JP5803673B2 - 連続発酵による化学品の製造方法 - Google Patents
連続発酵による化学品の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5803673B2 JP5803673B2 JP2011544521A JP2011544521A JP5803673B2 JP 5803673 B2 JP5803673 B2 JP 5803673B2 JP 2011544521 A JP2011544521 A JP 2011544521A JP 2011544521 A JP2011544521 A JP 2011544521A JP 5803673 B2 JP5803673 B2 JP 5803673B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fermentation
- membrane
- filtration
- concentration
- continuous fermentation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 title claims description 155
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 title claims description 154
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 41
- 230000008569 process Effects 0.000 title description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 118
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 105
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims description 87
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 60
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 46
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 44
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 36
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 35
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 24
- 210000004748 cultured cell Anatomy 0.000 claims description 14
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 9
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 7
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- OSVXSBDYLRYLIG-UHFFFAOYSA-N dioxidochlorine(.) Chemical compound O=Cl=O OSVXSBDYLRYLIG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims description 6
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 claims description 5
- 239000003002 pH adjusting agent Substances 0.000 claims description 5
- WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N hypochlorite Chemical compound Cl[O-] WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004155 Chlorine dioxide Substances 0.000 claims description 3
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000019398 chlorine dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 62
- 238000005374 membrane filtration Methods 0.000 description 31
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 24
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 21
- LCTONWCANYUPML-UHFFFAOYSA-N Pyruvic acid Chemical compound CC(=O)C(O)=O LCTONWCANYUPML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 20
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 13
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 10
- 229940107700 pyruvic acid Drugs 0.000 description 10
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 9
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 9
- 229930182843 D-Lactic acid Natural products 0.000 description 8
- JVTAAEKCZFNVCJ-UWTATZPHSA-N D-lactic acid Chemical compound C[C@@H](O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UWTATZPHSA-N 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 229940022769 d- lactic acid Drugs 0.000 description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 8
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 8
- JOXIMZWYDAKGHI-UHFFFAOYSA-N toluene-4-sulfonic acid Chemical compound CC1=CC=C(S(O)(=O)=O)C=C1 JOXIMZWYDAKGHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 235000013379 molasses Nutrition 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 7
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 6
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012459 cleaning agent Substances 0.000 description 5
- 235000011389 fruit/vegetable juice Nutrition 0.000 description 5
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 229940076788 pyruvate Drugs 0.000 description 5
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 5
- 241000219310 Beta vulgaris subsp. vulgaris Species 0.000 description 4
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 4
- JVTAAEKCZFNVCJ-REOHCLBHSA-N L-lactic acid Chemical compound C[C@H](O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-REOHCLBHSA-N 0.000 description 4
- LCTONWCANYUPML-UHFFFAOYSA-M Pyruvate Chemical compound CC(=O)C([O-])=O LCTONWCANYUPML-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 235000021536 Sugar beet Nutrition 0.000 description 4
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 4
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 4
- 238000011001 backwashing Methods 0.000 description 4
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 4
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 4
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 4
- 238000010979 pH adjustment Methods 0.000 description 4
- 239000002504 physiological saline solution Substances 0.000 description 4
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 4
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 3
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 3
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 3
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 3
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 description 3
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 3
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 3
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000013365 dairy product Nutrition 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 3
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 3
