JP5262004B2 - Process for producing lactic acid by continuous fermentation - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing lactic acid by such a continuous fermentation process that its high productivity can be maintained stably over a long period of time under simple operating conditions. <P>SOLUTION: The method comprises separating a fermented culture liquid of prokaryotic microorganisms having the ability to produce lactic acid through a separation membrane into a filtrate and an unfiltrate, and retrieving lactic acid as the desired fermentation product from the filtrate while the unfiltrate is held in or refluxed into the fermented culture liquid. As the separation membrane, a hard-to-close specific porous membrane having both high permeability and cell-blocking ability is used, and a filtration treatment is conducted under a specific low intermembrane differential pressure, thus enabling the production efficiency of the objective lactic acid by fermentation to be markedly improved stably at low cost. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、乳酸の生産能力のある原核微生物の培養方法の改良に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、乳酸の生産能力のある原核微生物の発酵培養液から、目詰まりが生じにくい多孔性分離膜を通して乳酸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、高い生産性を得ることができる連続発酵による乳酸の製造方法に関するものである。   The present invention relates to an improved method for culturing prokaryotic microorganisms capable of producing lactic acid. More specifically, the present invention efficiently filters and collects a liquid containing lactic acid from a fermentation culture solution of a prokaryotic microorganism capable of producing lactic acid through a porous separation membrane that is less likely to be clogged. The present invention relates to a method for producing lactic acid by continuous fermentation, which can improve the concentration of microorganisms involved in fermentation by returning to a fermentation broth and obtain 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)連続発酵法とに分類することができる。   Fermentation methods, which are substance production methods that involve the cultivation of microorganisms and cultured cells, are largely divided into (1) batch fermentation methods (Batch fermentation methods) and fed-batch fermentation methods (Fed-Batch fermentation methods), and (2) continuous fermentation methods. Can be classified.

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、時間経過と共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およ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ことが困難である。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されることを回避することによって、長時間にわたって高収率でかつ高生産性を維持することができるという利点がある。   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, as the time elapses, the concentration of the product in the culture solution increases, and the productivity and yield decrease due to the influence of osmotic pressure or product inhibition. Therefore, it is difficult to stably maintain a high yield and high productivity over a long period of time. On the other hand, the continuous fermentation method of (2) can maintain high yield and high productivity over a long period of time by avoiding accumulation of the target substance at a high concentration in the fermenter. There are advantages.

次に、乳酸の製造方法に関する技術背景について説明する。乳酸は、主に、酸味料として従来のクエン酸や酒石酸の代替品として用いられており、酸性の洗浄剤としての用途にも用いられる。また、乳酸には、医薬品として局方品の酸薬や皮膚腐触薬などの用途がある。また、乳酸には、誘導体としてナトリウム塩(化粧品や食品などの保湿剤用途)やカルシウム塩(カルシウム剤や強壮剤用途)などの用途もある。その他、乳酸には、メチルエステルやエチルエステルなどのエステルとして、フロンやトリクロロエタンなどのオゾン層破壊性溶剤の代替品としての用途もある。最近では、ポリ乳酸の原料としての用途が更に大きく広がってきている。したがって、この乳酸を効率的に製造することができれば、上記多種用途への乳酸供給が更に容易になることが期待できる。   Next, the technical background regarding the method for producing lactic acid will be described. Lactic acid is mainly used as a substitute for conventional citric acid and tartaric acid as an acidulant, and is also used as an acidic detergent. In addition, lactic acid has uses such as pharmacopoeia acid drugs and skin antiseptics as pharmaceuticals. In addition, lactic acid has derivatives such as sodium salts (use for moisturizing agents such as cosmetics and foods) and calcium salts (use for calcium agents and tonics). In addition, lactic acid can be used as an alternative to ozone depleting solvents such as chlorofluorocarbon and trichloroethane as esters such as methyl ester and ethyl ester. Recently, the use of polylactic acid as a raw material has further expanded. Therefore, if this lactic acid can be produced efficiently, it can be expected that the supply of lactic acid to the above-mentioned various uses becomes easier.

現在、乳酸は、主に乳酸菌と呼ばれる原核微生物あるいはリゾパス属(Genus Rhizopus)のカビによるバッチ発酵法で工業的に生産されているが、乳酸の対糖収率は、乳酸菌を用いる方が高いことが知られている(非特許文献1参照。)。   Currently, lactic acid is industrially produced mainly by batch fermentation using prokaryotic microorganisms called lactic acid bacteria or fungi of the genus Rhizopus, but the yield of lactic acid against sugar is higher when lactic acid bacteria are used. Is known (see Non-Patent Document 1).

一方、更に乳酸の生産性を向上させるために、連続的な乳酸発酵に関する検討が行われている。例えば、小林らは、セラミックス製フィルターを用いた乳酸菌による連続的な乳酸発酵の検討を行っているが、乳酸菌の濾過において、十分な透過性能を確保するためには、濾過圧力として、約90kPaの高い膜間差圧と逆洗浄が必要であることを報告している。また、膜表面の循環速度を早くすることにより透過性は向上するが、同時に膜表面での剪断力によって、微生物の活性低下や破裂などの不具合が生じることを開示している(非特許文献2参照。)。   On the other hand, in order to further improve the productivity of lactic acid, studies on continuous lactic acid fermentation are being conducted. For example, Kobayashi et al. Are investigating continuous lactic acid fermentation by lactic acid bacteria using a ceramic filter. In order to ensure sufficient permeation performance in filtration of lactic acid bacteria, the filtration pressure is about 90 kPa. Reported the necessity of high transmembrane pressure and backwashing. Further, it is disclosed that the permeability is improved by increasing the circulation speed on the membrane surface, but at the same time, the shearing force on the membrane surface causes problems such as a decrease in the activity of microorganisms and rupture (Non-Patent Document 2). reference.).

同様に、セラミックス製フィルターを用いた連続的な乳酸発酵を行うための装置が提案されているが、この装置では、セラミックス製フィルターの逆洗浄のために、空気や窒素などの気体や、水や濾過膜透過水などの液体を培養液の中に加えることになるため、微生物や培養細胞の物質生産能力が変化し培養の状態を最適に維持することが難しいことに加えて、菌体分離のための濾過膜装置が複雑になるという課題があった(特許文献1参照。)。更に、濾過膜を用いた乳酸菌の培養法の技術も提案されているが、上記の装置と同様に逆洗浄操作に伴う不具合があり、また濾過時にポンプによる吸引が必要で、濾過膜装置の複雑化が課題であった(特許文献2参照。)。   Similarly, an apparatus for performing continuous lactic acid fermentation using a ceramic filter has been proposed. In this apparatus, a gas such as air or nitrogen, water, Since liquids such as permeated membrane permeated water are added to the culture solution, it is difficult to maintain optimal culture conditions due to changes in the ability of microorganisms and cultured cells to produce substances. For this reason, there is a problem that the filtration membrane device for this is complicated (see Patent Document 1). Furthermore, a technique for cultivating lactic acid bacteria using a filtration membrane has also been proposed, but there are problems associated with back-washing operations as in the above-mentioned device, and suction by a pump is necessary during filtration, which complicates the filtration membrane device. There was a problem (see Patent Document 2).

すなわち、乳酸の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発酵培養液に還流させ、発酵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により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。
財団法人バイオインダストリー協会 発酵と代謝研究会編、「発酵ハンドブック」、64−65、共立出版(2001) 小林猛ら,ケミカル・エンジニア,12,49(1988) 特開昭62−138184号公報 特開平2−174674号公報
That is, in the continuous fermentation method of lactic acid, microorganisms and cells are filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, and at the same time, the filtered microorganisms and cells are refluxed to the fermentation broth, and the microorganisms and cell concentration in the fermentation broth It is still difficult to obtain high material productivity by improving and maintaining high, and technological innovation has been desired.
Bioindustry Association, Fermentation and Metabolism Study Group, “Fermentation Handbook”, 64-65, Kyoritsu Publishing (2001) Takeshi Kobayashi, Chemical Engineer, 12, 49 (1988) Japanese Patent Laid-Open No. 62-138184 Japanese Patent Laid-Open No. 2-174673

そこで本発明の目的は、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ことができる連続発酵法による乳酸の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing lactic acid by a continuous fermentation method that can maintain high productivity stably over a long period of time with a simple operation method.

本発明者らは、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発酵培養液を濾過した場合に、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、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research, the present inventors have found that the separation membrane is clogged when the fermentation broth is filtered under the condition that the microorganisms and the cells enter the separation membrane and the transmembrane pressure is low. Has been found to be remarkably suppressed, and it has been possible to stably maintain the filtration of high concentration microorganisms, which has been a problem, for a long period of time, and the present invention has been completed.

本発明の乳酸の製造方法は、乳酸を生産する能力を有する原核微生物(ただし、バシラス属(Genus Bacillus)に属する微生物であって、D−乳酸を生産する能力を有する微生物を除く。)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発酵培養液に保持または還流し、かつ、その原核微生物の発酵原料を前記発酵培養液に追加する連続発酵により乳酸を製造する方法であって、前記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、その膜間差圧を0.1から20kPaの範囲にして濾過処理することを特徴とする連続発酵による乳酸の製造方法である。 The method for producing lactic acid of the present invention is a fermentation of prokaryotic microorganisms capable of producing lactic acid (excluding microorganisms belonging to the genus Bacillus and having the ability to produce D-lactic acid). The culture solution is filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, and the unfiltered solution is retained or refluxed in the fermentation culture solution, and the fermentation raw material of the prokaryotic microorganism is added to the fermentation culture solution by continuous fermentation. In the method for producing lactic acid, a porous membrane having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used as the separation membrane, and a filtration treatment is performed with a transmembrane pressure difference of 0.1 to 20 kPa. It is the manufacturing method of the lactic acid by the continuous fermentation characterized.

具体的に本発明は、発酵培養液を分離膜によって濾液と未濾過液に分離し、その濾液から所望の発酵生産物である乳酸を回収するとともに、その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乳酸の製造方法であって、高い透過性と高い細胞阻止率を持ち閉塞しにくい上記特定の多孔性分離膜を利用すると共に上記特定の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乳酸の製造方法を提供するものである。   Specifically, the present invention separates the fermentation broth into a filtrate and an unfiltered liquid through a separation membrane, collects lactic acid, which is a desired fermentation product, from the filtrate and holds the unfiltered liquid in the fermented broth or A method for producing lactic acid by a continuous fermentation method for refluxing, which uses the above-mentioned specific porous separation membrane that has high permeability and high cell blocking rate and is difficult to block, and performs filtration with the above-mentioned specific low transmembrane pressure. By this, the manufacturing method of lactic acid which improves fermentation production efficiency remarkably stably at low cost is provided.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法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 the preferable aspect of the manufacturing method of lactic acid by continuous fermentation of this invention, the pure water permeability coefficient of the said porous membrane is 2 * 10 < -9 > m < 3 > / m < 2 > / s / pa or more 6 * 10 < -7 > m. 3 / m 2 / s / pa or less.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法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未満であり、該平均細孔径の標準偏差は0.1μm以下であり、その膜表面粗さは0.1μm以下である。   According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the average pore diameter of the porous membrane is 0.01 μm or more and less than 0.2 μm, and the standard deviation of the average pore diameter is 0.1 μm or less. The film surface roughness is 0.1 μm or less.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜は多孔性樹脂層を含み、その多孔性樹脂層の素材にはポリフッ化ビニリデン系樹脂が用いられる。   According to a preferred aspect of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the porous membrane includes a porous resin layer, and a polyvinylidene fluoride resin is used as a material for the porous resin layer.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の原核微生物は、乳酸の生産能力のある原核微生物であり、その乳酸の生産能力のある原核微生物は乳酸菌である。   According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the prokaryotic microorganism is a prokaryotic microorganism capable of producing lactic acid, and the prokaryotic microorganism capable of producing lactic acid is a lactic acid bacterium.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の乳酸菌は、ラクトコッカス属(Genus Lactococcus)またはラクトバシラス属(Genus Lactobacillus)に属する乳酸菌であり、特に好ましい乳酸菌は、ラクトコッカス ラクティス(Lactococcus lactis)およびラクトバシラス カゼイ(Lactobacillus casei)である。   According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the lactic acid bacterium is a lactic acid bacterium belonging to the genus Lactococcus or Genus Lactobacillus, and the particularly preferred lactic acid bacterium is Lactococcus lactis. (Lactococcus lactis) and Lactobacillus casei.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい態様によれば、前記の乳酸はL−乳酸である。   According to the preferable aspect of the manufacturing method of lactic acid by continuous fermentation of this invention, the said lactic acid is L-lactic acid.

