JP6087476B1 - Biological reaction device using oxygen-enriched micro-nano bubbles and biological reaction method using this biological reaction device - Google Patents

Biological reaction device using oxygen-enriched micro-nano bubbles and biological reaction method using this biological reaction device Download PDF

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Abstract

本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法の課題は、生物反応中に微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減し、微生物等を用いた生物反応が効率的かつ経済的に行えるようにすることにある。上記課題を解決するため、本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、培養槽から抜き出した生物培養液に、マイクロナノバブル発生装置により、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブル(酸素富化MNB)を含有させ、この酸素富化MNBを含有させた生物培養液を培養槽に還流することを特徴として備えるものである。培養槽から抜き出した生物培養液に酸素富化MNBを含有させる方法としては、1)培養槽から抜き出した生物培養液を、ろ過器でろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離し、このろ過液に酸素富化MNBを含有させる方法、2)培養槽から抜き出した生物培養液に、直接、酸素富化MNBを含有させる方法のいずれかを採用することができる。The problem of the biological reaction device of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction device is to reduce the stress and damage to the microorganisms during the biological reaction, and the biological reaction using the microorganisms is efficient and economical. It is to be able to do it. In order to solve the above problems, the biological reaction device of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction device are prepared by using a micro / nano bubble generator to add air to the biological culture solution extracted from the culture tank. It is characterized by containing the formed micro-nano bubbles (oxygen-enriched MNB), and refluxing the biological culture solution containing the oxygen-enriched MNB to the culture tank. As a method for adding oxygen-enriched MNB to the biological culture liquid extracted from the culture tank, 1) The biological culture liquid extracted from the culture tank is separated into a biological culture liquid from which the filtrate and the filtrate are removed by a filter. Any one of the method of containing oxygen-enriched MNB in the filtrate and 2) the method of directly adding oxygen-enriched MNB to the biological culture solution extracted from the culture tank can be employed.

Description

本発明は、好気性または通性嫌気性微生物(以下、「微生物等」ともいう。)を培養して、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させる生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法に関し、微生物等を含有する生物培養液に、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブル(以下、「マイクロナノバブル」を「MNB」、「ナノバブル」を「NB」、「酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブル」を「酸素富化MNB」という場合がある。)を含有させることによって、生物反応を効率的に行うことを特徴とするものである。 The present invention cultivates aerobic or facultative anaerobic microorganisms (hereinafter also referred to as “microorganisms”) to produce reaction products in the microorganisms or to propagate the microorganisms and the like. Regarding a biological reaction method using a reaction apparatus, a micro-nano bubble (hereinafter referred to as “micro-nano bubble” is referred to as “MNB”, “nano-bubble” is referred to as “nano bubble” is defined as “micro-nano bubble”) in a biological culture solution containing microorganisms or the like. NB ”,“ micro / nano bubbles formed from air with increased oxygen content ”may be referred to as“ oxygen-enriched MNB ”)), and biological reaction is efficiently performed It is.

生物反応は、化学反応と異なり、反応自体は遅いが、多大なエネルギーや多くの化学物質を使用しないので、環境にとって温和で有意義な反応である。
しかし、生物反応は、一般的に反応が温和で遅いという問題があった。すなわち、化学反応には、1時間以内の反応で十分な場合が多いのに対して、生物反応の場合は、数時間から長い場合は数日または特に長い場合数週間以上の反応時間を要する場合もある。このため、生物反応を効率的、経済的に行うことが求められている。
Unlike chemical reactions, biological reactions are slow, but they do not use a lot of energy or chemicals, so they are mild and meaningful for the environment.
However, the biological reaction generally has a problem that the reaction is mild and slow. That is, for chemical reactions, a reaction within one hour is often sufficient, whereas in the case of biological reactions, a reaction time of several days or longer, several days or particularly several weeks or longer is required. There is also. For this reason, it is required to perform biological reactions efficiently and economically.

生物反応を効率化する技術として、特許文献1〜3には、微生物等の培養において、培養液中に、空気から形成されたMNBあるいはNBを存在させることにより、微生物等の活性化を促進し、生物反応の反応効率、反応時間の短縮等を図ることが開示されている。   As technologies for improving the efficiency of biological reactions, Patent Documents 1 to 3 promote the activation of microorganisms and the like by allowing MNB or NB formed from air to exist in the culture medium in the culture of microorganisms and the like. In addition, it is disclosed that the reaction efficiency of biological reactions, reduction of reaction time, and the like are attempted.

具体的には、特許文献1には、培養液を培養槽に供給する前段階で、培養液に空気のMNB及びNBを混合することが記載されており、また、特許文献2には、培養液を培養槽に供給する前段階で、空気のMNBを混合することが記載されている。また、特許文献3には、バッチ方式において、培養槽から培養液を抜き出し、菌体ろ過器でろ過してろ過液を得て、このろ過液に空気のMNBを混合して培養槽に還流することが記載されている。   Specifically, Patent Document 1 describes that air MNB and NB are mixed in the culture solution before the culture solution is supplied to the culture tank. It is described that air MNB is mixed before the liquid is supplied to the culture vessel. Further, in Patent Document 3, in a batch system, a culture solution is extracted from a culture tank, filtered through a bacterial cell filter to obtain a filtrate, and this filtrate is mixed with air MNB and refluxed to the culture tank. It is described.

しかしながら、上記特許文献1〜2に開示されるような、培養槽に供給する培養液に空気のMNB、NBを含有させる装置では、生物反応の初期段階においては培養槽中の培養液に適正量のMNBおよび/またはNBを含有させることができるものの、長期に渡る生物反応全体において、培養槽中の培養液のMNBおよび/またはNBの含有量を適正に保つことができないため、生物反応の反応効率、反応時間の短縮等が十分に達成できない。   However, in an apparatus that includes air MNB and NB in the culture solution supplied to the culture vessel as disclosed in Patent Documents 1 and 2, an appropriate amount of the culture solution in the culture vessel is appropriate in the initial stage of the biological reaction. Although the content of MNB and / or NB in the culture medium in the culture tank cannot be properly maintained over the entire long-term biological reaction, the reaction of the biological reaction Efficiency, shortening of reaction time, etc. cannot be achieved sufficiently.

また、上記特許文献3には図8に示すように、生物反応槽としての培養槽107から培養液を抜き出し、菌体ろ過器110でろ過してろ過液を得、このろ過液にマイクロナノバブル発生槽115で、マイクロナノバブル発生装置116により空気のMNBを発生・混合して培養槽に返送する装置が記載されているが、この装置では、培養槽中の培養液のMNB含有量を適正値に維持できるが、培養液を培養槽から抜き出す工程、培養液を菌体ろ過器でろ過する工程、ろ過液を除いた培養液を培養槽に還流する工程等において、微生物等がストレス・ダメージを受けるため、微生物等の活性が低下してしまうという問題がある。   Further, in Patent Document 3, as shown in FIG. 8, a culture solution is extracted from a culture tank 107 as a biological reaction tank and filtered through a cell filter 110 to obtain a filtrate, and micro-nano bubbles are generated in the filtrate. In the tank 115, an apparatus for generating and mixing air MNB by the micro / nano bubble generator 116 and returning it to the culture tank is described. In this apparatus, the MNB content of the culture solution in the culture tank is set to an appropriate value. Although it can be maintained, microorganisms and the like are subjected to stress and damage in the step of extracting the culture solution from the culture vessel, the step of filtering the culture solution with a cell strain filter, the step of returning the culture solution excluding the filtrate to the culture vessel, etc. Therefore, there exists a problem that activity of microorganisms etc. will fall.

そこで、本発明者等は、MNBを形成する気体の酸素含有率を、空気中の酸素含有率(約21%)よりも高くすることにより、
〇培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、培養槽中の生物培養液が含有するMNBの量が減少しても、MNB状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を微生物等に供給できるため、微生物等の活性が維持できる、
〇培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、生物培養液の循環に要するエネルギーを減じることができる、
〇生物培養液に含有させるMNBの量を減少することにより、MNB発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる、
という大きなメリットがあることを見出し、本発明を成したものである。
Therefore, the present inventors made the oxygen content of the gas forming MNB higher than the oxygen content in the air (about 21%),
-Even if the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank is reduced and the amount of MNB contained in the biological culture solution in the culture tank is reduced, high concentration oxygen that is easily absorbed can be supplied to microorganisms. Therefore, the activity of microorganisms etc. can be maintained,
〇 By reducing the amount of the biological culture solution withdrawn from the culture tank, stress and damage to microorganisms can be reduced and the energy required for circulation of the biological culture solution can be reduced.
〇 By reducing the amount of MNB contained in the biological culture, the energy required for driving the MNB generator can be reduced.
It has been found that there is a great merit, and the present invention has been achieved.

さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量が減少することにより伴い、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができるようになり、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減できることも見出した。   In addition, tube pumps, diaphragm pumps, screw pumps with relatively little stress and damage to microorganisms, etc. as a pump for circulating the biological culture solution outside the culture vessel as the amount of the biological culture solution drawn out from the culture vessel decreases. It has also been found that a positive displacement pump such as a rotary pump can be suitably used, and this can further reduce stress and damage to microorganisms.

特許第4805120号公報Japanese Patent No. 4805120 特許第4956052号公報Japanese Patent No. 4956552 特許第4146476号公報Japanese Patent No. 4146476

本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法の課題は、生物反応中に微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減し、微生物等を用いた生物反応が効率的かつ経済的に行えるようにすることにある。   The problem of the biological reaction device of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction device is to reduce the stress and damage to the microorganisms during the biological reaction, and the biological reaction using the microorganisms is efficient and economical. It is to be able to do it.

前記課題を解決するため、本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、微生物等を含有する生物培養液に、酸素富化MNBを含有させることを特徴とするものである。   In order to solve the above-mentioned problems, the biological reaction apparatus of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction apparatus are characterized in that oxygen-enriched MNB is contained in a biological culture solution containing microorganisms and the like. is there.

また、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることにより、前記課題の解決を一層図ることができる。   In addition, as a pump for circulating the biological culture solution outside the culture tank, by suitably using a positive displacement pump such as a tube pump, a diaphragm pump, a screw pump, a rotary pump, etc., which has relatively little stress and damage to microorganisms etc. The problem can be further solved.

本発明では、MNBを形成する気体の酸素含有率を、空気の酸素含有率(約21%)よりも高くすることにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、生物培養液が含有するMNBの量を減少させても、MNB状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を微生物等に供給でき微生物等の活性を維持できる。   In the present invention, the oxygen content of the gas forming the MNB is made higher than the oxygen content of air (about 21%), thereby reducing the amount of the biological culture solution withdrawn from the culture tank, and the biological culture solution contains Even if the amount of MNB to be reduced is decreased, a high concentration of easily absorbed oxygen in the MNB state can be supplied to the microorganism and the like, and the activity of the microorganism and the like can be maintained.

さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、生物培養液の循環に要するエネルギーを減じることができる。   Furthermore, by reducing the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank, it is possible to reduce stress and damage to microorganisms and the like, and to reduce the energy required for circulation of the biological culture solution.