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 3
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 3
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 3
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 3
- PUPZLCDOIYMWBV-UHFFFAOYSA-N (+/-)-1,3-Butanediol Chemical compound CC(O)CCO PUPZLCDOIYMWBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N EDTA Chemical compound OC(=O)CN(CC(O)=O)CCN(CC(O)=O)CC(O)=O KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VZCYOOQTPOCHFL-OWOJBTEDSA-N Fumaric acid Chemical compound OC(=O)\C=C\C(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-OWOJBTEDSA-N 0.000 description 2
- NYHBQMYGNKIUIF-UUOKFMHZSA-N Guanosine Chemical compound C1=NC=2C(=O)NC(N)=NC=2N1[C@@H]1O[C@H](CO)[C@@H](O)[C@H]1O NYHBQMYGNKIUIF-UUOKFMHZSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 108010009736 Protein Hydrolysates Proteins 0.000 description 2
- 102000007056 Recombinant Fusion Proteins Human genes 0.000 description 2
- 108010008281 Recombinant Fusion Proteins Proteins 0.000 description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 125000003172 aldehyde group Chemical group 0.000 description 2
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 2
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 235000013361 beverage Nutrition 0.000 description 2
- OWMVSZAMULFTJU-UHFFFAOYSA-N bis-tris Chemical compound OCCN(CCO)C(CO)(CO)CO OWMVSZAMULFTJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WERYXYBDKMZEQL-UHFFFAOYSA-N butane-1,4-diol Chemical compound OCCCCO WERYXYBDKMZEQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 239000012531 culture fluid Substances 0.000 description 2
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 2
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 2
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 125000000468 ketone group Chemical group 0.000 description 2
- 230000002147 killing effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000012533 medium component Substances 0.000 description 2
- 238000009629 microbiological culture Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 2
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 2
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 2
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 2
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 2
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 2
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- BJEPYKJPYRNKOW-REOHCLBHSA-N (S)-malic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](O)CC(O)=O BJEPYKJPYRNKOW-REOHCLBHSA-N 0.000 description 1
- UHDGCWIWMRVCDJ-UHFFFAOYSA-N 1-beta-D-Xylofuranosyl-NH-Cytosine Natural products O=C1N=C(N)C=CN1C1C(O)C(O)C(CO)O1 UHDGCWIWMRVCDJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JAHNSTQSQJOJLO-UHFFFAOYSA-N 2-(3-fluorophenyl)-1h-imidazole Chemical compound FC1=CC=CC(C=2NC=CN=2)=C1 JAHNSTQSQJOJLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000186361 Actinobacteria <class> Species 0.000 description 1
- GUBGYTABKSRVRQ-XLOQQCSPSA-N Alpha-Lactose Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1O[C@@H]1[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O GUBGYTABKSRVRQ-XLOQQCSPSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000186031 Corynebacteriaceae Species 0.000 description 1
- MIKUYHXYGGJMLM-GIMIYPNGSA-N Crotonoside Natural products C1=NC2=C(N)NC(=O)N=C2N1[C@H]1O[C@@H](CO)[C@H](O)[C@@H]1O MIKUYHXYGGJMLM-GIMIYPNGSA-N 0.000 description 1
- UHDGCWIWMRVCDJ-PSQAKQOGSA-N Cytidine Natural products O=C1N=C(N)C=CN1[C@@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](CO)O1 UHDGCWIWMRVCDJ-PSQAKQOGSA-N 0.000 description 1
- NYHBQMYGNKIUIF-UHFFFAOYSA-N D-guanosine Natural products C1=2NC(N)=NC(=O)C=2N=CN1C1OC(CO)C(O)C1O NYHBQMYGNKIUIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 1
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 1
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 1
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 1
- 244000068988 Glycine max Species 0.000 description 1
- 235000010469 Glycine max Nutrition 0.000 description 1
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 1
- UGQMRVRMYYASKQ-KQYNXXCUSA-N Inosine Chemical compound O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1N1C2=NC=NC(O)=C2N=C1 UGQMRVRMYYASKQ-KQYNXXCUSA-N 0.000 description 1
- 229930010555 Inosine Natural products 0.000 description 1
- 208000007976 Ketosis Diseases 0.000 description 1
- GUBGYTABKSRVRQ-QKKXKWKRSA-N Lactose Natural products OC[C@H]1O[C@@H](O[C@H]2[C@H](O)[C@@H](O)C(O)O[C@@H]2CO)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O GUBGYTABKSRVRQ-QKKXKWKRSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001888 Peptone Substances 0.000 description 1
- 108010080698 Peptones Proteins 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- KDYFGRWQOYBRFD-UHFFFAOYSA-N Succinic acid Natural products OC(=O)CCC(O)=O KDYFGRWQOYBRFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 1
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 1
- 150000001323 aldoses Chemical class 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-PHYPRBDBSA-N alpha-D-galactose Chemical compound OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-PHYPRBDBSA-N 0.000 description 1
