる多孔性膜は、平膜であっても中空糸膜であっても良い。平膜の場合、その厚みは用途に応じて選択されるが、例えば、厚みは好ましくは20μm以上5000μm以下であり、より好ましくは50μm以上2000μm以下の範囲で選択される。上述したように、多孔性膜は多孔質基材と多孔質樹脂層とから形成されていても良い。その際、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していても、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していなくてもどちらでも良く、用途に応じて選択される。多孔質基材の厚みは、好ましくは50μm以上3000μm以下の範囲で選択される。中空糸膜の場合、内径は好ましくは200μm以上5000μm以下の範囲で選択され、膜厚は好ましくは20μm以上2000μm以下の範囲で選択される。また、有機繊維または無機繊維を筒状にした織物や編み物を含んでいても良い。   The porous membrane used in the present invention may be a flat membrane or a hollow fiber membrane. In the case of a flat membrane, the thickness is selected according to the application. For example, the thickness is preferably 20 μm or more and 5000 μm or less, more preferably 50 μm or more and 2000 μm or less. As described above, the porous film may be formed of a porous substrate and a porous resin layer. At that time, either the porous resin layer permeates the porous base material or the porous resin layer does not permeate the porous base material, and it is selected according to the application. The thickness of the porous substrate is preferably selected in the range of 50 μm or more and 3000 μm or less. In the case of a hollow fiber membrane, the inner diameter is preferably selected in the range of 200 μm to 5000 μm, and the film thickness is preferably selected in the range of 20 μm to 2000 μm. Moreover, the woven fabric and knitting which made the organic fiber or the inorganic fiber the cylinder shape may be included.

本発明で用いられる多孔性膜は、支持体と組み合わせることによって分離膜エレメントとすることができる。分離膜エレメントの形態は特に限定されないが、支持体として支持板を用い、その支持板の少なくとも片面に、本発明の多孔性膜を配した分離膜エレメントは、本発明の分離膜エレメントの好適な形態の一つである。この形態では、膜面積を大きくすることが困難なので、透水量を大きくするために、支持板の両面に多孔性膜を配することも好ましい態様である。   The porous membrane used in the present invention can be made into a separation membrane element by combining with a support. The form of the separation membrane element is not particularly limited, but a separation membrane element in which a support plate is used as a support and the porous membrane of the present invention is disposed on at least one surface of the support plate is suitable for the separation membrane element of the present invention. One of the forms. In this embodiment, since it is difficult to increase the membrane area, it is also a preferable aspect to dispose a porous membrane on both surfaces of the support plate in order to increase the water permeability.

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

また、本発明において使用する多孔性膜は、0.1kPa以上20kPa以下の範囲で濾過処理することができるものが好ましい。   In addition, the porous membrane used in the present invention is preferably one that can be filtered in the range of 0.1 kPa to 20 kPa.

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

炭素源としては、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、更には酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなども使用される。   Carbon sources include sugars such as glucose, sucrose, fructose, galactose and lactose, starch saccharified liquids containing these sugars, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, and organic acids such as acetic acid, alcohols such as ethanol And glycerin are also used.

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

無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等を適宜添加することができる。本発明に使用する微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加することができる。また、消泡剤も必要に応じて使用することができる。   As inorganic salts, phosphates, magnesium salts, calcium salts, iron salts, manganese salts, and the like can be appropriately added. When the microorganism used in the present invention requires a specific nutrient for growth, the nutrient can be added as a preparation or a natural product containing it. Moreover, an antifoamer can also be used as needed.

本発明において、発酵培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液のことを言い、追加する発酵原料の組成は、目的とする化学品、特にピルビン酸の生産性が高くなるように、培養開始時の発酵原料組成から適宜変更しても良い。   In the present invention, the fermentation broth refers to a liquid obtained as a result of growth of microorganisms or cultured cells on the fermentation raw material, and the composition of the fermentation raw material to be added has the productivity of the target chemical product, particularly pyruvic acid. You may change suitably from the fermentation raw material composition at the time of a culture | cultivation start so that it may become high.

本発明では、発酵培養液中の糖類濃度は、5g/l以下に保持されるようにすることが好ましい。その理由は、発酵培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。微生物の培養は、通常pH4〜8、温度20〜40℃の範囲で行われることが多い。発酵培養液のpHは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウムおよびアンモニアガスなどによって、上記範囲内のあらかじめ定められた値に調節することができる。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を21%以上に保つ、あるいは培養を加圧する、攪拌速度を上げる、通気量を上げるなどの手段を用いることができる。   In the present invention, the sugar concentration in the fermentation broth is preferably maintained at 5 g / l or less. The reason is to minimize the loss of sugar due to withdrawal of the fermentation broth. The culture of microorganisms is usually carried out at a pH of 4 to 8 and a temperature of 20 to 40 ° C. The pH of the fermentation broth can be adjusted to a predetermined value within the above range with an inorganic acid or an organic acid, an alkaline substance, urea, calcium carbonate, ammonia gas, or the like. If it is necessary to increase the oxygen supply rate, means such as adding oxygen to the air to keep the oxygen concentration at 21% or higher, pressurizing the culture, increasing the stirring rate, or increasing the aeration rate can be used.

本発明では、培養初期にBatch培養またはFed−Batch培養を行って微生物濃度を高くした後に連続培養(引き抜き)を開始しても良いし、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続培養を行っても良い。適当な時期から原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養物の引き抜きの開始時期は必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養物の引き抜きは連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。原料培養液には上記に示したような菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、発酵培養液の環境が微生物または培養細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが効率よい生産性を得るのに好ましい。一例として、濃度は乾燥重量として5g/L以上に維持することにより良好な生産効率が得られる。   In the present invention, batch culture or fed-batch culture may be performed at the initial stage of culture to increase the microorganism concentration, and then continuous culture (pullout) may be started. May be performed. It is possible to supply the raw material culture solution and extract the culture from an appropriate time. The starting times of the supply of the raw material culture solution and the withdrawal of the culture are not necessarily the same. Further, the supply of the raw material culture solution and the withdrawal of the culture may be continuous or intermittent. What is necessary is just to add a nutrient required for microbial cell growth as shown above to a raw material culture solution so that microbial cell growth may be performed continuously. Efficient productivity to maintain the concentration of microorganisms or cultured cells in the culture solution at a high level so long as the environment of the fermentation broth is not suitable for the growth of microorganisms or cultured cells and does not increase the rate of death. It is preferable to obtain As an example, good production efficiency can be obtained by maintaining the concentration at 5 g / L or more as the dry weight.

また、必要に応じて発酵反応槽内から微生物または培養細胞を引き抜くことができる。例えば、発酵反応槽内の微生物または培養細胞濃度が高くなりすぎると、分離膜の閉塞が発生しやすくなる場合があることから、引き抜くことにより閉塞から回避することができる。また、発酵反応槽内の微生物または培養細胞濃度によって化学品の生産性能が変化することがあり、生産性能を指標として微生物または培養細胞を引き抜くことで生産性能を維持させることも可能である。   Moreover, microorganisms or cultured cells can be extracted from the fermentation reaction tank as necessary. For example, if the concentration of microorganisms or cultured cells in the fermentation reaction tank becomes too high, the separation membrane may be easily clogged. In addition, the production performance of chemical products may change depending on the concentration of microorganisms or cultured cells in the fermentation reaction tank, and the production performance can be maintained by extracting microorganisms or cultured cells using the production performance as an index.

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

本発明で使用される微生物や培養細胞としては、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞および昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。   Examples of microorganisms and cultured cells used in the present invention include yeasts such as baker's yeast often used in the fermentation industry, bacteria such as Escherichia coli and coryneform bacteria, filamentous fungi, actinomycetes, animal cells and insect cells. Can be mentioned. The microorganisms and cells used may be those isolated from the natural environment, or may be those whose properties have been partially modified by mutation or genetic recombination.