さらに、培養液が含有するMNBの量を減少させることにより、MNB発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる。   Furthermore, by reducing the amount of MNB contained in the culture solution, the energy required for driving the MNB generator can be reduced.

さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量が減少することにより伴い、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができるようになり、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
このように、本発明は、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことのできる優れたものである。
In addition, tube pumps, diaphragm pumps, screw pumps with relatively little stress and damage to microorganisms, etc. as a pump for circulating the biological culture solution outside the culture vessel as the amount of the biological culture solution drawn out from the culture vessel decreases. Further, a positive displacement pump such as a rotary pump can be suitably used, and this can further reduce stress and damage to microorganisms.
As described above, the present invention is excellent in that a biological reaction using microorganisms or the like can be performed efficiently and economically.

本発明の生物反応装置の第1の実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 1st Embodiment of the biological reaction apparatus of this invention. 第1実施形態において用いられる、水流方式のマイクロナノバブル発生装置の概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline | summary of the micro-nano bubble generator of a water flow system used in 1st Embodiment. 第1実施形態において用いられる、酸素富化手段の概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline | summary of the oxygen enrichment means used in 1st Embodiment. 本発明の生物反応装置の第2の実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 2nd Embodiment of the biological reaction apparatus of this invention. 本発明の生物反応装置の第3の実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 3rd Embodiment of the biological reaction apparatus of this invention. 本発明の生物反応装置の第4の実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 4th Embodiment of the biological reaction apparatus of this invention. 本明細書の実施例・比較例で用いた生物反応装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the biological reaction apparatus used by the Example and comparative example of this specification. 従来例である、特許文献3(特許第4146476号公報)の図1である。It is FIG. 1 of patent document 3 (patent 4146476 gazette) which is a prior art example.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面も参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto.

まず、本発明の生物反応装置及び生物反応方法の一般的な事項について説明する。
本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、醸造、発酵等による食品、薬品、化学品等の製造、バイオマスを利用したバイオエタノールの製造等の微生物等による反応生成物の製造のみならず、微生物等の増殖にも適用できる有用なものである。
First, general items of the biological reaction apparatus and biological reaction method of the present invention will be described.
The bioreactor of the present invention and the bioreaction method using the bioreactor include reaction products produced by microorganisms such as brewing, fermentation, etc., for producing foods, chemicals, chemicals, etc., bioethanol production using biomass, etc. It is useful not only for the production of but also for the growth of microorganisms and the like.

本発明の生物反応は、培養槽に収容した微生物等を含有する培養液中において、培養液を栄養源として、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させるものである。   In the biological reaction of the present invention, in a culture solution containing microorganisms or the like housed in a culture tank, reaction products are produced by microorganisms or the like, and the microorganisms are grown using the culture solution as a nutrient source.

本発明における培養液としては、糖類、窒素源が含有されたものを用いる。糖類としては、通常、マルトース、スクロース、グルコース、フルクトース、これらの混合物等の糖類が用いられ、培養液における糖類の濃度は、特に限定されないものの、0.1〜10w/v%に設定するのが好ましい。また、窒素源としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウムまたはコーンスティープリカー、酵母エキス、肉エキス、ペプトン等が用いられ、0.1〜10w/v%に設定するのが好ましい。さらに、培養液には糖類、窒素源以外にも、必要に応じて、ビタミン、無機塩類等を添加することが好ましい。   As the culture solution in the present invention, a culture solution containing a saccharide and a nitrogen source is used. As saccharides, saccharides such as maltose, sucrose, glucose, fructose, and mixtures thereof are usually used, and the concentration of saccharides in the culture solution is not particularly limited, but is set to 0.1 to 10 w / v%. preferable. As the nitrogen source, ammonium chloride, ammonium sulfate, corn steep liquor, yeast extract, meat extract, peptone, or the like is used, and it is preferably set to 0.1 to 10 w / v%. Furthermore, it is preferable to add vitamins, inorganic salts, and the like to the culture solution as needed in addition to the saccharides and the nitrogen source.

本発明における微生物としては、醸造、発酵等の技術分野で従来用いられている、アスペルギルス菌等の麹菌、納豆菌、酢酸菌、酵母菌、乳酸菌等の好気性および通性嫌気性の微生物のほか、遺伝子組み換え技術で創り出される各種好気性および通性嫌気性の微生物を用いることができる。また、細胞としては、例えば、抗体医薬として使用される生理活性ペプチドまたは蛋白質を製造するための動物細胞、とりわけ遺伝子組換え動物細胞等が挙げられる。   Examples of the microorganism in the present invention include aerobic and facultative anaerobic microorganisms such as koji molds such as Aspergillus, Bacillus natto, acetic acid bacteria, yeasts, and lactic acid bacteria conventionally used in technical fields such as brewing and fermentation. Various aerobic and facultative anaerobic microorganisms created by gene recombination technology can be used. Examples of the cells include animal cells for producing physiologically active peptides or proteins used as antibody drugs, particularly genetically modified animal cells.

微生物等の培養液への添加濃度は、特に限定されないものの、0.5〜10g/Lとするのが好ましく、3.0〜6.0g/Lにするのがより好ましい。 Although the addition concentration to the culture solution of microorganisms etc. is not specifically limited, It is preferable to set it as 0.5-10 g / L, and it is more preferable to set it as 3.0-6.0 g / L.

つぎに、本発明の生物反応装置及び生物反応方法の特徴について説明する。
本発明の第1の特徴点は、前述のように、培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素富化MNBを含有させ、この酸素富化MNBを含有させた生物培養液を前記培養槽に還流することにある。
Next, features of the biological reaction apparatus and biological reaction method of the present invention will be described.
As described above, the first feature of the present invention is that the biological culture liquid extracted from the culture tank contains oxygen-enriched MNB, and the biological culture liquid containing the oxygen-enriched MNB is added to the culture tank. To reflux.

このように、MNBを形成する気体の酸素含有率を空気の酸素含有率(約21%)よりも高くすることにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、生物培養液が含有するMNBの量を減少させても、MNB状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を、培養槽中の微生物等に供給でき微生物等の活性を維持できる。   Thus, by making the oxygen content rate of the gas forming MNB higher than the oxygen content rate of air (about 21%), the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank is reduced, and the biological culture solution contains Even if the amount of MNB is decreased, high-concentration oxygen that is easily absorbed in the MNB state can be supplied to the microorganisms in the culture tank, and the activity of the microorganisms can be maintained.

さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、生物培養液の循環に要するエネルギーを減じることができる。   Furthermore, by reducing the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank, it is possible to reduce stress and damage to microorganisms and the like, and to reduce the energy required for circulation of the biological culture solution.

さらに、培養液が含有するMNBの量を減少させることにより、MNB発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる。   Furthermore, by reducing the amount of MNB contained in the culture solution, the energy required for driving the MNB generator can be reduced.

本発明における、MNBを形成する気体の酸素含有率を空気の酸素含有率(約21%)よりも高く設定すると共に、培養槽から抜き出す生物培養液の量を低く設定するとの事項について、更に説明する。   In the present invention, the matter of setting the oxygen content of the gas forming MNB higher than the oxygen content of air (about 21%) and setting the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank to be lower will be further described. To do.

培養槽から抜き出した生物培養液にMNBを含有させるMNB発生装置としては、図2にその概要を示し後で説明するような、多量のMNBを経済的に発生できる、水流を用いて駆動する方式(水流方式)のものが通常用いられるので、まず、このような水流方式のMNB発生装置を用いるケースについて説明する。   As an MNB generating apparatus for adding MNB to a biological culture liquid extracted from a culture tank, a system driven by a water stream, which can generate a large amount of MNB economically, as outlined in FIG. Since the (water flow system) type is usually used, first, a case of using such a water flow type MNB generator will be described.

水流方式のMNB発生装置では、培養槽から抜き出した生物培養液が圧をかけて供給され、管路の径を絞って流速を上げる等して乱流を発生させ、ここに空気等の気体を供給する等して水流によりMNBを発生させる。以下、1分間に培養槽から抜き出す生物培養液の量を「液循環量」(mL/分)という場合があり、また、培養槽に収容された生物培養液の量(mL)に対する、液循環量の割合を「液循環割合」(%)という場合がある。   In the water flow type MNB generator, the biological culture liquid extracted from the culture tank is supplied under pressure, and the turbulent flow is generated by reducing the diameter of the pipe and increasing the flow velocity. MNB is generated by the water flow by supplying the water. Hereinafter, the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank in one minute may be referred to as “liquid circulation amount” (mL / min), and the liquid circulation with respect to the amount of biological culture solution (mL) accommodated in the culture tank. The ratio of the amount may be referred to as “liquid circulation ratio” (%).

液循環割合を低下させることにより、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減することができるが、一方、液循環割合の低下に伴い、水流方式のMNB発生装置では、MNBを発生させる駆動源である水流が弱まるため、MNBの発生量が減少し、生物培養液の溶存酸素濃度(以下、「溶存酸素濃度」ともいう。)が低下してしまう。また、液体中に含有できるMNBの量にはおのずと限界があるため、このことからも液循環量の低下に伴い、培養槽から抜き出された生物培養液に毎時あたり供給できるMNBの量が減少し、溶存酸素濃度が低下してしまう。このように、単に、液循環割合を低下させることのみによっては、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うには限界があるが、MNBの酸素含有率を高めることによってこの問題を解決することができる。   By reducing the liquid circulation rate, it is possible to reduce the stress and damage received by microorganisms and the like due to the liquid circulation. On the other hand, with the decrease in the liquid circulation rate, the water flow type MNB generator is driven to generate MNB. Since the source water flow is weakened, the amount of MNB generated decreases, and the dissolved oxygen concentration (hereinafter, also referred to as “dissolved oxygen concentration”) of the biological culture solution decreases. In addition, since the amount of MNB that can be contained in the liquid is naturally limited, the amount of MNB that can be supplied per hour to the biological culture solution extracted from the culture tank is reduced due to a decrease in the amount of liquid circulation. Then, the dissolved oxygen concentration decreases. As described above, there is a limit to efficiently and economically performing a biological reaction using microorganisms or the like only by reducing the liquid circulation rate, but this problem can be solved by increasing the oxygen content of MNB. Can be solved.

本発明においては、水流方式のMNB発生装置を用いて生物反応を効率的かつ経済的に行うために、液循環割合を低く設定することにより、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、MNBの酸素含有率を高く設定することにより担保することができる。   In the present invention, in order to perform a biological reaction efficiently and economically using a water flow type MNB generator, the liquid circulation rate is set low, thereby reducing the stress and damage to microorganisms and the like due to the liquid circulation. And the fall of the dissolved oxygen concentration accompanying this can be ensured by setting the oxygen content rate of MNB high.

液循環割合の上限値としては、48%未満が好ましく、40%以下がより好ましく、30%以下がさらに好ましく、20%以下が最も好ましい。液循環割合を48%以上と大きくしすぎると、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージが大きくなってしまう。また、液循環割合の下限値としては、1%以上が好ましく、10%以上がより好ましい。液循環割合を1%未満と小さくしすぎると、MNBの発生量が減少し、MNBの酸素含有率を高く設定しても溶存酸素濃度の低下を担保するのが困難となる。   The upper limit of the liquid circulation ratio is preferably less than 48%, more preferably 40% or less, further preferably 30% or less, and most preferably 20% or less. If the liquid circulation ratio is too large, such as 48% or more, the stress and damage to microorganisms and the like due to the liquid circulation will increase. Moreover, as a lower limit of a liquid circulation ratio, 1% or more is preferable and 10% or more is more preferable. If the liquid circulation ratio is too small, less than 1%, the amount of MNB generated decreases, and it becomes difficult to ensure a decrease in dissolved oxygen concentration even if the oxygen content of MNB is set high.