本発明によれば、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である乳酸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、発酵生産物である乳酸を低コストで安定に生産することが可能となる。本発明の連続発酵による乳酸の製造方法により得られた乳酸は、例えば、酸味料、洗浄剤および医薬品、更にはポリ乳酸樹脂等の原料として有用である。   According to the present invention, continuous fermentation that maintains the high productivity of lactic acid that is a desired fermentation product stably over a long period of time under simple operation conditions is possible, and lactic acid that is a fermentation product widely in the fermentation industry. Can be stably produced at low cost. Lactic acid obtained by the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention is useful as a raw material for, for example, acidulants, detergents and pharmaceuticals, and polylactic acid resins.

本発明は、乳酸の生産能力のある原核微生物の発酵培養液を、分離膜で濾過し濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を前記発酵培養液に保持または還流し、かつ、その原核微生物の発酵原料を前記発酵培養液に追加する連続発酵であって、前記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、その膜間差圧を0.1以上20kPa未満にして濾過処理することを特徴とする連続発酵による乳酸の製造方法である。   The present invention provides a fermentation culture solution of a prokaryotic microorganism capable of producing lactic acid through a separation membrane to collect a product from the filtrate, hold or reflux the unfiltrated liquid in the fermentation culture solution, and the prokaryotic microorganism. In which the fermentation raw material is added to the fermentation broth, a porous membrane having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used as the separation membrane, and the transmembrane pressure difference is 0.1 or more and less than 20 kPa. It is a manufacturing method of lactic acid by continuous fermentation characterized by carrying out filtration processing.

本発明において分離膜として用いられる多孔性膜は、発酵に使用される原核微生物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未満であることが重要である。   The porous membrane used as a separation membrane in the present invention is desirably one that is not easily clogged by prokaryotic microorganisms 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 has 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の構成について説明する。本発明における多孔性膜は、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り、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。   The structure of the porous membrane used as a separation membrane in the present invention will be described. The porous membrane in the present invention has separation performance and water permeation performance according to the quality of water to be treated and its use, and in terms of separation performance such as blocking performance, water permeation performance and dirt resistance, the porous resin layer It is preferable that the film contains a porous film. 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.

多孔質基材の素材は、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であり、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 and non-woven fabrics using organic fibers such as cellulose fibers, cellulose triacetate fibers, polyester fibers, polypropylene fibers and polyethylene fibers. Among them, the density control is relatively easy and the production is also easy. An easy and inexpensive nonwoven fabric 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。有機高分子膜の素材としては、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などが挙げられ、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物であってもよい。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。   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. A cellulose triacetate-based resin may be used, and a mixture of these resins as a main component may be used. 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.

中でも、有機高分子膜の膜素材としては、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、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。   Among them, the organic polymer membrane materials include polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polyethers that are easy to form in solution and have excellent physical durability and chemical resistance. A sulfone-based resin and a polyacrylonitrile-based resin are preferable, and a polyvinylidene fluoride-based resin or a resin containing the same as a main component is most preferably used.

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。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-based resin, a homopolymer of vinylidene fluoride is preferably used. In addition to a homopolymer of vinylidene fluoride, a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride is used. A polymer 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の作成法の概要を例示説明する。   An outline of a method for producing a porous membrane used in the present invention will be described by way of example.

まず、多孔性膜のうち、平膜は次のようにして作成することができる。上述した多孔質基材の表面に、上述した樹脂と溶媒とを含む原液の被膜を形成すると共に、その原液を多孔質基材に含浸させる。その後、被膜を有する多孔質基材の被膜側表面のみを、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させると共に、多孔質基材の表面に多孔質樹脂層を形成する。原液にさらに非溶媒を含ませることもできる。原液の温度は、製膜性の観点から、通常、15〜120℃の範囲内で選定することが好ましい。   First, of the porous membrane, a flat membrane can be prepared as follows. A film of a stock solution containing the above-described resin and solvent is formed on the surface of the porous base material, and the porous base material is impregnated with the stock solution. Thereafter, only the coating-side surface of the porous substrate having a coating is brought into contact with a coagulation bath containing a non-solvent to solidify the resin, and a porous resin layer is formed on the surface of the porous substrate. The stock solution may further contain a non-solvent. The temperature of the stock solution is usually preferably selected within the range of 15 to 120 ° C. from the viewpoint of film forming properties.

ここで、原液には、開孔剤を添加することもできる。開孔剤は、凝固浴に浸漬された際に抽出されて、樹脂層を多孔質にする作用を持つものである。開孔剤を添加することにより、平均細孔径の大きさを制御することができる。開孔剤は、凝固浴への溶解性の高いものであることが好ましい。開孔剤としては、例えば、塩化カルシウムや炭酸カルシウムなどの無機塩を用いることができる。また、開孔剤として、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどのポリオキシアルキレン類や、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールおよびポリアクリル酸などの水溶性高分子化合物や、グリセリンを用いることができる。   Here, a pore opening agent may be added to the stock solution. The pore-opening agent is extracted when immersed in the coagulation bath, and has a function of making the resin layer porous. By adding a pore opening agent, the average pore size can be controlled. The pore-opening agent is preferably one having high solubility in the coagulation bath. As the pore opening agent, for example, an inorganic salt such as calcium chloride or calcium carbonate can be used. As the pore opening agent, polyoxyalkylenes such as polyethylene glycol and polypropylene glycol, water-soluble polymer compounds such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral and polyacrylic acid, and glycerin can be used.

また、溶媒は、樹脂を溶解するものである。溶媒は、樹脂および開孔剤に作用してそれらが多孔質樹脂層を形成する作用を促す。溶媒としては、N−メチルピロリジノン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、アセトンおよびメチルエチルケトンなどが用いられる。中でも、樹脂の溶解性の高いNMP、DMAc、DMFおよびDMSOが好ましく用いられる。   The solvent dissolves the resin. The solvent acts on the resin and the pore-opening agent to promote the action of them forming a porous resin layer. As the solvent, N-methylpyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methyl ethyl ketone, and the like are used. Among these, NMP, DMAc, DMF and DMSO, which have high resin solubility, are preferably used.

さらに、原液には、非溶媒を添加することもできる。非溶媒は、樹脂を溶解しない液体である。非溶媒は、樹脂の凝固の速度を制御して細孔の大きさを制御するように作用する。非溶媒としては、水や、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類を用いることができる。中でも、価格の点から水やメタノールが好ましく用いられる。非溶媒は、これらの混合物であってもよい。   Furthermore, a non-solvent can be added to the stock solution. The non-solvent is a liquid that does not dissolve the resin. The non-solvent acts to control the pore size by controlling the rate of solidification of the resin. As the non-solvent, water and alcohols such as methanol and ethanol can be used. Of these, water and methanol are preferably used from the viewpoint of price. The non-solvent may be a mixture thereof.

また、多孔性膜のうち、中空糸膜は次のようにして作成することができる。中空糸膜は、樹脂と溶媒からなる原液を二重管式口金の外側の管から吐出すると共に、中空部形成用流体を二重管式口金の内側の管から吐出して、冷却浴中で冷却固化して作製することができる。   Moreover, a hollow fiber membrane can be produced as follows among porous membranes. The hollow fiber membrane discharges a stock solution composed of a resin and a solvent from the outer tube of the double-tube base, and discharges a hollow portion forming fluid from the inner tube of the double-tube base in a cooling bath. It can be produced by cooling and solidifying.

原液は、上述の平膜の作成法で述べた樹脂を20重量%以上60重量%以下の濃度で、上述の平膜の生成法で述べた溶媒に溶解させることにより調整することができる。また、中空部形成用流体には、通常気体もしくは液体を用いることができる。また、得られた中空糸膜の外表面に、新たな多孔性樹脂層をコーティング(積層)することもできる。積層は中空糸膜の性質、例えば、親水・疎水性あるいは細孔径等を所望の性質に変化させるために行うことができる。積層される新たな多孔性樹脂層は、樹脂を溶媒に溶解させた原液を、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させることによって作製することができる。その樹脂の材質は、例えば、上述有機高分子膜の材質と同様のものが好ましく用いられる。また、積層方法としては、原液に中空糸膜を浸漬してもよいし、中空糸膜の表面に原液を塗布してもよく、積層後、付着した原液の一部を掻き取ったり、エアナイフを用いて吹き飛ばしすることにより積層量を調整することもできる。   The stock solution can be prepared by dissolving the resin described in the above-described method for producing a flat film at a concentration of 20% by weight or more and 60% by weight or less in the solvent described in the above-described method for forming a flat film. Moreover, a gas or a liquid can be normally used for the hollow portion forming fluid. In addition, a new porous resin layer can be coated (laminated) on the outer surface of the obtained hollow fiber membrane. Lamination can be performed in order to change the properties of the hollow fiber membrane, such as hydrophilicity / hydrophobicity or pore diameter, to desired properties. A new porous resin layer to be laminated can be produced by bringing a stock solution obtained by dissolving a resin in a solvent into contact with a coagulation bath containing a non-solvent to coagulate the resin. As the material of the resin, for example, the same material as that of the organic polymer film is preferably used. As a lamination method, the hollow fiber membrane may be immersed in the stock solution, or the stock solution may be applied to the surface of the hollow fiber membrane. After the lamination, a part of the attached stock solution is scraped off or an air knife is used. It is also possible to adjust the stacking amount by blowing it away.

本発明で用いられる多孔性膜は、樹脂などの部材を用いて中空糸膜の中空部を接着・封止し、支持体に設置することによって分離膜エレメントとすることができる。   The porous membrane used in the present invention can be made into a separation membrane element by adhering / sealing the hollow portion of the hollow fiber membrane using a member such as a resin and setting it on a support.

本発明で用いられる多孔性膜は、上記したように、平膜であっても中空糸膜であっても良い。平膜の場合、その平均厚みは用途に応じて選択されるが、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。   As described above, 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 average thickness is selected according to the application, but is preferably 20 μm or more and 5000 μm or less, and more preferably 50 μm or more and 2000 μm or less.

上述のように、本発明で用いられる分離膜は、多孔質基材と多孔質樹脂層とから形成されている多孔性膜であることが望ましい。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。多孔質基材の平均厚みは、好ましくは50μm以上3000μm以下の範囲で選択される。   As described above, the separation membrane used in the present invention is desirably a porous membrane formed from 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 average thickness of the porous substrate is preferably selected in the range of 50 μm to 3000 μm.

また、多孔性膜が中空糸膜の場合、中空糸の内径は好ましくは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物を中空糸の内部に含んでいても良い。   When the porous membrane is a hollow fiber membrane, the inner diameter of the hollow fiber 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. Further, a woven fabric or a knitted fabric in which organic fibers or inorganic fibers are formed in a cylindrical shape may be included in the hollow fiber.

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。多孔性膜を有す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、本発明で用いられる多孔性膜を配した分離膜エレメントは、本発明で用いられる多孔性膜を有する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、膜面積を大きくすることが困難な場合には、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 having a porous membrane is not particularly limited, but the separation membrane element in which a support plate is used as a support and the porous membrane used in the present invention is disposed on at least one side of the support plate is the present invention. It is one of the suitable forms of the separation membrane element which has a porous membrane used by 1). In this embodiment, when 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.

分離膜の平均細孔径が上記の範囲内にあると、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、さらに目詰まりを起こしにくく、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。細菌類を用いた場合、多孔性膜の平均細孔径は好ましくは0.4μm以下であり、平均細孔径は0.2μm未満であればなお好適に実施することが可能である。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、本発明では、平均細孔径は0.01μm以上であり、好ましくは0.02μm以上であり、さらに好ましくは0.04μm以上である。   When the average pore diameter of the separation membrane is within the above range, it is possible to achieve both a high exclusion rate without causing leakage of bacterial cells and sludge and high water permeability, and it is difficult to cause clogging. Can be carried out with higher accuracy and reproducibility. When bacteria are used, the average pore diameter of the porous membrane is preferably 0.4 μm or less, and the average pore diameter is preferably less than 0.2 μm. If the average pore diameter is too small, the water permeation rate may decrease. Therefore, in the present invention, the average pore diameter is 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.04 μm or more. is there.

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.

平均細孔径の標準偏差σは、0.1μm以下であることが好ましい。更に、平均細孔径の標準偏差が小さい、すなわち細孔径の大きさが揃っている方が均一な透過液を得ることができ、発酵運転管理が容易になることから、平均細孔径の標準偏差は小さければ小さい方が望ましい。   The standard deviation σ of the average pore diameter is preferably 0.1 μm or less. Furthermore, since the standard deviation of the average pore diameter is small, that is, when the pore diameters are uniform, a uniform permeate can be obtained and the fermentation operation management becomes easy. Smaller is desirable if it is small.

平均細孔径の標準偏差σは、上述の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とし、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 average pore diameter is N (the number of pores that can be observed within the above-mentioned range of 9.2 μm × 10.4 μm), each measured diameter is Xk, and the average pore diameter is X (ave) It is calculated by the following (Formula 1).

