JP5141126B2 - 連続発酵によるd−乳酸の製造方法 - Google Patents
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Description
・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、濾過膜の一種である逆浸透膜(RO膜)を用いて濾過し、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。
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く用いられるが、フッ化ビニリデンの単独重合体の他、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。このよう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。
・発酵生産速度(g/L/hr)=抜き取り液中の生産物濃度(g/L)×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。
[D−乳酸濃度のHPLCによる分析方法]
培養液を遠心分離し、得られた上清を膜濾過した後、下記に示す条件でHPLC法により乳酸量を測定した。
・カラム:Shim−Pack SPR−H(島津社製)
・ 移動相:5っM 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℃。
・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、D−乳酸の光学純度は、次式で計算される。
・光学純度(%)=100×(D−L)/(L+D)
ここで、LはL−乳酸の濃度であり、DはD−乳酸の濃度を表す。
樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)樹脂を、また溶媒として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、下記組成を有する原液を得た。
[原液]
・PVDF:13.0重量%
・DMAc:87.0重量%
次に、上記の原液を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、直ちに下記組成を有する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。
[凝固浴]
・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、上記分離膜について純水透水透過係数を評価したところ、50×10-9m3/m2/s/Paであった。純水透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ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。
重量平均分子量41.7万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ-ブチロラクトンとを、それぞれ38重量%と62重量%の割合で170℃の温度で溶解し原液を作製した。この原液をγ-ブチロラクトンを中空部形成液体として随拌させながら口金から吐出し、温度20℃のγ-ブチロラクトン80重量%水溶液からなる冷却浴中で固化して中空糸膜を作製した。
バシラス・ラエボラクティカス JCM2513を、GYP培地(特開2003−088392号公報に記載のGYP培地)100mlに接種し、温度30℃の温度で24時間培養して培養物を得た。得られた培養物を3000rpmで15分間、遠心分離処理し湿潤菌体0.5gを得た後、該湿潤菌体から、斎藤、三浦の方法(Biochem.Biophys.Acta.,72,619(1963))により染色体DNAを得た。次いで、この染色体DNA60μgおよび制限酵素Sau3AI、3ユニットを10mMトリス−塩酸緩衝液(50mM NaCl、10mM MgSO4および1mM ジチオスレイトール含有(pH 7.4))に各々混合し、温度37℃で30分間反応させた。反応終了液を常法により、フェノール抽出処理し、エタノール沈澱処理してSau3AIで消化されたバシラス・ラエボラクティカス JCM2513の染色体DNA断片50μgを得た。
エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)で自律複製可能なプラスミドベクタ−DNA(pUC19)20μgおよび制限酵素BamHI200ユニットを、50mMトリス−塩酸緩衝液(100mM NaClおよび10mM硫酸マグネシウム含有(pH7.4))に混合し、温度37℃で2時間反応させて消化液を得、該消化液を常法によりフェノール抽出し、更にエタノール沈澱処理を行った。
バシラス・ラエボラクティカス JCM2513株のD−LDH遺伝子のスクリーニングを、機能相補によって行った。その原理の詳細は、「(DOMINIQUE, G., Appl Environ Microbiol, United States (1995) 61 266-272)」に記載されている。すなわち、エッシェリシア・コリのD−乳酸デヒドロゲナーゼ酵素活性およびピルビン酸ギ酸リアーゼ酵素活性を欠失した株を作製する必要がある。キリルらの方法(Kirill, A., PNAS, United States (2000) 97 6640-6645)によって、エッシェリシア・コリのD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子(ldhA)およびピルビン酸ギ酸リアーゼ遺伝子(pflBおよびpflD)を破壊欠失した株を作製した。このようにして作製した株を、エシェリヒア・コリ TM33株(E.coli ΔldhA ΔpflB::Kmr ΔpflD::Cmr)と命名し、D−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子のスクリーニング用宿主とした。
エシェリヒア・コリ TM33株を、50μg/mlのカナマイシン硫酸塩および15μg/mlのクロラムフェニコールを含むLB培地100mlに接種し、温度37℃で24時間培養し、培養物を得た。このようにして得られた培養物を、3,000rpmで15分間遠心分離処理し、湿潤菌体0.8gを得た。得られた湿潤菌体を10%グリセロール溶液10mlで3度洗浄した後、10%グリセロール溶液0.1mlにけん濁しコンピテントセルとした。このコンピテントセルに、参考例4で得られたバシラス・ラエボラクティカス JCM2513株の遺伝子ライブラリーを1μl加え、電気穿孔法の常法に従い導入した株を50μg/mlのアンピシリンナトリウムを含むM9GP寒天培地(M9培地+0.4%グルコース+0.2%ペプトン)上にまき、嫌気条件下で生育可能であった株を数株得た。
上記で得られた組換えDNAを含有するエシェリヒア・コリ TM33/pBL2から、常法に従いプラスミドを調製し、得られた組換えDNAを用い塩基配列の決定を行った。塩基配列の決定は、Taq DyeDeoxy Terminator Cycle Sequencing Kit(アプライドバイオケミカル社製)を用いSangerの方法に従って行った。得られたD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子を含むDNAの塩基配列は、2,995塩基対あった。この配列についてGenetyx(ソフトウェア開発株式会社製)を用いてオープン・リーディング・フレーム検索を行い、1,011塩基対のD−乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子のDNA配列(配列番号1)を仮決定した。