また、本発明においては、水流方式以外のMNB発生装置を用いる場合においても、MNB発生装置によるMNBの発生量を減少させて微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、MNBの酸素含有率を高く設定することにより担保することができる。   In the present invention, even when an MNB generator other than the water flow method is used, the amount of MNB generated by the MNB generator is reduced to reduce the stress and damage received by microorganisms, and the dissolved oxygen concentration associated therewith Can be ensured by setting the oxygen content of MNB high.

また、本発明の第2の特徴点は、前述のように、酸素富化MNBを用いることにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少できることに伴い、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることにある。   The second feature of the present invention is that, as described above, by using oxygen-enriched MNB, the amount of the biological culture solution extracted from the culture vessel can be reduced, and the biological culture solution is circulated outside the culture vessel. As a pump to be used, a positive displacement pump such as a tube pump, a diaphragm pump, a screw pump, a rotary pump, or the like, which has relatively little stress and damage to microorganisms or the like is preferably used.

このような、容積式ポンプを使用することによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。   The use of such a positive displacement pump can further reduce stress and damage to microorganisms.

本発明の「マイクロナノバブル」とは、「マイクロバブル」および/または「ナノバブル」を意味する。「通常の気泡」は水中を急速に上昇して表面で破裂して消えるのに対し、「マイクロバブル」といわれる直径50μm以下の微小気泡は、水中で縮小していって消滅し、この際に、フリーラジカルと共に、直径100nm以下の極微小気泡である「ナノバブル」を発生し、この「ナノバブル」はある程度の長時間水中に残存する。   The “micro-nano bubbles” of the present invention means “micro bubbles” and / or “nano bubbles”. While “normal bubbles” rapidly rise in water and burst and disappear on the surface, microbubbles with a diameter of 50 μm or less called “microbubbles” shrink in water and disappear. Together with free radicals, “nanobubbles”, which are ultrafine bubbles having a diameter of 100 nm or less, are generated, and these “nanobubbles” remain in water for a certain amount of time.

本発明においては、個数平均直径が100μm以下の気泡を「マイクロバブル」といい、個数平均直径が1μm以下の気泡を「ナノバブル」という。マイクロバブルの気泡径を測定する方法としては、画像解析法、レーザー回折散乱法、電気的検知帯法、共振式質量測定法、光ファイバープローブ法等が一般に用いられ、ナノバブルの気泡径を測定する方法としては、動的光散乱法、ブラウン運動トラッキング法、電気的検知帯法、共振式質量測定法等が一般に用いられている。   In the present invention, bubbles having a number average diameter of 100 μm or less are referred to as “micro bubbles”, and bubbles having a number average diameter of 1 μm or less are referred to as “nano bubbles”. As a method for measuring the bubble size of microbubbles, image analysis method, laser diffraction scattering method, electrical detection band method, resonance mass measurement method, optical fiber probe method, etc. are generally used, and the method of measuring the bubble size of nanobubbles In general, a dynamic light scattering method, a Brownian motion tracking method, an electrical detection band method, a resonance mass measurement method, and the like are generally used.

極微小気泡である「ナノバブル」は、「ウルトラファインバブル」とも呼ばれる。なお、現在、ISO(国際標準化機構)において、ファインバブル技術に関する国際標準の作成が検討されており、国際標準が作成されれば、現在一般的に用いられている「ナノバブル」との呼称が、「ウルトラファインバブル」に統一される可能性もある。   “Nano bubbles”, which are extremely fine bubbles, are also called “ultra fine bubbles”. Currently, in the ISO (International Organization for Standardization), the creation of an international standard for fine bubble technology is being considered, and once the international standard is created, the name of “nanobubble”, which is currently commonly used, There is a possibility that it will be unified into “Ultra Fine Bubble”.

マイクロナノバブル発生装置としては、公知あるいは市販されている装置を用いることができ、例えば、ある程度の高圧で十分な量の気体を水中に溶解させた後、その圧力を解放してやることで溶解した気体の過飽和条件を作り出す「加圧溶解型マイクロバブル発生装置」や、水流を起こして液体と気体からなる混合流体をループ状の流れとして撹拌混合し、水流によって発生した乱流により気泡が細分化する現象を利用した「ループ流式バブル発生ノズル」等を用いることができる。   As the micro / nano bubble generating device, a known or commercially available device can be used. For example, after a sufficient amount of gas is dissolved in water at a certain high pressure, the dissolved gas is released by releasing the pressure. "Pressurized dissolution type microbubble generator" that creates supersaturation conditions, and the phenomenon that bubbles are subdivided by turbulent flow generated by water flow by stirring and mixing a mixed fluid consisting of liquid and gas as a water flow. A “loop flow type bubble generating nozzle” using the above can be used.

また、ナノバブル発生装置としては、例えば、特開2007−312690号公報、特開2006−289183号公報、特開2005−245817号公報、特開2007−136255号公報、特開2009−39600号公報に記載されたもの等を用いることができる。   Examples of nanobubble generators include, for example, JP 2007-31690 A, JP 2006-289183 A, JP 2005-245817 A, JP 2007-136255 A, and JP 2009-39600 A. Those described can be used.

マイクロナノバブル発生装置として、水流方式のものを用いると、多量のMNBを経済的に発生させることができるので好ましい。
酸素含有率を高めた空気を得るためには、吸着剤を用いたPSA法、VSA法等、水の電気分解法、深冷分離法、膜分離法、化学吸着法等の公知の酸素富化手段を用いることができるが、経済的観点からは、酸素富化膜を用いるのが好ましい。
It is preferable to use a water flow type device as the micro / nano bubble generation device because a large amount of MNB can be generated economically.
In order to obtain air with an increased oxygen content, known oxygen enrichments such as PSA method using adsorbent, VSA method, water electrolysis method, cryogenic separation method, membrane separation method, chemical adsorption method, etc. Although means can be used, it is preferable to use an oxygen-enriched film from an economical viewpoint.

酸素富化MNBの酸素含有率の上限値としては、60%未満が好ましく、55%以下がより好ましく、50%以下がさらに好ましく、45%以下が最も好ましい。酸素富化MNBの酸素濃度を60%以上と大きくしすぎると、酸素の酸化作用により微生物等が受けるストレス・ダメージが大きくなってしまう。また、酸素富化MNBの酸素濃度の下限値としては、23%以上が好ましく、25%以上がより好ましく、27%以上がさらに好ましく、30%以上が最も好ましい。酸素富化MNBの酸素濃度を23%未満と小さくしすぎると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。   The upper limit of the oxygen content of the oxygen-enriched MNB is preferably less than 60%, more preferably 55% or less, still more preferably 50% or less, and most preferably 45% or less. If the oxygen concentration of the oxygen-enriched MNB is excessively increased to 60% or more, the stress and damage to microorganisms and the like due to the oxidizing action of oxygen will increase. Further, the lower limit value of the oxygen concentration of the oxygen-enriched MNB is preferably 23% or more, more preferably 25% or more, further preferably 27% or more, and most preferably 30% or more. If the oxygen concentration of the oxygen-enriched MNB is too small, such as less than 23%, the dissolved oxygen concentration decreases, making it difficult to increase the activity of microorganisms such as microorganisms.

本発明の第1の特徴点は、前述のように、培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素富化MNBを含有させ、この酸素富化MNBを含有させた生物培養液を前記培養槽に還流することにあるが、培養槽から抜き出した生物培養液に酸素富化MNBを含有させる方法として、次の2つの方法を採用することができる。
1)培養槽から抜き出した生物培養液を、ろ過器でろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離し、このろ過液に酸素富化MNBを含有させる方法。
2)ろ過器を使用せず、培養槽から抜き出した生物培養液に、直接、酸素富化MNBを含有させる方法。
As described above, the first feature of the present invention is that the biological culture liquid extracted from the culture tank contains oxygen-enriched MNB, and the biological culture liquid containing the oxygen-enriched MNB is added to the culture tank. The following two methods can be adopted as a method of adding oxygen-enriched MNB to the biological culture solution extracted from the culture tank.
1) A method in which a biological culture liquid extracted from a culture tank is separated into a biological culture liquid from which the filtrate and the filtrate are removed by a filter, and this filtrate contains oxygen-enriched MNB.
2) A method in which oxygen-enriched MNB is directly contained in a biological culture solution extracted from a culture tank without using a filter.

上記1)の方法は、微生物等を実質的に含有しないろ過液に対して酸素富化MNBを吹き込むため、微生物等は、酸素富化MNBの吹き込み工程においてはストレス・ダメージを受けることはないが、ろ過工程においてストレス・ダメージを受ける場合がある。また、ろ過工程で分離されるろ過液は量が少ない(ろ過液の量は、通常、培養槽から抜き出した生物培養液の量の1/10〜1/100程度)ことから、培養槽中の生物培養液に十分な量の酸素富化MNBを供給するためには、培養槽から抜き出した生物培養液の量を増やす、酸素富化MNBの吹き込み量を増やすことが必要となる場合があり、装置の運転費用が高くなり、微生物等が受けるストレス・ダメージも増加する可能性がある。   In the above method 1), oxygen-enriched MNB is blown into the filtrate that does not substantially contain microorganisms. Therefore, the microorganisms are not subjected to stress or damage in the step of blowing oxygen-enriched MNB. In some cases, stress and damage may occur during the filtration process. Further, since the amount of the filtrate separated in the filtration step is small (the amount of the filtrate is usually about 1/10 to 1/100 of the amount of the biological culture liquid extracted from the culture tank), In order to supply a sufficient amount of oxygen-enriched MNB to the biological culture solution, it may be necessary to increase the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank, or to increase the amount of oxygen-enriched MNB blown in, There is a possibility that the operating cost of the apparatus becomes high and the stress and damage to which microorganisms are subjected are also increased.

上記2)の方法は、微生物等を含有する、培養槽から抜き出した生物培養液に対して酸素富化MNBを吹き込むため、微生物等は、酸素富化MNBの吹き込み工程においてはストレス・ダメージを受ける場合があるが、上記1)の方法のように、ろ過工程においてストレス・ダメージが軽減される場合がある。また、上記1)の方法において、酸素富化MNBの吹き込み量を増やす必要が生じた場合においても、上記2)の方法であれば、培養槽から抜き出した生物培養液に直接、酸素富化MNBを含有されることから、生物培養液の量を増やす必要はなく、装置の運転費用が高くなったり、微生物等が受けるストレス・ダメージが増加することもない。   In the method 2), oxygen-enriched MNB is blown into the biological culture solution extracted from the culture tank containing microorganisms, so that the microorganisms are stress-damaged in the step of blowing oxygen-enriched MNB. In some cases, as in the above method 1), stress damage may be reduced in the filtration step. Further, in the above method 1), even when it is necessary to increase the amount of oxygen-enriched MNB, if the above method 2) is used, the oxygen-enriched MNB is directly added to the biological culture solution extracted from the culture tank. Therefore, it is not necessary to increase the amount of the biological culture solution, and the operating cost of the apparatus is not increased, and the stress and damage to the microorganisms are not increased.