本発明の連続発酵装置で製造される化学品としては、上記微生物や細胞が培養液中に生産する物質であれば特に制限はないが、アルコール、有機酸、アミノ酸および核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。また、本発明は、酵素、抗生物質および組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。例えば、アルコールとしては、エタノール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、カダベリンおよびグリセロールなど、また有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸およびクエン酸などを挙げることができる。本発明の連続発酵装置を用いることにより、上記化学品の高い生産性を得ることができる。   The chemical product produced by the continuous fermentation apparatus of the present invention is not particularly limited as long as it is a substance produced by the microorganisms or cells in the culture solution, but is mass-produced in the fermentation industry such as alcohol, organic acid, amino acid and nucleic acid. Can be mentioned. The present invention can also be applied to the production of substances such as enzymes, antibiotics and recombinant proteins. For example, alcohols include ethanol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, cadaverine and glycerol, and organic acids include acetic acid, lactic acid, pyruvic acid, succinic acid, malic acid, itaconic acid and citric acid. An acid etc. can be mentioned. By using the continuous fermentation apparatus of the present invention, high productivity of the chemical product can be obtained.

次に、本発明の連続発酵装置を用いて行われる連続発酵の形態について説明する。   Next, the form of continuous fermentation performed using the continuous fermentation apparatus of this invention is demonstrated.

従来の連続発酵培養は、発酵反応槽へ新鮮培地を一定速度で供給し、これと同量の発酵培養液を槽外へ排出することによって、発酵反応槽内の液量を常に一定に保つ培養法である。回分培養では、初発基質濃度が消費されると発酵培養が終了するが、連続発酵培養では、理論的には無限に発酵培養を持続させることができる。すなわち、理論的には無限に発酵させることができる。   In conventional continuous fermentation culture, a fresh medium is supplied to the fermentation reaction tank at a constant rate, and the same amount of fermentation broth is discharged out of the tank so that the amount of liquid in the fermentation reaction tank is always kept constant. Is the law. In batch culture, fermentation culture is terminated when the initial substrate concentration is consumed. However, in continuous fermentation culture, fermentation culture can theoretically be maintained indefinitely. That is, theoretically, it can be fermented indefinitely.

一般に回分培養では、微生物の増殖、基質の消費および微生物の生産物により、微生物濃度、基質濃度、生産物濃度、pHおよび溶存酸素等の微生物のおかれた環境条件が、発酵培養時間の経過に伴って変化する。それに対して、連続発酵培養においては、これらの環境条件が一定に保たれた状態(定常状態)が出現し且つ持続する。   In batch culture, the environmental conditions of microorganisms such as microbial concentration, substrate concentration, product concentration, pH and dissolved oxygen, etc., in the course of fermentation culture time depend on microbial growth, substrate consumption and microbial product. It changes with it. On the other hand, in continuous fermentation culture, a state (steady state) in which these environmental conditions are kept constant appears and persists.

一方、上述従来の連続培養では発酵培養液と共に微生物も槽外に排出され、発酵反応槽内の微生物濃度を高く維持することは難しい。ここで、発酵生産を行う場合には発酵を行う微生物を高濃度に保つことができれば、発酵容積当たりの発酵生産効率を向上させることができる。そのためには、微生物を発酵反応槽内に保持、あるいは還流させる必要がある。微生物を発酵反応槽内に保持あるいは還流させる方法としては、排出された発酵培養液を重力、例えば、遠心分離により固液分離し、沈殿物である微生物を発酵反応槽に返送する方法、濾過することにより固形分である微生物を分離し、発酵培養液上清のみを発酵反応槽外に排出する方法等が挙げられる。しかしながら、遠心分離による方法は動力費が高く現実的ではない。濾過による方法は、前述のように濾過するために高い圧力要することから、実験室レベルでの検討がほとんどである。   On the other hand, in the conventional continuous culture described above, the microorganisms are also discharged out of the tank together with the fermentation broth, and it is difficult to maintain a high microorganism concentration in the fermentation reaction tank. Here, when performing fermentation production, the fermentation production efficiency per fermentation volume can be improved if the microorganisms for fermentation can be maintained at a high concentration. For that purpose, it is necessary to hold or reflux the microorganisms in the fermentation reaction tank. As a method for retaining or refluxing microorganisms in the fermentation reaction tank, the discharged fermentation broth is subjected to solid-liquid separation by gravity, for example, centrifugation, and the microorganisms as precipitates are returned to the fermentation reaction tank, or filtered. For example, a method may be used in which microorganisms that are solids are separated, and only the supernatant of the fermentation broth is discharged out of the fermentation reaction tank. However, the method using centrifugation is expensive because of the high power cost. Since the filtration method requires a high pressure for filtration as described above, most of the studies are performed at the laboratory level.

次に、ここで本発明の連続発酵装置の構成および特徴について説明する。本発明の連続発酵装置の主たる構成は、微生物もしくは培養細胞を保持し化学品を製造するための発酵反応槽、および微生物もしくは培養細胞と発酵培養液をろ過分離するための多孔性膜を含む膜分離エレメントであり、多孔性膜は発酵反応槽の内部に設置されることを特徴としている。ここで使用される多孔性膜は、平均細孔径が0.01μm以上1μm未満である。従来の連続発酵装置、例えば、セラミックフィルター等の従来のろ過装置を用いた発酵培養液の分離ろ過時に高いろ過圧力が必要であるが、発酵装置内を加圧状態で保つことが困難なことから、ろ過分離装置は発酵反応槽の外部に設置されていたが、本発明の連続発酵装置においては、濾過圧力である膜間差圧が0.1から20kPaの範囲であり、特別に発酵反応槽内を加圧状態に保つ必要がないことから、多孔性膜を発酵槽内部に設置することが可能である。このように本発明の連続発酵装置は、濾過分離装置を設置せず、連続発酵装置と濾過分離槽間の発酵培養液を循環させるためのポンプ等の装置の設置が必要ないことから、連続発酵装置のコンパクト化が可能となる上に、装置の構造を単純にすることが可能となる。そのため、雑菌の混入といった微生物培養上のトラブル、および可動部分の機械的トラブルの頻度の低減が可能になることから、装置のメンテナンスが容易になる。また、ろ過分離装置と発酵反応槽間の発酵培養液循環動力が不要となることから、運転コストの低減が実現する。   Next, the configuration and characteristics of the continuous fermentation apparatus of the present invention will be described here. The main constitution of the continuous fermentation apparatus of the present invention is a membrane comprising a fermentation reaction vessel for holding microorganisms or cultured cells and producing chemicals, and a porous membrane for separating the microorganisms or cultured cells and the fermentation broth by filtration The separation element is characterized in that the porous membrane is installed inside the fermentation reaction tank. The porous membrane used here has an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm. A high filtration pressure is required when separating and filtering a fermentation broth using a conventional continuous fermentation apparatus, for example, a conventional filtration apparatus such as a ceramic filter, but it is difficult to keep the inside of the fermentation apparatus in a pressurized state. The filtration / separation apparatus was installed outside the fermentation reaction tank. However, in the continuous fermentation apparatus of the present invention, the transmembrane differential pressure, which is the filtration pressure, is in the range of 0.1 to 20 kPa. Since it is not necessary to keep the inside in a pressurized state, it is possible to install a porous membrane inside the fermenter. As described above, the continuous fermentation apparatus of the present invention does not have a filtration / separation apparatus, and it is not necessary to install an apparatus such as a pump for circulating the fermentation broth between the continuous fermentation apparatus and the filtration / separation tank. The apparatus can be made compact and the structure of the apparatus can be simplified. For this reason, it is possible to reduce the frequency of microbial culture problems such as contamination of microorganisms and the frequency of mechanical troubles in the movable parts, which facilitates maintenance of the apparatus. Moreover, since the fermentation culture fluid circulation power between the filtration separation apparatus and the fermentation reaction tank is not required, the operation cost can be reduced.

