JPH0428642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、酸素含有原料ガスをいつたん富酸素
ガスと貧酸素ガスに分離しこれを任意の比率で再
混合して目的に合致した最適濃度の酸素含有状態
のガスとする方法に関し、詳細には、例えば微生
物や動・植物細胞などを培養するに当たつて、発
酵槽内の酸素濃度を任意の値に調整するために通
気ガス中の酸素濃度を制御する方法に関するもの
である。 微生物などを培養し、種々の発酵生産物を得る
に当たつては、培養液中の溶存酸素濃度及び発酵
槽内雰囲気中の酸素濃度が重要な役割を果すこと
はよく知られている。即ちこれらの酸素濃度が最
適濃度に維持されていないならば発酵生産物の収
量が左右されるのは勿論、最悪の場合は予期しな
い副成物を生じることもある。例えば好気性微生
物による発酵生産では、培養液中の酸素が不足す
ると、多くの場合生産物の収量が低下する。特に
近年は、基質による生産阻害を避けつつ生産性を
更に向上させる目的で基質を継続的に流加させて
高菌体濃度培養を行なうことが多くなつている
が、このような場合には供給酸素の濃度が重大な
制限因子となる可能性が高い。これに対処するた
め従来は、酸素移動性能をより高いものとする為
に装置面での改良を進める一方、高濃度酸素の供
給を併行的に行なうことが試みられてきた。例え
ば特公昭46−21781では炭化水素資化性菌に対し、
又同51−9833ではパン酵母に対して、それぞれ純
酸素或は酸素富化空気を用いることが検討され、
生産物の収量増加が認められた旨開示されてい
る。これらの方法で用いられる酸素は、酸素ボン
ベから取出したものであつたり、吸着分離法や深
冷分離法等により得られるものであつたりする。
従つてこれらの方法は極めて高コストであると共
に大規模な設備を要するなどの欠点があり、工業
的発酵生産において採用されたという例は殆んど
ない。 一方乳酸発酵、アセトン・ブタノール発酵など
の嫌気性発酵では、微生物の生育や発酵生産にと
つて酸素の存在は有害な因子となるので液中の溶
存酸素濃度及び雰囲気中の酸素濃度は極力少なく
する必要があり、好気性発酵とは逆の立場からの
通気制御を行なわなくてはならない。また嫌気性
微生物であつても、ある好適範囲内の酸素濃度の
方が、生育又は発酵生産に望ましいという様な微
生物もある。例えば酵母によるエタノールの生産
は従来嫌気性発酵と言われていたが、近年の研究
によれば、少量とはいえ若干の酸素が必要である
ことが明らかにされている［Process
Biochemistry17(3)46，1982］。またアルギニン発
酵の場合、高酸素分圧下では生産菌のアルギニン
生産能力が著しく低下するため、大気圧下培養の
場合は酸素濃度５％の気体を使用する必要がある
と言われている［発酵と工業40(6)518，1982］。こ
のような低酸素条件を確保するに当たつては、従
来(1)培養の初期には酸素を十分供給するが培養の
後期に至つて通気を停止する方法、(2)極めて少量
の通気を継続的に行なう方法、または(3)空気に窒
素や炭素ガスなどを混合して継続的に通気する方
法などが行なわれている。しかしこれらの方法で
は、正確な酸素濃度の制御が難かしいこと、発酵
の定常状態を保ち難いこと、コストが高いことな
どの問題を指摘することができる。 以上述べたように微生物や動・植物細胞などの
生育並びに発酵生産にとつて酸素は極めて大きな
影響を与え、しかもこのときの好適酸素濃度は微
生物や動・植物細胞の種類或は発酵生産の種類に
よつて異なり、通常の空気中の酸素濃度より高い
濃度が望まれる場合、逆に低い濃度が望まれる場
合或は殆んど無酸素であることが望まれる場合等
があるにもかかわらず、酸素濃度を広い範囲にわ
たつて、自由にかつ容易に制御できる実用的な方
法は従来全く知られていなかつた。また微生物や
動・植物以外の分野においても、酸素濃度を任意
に制御することができないばかりに色々不便・不