上記1)の方法を採用した生物反応装置については、図1に示す本発明の第1実施形態に基づいて説明し、上記2)の方法を採用した生物反応装置については、図4に示す本発明の第2実施形態に基づいて説明する。   The biological reaction apparatus employing the method 1) will be described based on the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, and the biological reaction apparatus employing the method 2) will be illustrated in FIG. A description will be given based on the second embodiment of the invention.

○第1実施形態(図1)
まず、図1を参照しながら、本発明の第1実施形態について説明する。
第1実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、次のようにして、生物培養液に酸素富化MNBを含有させる。
a)培養槽2に培養液1を供給する。
b)バルブ12を閉、バルブ13及びバルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動して、培養液、微生物等を含有する生物培養液3を培養槽2から抜き出し、ろ過器4に供給する。
c)ろ過器4で分離された、ろ過液を除いた生物培養液B(すなわち、微生物等が濃縮された生物培養液)を、培養槽2に戻す。
d)ろ過器4で分離されたろ過液Aを、マイクロナノバブル発生槽6に貯留し、マイクロナノバブル発生装置7aにより、酸素富化MNBを含有させる。
g)返送ポンプ9を駆動して、酸素富化MNBを含有させたろ過液Dを、培養槽2に戻す。
h)このようにして、培養槽撹拌機11で培養槽2内の生物培養液3を撹拌しながら、生物反応を進める。
i)生物反応が十分に進行した時期で、バルブ13を閉、バルブ12及びバルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動し、培養槽2で生成された反応生成物をろ過液Aと共に回収し、ろ過液貯槽5に貯える。
○ First embodiment (FIG. 1)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The first embodiment is a biological reaction apparatus for causing a microorganism or the like to generate a reaction product, and includes oxygen-enriched MNB in a biological culture solution as follows.
a) The culture solution 1 is supplied to the culture tank 2.
b) The valve 12 is closed, the valve 13 and the valve 14 are opened, the culture tank pump 8 is driven, and the biological culture solution 3 containing the culture solution, microorganisms and the like is extracted from the culture vessel 2 and supplied to the filter 4.
c) The biological culture solution B (that is, the biological culture solution in which microorganisms and the like are concentrated) separated by the filter 4 and excluding the filtrate is returned to the culture tank 2.
d) The filtrate A separated by the filter 4 is stored in the micro / nano bubble generating tank 6, and oxygen enriched MNB is contained by the micro / nano bubble generating device 7a.
g) The return pump 9 is driven to return the filtrate D containing oxygen-enriched MNB to the culture tank 2.
h) In this way, the biological reaction is advanced while stirring the biological culture solution 3 in the culture tank 2 with the culture tank agitator 11.
i) When the biological reaction has sufficiently progressed, the valve 13 is closed, the valve 12 and the valve 14 are opened, the culture tank pump 8 is driven, and the reaction product generated in the culture tank 2 is collected together with the filtrate A. Store in the filtrate storage tank 5.

ろ過器4は、ろ過膜と該ろ過膜を収容する容器とからなる。ろ過膜は、有機膜、無機膜を問わない。ろ過膜の形状は、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るが、中でも、中空糸膜モジュールが好ましく、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。   The filter 4 includes a filtration membrane and a container that accommodates the filtration membrane. The filtration membrane may be an organic membrane or an inorganic membrane. The shape of the filtration membrane may be any shape such as a flat membrane, a hollow fiber membrane, and a spiral type. Among these, a hollow fiber membrane module is preferable. Any of the pressure type shapes can be employed.

ろ過方式としては、中空糸膜モジュールを用いたクロスフローろ過が好ましい。このろ過方式は、反応生成物、微生物等を含有する培養液を中空糸膜の内部に供給しつつろ過して、その外部からろ過液を取り出すものであり、中空糸膜の内部に堆積する微生物等の膜汚れが前記培養液の平行流による剪断力によって掻き取られるので、安定したろ過状態を長期にわたって維持することができる。   As the filtration method, cross flow filtration using a hollow fiber membrane module is preferable. In this filtration method, a culture solution containing reaction products, microorganisms, and the like is filtered while being supplied to the inside of the hollow fiber membrane, and the filtrate is taken out from the outside. Microorganisms deposited inside the hollow fiber membrane And so on, so that a stable filtration state can be maintained over a long period of time.

中空糸膜モジュールを用いたクロスフローろ過を行う場合には、膜汚れを掻き取るためには、ろ過の対象となる液体をある程度以上の流速で中空糸膜内に流す必要がある。しかしながら、本発明では、ろ過の対象となる、微生物等を含有する生物培養液が酸素富化MNBを含んでいるため、通常より低い流速で流しても、膜汚れを掻き取ることができ、微生物等に与えるストレスやダメージを大幅に軽減することができる。   When performing cross-flow filtration using a hollow fiber membrane module, it is necessary to flow the liquid to be filtered into the hollow fiber membrane at a flow rate of a certain level or more in order to scrape membrane dirt. However, in the present invention, since the biological culture solution containing microorganisms and the like to be filtered contains oxygen-enriched MNB, even if it is flowed at a lower flow rate than usual, it is possible to scrape membrane dirt, Can significantly reduce the stress and damage to them.

具体的には、一般的なクロスフローろ過においては、 循環流速が、有機膜を用いた場合には1〜2m/s程度、セラミック膜を用いた場合には1〜3m/s程度で定常運転されるが、生物培養液に酸素富化MNBを含有させることにより、膜汚れを少なく、ろ過抵抗を小さく維持できるため、同じフラックス(単位時間・単位膜面積あたりの膜ろ過水量)を得るために必要な循環流速を0.2〜1.5m/s程度まで低減することができる。また、同じ循環流速で運転する場合、フラックスを1.2〜2.0倍程度増加することができる。   Specifically, in general cross-flow filtration, steady operation is performed at a circulation flow rate of about 1 to 2 m / s when using an organic membrane and about 1 to 3 m / s when using a ceramic membrane. However, by adding oxygen-enriched MNB to the biological culture solution, it is possible to maintain low filtration resistance by reducing membrane contamination, so that the same flux (the amount of membrane filtered water per unit time / unit membrane area) can be obtained. The necessary circulation flow rate can be reduced to about 0.2 to 1.5 m / s. In addition, when operating at the same circulation flow rate, the flux can be increased by about 1.2 to 2.0 times.

ろ過膜としては、分離性能及び透水性能、さらには耐汚れ性の観点から、有機高分子化合物を好適に使用することができる。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。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、化学的強度(特に耐薬品性)と物理的強度を併せ有する特徴をもつためより好ましく用いられる。   As the filtration membrane, an organic polymer compound can be preferably used from the viewpoints of separation performance and water permeation performance, and stain resistance. Examples include polyethylene resins, polypropylene resins, polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polyethersulfone resins, polyacrylonitrile resins, cellulose resins, and cellulose triacetate resins. A mixture of these resins as the main component may be used. Polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polyethersulfone resins and polyacrylonitrile resins, which are easy to form in solution and have excellent physical durability and chemical resistance, are preferred. A vinylidene chloride resin or a resin containing the vinylidene fluoride resin as a main component is more preferably used because it has a characteristic of having both chemical strength (particularly chemical resistance) and physical strength.

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。   Here, as the polyvinylidene fluoride resin, a homopolymer of vinylidene fluoride is preferably used. Furthermore, the polyvinylidene fluoride resin may be a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride. Examples of vinyl monomers copolymerizable with vinylidene fluoride include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and ethylene trichloride fluoride.

ろ過膜の平均細孔径は、使用する目的や状況に応じて適宜決定することができるが、ある程度小さい方が好ましく、通常は0.01μm以上1μm以下であることが好ましい。中空糸膜の平均細孔径が0.01μm未満であると、微生物等、糖や蛋白質などの成分やその凝集体などの膜汚れ成分が細孔を閉塞して、安定運転ができなくなる。透水性能とのバランスを考慮した場合、好ましくは0.02μm以上であり、さらに好ましくは0.03μm以上である。また、1μmを超える場合、膜表面の平滑性と膜面の流れによる剪断力や、逆洗やエアースクラビングなどの物理洗浄による細孔からの汚れの成分の剥離が不十分となり、安定運転ができなくなる。   The average pore diameter of the filtration membrane can be appropriately determined according to the purpose and situation of use, but it is preferable that it is small to some extent, and it is usually preferably 0.01 μm or more and 1 μm or less. When the average pore diameter of the hollow fiber membrane is less than 0.01 μm, components such as microorganisms, such as sugars and proteins, and membrane dirt components such as aggregates thereof block the pores, and stable operation cannot be performed. In consideration of the balance with water permeability, it is preferably 0.02 μm or more, and more preferably 0.03 μm or more. In addition, when it exceeds 1 μm, the film surface smoothness and the shearing force due to the flow of the film surface, and the peeling of dirt components from the pores by physical cleaning such as backwashing and air scrubbing are insufficient, and stable operation is possible. Disappear.

また、平均細孔径が微生物等の大きさに近づくと、これらが直接細孔を塞いでしまう場合がある。さらに発酵液中の微生物または培養細胞の一部が死滅することにより細胞の破砕物が生成する場合があり、これらの破砕物によって細孔の閉塞を回避するために、平均細孔径は0.4μm以下が好ましく、0.2μm以下が好適である。   Moreover, when an average pore diameter approaches the magnitude | size of microorganisms etc., these may block | close a pore directly. In addition, there may be cases where broken cells of microorganisms or cultured cells in the fermented liquid are killed to produce cell crushed materials. In order to avoid pore clogging by these crushed materials, the average pore diameter is 0.4 μm. The following is preferable, and 0.2 μm or less is preferable.

ここで、ろ過膜の平均細孔径は、倍率10,000倍以上の走査型電子顕微鏡観察で観察される複数の細孔の直径を測定し、平均することにより求めることができる。10個以上、好ましくは20個以上の細孔を無作為に選び、それら細孔の直径を測定し、数平均して求めることが好ましい。細孔が円状でない場合などは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、すなわち等価円を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求めることも好ましく採用できる。   Here, the average pore diameter of the filtration membrane can be determined by measuring and averaging the diameters of a plurality of pores observed by scanning electron microscope observation at a magnification of 10,000 times or more. Preferably, 10 or more, preferably 20 or more pores are randomly selected, the diameters of these pores are measured, and the number average is obtained. When the pores are not circular, it is also preferable to use an image processing device or the like to obtain a circle having an area equal to the area of the pores, that is, an equivalent circle, and obtain the equivalent circle diameter as the pore diameter. it can.