Figure 0005262004
Figure 0005262004

本発明で用いられる多孔性膜においては、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。本発明において、多孔性膜の純水透過係数は、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、純水透過係数が2×10−9/m/s/pa以上6×10−7/m/s/pa以下であれば、実用的に十分な透過水量が得られる。 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. In the present invention, the pure water permeation coefficient of the porous membrane is 2 × 10 −9 m 3 / when the water permeability is measured at a head height of 1 m using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane. It is preferably m 2 / s / pa or more, and the pure water permeability coefficient should be 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less. Thus, a practically sufficient amount of permeate can be obtained.

本発明で用いられる多孔性膜の膜表面粗さは、多孔性膜の目詰まりに影響を与える因子であり、好ましくは膜表面粗さが0.1μm以下のときに多孔性膜の剥離係数や膜抵抗を好適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。従って、目詰まりを抑えることで、安定した連続発酵が可能になることから、膜表面粗さは小さければ小さいほど好ましい。   The membrane surface roughness of the porous membrane used in the present invention is a factor that affects the clogging of the porous membrane, and preferably when the membrane surface roughness is 0.1 μm or less, Membrane resistance can be suitably reduced, and continuous fermentation can be performed with a lower transmembrane pressure difference. Therefore, since stable continuous fermentation becomes possible by suppressing clogging, the smaller the membrane surface roughness, the better.

また、多孔性膜の膜表面粗さが低いことにより、微生物の濾過において、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。   In addition, since the membrane surface roughness of the porous membrane is low, it can be expected that the shearing force generated on the membrane surface will be reduced in the filtration of microorganisms, the destruction of microorganisms is suppressed, and the clogging of the porous membrane is also suppressed. By doing so, it is considered that stable filtration is possible for a long period of time.

ここで、膜表面粗さは、膜表面に対して垂直方向の高さの平均値であり、下記の原子間力顕微鏡装置(AFM)を使用して、下記の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、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。
Here, the film surface roughness is an average value of the height in the direction perpendicular to the film surface, and can be measured using the following atomic force microscope (AFM) under the following conditions.
・ Atomic force microscope (Nanoscope IIIa manufactured by Digital Instruments)
・ Conditions Tip SiN cantilever (Digital Instruments)
Scan 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 The membrane sample was immersed in ethanol at room temperature for 15 minutes, then 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, to exclude impurities such as ions and salts. The pore size of the RO membrane is approximately 2 nm or less.

膜表面粗さdroughは、上記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。 Membrane surface roughness d rough from the Z-axis direction of the height of each point by the AFM, is calculated by the following equation (2).

Figure 0005262004
Figure 0005262004

本発明において、原核微生物を分離膜で濾過処理する際の膜間差圧は、原核微生物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いが、膜間差圧を0.1kPa以上20kPa以下の範囲にして濾過処理することが重要であり、膜間差圧は好ましくは0.1kPa以上10kPa以下の範囲であり、さらに好ましくは0.1kPa以上5kPaの範囲である。上記膜間差圧の範囲を外れた場合、原核微生物および培地成分の目詰まりが急速に発生し、透過水量の低下を招き、連続発酵運転に不具合を生じることがある。   In the present invention, the transmembrane pressure difference when the prokaryotic microorganism is filtered through the separation membrane may be any condition as long as the prokaryotic microorganism and the medium components are not easily clogged, but the transmembrane pressure difference is 0.1 kPa or more and 20 kPa or less. It is important to carry out the filtration treatment within the range, and the transmembrane pressure difference is preferably in the range of 0.1 kPa to 10 kPa, more preferably in the range of 0.1 kPa to 5 kPa. When the range of the transmembrane pressure difference is exceeded, clogging of prokaryotic microorganisms and medium components occurs rapidly, leading to a decrease in the amount of permeated water, and may cause problems in continuous fermentation operation.

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。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により制御することができるから、特別に発酵反応槽内を加圧状態に保つ必要がなく、乳酸を生産する能力が低下しない。また、発酵反応槽内を加圧状態に保つ必要がないことから、膜分離槽と発酵反応槽間で発酵培養液を循環させる動力手段が不要となり、多孔性膜を発酵反応槽内に設置することも可能となり、連続発酵装置のコンパクト化を図ることができる。   As a driving force for filtration, it is possible to generate a transmembrane pressure difference in the porous membrane by a siphon utilizing a liquid level difference (water head difference) of the fermentation broth and the porous membrane treated water. 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. The transmembrane pressure difference can be controlled by changing the liquid level difference between the fermentation broth and the porous membrane treated water, so there is no need to keep the inside of the fermentation reactor in a pressurized state, producing lactic acid. The ability to do is not reduced. Moreover, since there is no need to keep the inside of the fermentation reaction tank in a pressurized state, a power means for circulating the fermentation broth between the membrane separation tank and the fermentation reaction tank becomes unnecessary, and a porous membrane is installed in the fermentation reaction tank. This also makes it possible to reduce the size of the continuous fermentation apparatus.

また、膜間差圧を発生させるためにポンプを使用する場合には、吸引圧力により膜間差圧を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も膜間差圧を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 addition, when a pump is used to generate the transmembrane pressure, the transmembrane pressure can be controlled by the suction pressure, and also by the gas or liquid pressure that introduces the pressure on the fermentation broth side. The transmembrane pressure can be controlled. 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, which can be used to control the transmembrane pressure difference.

本発明で使用される原核微生物の発酵原料は、培養する原核微生物の生育を促し、目的とする発酵生産物である乳酸を良好に生産させ得るものであればよく、例えば、炭素源、窒素源、無機塩類、および必要に応じてアミノ酸やビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する液体培地等が好ましく用いられる。   The prokaryotic fermentation raw material used in the present invention is not limited as long as it promotes the growth of the prokaryotic microorganism to be cultured and can satisfactorily produce lactic acid, which is the target fermentation product. In addition, a liquid medium or the like appropriately containing inorganic salts and, if necessary, organic micronutrients such as amino acids and vitamins are preferably used.

上記の炭素源としては、例えば、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトースおよびマルトース等の糖類、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、ケーンジュース、ケーンジュース抽出物または濃縮液、ケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖、ケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖、更には酢酸、フマル酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリン等が使用される。ここで糖類とは、多価アルコールの最初の酸化生成物であり、アルデヒド基またはケトン基をひとつ持ち、アルデヒド基を持つ糖をアルドース、ケトン基を持つ糖をケトースと分類される炭水化物のことを指す。   Examples of the carbon source include sugars such as glucose, sucrose, fructose, galactose, lactose and maltose, starch saccharified liquid containing these sugars, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, cane juice, and cane juice extraction Product or concentrate, raw sugar purified or crystallized from cane juice, purified sugar crystallized or crystallized from cane juice, organic acids such as acetic acid and fumaric acid, alcohols such as ethanol, and glycerin Etc. are used. Sugars are the first oxidation products of polyhydric alcohols, and are carbohydrates that have one aldehyde group or ketone group, sugars with aldehyde groups are classified as aldoses, and sugars with ketone groups are classified as ketoses. Point to.

前記の炭素源は、培養開始時に一括して添加してもよいし、培養中分割してあるいは連続的に添加することもできる。   The carbon source may be added all at once at the start of culture, or may be added in portions during culture or continuously.

また、上記の窒素源としては、例えば、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。   Examples of the nitrogen source include ammonia gas, aqueous ammonia, ammonium salts, urea, nitrates, and other auxiliary organic nitrogen sources such as oil cakes, soybean hydrolysates, casein decomposition 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.

また、上記の無機塩類としては、例えば、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使用することができる。   Moreover, as said inorganic salt, a phosphate, magnesium salt, calcium salt, iron salt, manganese salt etc. can be suitably added and used, for example.

本発明で使用され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添加使用することができる。   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. An antifoaming agent can be added and used as necessary.

本発明において、乳酸の製造方法で使用されるより好ましい乳酸生産培地は、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトースおよびマルトースからなる群から選ばれた少なくとも1種類を含む乳酸生産培地である。また、乳酸の製造方法で使用されるより好ましい乳酸生産培地は、これらの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、ケーンジュース、ケーンジュース抽出物または濃縮液、ケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖、ケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖、更には酢酸、フマル酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリン等からなる群から選ばれた少なくとも1種類を含む乳酸生産培地であることが、より好ましい。本発明では、これら発酵原料を必要に応じて希釈して用いることができる。   In the present invention, a more preferable lactic acid production medium used in the method for producing lactic acid is a lactic acid production medium containing at least one selected from the group consisting of glucose, sucrose, fructose, galactose, lactose and maltose. More preferable lactic acid production medium used in the method for producing lactic acid is starch saccharified solution containing these sugars, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, cane juice, cane juice extract or concentrated solution, cane juice Selected from the group consisting of raw material sugar purified or crystallized from sugar, purified sugar crystallized or crystallized from cane juice, organic acids such as acetic acid and fumaric acid, alcohols such as ethanol, glycerin and the like More preferably, the medium is a lactic acid production medium containing at least one kind. In the present invention, these fermentation raw materials can be diluted as necessary.

本発明において、発酵培養液とは、発酵原料に微生物が増殖した結果得られる培養液のことを言い、追加する発酵原料の組成は、培養開始時の発酵原料組成から適宜変更しても良い。発酵原料組成から追加する発酵原料の組成に変更する場合、目的とする乳酸の生産性が高くなるように変更することが好ましい。例えば、上記炭素源に対する窒素源、無機塩類、アミノ酸およびビタミンなどの有機微量栄養素の重量比率を低下させることにより、乳酸の生産コストの低減、すなわち広義で乳酸の生産性の向上が実現できる場合もある。一方、上記炭素源に対する窒素源、無機塩類、アミノ酸およびビタミンなどの有機微量栄養素の重量比率を増加させることにより、乳酸の生産性を向上させることができる場合もある。   In the present invention, the fermentation broth refers to a broth obtained as a result of growth of microorganisms on the fermentation raw material, and the composition of the fermentation raw material to be added may be appropriately changed from the fermentation raw material composition at the start of the culture. When changing from the fermentation raw material composition to the composition of the fermentation raw material to be added, it is preferable to change the composition so as to increase the productivity of the target lactic acid. For example, by reducing the weight ratio of organic micronutrients such as nitrogen sources, inorganic salts, amino acids, and vitamins to the carbon source, it may be possible to reduce lactic acid production costs, that is, improve lactic acid productivity in a broad sense. is there. On the other hand, by increasing the weight ratio of organic micronutrients such as nitrogen sources, inorganic salts, amino acids and vitamins to the carbon source, lactic acid productivity may be improved.

本発明では、発酵培養液中の糖類など発酵原料の濃度は、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、培養液の引き抜きによる発酵原料の流失を最小限にするためである。そのため発酵培養液中の発酵原料の濃度は、可能な限り小さいことが望ましい。   In the present invention, the concentration of fermentation raw materials such as sugars in the fermentation broth is preferably maintained at 5 g / l or less. The reason is to minimize the loss of the fermentation raw material due to the withdrawal of the culture solution. Therefore, the concentration of the fermentation raw material in the fermentation broth is desirably as small as possible.

原核微生物の発酵培養は、通常、pHが4〜8で温度が20〜40℃の範囲で行われることが多い。発酵培養液のpHは、無機の酸または有機の酸、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される。   Prokaryotic fermentation is usually carried out in a range of pH 4 to 8 and temperature 20 to 40 ° C. The pH of the fermentation broth is adjusted to a predetermined value within the above range with an inorganic or organic acid, an alkaline substance, urea, calcium carbonate, ammonia gas, and the like.

原核微生物の発酵培養において、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、培養液を加圧する、攪拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。逆に、酸素の供給速度を下げる必要があれば、炭酸ガス、窒素およびアルゴンなど酸素を含まないガスを空気に混合して供給することも可能である。   If it is necessary to increase the oxygen supply rate in prokaryotic fermentation, the oxygen concentration is maintained at 21% or higher by adding oxygen to the air, the culture solution is pressurized, the stirring speed is increased, or the aeration rate is increased. The following means can be used. Conversely, if it is necessary to reduce the oxygen supply rate, it is also possible to supply a gas containing no oxygen such as carbon dioxide, nitrogen and argon mixed with air.

本発明においては、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、発酵原料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。発酵原料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、発酵原料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。発酵原料液には、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。   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. Culture may be performed. It is possible to supply the fermentation raw material liquid and extract the culture from an appropriate time. The start time of the fermentation raw material supply and the withdrawal of the culture are not necessarily the same. Further, the supply of the fermentation raw material liquid 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 fermentation raw material liquid so that microbial cell growth may be performed continuously.