- BJEPYKJPYRNKOW-UHFFFAOYSA-N alpha-hydroxysuccinic acid Natural products OC(=O)C(O)CC(O)=O BJEPYKJPYRNKOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 210000004102 animal cell Anatomy 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- KDYFGRWQOYBRFD-NUQCWPJISA-N butanedioic acid Chemical compound O[14C](=O)CC[14C](O)=O KDYFGRWQOYBRFD-NUQCWPJISA-N 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000007 calcium salts Chemical class 0.000 description 1
- 229940041514 candida albicans extract Drugs 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005018 casein Substances 0.000 description 1
- BECPQYXYKAMYBN-UHFFFAOYSA-N casein, tech. Chemical compound NCCCCC(C(O)=O)N=C(O)C(CC(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CC(C)C)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(CC(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(C(C)O)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(COP(O)(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(N)CC1=CC=CC=C1 BECPQYXYKAMYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000021240 caseins Nutrition 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 235000008504 concentrate Nutrition 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000012136 culture method Methods 0.000 description 1
- UHDGCWIWMRVCDJ-ZAKLUEHWSA-N cytidine Chemical compound O=C1N=C(N)C=CN1[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](CO)O1 UHDGCWIWMRVCDJ-ZAKLUEHWSA-N 0.000 description 1
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 1
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 1
- 239000003599 detergent Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 125000002573 ethenylidene group Chemical group [*]=C=C([H])[H] 0.000 description 1
- 210000003527 eukaryotic cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000001530 fumaric acid Substances 0.000 description 1
- 229930182830 galactose Natural products 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 229940029575 guanosine Drugs 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000002779 inactivation Effects 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 229960003786 inosine Drugs 0.000 description 1
- 150000002505 iron Chemical class 0.000 description 1
- 150000002584 ketoses Chemical class 0.000 description 1
- 239000008101 lactose Substances 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 description 1
- 235000020121 low-fat milk Nutrition 0.000 description 1
- 159000000003 magnesium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000001630 malic acid Substances 0.000 description 1
- 235000011090 malic acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000002696 manganese Chemical class 0.000 description 1
- 235000013372 meat Nutrition 0.000 description 1
- LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N methylenebutanedioic acid Natural products OC(=O)CC(=C)C(O)=O LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011785 micronutrient Substances 0.000 description 1
- 235000013369 micronutrients Nutrition 0.000 description 1
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 125000001477 organic nitrogen group Chemical group 0.000 description 1
- 235000019319 peptone Nutrition 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 229920005668 polycarbonate resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004431 polycarbonate resin Substances 0.000 description 1
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 1
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 1
- 210000001236 prokaryotic cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000009287 sand filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 235000020083 shōchū Nutrition 0.000 description 1
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 1
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 description 1
- 239000006188 syrup Substances 0.000 description 1
- 235000020357 syrup Nutrition 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N trans-butenedioic acid Natural products OC(=O)C=CC(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 239000012138 yeast extract Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
- C12P7/56—Lactic acid
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
- B01D61/18—Apparatus therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
- B01D63/02—Hollow fibre modules
- B01D63/031—Two or more types of hollow fibres within one bundle or within one potting or tube-sheet
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
- B01D65/02—Membrane cleaning or sterilisation ; Membrane regeneration
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/06—Organic material
- B01D71/30—Polyalkenyl halides
- B01D71/32—Polyalkenyl halides containing fluorine atoms
- B01D71/34—Polyvinylidene fluoride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
- C12M33/14—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M39/00—Means for cleaning the apparatus or avoiding unwanted deposits of microorganisms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P1/00—Preparation of compounds or compositions, not provided for in groups C12P3/00 - C12P39/00, by using microorganisms or enzymes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2311/00—Details relating to membrane separation process operations and control
- B01D2311/10—Temperature control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
- B01D2321/04—Backflushing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
- B01D2321/08—Use of hot water or water vapor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
- B01D2321/16—Use of chemical agents