本発明の連続発酵装置の分離膜エレメントを構成する分離膜ならびに支持材部材は、高圧蒸気滅菌操作に耐性の部材を用いることが好ましい。これにより分離膜エレメントを含む発酵反応槽内を滅菌可能とすることができる。発酵反応槽内が滅菌可能であれば、連続発酵培養時に好ましくない微生物による汚染の危険を回避できることから、安定した連続発酵培養が可能となる。分離膜エレメントを構成する分離膜ならびに支持材部材は、高圧蒸気滅菌操作の条件である121℃の温度で15分間という条件に耐性であれば、分離膜ならびに支持材部材の種類は特に限定されない。分離膜の素材としては上述の分離膜として用いられる多孔性膜の素材を用いることが可能である。また、支持材部材としては、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属、あるいはポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、PVDF、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂およびポリサルホン系樹脂等を好ましく選定することができる。   As the separation membrane and the support member constituting the separation membrane element of the continuous fermentation apparatus of the present invention, a member resistant to high-pressure steam sterilization operation is preferably used. Thereby, the inside of the fermentation reaction tank containing the separation membrane element can be sterilized. If the inside of the fermentation reaction tank can be sterilized, the risk of contamination by undesirable microorganisms during continuous fermentation culture can be avoided, so that stable continuous fermentation culture is possible. The type of the separation membrane and the support member is not particularly limited as long as the separation membrane and the support member constituting the separation membrane element are resistant to the condition of 121 minutes at a temperature of 121 ° C., which is a high-pressure steam sterilization operation condition. As the material of the separation membrane, the material of the porous membrane used as the above-described separation membrane can be used. Examples of the support member include metals such as stainless steel and aluminum, or polyamide resins, fluorine resins, polycarbonate resins, polyacetal resins, polybutylene terephthalate resins, PVDF, modified polyphenylene ether resins, and polysulfone resins. A resin or the like can be preferably selected.

次に、本発明の連続発酵装置の代表的な一例を図面で説明する。   Next, a typical example of the continuous fermentation apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の膜分離型の連続発酵装置の一つの実施の形態を説明するための概略側面図である。   FIG. 1 is a schematic side view for explaining one embodiment of a membrane separation type continuous fermentation apparatus of the present invention.

図1において、膜分離型の連続発酵装置は、微生物もしくは培養細胞を発酵させるための発酵反応槽1と、その発酵反応槽1内部に配設され分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための分離膜エレメント2と、該分離膜エレメント2に接続され濾過された発酵生産物を含む透過液を排出するための手段と、該分離膜の膜間差圧を0.1から20kPaの範囲に制御するための手段からなる。発酵反応槽1内には分離膜エレメント2が配設されており、その分離膜エレメント2には、平均細孔径0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜としては、例えば、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを使用することができる。分離膜エレメントに関しては、追って詳述する。   In FIG. 1, a membrane-separated continuous fermentation apparatus is used for filtering a fermentation reaction tank 1 for fermenting microorganisms or cultured cells, and a fermentation broth having a separation membrane disposed in the fermentation reaction tank 1. Separation membrane element 2, means for discharging the permeate containing the filtered fermentation product connected to the separation membrane element 2, and the transmembrane differential pressure of the separation membrane in the range of 0.1 to 20 kPa It consists of means for controlling. A separation membrane element 2 is disposed in the fermentation reaction tank 1, and a porous membrane having pores with an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm is incorporated in the separation membrane element 2. As the porous membrane, for example, a separation membrane and a separation membrane element disclosed in International Publication No. 2002/064240 can be used. The separation membrane element will be described in detail later.

次に、図1の膜分離型の連続発酵装置による連続発酵の形態について説明する。培地供給ポンプ7によって、培地を発酵反応槽1内に連続的もしくは断続的に投入する。培地については、発酵反応槽1内に投入する前に、必要に応じて加熱殺菌、加熱滅菌あるいはフィルターを用いた滅菌処理を行うことができる。発酵生産時には、必要に応じて、発酵反応槽1内の攪拌機5で発酵反応槽1内の発酵培養液を攪拌することができる。また必要に応じて、気体供給装置4によって必要とする気体を発酵反応槽1内に供給することができる。このとき、供給した気体を回収リサイクルして再び気体供給装置4に供給することができる。また必要に応じて、pHセンサ・制御装置9およびpH調整溶液供給ポンプ8によって発酵反応槽1内の発酵培養液のpHを調整することができる。また必要に応じて、温度調節器10によって発酵反応槽1内の発酵培養液の温度を調節することにより生産性の高い発酵生産を行うことができる。   Next, the form of continuous fermentation by the membrane separation type continuous fermentation apparatus of FIG. 1 will be described. The culture medium is pumped into the fermentation reaction tank 1 continuously or intermittently by the culture medium supply pump 7. The medium can be sterilized by heating, sterilization, or sterilization using a filter as necessary before being put into the fermentation reaction tank 1. At the time of fermentation production, the fermentation culture solution in the fermentation reaction tank 1 can be agitated with the agitator 5 in the fermentation reaction tank 1 as necessary. Moreover, the gas required by the gas supply apparatus 4 can be supplied in the fermentation reaction tank 1 as needed. At this time, the supplied gas can be recovered and recycled and supplied to the gas supply device 4 again. If necessary, the pH of the fermentation broth in the fermentation reaction tank 1 can be adjusted by the pH sensor / control device 9 and the pH adjusting solution supply pump 8. Moreover, if necessary, highly productive fermentation production can be performed by adjusting the temperature of the fermentation broth in the fermentation reaction tank 1 with the temperature controller 10.

ここでは、計装・制御装置による発酵培養液の物理化学的条件の調節に、pHおよび温度の調節を例示したが、必要に応じて、溶存酸素やORPの制御を行うことができ、更にはオンラインケミカルセンサーなどの分析装置により発酵培養液中の微生物の濃度を測定し、それを指標とした物理化学的条件の制御を行うことができる。また、培地の連続的もしくは断続的投入の形態に関しては、特に限定されるものではないが、上記の計装・制御装置による発酵培養液の物理化学的環境の測定値を指標として、培地投入量および速度を適宜調節することができる。   Here, the adjustment of the pH and temperature was exemplified for the adjustment of the physicochemical conditions of the fermentation broth by the instrumentation / control device, but if necessary, the dissolved oxygen and ORP can be controlled, The concentration of microorganisms in the fermentation broth can be measured by an analytical device such as an on-line chemical sensor, and the physicochemical conditions can be controlled using the concentration as an index. Further, the form of continuous or intermittent input of the medium is not particularly limited, but the amount of medium input is determined using the measured value of the physicochemical environment of the fermentation broth by the instrumentation / control apparatus as an index. And the speed can be adjusted accordingly.

発酵培養液は、発酵反応槽1内に設置された分離膜エレメント2によって、微生物と発酵生産物に濾過・分離され連続発酵装置系から排出され取り出される。この排出の方法については下記に詳述する。   The fermentation broth is filtered and separated into microorganisms and fermentation products by the separation membrane element 2 installed in the fermentation reaction tank 1 and discharged from the continuous fermentation apparatus system and taken out. This discharge method will be described in detail below.

また、濾過・分離された微生物は、装置系内に留まることにより装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。ここで、分離膜エレメント2による濾過・分離は、発酵反応槽1の水面との水頭差圧によって行い、特別な動力を必要としない。また、必要に応じて、レベルセンサ6および水頭差圧制御装置3によって、分離膜エレメント2の濾過・分離速度およびよび発酵反応槽1内の発酵培養液量を適当に調節することができる。上記の分離膜エレメント2による濾過・分離は、水頭差圧によって行うことを例示したが、必要に応じて、ポンプや、液体や気体等による吸引濾過あるいは装置系内を加圧することにより、濾過・分離することもできる。   In addition, the filtered and separated microorganisms can remain in the apparatus system to maintain a high concentration of microorganisms in the apparatus system, enabling highly productive fermentation production. Here, the filtration / separation by the separation membrane element 2 is performed by the water head differential pressure with respect to the water surface of the fermentation reaction tank 1, and no special power is required. Moreover, the filtration / separation speed of the separation membrane element 2 and the amount of the fermentation culture solution in the fermentation reaction tank 1 can be appropriately adjusted by the level sensor 6 and the head differential pressure control device 3 as necessary. The filtration / separation by the separation membrane element 2 is exemplified by the water head differential pressure. However, if necessary, the filtration / separation can be performed by pumping, suction filtration with a liquid, gas, or the like, or pressurizing the apparatus system. It can also be separated.

すなわち、膜間差圧を制御するための手段として、発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差を制御する水頭差制御装置3や、加圧ポンプまたは/および吸引ポンプを用いることができ、また、気体または液体の圧力によって膜間差圧を制御することができることから、長期間安定な発酵生産が可能となる。   That is, as a means for controlling the transmembrane pressure difference, the water head difference control device 3 for controlling the liquid level difference of the fermentation broth and the porous membrane treated water, the pressure pump and / or the suction pump can be used. In addition, since the transmembrane pressure difference can be controlled by the pressure of gas or liquid, stable fermentation production for a long period of time becomes possible.