発酵培養液中の原核微生物の濃度は、発酵培養液の環境が微生物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上で好ましく、一例として、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。また、連続発酵装置の運転上の不具合や生産効率の低下を招かなければ、原核微生物の濃度の上限値は特に限定されない。   The concentration of prokaryotic microorganisms in the fermentation broth should be maintained at a high level within the range where the environment of the fermentation broth is inappropriate for the growth of the microorganisms and the rate of death does not increase. Preferably, as an example, good production efficiency can be obtained by maintaining the dry weight at 5 g / L or more. In addition, the upper limit value of the concentration of prokaryotic microorganisms is not particularly limited as long as it does not cause problems in operation of the continuous fermentation apparatus or decrease in production efficiency.

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、培養管理上、通常、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 culture operation performed while growing fresh cells having fermentation production ability 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.

本発明においては、原核微生物を発酵反応槽に維持したままで、発酵反応槽からの発酵培養液の連続的かつ効率的な抜き出しが可能となることから、原核微生物を連続的に発酵培養し、十分な増殖を確保した後に発酵原料液組成を変更し、目的とする化学品を効率よく製造することも可能である。   In the present invention, it is possible to continuously and efficiently extract the fermentation broth from the fermentation reaction tank while maintaining the prokaryotic microorganism in the fermentation reaction tank. It is also possible to efficiently produce the target chemical by changing the composition of the fermentation raw material solution after ensuring sufficient growth.

本発明で使用される原核微生物は、乳酸の生産能力を持つものであり(ただし、バシラス属(Genus Bacillus)に属する微生物であって、D−乳酸を生産する能力を有する微生物を除く。)、このような原核微生物としては、例えば、発酵工業においてよく使用される大腸菌やコリネ型細菌などのバクテリアなどが挙げられる。使用される原核微生物は、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。 The prokaryotic microorganism used in the present invention has an ability to produce lactic acid (excluding microorganisms belonging to the genus Bacillus and having the ability to produce D-lactic acid) . Examples of such prokaryotic microorganisms include bacteria such as Escherichia coli and coryneform bacteria often used in the fermentation industry. The prokaryotic microorganism used may be isolated from the natural environment, or may be partially modified in nature by mutation or genetic recombination.

本発明で用いられる原核微生物とは、原核細胞からなる微生物のことである。原核細胞の最も際立った特徴は、細胞内に細胞核(核)と呼ばれる構造をもたないことである。その意味で、細胞核(核)を有する真核生物とは明確に区別される。本発明では、その原核微生物のうちで更に好ましくは乳酸菌を用いることができる。ここで乳酸菌とは、消費したグルコースに対して対糖収率として50%以上の乳酸を産生する原核微生物として定義することができる。   The prokaryotic microorganism used in the present invention is a microorganism composed of prokaryotic cells. The most prominent feature of prokaryotic cells is that they do not have a structure called a cell nucleus (nucleus) in the cell. In that sense, it is clearly distinguished from a eukaryote having a cell nucleus (nucleus). In the present invention, among the prokaryotic microorganisms, lactic acid bacteria can be used more preferably. Here, lactic acid bacteria can be defined as prokaryotic microorganisms that produce 50% or more of lactic acid in terms of sugar yield with respect to consumed glucose.

好ましい乳酸菌としては、例えば、ラクトバシラス属(Genus Lactobacillus)、ペディオコッカス属(Genus Pediococcus)、テトラゲノコッカス属(Genus Tetragenococcus)、カルノバクテリウム属(Genus Carnobacterium)、バゴコッカス属(Genus Vagococcus)、ロイコノストック属(Genus Leuconostoc)、オエノコッカス属(Genus Oenococcus)、アトポビウム属(Genus Atopobium)、ストレプトコッカス属(Genus Streptococcus)、エンテロコッカス属(Genus Enterococcus)、ラクトコッカス属(Genus Lactococcus)、およびバシラス属(Genus Bacillus)に属する乳酸菌が挙げられる。 Preferred lactic acid bacteria, for example, Lactobacillus (Genus Lactobacillus), the genus Pediococcus (Genus Pediococcus), tetra genomic genus (Genus Tetragenococcus), Carnot genus (Genus Carnobacterium), Ba Gokokkasu genus (Genus Vagococcus), leuco Genus Leuconostoc, Genus Oenococcus, Genus Atopobium, Streptococcus, Genus Enterococcus, Genus Enterococcus, Genus Enterococcus, Genus Enterococcus Lactic acid bacteria belonging to the genus Bacillus fine (Genus Bacillus) and the like.

それらの中でも、乳酸の対糖収率が高い乳酸菌を選択して乳酸の生産に好ましく用いることができる。更に、乳酸菌の中でも、L−乳酸の対糖収率の高い乳酸菌を選択して乳酸の生産に好ましく用いることができる。L−乳酸とは、乳酸の光学異性体の一種であり、その鏡像体であるD−乳酸と明確に区別することができる。   Among them, a lactic acid bacterium having a high yield of lactic acid with respect to sugar can be selected and preferably used for the production of lactic acid. Furthermore, among lactic acid bacteria, lactic acid bacteria having a high yield of L-lactic acid with respect to sugars can be selected and preferably used for the production of lactic acid. L-lactic acid is a kind of optical isomer of lactic acid and can be clearly distinguished from D-lactic acid which is an enantiomer thereof.

L−乳酸の対糖収率が高い乳酸菌としては、例えば、ラクトバシラス・ヤマナシエンシス(Lactobacillus yamanashiensis)、ラクトバシラス・アニマリス(Lactobacillus animalis)、ラクトバシラス・アジリス(Lactobacillus agilis)、ラクトバシラス・アビアリエス(Lactobacillus aviaries)、ラクトバシラス・カゼイ(Lactobacillus casei)、ラクトバシラス・デルブレッキ(Lactobacillus delbruekii)、ラクトバシラス・パラカゼイ(Lactobacillus paracasei)、ラクトバシラス・ラムノサス(Lactobacillus rhamnosus)、ラクトバシラス・ルミニス(Lactobacillus ruminis)、ラクトバシラス・サリバリス(Lactobacillus salivarius)、ラクトバシラス・シャーピイ(Lactobacillus sharpeae)、ペディオコッカス・デクストリニクス(Pediococcus dextrinicus)、およびラクトコッカス・ラクティス(Lactococcus lactis)などが挙げられ、これらを選択して、L−乳酸の生産に用いることが可能である。 Examples of lactic acid bacteria having a high yield of L-lactic acid to saccharide include, for example, Lactobacillus yamanasiensis, Lactobacillus animalis, Lactobacillus bilis Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Casei (Lactobacillus casei), Lactobacillus delbruecki, Lactobacillus paracasei, Lactobacillus rhamnosus ractobacillus rhactus Shirasu-Ruminisu (Lactobacillus ruminis), Lactobacillus Saribarisu (Lactobacillus salivarius), Lactobacillus Shapii (Lactobacillus sharpeae), Pediococcus dexfenfluramine tri Nix (Pediococcus dextrinicus), and Lactococcus lactis (Lactococcus lactis) and the like, These can be selected and used for the production of L-lactic acid.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法により製造された濾過・分離発酵培養液に含まれる乳酸の分離・精製は、従来知られている濃縮、蒸留および晶析などの方法を組み合わせて行うことができる。   Separation / purification of lactic acid contained in the filtration / separation fermentation broth produced by the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention may be performed by combining conventionally known methods such as concentration, distillation and crystallization. it can.

分離・精製方法としては、例えば、濾過・分離発酵培養液のpHを1以下にしてからジエチルエーテルや酢酸エチル等で抽出する方法、イオン交換樹脂に吸着洗浄した後に溶出する方法、酸触媒の存在下でアルコールと反応させてエステルとし蒸留する方法、およびカルシウム塩やリチウム塩として晶析する方法などが挙げられる。好ましくは、濾過・分離発酵液の水分を蒸発させた濃縮L−乳酸溶液を蒸留操作にかけることができる。ここで、蒸留する際には、蒸留原液の水分濃度が一定になるように水分を供給しながら蒸留することが好ましい。乳酸水溶液の留出後は、水分を加熱蒸発することにより濃縮し、目的とする濃度の精製乳酸を得ることができる。留出液としてエタノールや酢酸等の低沸点成分を含む乳酸水溶液を得た場合は、低沸点成分を乳酸濃縮過程で除去することが好ましい態様である。蒸留操作後、留出液について必要に応じて、イオン交換樹脂、活性炭およびクロマト分離等による不純物除去を行い、さらに高純度の乳酸を得ることもできる。   Separation / purification methods include, for example, a method in which the pH of the filtration / separation fermentation broth is 1 or less and extraction with diethyl ether or ethyl acetate, a method of elution after adsorption washing with an ion exchange resin, or the presence of an acid catalyst Examples thereof include a method of reacting with alcohol under distillation to distill as an ester and a method of crystallizing as a calcium salt or a lithium salt. Preferably, the concentrated L-lactic acid solution obtained by evaporating water from the filtered / separated fermentation broth can be subjected to a distillation operation. Here, when distilling, it is preferable to distill while supplying water so that the water concentration of the undistilled stock solution is constant. After distilling the aqueous lactic acid solution, the water can be concentrated by heating and evaporating to obtain purified lactic acid having a target concentration. When a lactic acid aqueous solution containing a low-boiling component such as ethanol or acetic acid is obtained as the distillate, it is a preferred embodiment that the low-boiling component is removed during the lactic acid concentration process. After the distillation operation, impurities can be removed from the distillate by ion exchange resin, activated carbon, chromatographic separation, or the like, if necessary, to obtain higher purity lactic acid.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置のうち、分離膜エレメントが発酵反応槽の内部に設置された代表的な一例を図1の概要図に示す。図1は、本発明で用いられる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要側面図である。図1において、膜分離型の連続発酵装置は、発酵反応槽1と水頭差制御装置3で基本的に構成されている。発酵反応槽1内の分離膜エレメント2には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜と分離膜エレメントとしては、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。   Among the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, a typical example in which a separation membrane element is installed inside the fermentation reaction tank is shown in the schematic diagram of FIG. FIG. 1 is a schematic side view for explaining one embodiment of a membrane separation type continuous fermentation apparatus used in the present invention. In FIG. 1, a membrane separation type continuous fermentation apparatus basically includes a fermentation reaction tank 1 and a water head difference control apparatus 3. A porous membrane is incorporated in the separation membrane element 2 in the fermentation reaction tank 1. As the porous membrane and the separation membrane element, for example, the separation membrane and the separation membrane element disclosed in WO2002 / 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に連続的もしくは断続的に投入する。培地については、入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し、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。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を調整し、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ができる。このようにすることにより、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 continuously or intermittently into the fermentation reaction tank 1 by the culture medium supply pump 7. For medium-throw input before heat sterilization if necessary, it is possible to perform sterilization using heat sterilization or filter. At the time of fermentation production, the fermentation culture liquid in the fermentation reaction tank 1 is agitated with the agitator 5 in the fermentation reaction tank 1 as necessary, and the necessary gas is supplied from the gas supply device 4 to the fermentation reaction tank as necessary. 1 can be supplied. If necessary, the pH of the fermentation broth in the fermentation reaction tank 1 is adjusted by the pH sensor / control device 9 and the pH adjustment solution supply pump 8, and if necessary, the fermentation reaction tank 1 is adjusted by the temperature controller 10. The temperature of the fermentation broth inside can be adjusted. By doing in this way, fermentation production with higher productivity can be performed.

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および温度を例示したが、必要に応じて、溶存酸素やORPの制御、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乳酸の濃度を測定し、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、上記計装装置による発酵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 pH and temperature are exemplified for the adjustment of the physicochemical conditions of the fermentation broth by the instrumentation / control device. However, if necessary, the control of dissolved oxygen and ORP, and the analysis device such as an online chemical sensor Thus, the concentration of lactic acid in the fermentation broth can be measured, and the physicochemical conditions can be controlled using it as an index. Further, the form of continuous or intermittent addition of the medium is not particularly limited, but the medium input amount and speed are appropriately determined using the measured value of the physicochemical environment of the fermentation broth by the instrumentation device as an index. Can be adjusted.

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、原核微生物と発酵生産物に濾過・分離され装置系から取り出される。また、濾過・分離された原核微生物は、装置系内に留まることにより装置系内の原核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内の発酵液量を適当に調節することができる。また、必要に応じて、分離膜エレメント2からの濾過液の重量によって装置系内に添加する発酵原料の液量を適当に調節し、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。   The fermentation broth is filtered and separated into prokaryotic microorganisms and fermentation products by the separation membrane element 2 installed in the fermentation reaction tank 1 and taken out from the apparatus system. Further, the prokaryotic microorganisms filtered and separated can remain in the apparatus system to maintain a high concentration of prokaryotic microorganisms in the apparatus system, thereby enabling a 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 liquid 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. If necessary, the amount of the fermentation raw material added to the apparatus system is appropriately adjusted according to the weight of the filtrate from the separation membrane element 2, and the amount of the fermentation broth in the fermentation reaction tank 1 is appropriately adjusted. be able to. Although the filtration / separation by the separation membrane element 2 is exemplified by the water head differential pressure, the filtration / separation can be performed by suction filtration with a pump or the like or pressurizing the inside of the apparatus system as necessary.

