JP5862561B2 - 連続発酵による化学品の製造方法 - Google Patents
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Description
また、上記(2)の連続発酵法は、発酵槽内で目的化学品が高濃度に蓄積す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かつ高生産性を維持できるという特徴がある。この連続発酵法については、L−グルタミン酸やL−リジンの発酵についての連続培養法が開示されている(非特許文献1参照)。しかしながら、この例では、発酵培養液に原料の連続的な供給を行うと共に、微生物や培養細胞を含んだ発酵培養液を抜き出すために、発酵培養液中の微生物や培養細胞が希釈されることから、生産効率の向上は限定されたものであった。
また、アルカリや酸を含む水を逆圧洗浄液として使用する場合、複数の分離膜モジュールで逆液洗浄を同時に行うと、発酵液のpHが一時的にでも適正範囲を外れ、その期間の発酵成績が低下し、また微生物の活性が低下する懸念がある。
1.発酵工程
本形態において、化学品の製造方法は、発酵原料を微生物の発酵培養により化学品を含有する発酵液へと変換する発酵工程を含む。
以下、微生物および培養細胞について述べる。
化学品の製造において使用される微生物については特に制限はなく、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、および糸状菌等の菌類;大腸菌およびコリネ型細菌などのバクテリア;放線菌などが挙げられる。また、培養細胞としては、動物細胞および昆虫細胞等が挙げられる。また、使用する微生物や培養細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、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。
発酵原料としては、培養する微生物および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。
原料は、消泡剤を必要に応じて含有してもよい。
培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液である。
連続発酵においては、培養液に発酵原料を追加することができるが、追加する発酵原料の組成は、目的とする化学品の生産性が高くなるように、培養開始時の組成から適宜変更してもよい。例えば、狭義の発酵原料の濃度、培地における他の成分の濃度等は、変更可能である。
発酵液は、発酵の結果生じた物質を含有する液であり、原料、微生物または培養細胞、及び化学品を含有してもよい。つまり、文言「培養液」と「発酵液」とはほぼ同じ意味で用いられることがある。
本形態の方法によると、上記の微生物または培養細胞によって、発酵液中に、化学品すなわち変換後の物質が生産される。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。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、本発明の方法を、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。
連続発酵による化学品の製造では、培養初期にBatch培養またはFed−Batch培養を行って、微生物濃度を高くした後に、連続発酵(つまり培養液の引き抜き)を開始しても良い。または、微生物濃度を高くした後に、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続発酵を行っても良い。連続発酵による化学品の製造では、適当な時期から原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養液の引き抜きの開始時期は必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養液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。
(A)分離膜
化学品の製造方法における膜分離工程において用いられる分離膜について説明する。
分離膜は、有機膜、無機膜を問わない。分離膜の洗浄に逆圧洗浄や薬液浸漬による洗浄などを行うため、分離膜は、これらに対する耐久性を有することが好ましい。
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。さらに、ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、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を用いても構わない。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。
