JPH02138960A - 液流式生化学反応装置 - Google Patents

液流式生化学反応装置

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JPH02138960A
JPH02138960A JP29016188A JP29016188A JPH02138960A JP H02138960 A JPH02138960 A JP H02138960A JP 29016188 A JP29016188 A JP 29016188A JP 29016188 A JP29016188 A JP 29016188A JP H02138960 A JPH02138960 A JP H02138960A
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    • C12M29/00Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
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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
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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、微生物(糸状菌・放線菌・酵母・細菌を指す
)、動物細胞或いは植物細胞の増殖能力を残した侭、或
いは増殖能力は失活しているが生化学的物質変換能力、
即ち特定物質の変換に特に強い触媒機能を有する微生物
菌体、動物細胞或いは植物細胞を固定若しくは半固定し
た粒状担体(その直径が数100ミクロンから数mに捗
る)および上記触媒機能を有する生物体の小塊(生物フ
ロックと称する)浮遊溶液の、目的の機能が充分に発揮
出来る様に創意工夫した装置に関するものである。
〔従来の技術〕
この様な生物反応装置をバイオリアクターと称するが、
バイオリアクターの形式は幾何学的な形状および構造か
ら種型・管種および模型に大別出来る。槽型反応器とし
ては、一般に攪拌機を備えた所謂攪拌槽が凡ゆる操作に
対して使用され、連続操作の場合には多段に用いられる
こともある。
管型反応器は主に連続操作に用いられ、縦型で太短い場
合は基型反応器とも呼ばれている。脱型反応器は、酵素
を膜に固定した状態で用いる例が多く、多段式で効率の
良い設計も可能である。しかしながら、脱型反応器は大
型化が困難であり、現状では小型試験機のレベルを脱し
ていない。
連続操作の反応器に対しては、反応器内の流体の流れの
状態が基質の反応効率に影響を与えるので、流れの状態
つまり流体の混合の程度を知ることが重視される。この
観点に立てば連続操作の反応器は2通り考えられる。理
想化された一つの形は、P F R(pl、ugflo
w reactor)と呼ばれる、装置内を通過する物
質が装置入口から出口へと流れに対して直角の方向に同
じ速度で以て、しかも流れの方向には混合も拡散も無く
、宛かもビス1〜ンの様に移動する押出し流れ反応器で
ある。之に対して正反対の理想化されたものは、C3T
R(contj、nuous stj、rred 1;
ank reactor)と呼ばれる完全混合反応器で
あり反応器内で凡ゆる成分の濃度が完全に何処も一様に
なっており、粒子も一様に分散している様な流れの状態
を指す。
更にバイオリアクターの設H1と操作のためには前述の
化学工学的原理だけでは不充分であり、之に加えて微生
物、動物細胞および植物細胞に対して次の様な要因を考
慮する必要がある。即ち、微生物や動・植物細胞の純粋
培養用バイオリアクターの備えるべき第一の条件は、雑
菌・ファージ汚染の恐れを極力少なくすることである。