また、図1において、別の培養槽(図示せず)で連続発酵により原核微生物を培養し、それを必要に応じて発酵反応槽1内に供給することができる。別の培養槽で連続発酵により原核微生物を培養し、その培養液を必要に応じて発酵反応槽1内に供給することにより、常にフレッシュで乳酸の生産能力の高い原核微生物による連続発酵が可能となり、高い生産性能を長期間維持した連続発酵が可能となる。   Moreover, in FIG. 1, a prokaryotic microorganism can be cultured by continuous fermentation in another culture tank (not shown), and can be supplied into the fermentation reaction tank 1 as necessary. By culturing prokaryotic microorganisms by continuous fermentation in a separate culture tank and supplying the culture solution to the fermentation reaction tank 1 as necessary, continuous fermentation with prokaryotic microorganisms that are always fresh and have a high production capacity for lactic acid becomes possible. , Continuous fermentation with high production performance can be maintained for a long time.

次に、本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる膜分離型の連続発酵装置のうち、分離膜エレメントが、発酵反応槽の外部に設置された代表的な一例を図2に示す。図2は、本発明で用いられる他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要側面図である。   Next, FIG. 2 shows a typical example in which the separation membrane element is installed outside the fermentation reaction tank in the membrane separation type continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention. FIG. 2 is a schematic side view for explaining one embodiment of another membrane separation type continuous fermentation apparatus used in the present invention.

図2において、膜分離型の連続発酵装置は、発酵反応槽1と膜分離槽12と水頭差制御装置3で基本的に構成されている。そして、膜分離槽12は、発酵液循環ポンプ11を介して発酵反応槽1に接続されており、その内部に分離膜エレメント2が配置されている。ここで、分離膜エレメント2には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜と分離膜エレメントとしては、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好適である。   In FIG. 2, the membrane separation type continuous fermentation apparatus basically includes a fermentation reaction tank 1, a membrane separation tank 12, and a water head difference control device 3. And the membrane separation tank 12 is connected to the fermentation reaction tank 1 via the fermentation liquid circulation pump 11, and the separation membrane element 2 is arrange | positioned in the inside. Here, a porous membrane is incorporated in the separation membrane element 2. As the porous membrane and the separation membrane element, for example, the separation membrane and the separation membrane element disclosed in International Publication No. 2002/064240 are suitably used.

図2において、培地供給ポンプ7によって培地を発酵反応槽1に投入し、必要に応じて、攪拌機5で発酵反応槽1内の発酵培養液を攪拌し、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で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およびよびpH調整溶液供給ポンプ8によって発酵培養液のpHを調整し、また必要に応じて、温度調節器10によって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。さらに、装置内の発酵培養液は、発酵液循環ポンプ11によって発酵反応槽1と膜分離槽12の間を循環する。発酵生産物を含む発酵培養液は、分離膜エレメント2によって原核微生物と発酵生産物に濾過・分離され、装置系から取り出すことができる。また、濾過・分離された原核微生物は、装置系内に留まることにより装置系内の原核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。   In FIG. 2, the medium is fed into the fermentation reaction tank 1 by the medium supply pump 7, the fermentation culture solution in the fermentation reaction tank 1 is stirred by the stirrer 5 as necessary, and the gas supply device 4 as needed. Can supply the required gas. At this time, the supplied gas can be recovered and recycled and supplied again by the gas supply device 4. If necessary, the pH of the fermentation broth is adjusted by the pH sensor / control device 9 and the pH adjusting solution supply pump 8, and the temperature of the fermentation broth is adjusted by the temperature controller 10 as necessary. Therefore, fermentative production with high productivity can be performed. Further, the fermentation broth in the apparatus is circulated between the fermentation reaction tank 1 and the membrane separation tank 12 by the fermentation liquid circulation pump 11. The fermentation broth containing the fermentation product is filtered and separated into the prokaryotic microorganism and the fermentation product by the separation membrane element 2 and can be taken out from the apparatus system. Further, the prokaryotic microorganisms filtered and separated can remain in the apparatus system to maintain a high concentration of prokaryotic microorganisms in the apparatus system, thereby enabling a highly productive fermentation production.

ここで、分離膜エレメント2による濾過・分離は、膜分離槽12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・分離速度および装置系内の発酵液量を適当に調節することができる。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膜分離槽12内に供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置4で膜分離槽12内に供給することができる。   Here, the filtration / separation by the separation membrane element 2 is performed by the water head differential pressure with the water surface of the membrane separation tank 12, and no special power is required. Further, if necessary, the filtration / separation speed of the separation membrane element 2 and the amount of fermentation liquid in the apparatus system can be appropriately adjusted by the level sensor 6 and the head differential pressure control device 3. Moreover, the gas required by the gas supply apparatus 4 can be supplied in the membrane separation tank 12 as needed. At this time, the supplied gas can be recovered and recycled and supplied again into the membrane separation tank 12 by the gas supply device 4.

上記のように、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。   As described above, the filtration / separation by the separation membrane element 2 is exemplified by the hydraulic head differential pressure. However, if necessary, the filtration / separation may be performed by suction filtration with a pump or the like, or pressurizing the apparatus system. it can.

また、図2において、別の培養槽(図示せず)で連続発酵により原核微生物を培養し、それを必要に応じて発酵反応槽1内に供給することができる。別の培養槽で連続発酵により原核微生物を培養し、その培養液を必要に応じて発酵反応槽1内に供給することにより、常にフレッシュで乳酸の生産能力の高い原核微生物による連続発酵が可能となり、高い生産性能を長期間維持した連続発酵が可能となる。   Moreover, in FIG. 2, a prokaryotic microorganism can be cultured by continuous fermentation in another culture tank (not shown), and can be supplied into the fermentation reaction tank 1 as necessary. By culturing prokaryotic microorganisms by continuous fermentation in a separate culture tank and supplying the culture solution to the fermentation reaction tank 1 as necessary, continuous fermentation with prokaryotic microorganisms that are always fresh and have a high production capacity for lactic acid becomes possible. , Continuous fermentation with high production performance can be maintained for a long time.

次に、本発明で用いられる分離膜エレメントについて、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3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要斜視図である。   Next, with respect to the separation membrane element used in the present invention, the separation membrane and the separation membrane element disclosed in the pamphlet of International Publication No. 2002/064240, which is an example of a preferred embodiment, are outlined below with reference to the drawings. explain. FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining one embodiment of the separation membrane element used in the present invention.

分離膜エレメントは、図3に示すように、剛性を有する支持板13の両面に、流路材14と前記の分離膜15(平膜)をこの順序で配し構成されている。支持板13は、両面に凹部16を有している。分離膜15は、発酵培養液を濾過する。流路材14は、分離膜15で濾過された透過水を効率よく支持板13に流すためのものである。支持板13に流れた透過水は、支持板13の凹部16を通り、集水パイプ17を介して連続発酵装置外部に取り出される。透過水を取り出すための動力として、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用いることができる。   As shown in FIG. 3, the separation membrane element is configured by arranging a flow path material 14 and the separation membrane 15 (flat membrane) in this order on both surfaces of a rigid support plate 13. The support plate 13 has recesses 16 on both sides. The separation membrane 15 filters the fermentation broth. The flow path member 14 is for efficiently flowing the permeated water filtered by the separation membrane 15 to the support plate 13. The permeated water that has flowed to the support plate 13 passes through the recess 16 of the support plate 13 and is taken out of the continuous fermentation apparatus through the water collecting pipe 17. As power for extracting the permeated water, a method such as a water head differential pressure, a pump, suction filtration with a liquid or gas, or pressurization in the apparatus system can be used.

図4に示す分離膜エレメントについて説明する。図4は、本発明で用いられる別の分離膜エレメントを例示説明するための概略斜視図である。   The separation membrane element shown in FIG. 4 will be described. FIG. 4 is a schematic perspective view for illustrating another separation membrane element used in the present invention.

分離膜エレメントは、図4に示すように、中空糸膜(多孔性膜)で構成された分離膜束18と上部樹脂封止層19と下部樹脂封止層20によって主に構成される。分離膜束18は、上部樹脂封止層19および下部樹脂封止層20よって束状に接着・固定化されている。下部樹脂封止層20による接着・固定化は、分離膜束18の中空糸膜(多孔性膜)の中空部を封止しており、発酵培養液の漏出を防ぐ構造になっている。一方、上部樹脂封止層19は、分離膜束18の中空糸膜(多孔性膜)の内孔を封止しておらず、集水パイプ22に透過水が流れる構造となっている。この分離膜エレメントは、支持フレーム21を介して連続発酵装置内に設置することが可能である。分離膜束18によって濾過された透過水は、中空糸膜の中空部を通り、集水パイプ22を介して連続発酵装置外部に取り出される。透過水を取り出すための動力として、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用いることができる。   As shown in FIG. 4, the separation membrane element is mainly composed of a separation membrane bundle 18 composed of a hollow fiber membrane (porous membrane), an upper resin sealing layer 19, and a lower resin sealing layer 20. The separation membrane bundle 18 is bonded and fixed in a bundle by an upper resin sealing layer 19 and a lower resin sealing layer 20. Adhesion / fixation by the lower resin sealing layer 20 has a structure in which the hollow portion of the hollow fiber membrane (porous membrane) of the separation membrane bundle 18 is sealed to prevent leakage of the fermentation broth. On the other hand, the upper resin sealing layer 19 does not seal the inner hole of the hollow fiber membrane (porous membrane) of the separation membrane bundle 18 and has a structure in which permeate flows through the water collecting pipe 22. This separation membrane element can be installed in the continuous fermentation apparatus via the support frame 21. The permeated water filtered by the separation membrane bundle 18 passes through the hollow portion of the hollow fiber membrane and is taken out of the continuous fermentation apparatus via the water collecting pipe 22. As power for extracting the permeated water, a method such as a water head differential pressure, a pump, suction filtration with a liquid or gas, or pressurization in the apparatus system can be used.

本発明の乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置の分離膜エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作に耐性の部材であることが好ましい。連続発酵装置内が滅菌可能であれば、連続発酵時に好ましくない微生物による汚染の危険を回避することができ、より安定した連続発酵が可能となる。   The member constituting the separation membrane element of the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid of the present invention is preferably a member resistant to high-pressure steam sterilization operation. If the inside of the continuous fermentation apparatus can be sterilized, it is possible to avoid the risk of contamination by undesirable microorganisms during continuous fermentation, and more stable continuous fermentation is possible.

分離膜エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作の条件である、121℃で15分間に耐性であることが好ましい。分離膜エレメント部材は、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属、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の樹脂を好ましく選定することができる。   The members constituting the separation membrane element are preferably resistant to 15 minutes at 121 ° C., which is the condition of the high-pressure steam sterilization operation. Separation membrane element members include, for example, metals such as stainless steel and aluminum, polyamide resins, fluorine resins, polycarbonate resins, polyacetal resins, polybutylene terephthalate resins, PVDF, modified polyphenylene ether resins, and polysulfone resins. The resin can be preferably selected.

本発明の乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、分離膜エレメントは、図1のように発酵反応槽内に設置しても良いし、図2のように発酵反応槽外に設置しても良い。分離膜エレメントを発酵反応槽外に設置する場合には、別途、膜分離槽を設けてその内部に分離膜エレメントを設置することができ、発酵反応槽と膜分離槽の間を発酵培養液を循環させながら、分離膜エレメントにより発酵培養液を連続的に濾過することができる。   In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid according to the present invention, the separation membrane element may be installed in the fermentation reaction tank as shown in FIG. 1 or installed outside the fermentation reaction tank as shown in FIG. Also good. When the separation membrane element is installed outside the fermentation reaction tank, a separate membrane separation tank can be provided and the separation membrane element can be installed inside, and the fermentation culture solution is placed between the fermentation reaction tank and the membrane separation tank. While circulating, the fermentation broth can be continuously filtered by the separation membrane element.

