JPH02312584A

JPH02312584A - 気泡塔型生物化学反応器

Info

Publication number: JPH02312584A
Application number: JP13280289A
Authority: JP
Inventors: Takashi Washida; 鷲田　孝史; Tamotsu Tori; 鳥　保; Yukio Watanabe; 幸夫渡辺; Morio Mimura; 三村　精男
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1990-12-27

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、生物化学反応器、バイオリアクタに関するも
のであり、更に詳細には、本発明は気泡塔型生物化学反
応器に関し、微生物や動植物細胞等と原料液とからなる
混合反応液を特に簡単な構造によって攪拌し、必要によ
っては酸素を供給する反応器に係るものである。

（従来の技術）最近、生物反応を利用して、有用物質を生産するだめの
生物化学反応器が活発に研究されており、その中でも気
泡塔型生物化学反応器が注目されている。この理由とし
て、撹拌機設置が不要となることから設備費、動力費が
安価なこと、雑菌汚染防止上問題となる軸シールが不要
となることなどが挙げられる。しかしながら、気泡の送
入法や装置の形状によっては、上昇気泡の不均一分散に
伴なう循環効率の低下が起りやすくなる短所を有してお
り、この対策が必要となる。

この対策を講じた装置ないしバイオリアクタとしては、
例えば特開昭６１−１５２２７４号及び実開昭６３−１
０７１９９号が知られている。

すなわち、特開昭６１−１５２２７４号の装置は、第８
図に図示したように、−上昇管と下降管が上端の空間部
および下端の連通部により連結された二重管種生物化学
反応器である。この装置において、原料液と微生物細胞
等との混合反応液が、気泡の−１−昇に伴って」二昇管
を上り、空間部の下部を溢流して下降管へ流れ、下降管
を下降して連通部に移行し、循環流動する。なお、下降
管の上端に液流入口が設けられ、その液流入口に反応液
が下降管を旋回して下降するように導流板が設けられて
いる。

また、実開昭６３−１０７１９９号のバイオリアクタは
、第９回に図示したように、円筒状の反応器本体の底部
を逆円錐状に形成し、この逆円錐状の反応器底部の上方
が反応器本体内部に円錐状の隔流板体を設けることによ
り、液流を一定にすることを可能にした生物化学反応器
である。なお、気泡は反応器本体底部から供給する構成
を採っている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来技術に係る反応器は、第８図及び第
９図からも明らかなように非常に複雑な構造となってい
る。

つまり、第８図においては、例えば上昇管と下降管の二
重管型構造を採らざるを得す、また液流入口には導流板
を設ける必要があるのみでなく導流板の設置にはその位
置や角度等に厳しい限定条件が付されている（第８図（
ｂ））。また、第９図においても、リアクタ本体内に円
錐状の隔流板体を設ける必要があって複雑な二重構造を
採らざるを得ないし、隔流板体の設置角度にも厳しい限
定条件が付されているのである。

このように、従来の気泡塔型生物化学反応器は、液流を
一定にし、循環効率を上げようとするために、構造が複
雑になる。このため設備費が高価となり、かつ、完全な
りリーニングが困難であると同時に、投入動力費が高く
なるという欠点がある。

そのうえ、リアクタ内部の構造が複雑になると、微生物
や細胞が循環中に壁部や障害物に衝突したり狭い隙間を
強制的に通過したりするため、微生物菌体や細胞自体が
損傷、破壊、変質したりして菌や細胞の増殖が抑制され
る。このため、生成物の収率の低下等の欠点がひき起さ
れる。

（問題点を解決するための手段）本発明は上に述べた気泡塔型生物化学反応器の問題点を
一挙に解決できる簡単な構造の気泡塔型生物化学反応器
を提供せんとするものである。

上記目的達成のために、各方面から研究、検討した結果
、非常に簡単な構造でしかも菌や細胞を傷つけることな
く非常に高い効率で菌や細胞を用いて生化学反応を実施
できるシステムを完成するに至ったのである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の詳細な説明する
。

本発明の気泡塔型生物化学反応器の第１実施例は第１図
に示すように、円筒状の反応器本体１０の底部に斜面１
を形成して、偏心した逆円錐状を形成し、この逆円錐の
頂点にガス噴出口２を配する。