バシラス・ラエボラクティカスから、D−LDH遺伝子をクローニングした。D−LDH遺伝子は、全てPCR法によりクローニングを行い、同様の方法で発現ベクターに導入している。クローニング方法を以下に示す。
参考例8のようにして得られたpTM63を酵母サッカロマイセス・セレビシエ NBRC10505株に形質転換した。形質転換は、YEASTMAKER Yeast Transformation System(CLONTECH社製)を用いた酢酸リチウム法により行った。詳細は、付属のプロトコールに従った。宿主とするサッカロマイセス・セレビシエ NBRC10505株はウラシル合成能を欠損した株であり、pTM63の持つURA3遺伝子の働きにより、ウラシル非添加培地上でpTM63の導入された形質転換体の選択が可能である。
図1の連続発酵装置を稼働させることにより、D−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D−乳酸生産培地を用い、この装置による連続発酵試験を行った。培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離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。分離膜には、参考例1で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。多孔性膜の平均細孔径は上記のとおり0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9m3/m2/s/paである。本実施例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:0.2(L/min)空気
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH5.0に調整
・滅菌:膜分離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:膜間差圧による流量制御。
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜264時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
微生物として、NBRC10505/pTM63株を用い、培地として表1に示す組成のD−乳酸生産培地を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価はHPLC法により測定した。また、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)(和光純薬社製)を用いた。
微生物もしくは培養細胞としてNBRC10505/pTM63株を用い発酵培地として表1に示す組成のD−乳酸生産培地を用い、図2に示す連続発酵装置用いて連続発酵試験を行った。また、上記D−乳酸生産培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離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。分離膜としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。分離膜には、参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。この実施例2における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
[運転条件]
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・膜分離槽容量:0.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:4000平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)空気
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH7.0に調整
・培養液循環速度:100ml/min
・滅菌:膜分離エレメントを含む培養槽および使用培地は、総て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御
(連続発酵開始後〜90時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜264時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
D−乳酸およびグルコース濃度は、実施例1と同様の方法を用いて評価した。
微生物を用いた発酵形態として最も典型的なバッチ発酵を2L容のジャーファーメンターを用いて行い、そのD−乳酸生産性を評価した。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では、微生物としてNBRC10505/pTM63株を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価は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)(和光純薬社製)を用いた。比較例1の運転条件は、下記のとおりである。
・発酵反応槽容量(D−乳酸生産培地量):1.0(L)
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)空気
・発酵反応槽攪拌速度:300(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH5.0に調整。
図1の連続発酵装置を稼働させることにより、D−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表3に示す組成のD−乳酸発酵培地を用い、この装置による連続発酵試験を行った。培地は、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離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。分離膜には、参考例1で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。多孔性膜の平均細孔径は上記のとおり0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9m3/m2/s/paである。この実施例3における運転条件は、特に断らないり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:37(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)窒素ガス
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH6.0に調整
・滅菌:膜分離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:膜間差圧による流量制御。
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜245時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