本発明で用いられる分離膜エレメント2の形態は特に限定されないが、好適な形態の例である国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを、以下に図面を用いてその概略を説明する。図2は、本発明で用いられる分離膜エレメント2の一つの実施の形態を説明するための概略斜視図である。   Although the form of the separation membrane element 2 used in the present invention is not particularly limited, the separation membrane and the separation membrane element disclosed in International Publication No. 2002/064240, which is an example of a preferred embodiment, are described below with reference to the drawings. The outline will be described. FIG. 2 is a schematic perspective view for explaining one embodiment of the separation membrane element 2 used in the present invention.

分離膜エレメントは、図2に示すように、剛性を有する支持板11の両面に、流路材12と前記の分離膜13をこの順序で配し構成されている。支持板11は、両面に凹部14を有している。分離膜13は、発酵培養液を濾過する。流路材12は、分離膜13で濾過された透過水を効率よく支持板11に流すためのものである。支持板11に流れた発酵生産物を含む透過液は、支持板13の凹部14を通り、排出手段である集水パイプ15を介して連続発酵装置外部に取り出される。ここで、上述の水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を透過水を取り出すための動力として用いることができる。   As shown in FIG. 2, the separation membrane element is configured by arranging a flow path material 12 and the separation membrane 13 in this order on both surfaces of a rigid support plate 11. The support plate 11 has recesses 14 on both sides. The separation membrane 13 filters the fermentation broth. The flow path member 12 is for efficiently flowing the permeated water filtered by the separation membrane 13 to the support plate 11. The permeate containing the fermentation product that has flowed to the support plate 11 passes through the recess 14 of the support plate 13 and is taken out of the continuous fermentation apparatus via the water collecting pipe 15 that is a discharging means. Here, the above-mentioned water head differential pressure, pump, suction filtration with a liquid or gas, or pressurization in the apparatus system can be used as power for extracting permeated water.

上記のように、本発明の連続発酵装置使用して連続発酵をおこなった場合、従来のバッチ発酵と比較して、高い体積生産速度が得られ、極めて効率のよい発酵生産が可能となる。ここで、連続培養における生産速度は、次の式(3)で計算される。
・発酵生産速度(g/L/hr)=抜き取り液中の生産物濃度(g/L)×発酵培養液抜き取り速度(L/hr)÷装置の運転液量(L) ・・・・(式3)
また、バッチ培養での発酵生産速度は、原料炭素源をすべて消費した時点の生産物量(g)を、炭素源の消費に要した時間(h)とその時点の培養液量(L)で除して求められる。
As described above, when continuous fermentation is performed using the continuous fermentation apparatus of the present invention, a high volumetric production rate is obtained compared to conventional batch fermentation, and extremely efficient fermentation production is possible. Here, the production rate in continuous culture is calculated by the following equation (3).
・ Fermentation production rate (g / L / hr) = Product concentration in extraction liquid (g / L) × Fermentation culture liquid extraction speed (L / hr) ÷ Operation liquid volume of apparatus (L) 3)
In addition, the fermentation production rate in batch culture is calculated by dividing the amount of product (g) at the time when all of the raw carbon source is consumed by the time (h) required for consumption of the carbon source and the amount of culture solution (L) at that time. Is required.

以下、本発明の連続発酵装置をさらに詳細に説明するために、上記の化学品としてL−乳酸を選定し、図1に示す連続発酵装置を用いることにより、連続的にL−乳酸発酵の実施することについて、実施例を挙げて説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。   Hereinafter, in order to describe the continuous fermentation apparatus of the present invention in more detail, L-lactic acid is selected as the above-mentioned chemical product, and the continuous fermentation apparatus shown in FIG. This will be described with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.

ここで、L−乳酸を生産させる微生物としては、酵母サッカロミセス・セレビセ(Saccharomyces cerevisae)を用いた。酵母サッカロミセス・セレビセは、本来L−乳酸発酵を持たないが、L−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を導入することにより、L−乳酸発酵能力をもつサッカロミセス・セレビセ株を造成し実施した。具体的には、ヒト由来LDH遺伝子を酵母ゲノム上のPDC1プロモーターの下流に連結することにより、L−乳酸発酵能力を持つ酵母株を造成して使用した。   Here, yeast Saccharomyces cerevisae was used as a microorganism for producing L-lactic acid. Yeast Saccharomyces cerevisiae originally did not have L-lactic acid fermentation, but by introducing a gene encoding L-lactic acid dehydrogenase, a Saccharomyces cerevisiae strain having L-lactic acid fermentation ability was constructed and carried out. Specifically, a yeast strain having L-lactic acid fermentation ability was constructed and used by linking the human-derived LDH gene downstream of the PDC1 promoter on the yeast genome.

(参考例1)乳酸生産能力を持つ酵母株の作製
乳酸生産能力を持つ酵母株を、下記のように造成した。具体的には、ヒト由来LDH遺伝子を酵母ゲノム上のPDC1プロモーターの下流に連結することにより、L−乳酸生産能力を持つ酵母株を造成する。ポリメラーゼ・チェーン・リアクション(PCR)には、La−Taq(宝酒造社製)、あるいはKOD-Plus-polymerase(東洋紡社製)を用い、付属の取扱説明に従って行った。
Reference Example 1 Production of Yeast Strain Having Lactic Acid Production Capacity A yeast strain having lactic acid production capacity was constructed as follows. Specifically, a yeast strain capable of producing L-lactic acid is constructed by linking a human-derived LDH gene downstream of the PDC1 promoter on the yeast genome. For polymerase chain reaction (PCR), La-Taq (manufactured by Takara Shuzo) or KOD-Plus-polymerase (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was used according to the attached instruction manual.

ヒト乳ガン株化細胞(MCF−7)を培養回収後、TRIZOL Reagent(Invitrogen)を用いてtotal RNAを抽出し、得られたtotal RNAを鋳型としてSuperScript Choice System(Invitrogen)を用いた逆転写反応によりcDNAの合成を行った。これらの操作の詳細は、それぞれ付属のプロトコールに従った。得られたcDNAを続くPCRの増幅鋳型とした。   After culturing and recovering human breast cancer cell lines (MCF-7), total RNA was extracted using TRIZOL Reagent (Invitrogen), and reverse transcription using SuperScript Choice System (Invitrogen) was performed using the obtained total RNA as a template. cDNA synthesis was performed. Details of these operations followed the attached protocol. The obtained cDNA was used as an amplification template for subsequent PCR.

上記操作で得られたcDNAを増幅鋳型とし、配列番号1および配列番号2で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたKOD-Plus-polymeraseによるPCRにより、L−ldh遺伝子のクローニングを行った。各PCR増幅断片を精製し末端をT4 Polynucleotide Kinase(TAKARA社製)によりリン酸化後、pUC118ベクター(制限酵素HincIIで切断し、切断面を脱リン酸化処理したもの)にライゲーションした。ライゲーションは、DNA Ligation Kit Ver.2(TAKARA社製)を用いて行った。ライゲーションプラスミド産物で大腸菌DH5αを形質転換し、プラスミドDNAを回収することにより各種L−ldh遺伝子(配列番号3)がサブクローニングされたプラスミドを得た。得られたL−ldh遺伝子が挿入されたpUC118プラスミドを制限酵素XhoIおよびNotIで消化し、得られた各DNA断片を酵母発現用ベクターpTRS11(図3)のXhoI/NotI切断部位に挿入した。このようにして、ヒト由来L−ldh遺伝子発現プラスミドpL−ldh5(L−ldh遺伝子)を得た。ヒト由来のL−ldh遺伝子発現ベクターである上記pL−ldh5は、プラスミド単独で独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センター(茨城県つくば市東1−1−1中央第6)にFERMAP−20421として寄託した(寄託日:平成17年2月21日)。   The L-ldh gene was cloned by PCR using KOD-Plus-polymerase using the cDNA obtained by the above operation as an amplification template and the oligonucleotides represented by SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 as a primer set. Each PCR amplified fragment was purified and the end was phosphorylated with T4 Polynucleotide Kinase (manufactured by TAKARA), and then ligated to a pUC118 vector (cut with the restriction enzyme HincII and the cut surface was dephosphorylated). Ligation was performed using DNA Ligation Kit Ver.2 (manufactured by TAKARA). Escherichia coli DH5α was transformed with the ligation plasmid product, and plasmid DNA was collected to obtain a plasmid in which various L-ldh genes (SEQ ID NO: 3) were subcloned. The obtained pUC118 plasmid into which the L-ldh gene was inserted was digested with restriction enzymes XhoI and NotI, and the resulting DNA fragments were inserted into the XhoI / NotI cleavage sites of the yeast expression vector pTRS11 (FIG. 3). In this manner, a human-derived L-ldh gene expression plasmid pL-ldh5 (L-ldh gene) was obtained. The above-mentioned pL-ldh5, which is a human-derived L-ldh gene expression vector, is FERMAP-20421 at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Patent Biological Depositary Center (1-1-1 Higashi 1-1-1, Tsukuba, Ibaraki Prefecture) as a plasmid alone. (Deposit date: February 21, 2005).