逆円錐の頂点の角度（つまり斜面１の傾斜度）は、使用
する微生物や細胞に応じて最適の角度を選択するのが良
い。この逆円錐の短母線はそのまま直線であって反応器
本体１０の胴部、つまり噴出口側壁面６を形成する。そ
の反対側、つまり原料供給口側壁面７には、上方に生成
液抜出口４、下方に原料供給口５をそれぞれ設ける。３
はガス排出口であり、リアクタの内容物は矢印のように
移動する。

第２図は第２実施例を図示したものであって、筒状の反
応器本体を円筒状（第１実施例）とするのではなく角筒
状としたものである。そして更にこの場合の底部は角筒
を斜めに切断した斜面であり、最下部にガス噴出口が複
数個２１〜２１２、　直線的に配されている。

第３図は、第３実施例を図示したものであって、特に沈
降速度の大きい微生物や細胞を使用する場合に適した装
置であって、第１又は第２実施例の反応器本体の原料供
給口側壁面７の上部に菌体分離器８を設けたものである
。菌体分離器８の底部は円錐状または角錐状に形成し、
その頂点から、反応器本体の原料供給口５の上まで、配
管１１されている。菌体分離器の反応器本体と反対側の
壁面に生成液抜出口４が配されており、菌体分離器と反
応器本体との境界をなす壁面は、生成液抜出口よりもわ
ずかに下で切られている。

第４図は、第４実施例を図示したものであって、特に沈
降速度の大きい微生物や細胞を使用する場合に適した装
置のもう一方の実施例装置であって、第１又は第２実施
例の反応器本体内の原料供給口側面７の上部にバッフル
９を設けたものである。

バッフルは反応器本体の壁面に対し、斜めに設置されて
おり、その上端は生成液抜出口４よりもわずかに下にし
、かつ、下端は、壁面との間にわずかにすき間が開けら
れている。

（作用・効果）本発明の作用効果について、各実施例装置を参照しなが
ら、以下に説明する。

上記したように、第１〜第４実施例からも明らかなとお
り、本発明の低泡塔型生物化学反応器は、ガス噴出口が
反応器の一方の壁面下に設けられ、かつ、底部がガス噴
出口へ向って斜面になっていることに特色がある。

したがって第１実施例の矢印の動きからも明らかなよう
に、ガス噴出口から出たガスは、ガス噴出口側の反応器
壁面に沿って真直ぐに上昇し、このガスの流れに同伴さ
れて反応液もガス噴出口側の反応器壁面に沿って」１昇
する。同時に、ガス噴出【」と反対側の反応器壁面に沿
って反ノ、δ液は下降し、底部の斜面までド降すると、
斜面に沿って下降し、ガス噴出口まで戻ってくるという
、一定の反応液の流れが生じる。このように、特に簡単
に構造で、反応液の流れが一定となり、循環効率が」−
昇するという著効が奏される。さらに、反応器内に不要
な突起物や邪魔板等がないため、容易かつ完全にクリー
ニングすることが可能となり、微生物や動植物細胞に損
傷を与えることもないという著効も併せ奏される。

第２実施例による作用は第１実施例の気泡塔型生物化学
反応器とほとんど同じである。しかしながら、本実施例
の反応器は底部のガス噴出口が複数個、直線的に配され
ているため、ガスが面状に一］−昇し、これに同伴され
て上昇する生成液の流れも面状になる。この結果、第１
実施例の反応器よりも循環効率が増大し、大容量の反応
器に適するものである。

第３実施例の気泡塔型生物化学反応器は、沈降速度の大
きい微生物を使用する場合に適する。この反応器の循環
効率およびクリーニングの容易さは、第１及び第２実施
例の反応器と同様である。

さらに、これらの特徴を保持しつつ、かつ、沈降速度の
大きい微生物の利点を利用して、菌体分離器で微生物を
沈降分離し、上澄み油を抜き出して、微生物を反応器本
体ヘリサイクルして、反応冊本８一体内の菌体濃度を高め、生産性を上げることができるも
のである。