図1に示すように、第1実施形態では、MNB発生装置7aに、MNBを含有させる対象の液体であるろ過液Aを、MNB発生槽6から液供給ポンプ10を駆動して抜き出しMNB発生装置7aに供給すると共に、酸素富化手段により得られた、空気濃度を高めた空気CをMNB発生装置7aに供給する。   As shown in FIG. 1, in 1st Embodiment, the filtrate A which is the liquid made to contain MNB in the MNB generator 7a is driven out of the MNB generation tank 6 by driving the liquid supply pump 10, and the MNB generator In addition to being supplied to 7a, air C having an increased air concentration obtained by the oxygen enrichment means is supplied to the MNB generator 7a.

第1実施形態で用いるMNB発生装置7aとしては、図2にその概要を示すように、多量のMNBを経済的に発生できる、水流を用いて駆動する方式(水流方式)のものを用いる。このMNB発生装置7aでは、圧をかけた状態でノズルの入口部21からろ過液Aを供給し、管路の径を絞って流速を上げながら、のど部22で乱流を発生させる。この状態で、酸素含有率を高めた空気Cを気体入口24から供給し、吸引部23においてろ過液Aと混合され、水流によりMNBとなり、出口部25から、酸素含有率を高めた空気のMNBを含有するろ過液Dが排出され、マクロナノバブル発生槽6に供給される。   As the MNB generating apparatus 7a used in the first embodiment, as shown in FIG. 2, an apparatus that can generate a large amount of MNB economically and that is driven using a water stream (water stream system) is used. In the MNB generator 7a, the filtrate A is supplied from the inlet 21 of the nozzle in a state where pressure is applied, and turbulence is generated in the throat 22 while reducing the diameter of the pipe and increasing the flow velocity. In this state, air C having an increased oxygen content is supplied from the gas inlet 24, mixed with the filtrate A in the suction part 23, becomes MNB by the water flow, and MNB of the air having an increased oxygen content is supplied from the outlet 25. The filtrate D containing is discharged and supplied to the macro / nano bubble generating tank 6.

MNB発生装置7aに供給する、ろ過液A及び酸素含有率を高めた空気Cの流速を調整することにより、MNBの量及び大きさを調整することができる。   By adjusting the flow rate of the filtrate A and the air C with an increased oxygen content supplied to the MNB generator 7a, the amount and size of the MNB can be adjusted.

第1実施形態では、MNB発生装置7aに供給する、酸素含有率を高めた空気Cを得るために、図3にその概要を示すような、酸素富化膜を用いた酸素富化手段を使用する。   In the first embodiment, in order to obtain air C having an increased oxygen content supplied to the MNB generator 7a, oxygen enrichment means using an oxygen enriched film as shown in FIG. 3 is used. To do.

この酸素富化膜を用いた酸素富化手段では、基本的には、酸素富化膜30を配した容器31が、両端に、空気導入部33と酸素含有率の低い空気Fを排出する導出部34を有しており、吸気ファン32により加圧された空気を空気導入部33から酸素富化膜30に通気し、酸素含有率を高めた空気Cを導出部35から排出し、また、酸素含有率の低い空気Fを導出部34から排出するものである。   In the oxygen-enriching means using this oxygen-enriched film, basically, the container 31 provided with the oxygen-enriched film 30 discharges the air introduction part 33 and the air F having a low oxygen content at both ends. Part 34, the air pressurized by the intake fan 32 is vented from the air introduction part 33 to the oxygen-enriched film 30, and the air C with an increased oxygen content is discharged from the outlet part 35, Air F having a low oxygen content is discharged from the outlet 34.

第1実施形態では、MNBを形成する気体の酸素含有率を、空気の酸素含有率(約21%)よりも高くすることにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、生物培養液が含有するMNBの量を減少させても、MNB状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を微生物等に供給し微生物等の活性を維持できる。さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、生物培養液の循環に要するエネルギーを減じることができる。   In the first embodiment, by increasing the oxygen content of the gas forming the MNB higher than the oxygen content of air (about 21%), the amount of the biological culture liquid extracted from the culture tank is reduced, and the biological culture liquid Even if the amount of MNB contained in is reduced, the activity of the microorganisms and the like can be maintained by supplying the microorganisms with a high concentration of oxygen that is easily absorbed in the MNB state. Furthermore, by reducing the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank, it is possible to reduce stress and damage to microorganisms and the like, and to reduce the energy required for circulation of the biological culture solution.

また、第1実施形態では、培養槽ポンプ8、返送ポンプ9として、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができ、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
さらに、培養液が含有するMNBの量を減少させることにより、MNB発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる。
Moreover, in 1st Embodiment, positive displacement pumps, such as a tube pump, a diaphragm pump, a screw pump, and a rotary pump with comparatively little stress and damage given to microorganisms etc., are suitably used as the culture tank pump 8 and the return pump 9. This also makes it possible to further reduce the stress and damage to microorganisms.
Furthermore, by reducing the amount of MNB contained in the culture solution, the energy required for driving the MNB generator can be reduced.

○第2実施形態(図4)
つぎに、図4を参照しながら、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、次のようにして、生物培養液に酸素富化MNBを含有させる。
a)培養槽2に培養液1を供給する。
b)バルブ15を閉、バルブ16を開として培養槽ポンプ8を駆動して、微生物等を含有する生物培養液3を培養槽2から抜き出し、マイクロナノバブル発生槽6に供給する。
c)生物培養液3をマイクロナノバブル発生槽6に貯留し、マイクロナノバブル発生装置7aにより、酸素富化MNBを含有させる。
d)返送ポンプ9を駆動して、酸素富化MNBを含有させた生物培養液Gを、培養槽2に戻す。
e)このようにして、培養槽撹拌機11で培養槽2内の生物培養液3を撹拌しながら、生物反応を進める。
f)生物反応が十分に進行した時期で、バルブ16を閉、バルブ15を開として培養槽ポンプ8を駆動し、培養槽2で生成された反応生成物をろ過液Aと共に回収し、ろ過液貯槽5に貯える。
○ Second embodiment (Fig. 4)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The second embodiment is a biological reaction apparatus for causing a microorganism or the like to generate a reaction product, and contains the oxygen-enriched MNB in the biological culture as follows.
a) The culture solution 1 is supplied to the culture tank 2.
b) The valve 15 is closed, the valve 16 is opened, and the culture tank pump 8 is driven to extract the biological culture solution 3 containing microorganisms and the like from the culture tank 2 and supply it to the micro / nano bubble generation tank 6.
c) The biological culture solution 3 is stored in the micro / nano bubble generating tank 6 and oxygen enriched MNB is contained by the micro / nano bubble generating device 7a.
d) The return pump 9 is driven to return the biological culture solution G containing the oxygen-enriched MNB to the culture tank 2.
e) In this way, the biological reaction is advanced while stirring the biological culture solution 3 in the culture tank 2 with the culture tank agitator 11.
f) When the biological reaction has sufficiently progressed, the valve 16 is closed, the valve 15 is opened and the culture tank pump 8 is driven, and the reaction product generated in the culture tank 2 is collected together with the filtrate A to obtain the filtrate. Store in storage tank 5.

培養槽から抜き出した生物培養液に酸素富化MNBを含有させる方法である、前記1)の方法(第1実施形態)と前記2)の方法(第2実施形態)とは、微生物等の種類、生物反応の条件等に応じて、微生物等が受けるストレス・ダメージが総体的に少なくなる方法を採用するのが好ましい。   The method of 1) (first embodiment) and the method of 2) (second embodiment), which are methods for adding oxygen-enriched MNB to the biological culture solution extracted from the culture tank, are the types of microorganisms and the like. It is preferable to adopt a method in which the stress and damage to the microorganisms are generally reduced depending on the conditions of the biological reaction.

本発明は、生物培養液に酸素富化MNBを含有させる手段として、第1の特徴点として挙げた、培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素富化MNBを含有させ、培養槽に還流する手段(以下、「第1手段」という。)を用いることを特徴とするものであるが、これに他の手段を併用することもできる。   In the present invention, as a means for containing an oxygen-enriched MNB in a biological culture solution, the biological culture solution extracted from the culture tank mentioned as the first feature point contains the oxygen-enriched MNB and is returned to the culture tank. Although means (hereinafter referred to as “first means”) is used, other means may be used in combination.

第1手段を単独で用いた場合には、培養槽中の生物培養液のMNBの含有量を適正な値とするのに時間を要する可能性があるため、この時間を短縮する必要がある場合には、培養槽に供給される培養液に酸素富化MNBを含有させる手段(以下、「第2手段」という。)、培養槽中の生物培養液に酸素富化MNBを含有させる手段(以下、「第3手段」という。)等の手段を併用することが好ましい。特に、第2手段は、MNBの吹き込みによって、微生物等がストレス・ダメージを受けることがないので、第1手段と併用する手段として好ましい。   When the first means is used alone, it may take time to set the MNB content in the biological culture solution in the culture tank to an appropriate value. Includes means for containing oxygen-enriched MNB in the culture medium supplied to the culture tank (hereinafter referred to as “second means”), means for containing oxygen-enriched MNB in the biological culture medium in the culture tank (hereinafter referred to as “second means”). , "Third means") and the like. In particular, the second means is preferable as a means used in combination with the first means because the microorganisms and the like are not subjected to stress or damage due to the blowing of MNB.

○第3実施形態(図5)
つぎに、図5を参照しながら、本発明の第3実施形態について説明する。
第3実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、本発明の第1実施形態(第1手段を使用)に第2手段を併用したものである。
○ Third embodiment (FIG. 5)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The third embodiment is a biological reaction apparatus for causing a microorganism or the like to generate a reaction product, and uses the second means in combination with the first embodiment (using the first means) of the present invention.

第3実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液への酸素富化MNBの含有が行われる。
a)マイクロナノバブル発生装置7bにより、培養槽2に供給する培養液1に、酸素富化MNBを含有させる(酸素富化MNBを含有させた培養液E)。
b)このようにして、培養槽撹拌機11で培養槽2内の生物培養液3を撹拌しながら、生物反応を進める。
c)生物反応当初の生物培養液3のマイクロナノバブルの含有量が少ない場合、生物反応が進行して生物培養液3のマイクロナノバブルの含有量が減少した場合等には、第1実施形態のb)〜g)の手順で、生物培養液3をろ過して得たろ過液Aに、酸素富化MNBを含有させ、培養槽2に還流することにより、生物培養液3のマイクロナノバブルの含有量を適正な値に調整する。
d)生物反応が十分に進行した時期で、バルブ13を閉、バルブ12及びバルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動し、培養槽2で生成された反応生成物をろ過液Aと共に回収し、ろ過液貯槽5に貯える。
In the third embodiment, the oxygen-enriched MNB is contained in a culture solution such as a microorganism as follows.
a) The culture solution 1 supplied to the culture tank 2 is caused to contain oxygen-enriched MNB (culture solution E containing oxygen-enriched MNB) by the micro / nano bubble generator 7b.
b) In this way, the biological reaction is advanced while stirring the biological culture solution 3 in the culture tank 2 with the culture tank agitator 11.
c) When the content of micro-nano bubbles in the biological culture solution 3 at the beginning of the biological reaction is small, or when the content of micro-nano bubbles in the biological culture solution 3 decreases due to progress of the biological reaction, b in the first embodiment ) To g) By adding the oxygen-enriched MNB to the filtrate A obtained by filtering the biological culture solution 3 and returning to the culture tank 2, the content of micro-nano bubbles in the biological culture solution 3 Adjust to an appropriate value.
d) When the biological reaction is sufficiently advanced, the valve 13 is closed, the valve 12 and the valve 14 are opened, the culture tank pump 8 is driven, and the reaction product generated in the culture tank 2 is collected together with the filtrate A. Store in the filtrate storage tank 5.

