JP6138390B1 - マイクロナノバブルを用いた生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法 - Google Patents
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Abstract
Description
〇還流割合を低く抑え、培養槽中の生物培養液が含有するMNBの量が減少しても、培養槽の気相の酸素分圧を高くすること、および/または、培養槽の気相の圧力を高くすることにより溶存酸素濃度を低下させずに維持できる。
〇還流割合を低く抑えることにより、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。
〇還流割合を低く抑えることに伴い、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ができる。
1)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、
2)培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段を用いて補償することを特徴とするものである。さらに、好適には、上記1)または2)の手段に、3)MNBを形成する気体の酸素含有率を「23%以上60%未満」と空気中の酸素含有率(約21%)よりも高くする手段を併用することもできる。
<本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応>
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応は、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ものである。
<本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応において用いるMNB>
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応において用いる「MNB」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」は比較的長時間水中に残存する。
MNB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。
前述のように、本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法の特徴は、主として、
A)微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流割合を低く抑えると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、1)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、2)培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段を用いて補償すること、
B)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。
<第1の特徴点:溶存酸素濃度の補償>
本発明の第1の特徴点は、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流量を「1分間当たり、培養槽に収容された生物培養液の量の1%以上48%未満」と減少させると、培養槽中の生物培養液が含有するMNBの量が減少し溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを、1)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、2)培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段により補償することである。さらに、上記1)または2)の手段に、3)MNBを形成する気体Cの酸素含有率を「23%以上60%未満」と空気中の酸素含有率(約21%)よりも高くする手段を併用することもできる。
上記本発明における、
1)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、
2)培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段、および
3)上記1)または2)の手段に好適に併用することのできる、MNBを形成する気体の酸素含有率を「23%以上60%未満」と空気中の酸素含有率(約21%)よりも高くする手段について、更に詳しく説明する。
上記1)の手段については、本発明では公知の各種手段を用いることができるが、
1a)培養槽の気相に、常圧よりも圧力を高めた、通常組成の空気(酸素含有率:約21%)を供給し、培養槽の気相の圧力を高くすることにより、培養槽の気相の酸素分圧を高くする手法、
1b)培養槽の気相に、常圧の、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相の酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相の酸素分圧を高くする手法、および
1c)培養槽の気相に、常圧よりも圧力を高め、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相の圧力および酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相の酸素分圧を高くする手法、
が好適なものとして挙げられる。
つぎに、還流割合を低く抑えることについて説明する。
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)のものを好適に用いることができるので、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。
また、本発明の第2の特徴点は、1)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、2)培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段を用いることにより、溶存酸素濃度を低下させずに維持しつつ還流割合を低く抑えることができ、これ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用いることができる。
<本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応の具体例>
つぎに、上記本発明の特徴を備えた生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法について、詳細に説明する。
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。
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およびバルブ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3−1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、MNB発生槽6に貯留し、MNB発生装置7aにより、MNBを含有させる。
g)返送ポンプ9を駆動して、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3−1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およびバルブ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。
第1実施形態においては、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、培養槽2から抜き出す生物培養液3−1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」と減少させると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、1)培養槽2の気相3−2の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、2)培養槽2の気相3−2の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段を用いて補償することができる。さらに、上記1)または2)の手段に、3)MNBを形成する気体Cの酸素含有率を「23%以上60%未満」と空気中の酸素含有率(約21%)よりも高くする手段を併用することもできる。
上記1)の手段としては、公知の各種手段を用いることができるが、
1a’)給気経路Iから、培養槽2の気相3−2に、常圧よりも圧力を高めた、通常組成の空気(酸素含有率:約21%)を供給し、排気経路Jに設けた圧力調整バルブ17により、培養槽2の気相3−2の圧力を高くすることにより、培養槽2の気相3−2の酸素分圧を高くする手法、
1b’)給気経路Iから、培養槽2の気相3−2に、常圧の、酸素含有率を高めた空気を供給し、排気経路Jに設けた圧力調整バルブ17を開状態として、培養槽の気相3−2の酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相3−2の酸素分圧を高くする手法、および
1c’)給気経路Iから、培養槽2の気相3−2に、常圧よりも圧力を高め、酸素含有率を高めた空気を供給し、排気経路Jに設けた圧力調整バルブ17により、培養槽2の気相3−2の圧力および酸素含有率を高くすることにより、培養槽2の気相3−2の酸素分圧を高くする手法、が好適なものとして挙げられる。
上記2)の手段としては、公知の各種手段を用いることができるが、培養槽2の気相3−2に、上記1a’)および1c’)の手法のような、常圧よりも圧力を高めた気体を供給して培養槽の気相の圧力を高くする手法が好適なものとして挙げられる。この手法においては、常圧よりも圧力を高めた気体は、直接培養槽2の気相3−2に供給することもできるし、また、MNBを形成する気体CとしてMNB発生装置7aに供給することもできる。
上記3)の手段については、上記の公知の酸素富化手段を用いて酸素含有率を高めた気体を得て、MNBを形成する気体Cとして用いることができる。具体的には、図3に示すような酸素富化膜を用いて得た酸素富化空気を、MNBを形成する気体Cとして用いることができる。
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3−1を培養槽2から抜き出し、MNB発生槽6に供給する。
c)生物培養液3−1をMNB発生槽6に貯留し、MNB発生装置7aにより、MNBを含有させる。
d)返送ポンプ9を駆動して、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3−1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。
さらに、還流割合を低く抑えることにより、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。
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、第1手段を使用した第1実施形態に第2手段を併用したものである。
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)MNB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。
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3−1を撹拌しながら、生物反応を進める。
c)生物培養液3−1の溶存酸素濃度が低下した場合には、第1実施形態のb)〜g)の手順で、生物培養液3−1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3−1の溶存酸素濃度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およびバルブ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。
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、第1手段を使用した第1実施形態に、第2手段および第3手段を併用したものである。
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)MNB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。
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3−1を撹拌しながら、生物反応を進める。
c)生物培養液3−1の溶存酸素濃度が低下した場合には、第1実施形態のb)〜g)の手順で、生物培養液3−1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、MNB発生装置7cにより、培養槽2中の生物培養液3−1に、酸素富化MNBを含有させることにより、生物培養液3−1の溶存酸素濃度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およびバルブ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。
つぎに、図7を参照しながら、本発明の第5実施形態について説明する。
第5実施形態では、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、次のようにして、1)培養槽2の気相3−2の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、2)培養槽2の気相3−2の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段を適用する。
a)培養槽2に培養液1を供給する。
b)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3−1を培養槽2から抜き出し、MNB発生装置7aに供給する。
c)MNB発生装置7aに、MNBを形成する気体Cとして、常圧または常圧よりも圧力を高めた、通常組成または酸素含有率を高めた空気を供給し、生物培養液3−1にMNBを含有させる。
d)MNBを含有させた生物培養液3−1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3−1を撹拌しながら、生物反応を進める。
上記1)の具体的な手段としては、
1a’’)MNB発生装置7aの気体入口24に、常圧よりも圧力を高めた、通常組成の空気(酸素含有率:約21%)を供給し、培養槽の気相3−2の圧力を高くすることにより、培養槽の気相3−2の酸素分圧を高くする手法
1b’’)MNB発生装置7aの気体入口24に、常圧の、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相3−2の酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相3−2の酸素分圧を高くする手法
1c’’)MNB発生装置7aの気体入口24に、常圧よりも圧力を高め、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相3−2の圧力および酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相3−2の酸素分圧を高くする手法
が好適なものとして挙げられる。
上記3)の具体的な手段としては、図3にその概要を示すような酸素富化膜を用いて得た酸素富化空気を、MNBを形成する気体Cとして用いることが挙げられる。
1)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧(約0.21気圧)よりも高くする手段、および/または、
2)培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」と常圧(1気圧)よりも高くする手段を用いることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流量を「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」と減少させても、溶存酸素濃度を低下させずに維持でき、微生物等の活性を高めることができる。さらに、好適には、上記1)または2)の手段に、3)MNBを形成する気体の酸素含有率を23%以上60%未満と空気中の酸素含有率(約21%)よりも高くする手段を併用することにより、上記効果をより一層発揮させることができる。
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、
1)還流量を「1分間当たり、培養槽に収容された生物培養液の量の1%以上48%未満」とするとの条件、および
2)培養槽の気相の酸素分圧を「0.23気圧以上0.6気圧未満」とする、および/または、培養槽の気相の圧力を「1.1気圧以上3.0気圧未満」とするとの条件
の下において、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を効率的かつ経済的に行うものであるが、上記1)および上記2)の条件は、生物反応の主たる段階(微生物等による反応生成物の生成や、微生物等の増殖を本格的に行う段階)において維持されていればよいものである。微生物数の少ない初期、微生物数が十分に増えた終期等の生物反応の速度が遅くても支障のない段階においては、生物反応の経済性、効率性等を考慮して、上記1)の条件および/または上記2)の条件を外すことも可能である。
<参考実施例1〜2・参考比較例1〜5>
以下の参考実施例1〜2・参考比較例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3−1を収容し、液量を500mLとした。生物培養液3−1の初期菌濃度は濁度(OD610の値):1であった。
まず、参考比較例1および2では、水流方式のMNB発生装置7aに空気を供給し、MNBの酸素含有率を21%とし、還流割合を参考比較例1では48%、参考比較例2では16%とした。このように還流割合を低く抑えると、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、還流割合を低く抑えるとMNBの発生量自体が減少してしまうため、溶存酸素濃度が6.9(mg/L)から1.2(mg/L)に低下してしまう。
1)還流割合を低く抑え、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)還流割合を低く抑えることに伴う溶存酸素濃度の低下を、MNBの酸素含有率を高くすることにより、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。
図7に示す微生物等の培養装置では、生物培養液3−1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3−1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。
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、還流割合が低下し、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。
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。
入口圧力、還流割合が低下しても、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。
Cs=X×P÷H×MO2 (2)
この式(2)において、
X :空気中の酸素含有率(モル分率)
P :培養槽の運転圧力(atm)
H :ヘンリー定数(atm・m3/モル)
MO2:酸素の分子量(g/モル)である。
y=aln(x)−b (3)
この式において、
y:KLA(/h)
x:還流割合(体積%)
a、bは定数である。
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、還流割合が30%から20%に低下し溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを補い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。
下記表5および表6に示すように、上記参考実施例1〜2・参考比較例1〜5から、還流量を80mL/分、還流割合を16%というように低く設定し、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減した場合には、溶存酸素濃度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維持することができ、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。
dCa/dt=KLa(C*−Ca)− QO2×Y (4)
上記式(4)において、
Ca:培養液の溶存酸素濃度(mg/L)、 t :経過時間(s)、
KLa: 物質移動容量係数(/s)、 C*:培養液の飽和酸素濃度(mg/L)、
QO2: 単位菌体重量あたりの呼吸速度(mg/L−kg−s)、
Y :培養液中の菌体重量(kg)
を表す。
式(4)における右辺第1項の「KLa(C*−Ca)」は培養液への溶存酸素の供給を表し、右辺第2項の「QO2×Y」は、菌体による溶存酸素の消費を表すものであり、溶存酸素量を増加させるためには、「KLa(C*−Ca)」の値を大きくする必要がある。
そして、「KLa(C*−Ca)」は、下記式(5)
KLa(C*−Ca)=KL×a×(p÷H×MO2−C) (5)
KL:物質移動係数 (m/s)、 a: 培養液中の気液界面積(m2/m3)、
p:酸素分圧 (atm)、 H:ヘンリー定数(atm・m3/モル)
MO2:酸素の分子量(g/モル)
で表されることから、溶存酸素量を増加させるためには、
1)MNBを用いることにより、a(培養液中の気液界面積)を大きくする手法、
2)MNBを形成する気体の酸素含有率を高くすることにより、p(酸素分圧)を大きくする手法、および
3)培養槽の気相の酸素分圧を高くすることにより、p(酸素分圧)を大きくする手法、
が有効であることがわかる。
2 培養槽
3−1 (培養液、微生物等を含有する)生物培養液
3−2 培養槽の気相
4 ろ過器
5 ろ過液貯槽
6 MNB発生槽
7a〜7c MNB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
17 圧力調整バルブ
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 気体導入部
34 (酸素含有率の低い気体を排出する)導出部
35 (酸素含有率を高めた気体を排出する)導出部
A ろ過液
B ろ過液を除いた生物培養液
C MNBを形成する気体(酸素含有率を高めた気体または空気)
D MNBを含有させたろ過液(ろ過液+MNB)
E MNBを含有させた培養液(培養液+MNB)
F 酸素含有率の低い気体
G MNBを含有させた生物培養液(生物培養液+MNB)
H 生物培養液
I (培養槽の気相への)給気経路
J (培養槽の気相からの)排気経路
107 生物反応槽としての培養槽
110 菌体ろ過器
115 MNB発生槽
116 MNB発生装置
Claims (13)
- 培養液およ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%未満とすると共に、
前記培養槽における前記生物培養液の上部の気相の酸素分圧を0.23気圧以上0.6気圧未満とすること、および/または、前記培養槽における前記生物培養液の上部の気相の圧力を1.1気圧以上3.0気圧未満とすることを特徴とする、生物反応装置。 - 前記マイクロナノバブルが、酸素含有率を23%以上60%未満とした気体から形成されることを特徴とする、請求項1に記載の生物反応装置。
- 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、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または2に記載の生物反応装置。
- 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およ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1〜3のいずれかに記載の生物反応装置。 - 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1〜3のいずれかに記載の生物反応装置。
- 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1〜5のいずれかに記載の生物反応装置。
- 前記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1〜6のいずれかに記載の生物反応装置。
- 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7に記載の生物反応装置。
- 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2〜8のいずれかに記載の生物反応装置。
- 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2〜8のいずれかに記載の生物反応装置。
- 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。
- 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備えることを特徴とする、請求項1〜11のいずれかに記載の生物反応装置。
- 前記請求項1〜12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。
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