反応器本体内のガスおよび生成液は、反応器本体と菌体
分離器との境界をなす壁面の上端から菌体分離器へ流入
する。菌体分離器へ流入する生成液は少量であるため、
反応器内の流れの方向は一定に保たれる。菌体分離器内
で微生物は沈降分離し、菌体分離器底部から反応器本体
へ配管１１を通ってリサイクルされる。この結果、反応
器内の菌体濃度が高まり、生産性を向」ニさせることが
可能となるのである。

第４実施例の気泡塔型生物化学反応器も第３実施例の反
応器と同様に、沈降速度の大きい微生物を使用する場合
に適する。効果も上記と同様であるが、構造はより簡単
になっている。

生成液の一部がバッフルの上端から生成液抜出Ｌ１側へ
流入する。微生物はバッフルの斜面に沿って沈降し５バ
ツフルの下端から反応器本体ヘリサイクルされ、より簡
単な構造でしかも高い生産性を有する点で本実施例装置
は非常にすぐれている。

次に、これらの実施例装置を用いて実際に操作運転を行
った。その操作例を以下に示す。

操作例１）第１図の気泡塔型生物化学反応器（第１実施例）を用い
て、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ　ｃｅｒｅｖｉｑｉａ
ｅ属に属する凝集性酵母による回分式アルコール発酵を
行った。

用いた反応器の実容量は５００ｍ（ｌである。原料供給
口５から原料（サッカロース１５０ｇ／Ｑ、、酵母エキ
ス５ｇ／Ｑ、（ＮＨ４）２ＳＯ，Ｉｇ／ｕ、　Ｋ１２Ｐ
Ｏ４１ｇ／Ｑ、ＭｇＣ１２・６Ｈ２００。５ｇ　／　Ｑ
　）を４７５ｍ１ｌと、あらがじめ三角フラスコで培養
された凝集性酵母の培養液２５ｍＱとを反応器内へ供給
した。発酵により発生する炭酸ガスをリサイクルし、こ
れに少量の空気を加えたガスをガス噴出口２から供給し
た。ガスの流量は０．０５ＶＶＭである。また、発酵温
度は３２．５℃にコントロールした。ガスの気泡はガス
噴出口側壁面６に沿って上昇する。原料および酵母はこ
のガス流に同伴されて、ガス噴出口側壁面に沿って上昇
し、反対側の原料供給口側壁面７に沿って下降し５さら
に斜面１に沿って下降し、再びガス噴出口側壁面を上昇
する、という一定方向の循環流動になった。この状態で
の発酵経過を第５図に示した。

５７時間後、発酵が終了し、到達アルコール濃度は６２
ｇ／Ｑであった。このことから、本発明の非常に簡単な
構造の気泡塔型生物化学反応器を用いて、従来の複雑な
構造の生物化学反応器と比較して、何ら遜色なく回分式
発酵を良好に行うことができることが確認された。

操作例２）第１図の気泡塔型生物化学反応器（第１実施例）を用い
て、上記で用いたのと同じ凝集性酵母を使用して、連続
式アルコール発酵を行った。原料供給口５から原料（サ
ッカロース１５０ｇ／　Ｑ、酵母エキス６ｇ／ρ、　（
ＮＨ４）２Ｓ０４　匂：／　Ｑ　、　ＫＨ２Ｐ０．８ｇ
／Ｑ　、ＭｇＳＯ４・２Ｈｚ０２　ｇ／　ｎ　）および
酵母を連続的に供給し、反応器本体内で発酵を行なわせ
る。発酵温度３２．５℃、ｐＨ４，５にコントロールし
た。発酵により発生する炭酸ガスをリサイクルし、これ
に少量の空気を加えたガスをガス噴出口２から供給した
。これによって起こる循環流動は上記に示したとうりで
あった。生成液抜出し口４から、オーバーフローした生
成液が連続的に抜出され、反応器の外部に設置された菌
体分離器（図示せず）に送入した。ここで酵母は沈降分
離し、ポンプにより、原料供給口から反応器本体内ヘリ
サイクルした。