ここで、三次元網目構造とは、固形分が三次元的に網目状に広がっている構造を意味する。三次元網目構造は、網を形成する固形分に仕切られた細孔およびボイドを有する。
また、球状構造とは、多数の球状もしくは略球状の固形分が、直接もしくは筋状の固形分を介して連結している構造を意味する。
また、分離膜は、球状構造層と三次元網目構造層以外の層、例えば多孔質基材などの支持体層を含んでいても良い。多孔質基材としては、有機材料、無機材料等、特に限定されないが、軽量化しやすい点から有機繊維が好ましい。多孔質基材は、さらに好ましくは、セルロース系繊維、酢酸セルロース系繊維、ポリエステル系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリエチレン系繊維などの有機繊維からなる織布や不織布である。
微生物または培養細胞の発酵液を膜モジュール中の分離膜で濾過処理する際の膜間差圧は、微生物および培養細胞、並びに培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよい。例えば、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できる。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。上記膜間差圧の範囲内であれば、微生物(特に原核生物)および培地成分の目詰まり、並びに透過水量の低下を抑制することで、連続発酵運転に不具合を生じることを効果的に抑制することができる。
分離膜の形状は、平膜、中空糸膜、スパイラル式などいずれの形状のものも採用することができ、中空糸膜モジュールであれば、外圧式、内圧式のいずれの形状のものも採用することができる。
化学品の製造方法は、分離膜の洗浄工程を含んでいてもよい。洗浄工程は、具体的な方法に限定されるものではないが、濾過処理と濾過停止処理を繰り返す間欠濾過処理により分離膜の1次側の表面において、クロスフローの剪断力により、分離膜上の微生物等の堆積物を除去するほか、逆圧洗浄や逆圧洗浄液で浸漬して分離膜を洗浄することが好ましい。複数の分離膜モジュールを使用し、間欠濾過処理を行う場合、並列または直列に配置した複数の分離膜モジュールの濾過停止処理が重複しないように制御して、濾過が全停止しないようにすることが好ましい。
さらに、逆圧洗浄では、分離膜の2次側から1次側に透過させるため、アルカリまたは酸は固形物を含まないことが好ましいが、pH調整では、発酵液に添加された状態で溶解できれば良いので、スラリー状のアルカリまたは酸を使用することもできる。
例えば発酵で得られる化学品が乳酸である場合、発酵に適したpHを維持するため、乳酸の生成により酸性サイドにシフトするpHをアルカリで中和する必要があるが、連続発酵では、発酵速度が速くなるため、多くのアルカリを添加する必要がある。中和剤に水酸化カルシウムを用いる場合、水酸化カルシウムは約0.01Nより濃い濃度では、水酸化カルシウムが溶解せずに固体として存在するため、逆圧洗浄液としては適さない。そのため、約0.01N以下の水酸化カルシウム溶液で中和を行うが、この場合、pH調整液として添加する量が多くなり、結果として発酵液を希釈して、化学品の濃度が小さくなり、発酵液から化学品を得るため、後工程で蒸発などを行う際に、余分なエネルギーが必要となる課題がある。
本発明の実施の形態に用いられる連続発酵装置について、図を用いて説明する。以下の連続発酵装置は、上述した化学品の製造方法を実行するための装置の一例である。よって、製造方法を実行するための装置の構成として製造方法の欄で既に言及された構成については、説明を省略することがある。
図1は、本発明の実施の形態1に係る膜分離型連続発酵装置の概略図である。本発明の実施の形態1に係る膜分離型連続発酵装置100は、発酵原料を微生物等の発酵培養により化学品を含有する発酵液へと変換する発酵槽1と、発酵槽1で変換された発酵液を濾過して化学品を濾過液として回収するとともに、非濾過液を発酵槽1に還流する分離膜ユニット30と、を備える。本実施の形態1の分離膜ユニット30では、3本の分離膜モジュール2A、2Bおよび2Cを並列に配置している。
気体供給口は、気体供給源から分離膜モジュール2の1次側に気体を供給することができれば良い。気体供給口は、分離膜モジュール2の下部に設けても良く、さらには、発酵槽1と分離膜モジュール2とを連通する配管20に設けることもできる。循環ポンプ8を用いて発酵槽1から分離膜モジュール2まで発酵液を送液する際には、発酵液と循環ポンプ8の間、または循環ポンプ8と分離膜モジュール2の間に気体供給口を設けることができる。
なお、気体の供給ラインを分離膜モジュール2A、2B、2C毎に設置すれば、気体の供給についても分離膜モジュール2A、2B、2C毎に行うことができる。気体の剪断力により分離膜表面へ堆積した微生物等を除去効果により、間欠的に気体を供給し、気体の使用量を抑制することもできる。