微生物として、バシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を用い、培地として表3に示す組成のD−乳酸発酵培地を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価はHPLC法により測定した。また、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)(和光純薬社製)を用いた。
微生物もしくは培養細胞としてバシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を用い発酵培地として表3に示す組成のD−乳酸発酵培地を用い、図2に示す連続発酵装置用いて連続発酵試験を行った。また上記D−乳酸発酵培地は121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌して用いた。膜分離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。分離膜としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。分離膜には、参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。この実施例4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。
[運転条件]
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・膜分離槽容量:0.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:4000平方cm
・温度調整:37(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)窒素
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH6.0に調整
・培養液循環速度:100ml/min
・滅菌:膜分離エレメントを含む培養槽および使用培地は、総て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
・膜透過水量制御:膜間差圧による流量制御
(連続発酵開始後〜90時間:0.1kPa以上5kPa以下で制御
90〜180時間:2kPa以下で制御
180〜250時間:0.1kPa以上20kPa以下で制御)
・D−乳酸およびグルコース濃度は、実施例1と同様の方法を用いて評価した。
微生物を用いた発酵形態として最も典型的なバッチ発酵を2L容のジャーファーメンターを用いて行い、そのD−乳酸生産性を評価した。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2では、微生物としてバシラス・ラエボラクティカス ATCC23492株を用い、生産物であるD−乳酸の濃度の評価は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”(登録商標C)(和光純薬社製)を用いた。比較例2の運転条件は、下記のとおりである。
・発酵反応槽容量(D−乳酸生産培地量):1.0(L)
・温度調整:37(℃)
・発酵反応槽通気量:0.2(L/min)窒素
・発酵反応槽攪拌速度:300(rpm)
・pH調整:5N NaOHによりpH6.0に調整。
2 膜分離エレメント
3 水頭差圧制御装置
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 培養液循環ポンプ
12 膜分離槽
13 支持板
14 流路材
15 分離膜
16 凹部
17 集水パイプ
18 分離膜束
19 上部樹脂封止層
20 下部樹脂封止層
21 支持フレーム
22 集水パイプ
Claims (12)
- D−乳酸を生産する能力を有する微生物もしくは培養細胞の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培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を培養液に追加する連続発酵によるD−乳酸の製造方法であって、該分離膜として平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の多孔性膜を用い、膜間差圧を0.1から20kPaの範囲として濾過処理することを特徴とする連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 多孔性膜の純水透過係数が、2×10−9m3/m2/s/pa以上6×10−7m3/m2/s/pa以下であることを特徴とする請求項1記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 多孔性膜の平均細孔径が0.01μm以上0.2μm未満であり、かつ、該平均細孔径の標準偏差が0.1μm以下であることを特徴とする請求項1または2記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 多孔性膜の膜表面粗さが0.1μm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 多孔性膜が多孔性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D−乳酸の製造方法。
- 多孔性膜の膜素材にポリフッ化ビニリデン系樹脂を用いることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 微生物が、バシラス(Bacillus)属に属することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 微生物が、バシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 微生物が、D−乳酸デヒドロゲナーゼの酵素活性を増強している微生物であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 微生物が、D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子を組み込んだ組換え微生物であることを特徴とする請求項9記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- 組換え微生物が酵母であることを特徴とする請求項10記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
- D−乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子が、ラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、ペディオコッカス・アシディラクティシ(Pediococcus acidilactici)またはバシラス・ラエボラクティカス(Bacillus laevolacticus)由来の遺伝子であることを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の連続発酵によるD−乳酸の製造方法。
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