都合をかこつている場合があつた。本発明は、こ
のような現状に鑑み、簡単かつ容易な操作により
任意の酸素濃度からなるガスを得ることができる
様な方法の提供を目指してなされたものである。
上記目的を達成するに至つた本発明の酸素濃度制
御方法とは、酸素濃度の変動する供給先に対して
酸素含有ガスを供給するに当たり、酸素透過性高
分子膜を装着した酸素富化装置に酸素含有原料ガ
スを通すことにより、該原料ガスを酸素濃度の高
い富酸素ガスと酸素濃度の低い貧酸素ガスに分離
し、前記供給先における酸素濃度の検知結果に応
じて、前記富酸素ガスと前記貧酸素ガスを用いて
必要酸素濃度・必要流量の酸素含有ガスを前記供
給先に供給し該供給先における酸素濃度を制御す
ることを要旨とするものである。 本発明の要点のうち１つは酸素透過性高分子膜
（以下酸素富化膜と言うことがある）を使用する
点にあるが、この酸素富化膜としては、酸素ガス
の透過速度Ｑ（O₂）が１×10^-5cm³／cm²・sec・cm
Hg以上で、分離係数α［窒素ガスの透過速度Ｑ
（N₂）との比：Ｑ（O₂）／Ｑ（N₂）］が2.5以上であ
る様な膜特性を有するものを用いることが望ま
れ、代表的なものを例示すると、ポリカーボネー
ト、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ酢酸ビニ
ル、ポリ塩化ビニル、ポリ弗化ビニル、これらの
共重合体またはシリコン含有ポリマーとのブロツ
ク共重合体、或はポリ酢酸セルロース、ポリエチ
ルセルロース等が挙げられる。また膜の形態は特
に制限されず、一般的には非対称膜または複合膜
が利用される。次に酸素富化膜を装着したモジユ
ールのタイプとしては中空繊維型が好ましいが、
スパイラル型またはプレートアンドフレーム型で
あつてもよい。 次に図面に基づき本発明の説明を行なう。第１
図は本発明方法を実施する為の装置を発酵槽を例
にとつて示す概念図であつて、プレフイルター１
を通りチヤンバー１２内に導入された酸素含有原
料ガス例えば空気は、ブロワー３で吸引されるこ
とによりチヤンバー１２内に設置された酸素富化
膜２を通り、酸素濃度の高い富酸素ガスが得られ
る。膜を透過できなかつた残りのガス、即ち貧酸
素ガスはブロワー４により排出される。一方発酵
槽５内では、酸素センサー７により発酵槽内の雰
囲気ガス中の酸素濃度または／及び培養液中の溶
存酸素濃度が検出され、コンピユータ６に伝達さ
れる。コンピユータ６は、予め設定された好適酸
素濃度と好適通気量との比較に基づき、チヤンバ
ー１２内への空気取込み必要量と、富酸素ガスと
貧酸素ガスの混合比及びそれぞれの必要量を計算
し、モーター８、自動弁９，１０，１８を制御調
節する。富酸素ガスと貧酸素ガスの各必要量は、
ミキサー１３に至りここで混合される。一方導管
１５上に設置された酸素センサー１４及び流量計
１７で通過ガス中の酸素濃度と流量が測定されて
おり、これらの値はコンピユータ６に伝達されて
設定値と比較され、必要があれば更にモーター
８、自動弁９，１０，１８を制御調節し、所望酸
素濃度であつて且つ必要な量のガスが発酵槽５に
通気される。尚ブロワー３，４用のモーター８は
互いにカスケード制御及びインバータ制御により
回転数が加減速され、電力を節減できる様になつ
ている。 一方発酵槽内圧は、圧力センサー１１で検出さ
れた後コンピユータ６に伝達され、自動弁１６の
調節により、所定の値に保たれる。尚本装置の設
計変更の一例としては酸素センサー７を自動弁１
６後の導管上に設置するものが例示されるが、こ
の他色々な設計変更が可能であり、要は酸素富化
膜によつて富酸素ガスと貧酸素ガスにいつたん分
離し、それらを単独で供給装置に導入でき、或は
適当な比率で混合した後供給先装置に導入できる
様な装置であれば全て本発明方法の実施に適用す
ることができる。そして具体例として示した上記
装置では、各種の検知手段、演算手段と組合わせ
て各導管の弁を操作し、更にはブロワー用のモー
タを制御する様に構成したので酸素富化膜の面積
を選択することによつて任意の酸素濃度をもつガ
スを必要量通気させることができるため、あらゆ
る条件の微生物乃至動・植物細胞の発酵・培養は
勿論のこと後述する様な各種の化学反応に適用す
ることができる。本発明方法の適用可能例を更に
具体例に掲げてみると、例えば (1) 炭化水素やメタノールなどを基質とする発酵
や、基質を継続的に添加する所謂流加培養など
のように高濃度の酸素の供給が望ましい場合、 (2) アルギニンなどのアミノ酸発酵や各種動物細
胞培養などのように空気中の酸素濃度より低い
濃度の酸素の供給が望ましい場合、更には (3) 高酸素濃度或は低酸素濃度を必要とする廃水
処理、バイオマスのリグニン分解各種化学反
応、食品などの保存、防爆方法などにも適用す
ることができる。 本発明は、以上の様に構成されているので以下
要約する様な効果を発揮する。 (1) 任意の値を設定することにより、通常の空気
中の酸素濃度より低い濃度から高い濃度まで広
範囲に亘つて酸素濃度を自由に制御することが
できる。従つて従来のように、高酸素濃度の場
合と低酸素濃度の場合とでそれぞれ別途の装置
やボンベなどを準備する必要がない。 (2) 従来は溶存酸素濃度を調節するとき、主とし
て通気量、攪拌数、内圧などを変化させること
によつて対応してきたが、これらを頻繁に変化
させることは、発酵の定常状態を損なう原因と
なるため、発酵の管理及び解析を困難にするこ
とがあつた。本発明によれば、溶存酸素濃度の
調節は、富酸素ガスと貧酸素ガスの混合比を変
えることによつて行なえるため、通気量・攪拌
数・内圧などは一定に保つことが可能であり、
発酵の管理・解析が容易になる。 (3) 酸素富化装置として高分子膜を用いるため、
従来の吸着分離法、深冷分離法などに比べ、極
めて簡単な設備でも充分であり、操作も容易で
ある。また運転経費も安価である。 (4) マイクロコンピユータにより装置を制御でき
るため、酸素濃度と通気量の値を設定するだけ
で、所望の酸素濃度であつて且つ必要量を容易
に供給することができる。 (5) 高分子膜を用いると、細菌やビールス等の除
去も行なうことができるため、場合によつては
ガス滅菌等の方法を併用することにより、通常
の発酵装置に設置されている除菌用フイルター
を省略することができ、経済的である。 次に本発明の実施例を説明する。 実施例 １ セルロースアセテート中空繊維膜モジユールを
装着し、これに内容積30のジヤーフアーメンタ
（培地量20）を連結した第１図の装置を用い、
30℃，20／分の通気量を維持して富酸素ガスの
吹込みを行なつた。30分経過後の酸素濃度は第１
表に示す通りであつた。尚表中の「圧力比」と
は、酸素富化膜の入側圧力（P₁）に対する酸素
透過側出口圧力（P₂）の圧力比（P₂／P₁）を示
し、該圧力比が高いことは、導入酸素含有原料ガ
ス即ち空気の多くがそのまま通過したことを意味
する。即ち酸素の分離効率が悪いことを示す。

【表】 実施例 ２ 上記と同じ条件で、今度は貧酸素ガスを吹込ん
で第２表に示す結果（30分後）を得た。

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する為の装置の一例を示
す説明図である。 ２…酸素富化膜モジユール、５…発酵槽。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素濃度の変動する供給先に対して酸素含有
   ガスを供給するに当たり、 酸素透過性高分子膜を装着した酸素富化装置に
   酸素含有原料ガスを通すことにより、該原料ガス
   を酸素濃度の高い富酸素ガスと酸素濃度の低い貧
   酸素ガスに分離し、前記供給先における酸素濃度
   の検知結果に応じて、前記富酸素ガスと前記貧酸
   素ガスを用いて必要酸素濃度・必要流量の酸素含
   有ガスを前記供給先に供給し該供給先における酸
   素濃度を制御する様に構成したことを特徴とする
   酸素濃度の制御方法。