- B01D2321/168—Use of other chemical agents
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Mycology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Description
本発明は、分離膜を用いた連続発酵により化学品を製造する方法に関するものである。
近年、分離膜は発酵分野への適用を含め、飲料水製造、浄水処理、廃水処理などの水処理分野、医薬品生産分野、食品工業分野等様々な方面で利用されている。飲料水製造、浄水処理、廃水処理などの水処理分野においては、分離膜が従来の砂ろ過、凝集沈殿過程の代替として水中の不純物を除去するために用いられている。さらに廃水処理および食品工業分野では、高濃度の廃水または原料を処理槽に大量に投入し、微生物を高濃度に保ちながら処理を行い、除去率が高いことや高純度の処理液が得られることから、分離膜技術が幅広く使用されている。
このような分離膜を用いた水処理分野、食品工業分野等においては、コストダウンの観点から透水性能の向上が求められ、透水性能が優れている分離膜で膜面積を減らし、装置をコンパクト化する等によって設備費・膜交換費および設置面積の低減を試みている。このようなコストの観点から、設置面積あたりのろ過面積が広い中空糸膜が注目されている。
また、近年では微生物や培養細胞の培養を伴う連続製造方法の提案が活発に行われている。この技術は、微生物や培養細胞を分離膜でろ過し、ろ液から生産物を回収すると同時に分離された微生物や培養細胞を培養液に保持または還流させることで、培養液中の微生物や細胞濃度を高く維持することができる。例えば特許文献1では、分離膜を用いて連続発酵を行い、培養液中の微生物や細胞濃度を向上させ、かつ、高く維持させることで高い物質生産性が得られると提案している。
このように微生物培養および菌体分離に対する分離膜技術は活発に行われているが、培養液のような生物系の被処理液を膜分離する場合、被処理液中に含まれる菌体、糖、蛋白質および脂質などにより、膜の汚染が著しく、膜の透過流束が早期に低下するという問題がある。
一方、微生物培養および菌体分離に対する分離膜技術では、微生物の増殖制御が問題となっている。膜分離では、膜ろ過により微生物や細胞濃度を高く維持することができ、多量の微生物により高い生産速度で生産物を得ることができるが、連続発酵でのメリットを上昇させるため発酵時間を長くすると、微生物が増殖し続け、前記微生物の濃度が過度に高くなり、それによって膜分離の差圧が上昇する問題があった。微生物濃度制御のために、運転中微生物の一部を引き抜くことも考えられるが、引き抜いた微生物の処理や、引き抜き中または引き抜き後に、発酵培養槽内で他の微生物とのコンタミネーションが起こる可能性が高くなる問題がある。
従来の一般的な膜分離処理においては、ろ過面を定期的または非定期的に洗浄することで、ろ過面に付着したSS(Suspended Solid)や吸着物などを除去してろ過能力を保持している。例えば、特許文献2では、定期的に透過側から透過水を逆透過させることで膜を洗浄し、ろ過性能を維持している。また、特許文献3では、ろ過体の下からエアーを供給することでろ過面を洗浄しながらろ過を行うことが提案されている。さらに、特許文献4には、特許文献2や特許文献3に開示された方法でも膜面が洗浄できない場合のために、ろ過体を化学洗浄する方法が提案されている。しかし、これらの方法は、膜面の洗浄に対する処理方法であり、微生物濃度の制御はできない。中でも、薬品洗浄は、発酵生産物への悪影響、膜の劣化による膜寿命の短縮、さらに、使用後発生した薬品洗浄廃液の処理などの問題がある。
一方、特許文献5のように、透過水を用いて逆圧洗浄を行う際、高温水を逆圧洗浄用水として使用し洗浄効果を高める技術、特許文献6のように、濃縮工程、膜分離工程および温水洗浄工程を用いた分離膜洗浄運転技術、特許文献7では、熱水および加水分解酵素による分離膜の洗浄方法が考えられる。しかし、これらの方法でも、微生物の増殖制御は困難であり、加水分解酵素は高価でコストアップに直結するなどの問題があった。
上述のとおり、従来の技術では、複雑な洗浄工程、洗浄中発生した廃液の処理、微生物の高濃度培養に対するろ過性の保持や微生物濃度の過度な増加に対する制御方法がないなどの問題について検討されておらず、前記ろ過性を保持するための膜ろ過運転方法や微生物濃度の制御方法の開発が求められている。
本発明は、分離膜を用いて発酵により生産品を製造・回収する際、微生物混合液の高濃度培養に対するろ過性の保持と微生物濃度を制御することを同時に可能とする逆圧洗浄方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明は、下記(1)〜(5)の構成によって達成される。
(1)発酵原料、化学品と、微生物もしくは培養細胞を含む培養液を分離膜でろ過し、ろ液から化学品を回収し、さらに未ろ過液を培養液に保持または還流し、かつ発酵原料を培養液に追加する連続発酵において、膜ユニットの透過液側から洗浄用液体を供給して膜洗浄を行う連続発酵による化学品の製造方法であって、前記洗浄用液体が培養液温度より高く、かつ150℃以下の高温水であり、前記洗浄用液体を供給することで発酵槽内の微生物濃度を制御することを特徴とする連続発酵による化学品の製造方法。
(2)前記洗浄用液体が酸化剤を含有することを特徴とする(1)に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
(3)前記酸化剤が次亜塩素酸塩、二酸化塩素、オゾン、過酸化水素からなる群から選ばれる少なくとも一種を含有することを特徴とする(2)に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
(4)前記洗浄用液体がpH調整剤を含有することを特徴とする(1)に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
(5)前記洗浄用液体が前記発酵原料を含有することを特徴とする(1)に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
本発明によれば、分離膜を用いて発酵培養液をろ過すると共に、連続的に未ろ過液を発酵培養槽に保持しつつ化学品を含んだ透過液を取り出す連続発酵運転において、膜ろ過により発生する膜の汚れを効果的に洗浄するとともに、発酵培養槽内の微生物濃度を制御することができ、安定的に低コストで発酵生産効率を著しく向上させることができ、かつ、洗浄廃液および引き抜き培養液が発生しないことで処理費用の低減ができ、さらにコストの低減が可能になり、広く発酵工業において、発酵生産物を低コストで安定に生産することが可能となる。
本発明は、膜モジュールを用いてろ過し、連続的に未ろ過液を発酵培養槽に保持しつつ化学品を含んだ透過液を取り出す連続発酵運転において、膜モジュールの透過液側から、高温水を供給して膜洗浄を行い、高温水の供給条件を発酵培養槽内の微生物濃度により制御することを特徴とする連続発酵装置の運転方法である。
本発明の膜モジュールに用いられる分離膜は、有機膜、無機膜を問わず、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、セラミックス製の膜のように耐薬品性を持つ分離膜であれば良い。
本発明で用いられる分離膜は、平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔質膜であることが好ましい。また、分離膜の形状は、平膜、中空糸膜などいずれの形状のものも採用することができる。
分離膜の表面の平均孔径は、膜表面を走査型電子顕微鏡を用いて60000倍で写真撮影し、20個の任意の細孔の直径を測定し、数平均して求める。細孔が円状でない場合、画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円(等価円)を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求められる。
本発明の好ましい態様によれば、前記の分離膜を用い、膜間差圧を0.1〜20kPaの範囲にしてろ過処理を行うことができる。
本発明においての膜モジュールは、耐熱性に優れる材質で作られ、高温水をモジュールの透過側から供給側へ注入できる形状であれば良い。
本発明で使用される微生物や培養細胞の発酵原料は、発酵培養する微生物や培養細胞の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させ得るものであればよい。発酵原料としては、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、およびビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する通常の液体培地等が好ましく用いられる。前記発酵培養する微生物や培養細胞の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させ得るものを一部含む液体であれば、例えば廃水または下水も、そのまま、または発酵原料を添加して使用してもよい。
前記の炭素源としては、例えば、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉、澱粉加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ケーンジュース、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの抽出物もしくは濃縮液、甜菜糖蜜またはケーンジュースのろ過液、シラップ(ハイテストモラセス)、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの精製もしくは結晶化された原料糖、菜糖蜜またはケーンジュースからの精製もしくは結晶化された精製糖、更には酢酸やフマル酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなどが使用される。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。
また、前記の窒素源としては、例えば、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。
また、前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使用することができる。
本発明において、微生物の発酵培養は、微生物種と生産物の生産性に応じて適切なpHと温度に設定すれば良いが、一般的にpHは4〜8で、温度は15〜65℃の範囲に設定することが多い。発酵培養液のpHは、無機酸あるいは有機酸、アルカリ性物質、さらには尿素、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムまたはアンモニアなどによって、前記範囲内のあらかじめ定められた値に調節される。
培養において、酸素の供給速度を上げる必要があれば、通気量を上げる他に、空気に酸素を加えて酸素濃度を高める方法や、発酵培養液を加圧する方法、攪拌速度を上げる方法などの手段も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、通気量を下げる他に、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。
本発明において、微生物もしくは培養細胞を含む発酵培養液を抜き出す際は、微生物もしくは培養細胞の濃度が減少して発酵生産物の生産性が低下しないように、発酵培養液のOD600またはMLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)に基づいて抜き出し量を適宜調整することが好ましい。
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、菌体を増殖させつつ生産物を生成する連続発酵培養法であれば、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。その場合、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。