本発明で用いられる連続発酵装置では、膜分離槽は、高圧蒸気滅菌可能であることが好ましい。膜分離槽が高圧蒸気滅菌可能であると、雑菌による汚染回避が容易である。   In the continuous fermentation apparatus used in the present invention, the membrane separation tank is preferably capable of high-pressure steam sterilization. If the membrane separation tank can be autoclaved, it is easy to avoid contamination with germs.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法に従って連続発酵を行った場合、従来のバッチ式の発酵と比較して、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、連続培養における発酵生産速度は、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)×発酵液抜き取り速度(L/hr)
÷装置の運転液量(L) ・・・・(式3)
また、バッチ式培養による発酵生産速度は、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。
When continuous fermentation is performed according to the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, a high volumetric production rate is obtained and extremely efficient fermentation production is possible as compared with conventional batch fermentation. Here, the fermentation production rate in continuous culture is calculated by the following (Equation 3).
Fermentation production rate (g / L / hr)
= Product concentration in the extracted liquid (g / L) × fermentation liquid extraction speed (L / hr)
÷ Operating fluid volume of the device (L) (Equation 3)
The fermentation production rate by batch culture is calculated by dividing the amount of product (g) at the time of consumption of the raw carbon source by the time (h) required for consumption of the carbon source and the amount of culture solution (L) at that time. Is required.

本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で得られる乳酸は、主に、酸味料として従来のクエン酸や酒石酸の代替品として用いられており、酸性の洗浄剤としての用途にも用いられる。また、乳酸には、医薬品として、局方品の酸薬や皮膚腐触薬などの用途がある。また、乳酸には、誘導体として、ナトリウム塩(化粧品や食品などの保湿剤用途)や、カルシウム塩(カルシウム剤や強壮剤用途)などの用途もある。乳酸には、その他、メチルエステルやエチルエステルなどのエステルとして、フロンやトリクロロエタンなどのオゾン層破壊性溶剤の代替品としての用途もある。最近では、乳酸は、ポリ乳酸の原料としての用途が大きく広がっている。本発明の連続発酵による乳酸の製造方法を用いることにより、これら幅広い用途のある乳酸を効率的に製造することができることから、より安価に乳酸を提供することが可能となる。   Lactic acid obtained by the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention is mainly used as an acidulant as a substitute for conventional citric acid or tartaric acid, and is also used as an acidic detergent. In addition, lactic acid has uses such as pharmacopeia acid drugs and skin antiseptics as pharmaceuticals. Lactic acid also has applications as derivatives such as sodium salts (for moisturizing agents such as cosmetics and foods) and calcium salts (for calcium agents and tonics). In addition, lactic acid also has uses such as methyl ester and ethyl ester as substitutes for ozone depleting solvents such as chlorofluorocarbon and trichloroethane. Recently, lactic acid is widely used as a raw material for polylactic acid. By using the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, it is possible to efficiently produce lactic acid with a wide range of uses, and thus it is possible to provide lactic acid at a lower cost.

以下、本発明の連続発酵による乳酸の製造方法をさらに詳細に説明するために、図1および図2の概要図に示す連続発酵装置を用いることによる、連続的な乳酸の発酵生産について、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 explain the production method of lactic acid by continuous fermentation of the present invention in more detail, examples of continuous fermentation of lactic acid by using the continuous fermentation apparatus shown in the schematic diagrams of FIG. 1 and FIG. Will be described. The present invention is not limited to these examples.

下記の乳酸の製造方法に関する実施例においては、乳酸を生産させる微生物として、ラクトコッカス ラクティス(Lactococcus lactis)のうち、乳酸菌であるラクトコッカス ラクティス(Lactococcus lactis) JCM7638株およびラクトバシラス カゼイ(Lactobacillus casei)のうち、乳酸菌であるラクトバシラス カゼイ(Lactobacillus casei)NRIC1941株を用いた。また、発酵原料のうち炭素源としては、グルコースまたはケーンジュースを用い、窒素源と無機塩類に関しては、下記の実施例で説明する原料を用いた。   In the following examples relating to the method for producing lactic acid, among the Lactococcus lactis, among the Lactococcus lactis, the lactic acid bacteria Lactococcus lactis JCM7638 strain and Lactobacillus casei Lactobacillus casei NRIC1941 strain, which is a lactic acid bacterium, was used. Moreover, glucose or cane juice was used as the carbon source among the fermentation raw materials, and the raw materials described in the following examples were used for the nitrogen source and inorganic salts.

(実施例1)連続発酵による乳酸の製造(その1)
図1に示す連続発酵装置を稼働させることにより、乳酸が連続発酵で得られるかどうかを調べるため、同装置を用いた連続発酵試験を行った。培地には表1に示すラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。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。分離膜には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする、後述の参考例1で作製した多孔性膜を用いた。この多孔性膜の特性を調べたところ、平均細孔径が0.1μmであり、純水透過係数が50×10-9/m/s/paであった。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:37(℃)
・発酵反応槽通気量:200(mL/分)
・発酵反応槽攪拌速度:600(rpm)
・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℃、20分のオー
トクレーブにより高圧蒸気滅菌。
・pH調整:8N アンモニア水溶液によりpHを6.5に調整
・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 lactic acid by continuous fermentation (part 1)
In order to investigate whether lactic acid is obtained by continuous fermentation by operating the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1, a continuous fermentation test using the apparatus was performed. The lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis shown in Table 1 was used as the medium, and it was used after being subjected to high-pressure steam sterilization at 121 ° C. for 15 minutes. For the separation membrane element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. As the separation membrane, a porous membrane made of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a main component and produced in Reference Example 1 described later was used. When the characteristics of the porous membrane were examined, the average pore diameter was 0.1 μm, and the pure water permeability coefficient was 50 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa. 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: 37 (℃)
・ Aeration volume of fermentation reaction tank: 200 (mL / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 600 (rpm)
・ Sterilization: The culture tank containing the separation membrane element and the medium used are all autoclaved at 121 ° C for 20 minutes in an autoclave.
-PH adjustment: pH adjusted to 6.5 with 8N ammonia aqueous solution.-Membrane permeated water amount control: Flow rate was controlled by membrane separation tank water head difference (water head difference was controlled within 2 m).

原核微生物として、ラクトコッカス ラクティス(Lactococcus lactis)JCM7638株を用い、培地として表1に示す組成のラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地を用いた。発酵培養液に含まれる乳酸は、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/分)
・反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、および0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/分)
・検出方法:電気伝導度
・温度:45(℃)。
Lactococcus lactis JCM7638 strain was used as a prokaryotic microorganism, and a lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis having the composition shown in Table 1 was used as the medium. The lactic acid contained in the fermentation broth was confirmed by measuring the amount of lactic acid by the HPLC method under the conditions shown below.
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, and 0.1 mM EDTA · 2Na (flow rate 0.8 mL / min)
-Detection method: electrical conductivity-Temperature: 45 (° C).

また、L−乳酸の光学純度測定は、下記の条件で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/分
・検出方法 :UV254nm
・温度 :30℃。
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 copper sulfate aqueous solution-Flow rate: 1.0 ml / min-Detection method: UV254 nm
-Temperature: 30 degreeC.

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。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。
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. For measurement of glucose concentration, “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.

まず、ラクトコッカス ラクティス JCM7638株を、試験管で表1に示す5mlの窒素ガスでパージしたラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地で24時間、37℃の温度で静置培養した(前々々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵培地50mlに植菌し、48時間、37℃の温度で静置培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示す連続発酵装置の窒素ガスでパージした1L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600rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整と37℃の温度に温度調整を行い、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となるように膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵による乳酸の製造を行った。このとき、気体供給装置から窒素ガスを発酵反応槽1内に供給し、排出されたガスを回収して再度発酵反応槽1に供給した。すなわち、窒素ガスを含む気体のリサイクル供給を行った。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、発酵反応槽水頭を最大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により行った。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生産速度を、表2に示した。400時間の発酵試験を行った結果、この連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。   First, the Lactococcus lactis JCM7638 strain was statically cultured at a temperature of 37 ° C. for 24 hours in a lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis purged with 5 ml of nitrogen gas shown in Table 1 in a test tube (pre-culture). . The obtained culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas, and statically cultured at a temperature of 37 ° C. for 48 hours (pre-culture). The culture broth was inoculated in 1 L of lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas of the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1, the fermentation reaction tank 1 was stirred at 600 rpm by the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 was aerated. The amount was adjusted and the temperature was adjusted to a temperature of 37 ° C., and cultured for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the lactic acid fermentation medium is continuously supplied, and the continuous culture is performed while controlling the amount of permeated water so that the fermentation broth of the continuous fermentation apparatus is 1.5 L. went. At this time, nitrogen gas was supplied into the fermentation reaction tank 1 from the gas supply device, and the discharged gas was recovered and supplied to the fermentation reaction tank 1 again. That is, recycling supply of gas containing nitrogen gas was performed. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference so that the head of the fermentation reaction tank is within 2 m at maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa, by the water head difference control device 3. went. The produced lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeation fermentation broth were measured appropriately. Table 2 shows the lactic acid production rate calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and glucose concentrations. As a result of conducting a fermentation test for 400 hours, it was confirmed that stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(実施例2)連続発酵による乳酸の製造(その2)
図2に示す連続発酵装置を稼働させることにより、乳酸が得られるかどうかを調べるため、同装置を用いた連続発酵試験を行った。培地には表1に示すラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。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、実施例1と同じ多孔性膜を用いた。この多孔質膜の特性を調べたところ、平均細孔径は0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9m3/m2/s/paであった。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。
・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:200(L/分)
・発酵反応槽攪拌速度:600(rpm)
・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℃、20分のオー トクレーブにより高圧蒸気滅菌。
・pH調整:8N アンモニア水溶液によりpHを6.5に調整
・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 2) Production of lactic acid by continuous fermentation (part 2)
In order to investigate whether or not lactic acid can be obtained by operating the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, a continuous fermentation test using the same apparatus was performed. The lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis shown in Table 1 was used as the medium, and it was used after being subjected to high-pressure steam sterilization 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 same porous membrane as Example 1 was used for the separation membrane. When the characteristics of the porous membrane were examined, the average pore diameter was 0.1 μm, and the pure water permeability coefficient was 50 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa. The operating conditions in Example 2 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: 37 (℃)
-Aeration volume of fermentation reaction tank: 200 (L / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 600 (rpm)
・ Sterilization: The culture tank containing the separation membrane element and the medium used are all autoclaved at 121 ° C for 20 minutes in an autoclave.
-PH adjustment: pH adjusted to 6.5 with 8N ammonia aqueous solution.-Membrane permeated water amount control: Flow rate was controlled by membrane separation tank water head difference (water head difference was controlled within 2 m).

原核微生物として、ラクトコッカス ラクティス(Lactococcus lactis)JCM7638株を用い、培地として表1に示す組成のラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸およびグルコースは、実施例1に示す方法で測定した。   As a prokaryotic microorganism, Lactococcus lactis JCM7638 strain is used, and a lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis having the composition shown in Table 1 is used as a medium, and lactic acid and glucose as products are the method shown in Example 1. Measured with

まず、ラクトコッカス ラクティス JCM7638株を、試験管で表1に示す5mlの窒素ガスでパージしたラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地で24時間、37℃の温度で静置培養した(前々々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵培地50mlに植菌し、48時間、37℃の温度で静置培養した(前々培養)。前々培養液を、図2に示す膜分離型連続発酵装置の窒素ガスでパージした1L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600rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整と37℃の温度に温度調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、連続・バッチ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となるように膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵による乳酸の製造を行った。このとき、気体供給装置から窒素ガスを発酵反応槽1内に供給し、排出されたガスを回収して再度発酵反応槽1に供給した。すなわち、窒素ガスを含む気体のリサイクル供給を行った。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、発酵反応槽水頭を最大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により行った。適宜、膜透過発酵培養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生産速度を、表2に示した。400時間の発酵試験を行った結果、この連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。   First, the Lactococcus lactis JCM7638 strain was statically cultured at a temperature of 37 ° C. for 24 hours in a lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis purged with 5 ml of nitrogen gas shown in Table 1 in a test tube (pre-culture). . The obtained culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas, and statically cultured at a temperature of 37 ° C. for 48 hours (pre-culture). The culture broth was inoculated in 1 L of lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas from the membrane separation type continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, and the fermentation reaction tank 1 was stirred at 600 rpm by the attached stirrer 5 to give a fermentation reaction tank. The aeration rate was adjusted to 1 and the temperature was adjusted to 37 ° C., followed by culturing for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the continuous and batch fermentation medium is continuously supplied, and the continuous fermentation apparatus is continuously cultured while controlling the amount of permeated water so that the amount of the fermentation broth is 1.5 L. Manufactured. At this time, nitrogen gas was supplied into the fermentation reaction tank 1 from the gas supply device, and the discharged gas was recovered and supplied to the fermentation reaction tank 1 again. That is, recycling supply of gas containing nitrogen gas was performed. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference so that the head of the fermentation reaction tank is within 2 m at maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa, by the water head difference control device 3. went. The produced lactic acid concentration and residual glucose concentration in the membrane permeation fermentation broth were measured appropriately. Table 2 shows the lactic acid production rate calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and glucose concentrations. As a result of conducting a fermentation test for 400 hours, it was confirmed that stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(実施例3)連続発酵による乳酸の製造(その3)
乳酸が連続発酵で得られるかどうかを調べるため、実施例1と同じく図1に示す続発酵装置を用いて連続発酵試験を行った。培地には表3に示すラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。分離膜エレメント部材、分離膜および多孔質膜の特性は実施例1に記載のものと同様である。この実施例3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:100(mL/分)
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・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℃、20分のオー
トクレーブにより高圧蒸気滅菌。
・pH調整:8N 水酸化カルシウム水溶液によりpHを6.0に調整
・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 3) Production of lactic acid by continuous fermentation (part 3)
In order to examine whether lactic acid can be obtained by continuous fermentation, a continuous fermentation test was conducted using the secondary fermentation apparatus shown in FIG. The lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei shown in Table 3 was used as the medium, and it was used after being subjected to high-pressure steam sterilization at 121 ° C. for 15 minutes. The characteristics of the separation membrane element member, the separation membrane, and the porous membrane are the same as those described in Example 1. The operating conditions in Example 3 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: 100 (mL / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 800 (rpm)
・ Sterilization: The culture tank containing the separation membrane element and the medium used are all autoclaved at 121 ° C for 20 minutes in an autoclave.
-PH adjustment: pH adjusted to 6.0 with 8N calcium hydroxide aqueous solution.-Membrane permeated water amount control: Flow rate was controlled by membrane separation tank water head difference (water head difference was controlled within 2 m).