○第4実施形態(図6)
つぎに、図6を参照しながら、本発明の第4実施形態について説明する。
第4実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、本発明の第1実施形態(第1手段を使用)に、第2手段及び第3手段を併用したものである。
○ Fourth embodiment (Fig. 6)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The fourth embodiment is a biological reaction apparatus for causing a microorganism or the like to generate a reaction product, and the second means and the third means are used in combination with the first embodiment (using the first means) of the present invention. Is.

第4実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液への酸素富化MNBの含有が行われる。
a)マイクロナノバブル発生装置7bにより、培養槽2に供給する培養液1に、酸素富化MNBを含有させる(酸素富化MNBを含有させた培養液E)。
b)このようにして、培養槽撹拌機11で培養槽2内の生物培養液3を撹拌しながら、生物反応を進める。
c)生物反応当初の生物培養液3のマイクロナノバブルの含有量が少ない場合、生物反応が進行して生物培養液3のマイクロナノバブルの含有量が減少した場合等には、第1実施形態のb)〜g)の手順で、生物培養液3をろ過して得たろ過液Aに、酸素富化MNBを含有させ、培養槽2に還流するか、または、マイクロナノバブル発生装置7cにより、培養槽2中の生物培養液3に、酸素富化MNBを含有させることにより、生物培養液3のマイクロナノバブルの含有量を適正な値に調整する。
d)生物反応が十分に進行した時期で、バルブ13を閉、バルブ12及びバルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動し、培養槽2で生成された反応生成物をろ過液Aと共に回収し、ろ過液貯槽5に貯える。
In the fourth embodiment, the oxygen-enriched MNB is contained in a culture solution such as a microorganism as follows.
a) The culture solution 1 supplied to the culture tank 2 is caused to contain oxygen-enriched MNB (culture solution E containing oxygen-enriched MNB) by the micro / nano bubble generator 7b.
b) In this way, the biological reaction is advanced while stirring the biological culture solution 3 in the culture tank 2 with the culture tank agitator 11.
c) When the content of micro-nano bubbles in the biological culture solution 3 at the beginning of the biological reaction is small, or when the content of micro-nano bubbles in the biological culture solution 3 decreases due to progress of the biological reaction, b in the first embodiment ) To g), the filtrate A obtained by filtering the biological culture solution 3 is made to contain oxygen-enriched MNB and refluxed to the culture vessel 2, or the micronanobubble generator 7c is used to culture the culture vessel. By adding oxygen-enriched MNB to the biological culture solution 3 in 2, the content of the micro / nano bubbles in the biological culture solution 3 is adjusted to an appropriate value.
d) When the biological reaction is sufficiently advanced, the valve 13 is closed, the valve 12 and the valve 14 are opened, the culture tank pump 8 is driven, and the reaction product generated in the culture tank 2 is collected together with the filtrate A. Store in the filtrate storage tank 5.

本発明の第3実施態様、第4実施形態として、本発明の第1実施形態(第1手段を使用)に、それぞれ、第2手段、第2手段及び第3手段を併用したものを説明したが、同様に、本発明の第2実施形態(第1手段を使用)に、それぞれ、第2手段、第2手段及び第3手段が併用でき、同様の作用効果を奏されることは、当業者であれば容易に理解できることである。   As the third embodiment and the fourth embodiment of the present invention, the first embodiment (using the first means) of the present invention, which is the combination of the second means, the second means, and the third means, respectively, has been described. However, similarly, the second embodiment (using the first means) of the present invention can be used in combination with the second means, the second means, and the third means, respectively, and the same effects can be obtained. It can be easily understood by a contractor.

以上に説明したように、本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法では、MNBを形成する気体の酸素含有率を、空気の酸素含有率(約21%)よりも高くすることにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、生物培養液が含有するMNBの量を減少させても、MNB状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を微生物等に供給し微生物等の活性を維持できる。   As described above, in the biological reaction apparatus of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction apparatus, the oxygen content of the gas forming MNB is higher than the oxygen content of air (about 21%). By reducing the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank and reducing the amount of MNB contained in the biological culture solution, a high concentration of easily absorbed oxygen in the MNB state is supplied to the microorganism. Etc. can be maintained.

さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、生物培養液の循環に要するエネルギーを減じることができる。   Furthermore, by reducing the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank, it is possible to reduce stress and damage to microorganisms and the like, and to reduce the energy required for circulation of the biological culture solution.

また、生物培養液を培養槽から抜き出すためのポンプ、酸素富化MNBを含有させた生物培養液を培養槽に還流するためのポンプ等の生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができるようになり、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
さらに、培養液が含有するMNBの量を減少させることにより、MNB発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる。
In addition, as a pump for circulating a biological culture solution such as a pump for extracting the biological culture solution from the culture vessel, a pump for refluxing the biological culture solution containing oxygen-enriched MNB to the culture vessel, Tube pumps, diaphragm pumps, screw pumps, rotary pumps, and other positive displacement pumps that can be used with relatively little stress and damage on them. This can be further reduced.
Furthermore, by reducing the amount of MNB contained in the culture solution, the energy required for driving the MNB generator can be reduced.

このように、本発明は、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことのできる優れたものである。
つぎに、本発明の特徴である、液循環割合を低く設定し、MNBの酸素含有率を高く設定することにより発揮される、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減しつつ、溶存酸素濃度を増加させることができ、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができる等の作用効果について実施例・比較例を用いて説明するが、本発明はこれら実験例・比較実験例により限定されるものではない。
As described above, the present invention is excellent in that a biological reaction using microorganisms or the like can be performed efficiently and economically.
Next, increasing the dissolved oxygen concentration while reducing the stress and damage to microorganisms, which is exhibited by setting the liquid circulation ratio low and setting the oxygen content of MNB high, which is a feature of the present invention. Examples and comparative examples will be described with reference to examples and comparative examples of effects such as the ability to efficiently and economically perform biological reactions using microorganisms. It is not limited by.

<実施例1〜2・比較例1〜5>
以下の実施例1〜2・比較例1〜5では、図7に模式図で示すような装置を用いて、微生物の培養を行った。
培養槽2として、微生物培養装置(エイブル株式会社製微生物培養装置BMZ−P、内容積1000ml)を用い、この中に好気性微生物[コリネ型細菌(コリネバクテリウムグルタミカム)の標準株]、培養液[硫酸アンモニウムを主成分とする合成培地、グリコース濃度:4%]からなる生物培養液3を収容し、液量を500mLとした。生物培養液3の初期菌濃度は濁度(OD610の値):1であった。
<Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5>
In the following Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5, microorganisms were cultured using an apparatus as schematically shown in FIG.
As the culture tank 2, a microorganism culture apparatus (microbe culture apparatus BMZ-P manufactured by Able Co., Ltd., internal volume 1000 ml) is used, and an aerobic microorganism [a standard strain of coryneform bacteria (corynebacterium glutamicum)], culture A biological culture solution 3 consisting of a solution [synthetic medium mainly composed of ammonium sulfate, concentration of glycolose: 4%] was accommodated, and the amount of the solution was adjusted to 500 mL. The initial bacterial concentration of the biological culture solution 3 was turbidity (OD610 value): 1.

培養温度を33℃、培養圧力を1atm、培養槽撹拌機11の回転数を600rpmとして好気性微生物の培養を行いつつ、培養槽ポンプ8を駆動して、培養槽2から生物培養液3を設定した一定の液循環量で抜き出し、図2に模式図で示すような水流方式のMNB発生装置7a[有限会社OKエンジニアリング製水流式マイクロナノバブル発生装置、型番:OKE−MB 200ml]に供給し、MNBを含有させた後、培養槽2に還流させた。MNB発生装置7aには、一定の酸素含有率に設定した気体Cを通気量250mL/分で供給した。   While culturing aerobic microorganisms with a culture temperature of 33 ° C., a culture pressure of 1 atm, and a rotation speed of the culture tank agitator 11 of 600 rpm, the culture tank pump 8 is driven to set the biological culture solution 3 from the culture tank 2 2 is extracted and supplied to a water flow type MNB generator 7a [a water flow type micro nano bubble generator manufactured by OK Engineering Co., Ltd., model number: OK-MB 200 ml] as shown in the schematic diagram of FIG. Was added to the culture tank 2. The gas C set to a constant oxygen content rate was supplied to the MNB generator 7a at a ventilation rate of 250 mL / min.

このような条件で、液循環量及び気体Cの酸素含有率を変更して好気性微生物の培養を8時間行い、8時間経過後の培養槽2内の生物培養液3の菌濃度の濁度及び溶存酸素濃度を測定して、実施例1〜2・比較例1〜5とした。実施例1〜2・比較例1〜5における、液循環量(mL/分)、液循環割合(%)、MNBの酸素含有率C(%)、菌濃度の濁度(OD660の値)及び溶存酸素濃度(ppm)を表1に整理して示す。なお、前記「液循環割合」とは、培養槽2に収容された生物培養液3の量(500mL)に対する、1分間あたりの液循環量(mL/分)の割合をいう。   Under these conditions, the aerobic microorganisms are cultured for 8 hours by changing the amount of circulating liquid and the oxygen content of gas C, and the turbidity of the bacterial concentration of the biological culture liquid 3 in the culture tank 2 after 8 hours has elapsed. And dissolved oxygen concentration was measured and it was set as Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5. In Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5, the amount of liquid circulation (mL / min), the ratio of liquid circulation (%), the oxygen content C of MNB (%), the turbidity of microbial concentration (value of OD660) and Table 1 shows the dissolved oxygen concentration (ppm). The “liquid circulation rate” refers to the rate of the liquid circulation rate (mL / min) per minute with respect to the amount (500 mL) of the biological culture solution 3 accommodated in the culture tank 2.

Figure 0006087476
Figure 0006087476

以下、実施例1〜2・比較例1〜5について説明する。
まず、比較例1及び2では、水流方式のMNB発生装置7aに空気を供給し、MNBの酸素含有率Cを21%とし、液循環割合Bを比較例1では48%、比較例2では16%とした。このように液循環割合Bを低下させると、液循環により好気性微生物が受けるストレス・ダメージを軽減できるため、菌濃度を21(OD610)から25(OD610)と高くすることができる。一方、MNB発生装置7aのような一般に用いられる水流方式のMNB発生装置では、液循環割合Bを低下させるとMNBの発生量自体が減少してしまうため、溶存酸素濃度Eが6.9(ppm)から1.2(ppm)に低下してしまう。
Hereinafter, Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5 will be described.
First, in Comparative Examples 1 and 2, air is supplied to the water flow type MNB generator 7a, the oxygen content C of the MNB is 21%, the liquid circulation rate B is 48% in Comparative Example 1, and 16 in Comparative Example 2. %. When the liquid circulation rate B is reduced in this way, stress damage caused to the aerobic microorganisms due to the liquid circulation can be reduced, so that the bacterial concentration can be increased from 21 (OD610) to 25 (OD610). On the other hand, in a generally used water flow type MNB generator such as the MNB generator 7a, if the liquid circulation rate B is reduced, the amount of MNB generated itself decreases, so the dissolved oxygen concentration E is 6.9 (ppm). ) To 1.2 (ppm).