循環ポンプ8の吐出圧力の変動が小さすぎると、堆積物の除去効果が小さく、また圧力変動が大きすぎると、送液配管のハンチングによる接続部からの漏れが発生する懸念もある。そのため、循環ポンプ8の圧力変動の大きさは、吐出圧力に対して、3%以上20%以下であることが望ましい。
このような間欠濾過処理を繰り返すことで、分離膜モジュール2A、2B、2Cの濾過停止処理が重複しないよう制御することができる。
濾過停止時に逆圧洗浄を行う場合、例えば、濾過時の9分間は、濾過で発酵液が減量した分、発酵槽に原料が添加されるが、濾過停止時に逆圧洗浄する1分間は、逆圧洗浄の洗浄液が発酵槽1に流入するため、発酵槽1の発酵液量が増加する。発酵槽1の液量が設定値を超える場合は、逆圧洗浄液の増加分が解消されるまで、発酵槽1に原料は添加されない。複数の分離膜モジュール2が、全て同じタイミングで9分間濾過と1分濾過停止・逆圧洗浄とを繰り返す場合、原料の添加が間欠的となり、発酵槽1中の原料濃度が安定せず、そのため安定した発酵が困難となる懸念がある。そのため、分離膜モジュール2A、2B、2Cについて、同時に逆圧洗浄しないようにタイミングをずらして、濾過量が均等化するように調整することが有効である。
このような間欠濾過処理を繰り返すことで、分離膜モジュール2A、2B、2Cの逆圧洗浄処理が重複しないよう制御することができる。
図4は、本発明の実施の形態2で使用する膜分離型連続発酵装置の概略図である。本発明の実施の形態2に係る膜分離型連続発酵装置200は、3本の分離膜モジュール2A、2Bおよび2Cを直列に配置するための、配管26A、26Bおよび26Cを備える点で、実施の形態1にかかる膜分離型連続発酵装置100と異なる。以下、実施の形態2に係る膜分離型連続発酵装置200について説明する。
このような間欠濾過処理を繰り返すことで、分離膜モジュール2A、2B、2Cの濾過停止処理が重複しないよう制御することができる。
このような間欠濾過処理を繰り返すことで、分離膜モジュール2A、2B、2Cの逆圧洗浄処理が重複しないよう制御することができる。
図6は、本発明の実施の形態3に使用することができる膜分離型連続発酵装置の概略図である。本発明の実施の形態3に係る膜分離型連続発酵装置300は、3本の分離膜モジュール2A、2Bおよび2Cを直列に配置した分離膜ラインXと、3本の分離膜モジュール2D、2Eおよび2Fを直列に配置した分離膜ラインYとを、並列に配置している。
このような間欠濾過処理を繰り返すことで、分離膜モジュール2A〜2Fの濾過停止処理が重複しないよう制御することができる。
このような間欠濾過処理を繰り返すことで、分離膜モジュール2A〜2Fの逆圧洗浄処理が重複しないよう制御することができる。
質量平均分子量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質量%と62質量%の割合で170℃の温度で溶解した。この高分子溶液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随伴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質量%水溶液からなる冷却浴中で固化して球状構造からなる中空糸膜を作製した。次いで、質量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14質量%、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製、CAP482−0.5)を1質量%、N−メチル−2−ピロリドンを77質量%、T−20Cを5質量%、水を3質量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。この製膜原液を、球状構造からなる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て球状構造層の上に三次元編目構造を形成させた中空糸膜を作製した。得られた中空糸膜の被処理水側表面の平均細孔径は、0.04μmであった。次に、上記の分離膜である中空糸多孔性膜について純水透水量を評価したところ、5.5×10-9m3/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。
参考例1の中空糸膜を用いて分離膜モジュールを製作した。分離膜モジュールケースにはポリスルホン樹脂製筒状容器である成型品を用いて中空糸膜モジュールを作製した。製作した多孔性中空糸膜および膜濾過モジュールを用いて、実施例1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。
発酵槽有効容積:1.5(L)
使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン中空糸膜22本(有効長8cm、総有効膜面積 0.023(m2))
中空糸膜モジュール本数:3本。並列に設置し、3系列とした。