ヒト由来LDH遺伝子を含むプラスミドpL−ldh5を増幅鋳型とし、配列番号4および配列番号5で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたPCRにより、1.3kbのヒト由来LDH遺伝子、及びサッカロミセス・セレビセ由来のTDH3遺伝子のターミネーター配列含むDNA断片を増幅した。また、プラスミドpRS424を増幅鋳型として、配列番号6および配列番号7で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたPCRにより、1.2kbのサッカロミセス・セレビセ由来のTRP1遺伝子を含むDNA断片を増幅した。それぞれのDNA断片を、1.5%アガロースゲル電気泳動により分離し、常法に従い精製した。ここで得られた1.3kb断片と、1.2kb断片を混合したものを増幅鋳型とし、配列番号4および配列番号7で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたPCR法によって得られた産物を1.5%アガロースゲル電気泳動して、ヒト由来LDH遺伝子及びTRP1遺伝子が連結された2.5kbのDNA断片を常法に従い調整した。この2.5kbのDNA断片で出芽酵母NBRC10505株を、常法に従いトリプトファン非要求性に形質転換した。   By PCR using the plasmid pL-ldh5 containing the human-derived LDH gene as an amplification template and the oligonucleotides represented by SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 5 as primer sets, the human-derived LDH gene of 1.3 kb and Saccharomyces cerevisiae are derived. A DNA fragment containing the terminator sequence of the TDH3 gene was amplified. In addition, a DNA fragment containing the TRP1 gene derived from Saccharomyces cerevisiae of 1.2 kb was amplified by PCR using the plasmid pRS424 as an amplification template and the oligonucleotides represented by SEQ ID NO: 6 and SEQ ID NO: 7 as a primer set. Each DNA fragment was separated by 1.5% agarose gel electrophoresis and purified according to a conventional method. A product obtained by PCR using a mixture of the 1.3 kb fragment obtained here and the 1.2 kb fragment as an amplification template and the oligonucleotides represented by SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 7 as a primer set, 1.5% agarose gel electrophoresis was performed, and a 2.5 kb DNA fragment to which the human-derived LDH gene and TRP1 gene were linked was prepared according to a conventional method. Saccharomyces cerevisiae NBRC10505 strain was transformed with this 2.5 kb DNA fragment into tryptophan non-requirement according to a conventional method.

得られた形質転換細胞がヒト由来LDH遺伝子を酵母ゲノム上のPDC1プロモーターの下流に連結されている細胞であることの確認は、下記のように行った。まず、形質転換細胞のゲノムDNAを常法に従って調製し、これを増幅鋳型とした配列番号8および配列番号9で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたPCRにより、0.7kbの増幅DNA断片が得られることで確認した。また、形質転換細胞が乳酸生産能力を持つかどうかは、SC培地(METHODS IN YEAST GENETICS 2000 EDITION、 CSHL PRESS)で形質転換細胞を培養した培養上澄に乳酸が含まれていることを、下記に示す条件でHPLC法により乳酸量を測定することで確認した。
・カラム:Shim-Pack SPR-H(島津社製)
・移動相:5mM p−トルエンスルホン酸(流速0.8mL/min)
・反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/min)
・検出方法:電気伝導度
・温度:45℃。
・また、L−乳酸の光学純度測定は以下の条件でHPLC法により測定した。
・カラム:TSK-gel Enantio L1(東ソー社製)
・移動相 :1mM 硫酸銅水溶液
・流速:1.0ml/min
・検出方法 :UV254nm
・温度 :30℃
また、L−乳酸の光学純度は、次式で計算される。
・光学純度(%)=100×(L−D)/(L+D)
(ここで、LはL−乳酸の濃度を表し、DはD−乳酸の濃度を表す。)
HPLC分析の結果、4g/LのL−乳酸が検出され、D−乳酸は検出限界以下であった。以上の検討により、この形質転換体がL−乳酸生産能力を持つことが確認された。得られた形質転換細胞を酵母SW−1株として、続く実施例に用いた。
Confirmation that the obtained transformed cells were cells in which the human-derived LDH gene was linked downstream of the PDC1 promoter on the yeast genome was performed as follows. First, genomic DNA of a transformed cell was prepared according to a conventional method, and a 0.7 kb amplified DNA fragment was obtained by PCR using the oligonucleotides represented by SEQ ID NO: 8 and SEQ ID NO: 9 as a primer set. It was confirmed by obtaining. In addition, whether or not the transformed cells have lactic acid production ability is determined by the fact that lactic acid is contained in the culture supernatant obtained by culturing the transformed cells in SC medium (METHODS IN YEAS GENETIC 2000 EDITION, CSHL PRESS). It confirmed by measuring the amount of lactic acid by HPLC method on the conditions shown.
・ Column: Shim-Pack SPR-H (manufactured by Shimadzu Corporation)
-Mobile phase: 5 mM p-toluenesulfonic acid (flow rate 0.8 mL / min)
Reaction solution: 5 mM p-toluenesulfonic acid, 20 mM Bistris, 0.1 mM EDTA · 2Na (flow rate 0.8 mL / min)
-Detection method: electrical conductivity-Temperature: 45 ° C.
-The optical purity of L-lactic acid was measured by the HPLC method under the following conditions.
・ Column: TSK-gel Enantio L1 (manufactured by Tosoh Corporation)
-Mobile phase: 1 mM aqueous copper sulfate-Flow rate: 1.0 ml / min
・ Detection method: UV254nm
・ Temperature: 30 ℃
Moreover, the optical purity of L-lactic acid is calculated by the following formula.
Optical purity (%) = 100 × (LD) / (L + D)
(Here, L represents the concentration of L-lactic acid, and D represents the concentration of D-lactic acid.)
As a result of HPLC analysis, 4 g / L of L-lactic acid was detected, and D-lactic acid was below the detection limit. From the above examination, it was confirmed that this transformant has L-lactic acid production ability. The obtained transformed cells were used in subsequent examples as yeast strain SW-1.

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

(参考例3)多孔性膜の作製(その2)
樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)樹脂を、開孔剤として分子量が約20,000のポリエチレングリコール(PEG)を、溶媒としてN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)を、そして非溶媒として純水をそれぞれ用い、これらを90℃の温度下に十分に攪拌し、次の組成を有する原液を得た。
・PVDF:13.0重量%
・PEG : 5.5重量%
・DMAc:78.0重量%
・純水 : 3.5重量%
次に、上記原液を25℃の温度に冷却した後、密度が0.48g/cm3 で、厚みが220μmのポリエステル繊維製不織布(多孔質基材)に塗布し、塗布後、直ちに25℃の温度の純水中に5分間浸漬し、さらに80℃の温度の熱水に3回浸漬してDMAcおよびPEGを洗い出し、分離膜を得た。この分離膜の原液を塗布した側における、多孔質樹脂層表面の9.2μm×10.4μmの範囲内を、倍率10,000倍で走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、観察できる細孔すべての直径の平均は0.02μmであった。この分離膜について純水透過係数を評価したところ、2×10-93/m2・s・Paであった。透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、水頭差1mで行った。平均細孔径の標準偏差 は0.0055μmで、膜表面粗さは0.1μmであった。このようにして参考例3で作製した多孔性膜は本発明に好適に用いることが出来る。
(Reference Example 3) Production of porous membrane (part 2)
Polyvinylidene fluoride (PVDF) resin as a resin, polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of about 20,000 as a pore-opening agent, N, N-dimethylacetamide (DMAc) as a solvent, and pure water as a non-solvent. These were sufficiently stirred at a temperature of 90 ° C. to obtain a stock solution having the following composition.
・ PVDF: 13.0% by weight
・ PEG: 5.5% by weight
DMAc: 78.0% by weight
・ Pure water: 3.5% by weight
Next, after cooling the stock solution to a temperature of 25 ° C., it was applied to a polyester fiber nonwoven fabric (porous substrate) having a density of 0.48 g / cm 3 and a thickness of 220 μm. It was immersed in pure water at a temperature for 5 minutes, and further immersed in hot water at a temperature of 80 ° C. three times to wash out DMAc and PEG to obtain a separation membrane. When the surface of the porous resin layer on the side of the separation membrane on which the stock solution was applied was observed in a scanning electron microscope at a magnification of 10,000 times within the range of 9.2 μm × 10.4 μm, all the pores that could be observed The average diameter was 0.02 μm. When this separation membrane was evaluated for its pure water permeability coefficient, it was 2 × 10 −9 m 3 / m 2 · s · Pa. The amount of water permeation was measured using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane with a water head difference of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.0055 μm, and the membrane surface roughness was 0.1 μm. Thus, the porous membrane produced in Reference Example 3 can be suitably used in the present invention.