そこで、実施例1〜2・比較例3〜5では、液循環割合Bを比較例2と同様に16%に保ち、液循環により好気性微生物が受けるストレス・ダメージを軽減した状態で、MNBの酸素含有率Cをそれぞれ30%、40%、60%、80%及び100%と増加させ、溶存酸素濃度Eを増加させた。   Therefore, in Examples 1-2 and Comparative Examples 3-5, the liquid circulation ratio B was maintained at 16% as in Comparative Example 2, and the stress damage caused to the aerobic microorganisms by the liquid circulation was reduced. The oxygen content C was increased to 30%, 40%, 60%, 80% and 100%, respectively, and the dissolved oxygen concentration E was increased.

実施例1〜2・比較例3〜5におけるMNBの酸素含有率C(%)と菌濃度D(OD610)との関係を、表2に整理して示す。表2は、縦軸をMNBの酸素含有率C(%)及び菌濃度D(OD610)の数値を表すものとし、比較例2、実施例1〜2及び比較例3〜5のMNBの酸素含有率C(%)及び菌濃度D(OD610)をそれぞれを折れ線として示したものである。   Table 2 shows the relationship between the oxygen content C (%) of MNB and the bacterial concentration D (OD610) in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 3 to 5. In Table 2, the vertical axis represents MNB oxygen content C (%) and bacteria concentration D (OD610), and the MNB oxygen content of Comparative Example 2, Examples 1-2, and Comparative Examples 3-5 The rate C (%) and the bacterial concentration D (OD610) are shown as broken lines.

この表2からわかるように、MNBの酸素含有率Cをそれぞれ21%(比較例2)→30%(実施例1)→40%(実施例2)と増加させていくに従い菌濃度Dは増加する傾向にあるが、MNBの酸素含有率Cが40%付近を頂点として菌濃度Dは減少傾向に転じ、60%(比較例3)では21%(比較例2)より低いものとなってしまう。これは、MNBの酸素含有率Cが高くなりすぎると、酸素の酸化作用により好気性微生物がストレス・ダメージを受けるためと考えられる。   As can be seen from Table 2, as the oxygen content C of MNB increases from 21% (Comparative Example 2) to 30% (Example 1) to 40% (Example 2), the bacterial concentration D increases. However, the concentration D of oxygen in the MNB turns to a decreasing trend with the oxygen content C of the MNB at around 40% as a peak, and is lower than 21% (Comparative Example 2) at 60% (Comparative Example 2). . This is considered to be because when the oxygen content C of MNB becomes too high, the aerobic microorganisms are subjected to stress damage due to the oxidizing action of oxygen.

Figure 0006087476
Figure 0006087476

これらの実施例1〜2・比較例1〜5から、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うためには、
1)液循環割合Bを低く設定し、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、
2)液循環割合Bを低く設定することに伴う溶存酸素濃度Eの低下を、MNBの酸素含有率Cを高く設定することにより、微生物等が酸素により受けるストレス・ダメージを避けつつ溶存酸素濃度Eを増加させることにより、
微生物等を用いた生物反応における菌濃度を高くすることができ、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができることがわかる。
From these Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5, in order to perform a biological reaction using microorganisms efficiently and economically,
1) The liquid circulation ratio B is set low to reduce the stress and damage to microorganisms due to the liquid circulation,
2) The decrease in dissolved oxygen concentration E associated with setting the liquid circulation rate B low, and the oxygen content rate C of MNB being set high, the dissolved oxygen concentration E while avoiding stress damage caused by oxygen to microorganisms. By increasing
It can be seen that the bacterial concentration in the biological reaction using microorganisms can be increased, and that the biological reaction using microorganisms can be performed efficiently and economically.

つぎに、上記1)及び2)の事項を満たして、酸素富化MNBを用いた微生物等の培養を行う方法について具体的に説明する。なお、微生物等の培養条件は、微生物等の種類、培養装置のスケール、培養装置の構造等に依存するため、上記実施例1〜2・比較例1〜5で用いた、図7に示すような微生物等の培養装置を用いて、微生物等の培養を行うケースも例示しながら説明を行う。   Next, a method for culturing microorganisms or the like using oxygen-enriched MNB that satisfies the above items 1) and 2) will be specifically described. In addition, since culture | cultivation conditions, such as microorganisms, depend on the kind of microorganisms, the scale of a culture apparatus, the structure of a culture apparatus, etc., as shown in FIG. 7 used in the said Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5. An explanation will be given while exemplifying a case of culturing microorganisms or the like using a culture apparatus for various microorganisms or the like.

1.上記1)について
図7に示す微生物等の培養装置では、生物培養液3は培養槽ポンプ8によって培養槽2から抜き出されて水流方式のMNB発生装置7aに供給され、このMNB発生装置7aで酸素富化MNBが含有され培養槽2に還流される。そして、微生物等は、MNB発生装置7aを通過する際に大きくストレス・ダメージを受けることから、「微生物等が受けるストレス・ダメージ」は、「MNB発生装置7aの入口における生物培養液3の圧力」(以下、「入口圧力」という。)を指標として評価することができる。
1. Regarding the above 1) In the culture apparatus for microorganisms and the like shown in FIG. 7, the biological culture solution 3 is extracted from the culture tank 2 by the culture tank pump 8 and supplied to the water flow type MNB generator 7a. Oxygen-enriched MNB is contained and refluxed to the culture tank 2. Since microorganisms and the like are greatly stressed and damaged when passing through the MNB generating device 7a, the "stress and damage to which the microorganisms are subjected" is "the pressure of the biological culture solution 3 at the inlet of the MNB generating device 7a". (Hereinafter referred to as “inlet pressure”) can be evaluated as an index.

表3は、図7に示す微生物等の培養装置において、培養槽ポンプ8の駆動力を変化させて液循環割合(%)及び入口圧力(MPa)を測定し、液循環割合を横軸、入口圧力を縦軸としてプロットしたものである。   Table 3 shows the liquid circulation rate (%) and inlet pressure (MPa) measured by changing the driving force of the culture tank pump 8 in the culture apparatus for microorganisms and the like shown in FIG. The pressure is plotted with the vertical axis.

培養する微生物等によりストレス・ダメージへの耐性が異なるため、微生物等の種類に応じた適切な入口圧力の上限値を予め調べデータベースを作成しておけば、培養当初から適切な入口圧力を設定することができる。また、このようなデータベースが作成されていない場合には、当初は適当を考えられる入口圧力を設定し、微生物等の培養状況等からストレス・ダメージの多寡を判断し、入口圧力を調整することができる。   Since the resistance to stress and damage varies depending on the microorganisms to be cultured, if an appropriate upper limit value of the inlet pressure according to the type of microorganisms is examined in advance and a database is created, an appropriate inlet pressure is set from the beginning of the culture. be able to. If such a database has not been created, an appropriate inlet pressure can be initially set, and the inlet pressure can be adjusted by judging the amount of stress and damage based on the culture conditions of microorganisms, etc. it can.

例えば、当初は入口圧力を0.075MPaと設定していたが、微生物等が受けるストレス・ダメージが大きく培養が順調に進まないような場合には、培養槽ポンプ8の駆動力を低下させて、入口圧力を0.04MPaに設定し直すような調整を行う。この調整により、微生物等が受けるストレス・ダメージは低減できるが、液循環割合が30%から20%に低下するため、生物培養液の溶存酸素濃度が低下することとなる。   For example, although the inlet pressure was initially set to 0.075 MPa, when the stress and damage received by the microorganisms are large and the culture does not proceed smoothly, the driving force of the culture tank pump 8 is decreased, Adjustment is made so that the inlet pressure is reset to 0.04 MPa. This adjustment can reduce stress and damage to microorganisms and the like, but since the liquid circulation ratio is reduced from 30% to 20%, the dissolved oxygen concentration in the biological culture medium is reduced.

Figure 0006087476
Figure 0006087476

2.上記2)について
上記1)のように、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減するために入口圧力を低下させると、液循環割合が低下し、生物培養液の溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを補うために、MNBの酸素含有率を高く設定し直す必要がある。
MNBの適切な酸素含有率は次のようにして設定することができる。
2. Regarding 2) As described in 1) above, when the inlet pressure is reduced in order to reduce the stress and damage to which microorganisms and the like are subjected, the liquid circulation rate is reduced and the dissolved oxygen concentration of the biological culture solution is reduced. However, in order to compensate for this, it is necessary to reset the oxygen content of the MNB to be high.
The appropriate oxygen content of MNB can be set as follows.

まず、溶存酸素濃度に関しては、下記の一般式(1)が知られている。
OTR=KLA×(Cs−C) (1)
この式(1)において、
OTR:酸素移動速度(mg/L・h)
KLA:物質移動容量係数(/h)
Cs :酸素の水中への飽和溶解度(mg/L)
C :酸素の水中への溶解度(mg/L)である。
First, regarding the dissolved oxygen concentration, the following general formula (1) is known.
OTR = KLA × (Cs−C) (1)
In this equation (1),
OTR: Oxygen transfer rate (mg / L · h)
KLA: Mass transfer capacity coefficient (/ h)
Cs: Saturated solubility of oxygen in water (mg / L)
C: Oxygen solubility in water (mg / L).

入口圧力、液循環割合が低下しても、生物培養液の溶存酸素濃度を一定値に保つためには、OTRを一定値に保つ必要がある。
OTRの値は、「KLA」及び「Cs」という変数及び「C」という定数により決まるが、このうち、「Cs」は、下記の一般式(2)のように酸素含有率の関数として表せる。
Cs=[(X÷100)×P÷H]×MO (2)
この式(2)において、
X :酸素含有率(%)
P :培養槽の運転圧力(atm)
H :ヘンリー定数(atm・m/mol)
MO:酸素の分子量(g/mol)である。
Even if the inlet pressure and the liquid circulation ratio are lowered, it is necessary to keep the OTR at a constant value in order to keep the dissolved oxygen concentration of the biological culture solution at a constant value.
The value of OTR is determined by the variables “KLA” and “Cs” and the constant “C”. Of these, “Cs” can be expressed as a function of the oxygen content as shown in the following general formula (2).
Cs = [(X ÷ 100) × P ÷ H] × MO 2 (2)
In this equation (2),
X: oxygen content (%)
P: Operating pressure of the culture tank (atm)
H: Henry's constant (atm · m 3 / mol)
MO 2 : Molecular weight of oxygen (g / mol).

また、「KLA」は、使用する培養装置において液循環割合との関係を求めることにより、液循環割合の関数として表すことができる。例えば、表4は、図7に示す微生物等の培養装置において、培養槽ポンプ8の駆動力を変化させて液循環割合(%)及びKLA(/h)を測定し、液循環割合を横軸(x)、KLAを縦軸(y)としてプロットしたものであるが、これから式(3)のような近似式を求めることができる。
y=aln(x)−b (3)
この式において、
y:KLA(/h)
x:液循環割合(%)
a、bは定数である。
In addition, “KLA” can be expressed as a function of the liquid circulation ratio by obtaining the relationship with the liquid circulation ratio in the culture apparatus to be used. For example, Table 4 shows the liquid circulation ratio (%) and KLA (/ h) measured by changing the driving force of the culture tank pump 8 in the culture apparatus for microorganisms and the like shown in FIG. Although (x) and KLA are plotted with the vertical axis (y), an approximate expression such as Expression (3) can be obtained from this.
y = aln (x) -b (3)
In this formula:
y: KLA (/ h)
x: Liquid circulation ratio (%)
a and b are constants.