温度調整:37(℃)
発酵槽通気量:窒素ガス0.2(L/min)
発酵槽攪拌速度:600(rpm)
pH調整:3N Ca(OH)2によりpH6に調整
乳酸発酵培地供給:発酵槽液量が約1.5Lで一定になる様に制御して添加
発酵液循環装置によるクロスフロー流束:0.3(m/s)
膜濾過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
間欠的な濾過処理:濾過処理(9分間)〜濾過停止処理(1分間)の周期運転
膜濾過流束:0.01(m/day)以上0.3(m/day)以下の範囲で膜間差圧が20kPa以下となる様に可変。膜間差圧が範囲を超えて上昇し続けた場合は、連続発酵を終了した。
移動相:5mM p-トルエンスルホン酸(0.8mL/min)
反応相:5mM p-トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(0.8mL/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(鏡像体過剰率)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:1mM硫酸銅水溶液
流束:1.0mL/分
検出方法:UV254nm
温度:30℃
L-乳酸の光学純度は、次式(5)で計算される。
光学純度(%)=100×(L-D)/(D+L) ・・・(5)
また、D-乳酸の光学純度は、次式(6)で計算される。
光学純度(%)=100×(D-L)/(D+L) ・・・(6)
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。
実施例2は、膜分離型連続発酵装置100において、間欠濾過処理の濾過停止処理中に逆圧洗浄を行いながらD−乳酸の連続発酵を行った。間欠濾過処理は、図3に示すようなフローにより分離膜モジュール2A、2B、2Cの逆圧洗浄処理が重複しないよう制御した。間欠濾過処理は、全分離膜モジュール2を2分間濾過処理運転し、分離膜モジュール2Aのみ1分間逆圧洗浄処理する。その後、再度全分離膜モジュール2を2分間運転し、分離膜モジュール2Bのみ1分間逆圧洗浄処理する。再度全分離膜モジュール2を2分間運転し、分離膜モジュール2Cのみ1分間逆圧洗浄処理した。該間欠濾過処理を連続して繰り返すことにより連続発酵しながら、生産されたD−乳酸を回収した。逆圧洗浄の流束は濾過流束の2倍に設定して、蒸留水を用いて逆圧洗浄を行った。その他の条件は、実施例1と同様である。
比較例1は、膜分離型連続発酵装置100において、分離膜モジュール2A、2B、2Cを同時に濾過停止処理する間欠濾過処理を行いながらD−乳酸の連続発酵を行った。間欠濾過処理は、全分離膜モジュール2を2分間運転し、その後全分離膜モジュール2を1分間濾過停止処理し、再度全分離膜モジュール2を6分間濾過運転する。該間欠濾過処理を連続して繰り返すことにより連続発酵しながら、生産されたD−乳酸を回収した。その他の条件は、実施例1と同様である。
図4に示す膜分離型連続発酵装置200で、分離膜モジュール2A、2B、2Cを直列に配置し、分離膜モジュール2A、2B、2Cの濾過停止処理が重複しないように間欠濾過処理を行いながら、連続発酵試験を行った。その他の条件は、実施例1と同様である。
図4に示す膜分離型連続発酵装置200で、分離膜モジュール2A、2B、2Cを直列に配置し、濾過停止処理中に逆圧洗浄処理を行う間欠濾過処理を行い、分離膜モジュール2A、2B、2Cの逆圧洗浄処理が重複しないように間欠濾過処理を行いながら、連続発酵試験を行った。逆圧洗浄の流束は濾過流束の2倍に設定して、蒸留水を用いて逆圧洗浄を行った。その他の条件は、実施例1と同様である。
図1に示す膜分離型連続発酵装置100で、中空糸膜モジュール数を1本とし(分離膜モジュール2Aのみとし、2Bおよび2Cを除去する)、連続発酵試験を行った。間欠濾過処理は、濾過処理2分、濾過停止処理1分、濾過6分であり、該間欠濾過処理を繰り返すことより連続発酵しながら、生産されたD−乳酸を回収した。その他の条件は、実施例1と同様である。
図1の膜分離型連続発酵装置100の循環ポンプ8の吐出側に循環バルブ28を設け、循環ポンプ8の吐出圧力の変動幅が10%で、変動周期は2秒となるように発酵液を送液した。その他の条件は実施例2と同様とした。
実施例6は、膜分離型連続発酵装置100において、間欠濾過処理の濾過停止処理中に逆圧洗浄を行いながらD−乳酸の連続発酵を行った。間欠濾過処理は、図3に示すようなフローにより分離膜モジュール2A、2B、2Cの逆圧洗浄処理が重複しないよう制御した。間欠濾過処理は、全分離膜モジュール2を2分間濾過処理運転し、分離膜モジュール2Aのみ1分間逆圧洗浄処理する。その後、再度全分離膜モジュール2を2分間運転し、分離膜モジュール2Bのみ1分間逆圧洗浄処理する。再度全分離膜モジュール2を2分間運転し、分離膜モジュール2Cのみ1分間逆圧洗浄処理した。該間欠濾過処理を連続して繰り返すことにより連続発酵しながら、生産されたD−乳酸を回収した。逆圧洗浄の流束は濾過流束の2倍に設定して、0.005規定の水酸化カルシウム水溶液を用いて逆圧洗浄を行った。その他の条件は、実施例1と同様である。