2等生物の培養技術は、コンタミネーションとの絶えざ
る戦いである。特に動・植物細胞の増殖速度は遅く、培
養時間が長いだけでなく、用いる培地組成が極めて栄養
豊富である(動物細胞の場合)ので、細心の注意が必要
である。更に動物細胞は細胞膜が弱く、剪断応力により
破壊され勝ちなので、過大な剪断力を与えない様に混合
攪拌する工夫を必要とする。また植物細胞は細胞塊とし
て存在し、之が剪断力で分断され、それによって二次代
謝産物生産生成が影響を受けるので、剪断力に特に注意
を払う必要がある。同時に植物細胞は壁増殖し易いので
、之も解決しなければならない。
〔発明が、解決しようとする課題〕
工業的に普及しているバイオリアクターは、C8TR型
であり、多目的に応用されている。生体触媒が必要とす
る酸素や基質の供給効率、つまり反応効率が高いのが、
この型の特徴である。しかしながら、反応効率を高める
目的で用いられる機械的攪拌には主に攪拌翼をモーター
によって駆動させる方式を用いるために、その攪拌翼は
種々工夫されているものの、その攪拌翼を中心とした物
理場に於いて剪断応力を低下させることは困難である。
前者の方法を用いずに、基質容積の5〜1゜倍のエアー
をスパージャ−によって供給して攪拌効率を高める方式
も考案されているが、この様な多量のエアー供給方式は
ランニングコストを高める。そして」二記の何れかの方
式も、担体或いは生物塊の密度を基質比で10%以上に
高めることは出来ない。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の特徴とする処は、C8TR型の攪拌槽に於いて
攪拌方式を工夫することによって従来方式の同程度の攪
拌方式を有し、担体或いは生物塊が受ける剪断応力を著
しく低減せしめ、更に担体或いは生物塊の密度を基質比
で50%程度に高めることを可能としたことにある。即
ち、第1図に示す断面構造を有する液送ノズルを用いて
層流(ラミナフロー)を作り出し、その液流によって攪
拌力を生じさせる。図中1は培地、2は担体、3はラミ
ナフローを示す。担体或いは生物塊のスラリーは、循環
パイプ内ではラミナフローによって剪断応力を受けるこ
とが少なく、またパイプを出た液流は、第2図の上部か
ら見た図面第2図Cの様=4 に攪拌槽に斜入させることによって渦巻き流を生じせし
める。図中4はエアー、5は循環ポンプを示す。また、
このノズルの前部からエアーを供給すればエアーバブル
はノズル部で細かくなり、更に渦巻き流によってバブル
の基質内滞留時間が長くなり、結果として酸素の供給効
率を高める。
第2図Aは固形物除去フィルターを攪拌槽の底部に設け
、固形物フリーの培養基質をそのフィルター下部より取
り外し、循環ポンプにより液流ノズルへ圧送する。また
固形物を含む培養液は、循環パイプによって攪拌槽から
外部へ取り出し、液流ノズルによって押し出し流れを創
り、その液流圧によって再び攪拌槽へ傾入させ槽内に渦
巻き流れを生じせしむる。第2図Bは状態を説明する側
断面図である。図中6は循環パイプ、7はノズルである
第2図Bは固形物を含む培養液を循環用パイプを通じて
攪拌槽から取り出し、液流ノズルによる押し出し流れで
液流圧を創り再び攪拌槽下部へ傾入させる。その循環用
パイプの」一部に固形物を除去した培養基質を循環ポン
プに送り、そのポンプにより圧送された基質は液流ノズ
ルを通じて培養液へ戻される場合を説明する側断面図で
ある。
第2図Aと第2図Bとの差異は、固形物除去フィルター
を攪拌槽内へ付帯させるか、循環パイプに付属させるか
に在る。
第2図Cは第2図Aを上部より見た図を示している。循
環パイプの下部を攪拌槽に傾めに取り付けている。之に
よって培養液は、渦巻き流れを生じせしめることが出来
るのである。
本発明の装置による攪拌効率と酸素移動速度を、従来方
式のC8TR型と比較したので以下に説明する。第1表
は 以下余白 第1表 液流式リアクターとジャーファメンターの攪拌