原核微生物として、ラクトバシラス カゼイ(Lactobacillus casei) NRIC1941株を用い、培地として表3に示す組成のラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地を用いた。発酵培養液に含まれる乳酸は、実施例1と同様な条件で測定することで確認した。   As a prokaryotic microorganism, Lactobacillus casei NRIC1941 strain was used, and a lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei having the composition shown in Table 3 was used as a medium. Lactic acid contained in the fermentation broth was confirmed by measuring under the same conditions as in Example 1.

また、L−乳酸の光学純度も実施例1と同様で計算される。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、スクロース濃度とフラクトース濃度の測定には、F−キット(Roche社製)を用いた。   The optical purity of L-lactic acid is calculated in the same manner as in Example 1. Further, “glucose test Wako C” (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used for measuring the glucose concentration, and F-kit (manufactured by Roche) was used for measuring the sucrose concentration and fructose concentration. .

まず、ラクトバシラス カゼイ NRIC1941株を、試験管で表3に示す5mlの窒素ガスでパージしたラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地で24時間、30℃の温度で静置培養した(前々々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵培地50mlに植菌し、24時間、30℃の温度で静置培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示す連続発酵装置の窒素ガスでパージした1L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800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整と30℃の温度に温度調整を行い、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となるように膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵による乳酸の製造を行った。このとき、気体供給装置から窒素ガスを発酵反応槽1内に供給し、排出されたガスを回収して再度発酵反応槽1に供給した。すなわち、窒素ガスを含む気体のリサイクル供給を行った。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、発酵反応槽水頭を最大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により行った。適宜、膜透過発酵液中の生産された乳酸濃度および残存スクロース、フラクトースおよびグルコース濃度を測定した。また、測定した総スクロース、フラクトースおよびグルコース濃度は総グルコース濃度に換算した。また、乳酸および残存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生産速度を、表2に示した。500時間の発酵試験を行った結果、この連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。   First, the Lactobacillus casei NRIC1941 strain was statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei purged with 5 ml of nitrogen gas shown in Table 3 in a test tube (pre-culture). The obtained culture broth was inoculated into 50 ml of a fresh lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas and statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). The culture broth was inoculated in 1 L of lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas from the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1, and the fermentation reaction tank 1 was stirred at 800 rpm with the attached stirrer 5. The amount was adjusted and the temperature was adjusted to a temperature of 30 ° C., and cultured for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the lactic acid fermentation medium is continuously supplied, and the continuous culture is performed while controlling the amount of permeated water so that the fermentation broth of the continuous fermentation apparatus is 1.5 L. went. At this time, nitrogen gas was supplied into the fermentation reaction tank 1 from the gas supply device, and the discharged gas was recovered and supplied to the fermentation reaction tank 1 again. That is, recycling supply of gas containing nitrogen gas was performed. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference so that the head of the fermentation reaction tank is within 2 m at maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa, by the water head difference control device 3. went. Where appropriate, the produced lactic acid concentration and residual sucrose, fructose and glucose concentrations in the membrane permeation fermentation broth were measured. The measured total sucrose, fructose and glucose concentrations were converted to total glucose concentrations. Table 2 shows the lactic acid production rate calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and residual glucose concentrations. As a result of conducting a fermentation test for 500 hours, it was confirmed that stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(実施例4)連続発酵による乳酸の製造(その4)
図2に示す連続発酵装置を稼働させることにより、乳酸が得られるかどうかを調べるため、同装置を用いた連続発酵試験を行った。培地には表3に示すラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。分離膜エレメント部材、分離膜および多孔質膜の特性は実施例2に記載のものと同様である。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。
・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:100(L/分)
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・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℃、20分のオー トクレーブにより高圧蒸気滅菌。
・pH調整:8N 水酸化カルシウム水溶液によりpH6.0に調整
・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 4) Production of lactic acid by continuous fermentation (part 4)
In order to investigate whether or not lactic acid can be obtained by operating the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, a continuous fermentation test using the same apparatus was performed. The lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei shown in Table 3 was used as the medium, and it was used after being subjected to high-pressure steam sterilization at 121 ° C. for 15 minutes. The characteristics of the separation membrane element member, the separation membrane, and the porous membrane are the same as those described in Example 2. The operating conditions in Example 4 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: 100 (L / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 800 (rpm)
・ Sterilization: The culture tank containing the separation membrane element and the medium used are all autoclaved at 121 ° C for 20 minutes in an autoclave.
-PH adjustment: pH adjusted to 6.0 with 8N calcium hydroxide aqueous solution-Membrane permeate flow rate control: Flow rate is controlled by membrane separation tank water head difference (water head difference was controlled within 2 m).

原核微生物として、クトバシラスカゼイ NRIC1941株を用い、培地として表3に示す組成のラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸およびグルコースは、実施例1に示す方法で測定した。 As prokaryotic microorganism, using La Kutobashirasu casei NRIC1941 strain, using the Lactobacillus casei for lactic acid fermentation medium having the composition shown in Table 3 as a medium, lactic acid and glucose is the product was measured by the method shown in Example 1.

また、スクロース濃度とフラクトース濃度の測定には、F−キット(Roche社製)を用いた。   Moreover, F-kit (made by Roche) was used for the measurement of sucrose concentration and fructose concentration.

まず、クトバシラスカゼイ NRIC1941株を、試験管で表3に示す5mlの窒素ガスでパージしたラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地で24時間、30℃の温度で静置培養した(前々々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵培地50mlに植菌し、24時間、30℃の温度で静置培養した(前々培養)。前々培養液を、図2に示す連続発酵装置の窒素ガスでパージした1L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800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整と30℃の温度に温度調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、連続・バッチ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となるように膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵による乳酸の製造を行った。このとき、気体供給装置から窒素ガスを発酵反応槽1内に供給し、排出されたガスを回収して再度発酵反応槽1に供給した。すなわち、窒素ガスを含む気体のリサイクル供給を行った。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、発酵反応槽水頭を最大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により行った。適宜、膜透過発酵液中の生産された乳酸濃度および残存スクロース、フラクトースおよびグルコース濃度を測定した。また、測定した総スクロース、フラクトースおよびグルコース濃度は総グルコース濃度に換算した。また、乳酸および残存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生産速度を、表2に示した。500時間の発酵試験を行った結果、この連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。 First, La Kutobashirasu casei NRIC1941 strain, 24 hours Lactobacillus casei for lactic acid fermentation medium was purged with nitrogen gas 5ml shown in Table 3 in a test tube, and static culture at a temperature of 30 ° C. (before last s culture) . The obtained culture broth was inoculated into 50 ml of a fresh lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas and statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). The culture broth was inoculated in 1 L of lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas from the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, the fermentation reaction tank 1 was stirred at 800 rpm by the attached stirrer 5, and the fermentation reaction tank 1 was aerated. The amount was adjusted and the temperature was adjusted to a temperature of 30 ° C., and cultured for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the continuous and batch fermentation medium is continuously supplied, and the continuous fermentation apparatus is continuously cultured while controlling the amount of permeated water so that the amount of the fermentation broth is 1.5 L. Manufactured. At this time, nitrogen gas was supplied into the fermentation reaction tank 1 from the gas supply device, and the discharged gas was recovered and supplied to the fermentation reaction tank 1 again. That is, recycling supply of gas containing nitrogen gas was performed. Control of the amount of permeated water through the continuous fermentation test is performed by appropriately changing the water head difference so that the head of the fermentation reaction tank is within 2 m at maximum, that is, the transmembrane pressure difference is within 20 kPa, by the water head difference control device 3. went. Where appropriate, the produced lactic acid concentration and residual sucrose, fructose and glucose concentrations in the membrane permeation fermentation broth were measured. The measured total sucrose, fructose and glucose concentrations were converted to total glucose concentrations. Table 2 shows the lactic acid production rate calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and residual glucose concentrations. As a result of conducting a fermentation test for 500 hours, it was confirmed that stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(実施例5)連続発酵による乳酸の製造(その5)
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の代わりに、分離膜として参考例2で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いた他は、実施例3と同様にして、連続発酵試験を行った。また、乳酸および総糖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生産速度を、表2に示した。500時間の発酵試験を行った結果、この連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 5) Production of lactic acid by continuous fermentation (part 5)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 1, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2 as a separation membrane A continuous fermentation test was conducted in the same manner as in Example 3 except that the membrane) was used. Table 2 shows the lactic acid production rate calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and the total sugar concentration. As a result of conducting a fermentation test for 500 hours, it was confirmed that stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(実施例6)連続発酵による乳酸の製造(その6)
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の代わりに、分離膜として参考例2で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いた他は、実施例4と同様にして、連続発酵試験を行った。また、乳酸および総糖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生産速度を、表2に示した。500時間の発酵試験を行った結果、この連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 6) Production of lactic acid by continuous fermentation (part 6)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 1, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2 as a separation membrane A continuous fermentation test was conducted in the same manner as in Example 4 except that the membrane) was used. Table 2 shows the lactic acid production rate calculated from the input glucose calculated from the lactic acid and the total sugar concentration. As a result of conducting a fermentation test for 500 hours, it was confirmed that stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this continuous fermentation apparatus.

(比較例1)バッチ発酵による乳酸の製造
原核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、その乳酸生産性を評価した。培地には表1に示すラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。この比較例1では、原核微生物としてラクトコッカス ラクティス JCM7638株を用い、生産物である乳酸の濃度の評価は、実施例1に示した方法を用いて評価し、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(乳酸発酵培地量):1.5(L)
・温度調整:37(℃)
・発酵反応槽通気量:200(mL/分)
・発酵反応槽攪拌速度:200(rpm)
・pH調整:8N アンモニア水溶液によりpH6.5に調整
まず、ラクトコッカス ラクティス JCM7638株を、試験管で表1に示す5mlの窒素ガスでパージしたラクトコッカス・ラクティス用乳酸発酵培地で24時間、37℃の温度で静置培養した(前々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵培地50mlに植菌し、48時間、37℃の温度で静置培養した(前培養)。前培養液をジャーファーメンターの1.5Lの表1に示す連続・バッチ発酵培地に植菌し、バッチ発酵を行った。バッチ発酵の結果を、上記実施例1および実施例2の連続発酵試験で得られた乳酸発酵生産性と比較して表2に示す。
(Comparative Example 1) Production of lactic acid by batch fermentation The most typical batch fermentation as a fermentation form using prokaryotic microorganisms was performed using a 2 L jar fermenter, and the lactic acid productivity was evaluated. The lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis shown in Table 1 was used as the medium, and it was used after being subjected to high-pressure steam sterilization at 121 ° C. for 15 minutes. In Comparative Example 1, Lactococcus lactis JCM7638 strain was used as a prokaryotic microorganism, and the concentration of lactic acid as a product was evaluated using the method shown in Example 1. Test Wako C "(registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. The operating conditions of Comparative Example 1 are as follows.
-Fermentation reaction tank capacity (lactic acid fermentation medium amount): 1.5 (L)
・ Temperature adjustment: 37 (℃)
・ Aeration volume of fermentation reaction tank: 200 (mL / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 200 (rpm)
-PH adjustment: adjusted to pH 6.5 with 8N aqueous ammonia solution First, Lactococcus lactis JCM7638 strain was purged with 5 ml of nitrogen gas shown in Table 1 in a test tube in a lactic acid fermentation medium for Lactococcus lactis for 24 hours at 37 ° C. The culture was stationary at the temperature of (pre-culture). The obtained culture solution was inoculated into 50 ml of a fresh lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas, and statically cultured at a temperature of 37 ° C. for 48 hours (preculture). The preculture was inoculated into a 1.5 L jar fermenter continuous / batch fermentation medium shown in Table 1 and batch fermentation was performed. The results of batch fermentation are shown in Table 2 in comparison with the lactic acid fermentation productivity obtained in the continuous fermentation test of Example 1 and Example 2 above.