本発明で使用される微生物や培養細胞としては、真核細胞または原核細胞が用いられ、例えば、発酵工業においてよく使用される酵母や糸状菌などの真菌類、大腸菌、乳酸菌、コリネ型細菌、放線菌などの細菌類、動物細胞および昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。
本発明の製造方法で得られる化学品は、前記の微生物や培養細胞が発酵培養液中に生産する物質である。化学品としては、例えば、アルコール、有機酸、アミノ酸および核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。また本発明は酵素、抗生物質および組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。例えば、アルコールとしては、エタノール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、およびグリセロール等が挙げられる。また、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸およびクエン酸等を挙げることができ、核酸であればイノシン、グアノシンおよびシチジン等を挙げることができる。
また、本発明の製造方法で得られる化学品は、化成品、乳製品、医薬品、食品または醸造品のうち、少なくとも1種を含む液体物であることが好ましい。ここで化成品としては、例えば、有機酸、アミノ酸および核酸のように、膜分離ろ過後の工程により化学製品を作ることに適用可能な物質、乳製品としては、例えば、低脂肪牛乳など、膜分離ろ過後の工程により乳製品として適用可能な物質、医薬品としては、例えば、酵素、抗生物質、組み換えタンパク質のように、膜分離ろ過後の工程により医薬品を作ることに適用可能な物質、食品としては、例えば、乳酸飲料など、膜分離ろ過後の工程により食品として適用可能な物質、醸造品としては、例えば、ビール、焼酎など、膜分離ろ過後の工程によりアルコールを含む飲料として適用可能な物質などが挙げられる。
本発明において、微生物や培養細胞の発酵培養液を膜モジュール中の分離膜でろ過処理する際の膜間差圧は、微生物や培養細胞および培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよいが、膜間差圧を0.1kPa以上20kPa以下の範囲にしてろ過処理することが重要である。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。前記膜間差圧の範囲を外れた場合、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。
ろ過の駆動力としては、液位差(水頭差)の利用やクロスフロー循環ポンプにより分離膜に膜間差圧を発生させることができる。また、ろ過の駆動力として分離膜透過水側に吸引ポンプを設置してもよい。また、クロスフロー循環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る。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分離膜膜透過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。
本発明においては、膜の洗浄効果を有するとともに、微生物濃度を低減させることができる高温水を使用するが、前記高温水は、培養液温度よりも高く、かつ150℃以下の温度に設定する。好ましくは、培養液温度の5℃以上で、かつ100℃未満の温度であり、培養温度の10℃以上でかつ100℃未満の温度がさらに好ましい。培養液温度より低温であると、連続発酵で微生物濃度を制御することが難しく、150℃を超えると、高温水の液体状態を維持するために非常に高い圧力をかける必要があり、実施することが難しい。高温水による逆圧洗浄は、前述の条件より高温の水を使用することも可能だが、微生物の特性によっては急激に多量の微生物が死滅する可能性もあるため、温度による微生物死滅速度を事前に測定することが望ましい。
ここで、逆圧洗浄とは、分離膜の透過側から分離膜の供給側へ液体を送ることにより、膜面のファウリング物質を除去する方法である。
逆圧洗浄液として使用する高温水は、微生物によって汚染されておらず、膜汚れにつながる物質が入っていない高温水であれば特に制限されない。
高温水は、恒温器を用いて供給することも可能だが、水の供給パイプに加熱装置を設け供給することもできる。供給する高温水の温度は、温度計を設けチェックすることが好ましく、その温度は、設定温度の±1℃以内で制御することが好ましい。
高温水の供給速度は、膜の透過流束の1〜3倍が望ましいが、微生物濃度、膜洗浄効果などを考慮し、より適切な供給速度に設定することもできる。
なお、本発明の高温水には、発明の効果を阻害しない範囲で洗浄剤、すなわち、次亜塩素酸ナトリウム、二酸化塩素、オゾン、過酸化水素などの酸化剤や、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムや塩酸、硫酸などのpH調整剤を含有しても構わない。また培養液中の発酵原料の濃度低下を防ぐため、発酵原料を含んだ高温水を使用することもできる。
本発明は、逆圧洗浄液の温度を高く維持しながら、膜モジュールの透過側から膜モジュールの供給側へ液体を送ることで、膜洗浄を行うとともに、微生物濃度の制御を行う。前記高温の逆圧洗浄液が水である場合、高温水によって、膜付着物が分離膜から剥がれやすくなり、一方、微生物は、高温水に接触することによって、増殖を止めることになる。
前記高温水は、膜付着物を分離膜から剥がれやすくすると考えられ、それは、膜付着物が炭水化物由来物質である場合、高温水によって溶解しやすい状況となり、膜に付着されていた状況から、高温水へ溶解されるようになる。一方、前記膜付着物質がタンパク質由来物質である場合、高温水によるタンパク質の変性が生じ、膜付着の特性が変わることで、膜から剥がれやすい状況になる。
前記高温水を、前記洗浄剤を含有した高温水に変えた場合、膜付着物質の由来成分により、膜剥がれを促進させることができる。例えば、前記洗浄剤の中で次亜塩素酸ナトリウムは強い酸化剤でおり、高温の酸化剤により逆圧洗浄を行うことによって、炭水化物由来膜付着物質の酸化作用が促進され、高温水より高い膜洗浄効果が得られる。一方、前記洗浄剤の中で水酸化ナトリウムおよび水酸化カルシウムは強いアルカリ剤であり、高温のアルカリにより逆洗を行うことによって、タンパク質由来膜付着物質の変性作用が促進され、高温水より高い膜洗浄効果が得られる。なお、これらの強酸化剤または強アルカリ剤を高温で使用する際には、微生物増殖の制御が可能だが、その濃度が一定の範囲を超えると、高温水添加による微生物の失活および微生物死滅速度の急激な増加などが発生する可能性があるため、膜洗浄および微生物濃度の制御が可能である濃度範囲の洗浄剤を使用することが重要である。
ここで、本発明において、発明の効果を阻害しない範囲の洗浄剤とは、例えば次亜塩素酸ナトリウムの場合は、有効塩素濃度が1〜5000ppmの洗浄液を使用することが好ましく、例えば水酸化ナトリウムおよび水酸化カルシウムは、pHが10〜13の洗浄液を使用することが好ましい。この範囲を超える濃度では分離膜の損傷、微生物への悪影響が考えられ、これ未満の濃度では、膜洗浄効果の低下が懸念される。
逆圧洗浄液として使用する高温水の逆圧洗浄周期は、膜間差圧および膜間差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄周期は、0.1〜12回/時間の範囲であり、より好ましくは3〜6回/時間である。逆圧洗浄周期がこの範囲を超えると、高温水添加による微生物の失活および微生物死滅速度の急激な増加などが発生する可能性があり、またこの範囲を下回ると、洗浄効果および微生物制御効果が充分に得られないことがある。
逆圧洗浄液として使用する高温水の逆圧洗浄時間は、逆圧洗浄周期、膜間差圧および膜間差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄時間は、5〜300秒/回の範囲であり、より好ましくは30〜180秒/回である。逆圧洗浄時間がこの範囲より長いと、高温水添加による微生物の失活および微生物死滅速度の急激な増加などが発生する可能性があり、またこの範囲より短いと、洗浄効果および微生物制御効果が充分に得られないことがある。
恒温タンク、高温水逆洗ポンプ、恒温タンクからモジュールまでの配管およびバルブは、耐熱性に優れるものを使用すれば良い。高温水の注入は手動でも可能だが、ろ過・逆洗制御装置を設け、ろ過ポンプおよびろ過側バルブ、高温水逆洗ポンプおよび高温水逆洗バルブを、タイマーなどにより自動的に制御して注入することが望ましい。
本発明においては、微生物培養槽の微生物濃度を制御するために、微生物濃度をモニタリングする必要がある。微生物濃度の測定はサンプルを採取し、測定することでも可能だが、微生物培養槽に、MLSS測定器など、微生物濃度センサーを設置し、微生物濃度の変化状況を連続的にモニタリングすることが望ましい。
次に、本発明で用いられる連続発酵装置について、図を用いて説明する。
図1は、本発明の高温水の供給方法で用いられる連続発酵装置を例示説明するための概略側面図である。図1は、分離膜モジュールが、発酵培養槽の外部に設置された代表的な連続発酵装置の例である。図1において、連続発酵装置は、発酵培養槽1と分離膜モジュール2と高温水供給部で基本的に構成されている。ここで、分離膜モジュール2には、多数の中空糸膜が組み込まれている。また、常温水供給部は常温水逆洗ポンプ13と常温水逆洗バルブ16で構成され、高温水供給部は、高温水逆洗ポンプ12と高温水逆洗バルブ15で構成され、ろ過部はろ過ポンプ11とろ過バルブ14で構成される。前記分離膜モジュールおよび高温水供給部については、後に詳述する。また、分離膜モジュール2は、循環ポンプ8を介して発酵培養槽1に接続されている。
図1において、レベルセンサー・制御装置6および培地供給ポンプ9によって培地を発酵培養槽1に投入して培養槽内の液面レベルを制御し、必要に応じて、撹拌装置4で発酵培養槽1内の培養液を撹拌し、また、必要に応じて、気体供給装置17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、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置17で供給することができる。また必要に応じて、pHセンサー・制御装置5およびpH調整剤供給ポンプ10によって発酵培養液のpH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、循環ポンプ8によって発酵培養槽1と分離膜モジュール2の間を循環する。発酵生産物を含む発酵培養液は、分離膜モジュール2によって微生物と発酵生産物にろ過・分離され、装置系から取り出すことができる。また、分離された微生物は、装置系内にとどまることにより装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。ここで、分離膜モジュール2によるろ過・分離には、循環ポンプ8による圧力によって、特別な動力を使用することなく実施可能であるが、必要に応じてろ過ポンプ11を設け、差圧センサー・制御装置7によってろ過液量を適当に調整することができる。必要に応じて、温度制御装置3によって、発酵培養槽1の温度を一定に維持することができ、微生物濃度を高く維持することができる。
本発明の高温水の供給方法で用いられる高温水供給部は、高温水逆洗ポンプ12と高温水逆洗バルブ15で構成される。高温水は、微生物濃度をモニタリングし、投入することができる。
本発明の運転方法で用いられる制御手順は、図2に示す手順に従って実施する。
まず、培養液の膜ろ過を開始し、微生物濃度の変化や膜間差圧の変化をモニタリングする。膜ろ過により膜に汚れが発生し、膜間差圧が上昇すると、微生物濃度を確認し、その濃度が想定した微生物濃度より高い場合は、高温水を用いて逆圧洗浄を行う。
膜間差圧が上昇した時、微生物濃度を確認し、その濃度が想定した微生物濃度より低い場合は、培養温度以下の常温水を用いて逆圧洗浄を行う。