Figure 0006087476
Figure 0006087476

3.上記1)及び2)による制御について
上記の式(1)〜(3)により、例えば、当初は入口圧力を0.075MPaと設定していたが、微生物等が受けるストレス・ダメージが大きく培養が順調に進まないことから培養槽ポンプ8の駆動力を低下させて、入口圧力を0.04MPaに調整した場合には、液循環割合が30%から20%に低下し生物培養液の溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを補い生物培養液の溶存酸素濃度を一定に保つために、MNBの酸素含有率をどの程度高める必要があるかを求めることができる。酸素含有率の制御を行う場合の設定割合としては、70%〜130%が好ましく、80%〜120%がより好ましく、90%〜110%がさらに好ましく、95%〜105%が最も好ましい。なお、前記「設置割合」とは、式(1)〜(3)により求めた酸素含有率の目標値に対する、制御設定値の割合をいう。
3. Control by the above 1) and 2) According to the above formulas (1) to (3), for example, the inlet pressure was initially set to 0.075 MPa, but the stress and damage received by microorganisms and the like are large, and the culture is smooth. Therefore, when the driving force of the culture tank pump 8 is decreased and the inlet pressure is adjusted to 0.04 MPa, the liquid circulation rate is decreased from 30% to 20%, and the dissolved oxygen concentration in the biological culture solution is reduced. To compensate for this, it is possible to determine how much the oxygen content of MNB needs to be increased to keep the dissolved oxygen concentration of the biological culture medium constant. As a setting ratio in the case of controlling the oxygen content, 70% to 130% is preferable, 80% to 120% is more preferable, 90% to 110% is further preferable, and 95% to 105% is most preferable. The “installation ratio” refers to the ratio of the control set value to the target value of the oxygen content obtained by the equations (1) to (3).

また、上記の式(1)〜(3)に基づいて、図7に示すような微生物等の培養装置において、培養槽ポンプ8を駆動する装置及びMNB発生装置7aに酸素富化空気を供給する装置を制御することにより入口圧力、液循環割合を低下させても、生物培養液の溶存酸素濃度を自動的に一定値に保つことができるので、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができる。   Further, based on the above formulas (1) to (3), oxygen-enriched air is supplied to the device for driving the culture tank pump 8 and the MNB generator 7a in the culture device for microorganisms and the like as shown in FIG. Even if the inlet pressure and the liquid circulation rate are reduced by controlling the device, the dissolved oxygen concentration in the biological culture solution can be automatically maintained at a constant value, so that biological reactions using microorganisms can be performed efficiently and economically. Can be done automatically.

1 培養液
2 培養槽
3 培養液、微生物等を含有する生物培養液
4 ろ過器
5 ろ過液貯槽
6 マイクロナノバブル発生槽
7a〜7c マイクロナノバブル発生装置
8 培養槽ポンプ
9 返送ポンプ
10 液供給ポンプ
11 培養槽撹拌機
12〜16 バルブ
21 入口部
22 のど部
23 吸引部
24 気体入口
25 出口部
30 酸素富化膜
31 容器
32 吸気ファン
33 空気導入部
34 (酸素含有率の低い空気を排出する)導出部
35 (酸素含有率を高めた空気を排出する)導出部
A ろ過液
B ろ過液を除いた生物培養液
C 酸素含有率を高めた空気
D 酸素富化MNBを含有させたろ過液(ろ過液+酸素含有率を高めた空気のMNB)
E 酸素富化MNBを含有させた培養液(培養液+酸素含有率を高めた空気のMNB)
F 酸素含有率の低い空気
G 酸素富化MNBを含有させた生物培養液(生物培養液+酸素含有率を高めた空気のMNB)
H 生物培養液
107 生物反応槽としての培養槽
110 菌体ろ過器
115 マイクロナノバブル発生槽
116 マイクロナノバブル発生装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Culture liquid 2 Culture tank 3 Biological culture liquid containing culture liquid, microorganisms, etc. 4 Filter 5 Filtrate storage tank 6 Micro nano bubble generation tank 7a-7c Micro nano bubble generation apparatus 8 Culture tank pump 9 Return pump 10 Liquid supply pump 11 Culture Tank stirrer 12-16 Valve 21 Inlet part 22 Throat part 23 Suction part 24 Gas inlet 25 Outlet part 30 Oxygen-rich film 31 Container 32 Intake fan 33 Air introduction part 34 (Exhaust air with low oxygen content) Derived part 35 Derived part (discharges air with increased oxygen content) A Filtrate B Biological culture fluid excluding filtrate C Air with increased oxygen content D Filtrate with oxygen enriched MNB (filtrate + Air MNB with increased oxygen content)
E Culture medium containing oxygen-enriched MNB (culture medium + air MNB with increased oxygen content)
F Air with low oxygen content G Biological culture fluid containing oxygen-enriched MNB (biological culture fluid + MNB with air with increased oxygen content)
H biological culture solution 107 culture tank as biological reaction tank 110 microbial cell filter 115 micro-nano bubble generation tank 116 micro-nano bubble generation apparatus

Claims (12)

培養液及び好気性または通性嫌気性微生物を含有する生物培養液を収容する培養槽と、
該培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させるマイクロナノバブル発生装置と、
該マイクロナノバブルを含有させた生物培養液を前記培養槽に還流する管路と、
を備える生物反応装置であって、
前記培養槽から抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた後に前記培養槽に還流する生物培養液の量を、1分間当たり、前記培養槽に収容された生物培養液の量の1%以上48%未満に設定すると共に、
前記酸素含有率を高めた空気の酸素含有率を23%以上60%未満に設定することを特徴とする、生物反応装置。
A culture vessel containing a culture solution and a biological culture solution containing aerobic or facultative anaerobic microorganisms ;
A micro-nano bubble generating device that contains micro-nano bubbles formed from air with an increased oxygen content in the biological culture solution extracted from the culture tank;
A conduit for refluxing the biological culture solution containing the micro / nano bubbles to the culture tank;
A biological reaction device comprising:
The amount of the biological culture liquid extracted from the culture tank and containing micro-nano bubbles and then refluxed to the culture tank is 1% to less than 48% of the amount of the biological culture liquid stored in the culture tank per minute. As well as setting
The biological reaction apparatus characterized by setting the oxygen content rate of the air which raised the said oxygen content rate to 23% or more and less than 60%.
前記マイクロナノバブル発生装置が、前記培養槽から抜出ポンプあるいは還流ポンプを使用して抜き出した生物培養液に、前記酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させて培養槽へ還流させるものであることを特徴とする請求項1に記載の生物反応装置。   The micro-nano bubble generating apparatus causes the biological culture liquid extracted from the culture tank using the extraction pump or the reflux pump to contain the micro-nano bubbles formed from the air having an increased oxygen content and refluxed to the culture tank. The biological reaction apparatus according to claim 1, wherein 前記培養槽と前記マイクロナノバブル発生装置との間に、前記培養槽から抜き出した生物培養液を、ろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離するろ過器を配置し、
該ろ過液に、前記マイクロナノバブル発生装置により、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させると共に、
該ろ過液を除いた生物培養液及び該マイクロナノバブルを含有させたろ過液を、それぞれ、前記培養槽に還流する管路を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の生物反応装置。
Between the culture tank and the micro-nano bubble generating device, a biological culture liquid extracted from the culture tank is disposed, and a filter for separating the filtrate and the biological culture liquid excluding the filtrate is disposed,
While making the filtrate contain micro-nano bubbles formed from air with an increased oxygen content by the micro-nano bubble generator,
The biological reaction apparatus according to claim 1 or 2, further comprising a conduit for refluxing the biological culture solution excluding the filtrate and the filtrate containing the micro / nano bubbles to the culture tank. .
前記培養槽と前記マイクロナノバブル発生装置との間にろ過器を配置せず、前記培養槽から抜き出した生物培養液に直接、前記マイクロナノバブルを含有させることを特徴とする、請求項1または2に記載の生物反応装置。   The micro-nano bubbles are directly contained in a biological culture solution extracted from the culture tank without disposing a filter between the culture tank and the micro-nano bubble generator. The biological reaction apparatus as described. 前記マイクロナノバブル発生装置が、水流を用いて駆動する方式のものであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の生物反応装置。   The bioreactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the micro / nano bubble generator is of a system driven using a water flow. 生物培養液を前記培養槽から抜き出すためのポンプおよび/または前記マイクロナノバブルを含有させた生物培養液を培養槽に還流するためのポンプとして、チューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを用いることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の生物反応装置。   Volumes of tube pumps, diaphragm pumps, screw pumps, rotary pumps, etc., as pumps for extracting the biological culture liquid from the culture tank and / or pumps for returning the biological culture liquid containing the micro-nano bubbles to the culture tank The bioreactor according to any one of claims 1 to 5, wherein a type pump is used. 前記容積式ポンプとしてチューブポンプを用いることを特徴とする、請求項6に記載の生物反応装置。   The biological reaction apparatus according to claim 6, wherein a tube pump is used as the positive displacement pump. 前記酸素含有率を高めた空気が、空気を酸素富化膜に通過させることにより得られたものであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の生物反応装置。   The biological reaction apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the air having an increased oxygen content is obtained by passing air through an oxygen-enriched membrane. 前記酸素含有率を高めた空気が、PSA法、VSA法、深冷分離法および化学吸着法のいずれかにより生成した酸素と、空気とをラインミキサー等で混合させることにより得られたものであることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の生物反応装置。   The air having an increased oxygen content is obtained by mixing oxygen generated by any one of the PSA method, the VSA method, the cryogenic separation method, and the chemical adsorption method with air using a line mixer or the like. The biological reaction device according to any one of claims 1 to 8, wherein 前記培養槽に供給される培養液に、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させるマイクロナノバブル発生装置をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の生物反応装置。   The micro-nano bubble generator which makes the culture solution supplied to the said culture tank contain the micro-nano bubble formed from the air which raised oxygen content rate is further provided. Bioreactor. 前記培養槽中の生物培養液に、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させるマイクロナノバブル発生装置をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の生物反応装置。   The device according to any one of claims 1 to 10, further comprising a micro / nano bubble generating device that contains micro / nano bubbles formed from air with an increased oxygen content in the biological culture solution in the culture tank. Bioreactor. 前記請求項1〜11のいずれかに記載の生物反応装置により、好気性または通性嫌気性微生物の反応生成物を得る、あるいは、好気性または通性嫌気性微生物を増殖させることを特徴とする、生物反応方法。 A reaction product of an aerobic or facultative anaerobic microorganism is obtained by the biological reaction device according to any one of claims 1 to 11, or an aerobic or facultative anaerobic microorganism is grown. , Biological reaction method.
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