2A、2B、2C:分離膜モジュール
3:温度制御装置
4:撹拌装置
5:pHセンサー・制御装置
6:レベルセンサー・制御装置
7A、7B、7C:差圧センサー
8:循環ポンプ
9:培地供給ポンプ
10:中和剤供給ポンプ
11A、11B、11C:濾過ポンプ
12A、12B、12C:供給ポンプ
13:気体供給装置
14:水供給ポンプ
15A、15B、15C:濾過バルブ
16A、16B、16C:洗浄液バルブ
30、30A、30B、30C:分離膜ユニット
40、40C:分離膜洗浄装置
50、50A、50B、50C:制御装置
100、200、200A、300:膜分離型連続発酵装置
Claims (12)
- 発酵槽にて発酵原料を微生物または培養細胞の発酵培養により化学品を含有する発酵液へと変換する発酵工程と、該発酵液から複数の分離膜モジュールにより濾過液として化学品を回収するとともに、非濾過液を前記発酵槽に還流する膜分離工程と、を含む連続発酵による化学品の製造方法であって、
前記膜分離工程は、直列に配置した前記複数の分離膜モジュールについて濾過処理と濾過停止処理とを交互に繰り返す間欠濾過処理を行い、該間欠濾過処理の際、各分離膜モジュールの濾過停止処理のタイミングを制御するとともに、前記複数の分離膜モジュールへの発酵液を送液する順番が変更可能であることを特徴とする連続発酵による化学品の製造方法。 - 発酵槽にて発酵原料を微生物または培養細胞の発酵培養により化学品を含有する発酵液へと変換する発酵工程と、該発酵液から複数の分離膜モジュールにより濾過液として化学品を回収するとともに、非濾過液を前記発酵槽に還流する膜分離工程と、を含む連続発酵による化学品の製造方法であって、
前記膜分離工程は、複数の並列ライン内に、直列配置した前記複数の分離膜モジュールについて濾過処理と濾過停止処理とを交互に繰り返す間欠濾過処理を行い、該間欠濾過処理の際、各分離膜モジュールの濾過停止処理のタイミング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。 - 前記分離膜モジュールの濾過停止処理は、少なくとも1本の分離膜モジュールの濾過運転の停止を他の分離膜モジュールの濾過運転中に行うよう制御することを特徴とする請求項1または2に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記分離膜モジュールの濾過停止処理は、各分離膜モジュールの濾過停止処理を重複しないよう制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記分離膜モジュールの濾過停止処理のタイミングは、前記分離膜モジュールから前記発酵槽に還流する単位時間あたりの非濾過液量の変化が小さくなるよう制御することを特徴とする請求項1または2に記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記膜分離工程は、濾過停止処理中に水を洗浄液として逆圧洗浄を行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記膜分離工程は、濾過停止処理中に酸化剤または還元剤を含む水を洗浄液として逆圧洗浄を行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記膜分離工程は、濾過停止処理中に酸またはアルカリを含む水を洗浄液として逆圧洗浄を行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記膜分離工程は、濾過停止処理中に洗浄液で浸漬洗浄を行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記分離膜モジュールの濾過停止処理のタイミングは、前記分離膜モジュールから前記発酵槽に還流する非濾過液および逆圧洗浄に使用する洗浄液の量が略均等となるよう制御することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記直列に配置した各分離膜モジュールにおける分離膜の差圧が一定になるように制御することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
- 前記膜分離工程は、分離膜の一次側に供給する発酵液の圧力を変動させて濾過処理を行うことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一つに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
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