高温水または培養温度以下の常温水で膜洗浄を行った後、膜間差圧を確認し、洗浄の効果を確認する。確認した差圧が想定した基準の差圧より高い場合、再び微生物濃度を確認し、確認した差圧が想定した基準の差圧より低い場合、逆圧洗浄を停止しても良い。想定した基準の差圧は、分離膜の特性および分離膜モジュールの特性により決定して良い。
以上説明した高温水を用いた逆圧洗浄を行うことにより、廃液を発生させずに分離膜の汚れを洗浄するとともに、過度に増殖した微生物の濃度を制御することが可能となる。ろ過性の保持と微生物濃度を制御することが可能な高温水の供給方法を行うことで、微生物培養液のろ過において、膜ろ過モジュールのろ過性能が向上し、長期間の安定なろ過運転が可能となる。
実施例1
まず、膜ろ過モジュールを製作した。膜モジュールの製作に使用した中空糸膜は、東レ(株)製加圧式ポリフッ化ビニリデン製中空糸膜モジュール“HFS1020”を解体して、接着固定されていない部分のみを切り出し、得られたポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を使用した。分離膜モジュール部材としてはポリカーボネート樹脂の成型品を用いた。作製した膜ろ過モジュールの容量は0.06Lで、膜ろ過モジュールの有効ろ過面積は200cm2であった。製作した多孔質中空糸膜および膜ろ過モジュールを用いて、連続発酵を行った。実施例1における運転条件は、特に断らない限り、以下のとおりである。
[運転条件]
・発酵培養槽容量:2.0L
・発酵培養槽有効容積:1.5L
・使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン製中空糸膜60本
・温度調整:37℃
・発酵培養槽通気量:0.2L/min
・発酵培養槽攪拌速度:600rpm
・pH調整:3NのNaOHによりpH6に調整
・乳酸発酵培地供給速度:15〜300mL/hrの範囲で可変制御
・培養液循環装置による循環液量:3.5L/min
・膜ろ過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
・滅菌:膜モジュールを含む培養槽および使用培地は、全て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
まず、膜ろ過モジュールを製作した。膜モジュールの製作に使用した中空糸膜は、東レ(株)製加圧式ポリフッ化ビニリデン製中空糸膜モジュール“HFS1020”を解体して、接着固定されていない部分のみを切り出し、得られたポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を使用した。分離膜モジュール部材としてはポリカーボネート樹脂の成型品を用いた。作製した膜ろ過モジュールの容量は0.06Lで、膜ろ過モジュールの有効ろ過面積は200cm2であった。製作した多孔質中空糸膜および膜ろ過モジュールを用いて、連続発酵を行った。実施例1における運転条件は、特に断らない限り、以下のとおりである。
[運転条件]
・発酵培養槽容量:2.0L
・発酵培養槽有効容積:1.5L
・使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン製中空糸膜60本
・温度調整:37℃
・発酵培養槽通気量:0.2L/min
・発酵培養槽攪拌速度:600rpm
・pH調整:3NのNaOHによりpH6に調整
・乳酸発酵培地供給速度:15〜300mL/hrの範囲で可変制御
・培養液循環装置による循環液量:3.5L/min
・膜ろ過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
・滅菌:膜モジュールを含む培養槽および使用培地は、全て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
微生物としてSprolactobacillus laevolacticus JCM2513(SL株)を用い、培地として表1に示す組成の乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、下記に示したHPLCを用いて以下の条件下で行った。
・カラム:Shim−Pack SPR−H(島津社製)
・移動相:5 mM p−トルエンスルホン酸(0.8 mL/min)
・反応相:5 mM p−トルエンスルホン酸、20 mM ビストリス、0.1 mM EDTA・2Na(0.8 mL/min)
・検出方法:電気伝導度
・カラム温度:45℃
なお、乳酸の光学純度の分析は、以下の条件下で行った。
・カラム:TSK−gel Enantio L1(東ソー社製)
・移動相 :1 mM 硫酸銅水溶液
・流量:1.0 mL/分
・検出方法 :UV 254 nm
・温度 :30℃
L−乳酸の光学純度は、次式(i)で計算される。
・移動相:5 mM p−トルエンスルホン酸(0.8 mL/min)
・反応相:5 mM p−トルエンスルホン酸、20 mM ビストリス、0.1 mM EDTA・2Na(0.8 mL/min)
・検出方法:電気伝導度
・カラム温度:45℃
なお、乳酸の光学純度の分析は、以下の条件下で行った。
・カラム:TSK−gel Enantio L1(東ソー社製)
・移動相 :1 mM 硫酸銅水溶液
・流量:1.0 mL/分
・検出方法 :UV 254 nm
・温度 :30℃
L−乳酸の光学純度は、次式(i)で計算される。
光学純度(%)=100×(L−D)/(D+L) ・・・(i)
また、D−乳酸の光学純度は、次式(ii)で計算される。
また、D−乳酸の光学純度は、次式(ii)で計算される。
光学純度(%)=100×(D−L)/(D+L) ・・・(ii)
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。
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。
培養は、まずSL株を試験管で5mLの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地100mLに植菌し、500mL容坂口フラスコで24時間、37℃で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示す連続発酵装置の1.5Lの発酵培養槽に培地を入れて植菌し、付属の攪拌装置4によって攪拌し、発酵培養槽1の通気量の調整、温度調整、pH調整を行い、循環ポンプ8を稼働させることなく、50時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、循環ポンプ8を稼働させ、前培養時の運転条件に加え、乳酸発酵培地の連続供給を行い、膜分離型連続発酵装置の培養液量を1.5Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるD−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、ろ過ポンプ11から出てくるろ過量を測定し、膜ろ過量制御条件で変化させることで行った。適宜、膜ろ過培養液中の生産されたD−乳酸濃度および光学純度を測定した。
連続発酵ろ過運転は250時間行った。膜ろ過運転は、ろ過ポンプ11を用いて行い、ろ過流量は、0〜50時間まではろ過を行わず、50〜200時間までは100mL/h、200〜250時間までは135mL/hの流量でろ過を行った。ろ過は9分ろ過、その後1分間ろ過停止を繰り返し行った。逆圧洗浄は、ろ過時間50〜250時間まで行い、9分間ろ過後、1分間逆圧洗浄を、逆圧洗浄速度600mL/hの流量で行った。逆圧洗浄に使用した高温水は、恒温器に蒸留水を入れ、温度が一定になるようにした高温水を使用した。逆圧洗浄に使用した高温水は、温度が90℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。高温水を使用していなかった期間では常温の水を使用して逆圧洗浄を行った。発酵培養槽内の微生物濃度については、微生物濃度が増加することによりろ過性が低下する傾向があることから、ろ過速度が適切に維持でき、かつ生産性が維持できると考えられた微生物濃度を想定した後、その微生物濃度になるように運転を行った。ろ過差圧は差圧計を用いて1回/日で測定し、微生物濃度はOD600を用いて1回/日測定した。OD600の測定は、まず発酵培養槽からサンプルを採集し、サンプルのOD600が1以下になるように生理食塩水を用いて希釈した後、波長600nmの吸光度を、分光光度計(島津製作所UV−2450)を用いて測定した。得られた測定値に、生理食塩水で希釈した倍率をかけ、サンプルのOD600として計算した。得られた実験結果を図3および図4に示す。その結果、微生物濃度をOD600が20程度まで下げ、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
実施例2
逆圧洗浄用高温水として、温度が60℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例1と同様にしてD−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を図3および図4に示す。その結果、微生物濃度をOD600が30程度まで下げ、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
逆圧洗浄用高温水として、温度が60℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例1と同様にしてD−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を図3および図4に示す。その結果、微生物濃度をOD600が30程度まで下げ、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
実施例3
逆圧洗浄用高温水として、温度が45℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例1と同様にしてD−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を図3および図4に示す。その結果、微生物濃度をOD600が40程度で維持しながら、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
逆圧洗浄用高温水として、温度が45℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例1と同様にしてD−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を図3および図4に示す。その結果、微生物濃度をOD600が40程度で維持しながら、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
実施例4
実施例1と同じ膜ろ過モジュールを用いピルビン酸を生産する微生物の連続発酵を行った。ピルビン酸を生産させる微生物としては、酵母トルロプシス・グラブラータ(Torulopsis glabrata)のうち、トルロプシス・グラブラータP120−5a株(FERM
P−16745)を用いた。
実施例1と同じ膜ろ過モジュールを用いピルビン酸を生産する微生物の連続発酵を行った。ピルビン酸を生産させる微生物としては、酵母トルロプシス・グラブラータ(Torulopsis glabrata)のうち、トルロプシス・グラブラータP120−5a株(FERM
P−16745)を用いた。
発酵培地として表2に示す組成のピルビン酸発酵培地を用い、図1に示す連続発酵装置を用いて連続発酵試験を行った。上記のピルビン酸発酵培地は、121℃の温度で20分間高圧蒸気滅菌して用いた。運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
[運転条件]
・発酵培養槽容量:2.0L
・発酵培養槽有効容積1.5L
・使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン製中空糸膜60本
・温度調整:30℃
・発酵培養槽通気量:1.5L/min
・発酵培養槽攪拌速度:800rpm
・pH調整:4NのNaOHによりpHを5.5に調整
・ピルビン酸発酵培地供給速度:15〜300mL/hrの範囲で可変制御
