JPH01222764A - ガス状基質を用いる培養装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガス状基質を用いる培養装置に関するもので
あって、ガス状基質を用いて効率よく微生物を培養し、
微生物及び／又はその生産物を大量に取得することを目
的とするものである。

（従来の技術） 従来、ガス状基質を用いて微生物を培養する場合、液体
培地にガス状基質を溶解せしめて培養を行うのであるが
、その際、ガスの溶解が反応の律速段階となる。そこで
気泡の微粒化とともにガスの溶解を促進するために、攪
拌翼等による機械的攪拌を行う通気攪拌槽を用いるシス
テムが行われてきた。しかしこの通気攪拌システムでは
機械的攪拌等を行う必要があるために多大のエネルギー
が要求されるほか、ガスの溶解律速のために、効率も大
巾に低下する。

この通気攪拌システムに代るシステムとして、本発明者
等は、先に、ガス吸収型発酵槽として充填塔型リアクタ
ーを利用するシステムを開発した（特願昭６１−５４６
９６号）。このシステムは、第１図に示したように、リ
アクター１に担体を充填し、この担体表面に微生物を付
着固定しておき、栄養液２を流下させるとともにその下
方に配設した基質ガス供給パイプ５から基質ガスを供給
して反応を行わせ、得られた生成ガスをガス貯槽１０に
貯留せしめてなるものである。したがって、このシステ
ムでは担体間に空隙が存在するために、基質ガスと微生
物との接触時間が長くなり、また気液接触面積を多くと
ることができるために９反応効率の改良が認めら、れる
。

しかしながら、このようなタイプのりアクタ−にあって
は気液接触面積の確保が重要であるが、増殖微生物の場
合には、菌体の増殖によって空隙が減少し、有効気液接
触面積の低下をもたらすことになり、また微生物の回収
も問題になる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したように通気攪拌型発酵槽を用いるシステムはエ
ネルギーの必要量が大きすぎて工業化するには不適であ
る。一方、このシステムを改良するために開発された充
填塔型リアクターを利用するシステムも１次のような欠
点があることが判明した。

■）リアクターの単位容積あたりの気液接触面積の確保
に限界がある。つまり気液接触面積の確保のために、充
填する担体の大きさを小さくすると、液体の表面張力で
液体培地が流れなくなってしまう箇所が生じる。

２）増殖微生物を使う場合、微生物の増殖によって空隙
の閉塞がおこり、基板ガスと微生物の接触効率が低下す
る。

３）また生産物としての微生物菌体の回収も困難である
。

（問題点を解決するための手段） 本発明はこれらの欠点を一挙に解決するためになされた
ものであって、ガス状基質を用いて微生物の培養を行い
微生物及び／又はその生産物を工業的に大量に取得する
目的でなされたものである。

上記目的達成のために各方面から検討した結果、中空糸
に着目するに到った。そして中空糸を用いる工業的に最
も有効なシステムを開発するために更に研究を行い、特
にこのような特徴を新たに開発、確認して、本発明の完
成に到ったのである。

ｌ）気液接触面積の確保のために中空糸膜（ホローファ
イバーともいう）を使う（単位容積あたりの膜面積が広
い）。

２）中空糸膜内側には、液体培地を流す。外側には、微
生物膜を生成せしめ、その微生物膜が直接基質ガスと接
触する。

３）中空糸膜の外側で増殖し、厚みを増した微生物膜は
、中空糸内側より、液体を通して圧力をかけることによ
り、容易に、剥離し回収できる。そのために圧力をかけ
られる構造を新たに採用した。

４）中空糸膜においては親水性の方が液体の浸透上望ま
しい。

５）微生物を中空糸膜外面に付着固定化する方法として
、Ｓ濁液中にて、内側を減圧することにより、濾過によ
って付着できる。そのために内側を減圧できる構造を新
たに採用した。

６）中空糸膜の孔径は用いる微生物により使いわけられ
る。

以下、第２図を参照しながら本発明を更に詳述する。

リアクター３に、ガス人口９．ガス出口１０及び回収口
１３を設けるとともに、その内部両端付近に設けた隔壁
１４によりホローファイバー（中空糸）４を固定する。

ホロファイバーの設置数（本実施例では３本）、　その
長さ、その孔径、材料等は、使用目的、使用ガス、リア
クターの規模等により適宜室める。

ホローファイバーは半透膜材料から製造し、再生繊維素
、合成高分子等適宜の材料で製造する。

キュプラアンモニウムレーヨン等セルローズ系の膜が好
適であるが、セルローズアセテート、ポリアクリロニト
リル膜等も使用できる。菌の付着が充分でない場合には
外表面を平滑のままにするのではなく、凸凹にしたり、
らせん状その他適宜な形状の突出部ないしは凹部を設け
たりして断面形状を変えてやればよく、シたがって、本
発明において材料についての限定はない。通常、本発明
においては市販のホローファイバーが自由に使用できる
。半透中空糸膜の孔径は、目的に応じて適宜選択するも
のであり１通常の場合、１００人〜５０μ程度であるが
必要ある場合にはこの範囲外の平均孔径のものも使用可
能である。

中空糸４を固定する隔壁１４は１通常の場合気密性材料
で製造するが、多少好気条件下で反応を行う場合には完
全に気密性を有する材料でなくてもよい。

リアクター３の端部の内、一方の端部には液体培地人口
１１を設け、液体培地供給ポンプ７を介して液体培地槽
６内の培地をホローファイバー４の内部に通液せしめる
。他方、もう一方の端部には。

液体培地出口１２を設け、上記によりホローファイバー
４内を通過してきた液体培地をリアクターの外部へ排出
せしめる。１１と１２は結合して培地を有効に利用して
もよい。

１はマスフローコントローラーであって、供給原料ガス
を混合するとともにその供給速度のコントロールを行う
ものである。次いで原料ガスは、加湿器２内で加湿され
、ガス入口９からリアクター３内に導入される。ホロー
ファイバー４の外表面には菌体が付着しているので、そ
の内面を流れる培養液と原料ガスとを用いて微生物菌体
が目的生産物を生成する。それがガス体である場合はガ
ス出口１０から回収し、そうでない場合は回収口１３か
ら回収する。回収口１３は菌体の回収にも利用される。

、８はフローメーターであ・る。

本装置は、装置全体を恒温ゾーンに入れるのが好ましい
が、本実施例のようにリアクター３のみを恒温ゾーンに
収容してもよい、恒温ゾーンとしては、本実施例のよう
に、恒温水槽５としてもよいが、恒温室にしてもよい、
また恒温ゾーンに収容するほか１例えば断熱剤からなる
ジャケットを利用して温度コントロールをすることも可
能である１本実施例において、リアクターの直径、その
長さ、恒温水槽の温度等が規定されているが、本発明が
これらに限定されるものではないことは明白である。

本発明の作用は次のとおりである。

先ずはじめに菌体懸濁液ないし菌体培養液を嫌気的にリ
アクター３内に導入する。菌体導入は、ガス入口９を介
して行うが、他の開口部、例えばガス出口ｌＯ及び／又
は回収口１３を介して行ってもよい。このようにして菌
体をリアクター３内に導入するが、菌体は通常の培養液
で培養したものをそのまま使用してもよいが、基質ガス
中で馴養培養したものを使用すると更に有効である。

菌体を導入するとともに、加湿器２を介してマスフロー
コントローラー１からガス基質を入口９よりリアクター
３内に供給する。

次いで、液体培地出口１２より水流ポンプその他適宜の
減圧手段を用いてホローファイバー４の内部を減圧する
。その結果、微生物膜がホローファイバー４の外表面に
形成される。

次いで余剰の懸濁液ないし培養液をガス出口ＩＯないし
回収口１３から抜き取った後、液体培地槽６内の液体培
地をポンプ７を介して液体人口１１より供給して培養を
開示する。その結果生成した目的とする生成ガスはガス
出口１０から回収する。

また菌体の増殖を目的とする場合、菌体内に分泌される
生産物の回収を目的とする場合、または上記培養を（半
）連続的に継続することを目的とする場合（菌体の増殖
により中空糸間の空隙が減少し、その結果有効気液接触
面積が減少して培養速度が低下するため、（半）連続培
養が停止ないし低下する）、中空糸４の内部から液体培
地を通して圧力をかけることにより、すなわち、出口１
２を閉じ、ポンプ７により液体培地６を送液することに
よって中空糸内部に圧力をかけることにより、中空糸の
外側表面に形成した菌体膜が剥離する。

このようにして増殖゛した菌体を回収口１３から回収し
、各種の用途に利用する。しかしながら、他方、菌体は
中空糸からすべてのものが剥離するわけではなくその表
面に一部菌体が残存してるため、培養を継続することに
よって菌体が増殖し、性能が回復する。なお、この場合
、液体培地の送液圧力をコントロールすることによって
菌体の剥離率をコントロールすることもできる。

また、液体培地の供給量をコントロールすることにより
外側液中の菌体分泌産物の濃度を高めることができるほ
か、内側を減圧することにより分泌産物をファイバー内
に抽出することもできる。

必要ある場合には、ファイバーの外側に液状基質を供給
することにより更に複雑な生産物を得ることもできる。

本発明は、少なくとも一部ガス状基質を利用する微生物
であればすべての微生物の培養に適用することができる
。例えばメタン生成菌、ギ酸生成菌等の培養に有効であ
り、炭酸ガス、水素ガスからメタンを生成するタイプの
菌、他のガスを利用するタイプの菌、ガスのほかに他の
栄養成分を要求するタイ・プの菌、その他のすべてのタ
イプの菌が広く使用できる。具体的には、広島重下水処
理場の消化汚泥から単離したダラム陰性メタン生成菌Ｈ
Ｕ株（広島大学工学部永井研究室保存菌株、自由分譲可
）、Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｔｈｅｒｍｏａ
ｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ　ＡＴＣＣ２９１８３、同Δ
Ｈ（０３Ｍ１０５３）、Ｍ、ｆ０１Ｂｉｃｉｃｕ＋ｓ、
といったメタノバクテリウム属菌；　Ｍｅｔｈａｎｃｏ
ｃｃｕｓ　ｖａｎｉｅｌｉｉといったメタコツカス属菌
；が単独で又はこれらを混合して使用できる。また、こ
のように菌を単離することなく、例えばメタン消化汚泥
といった菌源となるものを直接固定して本発明に利用す
ることも可能である。

また、使用菌がメタン合成の際に、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＯ
等のガス状原料のほかに有機酸やアルコール類を原料と
して要求する場合には、これらの液状原料は該培養液６
の中に予じめ添加しておけば充分の所期の目的が達成さ
れるので１本発明はすべてのタイプのメタン生成菌に適
用することができ、有利である。

次に本発明の応用例について述べる。

応用例１ ガス状基質としてＨ２及びＣ０２を用い、第２図に・図
示した装置を用いて、下記の条件でメタンの生成を行っ
た。なお、中空糸は、内径０．４ｍｍＸ外径０　、８ｍ
ｍの５Ｆ−４０１（クラレ製）を用いた。

供試菌：　Ｍｅｔｈａｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ　ｔｈｅ
ｒｍｏａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍΔＨ（０３Ｍ１０５
３）液体培地組成（ｍｇ／Ｑ） ＫＨ２ＰＯ４６，８１Ｘ　１０３ ＮＨ４Ｃ１２，１４Ｘ　１０３ Ｎａ、Ｃｏ、、　　　　　　　２．５４　Ｘ　１０”ｎ
１ｔｒｉｌｏｔｒｉａｃｅｔａｔｅ　　　　９６ＭｇＣ
１□・６１（２０４１ ＦｅＳ０４・７）１．０　　　　　　１．４ｒｅｓａｚ
ｕｒｌｎｅ　　　　　　　２．ｌＮｉＣ１□　　　　　
　　　０．６５ ＣｏＣ１□・６１１□Ｑ　　　　　　　０．２４Ｎａ２
Ｍｏ０４４Ｈ，ＯＯ，２４ Ｎａ２Ｓ・９Ｈ２０５００ 液体培地供給速度　　　１６ｍＱ／ｈ、温度６５℃ガス
供給速度　　　２２．Ｏｍｆｌ／＋ｉｎガス組成　　　
　　ｌＩ２８０％、ＣＯ□２０％ｉｔｔｇ定方法　　ガ
ス流ｔ：石ケン膜流量計あらかじめＨ２／ＧＯ□で培養
した Ｍ、　ｔｈｅｒｍｏａｕｔｏｔｒｏ　ｈｊ、ｃｕｗ＋Δ
Ｈの懸濁液を嫌気的にリアクター内に９より入れるとと
もに、９よりガス状基質を供給し１２より、水流ポンプ
にてホローファイバー４の内部を減圧することによりＭ
、　ｔｈｅｒｍｏａｕｔｏｔｒｏ　ｈｉｃｕｍΔＨによ
る微生物膜をホローファイバーの外側の表面に生成させ
た０次いで、余った懸濁液を１０より抜きさった後、ポ
ンプ７にて１１より液体培地を供給させ、培養を開始し
た。

中空糸の長さｆを１０５８ｓ＋ｓ、５８０ｍ＋＊、及び
２１８＋ｕｎにかえてメタンの生成率を測定した結果、
第３図のような結果を得た。

第３図の結果からも明らかなように、中空糸の長さに比
例してメタン生成量が増し、気液接触面積（中空糸の長
さに比例する）にメタン生成量が依存していた。また中
空糸の長さｆ　＝５８０＋ａｍ及びｆ＝　１０５８ｍｎ
＋においては培養時間とともに、メタン生成量が増して
おり、中空糸の内側より外側に液体培地が供給され、メ
タン生成細菌が増殖したことがわかる。

応用例２ ガス状基質としてＨ２及びＣ０２を用い、第２図に図示
した装置を用いて（但し、中空糸の長さｆ＝２００ｍ＋
ａ、中空糸の本数＝２２０本、中空糸外側面積＝１１０
６Ｃ！＃）、下記の条件によりＨ２及びＣ０２からの微
生物°菌体の生産及びその回収を行った。

供試菌及び液体培地組成は応用例１と同じ液体培地供給
速度：　ＩＥｏｏＱ／ｈ、　ｍ度＝６５℃ガス組成：Ｈ
，８０％、　ＣＯ□２０％ガス供給方法：メタンへの転
換率が９０％になるように、ガスフローメーター８と、
ガス出口におけるガス組成をガスフロで測定し、その結
果により、ＮＦＣによってリアクターへのガス供給量を
フィードバック制御した。

そして、第４図の結果を得た。　Ｈ，／ＣＯ□の供給に
より、リアクターあたりのＣＨ４生成速度は１７０＋ａ
Ｑ／Ｒ−ｈから次第に低下し１２０時間後に１４０Ｉ１
１２／Ｒ−ｈになった。これはメタン生成菌の増殖によ
って中空糸間の空隙が減少したことによる。矢印のとこ
ろで中空糸の内部より液体培地を通して圧力をかけるこ
とにより（出口１２を閉め、ポンプ７により液体培地６
を送液することにより中空糸内部に圧力がかかる）中空
糸の外側表面に形成したメタン生成菌の微生物膜が剥離
し、メタン生成菌の菌体を１３より回収することが出来
た０回収された菌体量は１．５ｇ（乾燥型ｆ）であった
。

さらにリアクターにあっては、約２０時間にメタン生成
量が元の値に回復し、連続培養を続けることができた。

応用例３ ガス状基質としてＨ２及びＣＯ２を用い、供試菌として
ギ酸資化性メタン生成菌８０株（広島大学工学部永井研
究室、分離保存株）を用いてギ酸を生成せしめた。

すなわち、先ずはじめに、下記に示す培地にギ酸（２０
ｇ／１１）を加えてｌｉ培養槽（実容量８ｆｌ）を用い
連続培養（＊省時間４８時間）を行ない、得られた培養
液（菌体濃度０．３１ｇＩＱ）を応用例１と同じように
してリアクターに入れて、中空糸外側に８０株による微
生物を形成させた。

Ｎａ１ｌ、、ＰＯ，”２ＨｚＯ３ｎ　　　ＥＤＴＡ　　
　　　　　　　　Ｌ　ｒＪＱに、ｌＰＯ４７ＮＦＣ５（
ＰＯ４）２４ＦＩｚ０　　　　１−０２阿ｇｃｌ、・６
Ｈ，００，３６ＩＩ　　　　　ＭｎＣ１，・４Ｈ，ＯＯ
，ｌＮａ２Ｓ・９Ｈ２００，５＃　　　ＣｏＣ１，１−
６８，００，１７ｔｒａｃｅ　ｍｅｔａｌ　５ｏｌｕｔ
ｉｏｎ　１）　９　ｍｎ／Ｑ　　　ＺｎＣ１，０，１ｖ
ｉｔａｍｉｎ　５ｏｌｕｔｉｏｎ　２）　　　５　　　
＃　　　ＣａＣ１，０，０２Ｈ１晧　　　　　　　　０
．０１９ Ｎａ２ＭｏＯ，”ＫＯ０，０１ ２）　　ｖｉ細−（資）ｌｕｔｉ釦 ｂｉｏｔｉｎ　　　　　　　　　２　ｍｇ／ｆｌｐｙｒ
ｉｄｏｘｉｎｅ−）１ｃＩ　　　　１０ｆｏｌｉｃ　ａ
ｃｉｄ　　　　　　　　２ｒｉｂｏｆｌａｖｉｎ　　　
　　　　　５ｔｈｉａｍｉｎｅ　　　　　　　　　５ｎ
ｉｅｏｔｉｎｉｃ　ａｃｉｄ　　　　　５Ｃａ−ｐａｎ
ｔｏｔｈｅｎａｔｅ　　　　５ｖｉｔａｍｉｎ　Ｂ、、
　　　　　　　０．１（ｚ−１，１ｐｏｉｃ　ａｃｉｄ
　　　　　５次に、上記の培地を中空糸内部に通液（５
ｍＱ／ｈｒ）するとともに、Ｈ，／Ｃｏ２＝　４なるガ
スを供給し、中空糸側面に、８０株の菌体をさらに増殖
させた。

そして次に、中空糸内部にギ酸生成用の液体培地（０，
１阿リン酸緩衝液、ＮａＨＣｏ、　４０ｇＩＱ、メチル
ビオロゲン７．５ｍ　ｍｏｌ／１１、’　ｈ　ＩＪ　ト
ンＸ−１００２ｇＩＱ＞を流しく流速２０ｍＱ／ｄａｙ
）、中空糸外側にはＨ，／Ｃｏ、、＝　１なるガスを供
給した（１４．４ｆｆｉ／ｄａｙ）。

その結果、ギ酸が生成し、その濃度を出口１２及び１３
においてカルボン酸分析計で測定し、次表の結果を得た
。

以上のように、中空糸内側から外側へと浸透し。

リアクター底部より回収された液体中にもギ酸の生成が
みられたが、液量はわずか（０，８ｍｆｆ１／ｄａｙ）
であった。

以上の結果により、中空糸を利用することにより、菌体
フリーのギ酸含有溶液が得られることが判る。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、原料基質ガスか
らメタンその他の生成物を直接生合成できるという全く
新規な効果が奏されるばかりでなく、次のよ・うな卓越
したメリットがあるために、大規模な工業的な合成法及
び微生物培養法として大きなスケールで本発明を実現す
ることができ、工業的方法として特にすぐれている： １）有効気液接触面積をさらに大きくとることができる
。

２）微生物菌体の回収が容易になる。内側より逆圧洗浄
により菌体が容易にはがれ、回収できる。

３）連続または半連続培養が容易になる。２）により菌
体が回収されるが中空糸膜表面上には、微生物が残存し
ており、培養を続けることにより微生物が増殖して性能
が回復する。

４）親水性化中空糸を使うことにより容易に液体培地が
内側より外側の微生物に供給することができる。

５）微生物菌体以外の分泌産物も回収が容易になる。こ
れは液体培地の供給量をコントロールすることにより、
外側液中の分泌産物の濃度を高めることができる他、内
側を減圧することにより分泌産物をファイバー内に抽出
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から使用されているメタン発酵装置を図示
したものである。 第２図は本発明の装置の１例を図示したものである。 第３図及び第４図は、応用例１及び２の結果をそれぞれ
図示したものである。 代理人　弁理士　戸　１）親　男 第１　図 第　　３　　図 逢養片間（ｈ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ガス入口及び出口を有するリアクター内に中空糸を配
   設するとともに、中空糸膜の外側には微生物を付着せし
   めてなることを特徴とするガス状基質を用いる培養装置
   。