(比較例2)バッチ発酵による乳酸の製造
原核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、その乳酸生産性を評価した。培地には表3に示すラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。この比較例2では、原核微生物としてラクトバシラス カゼイ NRIC1941株を用い、生産物である乳酸の濃度の評価は、実施例1に示した方法を用いて評価し、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。またスクロース濃度とフラクトース濃度の測定にはF−キット(Roche社)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(乳酸発酵培地量):1.5(L)
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量(窒素ガス):100(mL/分)
・発酵反応槽攪拌速度:120(rpm)
・pH調整:8N 水酸化カルシウム水溶液によりpHを6.0に調整。
(Comparative example 2) Production of lactic acid by batch fermentation The most typical batch fermentation as a fermentation form using prokaryotic microorganisms was performed using a 2 L jar fermenter, and the lactic acid productivity was evaluated. The lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei shown in Table 3 was used as the medium, and it was used after being subjected to high-pressure steam sterilization at 121 ° C. for 15 minutes. In Comparative Example 2, Lactobacillus casei NRIC1941 strain was used as a prokaryotic microorganism, and the concentration of lactic acid as a product was evaluated using the method shown in Example 1. The glucose concentration was measured using “Glucose Test Wako”. C ″ (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. Further, F-kit (Roche) was used for measurement of sucrose concentration and fructose concentration. The operating conditions of Comparative Example 2 are as follows.
-Fermentation reaction tank capacity (lactic acid fermentation medium amount): 1.5 (L)
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
・ Aeration volume of fermentation reaction tank (nitrogen gas): 100 (mL / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 120 (rpm)
-PH adjustment: pH is adjusted to 6.0 with 8N calcium hydroxide aqueous solution.

まず、ラクトバシラス カゼイ NRIC1941株を、試験管で表3に示す5mlの窒素ガスでパージしたラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地で24時間、30℃の温度で静置培養した(前々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵培地50mlに植菌し、24時間、30℃の温度で静置培養した(前培養)。前培養液をジャーファーメンターの1.5Lの表3に示すラクトバシラス・カゼイ用乳酸発酵培地に植菌し、バッチ発酵を行った。バッチ発酵の結果を、上記実施例3〜6の連続発酵試験で得られた乳酸発酵生産性と比較して表2に示す。   First, Lactobacillus casei NRIC1941 strain was statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei purged with 5 ml of nitrogen gas shown in Table 3 in a test tube (pre-culture). The obtained culture broth was inoculated into 50 ml of a fresh lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas, and statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours (preculture). The preculture was inoculated into a lactic acid fermentation medium for Lactobacillus casei shown in Table 3 of 1.5 L of jar fermenter, and batch fermentation was performed. The results of batch fermentation are shown in Table 2 in comparison with the lactic acid fermentation productivity obtained in the continuous fermentation test of Examples 3 to 6 above.

Figure 0005262004
Figure 0005262004

Figure 0005262004
Figure 0005262004

Figure 0005262004
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これらを比較した結果、図1および図2の膜分離型の連続発酵装置を用いることにより、乳酸の生産速度が大幅に向上することが明らかになった。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、連続発酵による乳酸の製造が可能であることが明らかとなった。   As a result of comparison, it was revealed that the production rate of lactic acid was greatly improved by using the membrane-separated continuous fermentation apparatus of FIGS. 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, It is clear that a desired fermentation product can be recovered from the filtrate and a continuous fermentation method in which the unfiltrated liquid is returned to the fermentation broth can be produced, and lactic acid can be produced by continuous fermentation while maintaining a high amount of microorganisms. became.

(参考例1) 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、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、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、多孔質樹脂層が形成された多孔質基材を得た。
・水 :30.0重量%
・DMAc:70.0重量%
この多孔質基材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、総膜厚が350μmの分離膜(平膜の多孔性膜)を得た。この分離膜の凝固浴と接触した側における、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2.0μmであり、反対側における、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0.1μmであった。次に、上記の分離膜について純水透水量を評価したところ、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、ヘッド高さ1mで行った。
Reference Example 1 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, 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 cooling the undiluted solution to a temperature of 25 ° C., it was applied to a non-woven fabric made of polyester fiber having a density of 0.48 g / cm 3 and a thickness of 220 μm. It was immersed in a coagulation bath having the following composition at a temperature of 25 ° C. for 5 minutes to obtain a porous substrate on which a porous resin layer was formed.
-Water: 30.0% by weight
DMAc: 70.0% by weight
The porous substrate was peeled off from the glass plate and then immersed in hot water at a temperature of 80 ° C. three times to wash out DMAc to obtain a separation membrane (flat membrane porous membrane) having a total film thickness of 350 μm. When the surface of the porous resin layer on the side of the separation membrane in contact with the coagulation bath is observed with a scanning electron microscope at a magnification of 10,000 times within the range of 9.2 μm × 10.4 μm, the pores that can be observed The average of all the diameters was 2.0 μm, and when the scanning electron microscope observation was performed at a magnification of 10,000 times within the range of 9.2 μm × 10.4 μm of the porous resin layer surface on the opposite side, The average diameter of all the observable pores was 0.1 μm. Next, when the permeation amount of pure water was evaluated for the separation membrane, 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 at a head height of 1 m.

(参考例2)多孔性膜の作製(その2)
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%の割合で配合し、170℃の温度で混合溶解し原液を作製した。このようにして得られた原液を、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。
(Reference Example 2) Production of porous membrane (part 2)
A vinylidene fluoride homopolymer having a weight average molecular weight of 41,000 and γ-butyrolactone were blended in a proportion of 38% by weight and 62% by weight, respectively, and mixed and dissolved at a temperature of 170 ° C. to prepare a stock solution. The stock solution thus obtained was discharged from the base while stirring γ-butyrolactone as a hollow portion forming liquid, and solidified in a cooling bath composed of an 80% by weight aqueous solution of γ-butyrolactone at a temperature of 20 ° C. A membrane was prepared.

次いで、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテートプロピオネート(イーストマンケミカル社、CAP482−0.5)を1重量%、N-メチル-2-ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、および水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して原液を調整した。このようにして得られた原液を、上記で得られた中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させた本発明で用いる多孔性膜(中空糸膜)を製作した。得られた中空糸多孔性膜の内径は900μm、膜厚は600μmであり、中空糸多孔性膜の被処理水側表面の平均細孔径は、0.05μmであった。次に、上記の分離膜である中空糸膜(多孔性膜)について純水透水量を評価したところ、5.5×10-93/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、ヘッド高さ1mで行った。また、平均細孔径の標準偏差 は0.006μmであった。 Next, 14% by weight of vinylidene fluoride homopolymer having a weight average molecular weight of 284,000, 1% by weight of cellulose acetate propionate (Eastman Chemical Co., CAP482-0.5), and N-methyl-2-pyrrolidone 77% by weight, polyoxyethylene coconut oil fatty acid sorbitan (manufactured by Sanyo Kasei Co., Ltd., trade name Ionette T-20C) at 5% by weight, and 3% by weight of water are mixed and dissolved at a temperature of 95 ° C. It was adjusted. The stock solution thus obtained was uniformly applied to the surface of the hollow fiber membrane obtained above, and a porous membrane (hollow fiber membrane) used in the present invention was immediately solidified in a water bath. The hollow fiber porous membrane thus obtained had an inner diameter of 900 μm and a film thickness of 600 μm, and the average pore size of the surface of the hollow fiber porous membrane on the water to be treated was 0.05 μm. Next, the pure water permeation rate of the hollow fiber membrane (porous membrane) as the separation membrane was evaluated and found to be 5.5 × 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 at a head height of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.006 μm.

本発明の連続発酵法による乳酸の製造方法によれば、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である乳酸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、発酵生産物である乳酸を低コストで安定に生産することが可能となる。本発明の連続発酵による乳酸の製造法により得られた乳酸は、例えば、食品添加物やポリ乳酸樹脂の原料として有用である。   According to the method for producing lactic acid by the continuous fermentation method of the present invention, it is possible to perform continuous fermentation that maintains high productivity of lactic acid, which is a desired fermentation product, stably over a long period of time under simple operation conditions. In industry, lactic acid, which is a fermentation product, can be stably produced at low cost. Lactic acid obtained by the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention is useful, for example, as a food additive or a raw material for polylactic acid resin.

図1は、本発明で用いられる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要側面図である。FIG. 1 is a schematic side view for explaining one embodiment of a membrane separation type continuous fermentation apparatus used in the present invention. 図2は、本発明で用いられる他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要側面図である。FIG. 2 is a schematic side view for explaining one embodiment of another membrane separation type continuous fermentation apparatus used in the present invention. 図3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要斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining one embodiment of the separation membrane element used in the present invention. 図4は、本発明で用いられる他の分離膜エレメントの例を説明するための概要斜視図である。FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining an example of another separation membrane element used in the present invention.

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 発酵液循環ポンプ
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
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 Fermentation liquid circulation pump 12 Membrane separation Tank 13 Support plate 14 Channel material 15 Separation membrane 16 Concave portion 17 Water collecting pipe 18 Separation membrane bundle 19 Upper resin sealing layer 20 Lower resin sealing layer 21 Support frame 22 Water collection pipe

Claims (10)

乳酸を生産する能力を有する原核微生物(ただし、バシラス属(Genus Bacillus)に属する微生物であって、D−乳酸を生産する能力を有する微生物を除く。)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発酵培養液に保持または還流し、かつ、その原核微生物の発酵原料を前記発酵培養液に追加する連続発酵により乳酸を製造する方法であって、前記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、その膜間差圧を0.1から20kPaの範囲にして濾過処理することを特徴とする連続発酵による乳酸の製造方法。 Filtering the fermentation broth of prokaryotic microorganisms capable of producing lactic acid (except microorganisms belonging to the genus Bacillus and having the ability to produce D-lactic acid) through a separation membrane, A method for producing lactic acid by continuous fermentation in which a product is recovered from a filtrate and an unfiltrated liquid is retained or refluxed in the fermentation broth, and a fermentation raw material of the prokaryotic microorganism is added to the fermentation broth, Production of lactic acid by continuous fermentation, characterized in that a porous membrane having an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used as the separation membrane, and filtration is performed with a transmembrane pressure difference in the range of 0.1 to 20 kPa. Method. 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記載の連続発酵による乳酸の製造方法。 The continuous water fermentation 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. A method for producing lactic acid. 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以下である請求項1または2記載の連続発酵による乳酸の製造方法。   The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to claim 1 or 2, wherein the porous membrane has an average pore diameter 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以下である請求項1から3のいずれかに記載の連続発酵による乳酸の製造方法。   The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 3, wherein the membrane surface roughness of the porous membrane is 0.1 µm or less. 多孔性膜が多孔性樹脂層を含み、その多孔性樹脂層の素材がポリフッ化ビニリデン系樹脂である請求項1から4のいずれかに記載の連続発酵による乳酸の製造方法。   The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous membrane includes a porous resin layer, and the material of the porous resin layer is a polyvinylidene fluoride resin. 原核微生物が乳酸菌であることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の連続発酵による乳酸の製造方法。 6. The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 5 , wherein the prokaryotic microorganism is a lactic acid bacterium. 乳酸菌がラクトコッカス属(Genus Lactococcus)またはラクトバシラス属(Genus Lactobacillus)に属する乳酸菌である請求項記載の連続発酵による乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to claim 6, wherein the lactic acid bacterium is a lactic acid bacterium belonging to the genus Lactococcus or Genus Lactobacillus. 乳酸菌がラクトコッカス ラクティス(Lactococcus lactis)である請求項または記載の連続発酵による乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to claim 6 or 7, wherein the lactic acid bacterium is Lactococcus lactis. 乳酸菌がラクトバシラス カゼイ(Lactobacillus casei)である請求項または記載の連続発酵による乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to claim 6 or 7, wherein the lactic acid bacterium is Lactobacillus casei. 乳酸がL−乳酸である請求項1からのいずれかに記載の連続発酵による乳酸の製造方法。
The method for producing lactic acid by continuous fermentation according to any one of claims 1 to 9 , wherein the lactic acid is L-lactic acid.
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