・培養液循環装置による循環液量:3.5L/min
・膜ろ過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
・ 滅菌:膜モジュールを含む培養槽および使用培地は、全て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
・発酵培養槽容量:2.0L
・発酵培養槽有効容積1.5L
・使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン製中空糸膜60本
・温度調整:30℃
・発酵培養槽通気量:1.5L/min
・発酵培養槽攪拌速度:800rpm
・pH調整:4NのNaOHによりpHを5.5に調整
・ピルビン酸発酵培地供給速度:15〜300mL/hrの範囲で可変制御
・培養液循環装置による循環液量:3.5L/min
・膜ろ過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
・ 滅菌:膜モジュールを含む培養槽および使用培地は、全て121℃の温度で20分間のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌した。
また、ピルビン酸の濃度の評価には、下記に示す条件でHPLC法により測定した。
・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(流量0.8mL/min)
・反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDT
A・2Na(流量0.8mL/min)
・検出方法:電気伝導度
・温度:45℃
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。
・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(流量0.8mL/min)
・反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDT
A・2Na(流量0.8mL/min)
・検出方法:電気伝導度
・温度:45℃
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。
まず、P120−5a株を、試験管で5mLのピルビン酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を、新鮮なピルビン酸発酵培地100mLに植菌し、500mL容坂口フラスコで24時間、30℃の温度で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示した連続発酵装置の1.5Lのピルビン酸発酵培地に植菌し、発酵培養槽1を付属の攪拌機4によって攪拌し、発酵培養槽1の通気量の調整、温度調整およびpH調整を行い、循環ポンプ8を稼働させることなく、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、循環ポンプ8を稼働させ、前培養時の運転条件に加え、ピルビン酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の培養液量を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、連続発酵によるピルビン酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、ろ過ポンプ11から出てくるろ過量を測定し、膜ろ過量制御条件で変化させることで行った。適宜、膜ろ過培養液中の生産されたピルビン酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。
連続発酵ろ過運転は250時間行った。膜ろ過運転は、ろ過ポンプ11を用いて行い、ろ過流量は、0〜50時間まではろ過を行わず、50〜200時間までは100mL/h、200〜250時間までは135mL/hの流量でろ過を行った。ろ過は9分ろ過、その後1分間ろ過停止を繰り返し行った。逆圧洗浄は、ろ過時間50〜250時間まで行い、9分間ろ過後、1分間逆圧洗浄を、逆圧洗浄速度600mL/hの流量で行った。逆圧洗浄に使用した高温水は、恒温器に蒸留水を入れ、温度が一定になるようにした高温水を使用した。逆圧洗浄に使用した高温水は、温度が50℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。高温水を使用していなかった期間では常温の水を使用して逆圧洗浄を行った。発酵培養槽内の微生物濃度については、微生物濃度が増加することによりろ過性が低下する傾向があることから、ろ過速度が適切に維持でき、かつ生産性が維持できると考えられた微生物濃度を想定した後、その微生物濃度になるように運転を行った。ろ過差圧は差圧計を用いて1回/日で測定し、微生物濃度はOD600を用いて1回/日測定した。OD600の測定は、まず発酵培養槽からサンプルを採集し、サンプルのOD600が1以下になるように生理食塩水を用いて希釈した後、波長600nmの吸光度を、分光光度計(島津製作所UV−2450)を用いて測定した。得られた測定値に、生理食塩水で希釈した倍率をかけ、サンプルのOD600として計算した。得られた実験結果を図5および図6に示す。その結果、微生物濃度をOD600が55程度まで下げ、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
実施例5
逆圧洗浄用高温水として、温度が40℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例4と同様にしてピルビン酸連続発酵試験を行った。その結果を図5および図6に示す。その結果、微生物濃度をOD600が65程度まで下げ、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
逆圧洗浄用高温水として、温度が40℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例4と同様にしてピルビン酸連続発酵試験を行った。その結果を図5および図6に示す。その結果、微生物濃度をOD600が65程度まで下げ、膜ろ過差圧も安定的に維持することができ、微生物濃度を制御しながら効果的な膜洗浄を行うことが可能であった。
比較例1
逆圧洗浄用高温水による逆圧洗浄を行わないまま、実施例1と同様にD−乳酸連続発酵試験を行った。但し、高温水での逆圧洗浄によって培養液の希釈が考えられたため、実施例1で高温水を逆圧洗浄に使用した代わりに、実施例1で逆圧洗浄に使用された水の量を、培地投入口から投入した。その結果を図3および図4に示す。連続発酵250時間のOD600が90程度まで上昇し、微生物濃度の制御ができず、膜ろ過差圧も上昇し、安定的な連続発酵ろ過運転ができなかった。
逆圧洗浄用高温水による逆圧洗浄を行わないまま、実施例1と同様にD−乳酸連続発酵試験を行った。但し、高温水での逆圧洗浄によって培養液の希釈が考えられたため、実施例1で高温水を逆圧洗浄に使用した代わりに、実施例1で逆圧洗浄に使用された水の量を、培地投入口から投入した。その結果を図3および図4に示す。連続発酵250時間のOD600が90程度まで上昇し、微生物濃度の制御ができず、膜ろ過差圧も上昇し、安定的な連続発酵ろ過運転ができなかった。
比較例2
逆圧洗浄用高温水による逆圧洗浄を、逆圧洗浄水の温度が35℃になるように設定し、実施例1と同様にD−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を図3および図4に示す。連続発酵250時間のOD600が70程度まで上昇し、微生物濃度が制御できず、膜ろ過差圧も上昇し、安定的な連続発酵ろ過運転ができなかった。
比較例3
逆圧洗浄用高温水として、温度が25℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例4と同様にしてピルビン酸連続発酵試験を行った。その結果を図5および図6に示す。連続発酵250時間のOD600が85程度まで上昇し、微生物濃度が制御できず、膜ろ過差圧も上昇し、安定的な連続発酵ろ過運転ができなかった。
逆圧洗浄用高温水による逆圧洗浄を、逆圧洗浄水の温度が35℃になるように設定し、実施例1と同様にD−乳酸連続発酵試験を行った。その結果を図3および図4に示す。連続発酵250時間のOD600が70程度まで上昇し、微生物濃度が制御できず、膜ろ過差圧も上昇し、安定的な連続発酵ろ過運転ができなかった。
比較例3
逆圧洗浄用高温水として、温度が25℃になるよう恒温器を設定し、連続発酵200時間から250時間まで使用した。前記の方法以外は、実施例4と同様にしてピルビン酸連続発酵試験を行った。その結果を図5および図6に示す。連続発酵250時間のOD600が85程度まで上昇し、微生物濃度が制御できず、膜ろ過差圧も上昇し、安定的な連続発酵ろ過運転ができなかった。
本発明は、簡便な操作方法で、膜ろ過により発生する膜の汚れを効果的に洗浄するとともに、発酵培養槽内の微生物濃度を制御することができ、安定に低コストで発酵生産効率を著しく向上させることができ、かつ、洗浄廃液および引き抜き培養液から発生する処理費用の低減ができ、さらにコストの低減が可能になり、広く発酵工業において、発酵生産物を低コストで安定に生産することが可能となる。
1 発酵培養槽
2 分離膜モジュール
3 温度制御装置
4 攪拌装置
5 pHセンサー・制御装置
6 レベルセンサー・制御装置
7 差圧センサー・制御装置
8 循環ポンプ
9 培地供給ポンプ
10 pH調整剤供給ポンプ
11 ろ過ポンプ
12 高温水逆洗ポンプ
13 常温水逆洗ポンプ
14 ろ過バルブ
15 高温水逆洗バルブ
16 常温水逆洗バルブ
17 気体供給装置
2 分離膜モジュール
3 温度制御装置
4 攪拌装置
5 pHセンサー・制御装置
6 レベルセンサー・制御装置
7 差圧センサー・制御装置
8 循環ポンプ
9 培地供給ポンプ
10 pH調整剤供給ポンプ
11 ろ過ポンプ
12 高温水逆洗ポンプ
13 常温水逆洗ポンプ
14 ろ過バルブ
15 高温水逆洗バルブ
16 常温水逆洗バルブ
17 気体供給装置
Claims (5)
- 発酵原料、化学品と、微生物もしくは培養細胞を含む培養液を分離膜でろ過し、ろ液から化学品を回収し、さらに未ろ過液を培養液に保持または還流し、かつ発酵原料を培養液に追加する連続発酵において、膜ユニットの透過液側から洗浄用液体を供給して膜洗浄を行う連続発酵による化学品の製造方法であって、前記洗浄用液体が培養液温度より高く、かつ150℃以下の高温水であり、前記洗浄用液体を供給することで発酵槽内の微生物濃度を制御することを特徴とする連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記洗浄用液体が酸化剤を含有することを特徴とする請求項1に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記酸化剤が次亜塩素酸塩、二酸化塩素、オゾン、過酸化水素からなる群から選ばれる少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項2に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記洗浄用液体がpH調整剤を含有することを特徴とする請求項1に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記洗浄用液体が前記発酵原料を含有することを特徴とする請求項1に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011544521A JP5803673B2 (ja) | 2010-09-14 | 2011-09-05 | 連続発酵による化学品の製造方法 |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010205239 | 2010-09-14 | ||
JP2010205239 | 2010-09-14 | ||
JP2011544521A JP5803673B2 (ja) | 2010-09-14 | 2011-09-05 | 連続発酵による化学品の製造方法 |