菌体分離器から上澄み液が連続的に抜出され、これが製
品となる。このように酵母をリサイクルすることにより
、反応器本体内の菌体濃度が高まり、菌体濃度は約７５
ｇ−ｄｒｙｃｅｌｌ／　Ｑにまで達し、スラリー状にな
ったが、わずか０．１５ＶＶＭの通気量で、良好に循環
流動した。さらにアルコール生産性は４１ｇ／　Ｑ　／
ｈ（希釈率０．８５ｈ−’）にまで達した。このことか
ら本発明の非常に簡単な構造の気泡塔型生物化学反応器
（第１実施例）を用いて、従来の複雑な構造の生物化学
反応器と比較して、何ら遜色なく連続式発酵を良好に行
うことができることが確認された。さらに外部の菌体分
離器と組合せることにより、生産性を向上させることも
確認できた。

操作例３）第３図の気泡塔型生物化学反応器（第３実施例）を用い
て、操作例１）で用いたのと同じ凝集性酵母を使用して
、連続式アルコール発酵を行った。

原料供給口５から原料（サッカロース１５０ｇ／　Ｑ、
酵母エキス６ｇ／Ｑ、（ＮＨ４）２Ｓ０４４ｇ／　Ｑ　
、　ＫＨ，ＰＯ４８ｇ　／　（Ａ　、　Ｍｇ５ｏ、・２
８２０２ｇ／　Ｑ　）を連続的に供給し、反応器本体内
で発酵を行わせた。発酵温度３２．５℃、ｐＨ４，５に
コントロールした。発酵により発生する炭酸ガスをリサ
イクルし、これに少量の空気を加えたガスをガス噴出口
２から供給した。これによって起こる循環流動は操作例
１）で示したとうりであった。反応器本体と菌体分離器
との境界をなす壁面の上端からオーバーフローした生成
液が菌体分離器に流入し、ここで酵母が沈降分離する。

沈降分離した酵母は配管を通って、反応器本体ヘリサイ
クルする。菌体分離器から上澄み液が、生成液抜出し口
４から製品として抜出される。得られた結果は操作例２
）とほぼ同等であった。このことから、本発明の非常に
簡単な構造の気泡塔型生物化学反応器（第３実施例）を
用いて、従来の複雑な構造の生物化学反応器と比較して
、何ら遜色なく、連続式発酵を良好に行うことができた
。

さらに、外部の菌体分離器を使用しなくても、生産性を
向上させることも確認できた。

操作例４）第４図の気泡塔型生物化学反応器（第４実施例）を用い
て、操作例１）で用いたのと同じ凝集性酵母を使用して
、連続式アルコール発酵を行った。

原料供給口５から、原料（サッカロース１５０ｇ／　ｆ
ｉ、酵母エキス６ｇ／ｎ、（ＮＨ４）２ＳＯ４４ｇ／　
Ｑ、、ＫＨ２Ｐ０゜８ｇ／氾、ＭｇＳＯ４・２）１．０
２ｇ／１２）を連続的に供給し、反応器本体内で発酵を
行わせた。発酵温度３２．５℃、ｐＨ４，５にコントロ
ールした。発酵により発生する炭酸ガスをリサイクルし
、これに少量の空気を加えたガスをガス噴出口２から供
給した。これによって起こる循環流動は操作例１）で示
したとうりであった。反応器本体のバッフル９の上端か
ら生成液が生成液抜出し口側へ流入し、酵母はバッフル
の斜面に沿って沈降する。上澄み液が生成液抜出し口４
から製品として抜出される。沈降分離した酵母はバッフ
ルの下端と反応器本体の壁面との間のすき間から反応器
本体内ヘリサイクルする。

得られた結果は操作例２）とほぼ同等であった。

このことから本発明の非常に簡単な構造の気泡塔型生物
化学反応器（第４実施例）を用いて、従来の複雑な構造
の生物化学反応器と比較して、何ら遜色なく連続式発酵
を良好に行うことができた。

さらに、外部の菌体分離器を使用しなくても、生産性を
向上させることが確認できた。

操作例５）第１−図の気泡塔型生物化学反応器（第１実施例）を用
いて、ゴマ細胞（Ｓｅｓａｍｕｍ　Ｉｎｄ］ｃｕｍ　Ｌ
）の回分式培養を行った。培地は植物細胞の増殖培養に
通常用いられる第１表の組成の基本培地に、ナフタレン
酸５　Ｘ　１０−’Ｍ、ベンジルアデニンｌＸｌ０−５
Ｍを添加した培地を使用した。ｐ＋（は５．７、培養温
度２８℃、照度１２，０００ルクスにコントロールした
。