効率液流式リアクター ジャーファメンター基質量  
      12Ω        1.2Q攪拌条件
    液送量 22.5Q1分 攪拌翼回転数 40
Orpmエアー供給量      0.1wm    
   O,Iwm本発明の液流式生化学反応装置とC8
TR型の普及型ジャーファメンターの攪拌効率を比較し
たデータである。この効率の測定方式は第1表に示した
条件に夫々の装置を設定し、その基質中に最終濃度が1
.0ppmになる様にメチルオレンジを2mQ注入した
。槽内の任意の場所から連続的に基質をサンプリングし
、夫をLKB社製の2151 V W Mディテクター
の464nmの吸光度で測定し、レコーダー (LKB
社製の2210RE )で記録した。そして色素注入後
に色素濃度が一定になる迄に要した時間(完全混合時間
)を測定し、この時間が短いは一 ど攪拌効果は良いと判定した。第1表に示す測定条件に
於いて、液流式リアクターの液送量を22.5n/mj
、nとしたのは、この液送量で0.1vvmのエアーを
供給すれば酸素移動速度はジャーファメンターの400
rpmの攪拌回転数の条件と同等になるためである。こ
の測定条件に於ける攪拌効率は液流式リアクターが20
%程高い結果を得た。液流式リアクターは攪拌原理上ジ
ャーファメンターよりは剪断応力を生じさせないために
バイオリアクターとしての性能はジャーファメンターと
比較して明らかに優れている。剪断力の比較はカラギー
ナンやアルギン酸担体を用いて攪拌培養を行なった場合
、ジャーファメンターでは担体が破壊されて培養を継続
出来ないのに反し、液流式リアクターは何等担体に損傷
を与えないで効率の良い培養を継続させ得る事実からも
明らかである。
また第3図は液流式リアクターの液流速度と酸素移動速
度との関係を示したグラフであり、第4図はジャーファ
メンターに於ける攪拌条件と酸素移動速度との関係を示
したグラフである。酸素移動速度は、亜硫酸酸化法によ
り求めた。即ち亜硫酸す1−リウムは銅イオン(Cu”
)の一定濃度下では一定の速度で酸化され一定基質内の
酸素の移動速度は亜硫酸ナトリウムの消費速度に比例す
ることになり、次式が成立する。
N、= −j−(−fflcso、′−) Kd、 p
*  dt Nn:酸素移動速度 cso、’−:亜硫酸イオン濃度 Kd  :容量係数 Pl):酸素分圧 測定条件は、共に基質量を1.2Qにし、エアーの供給
量を0.5νvmにした。基質内に残存した亜硫酸ナト
リウムは、チオ硫酸ナトリウムで滴定した。
第3図から明らかな様に酸素移動速度は液流式リアクタ
ーに於いて有意に高い。この結果は同時に基質の拡散速
度も高いことを示唆する。
本発明は、C8TR型反応槽を利用して各種の化合物、
蛋白質、核酸などを製造している産業に適用出来る。低
い剪断応力を要求し、しかも高い酸素供給効率と基質拡
散効率が必要な生化学反応に於いては本発明の如き装置
が有利である。
実施例J− 糸状菌の一種である黒麹菌(アスペルギルス・ニガー、
J CM  5548株)をセルローススポンジ担体に
着生固定させ、粗糖を炭素源としてクエン酸発酵を試み
た。
本発明の装置に、種培養用の基質(粗糖 2%、硫安 
0.25%、KH2PO40,1%、MgSO4・7+
1,00.04%)と3m角のセルローススポンジの体
積比が1=1になる様に調整して、全容積を12Qとし
、121℃で1時間の湿熱滅菌後、放冷し、上記菌の胞
子を1.04/mflの密度になる様に接種した。培養
温度を25℃に設定し、毎分1.5Qの液流量で0.1
.vvmのエアー供給を行ない、3日間種培養をした。
菌体は全てセルローススポンジ上に発育し、基質中に菌
体の漏出は認められなかった。
種培養終了後に菌体の着生した担体を残し、主培養基質
を除去し発酵用基質(粗糖 14%、KH2PO41%
、MgSO4・7H700,04%)を無菌的に6Q添
加し、毎分30Qの液流量で6日間バッチ式培養を行な
った。培養温度を30°Cに設定し、エアーの供給量を
O,]、vvmとした。上記条件下の培養で、糖のクエ
ン酸転換効率は92%であった。
C8TR型反応槽の普及型であるジャーファメンターを
用いたクエン酸発酵例では、培養条件をほぼ同一にした
場合(同−基質組成、培養基質12Q、エアー供給量 
0.]、vvm、培養温度 30’C,培養期間 6〜
10日)で糖のクエン酸転換効率は78〜84%程度で
ある。また、従来方式では、バッチ毎にクエン酸代謝活
性の高い菌体を再利用出来ないために、菌体を増殖させ
る種培養及びクエン酸の代謝誘導等を行なう耐培養の工
程がバッチ毎に必要であり、本発明の方式の如く連続生
産或いは半連続生産への応用は困難であり、経済効率は
低い。
実施例2 放線菌の一種であるス1−レブ1〜マイセス・グリセウ
ス(ATCC2334株)をセルロース・スポンジ担体
に着生固定させ、本発明の装置を用いてストレプトマイ
シンの生産をバッチ式培養法で試みた。
8Qの種培養基質(ブドウ11f1%、酵母エキス]−
%)を本発明の装置に添加し、121℃で」−時間の湿
熱滅菌を行なった後、放冷し、別に三角フラスコ(50
0mΩ容で200mQの基質量)で培養した」二記菌株
を接種した。毎分1.5Qの液流量で、30℃、2日間
種培養した後、無菌的に3Qwn角のセルロース・スポ
ンジ担体を添加し、培養全容積を]、2Qに調整した。
更に2日間種培養を継続し、菌体を担体に着生固定させ
た。
種培養終了後に、着生固定した担体を残し、種培養基質
を除去した。発酵用基質(IQ当り ブドウ糖 20 
g 、M、、SO2・78,0 10g、クエン酸す1
−リウム 10 g、 NaCQ  5 g 、CaC
Q、 ・211,0 0.3g、KH2PO40,5g
、FeSO47H702K、CLISO4’5H201
mg、ZnSO4・7H,,03−mz、 Na2Mo
O4・2H200,1,mgを含有する)を無菌的に添
加し、毎分3Qの液流量で25℃・8日間培養した。ス
トレプトマイシンの測定はディスク拡散法で行なった。
その結果、培養8日日で150x/+nQ、の濃度のス
1−レプトマイシンが生産された。
培養条件を上記実験に出来るだけ近付けたジャーファメ
ンターによるストレプトマイシン醗酵に於いて、従来方
式のジャーファメンターによる該醗酵例は、本発明の方
式に比べて、ス1−レプトマイシンの生産効率は20%
程低い。更にジャーファメンターを用いた該醗酵法は、
クエン酸醗酵と同様の問題を有しており、連続生産への
応用は困難である。
実施例3 酵母の一種であるサツカロマイセス・カールスバーゲン
シス(OUT  7013株)をカラギーナン粒子に固
定し本発明の装置を用いてエチルアルコールの連続発酵
生産を試みた。
先ず酵母を500 mQ容の三角フラスコに200+a
Qの前培養基質(ブドウ糖 1%、ペプトン 0.5%
、酵母エキス 0.3%、麦芽エキス 0.3%でpH
5に調整したもの)を添加した倍器に接種した。前培養
は嫌気的条件下で30℃・18時間行なった。培養した
酵母を遠心分離し、37℃の温度下で4%のカラギーナ
ン溶液の4Qに懸濁した。この懸濁液を20℃の温度条
件下で、2%のKCL溶液1.OQに無菌的に滴下し、
直径約4mの菌体固定カラギーナンのゲル化粒子を作成
した。更にこのゲル粒子を10flの種培養用基質(ブ
1(つ糖 10%、酵母エキス  O,]、5%、NH
4C(10,25%、K2HPO40,55%、阿gs
O,・78,0 0.025%、NaCQ  0.1%
、CaCQ20.001%、クエン酸 0.3%でpH
5に調整したもの)で好気的条件下で30℃・60時間
バッチ培養し、酵母をゲル粒子の特に表層付近で増殖せ
しめた。
」二記条件下で増殖した約4Qのゲル粒子を本発明の装
置に無菌的に移し発酵用基質(ブドウ糖10g、酵母エ
キス 0.1 g 、 Na4CQO,1g 、に2!