(参考例4)多孔性膜の作製(その3)
次に示す組成の原液を用いた他は、参考例3と同様にして分離膜を得た。
・PVDF:13.0重量%
・PEG: 5.5重量%
・DMAc:81.5重量%
この分離膜の原液を塗布した側における、多孔質樹脂層表面の9.2μm×10.4μmの範囲内を、倍率10,000倍で走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、観察できる細孔すべての直径の平均は0.19μmであり、この分離膜について純水透過係数を評価したところ、100×10-93/m2・s・Paであった。透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、水頭差1mで行った。また、平均細孔径の標準偏差 は0.060μmで、膜表面粗さは0.08μmであった。このようにして参考例4で作製した多孔性膜は本発明に好適に用いることが出来る。
(Reference Example 4) Production of porous membrane (part 3)
A separation membrane was obtained in the same manner as in Reference Example 3 except that the stock solution having the following composition was used.
・ PVDF: 13.0% by weight
・ PEG: 5.5% by weight
DMAc: 81.5% by weight
When the surface of the porous resin layer on the side of the separation membrane on which the stock solution was applied was observed in a scanning electron microscope at a magnification of 10,000 times within the range of 9.2 μm × 10.4 μm, all the pores that could be observed The average diameter was 0.19 μm, and the pure water permeability coefficient of this separation membrane was evaluated to be 100 × 10 −9 m 3 / m 2 · s · Pa. The amount of water permeation was measured using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane with a water head difference of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.060 μm, and the membrane surface roughness was 0.08 μm. Thus, the porous film produced in Reference Example 4 can be suitably used in the present invention.

(実施例1)連続発酵によるL−乳酸の製造(その1)
図1の膜分離型の連続発酵装置を稼働させることにより、L−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表1に示す組成の乳酸発酵培地を用い、この装置の連続発酵試験を行った。該培地は、121℃の温度で15分間、高圧蒸気滅菌して用いた。分離膜エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。また、分離膜には参考例2で作製した多孔性膜を用いた。この実施例1における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:120平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.1(L/min)
・発酵反応槽攪拌速度:400(rpm)
・pH調整:1N NaOHによりpH5に調整
・滅菌:分離膜エレメント2を含む発酵反応槽1、および使用培地は総て121℃、20minのオートクレーブにより高圧蒸気滅菌
・膜透過水量制御:膜分離槽水頭差により流量を制御(膜間差圧として2 kPa以下に制御した。)。
・膜透過水量制御:膜分離槽水頭差により流量を制御(水頭差は2m以内で制御した。)。
(Example 1) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 1)
In order to examine whether or not an L-lactic acid continuous fermentation system can be obtained by operating the membrane-separated continuous fermentation apparatus of FIG. 1, a continuous fermentation test of this apparatus was conducted using a lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 1. went. The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. For the separation membrane element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. Moreover, the porous membrane produced in Reference Example 2 was used as the separation membrane. The operating conditions in Example 1 are as follows unless otherwise specified.
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 120 square cm
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
-Aeration volume of fermentation reaction tank: 0.1 (L / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 400 (rpm)
・ PH adjustment: adjusted to pH 5 with 1N NaOH ・ Sterilization: Fermentation reaction tank 1 including separation membrane element 2 and the used culture medium are all autoclaved at 121 ° C. for 20 minutes. The flow rate was controlled by the difference (transmembrane pressure difference was controlled to 2 kPa or less).
-Membrane permeate flow rate control: The flow rate was controlled by the water separation difference in the membrane separation tank (the water difference was controlled within 2 m).

微生物として参考例1で造成した酵母SW−1株を用い、培地として表1に示す組成の乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、参考例1に示したHPLCを用い、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬)を用いた。   The yeast SW-1 strain prepared in Reference Example 1 was used as the microorganism, the lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 1 was used as the medium, and the HPLC shown in Reference Example 1 was used for evaluation of the concentration of lactic acid as the product. The glucose concentration was measured using “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

Figure 0005061639
Figure 0005061639

まず、SW−1株を試験管で5mlの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた発酵培養液を新鮮な乳酸発酵培地100mlに植菌し、500ml容の坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示した連続発酵装置の1.5Lの乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって400rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整、温度調整、pH調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵培養液量を1.5Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続発酵培養し、連続発酵培養による乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置3により、膜分離槽水頭差を最大2m以内、すなわち膜間差圧が20kPa以内となるように適宜水頭差を変化させることで行った。   First, the SW-1 strain was cultured with shaking in a 5 ml lactic acid fermentation medium in a test tube overnight (pre-culture). The obtained fermentation broth was inoculated into 100 ml of a fresh lactic acid fermentation medium, and cultured with shaking at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a 500 ml Sakaguchi flask (pre-culture). The incubating medium is inoculated in a 1.5 L lactic acid fermentation medium of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1 and the fermentation reaction tank 1 is stirred at 400 rpm by the attached stirrer 5. Adjustment, temperature adjustment, and pH adjustment were performed, and culture was performed for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the lactic acid fermentation medium is continuously supplied, and the continuous fermentation culture is performed while controlling the amount of permeated water in the continuous fermentation apparatus so that the amount of the fermentation broth in the continuous fermentation apparatus becomes 1.5 L. Production of lactic acid by continuous fermentation culture Went. The control of the amount of permeated water when performing the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference by the water head difference control device 3 so that the water head difference of the membrane separation tank is within 2 m at the maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa. I went there.

適宜、膜透過発酵液中の生産された乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、該乳酸、およびグルコース濃度から算出された投入グルコースから算出された乳酸対糖収率と、乳酸生産速度を表2に示した。280時間の発酵試験を行った結果、図1に示した連続発酵装置を用いることにより、安定したL−乳酸の連続発酵による製造が可能であることが確認できた。連続発酵の期間中の膜間差圧は、2kPa以下0.1以上で推移した。   The produced lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeation fermentation broth were measured appropriately. In addition, Table 2 shows the lactic acid-to-sugar yield calculated from the lactic acid and the input glucose calculated from the glucose concentration, and the lactic acid production rate. As a result of conducting a fermentation test for 280 hours, it was confirmed that stable production of L-lactic acid by continuous fermentation was possible by using the continuous fermentation apparatus shown in FIG. The transmembrane pressure difference during the continuous fermentation period was 2 kPa or less and 0.1 or more.

(実施例2)連続発酵によるL−乳酸の製造(その2)
図1の連続発酵装置を稼働させることにより、L−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表1に示す組成の乳酸発酵培地を用い、この装置の連続発酵試験を行った。該培地は、121℃の温度で15分間、高圧蒸気滅菌して用いた。分離膜エレメント部材2には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。また、分離膜には参考例1で作製した多孔性膜を用いた。この実施例2における運転条件は、特に断らない限り次のとおりである。
・反応槽容量:1.5(L)
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:120平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.05(L/min)
・乳酸発酵培地供給速度:50〜300ml/hr.の範囲で可変制御
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:1N NaOHによりpH5に調整
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御。
(Example 2) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 2)
In order to examine whether or not an L-lactic acid continuous fermentation system can be obtained by operating the continuous fermentation apparatus of FIG. 1, a continuous fermentation test of this apparatus was performed using a lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 1. The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. For the separation membrane element member 2, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. Further, the porous membrane prepared in Reference Example 1 was used as the separation membrane. The operating conditions in Example 2 are as follows unless otherwise specified.
・ Reaction tank capacity: 1.5 (L)
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 120 square cm
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
-Aeration volume of fermentation reaction tank: 0.05 (L / min)
Lactic acid fermentation medium supply rate: 50 to 300 ml / hr. Variable control within the range of-Stirring speed of fermentation reaction tank: 800 (rpm)
・ PH adjustment: pH adjusted to 5 with 1N NaOH ・ Membrane permeate flow rate control: Flow rate control by transmembrane pressure difference.

(連続発酵開始後〜80時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
80時間〜160時間:0.1kPa以上2kPa以下で制御
160時間〜240時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
・滅菌:分離膜エレメントを含む培養槽、および使用培地は総て121℃、20minの
オートクレーブにより高圧蒸気滅菌
・膜透過水量制御:膜分離槽水頭差により流量を制御(水頭差は2m以内で制御した。)。
(80 hours after the start of continuous fermentation: controlled at 0.1 kPa to 5 kPa
80 hours to 160 hours: Control between 0.1 kPa and 2 kPa
160 to 240 hours: controlled at 0.1 kPa to 20 kPa)
・ Sterilization: Culture tank containing separation membrane element and all used media are autoclaved at 121 ° C for 20 min. High pressure steam sterilization. Membrane permeate flow control: Flow rate is controlled by membrane separation tank water head difference (water head difference is controlled within 2 m. did.).

微生物として参考例1で造成した酵母SW−1株を用い、培地として表1に示す組成の乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、参考例1に示したHPLCを用い、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬)を用いた。   The yeast SW-1 strain prepared in Reference Example 1 was used as the microorganism, and the lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 1 was used as the medium. The glucose concentration was measured using “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

まず、SW−1株を試験管で5mlの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた発酵培養液を新鮮な乳酸発酵培地100mlに植菌し、500ml容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示した連続発酵装置の1.5Lの乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって400rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整、温度調整、pH調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵培養液量を1.5Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続発酵培養し、連続発酵培養による乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置3により水頭差を膜間差圧として測定し、上記膜透過水量制御条件で変化させることで行った。適宜、膜透過発酵液中の生産された乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、乳酸およびグルコース濃度から算出された投入グルコースから算出された乳酸対糖収率と、乳酸生産速度を表2に示した。240時間の発酵試験を行った結果、本膜分離型連続発酵装置を用いることにより、安定したL−乳酸の連続発酵による製造が可能であることが確認できた。尚、連続発酵の期間中の膜間差圧は、2kPa以下0.1以上で推移した。   First, the SW-1 strain was cultured with shaking in a 5 ml lactic acid fermentation medium in a test tube overnight (pre-culture). The obtained fermentation broth was inoculated into 100 ml of a fresh lactic acid fermentation medium, and cultured with shaking at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a 500 ml Sakaguchi flask (pre-culture). The incubating medium is inoculated in a 1.5 L lactic acid fermentation medium of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1 and the fermentation reaction tank 1 is stirred at 400 rpm by the attached stirrer 5. Adjustment, temperature adjustment, and pH adjustment were performed, and culture was performed for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the lactic acid fermentation medium is continuously supplied, and the continuous fermentation culture is performed while controlling the amount of permeated water in the continuous fermentation apparatus so that the amount of the fermentation broth in the continuous fermentation apparatus becomes 1.5 L. Production of lactic acid by continuous fermentation culture Went. Control of the amount of water permeated through the continuous fermentation test was carried out by measuring the water head difference as a transmembrane pressure difference with the water head difference control device 3 and changing it under the above-mentioned membrane permeated water amount control conditions. The produced lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeation fermentation broth were measured appropriately. In addition, Table 2 shows the lactic acid-to-sugar yield calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and glucose concentrations, and the lactic acid production rate. As a result of conducting a fermentation test for 240 hours, it was confirmed that stable production of L-lactic acid by continuous fermentation was possible by using this membrane separation type continuous fermentation apparatus. In addition, the transmembrane differential pressure during the period of continuous fermentation changed at 2 kPa or less and 0.1 or more.

(実施例3)連続発酵によるL−乳酸の製造(その3)
分離膜に参考例3で作製した多孔性膜を用い、実施例2と同様のL−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を表2に示す。その結果、安定したL−乳酸の連続発酵による製造が可能であることが確認できた。連続発酵の期間中の膜間差圧は、2kPa以下0.1以上で推移した。
(Example 3) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 3)
Using the porous membrane produced in Reference Example 3 as the separation membrane, the same L-lactic acid continuous fermentation test as in Example 2 was performed. The results are shown in Table 2. As a result, it was confirmed that stable production of L-lactic acid by continuous fermentation was possible. The transmembrane pressure difference during the continuous fermentation period was 2 kPa or less and 0.1 or more.

(実施例4)連続発酵によるL−乳酸の製造(その4)
分離膜に参考例4で作製した多孔性膜を用い、実施例2と同様のL−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を表2に示す。その結果、安定したL−乳酸の連続発酵による製造が可能であることが確認できた。連続発酵の期間中の膜間差圧は、2kPa以下0.1以上で推移した。
(Example 4) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 4)
Using the porous membrane produced in Reference Example 4 as the separation membrane, the same L-lactic acid continuous fermentation test as in Example 2 was performed. The results are shown in Table 2. As a result, it was confirmed that stable production of L-lactic acid by continuous fermentation was possible. The transmembrane pressure difference during the continuous fermentation period was 2 kPa or less and 0.1 or more.

(比較例1)回分発酵によるL−乳酸の製造
図1に示す膜分離型の連続発酵装置を用いることにより、L−乳酸発酵生産性が向上するかどうかを調べるため、微生物を用いた発酵形態として最も典型的な回分発酵を行い、その乳酸生産性を評価した。表1に示す乳酸発酵培地を用い、図1の連続発酵装置で分離膜エレメントによる濾過を行うことなく回分発酵試験を行った。該培地は、121℃の温度で15分間、高圧蒸気滅菌して用いた。この比較例1でも、微生物として参考例1で造成した酵母SW−1株を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、参考例1に示したHPLCを用いて評価し、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬)を用いた。比較例1の運転条件を次に示す。
・発酵反応槽容量(乳酸発酵培地量):1(L)
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.1(L/min)
・発酵反応槽攪拌速度:400(rpm)
・pH調整:1N NaOHによりpH5に調整
まず、SW−1株を試験管で5mlの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々培養)。前々培養液を新鮮な乳酸発酵培地100mlに植菌し500ml容坂口フラスコで24時間振とう培養した(前培養)。前培養液を膜分離型連続発酵装置の1.5Lの乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5で400rpmで攪拌し、発酵反応槽1を通気した。温度調整、pH調整を行い、発酵培養液循環ポンプ10を稼働させることなく、回分発酵培養を行った。このときの菌体増殖量は、600nmでの吸光度で15であった。回分発酵の結果を、実施例1の連続発酵試験で得られたL―乳酸発酵生産性を比較して表2に示す。
(Comparative example 1) Production of L-lactic acid by batch fermentation In order to examine whether L-lactic acid fermentation productivity is improved by using the membrane-separated continuous fermentation apparatus shown in Fig. 1, fermentation form using microorganisms As the most typical batch fermentation, the lactic acid productivity was evaluated. Using a lactic acid fermentation medium shown in Table 1, a batch fermentation test was conducted without performing filtration with a separation membrane element in the continuous fermentation apparatus of FIG. The medium was used after autoclaving at 121 ° C. for 15 minutes. Also in Comparative Example 1, the yeast SW-1 strain prepared in Reference Example 1 was used as a microorganism, and the concentration of lactic acid as a product was evaluated using the HPLC shown in Reference Example 1, and the glucose concentration For the measurement, “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. The operating conditions of Comparative Example 1 are shown below.
-Fermentation reactor capacity (lactic acid fermentation medium amount): 1 (L)
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
-Aeration volume of fermentation reaction tank: 0.1 (L / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 400 (rpm)
-PH adjustment: Adjusted to pH 5 with 1N NaOH First, the SW-1 strain was cultured with shaking in a 5 ml lactic acid fermentation medium overnight in a test tube (pre-culture). The culture solution was inoculated into 100 ml of fresh lactic acid fermentation medium and cultured with shaking in a 500 ml Sakaguchi flask for 24 hours (pre-culture). The preculture was inoculated into a 1.5 L lactic acid fermentation medium of a membrane separation type continuous fermentation apparatus, the fermentation reaction tank 1 was stirred at 400 rpm with the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 was aerated. Temperature adjustment and pH adjustment were performed, and batch fermentation culture was performed without operating the fermentation broth circulation pump 10. The amount of bacterial cell growth at this time was 15 in terms of absorbance at 600 nm. The results of batch fermentation are shown in Table 2 comparing L-lactic acid fermentation productivity obtained in the continuous fermentation test of Example 1.

これらの比較の結果、図1の連続発酵装置を用いることにより、L−乳酸の生産速度が大幅に向上することを明らかにできた。すなわち、本発明によって開示された多孔性膜を組み込んだ膜分離型の連続発酵装置を用い、膜間差圧を制御することにより、発酵培養液を分離膜によって濾液と未濾過液に分離し、濾液から所望の発酵生産物を回収するとともに、未濾過液を発酵培養液に戻す連続発酵方法を可能とし、微生物量を高く維持しながら、連続発酵によるL―乳酸等の化学品の製造が可能であることが明らかとなった。   As a result of these comparisons, it was clarified that the production rate of L-lactic acid was significantly improved by using the continuous fermentation apparatus of FIG. That is, using a membrane separation type continuous fermentation apparatus incorporating a porous membrane disclosed by the present invention, by controlling the transmembrane pressure difference, the fermentation broth is separated into a filtrate and an unfiltered liquid by the separation membrane, The desired fermentation product can be recovered from the filtrate, and a continuous fermentation method can be used to return the unfiltered liquid to the fermentation broth, allowing the production of chemicals such as L-lactic acid by continuous fermentation while maintaining a high microbial content. It became clear that.

Figure 0005061639
Figure 0005061639

本発明の連続発酵装置は、簡便な操作条件で、長時間にわたり安定して所望の発酵生産物の高生産性を維持する連続発酵が可能であり、広く発酵工業において、発酵生産物である各種化学品を低コストで安定に生産することが出来、有用である。   The continuous fermentation apparatus of the present invention is capable of continuous fermentation that maintains high productivity of a desired fermentation product stably over a long period of time under simple operating conditions, and is widely used as a fermentation product in the fermentation industry. It is useful because it can produce chemicals stably at low cost.

図1は、本発明の膜分離型の連続発酵装置の一つの実施の形態を説明するための概略側面図である。FIG. 1 is a schematic side view for explaining one embodiment of a membrane separation type continuous fermentation apparatus of the present invention. 図2は、本発明で用いられる分離膜エレメントの一つの実施の形態を説明するための概略斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view for explaining one embodiment of a separation membrane element used in the present invention. 実施例で用いた酵母用発現ベクターpTRS11のフィジカルマップを示す図である。It is a figure which shows the physical map of the expression vector pTRS11 for yeast used in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 発酵反応槽
2 分離膜エレメント
3 水頭差制御装置
4 気体供給装置
5 攪拌機
6 レベルセンサ
7 培地供給ポンプ
8 pH調整溶液供給ポンプ
9 pHセンサ・制御装置
10 温度調節器
11 支持板
12 流路材
13 分離膜
14 凹部
15 集水パイプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fermentation reaction tank 2 Separation membrane element 3 Water head difference control device 4 Gas supply device 5 Stirrer 6 Level sensor 7 Medium supply pump 8 pH adjustment solution supply pump 9 pH sensor / control device 10 Temperature controller 11 Support plate 12 Channel material 13 Separation membrane 14 Recess 15 Water collecting pipe

Claims (10)

微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品の製造装置であって、微生物もしくは培養細胞を発酵させるための発酵反応槽と、その発酵反応槽内部に配設され分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための分離膜エレメントと、該分離膜エレメントに接続され濾過された発酵生産物を含む透過液を排出するための手段と、該分離膜の膜間差圧を0.1から20kPaの範囲に制御するための手段からなり、該分離膜が平均細孔径0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜であることを特徴とする連続発酵装置。   The fermentation broth of microorganisms or cultured cells is filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, the unfiltered liquid is retained or refluxed in the fermentation broth, and the fermentation raw material is added to the fermentation broth An apparatus for producing a chemical by continuous fermentation, a fermentation reaction tank for fermenting microorganisms or cultured cells, and a separation for filtering a fermentation broth provided in the fermentation reaction tank and provided with a separation membrane A membrane element, means for discharging the permeate containing the filtered fermentation product connected to the separation membrane element, and for controlling the transmembrane differential pressure of the separation membrane in the range of 0.1 to 20 kPa A continuous fermentation apparatus characterized in that the separation membrane is a porous membrane having pores having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm. 多孔性膜の純水透過係数が、2×10−9/m/s/pa以上6×10−7/m/s/pa以下である請求項1記載の連続発酵装置。 2. The continuous fermentation apparatus according to claim 1, wherein the porous membrane has a pure water permeability coefficient of 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa to 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa. . 多孔性膜の平均細孔径が0.01μm以上0.2μm未満の範囲内にあり、かつ、その平均細孔径の標準偏差が0.1μm以下である請求項1または2に記載の連続発酵装置。   The continuous fermentation apparatus according to claim 1 or 2, wherein the porous membrane has an average pore diameter in the range of 0.01 µm or more and less than 0.2 µm, and a standard deviation of the average pore diameter is 0.1 µm or less. 多孔性膜の膜表面粗さが0.1μm以下の多孔性膜である請求項1から3のいずれかに記載の連続発酵装置。   The continuous fermentation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous membrane has a membrane surface roughness of 0.1 µm or less. 多孔性膜が多孔質樹脂層を含む多孔性膜である請求項1から4のいずれかに記載の連続発酵装置。   The continuous fermentation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous membrane is a porous membrane including a porous resin layer. 多孔質樹脂層の素材がポリフッ化ビニリデンである請求項1から5のいずれかに記載の連続発酵装置。   The continuous fermentation apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the material of the porous resin layer is polyvinylidene fluoride. 膜間差圧を制御するための手段が、発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差を制御する水頭差制御装置である請求項1から6のいずれかに記載の連続発酵装置。   The continuous fermentation apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the means for controlling the transmembrane pressure difference is a water head difference control apparatus that controls a liquid level difference between the fermentation broth and the porous membrane treated water. 膜間差圧を制御するための手段が、加圧ポンプまたは/および吸引ポンプである請求項1から7のいずれかに記載の連続発酵装置。   The continuous fermentation apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the means for controlling the transmembrane pressure difference is a pressure pump or / and a suction pump. 多孔性膜を含む分離膜エレメントを構成する部材が高圧蒸気滅菌操作に耐性である請求項1からのいずれかに記載の連続発酵装置。 The continuous fermentation apparatus according to any one of claims 1 to 8 , wherein a member constituting the separation membrane element including the porous membrane is resistant to high-pressure steam sterilization operation. 微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品の製造装置であって、微生物もしくは培養細胞を発酵させるための発酵反応槽と、その発酵反応槽内部に配設され分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための分離膜エレメントと、該分離膜エレメントに接続され濾過された発酵生産物を含む透過液を排出するための手段と、該分離膜の膜間差圧を0.1から20kPaの範囲に制御するための手段からなり、該分離膜が平均細孔径0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜であることを特徴とする連続発酵装置によって微生物もしくは培養細胞を連続発酵することを特徴とする化学品の製造方法。   The fermentation broth of microorganisms or cultured cells is filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, the unfiltered liquid is retained or refluxed in the fermentation broth, and the fermentation raw material is added to the fermentation broth An apparatus for producing a chemical by continuous fermentation, a fermentation reaction tank for fermenting microorganisms or cultured cells, and a separation for filtering a fermentation broth provided in the fermentation reaction tank and provided with a separation membrane A membrane element, means for discharging the permeate containing the filtered fermentation product connected to the separation membrane element, and for controlling the transmembrane differential pressure of the separation membrane in the range of 0.1 to 20 kPa Characterized in that the separation membrane is a porous membrane having pores having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm, and continuously fermenting microorganisms or cultured cells using a continuous fermentation apparatus Method of manufacturing the chemicals to be.
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