第１表硝酸アンモニウム　　　　　　　　　ｌ　、　６５０ｍ
ｇ硝酸カルシウム　　　　　　　　　　　Ｉ　、　９０
０塩化カリウム　　　　　　　　　　　　　４４０硫酸
マグネシウム　　　　　　　　　　　３７０リン酸第１
カリウム　　　　　　　　　　１７０ホウ酸　　　　　
　　　　　　　　　　６．２硫酸マンガン　　　　　　
　　　　　　　２２．３硫酸亜釦　　　　　　　　　　
　　　　　　８．６ヨーソカリウム　　　　　　　　　
　　　　０．８３モリブデン酸ナトリウム　　　　　　
　　　０．２５塩化コバルト　　　　　　　　　　　　
　０．０２５硫酸銅　　　　　　　　　　　　　　　　
０．０２５エチレンジアミン４酢酸ナトリウム　　　３
７．３硫酸第１鉄　　　　　　　　　　　　　　２７．
８ミオイノシトール　　　　　　　　　　　１００グリ
シン　　　　　　　　　　　　　　　２塩酸ピリドキシ
ン　　　　　　　　　　　０．５ニコチン酸　　　　　
　　　　　　　　　０．５塩酸チアミン　　　　　　　
　　　　　　　０．１しよ糖　　　　　　　　　　　　
　　　　　３０ｇガス噴出口２がら空気を供給した。通
気量は０、　ＩＶＶＭであった。これによって起こる循
環流動は操作例１）で示したとうりであった。この状態
での培養経過を混相量で第６図に示した。本発明の非常
に簡単な構造の気泡塔型生物化学反応器（第１実施例）
を用いて、従来の複雑な構造の生物化学反応器と比較し
て、何ら遜色なく、植物細胞の回分式培養を良好に行う
ことができた。

操作例６）第１図の気泡塔型生物化学反応器（第１実施例）を用い
て、ヒト由来の骨髄性白血病細胞株に−５６２の細胞の
回分式培養を行った。培地は通常用いられているＲＰＭ
Ｉ−１６４０培地（大日本製薬製）に１０％の牛胎児血
清を加えたものを使用した。これに前記のヒト細胞を２
Ｘ１０’個／ｍＱになるようにして移植した。ガス噴出
口から空気９５％、炭酸ガス５％の混合ガスを供給した
６通気量は０．０５ＶＶＭであった。これによって起こ
る循環流動は操作例１）で示したとうりであった。この
状態での培養経過を細胞濃度で第７図に示した６本発明
の非常に簡単な構造の気泡塔型生物化学反応器（第１実
施例）を用いて、従来の複雑な構造の生物化学反応器と
比較して、何ら遜色なく、動物細胞の回分式培養を良好
に行うことが確認できた。

（発明の効果）上記したように本発明によれば従来装置に比してはるか
に簡素化された装置が提供されるが、それによって奏さ
れる作用効果は従来装置によるものと比較していささか
も遜色のないものである。

したがって本発明によれば、微生物や細胞の培養を大規
模且つ効率よく行うことができ、生物反応を利用する各
種物質の生産もきわめてスムーズに行えるという著効が
奏される。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は、本発明に係る生物化学反応器の実施例を
図示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面
図である。第５図は第１図の装置を用いた場合のアルコール発酵の
経過を示すグラフであり、第６図はＳｅｓａｍｕｍ　ｊ
ｎｄｉｃｕｍ　Ｌ細胞の培養経過を示すグラフであり、
第７図はに一５６２細胞株の培養経過を示すグラフであ
る。第８図及び第９図は従来のバイオリアクタを図示したも
のであって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である
。代理人　弁理士　戸　１）親　男第　　１　　図第　　２　　図 η′ス第８図特開平２−３１２５８４．　（９）第９図（ｔｆｔｔｌ膠へ ρ＼／凸い　リ１！１（ △　５０・６　　・５１゜）１１．、＼

Claims

【特許請求の範囲】

有底筒状体の一方の壁面下にガス噴出口を１個又はそれ
以上設けるとともに、該筒状体の底部がガス噴出口へ向
って下方へ傾斜してなることを特徴とする生物化学反応
器。