PCT/JP2011/070109 WO2012036003A1 (ja) | 2010-09-14 | 2011-09-05 | 連続発酵による化学品の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2012036003A1 JPWO2012036003A1 (ja) | 2014-02-03 |
JP5803673B2 true JP5803673B2 (ja) | 2015-11-04 |
Family
ID=45831470
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011544521A Expired - Fee Related JP5803673B2 (ja) | 2010-09-14 | 2011-09-05 | 連続発酵による化学品の製造方法 |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20130323805A1 (ja) |
EP (1) | EP2617832B1 (ja) |
JP (1) | JP5803673B2 (ja) |
CN (1) | CN103168102B (ja) |
AU (1) | AU2011304167B2 (ja) |
BR (1) | BR112013006074A2 (ja) |
CA (1) | CA2811319C (ja) |
ES (1) | ES2795837T3 (ja) |
TW (1) | TW201217519A (ja) |
WO (1) | WO2012036003A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110832081B (zh) * | 2017-06-30 | 2023-06-27 | 东丽株式会社 | 基于连续发酵的化学品的制造方法及制造装置 |
JP7105654B2 (ja) * | 2017-09-07 | 2022-07-25 | 旭化成株式会社 | 多孔質膜を用いた培養ブロスのろ過方法 |
WO2023202976A1 (en) * | 2022-04-20 | 2023-10-26 | Grundfos Holding A/S | Adaptive cleaning-in-place method for a membrane filtration system |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3194679B2 (ja) | 1994-11-22 | 2001-07-30 | ダイセル化学工業株式会社 | 濾過膜モジュールの洗浄方法 |
JP3577992B2 (ja) * | 1999-05-07 | 2004-10-20 | 栗田工業株式会社 | 膜分離方法 |
JP2001038177A (ja) | 1999-07-29 | 2001-02-13 | Daicel Chem Ind Ltd | 固液分離方法及び分離膜モジュール |
JP2002126470A (ja) | 2000-10-27 | 2002-05-08 | Daicen Membrane Systems Ltd | 濾過膜の薬液洗浄法 |
JP2006314883A (ja) | 2005-05-11 | 2006-11-24 | Hitachi Plant Technologies Ltd | 分離膜の洗浄方法 |
CN101553572A (zh) * | 2006-02-24 | 2009-10-07 | 东丽株式会社 | 化学品的制备方法和连续发酵装置 |
CA2638780C (en) * | 2006-02-24 | 2017-11-21 | Toray Industries, Inc. | Method of producing chemical product and continuous fermentation apparatus |
JP2008099667A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-05-01 | Toray Ind Inc | アルコール製造方法及び製造装置 |
JP2008199948A (ja) * | 2007-02-20 | 2008-09-04 | Toray Ind Inc | 連続発酵生産物の製造方法 |
JP2008289959A (ja) | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Toshiba Corp | 膜ろ過システム |
JP5223520B2 (ja) * | 2007-08-22 | 2013-06-26 | 東レ株式会社 | 連続発酵による化学品の製造方法 |
JP5287029B2 (ja) * | 2007-08-22 | 2013-09-11 | 東レ株式会社 | 連続発酵による化学品の製造方法 |
JP2011188791A (ja) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Toray Ind Inc | 連続発酵装置の運転方法 |
-
2011
- 2011-09-05 BR BR112013006074-3A patent/BR112013006074A2/pt not_active Application Discontinuation
- 2011-09-05 JP JP2011544521A patent/JP5803673B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2011-09-05 ES ES11825009T patent/ES2795837T3/es active Active
- 2011-09-05 EP EP11825009.1A patent/EP2617832B1/en active Active
- 2011-09-05 CA CA2811319A patent/CA2811319C/en not_active Expired - Fee Related
- 2011-09-05 CN CN201180044138.6A patent/CN103168102B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2011-09-05 WO PCT/JP2011/070109 patent/WO2012036003A1/ja active Application Filing
- 2011-09-05 AU AU2011304167A patent/AU2011304167B2/en not_active Ceased
- 2011-09-05 US US13/823,433 patent/US20130323805A1/en not_active Abandoned
- 2011-09-13 TW TW100132832A patent/TW201217519A/zh unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA2811319A1 (en) | 2012-03-22 |
AU2011304167A1 (en) | 2013-04-04 |
AU2011304167B2 (en) | 2015-05-21 |
ES2795837T3 (es) | 2020-11-24 |
CN103168102A (zh) | 2013-06-19 |
EP2617832B1 (en) | 2020-05-13 |
BR112013006074A2 (pt) | 2021-07-20 |
TW201217519A (en) | 2012-05-01 |
CN103168102B (zh) | 2015-07-08 |
EP2617832A4 (en) | 2015-12-23 |
CA2811319C (en) | 2019-01-22 |
WO2012036003A1 (ja) | 2012-03-22 |
JPWO2012036003A1 (ja) | 2014-02-03 |
US20130323805A1 (en) | 2013-12-05 |
EP2617832A1 (en) | 2013-07-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2012115783A (ja) | 連続発酵用分離膜モジュールの洗浄方法および連続発酵用膜分離装置 | |
WO2012090556A1 (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP5978995B2 (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP5862561B2 (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP5803673B2 (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP2011188791A (ja) | 連続発酵装置の運転方法 | |
JP5358911B2 (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP2013226486A (ja) | 分離膜モジュールの滅菌方法、化学品の製造方法および膜分離型連続発酵装置 | |
JP2008212138A (ja) | 連続発酵によるl−アミノ酸の製造方法 | |
JP2012179018A (ja) | 化学品の製造装置および化学品の製造方法 | |
JP2011193787A (ja) | 連続発酵装置の運転方法 | |
JP5262004B2 (ja) | 連続発酵による乳酸の製造方法 | |
Tomaszewska et al. | The chemical cleaning of ceramic membrane used in UF | |
JP2012179019A (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP2008161071A (ja) | メンブレンバイオリアクターの運転方法 | |
JP2013188149A (ja) | 分離膜モジュールの蒸気滅菌方法、連続発酵による化学品の製造方法および膜分離型連続発酵装置 | |
Obondo | An investigation into process limitations in membrane bioreactor (MBR) systems used for lactic acid production | |
JP2013128470A (ja) | 分離膜モジュールの滅菌方法、化学品の製造方法、分離膜モジュールの滅菌用装置および膜分離型連続発酵装置 | |
JP2009171879A (ja) | 乳酸の製造方法 | |
JP5593597B2 (ja) | 乳酸の製造方法 | |
JP5564783B2 (ja) | 乳酸の製造方法 | |
JP2012210184A (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP2012135249A (ja) | 連続発酵による化学品の製造方法 | |
JP2013188150A (ja) | 分離膜モジュールの蒸気滅菌方法、連続発酵による化学品の製造方法、分離膜モジュールの滅菌用装置および膜分離型連続発酵装置 | |
JP2008161072A (ja) | メンブレンバイオリアクターの運転方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140828 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150804 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150817 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5803673 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |