JP6499203B2 - Biological reaction device provided with device for supplying micro-nano bubbles of oxygen-containing gas, device for removing dissolved carbon dioxide, and biological reaction method using this biological reaction device - Google Patents

Biological reaction device provided with device for supplying micro-nano bubbles of oxygen-containing gas, device for removing dissolved carbon dioxide, and biological reaction method using this biological reaction device Download PDF

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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M3/00Tissue, human, animal or plant cell, or virus culture apparatus

Description

本発明は、微生物または細胞(以下、「微生物等」という)を培養す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、生物反応時には、微生物等を含有する培養液に酸素を含有する気体のマイクロナノバブルを供給して含有させるとともに、微生物等を含有する培養液に溶存二酸化炭素を除去することによって、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 relates to a biological reaction apparatus for culturing microorganisms or cells (hereinafter referred to as “microorganisms”) and a biological reaction method using the biological reaction apparatus, and oxygen is contained in a culture solution containing microorganisms or the like at the time of biological reaction. In addition to supplying and containing gaseous micro / nano bubbles, the biological reaction is efficiently carried out by removing dissolved carbon dioxide from the culture solution containing microorganisms and the like.

微生物等を培養槽中で培養して、有機酸、アルコール等の化学品、医薬品等の有用化学物質を製造する生物反応が行われている。   Biological reactions in which microorganisms and the like are cultured in a culture tank to produce chemicals such as organic acids and alcohols and useful chemical substances such as pharmaceuticals are performed.

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には、マイクロバブルを含有させた培養液中で細胞培養を行うことにより、細胞の増殖を促進することが開示されている。また、特許文献2〜5には、微生物の培養において、培養液中にマイクロナノバブルあるいはナノバブルを存在させることにより、微生物の活性化を促進し、生物反応の反応効率の向上、反応時間の短縮等を図ることが開示されている。   As a technique for increasing the efficiency of biological reactions, Patent Document 1 discloses that cell growth is promoted by culturing cells in a culture solution containing microbubbles. In Patent Documents 2 to 5, in the cultivation of microorganisms, the presence of micro-nano bubbles or nano bubbles in the culture solution promotes the activation of microorganisms, improves the reaction efficiency of biological reactions, shortens the reaction time, etc. Is disclosed.

具体的には、特許文献1には、培養槽の培養液取り出した濾過液にマイクロバブルを含有させて、培養槽に供給することが記載されている。特許文献2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、このろ過液にマイクロナノバブルを混合して培養槽に返送することが記載されている。特許文献3には、培養液を培養槽に供給する前段階で、培養液にマイクロナノバブル及びナノバブルを混合することが記載されており、また、特許文献4には、培養液を培養槽に供給する前段階で、マイクロナノバブルを混合することが記載されている。   Specifically, Patent Document 1 describes that microbubbles are contained in the filtrate extracted from the culture solution in the culture vessel and supplied to the culture vessel. Patent Document 2 describes that in a batch system, a culture solution is extracted from a culture tank, filtered through a bacterial cell filter to obtain a filtrate, and micronano bubbles are mixed with the filtrate and returned to the culture tank. ing. Patent Document 3 describes mixing micro-nano bubbles and nano bubbles in the culture solution before supplying the culture solution to the culture vessel. Patent Document 4 supplies the culture solution to the culture vessel. It is described that the micro / nano bubbles are mixed in the previous stage.

また、細胞培養において培養槽の培養液に溶存した二酸化炭素を除去するために、特許文献5には、比較的小径の気泡を生じる第1の散気手段によって培養液中に酸素を供給し、比較的大径の気泡を生じる第2の散気手段に二酸化炭素非含有ガスを通気することにより、培養液中の溶存二酸化炭素を気泡中に拡散させて培養液から除去することが記載されており、また、特許文献6には、培養液中に酸素含有気体を供給しながら、図5〜7に示されるような、二酸化炭素透過膜性のガス交換手段4に、空気混合ガスを通気させることにより、培養液中の溶存二酸化炭素を培養液から除去することが記載されている。   In addition, in order to remove carbon dioxide dissolved in the culture solution in the culture tank in cell culture, Patent Document 5 supplies oxygen to the culture solution by the first air diffuser that generates bubbles having a relatively small diameter, It is described that a carbon dioxide-free gas is passed through a second air diffuser that generates relatively large-sized bubbles to diffuse dissolved carbon dioxide in the culture solution into the bubbles and remove it from the culture solution. In addition, in Patent Document 6, while supplying an oxygen-containing gas into the culture solution, an air mixed gas is passed through the gas exchange means 4 having carbon dioxide permeable membrane properties as shown in FIGS. Thus, it is described that dissolved carbon dioxide in the culture solution is removed from the culture solution.

しかしながら、特許文献5に記載された溶存二酸化炭素除去手段では、大径の気泡で溶存二酸化炭素を効率的に除去するためには通気量を増大させる必要があり、細胞の損傷を生じる可能性が増大する。   However, in the dissolved carbon dioxide removing means described in Patent Document 5, it is necessary to increase the aeration rate in order to efficiently remove the dissolved carbon dioxide with large-sized bubbles, which may cause cell damage. Increase.

また、特許文献6に記載された溶存二酸化炭素除去手段は、図5〜7に示されるように、培養液M中に溶存する二酸化炭素を、濃度差により、二酸化炭素透過膜4の気相部41内に引き込み、気相部41内を通気する空気混合ガスにのせて除去するものであるが、二酸化炭素の濃度差により生じる弱い力によって、二酸化炭素透過膜を通して、溶存二酸化炭素を気相部41内に引き込むので、培養液に溶存した二酸化炭素を十分に除去することは困難である。   Moreover, the dissolved carbon dioxide removal means described in patent document 6 is a gaseous-phase part of the carbon dioxide permeable membrane 4 by the carbon dioxide dissolved in the culture solution M by a density | concentration difference, as FIG. 41, which is removed by being put on an air mixed gas vented in the gas phase portion 41, but the dissolved carbon dioxide is passed through the carbon dioxide permeable membrane by the weak force generated by the concentration difference of carbon dioxide. Therefore, it is difficult to sufficiently remove carbon dioxide dissolved in the culture solution.

特開2011−120535号公報JP 2011-120535 A 特許第4146476号公報Japanese Patent No. 4146476 特許第4805120号公報Japanese Patent No. 4805120 特許第4956052号公報Japanese Patent No. 4956552 特開2008−182899号公報JP 2008-182899 A 特開2014−018174号公報JP 2014-018174 A

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、微生物等の培養液に、微生物等の呼吸作用に必要な酸素を十分に供給するとともに、微生物等の培養液から、微生物等の呼吸作用により生じた溶存二酸化炭素を十分に除去することにより、微生物等の呼吸作用を促進し、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことのでき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を提供することにある。   The subject of the biological reaction device of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction device is that a sufficient amount of oxygen necessary for the respiratory action of microorganisms and the like is supplied to the culture solution of microorganisms and the like. Bioreactor capable of promoting the respiration action of microorganisms by sufficiently removing the dissolved carbon dioxide produced by the respiration action of microorganisms, etc., and performing the biological reaction using microorganisms efficiently and economically And providing a biological reaction method using the biological reaction apparatus.

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培養液から、真空減圧により二酸化炭素分離膜を通して溶存二酸化炭素を除去し、マイクロナノバブル発生装置により酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させた後、培養液を培養槽に還流することを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, the biological reaction apparatus of the present invention and the biological reaction method using the biological reaction apparatus remove dissolved carbon dioxide through a carbon dioxide separation membrane by vacuum decompression from the culture solution extracted from the culture tank, After the micro-nano bubble generator contains oxygen-containing gas micro-nano bubbles, the culture solution is refluxed to the culture tank.

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。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。   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. “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”.

本発明は、マイクロナノバブル発生装置により、微生物等を含有する培養液に酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させて、微生物等の呼吸作用に必要な酸素を供給するとともに、溶存二酸化炭素除去装置により、微生物などを含有する培養液から溶存二酸化炭素を除去して、微生物等の呼吸作用により増加する培養液中の溶存二酸化炭素濃度を低下させることにより、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。   The present invention contains micro-nano bubbles of oxygen-containing gas in a culture solution containing microorganisms by a micro-nano bubble generator, and supplies oxygen necessary for the respiration action of microorganisms, etc., and by a dissolved carbon dioxide removing device, Efficient and economical biological reaction using microorganisms by removing dissolved carbon dioxide from the culture solution containing microorganisms and reducing the concentration of dissolved carbon dioxide in the culture solution, which increases due to the respiratory action of microorganisms, etc. Can be done automatically.

本発明の生物反応装置の第1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. 本発明の生物反応装置の第2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. 特許文献6(特開2014−018174号公報)に示された図1である。It is FIG. 1 shown by patent document 6 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-018174). 特許文献6に示された図2Aである。It is FIG. 2A shown by patent document 6. FIG. 特許文献6に示された図2Bである。It is FIG. 2B shown by patent document 6. FIG.

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。   First, general items of the biological reaction apparatus and biological reaction method of the present invention will be described.

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るものである。   The biological reaction of the present invention is to cause a microorganism or the like to produce a reaction product using a culture solution as a nutrient source in a culture solution containing microorganisms or the like housed in a culture tank.

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 cell in the present invention include an animal cell for producing a physiologically active peptide or protein used as an antibody drug, particularly a genetically modified animal cell.

また、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微生物を用いることができる。培養槽で生成された反応生成物は、微生物等を含有する培養液と共に培養槽から抜き出され、ろ過器で微生物とろ過液に分離され、ろ過液から反応生成物が回収される。   In addition to microorganisms such as Aspergillus oryzae, natto, acetic acid, yeast, lactic acid, and other aerobic microorganisms that are conventionally used in technical fields such as brewing and fermentation, etc. Various aerobic microorganisms can be used. The reaction product generated in the culture tank is extracted from the culture tank together with a culture solution containing microorganisms and the like, separated into microorganisms and a filtrate by a filter, and the reaction product is recovered from the filtrate.

本発明のろ過器は、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 of the present invention comprises 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.

本発明のろ過方式としては、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上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 of the present invention, cross flow filtration using a hollow fiber membrane module is preferred. 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培養液が酸素含有気体のマイクロナノバブルを含んでいるため、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 culture solution containing microorganisms and the like to be filtered contains micro-nano bubbles of oxygen-containing gas, even if it is flowed at a lower flow rate than usual, it can scrape membrane dirt. Stress and damage to microorganisms can be greatly reduced.

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、培養液に酸素含有気体のマイクロナノバブル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, the circulation flow rate is 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 containing micro-nano bubbles of oxygen-containing gas in the culture solution, the membrane flux is reduced and the filtration resistance can be kept small, so that the same flux (the amount of membrane filtered water per unit time and unit membrane area) can be obtained. 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。   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.

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。   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.

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においては、目的物の回収は、バッチ式で行ってもよいし、連続式で行ってもよい。   In the bioreactor of the present invention and the bioreaction method using this bioreactor, the target product may be collected batchwise or continuously.

バッチ式で行う場合には、培養槽内における生物反応が完了した後、培養槽ポンプを駆動して、ろ過したろ過液をろ過液貯槽に移送する。   In the case of performing the batch process, after the biological reaction in the culture tank is completed, the culture tank pump is driven to transfer the filtered filtrate to the filtrate storage tank.

連続式で行う場合には、培養槽の微生物等を含有する培養液の水位が一定に保たれるように、培養槽に供給される培養液の量とバランスをとって、ろ過したろ過液を抜き出し、ろ過液貯槽に移送する。   In the case of continuous operation, the filtered filtrate is balanced with the amount of the culture solution supplied to the culture vessel so that the water level of the culture solution containing microorganisms in the culture vessel is kept constant. Extract and transfer to the filtrate storage tank.

バッチ式、連続式のどちらを選定するかは、生物反応の効率、必要とされる目的物の純度、経済性等を考慮して、適宜選択することができる。   The batch type or continuous type can be selected as appropriate in consideration of the efficiency of biological reaction, the required purity of the target product, the economic efficiency, and the like.

つぎに、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の主要な特徴点は、前述のように、生物反応時に、
〇マイクロナノバブル発生装置により、微生物等を含有する培養液に酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させること、及び
〇溶存二酸化炭素除去装置により、微生物等を含有する培養液から溶存二酸化炭素を除去して、微生物等の呼吸作用により増加する培養液中の溶存二酸化炭素濃度を低下させること、
を特徴とするものであり、以下にこれらの事項について説明する。
Next, the main features of the biological reaction apparatus of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction apparatus are as described above, during the biological reaction,
O The micro-nano bubble generating device contains micro-nano bubbles of oxygen-containing gas in the culture solution containing microorganisms, and ○ The dissolved carbon dioxide removal device removes dissolved carbon dioxide from the culture solution containing microorganisms. Reducing the concentration of dissolved carbon dioxide in the culture medium, which increases due to the respiratory action of microorganisms,
These items will be described below.

<マイクロナノバブル発生装置により、微生物等を含有する培養液に酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させることについて>
本発明の第1の特徴は、マイクロナノバブル発生装置により、微生物等を含有する培養液に酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させることにより、微生物等の呼吸作用に必要な酸素を十分に培養液中に供給して呼吸作用を促進し、生物反応を効率的に行うことにある。
<About adding micro-nano bubbles of oxygen-containing gas to a culture solution containing microorganisms or the like by a micro-nano bubble generator>
The first feature of the present invention is that the micro-nano bubble generator causes the culture solution containing microorganisms or the like to contain micro-nano bubbles of oxygen-containing gas, so that oxygen necessary for the respiratory action of the microorganisms is sufficiently contained in the culture solution. It is to promote the respiratory action by supplying to the body, and to perform biological reaction efficiently.

生物反応時に微生物等を含有する培養液に、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させることにより、特許文献1〜4にも記載されているように、微生物等の活性化を促進し、生物反応の反応効率の向上、反応時間の短縮等を図ることができる。   By adding micro-nano bubbles of oxygen-containing gas to a culture solution containing microorganisms or the like during biological reaction, activation of microorganisms is promoted as described in Patent Documents 1 to 4, and It is possible to improve reaction efficiency and shorten reaction time.

本発明では、生物反応時に微生物等を含有する培養液に、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させるが、微生物等に呼吸に必要な酸素を効率的に供給する観点からは、酸素含有気体の酸素含有率を高く設定するのが好ましい。   In the present invention, micro-nano bubbles of oxygen-containing gas are included in a culture solution containing microorganisms or the like during a biological reaction. From the viewpoint of efficiently supplying oxygen necessary for respiration to microorganisms or the like, oxygen of the oxygen-containing gas It is preferable to set the content rate high.

微生物等を含有する培養液または洗浄液にマイクロナノバブルを含有させる手段としては、
a)培養槽の外部に設けたマイクロナノバブル発生装置により、培養槽の微生物等を含有する培養液にマイクロナノバブルを放出する手段、
b)培養槽に培養液を供給する管路に設けたマイクロナノバブル発生装置により、培養槽に供給される培養液にマイクロナノバブルを含有させる手段、
c)微生物等を含有する培養液から回収したろ過液に、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、このマイクロナノバブルを含有するろ過液を培養槽に還流する手段
d)マイクロナノバブルを予め含有させた培養液を、管路を通じて培養槽に供給する手段
などを採用することができる。
As a means for containing micro-nano bubbles in a culture solution or washing solution containing microorganisms,
a) means for releasing the micro / nano bubbles into the culture solution containing microorganisms in the culture tank by the micro / nano bubble generator provided outside the culture tank;
b) Means for containing micro / nano bubbles in the culture solution supplied to the culture tank by the micro / nano bubble generator provided in the conduit for supplying the culture solution to the culture tank,
c) Means for causing the filtrate collected from the culture solution containing microorganisms to contain micro / nano bubbles by a micro / nano bubble generator and refluxing the filtrate containing the micro / nano bubbles to the culture tank d) Pre-containing the micro / nano bubbles A means for supplying the culture solution to the culture tank through a conduit can be employed.

これらの手段は、単独で、あるいは、組み合わせて採用できるが、どの手段を採用するかは、使用する微生物等の剪断力等に対する耐性、生物反応の効率、経済性等を考慮して、適宜選択することができる。   These means can be adopted singly or in combination, but which means is selected as appropriate in consideration of resistance to shearing force of microorganisms used, efficiency of biological reaction, economy, etc. can do.

微生物等に与えるストレスやダメージが最も少ない手段は、上記b)及びd)の手段であり、ストレスやダメージに著しく弱い微生物等を用いる場合には、上記b)またはd)の手段を用いるのが好ましい。   The means with the least stress and damage to microorganisms are the means of b) and d). When using microorganisms that are extremely vulnerable to stress and damage, the means of b) or d) is used. preferable.

一般的には、上記a)の手段ではナノバブルの放出によって生じる剪断力により、微生物等にストレスやダメージが与えられることが多い。また、上記c)手段ではろ過の際に生じる剪断力により、微生物等にストレスやダメージが与えられるが、ろ過手段を選択することにより、微生物等に与えられるストレスやダメージをかなり軽減することができる。   In general, the means a) often gives stress or damage to microorganisms or the like due to the shearing force generated by the release of nanobubbles. Further, in the above c) means, stress and damage are given to microorganisms and the like due to the shearing force generated during filtration, but by selecting the filtration means, the stress and damage given to microorganisms and the like can be considerably reduced. .

また、後述するように、微生物等を多孔質構造体で担持する手法を採用すれば、このようなストレスやダメージを大幅に軽減することができる。   Further, as will be described later, if a technique of supporting microorganisms or the like with a porous structure is employed, such stress and damage can be greatly reduced.

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る。   As the micro / nano bubble generating apparatus, a known or commercially available apparatus can be used.

マイクロバブル発生装置としては、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」、水流を起こして渦を発生させ、渦内に大きな気泡を巻き込み、この渦を崩壊させたときに気泡がバラバラに細分化する現象を利用した「気液二相流旋回型マイクロバブル発生装置」等を用いることができる。   As a microbubble generator, for example, a sufficient amount of gas is dissolved in water at a certain high pressure, and then the pressure is released to create a supersaturated condition of the dissolved gas. "A gas-liquid two-phase flow swirl type micro-bubble generator that utilizes the phenomenon of generating a vortex by generating a water flow, entraining a large bubble in the vortex, and breaking the vortex into bubbles. Or the like.

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.

<溶存二酸化炭素除去装置により、微生物等を含有する培養液から溶存二酸化炭素を除去して、微生物等の呼吸作用により増加する培養液中の溶存二酸化炭素濃度を低下させることについて>
本発明の第2の特徴は、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液から、二酸化炭素透過性膜を介して減圧により、溶存二酸化炭素を除去することにより、微生物等の呼吸作用により高くなる培養液の溶存二酸化炭素濃度を十分に低下させて呼吸作用を促進し、生物反応を効率的に行うことにある。
<About removing dissolved carbon dioxide from a culture solution containing microorganisms or the like with a dissolved carbon dioxide removal device to reduce the dissolved carbon dioxide concentration in the culture solution that increases due to the respiratory action of microorganisms or the like>
The second feature of the present invention is that the dissolved carbon dioxide is removed from the culture solution extracted from the culture tank and containing microorganisms through a carbon dioxide permeable membrane under reduced pressure, thereby causing the respiratory action of microorganisms and the like. It is to reduce the concentration of dissolved carbon dioxide in the culture solution that becomes high enough to promote the respiratory action, and to perform biological reactions efficiently.

上記のように、細胞培養液から溶存二酸化炭素を除去する手段として、特許文献5に記載されているような、培養液中に二酸化炭素非含有ガスの比較的大径の気泡を供給する手段があるが、この手段では、溶存二酸化炭素を十分に除去するため通気量を増大させると、細胞の損傷を生じる可能性が増大する。また、特許文献6に記載されているような、二酸化炭素の濃度差を利用して、培養液中に配した二酸化炭素透過膜性膜を通して気相部内に引き込む手段があるが、この手段は、二酸化炭素の濃度差により生じる小さな力によって、溶存二酸化炭素を二酸化炭素透過性膜を通して引き込むものであるので、培養液に溶存した二酸化炭素を十分に除去することは難しい。   As described above, as a means for removing dissolved carbon dioxide from the cell culture solution, there is a means for supplying relatively large-sized bubbles of carbon dioxide-free gas into the culture solution as described in Patent Document 5. However, with this measure, increasing the aeration rate to sufficiently remove dissolved carbon dioxide increases the potential for cell damage. In addition, as described in Patent Document 6, there is a means for drawing in the gas phase part through a carbon dioxide permeable membrane membrane disposed in the culture solution using a difference in carbon dioxide concentration. Since dissolved carbon dioxide is drawn through the carbon dioxide permeable membrane by a small force generated by the concentration difference of carbon dioxide, it is difficult to sufficiently remove carbon dioxide dissolved in the culture solution.

これに対して、本発明では、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液を溶存二酸化炭素除去装置に導き、この培養液から、減圧により生じる圧力差を駆動力として、二酸化炭素透過性膜を介して溶存二酸化炭素を十分に除去するものである。   In contrast, in the present invention, a culture solution containing microorganisms and the like extracted from the culture tank is guided to a dissolved carbon dioxide removing device, and from this culture solution, a pressure difference caused by decompression is used as a driving force, and carbon dioxide permeability is obtained. The dissolved carbon dioxide is sufficiently removed through the membrane.

培養液には、二酸化炭素以外にも酸素、窒素等が溶存しており、酸素分子、窒素分子の大きさ(それぞれ、3.64Å、3.78Å)は二酸化炭素分子の大きさ(4.6Å)よりも小さいことから、溶存二酸化炭素除去装置により、培養液に溶存している二酸化炭素だけでなく、酸素、窒素等も除去されることとなるが、本発明では、まず、溶存二酸化炭素の除去を十分に行い、これと共に除去される溶存酸素については、マイクロナノバブル発生装置で発生させる酸素含有気体のマイクロナノバブルにより補充する。   In addition to carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and the like are dissolved in the culture solution. The size of oxygen molecules and nitrogen molecules (3.64Å and 3.78 そ れ ぞ れ respectively) is the size of carbon dioxide molecules (4.6Å). ), The dissolved carbon dioxide removal device removes not only carbon dioxide dissolved in the culture solution but also oxygen, nitrogen, etc. In the present invention, first, The removal is sufficiently performed, and the dissolved oxygen removed together with this is supplemented with micro-nano bubbles of oxygen-containing gas generated by the micro-nano bubble generator.

本発明の溶存二酸化炭素除去装置の二酸化炭素透過性膜としては、公知または市販されているもの、例えば、ポリイミド膜高分子膜等の高分子膜、ナノメートルオーダーの細孔を持つゼオライト膜、シリカ膜、炭素膜等の無機膜を用いることができる。また、特公平7−102310号公報に開示されているような、未架橋のビニルアルコール−アクリル酸塩共重合体水溶液を、二酸化炭素透過性支持体上へ膜状に塗布した後、加熱し、架橋させて水不溶化し、この水不溶化物に、二酸化炭素キャリア(二酸化炭素と親和性を有する物質)を含む水溶液を吸収させてゲル化することにより製造される二酸化炭素透過性膜、特開2009−195900号公報に開示されているような、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜に炭酸セシウム若しくは重炭酸セシウム若しくは水酸化セシウムからなる添加剤を添加したゲル層を親水性の多孔膜に担持させてCO促進輸送膜を形成し、所定の主成分ガスに少なくとも二酸化炭素と水蒸気が含まれる原料ガスをCO促進輸送膜の原料側面に100℃以上の供給温度で供給して、CO促進輸送膜を透過した二酸化炭素を透過側面から取り出す二酸化炭素透過性膜等も用いることができる。Examples of the carbon dioxide permeable membrane of the dissolved carbon dioxide removal apparatus of the present invention include those known or commercially available, for example, polymer membranes such as polyimide membrane polymer membranes, zeolite membranes having nanometer order pores, silica An inorganic film such as a film or a carbon film can be used. In addition, an uncrosslinked vinyl alcohol-acrylate copolymer aqueous solution as disclosed in JP-B-7-102310 is applied in a film form on a carbon dioxide permeable support, and then heated. A carbon dioxide permeable membrane produced by cross-linking and water insolubilization, and gelling by absorbing an aqueous solution containing a carbon dioxide carrier (a substance having an affinity for carbon dioxide) into the water insolubilized product A gel layer obtained by adding an additive made of cesium carbonate, cesium bicarbonate or cesium hydroxide to a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel film as disclosed in JP-A-195900 by supporting form a CO 2 -facilitated transport membrane, the feed gas contains at least carbon dioxide and water vapor to a predetermined main component gas CO 2 -facilitated transport membrane Charge supplied at 100 ° C. or more feed temperature on the side surface, the carbon dioxide permeable membrane such as to take out the carbon dioxide that has passed through the CO 2 -facilitated transport membrane from the permeate side may also be used.

本発明の溶存二酸化炭素除去装置の構造としては、好ましくは、
1)平行する多数の二酸化炭素透過性中空糸膜中に、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液を流し、これらの中空糸膜と略直交する方向に減圧気体を流す構造、
2)平行する多数の二酸化炭素透過性中空糸膜中に減圧気体を流し、これらの中空糸膜と略直交する方向に、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液を流す構造、
3)平行する多数の二酸化炭素透過性中空糸膜中に、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液を流し、これらの中空糸膜と略平行する方向に減圧気体を流す構造、及び
4)平行する多数の二酸化炭素透過性中空糸膜中に減圧気体を流し、これらの中空糸膜と略平行する方向に、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液を流す構造、
を採用することができる。上記1)の構造の溶存二酸化炭素除去装置を用いた場合には、溶存二酸化炭素の除去が効率的に行えるので、さらに好ましい。これらの構造を備えた装置は、例えば、株式会社ポリポアから、「Liqui−Cel」という商品名で各種のタイプのものが市販されている。
As the structure of the dissolved carbon dioxide removal device of the present invention, preferably,
1) A structure in which a culture solution containing microorganisms and the like extracted from a culture tank is flowed into a large number of carbon dioxide permeable hollow fiber membranes in parallel, and a reduced-pressure gas is caused to flow in a direction substantially orthogonal to these hollow fiber membranes,
2) A structure in which a reduced pressure gas is caused to flow in a large number of carbon dioxide permeable hollow fiber membranes in parallel, and a culture solution containing microorganisms and the like extracted from the culture tank is allowed to flow in a direction substantially orthogonal to these hollow fiber membranes.
3) A structure in which a culture solution containing microorganisms or the like extracted from a culture tank is allowed to flow in a large number of parallel carbon dioxide permeable hollow fiber membranes, and a reduced-pressure gas is caused to flow in a direction substantially parallel to these hollow fiber membranes; 4) A structure in which a reduced pressure gas is caused to flow through a large number of parallel carbon dioxide permeable hollow fiber membranes, and a culture solution containing microorganisms and the like extracted from the culture tank is allowed to flow in a direction substantially parallel to the hollow fiber membranes.
Can be adopted. When the dissolved carbon dioxide removing apparatus having the structure 1) is used, it is more preferable because the dissolved carbon dioxide can be removed efficiently. Various types of apparatuses having these structures are commercially available from Polypore Corporation under the trade name “Liqui-Cel”, for example.

溶存二酸化炭素除去装置、マイクロナノバブル発生装置により与えられるシェアストレスに強い微生物等を用いる場合には、培養槽から抜き出した、微生物等を含有する培養液を直接これらの装置に供給して良いが、シェアストレスに弱い微生物等を用いる場合には、この培養液を一旦ろ過器に供給し、このろ過器で分離されたろ過液をこれらの装置に供給し、このろ過器で分離された、ろ過液が除かれた培養液(すなわち、微生物等が濃縮された培養液)を管路を通して培養槽の戻すようにすることが好ましい。   When using microorganisms that are resistant to the shear stress given by the dissolved carbon dioxide removal device and the micro / nano bubble generation device, the culture solution containing the microorganisms extracted from the culture tank may be supplied directly to these devices, When using microorganisms that are vulnerable to shear stress, supply the culture solution to the filter once, supply the filtrate separated by the filter to these devices, and then remove the filtrate separated by the filter. It is preferable to return the culture solution from which the microorganisms have been removed (that is, the culture solution in which microorganisms and the like are concentrated) to the culture tank through the pipeline.

また、微生物等に与えるシェアストレスを更に軽減するためには、微生物等を細孔中に担持した多孔質構造体(以下、「担持構造体」という。)を用いることができる。この担持構造体を用いた生物反応装置及び生物反応方法について、以下に説明する。   In order to further reduce the shear stress applied to microorganisms or the like, a porous structure (hereinafter referred to as “supporting structure”) in which microorganisms are supported in the pores can be used. A biological reaction apparatus and a biological reaction method using this carrying structure will be described below.

1)担持構造体
担持構造体は、微生物等を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高いものであり、この担持構造体は、多孔質構造体と、微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させることにより製造することができる。
1) Support structure The support structure has a high support density in which microorganisms and the like are supported to the back of the pores, and the support structure contains a porous structure, microorganisms, and micro-nano bubbles. It can manufacture by making it contact with a culture solution.

多孔質構造体としては、細孔を有するもの、特に、連続孔を有する三次元立体網目構造を有するものを用いることが好ましい。単にこのような構造を有する多孔質構造体を用いただけでは、通常、細孔の内部には酸素が十分に供給されないため、微生物等は多孔質構造体の表面にしか担持することができない。   As the porous structure, it is preferable to use one having pores, particularly one having a three-dimensional solid network structure having continuous pores. If only a porous structure having such a structure is used, oxygen is not sufficiently supplied to the inside of the pores, so that microorganisms or the like can be supported only on the surface of the porous structure.

一方、多孔質構造体に接触させる培養液として、微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液を用いることで、多孔質構造体の細孔の奥まで酸素を供給でき、細孔の奥まで微生物等を担持させることができ、微生物等の担持密度を高くすることができる。   On the other hand, by using a culture solution containing microorganisms and micro-nano bubbles as a culture solution to be brought into contact with the porous structure, oxygen can be supplied to the depths of the pores of the porous structure, and the microorganisms etc. to the depths of the pores. Can be carried, and the carrying density of microorganisms and the like can be increased.

さらに、生物反応により得られた微生物等の代謝産物などの反応物(以下、「目的物」という。)を培養槽から回収する場合等では、培養液から微生物等を分離しろ過液を回収する必要があるが、担持構造体を用いれば、微生物等の分離を簡単かつ経済的に行うことができる。   Further, when recovering a reaction product such as a metabolite such as a microorganism (hereinafter referred to as “target product”) obtained from a biological reaction from a culture tank, the microorganism is separated from the culture solution and the filtrate is recovered. Although it is necessary, if a carrying structure is used, separation of microorganisms and the like can be performed easily and economically.

次に、担持構造体の製造方法の好適例について説明する。   Next, a preferred example of the method for manufacturing the carrying structure will be described.

多孔質構造体に微生物等を担持させる方法としては、培養液に微生物等を添加して、微生物等を培養・増殖させた後に多孔質構造体と接触させ担持させる方法、または、培養液に微生物等及び多孔質構造体を添加して、微生物等を培養・増殖させながら担持させる方法が挙げられる。   As a method of supporting microorganisms or the like on the porous structure, a method of adding microorganisms or the like to the culture solution and culturing and growing the microorganisms and then bringing them into contact with the porous structure or supporting the microorganism in the culture solution And a porous structure, and a method of supporting microorganisms while culturing and growing them.

前者の方法は、次のような手順で行う。
a)まず、必要とする微生物等以外の微生物、細菌等が存在しないようにするため、多孔質構造体、培養液等を滅菌する。
b)次に、培養液に微生物等を添加し、培養液にマイクロナノバブルを含有させながら、微生物等を培養・増殖させる。
c)微生物等が一定濃度以上に増殖した段階で、培養液にマイクロナノバブルを含有させながら、多孔質構造体と接触させる。
The former method is performed by the following procedure.
a) First, sterilize the porous structure, the culture solution, etc. so that microorganisms other than the necessary microorganisms, bacteria, etc. do not exist.
b) Next, microorganisms etc. are added to a culture solution, and microorganisms etc. are culture | cultivated and propagated, making a culture solution contain a micro nano bubble.
c) In a stage where microorganisms or the like have grown to a certain concentration or higher, the medium is brought into contact with the porous structure while containing the micro / nano bubbles in the culture solution.

また、後者の方法は、次のような手順で行う。
a)まず、必要とする微生物等以外の微生物、細菌等が存在しないようにするため、多孔質構造体、培養液等を滅菌する。
d)次に、培養液に多孔質構造体を添加し、培養液にマイクロナノバブルを含有させる。
e)培養液に微生物等を添加し、培養液にマイクロナノバブルを含有させながら、微生物等を培養・増殖させる。
The latter method is performed in the following procedure.
a) First, sterilize the porous structure, the culture solution, etc. so that microorganisms other than the necessary microorganisms, bacteria, etc. do not exist.
d) Next, the porous structure is added to the culture solution, and the culture solution contains micro-nano bubbles.
e) A microorganism or the like is added to the culture solution, and the microorganism or the like is cultured and grown while the culture solution contains micro-nano bubbles.

上記の方法において用いる培養液には、主として糖類、窒素源が含まれる。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。   The culture solution used in the above method mainly contains saccharides and a nitrogen source. 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.

上記工程b)及び工程e)における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。   The concentration added to the culture solution of microorganisms and the like in step b) and step e) is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 10 g / L, and is preferably 3.0 to 6.0 g / L. Is more preferable.

なお、上記工程b)においては、微生物等の増殖を促進するために処理水にマイクロナノバブルを含有させているが、マイクロナノバブルを含有させなくても微生物等の培養・増殖が十分迅速に行える場合には、マイクロナノバブルの含有を省略することができる。   In the above step b), micronano bubbles are contained in the treated water in order to promote the growth of microorganisms, etc., but when microorganisms and the like can be cultured and grown sufficiently quickly without containing micronano bubbles. The inclusion of micro-nano bubbles can be omitted.

上記工程c)における、マイクロナノバブルの含有させた培養液と多孔質構造体との接触は、例えば、処理水中に多孔質構造体を入れて振とう撹拌することにより行うことができる。   The contact between the culture solution containing the micro-nano bubbles and the porous structure in the step c) can be performed by, for example, placing the porous structure in the treated water and stirring with shaking.

連続孔を有する三次元立体網目構造を有する多孔質構造体の連続孔の孔径は、担持する微生物等の大きさにもよるが、通常は1〜30μmであるのが好ましく、5〜10μm前後であるのがより好ましい。   The pore diameter of the continuous pores of the porous structure having a three-dimensional three-dimensional network structure having continuous pores is preferably 1 to 30 μm, although it depends on the size of microorganisms to be supported, etc. More preferably.

本発明において好適に用いられる多孔質構造体の素材としては、ポリビニルアルコールといったビニルアルコール系樹脂、ポリエチレングリコールといったエーテル系樹脂、ポリメタクリル酸といったアクリル系樹脂、ポリアクリルアミドといったアクリルアミド系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンといったオレフィン系樹脂、ポリスチレンといったスチレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートといったエステル系樹脂、ポリアクリロニトリルといったアクリロニトリル系樹脂、ポリウレタンスポンジといったウレタン系樹脂、アルギン酸カルシウム、κ(カッパ)カラギーナン、寒天、セルロース誘導体といった多糖類、ポリエステルエアクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレートといった光硬化性樹脂、活性炭といった多孔質無機化合物などを例示することができる。   Examples of the material of the porous structure suitably used in the present invention include vinyl alcohol resins such as polyvinyl alcohol, ether resins such as polyethylene glycol, acrylic resins such as polymethacrylic acid, acrylamide resins such as polyacrylamide, polyethylene, and polypropylene. Olefin resins, styrene resins such as polystyrene, ester resins such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, acrylonitrile resins such as polyacrylonitrile, urethane resins such as polyurethane sponge, calcium alginate, κ (kappa) carrageenan, agar, and cellulose derivatives Sugars, polyester acrylate, epoxy acrylate, urethane acrylate Tsu photocurable resin, and the like can be exemplified porous inorganic compounds such as activated carbon.

より好適には、内部に至るまで多孔質で網目状となった構造を有する点、及びゲル内に多量の水を取り込むことができる点で、ポリビニルアルコール系多孔質ゲルが好ましい。   More preferably, a polyvinyl alcohol-based porous gel is preferable in that it has a porous and network structure up to the inside and a large amount of water can be taken into the gel.

さらに、多孔質ゲルの機械的強度を十分に向上させることができ、生物反応の際に強い撹拌を行っても十分に耐え得る強度を有する点で、ホルマール化ポリビニルアルコール系多孔質ゲルやアセタール化ポリビニルアルコール系多孔質ゲルがより好ましい。ポリビニルアルコール系多孔質ゲルの具体例としては、例えば、株式会社クラレの商品名クラゲールを挙げることができる。   In addition, the mechanical strength of the porous gel can be improved sufficiently, and it has the strength that it can withstand even with strong agitation during a biological reaction. Formalized polyvinyl alcohol porous gel and acetalization A polyvinyl alcohol-based porous gel is more preferable. Specific examples of the polyvinyl alcohol-based porous gel include, for example, Kuraray Co., Ltd. trade name.

担持構造体は、上記のように、培養液にマイクロナノバブルを含有させることで、微生物等の担持密度を高くしたものである。   As described above, the support structure is one in which the support density of microorganisms or the like is increased by adding micro-nano bubbles to the culture solution.

生物反応を効率的に行うための要素としては、培養液中の微生物等の密度を高くすることが挙げられるが、密度を高くしすぎると、微生物等に栄養分及び酸素が十分に提供されなくなるため生物反応の効率が低下することとなる。   An element for efficiently performing a biological reaction is to increase the density of microorganisms in the culture solution. However, if the density is too high, nutrients and oxygen are not sufficiently provided to the microorganisms. The efficiency of biological reactions will be reduced.

培養液だけを用いて微生物等を培養する場合、好気性微生物を適正に培養できる菌体密度は、3〜6g/L程度とされている。   When culturing microorganisms etc. using only a culture solution, the cell density which can culture aerobic microorganisms appropriately is about 3-6 g / L.

一方、微生物等を多孔質構造体に担持させる場合には、微生物等への栄養分及び酸素の提供の点には問題はないものの、従来の担持方法では多孔質構造体の細孔の奥まで微生物等を担持させることが難しいため、上記培養液を多孔質構造体に高密度で微生物等を担持し続けることが困難であった。(純粋培養における多孔質構造体の細孔の奥まで微生物等を担持させた事例は見当たらない。)   On the other hand, when microorganisms are supported on a porous structure, there is no problem in providing nutrients and oxygen to the microorganisms, but in the conventional supporting method, microorganisms are penetrated deep into the pores of the porous structure. It is difficult to carry microorganisms etc. at a high density in the porous structure. (There are no examples of supporting microorganisms or the like deep inside the pores of the porous structure in pure culture.)

これに対して、本発明の担持構造体では、培養液にマイクロナノバブルを含有させることにより、多孔質構造体の細孔の奥まで微生物等を担持させることができ、微生物等、多孔質構造体の素材等にもよるが、密度を上記培養液の菌体密度の5〜6倍程度にすることができる。   On the other hand, in the supporting structure of the present invention, by incorporating micro-nano bubbles in the culture solution, microorganisms and the like can be supported deep inside the pores of the porous structure. Depending on the material, etc., the density can be about 5 to 6 times the cell density of the culture solution.

担持構造体の形状は、特に限定されないが、例えば球状、直方体形状、立方体形状等の粉粒体形状が好ましい。粉粒体を用いれば、好気性微生物固定化のための表面積を大きく増大させることができて、より高効率で目的物を製造することができる。多孔質ゲル粉粒体の乾燥時の粒径(直径)は0.5〜10mmであるのが好ましい。   The shape of the support structure is not particularly limited, but for example, a granular shape such as a spherical shape, a rectangular parallelepiped shape, or a cubic shape is preferable. If the powder is used, the surface area for aerobic microorganism immobilization can be greatly increased, and the target product can be produced with higher efficiency. The particle size (diameter) at the time of drying of the porous gel particles is preferably 0.5 to 10 mm.

担持構造体の使用形態は、微生物培養液中にカラム、網体等で固定されていても、また、微生物培養液中に分散した状態で存在してもよい。   The use structure of the support structure may be fixed in the microorganism culture solution by a column, a net, or the like, or may be present in a dispersed state in the microorganism culture solution.

2)微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させること
本発明においては、上記1)で得られた担持構造体は、培養液と共に微生物培養槽に収容され、この微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させて生物反応が行われる。
2) Inclusion of micro-nano bubbles in the microorganism culture solution In the present invention, the support structure obtained in 1) above is housed in a microorganism culture tank together with the culture solution, and the microorganism culture solution contains micro-nano bubbles. Biological reactions take place.

このように、微生物等を細孔の奥まで担持させた、微生物等の担持密度の高い多孔質構造体を用い、さらに、培養液にマイクロナノバブルを含有させることにより、多孔質構造体の細孔の奥に担持した微生物等にも呼吸に必要な酸素を十分に供給できるので、生物反応の効率を向上することができる。   In this way, by using a porous structure having a high loading density of microorganisms and the like, in which microorganisms are supported to the back of the pores, and further containing micro-nano bubbles in the culture solution, the pores of the porous structure Since the oxygen necessary for respiration can be sufficiently supplied to the microorganisms and the like carried in the back of the body, the efficiency of the biological reaction can be improved.

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は、微生物等の培養液に、微生物等の呼吸作用に必要な酸素を十分に供給するとともに、微生物等の培養液から、微生物等の呼吸作用により生じた溶存二酸化炭素を十分に除去することにより、微生物等の呼吸作用を促進し、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことのできる極めて優れたものである。   As described above, the biological reaction apparatus of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction apparatus sufficiently supply oxygen necessary for the respiratory action of microorganisms to the culture solution of microorganisms and the like. By sufficiently removing the dissolved carbon dioxide produced by the respiratory action of microorganisms, etc. from the culture fluid such as microorganisms, the respiratory action of microorganisms is promoted, and biological reactions using microorganisms are performed efficiently and economically. It is a very good thing that can be.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を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.

図1に、この発明の生物反応装置の第1実施形態を模式的に示す。この第1実施形態は、シェアストレスに強い微生物等を用いる場合に好適に用いることができ、培養槽1から抜き出した、微生物等を含有する培養液5を、直接、溶存二酸化炭素除去装置2及びマイクロナノバブル発生装置3に供給するものである。なお、第1実施形態では、培養槽1には、微生物等を含有する培養液5を撹拌するための培養槽撹拌機10が設置されている。   FIG. 1 schematically shows a first embodiment of the biological reaction apparatus of the present invention. This first embodiment can be suitably used in the case of using microorganisms and the like that are resistant to shear stress, and the culture solution 5 containing microorganisms and the like extracted from the culture tank 1 is directly added to the dissolved carbon dioxide removal device 2 and This is supplied to the micro / nano bubble generator 3. In the first embodiment, the culture tank 1 is provided with a culture tank agitator 10 for stirring the culture solution 5 containing microorganisms and the like.

第1実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液からの溶存二酸化炭素の除去及び微生物等の培養液への酸素含有気体のマイクロナノバブルの含有が行われる。
a)培養槽1に培養液4を供給する。
b)バルブ14を閉、バルブ13を開として培養槽ポンプ8を駆動し、微生物等を含有する培養液5を培養槽1から抜き出し、二酸化炭素透過性膜を介して減圧により溶存二酸化炭素を除去する溶存二酸化炭素除去装置2に供給する。
c)溶存二酸化炭素除去装置2で溶存二酸化炭素を除去した培養液を、マイクロナノバブル発生装置3に供給し、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させる。
d)マイクロナノバブル発生装置3で酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させた培養液を、培養槽1に戻す。
e)培養槽1で生成された反応生成物は、適当な時期に、バルブ13を閉、バルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動し、ろ過器6を通してろ過液と共に回収し、ろ過液貯槽9に貯えられる。
In the first embodiment, removal of dissolved carbon dioxide from a culture solution such as microorganisms and inclusion of micro-nano bubbles of oxygen-containing gas in the culture solution such as microorganisms are performed as follows.
a) The culture solution 4 is supplied to the culture tank 1.
b) The valve 14 is closed, the valve 13 is opened, the culture tank pump 8 is driven, the culture solution 5 containing microorganisms and the like is extracted from the culture tank 1, and the dissolved carbon dioxide is removed by decompression through the carbon dioxide permeable membrane. The dissolved carbon dioxide removing device 2 is supplied.
c) The culture solution from which the dissolved carbon dioxide has been removed by the dissolved carbon dioxide removing apparatus 2 is supplied to the micro / nano bubble generating apparatus 3 to contain oxygen-containing gas micro / nano bubbles.
d) The culture solution containing the micro-nano bubbles of the oxygen-containing gas in the micro-nano bubble generator 3 is returned to the culture tank 1.
e) The reaction product produced in the culture tank 1 is recovered together with the filtrate through the filter 6 by driving the culture tank pump 8 with the valve 13 closed and the valve 14 opened at an appropriate time, and the filtrate storage tank. It is stored in 9.

第1実施形態では、微生物等を含有する培養液から溶存二酸化炭素を除去して、微生物等の呼吸作用により増加する培養液中の溶存二酸化炭素濃度を低下させるとともに、この培養液に酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させて、微生物等の呼吸作用に必要な酸素を供給することにより、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。   In the first embodiment, dissolved carbon dioxide is removed from a culture solution containing microorganisms and the like, and the dissolved carbon dioxide concentration in the culture solution that increases due to the respiratory action of microorganisms and the like is reduced. By supplying the necessary micro-nano bubbles and supplying oxygen necessary for the respiratory action of microorganisms or the like, a biological reaction using microorganisms or the like can be performed efficiently and economically.

さらに、第1の実施形態では、培養槽1から抜き出した培養液4を、溶存二酸化炭素を除去し、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させた後に、再び培養槽1に戻すので、培養槽1内の微生物等の濃度を高く維持することができる。   Further, in the first embodiment, the culture solution 4 extracted from the culture vessel 1 is returned to the culture vessel 1 again after removing dissolved carbon dioxide and containing micro-nano bubbles of oxygen-containing gas. It is possible to maintain a high concentration of microorganisms in the inside.

図2に、この発明の生物反応装置の第2実施形態を模式的に示す。この第2実施形態は、シェアストレスに弱い微生物等を用いる場合に好適に用いることができ、培養槽1から抜き出した、微生物等を含有する培養液5をろ過器6に供給し、このろ過器6で分離されたろ過液を、溶存二酸化炭素除去装置2及びマイクロナノバブル発生装置3に供給するものである。なお、第2実施形態では、培養槽1には、微生物等を含有する培養液5を撹拌するための培養槽撹拌機10が設置されている。   FIG. 2 schematically shows a second embodiment of the biological reaction apparatus of the present invention. This second embodiment can be suitably used in the case of using a microorganism or the like that is weak against shear stress, and supplies the culture solution 5 containing the microorganism or the like extracted from the culture tank 1 to the filter 6. The filtrate separated in 6 is supplied to the dissolved carbon dioxide removing device 2 and the micro / nano bubble generating device 3. In the second embodiment, the culture tank 1 is provided with a culture tank agitator 10 for stirring the culture solution 5 containing microorganisms and the like.

第2実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液からの溶存二酸化炭素の除去及び微生物等の培養液への酸素含有気体のマイクロナノバブルの含有が行われる。   In the second embodiment, the removal of dissolved carbon dioxide from the culture solution of microorganisms and the inclusion of oxygen-containing gas micro-nano bubbles in the culture solution of microorganisms and the like are performed as follows.

a)培養槽1に培養液4を供給する。
b)バルブ14を閉、バルブ13及びバルブ15を開として培養槽ポンプ8を駆動し、微生物等を含有する培養液5を培養槽1から抜き出し、ろ過器6に供給する。
c)ろ過器6で分離された、ろ過液が除かれた培養液(すなわち、微生物等が濃縮された培養液)を、培養槽1に戻す。
d)ろ過器6で分離されたろ過液を、二酸化炭素透過性膜を介して減圧により溶存二酸化炭素を除去する溶存二酸化炭素除去装置2に供給する。
e)溶存二酸化炭素除去装置2で溶存二酸化炭素を除去したろ過液を、マイクロナノバブル発生装置3に供給し、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させる。
f)マイクロナノバブル発生装置3で酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させたろ過液を、培養槽1に戻す。
g)培養槽1で生成された反応生成物は、適当な時期に、バルブ13を閉、バルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動し、ろ過液と共に回収し、ろ過液貯槽9に貯えられる。
a) The culture solution 4 is supplied to the culture tank 1.
b) The valve 14 is closed, the valve 13 and the valve 15 are opened, the culture tank pump 8 is driven, and the culture solution 5 containing microorganisms and the like is extracted from the culture tank 1 and supplied to the filter 6.
c) The culture solution separated from the filter 6 from which the filtrate is removed (that is, the culture solution in which microorganisms and the like are concentrated) is returned to the culture tank 1.
d) The filtrate separated by the filter 6 is supplied to the dissolved carbon dioxide removing apparatus 2 that removes the dissolved carbon dioxide by reducing the pressure through the carbon dioxide permeable membrane.
e) The filtrate from which the dissolved carbon dioxide has been removed by the dissolved carbon dioxide removing apparatus 2 is supplied to the micro / nano bubble generating apparatus 3 to contain oxygen-containing gas micro / nano bubbles.
f) The filtrate containing the micro-nano bubbles of the oxygen-containing gas in the micro-nano bubble generator 3 is returned to the culture tank 1.
g) The reaction product produced in the culture tank 1 is collected at a suitable time with the valve 13 closed and the valve 14 opened to drive the culture tank pump 8 and collected together with the filtrate and stored in the filtrate storage tank 9. .

第2実施形態では、微生物等を含有する培養液のろ過液から溶存二酸化炭素を除去し、また、このろ過液に酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させることにより、微生物等に加わるシェアストレスを低減しつつ、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。   In the second embodiment, dissolved carbon dioxide is removed from the filtrate of a culture solution containing microorganisms, and the share stress applied to the microorganisms is reduced by adding micro-nano bubbles of oxygen-containing gas to the filtrate. However, a biological reaction using microorganisms or the like can be performed efficiently and economically.

図3に、この発明の生物反応装置の第3実施形態を模式的に示す。
第3実施形態は、微生物等をポリビニルアルコール系多孔質ゲル等の多孔質構造体に担持させた担持構造体11を用いることを特徴としている。また、担持構造体11を用いることにより、微生物等を含有する培養液をろ過する際に、ポリフッ化ビニリデン等の有機高分子化合物からなる多孔性膜、金属製の金網等のろ過精度の低い平膜7を用いることができる。
FIG. 3 schematically shows a third embodiment of the biological reaction apparatus of the present invention.
The third embodiment is characterized in that a supporting structure 11 in which a microorganism or the like is supported on a porous structure such as a polyvinyl alcohol porous gel is used. In addition, by using the support structure 11, when filtering a culture solution containing microorganisms or the like, a flat membrane with a low filtration accuracy such as a porous membrane made of an organic polymer compound such as polyvinylidene fluoride or a metal wire mesh is used. A membrane 7 can be used.

第3実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液からの溶存二酸化炭素の除去及び微生物等の培養液への酸素含有気体のマイクロナノバブルの含有が行われる。   In the third embodiment, the removal of dissolved carbon dioxide from a culture solution such as microorganisms and the inclusion of micro-nano bubbles of oxygen-containing gas in the culture solution such as microorganisms are performed as follows.

a)培養槽1に培養液4を供給し、培養槽1内において、微生物等を担持した担持構造体11を培養液4に分散させる。
b)バルブ14を閉、バルブ13を開として培養槽ポンプ8を駆動し、微生物等を含有する培養液5を培養槽1から平膜7を通して抜き出し、ろ過液を、二酸化炭素透過性膜を介して減圧により溶存二酸化炭素を除去する溶存二酸化炭素除去装置2に供給する。
c)溶存二酸化炭素除去装置2で溶存二酸化炭素を除去したろ過液を、マイクロナノバブル発生装置3に供給し、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させる。
d)マイクロナノバブル発生装置3で酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させたろ過液を、培養槽1に戻す。
g)培養槽1で生成された反応生成物は、適当な時期に、バルブ13を閉、バルブ14を開として培養槽ポンプ8を駆動し、ろ過液と共に回収し、ろ過液貯槽9に貯えられる。
a) The culture solution 4 is supplied to the culture tank 1, and the supporting structure 11 carrying microorganisms or the like is dispersed in the culture solution 4 in the culture tank 1.
b) The valve 14 is closed, the valve 13 is opened and the culture tank pump 8 is driven, the culture solution 5 containing microorganisms and the like is extracted from the culture vessel 1 through the flat membrane 7, and the filtrate is passed through the carbon dioxide permeable membrane. Then, it is supplied to the dissolved carbon dioxide removing device 2 that removes the dissolved carbon dioxide by reducing the pressure.
c) The filtrate from which the dissolved carbon dioxide has been removed by the dissolved carbon dioxide removing apparatus 2 is supplied to the micro / nano bubble generating apparatus 3 to contain oxygen-containing gas micro / nano bubbles.
d) The filtrate containing oxygen-containing gas micro-nano bubbles in the micro-nano bubble generator 3 is returned to the culture tank 1.
g) The reaction product produced in the culture tank 1 is collected at a suitable time with the valve 13 closed and the valve 14 opened to drive the culture tank pump 8 and collected together with the filtrate and stored in the filtrate storage tank 9. .

第3実施形態は、培養液中の溶存二酸化炭素濃度を低下させるとともに、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させることにより、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との特長の他に、微生物等を担持させた担持構造体11を用いることにより、次のような特長を有する。
〇培養槽1中の微生物等の密度を高くできるため、生物反応の効率を高めることができる。
〇微生物等を含有する培養液5から微生物等を分離するために、醸造や発酵の技術分野で通常行われている精密ろ過器を採用する必要はなく、ポリフッ化ビニリデン等の有機高分子化合物からなる多孔性膜、金属製の金網等のろ過精度の低い平膜7を採用できるため、ろ過工程を経済的かつ効率的に行うことができる。
〇微生物等に大きなストレスやダメージを与えることなく、生物反応を効率的、経済的に行うことができる。
According to the third embodiment, when the dissolved carbon dioxide concentration in the culture solution is reduced and the micro-nano bubbles of the oxygen-containing gas are contained, a biological reaction using microorganisms or the like can be performed efficiently and economically. In addition to the features described above, the following features can be obtained by using the supporting structure 11 supporting microorganisms or the like.
O Since the density of microorganisms or the like in the culture tank 1 can be increased, the efficiency of biological reaction can be increased.
〇To separate microorganisms from culture solution 5 containing microorganisms, it is not necessary to adopt a microfilter usually used in the technical field of brewing or fermentation, and from organic polymer compounds such as polyvinylidene fluoride. Since a flat membrane 7 having a low filtration accuracy such as a porous membrane or a metal wire mesh can be employed, the filtration process can be carried out economically and efficiently.
〇 Biological reactions can be performed efficiently and economically without causing significant stress or damage to microorganisms.

図4に、この発明の生物反応装置の第4実施形態を模式的に示す。
第4実施形態は、第3実施形態における微生物等を担持させた担持構造体11を、培養槽1中にカラム、網体等の固定部材12で固定したものである。
FIG. 4 schematically shows a fourth embodiment of the biological reaction apparatus of the present invention.
In the fourth embodiment, the carrying structure 11 carrying the microorganisms or the like in the third embodiment is fixed in the culture tank 1 by a fixing member 12 such as a column or a net.

第4実施形態における、微生物等を含有する培養液5のろ過液からの溶存二酸化炭素の除去、及び、このろ過液への酸素含有気体のマイクロナノバブルの含有は、第3実施形態と同様に行われる。   In the fourth embodiment, the removal of dissolved carbon dioxide from the filtrate of the culture solution 5 containing microorganisms and the like, and the inclusion of oxygen-containing gas micro-nano bubbles in the filtrate are performed in the same manner as in the third embodiment. Is called.

第4実施形態では、微生物等を担持させた担持構造体11が培養槽1中に固定されているため、担持構造体11が損傷・破壊されることが少ない、担持構造体11から微生物等が脱離することが少ない等の特長を有する。   In the fourth embodiment, since the supporting structure 11 supporting microorganisms or the like is fixed in the culture tank 1, the supporting structure 11 is less damaged or destroyed. Features such as little desorption.

1 培養槽
2 溶存二酸化炭素除去装置
3 マイクロナノバブル発生装置
4 培養液
5 微生物等を含有する培養液
6 ろ過器
7 平膜
8 培養槽ポンプ
9 ろ過液貯槽
10 培養槽撹拌機
11 担持構造体(好気性微生物を担持させた多孔質構造体)
12 固定部材
13〜15 バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Culture tank 2 Dissolved carbon dioxide removal apparatus 3 Micro-nano bubble generation apparatus 4 Culture liquid 5 Culture liquid containing microorganisms 6 Filter 7 Flat membrane 8 Culture tank pump 9 Filtrate storage tank 10 Culture tank agitator 11 Porous structure carrying aerobic microorganisms)
12 Fixing member 13-15 Valve

Claims (10)

微生物または細胞を含有する培養液を収容する培養槽と、
上記培養槽から上記培養液を抜き出す管路と、
この培養槽から抜き出した培養液から、二酸化炭素透過性膜を介して減圧により、溶存二酸化炭素を除去する溶存二酸化炭素除去装置と、
この溶存二酸化炭素を除去した培養液に、酸素含有気体の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、
この溶存二酸化炭素を除去し、酸素含有気体のマイクロナノバブルを含有させた培養液を上記培養槽に戻す管路と、
を備えることを特徴とする、生物反応装置。
A culture vessel containing a culture solution containing microorganisms or cells;
A conduit for extracting the culture solution from the culture tank;
A dissolved carbon dioxide removing device that removes dissolved carbon dioxide by decompression through a carbon dioxide permeable membrane from the culture solution extracted from the culture tank;
A micro / nano bubble generator for containing micro / nano bubbles of oxygen-containing gas in the culture solution from which dissolved carbon dioxide has been removed,
A conduit for removing the dissolved carbon dioxide and returning the culture solution containing oxygen-containing gas micro-nano bubbles to the culture tank;
A biological reaction apparatus comprising:
上記溶存二酸化炭素除去装置は、平行する多数の二酸化炭素透過性中空糸膜中に上記培養槽から抜き出された培養液が流され、これらの中空糸膜と略直交する方向に減圧気体が流されるか、または、この中空糸膜中に減圧気体が流され、これらの中空糸膜と略直交する方向に、上記培養槽から抜き出された培養液が流されることにより、上記培養槽から抜き出した培養液から溶存二酸化炭素を除去す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。   In the dissolved carbon dioxide removing device, the culture solution extracted from the culture tank is caused to flow through a large number of carbon dioxide permeable hollow fiber membranes in parallel, and a reduced-pressure gas is caused to flow in a direction substantially orthogonal to these hollow fiber membranes. Or a decompressed gas is allowed to flow through the hollow fiber membrane, and the culture solution extracted from the culture vessel is caused to flow in a direction substantially orthogonal to the hollow fiber membranes, thereby being extracted from the culture vessel. The biological reaction apparatus according to claim 1, wherein dissolved carbon dioxide is removed from the culture broth. 上記培養槽から上記培養液を抜き出す管路にろ過器が配され、このろ過器で分離されたろ過液が上記溶存二酸化炭素除去装置に供給され、このろ過器で分離された、ろ過液が除かれた上記培養液が、管路を通して上記培養槽戻され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。 A filter is disposed in a conduit for extracting the culture solution from the culture tank, and the filtrate separated by the filter is supplied to the dissolved carbon dioxide removing device, and the filtrate separated by the filter is removed. the culture medium he is characterized in that it is returned to the culture tank through a conduit, the biological reaction apparatus of claim 1 or 2. 上記ろ過器は中空糸膜とこれを収容する容器とからなり、上記培養槽から抜き出された培養液がこの中空糸膜中に流され、この中空糸膜の外部からろ過液が取り出されることを特徴とする、請求項3に記載の生物反応装置。   The filter is composed of a hollow fiber membrane and a container for containing the hollow fiber membrane, and the culture liquid extracted from the culture tank is flowed into the hollow fiber membrane, and the filtrate is taken out from the outside of the hollow fiber membrane. The biological reaction apparatus according to claim 3, wherein: 上記微生物または細胞が多孔質構造体の細孔中に担持されており、上記培養槽から上記
培養液を抜き出す管路に、ポリフッ化ビニリデン等の有機高分子化合物からなる多孔性膜、金属製の金網等のろ過膜が配され、このろ過膜で分離されたろ過液を上記溶存二酸化炭素除去装置に供給す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 microorganism or cell is carried in the pores of the porous structure, and a porous film made of an organic polymer compound such as polyvinylidene fluoride is formed in a conduit for extracting the culture solution from the culture tank. The biological reaction apparatus according to claim 1 or 2, wherein a filtration membrane such as a wire mesh is provided, and the filtrate separated by the filtration membrane is supplied to the dissolved carbon dioxide removal device.
上記多孔質構造体が、連続孔のある三次元立体網目構造を有することを特徴とする、請求項5に記載の生物反応装置。   The biological reaction apparatus according to claim 5, wherein the porous structure has a three-dimensional three-dimensional network structure with continuous pores. 上記多孔質構造体が、ポリビニルアルコール系多孔質ゲルであ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 the porous structure is a polyvinyl alcohol-based porous gel. 上記微生物または細胞を担持した多孔質構造体が、上記培養槽中の培養液中に分散した状態で存在することを特徴とする、請求項5〜7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 5 to 7, wherein the porous structure carrying the microorganisms or cells is present in a dispersed state in a culture solution in the culture tank. 上記微生物または細胞を担持した多孔質構造体が、上記培養槽中にカラム、網体等の固定部材で固定されていることを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載の生物反応装置。   The biological reaction according to any one of claims 5 to 7, wherein the porous structure carrying the microorganisms or cells is fixed in the culture tank by a fixing member such as a column or a net. apparatus. 上記請求項1〜9のいずれかに記載の生物反応装置により、微生物または細胞好気性微生物の代謝産物等の反応物を得ることを特徴とする、生物反応方法。   A biological reaction method, wherein a reaction product such as a metabolite of a microorganism or a cell aerobic microorganism is obtained by the biological reaction device according to any one of claims 1 to 9.
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JP2021094533A (en) * 2019-12-18 2021-06-24 東レエンジニアリング株式会社 Synthesis apparatus and synthesis method

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8515629D0 (en) * 1985-06-20 1985-07-24 Celltech Ltd Fermenter
JP2643314B2 (en) * 1988-06-13 1997-08-20 株式会社日立製作所 Biological cell culture method having pH adjustment and ammonia removal functions and culture apparatus therefor
JP2001340075A (en) * 2000-05-31 2001-12-11 Nisshinbo Ind Inc Carrier for bioreactor, method for producing the same and method for using the same carrier
JP4526008B2 (en) * 2003-07-24 2010-08-18 秀樹 山本 Polyvinyl alcohol-based granular gel and method for producing the same
US9587253B2 (en) * 2006-02-24 2017-03-07 Toray Industries, Inc. Method of producing chemical product with continuous fermentation and filtering
JP4956052B2 (en) * 2006-05-26 2012-06-20 シャープ株式会社 Microbe activation device
JP4805120B2 (en) * 2006-12-18 2011-11-02 シャープ株式会社 Biological reactor
JP5549209B2 (en) * 2009-12-11 2014-07-16 株式会社Ihi Adherent cell culture device

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