(PO40,2%、 阿gSO4−78,OO,1%、
 NaCQ   O,1%、CaCQ20.001%)
を同様に無菌的に添加し、全容量を]、2Qに調整した
。液流量を10Qに設定し、穏やかな流速で固定化ゲル
粒子を循環攪拌しながら、窒素ガスを0.1νvmの割
合で24時間供給し、嫌気的培養条件を創出した。24
時間後に窒素ガスの供給を止め、この嫌気的培養条件下
で上記発酵基質を12Q/時の流速で連続的に供給した
。即ち連続培養のリテンション・タイムを1時間に調整
し、30’Cの培養温度下で一カ月間のエチルアルコー
ルの連続生産を行なった。生産したエチルアルコールの
定量は常法に従い酵素法で測定した。
連続培養を開始して48時間後に、流出培養中のアルコ
ール濃度は48g/Qに達し、その後28日間48±2
 g / Qのエチルアルコール濃度を維持した。
糖からエチルアルコールへの転換効率は94%を維持し
たことになる。因にグルコース180 gから92.2
gのエチルアルコールを生ずれば、その転換効率はio
o%である。
ジャーファメンターを用いた菌体包括カラギーナン担体
の培養は、ジャーファメンターの攪拌翼による剪断力で
該担体が破壊されるために適用出来ない。現在迄の多く
の研究報告から、上記iQ体をPFR型醗酵槽に充填し
た方式の実験結果は、本実験の結果と比べて反応効率は
半分以下である。
実施例4 本発明の装置を用いて、通性嫌気性細菌の一種であるコ
リネバクテリウム・グルタミン酸(JCM  1318
株)によるグルタミン酸の連続発酵生産を試みた。
菌体の固定゛に実施例3で述べたカラギーナンを用い、
その固定化手技は実施例3と同様である。
またこの実験に用いた前培養培地と発酵用培地組成は第
2表に示す通りである。
以下余白 先ず第2表 ブドウ糖 (Nl(4)2S04 MgS04・7H20 FeSO4・7112O NnSO,・H,,0 ビオチン 酵母エキス KW2PO。
2HPO4 大豆油 尿素 に2SO4 (NH4)2HPO。
NH4H2PO。
0、25 0、010 0、008 X10−5 0、5 0、5 ca.  0.001 0、5 0、010 0、030 に示す200ntllの前培養用培地を添加した500
m11容の三角フラスコに上記菌株を接種し、30’C
で24時間、1.2Orpmの旋回培養を行なった。培
養した菌体を4ρの4%カラギーナン溶液に移し、夫れ
を2%のKCL溶液中に滴下して菌体固定ゲル化粒子を
作成した。この固定化ゲル粒子を同様の培地で30℃・
24時間、好気的に培養しゲルの表層付近で菌体を増殖
せしめた。この菌体増殖固定化ゲル粒子を本発明の装置
に無菌的に移し、第2表に示す発酵用培地を添加し全量
を1.2Qに調整した。発酵用培地の連続供給量を1.
2Q/時(リテンション・タイムは10時間である)に
設定した。エアーの供給量を0.5vvmにし、培養期
間を通じて10%尿素溶液でpHを7.0±0.2に厳
しく制御し、30℃の温度条件で好気的培養条件下で3
0日間連続培養を行なった。
液流量は22.5 Q 7分に設定し、生産したグルタ
ミン酸の濃度は常法に従い酵素法で測定した。
連続培養開始後5日目に、培養液中のグルタミン酸濃度
は23g/Ilに達し、以後23.0±2.6 g /
Ωの濃度域で変動した。この値は、直ちにこの方法を工
業化するのに適当な数値とは考えられない。
しかしながら、この方法を更に改善すれば、工業化の方
策が見出される可能性を示す値だと評価出来る。
因みに、現行のジャーファメンターを用いたグルタミン
酸の工業生産の例では2日間のバッチ式培養で150〜
180g/Qの生産効率を達成している。
勿論、基質中の糖濃度やその他の培養条件も異なるので
直接的な比較は出来ないが、本発明の方式をこのグルタ
ミン酸発酵へ適用させるには、未だ多くの解決すべき培
養技術面に於ける問題が残っている。
実施例5 ムラサキ(リンスパーマム・エリスロリゾン)の根(紫
根)は、殺菌作用と創傷治癒作用を示す赤紫色のシコニ
ン系化合物を含有し、昔から高級染料や医薬品として用
いられて来た。本実施例に於いては常法に従ってプロト
プラスト法によってシコニン系化合物を高生産するムラ
サキの細胞培養株を選抜した該選抜株のカルスを、本発
明の装置を用いて培養しシコニンの生産を試みた。なお
本実験は三井石油化学工業■生物工学研究所の藤田康宏
氏の研究を参考にして行なった。
まず、該選抜株のカルスを前以て大量培養し、その10
g(乾燥重量換算)第3表に示す増殖用培地2Ωを入れ
た本発明の小型試験装置に無菌的に添加し、9日間培養
した。培養温度を25℃とし、液流量を2Q/分に設定
しエアーは1vνm供給した。
増殖培養終了後に増殖培地を除去し、第3表に示す生産
用培地の374濃度を2Q添加した。生産培養期間を1
4日に設定し、その間漸次、生産用培地をフィードし、
生産培養終了時の144日目は、その濃度が473にな
る様に調整した。本装置の運転条件は増殖培養と同様に
した。カルスの培養期間の合計を23日間に設定したが
、その間のカルスの増加量はカルスの小塊が不均一に培
養基中に分散するために測定出来ず、培養終了時に乾燥
重量を測定した。またカルス中のシコニン化合物の定量
は、常法に従いカルスをCHCQ、溶液中で磨細し、1
日暗所にて静置した後、MgSO4を加えて濾過し、エ
バポレーターで濃縮した。濃縮液は、KOH溶液でアル
カリにし、622nmで分光分析した。
23日間の増殖培養および生産培養の結果、カルスは乾
燥重量で42g/2Qに増量し、その増加率は仕込細胞
重量の4.2倍に相当した。また、シコニン化合物収量
は5.826■72Qに達し、前述の藤田氏の研究結果
とほぼ同等の値を得た。23日間の培養期間中、培養液
中にはカルスの破片の小さな浮遊物は殆んど発生しなか
った。之はカルスが受ける本装置の攪拌による剪断応力
が著しく小さかったことを示唆し、本発明の装置は植物
の組織培養に適すると断定出来た。
以下余白 第3表 シコニン生産に用いる培地組成(mg/Q)組
成     増殖用培地   生産用培地1.900 
     80 1.20      750 H4No3 N03 NaNO。
Ca (NO3)2・4H2O NaH2PO2・2H20 KH7PO4 HCQ CaCQ・2H20 MgSO4・7H20 MgCQ2・6H2O Na、5o4 FeSO4・71120 MnSO4・4H7O ZnS04・7H2O NaFe−EDTA Na2・EDTA +(、BO,。
CuSO4・5H25 H2ONa2. ・2H20 蔗糖 イノシトール チアミン・HCQ 2          4.5 0.025        0.3 0.25 3 X 1.043 X 1.04 0.4
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の液送ノズルの断面図、第2図Aは攪拌
槽内に固形物除去フィルターを付帯させた場合、第2図
Bは循環パイプに固形物除去フィルターを付帯させた場
合の本発明に成る液流式生化学反応装置の側断面図、第
2図Cは同じく平面図、第3図は液流式リアクターの液
流速度と酸素移動速度との関係を示したグラフ、第4図
はジャーファメンターに於ける攪拌条件と酸素移動速度
との関係を示したグラフである。 図中 1・・・・培地 2・・・・担体 3・・・・ラミナフロー 4・・・・エアー 5・・・・循環ポンプ 6・・・・循環パイプ 特許出願人 酒伊エンジニャリング株式会社第 図 ジャーファメンターの攪拌翼回転数(rpm)液流式リ
アクタ ーの液流速度(4/rrlin)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 管状液流ノズルの管壁に沿つて主流路とは別に攪拌
    槽から培養液の一部を取出した液を吹き込む通路を設け
    、主流路よりの液体と混合流出させてエゼクター作用を
    発揮せしめる如くした液流式生化学反応装置。
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