JPH0430785A - 三相撹拌流動層型バイオリアクタ - 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〕 本発明は三相攪拌流動層型バイオリアクタに関し、詳細
には、多孔質材からなる浮遊媒体を反応容器内の培養液
中に投入し、該培養液中で通気しながら攪拌流動させて
、微生物を浮遊媒体の表面に付着させて培養する三相撹
拌流動層型バイオリアクタに関する。

〔従来の技術〕

バイオリアクタは、微生物、動・植物、あるいはそれら
の細胞から単離した酵素なとの種々の生体触媒を用いて
、生物原料を目的生産物に変換させる反応装置であって
、通常、生体触媒を含む培養液中で酸素等を含む気体を
通気しながら微生物の培養を行う構成とされている。

そして、従前では、培養液中で通気しなから微生物の培
養を行うバイオリアクタとしては、■塔状の反応容器内
の培養液中に微生物を投入して懸濁させる一方、該反応
容器の下部から培養に必要な気体を気泡化させて供給し
、上昇する気泡によって懸濁培養液への通気と流動を図
る懸濁気泡塔式のもの。■塔状の反応容器内に液流案内
筒を配設し、反応容器下部からの気泡に随伴して上昇す
る懸濁培養液の流れを、該液流案内筒の内外を経る循環
流に形成せしめることで、懸濁培養液への通気と流・動
を図る二重骨量懸濁気泡塔式のもの。

■その概念説明図である第３図ａとそのＡ−Ａ断面図で
ある第３図すに示すように、反応容器αυ内に回転軸０
２を介して垂設した複数のタービン型の攪拌翼ａ３にて
、反応容器（１１）内の懸濁培養液りを強制的に攪拌す
ると共に、下方のノズルα４からの気泡を細分化させる
一方、反応容器ａυ内周面に上下方向に連ねて突設した
複数のバッフル板０９にて、攪拌翼ａ３の回転による懸
濁培養液りの随伴・旋回を抑制することで、反応容器（
！υ内の懸濁培養液りに渦巻きを形成させることなく、
細粒化された気泡と攪拌・混合させて、その培養効率の
向上を図る通気攪拌式のもの等が多く用いられてきた。

方、近年では、このような生物変換を司るバイオリアク
タは、生体触媒機能をより効率良く発揮させて、生産性
の向上および操作の安定性か得られ、更には目的生産物
と生体触媒との分離か容易であることか強く要請される
ようになり、これら要請に答えるべく研究開発され、そ
の生産過程や生産物の分離過程に多くの利点を有すこと
で注目され、かつ改善か進められているものとして、発
泡体等からなる浮遊媒体を用いる流動層型バイオリアク
タかある。

この流動層型バイオリアクタは、培養する微生物を反応
容器内の培養液中に懸濁させるに代わり、該微生物をウ
レタンフオーム等の発泡体からなる塊状ないしは粒状の
浮遊媒体の表面に付着させ、反応容器内の培養液中で培
養に必要な気体を通気しながら流動させることで、すな
わち、固・液・気の三相を流動させることで、微生物を
安定かつ効率良く培養すると共に、培養液中からの生産
物の回収分離を容易にしたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、上記の三相流動層型バイオリアクタの利
点を生かし、更に、その生産性の向上を図るへく、多方
面より鋭意検討を重ねてきた。

そして、まず、前述した従前のバイオリアクタの構成の
もとて、その培養液中に培養する菌体を懸濁させるに代
わり、該菌体を、培養液中に投入された浮遊媒体に付着
させ、これに種々の条件下で空気を通気させて培養を行
い、これらをもって、菌体を付着させる浮遊媒６体の投
入量を増加させてもなお安定した培養を行うことかでき
て、三相流動層型バイオリアクタとして、その生産性の
向上か達成し得るに最適な構成を模索・検討した結果、
以下の知見を得Ｊこ。

前述した従前の前二者の■懸濁気泡塔式および■二重前
型懸濁気泡塔式のバイオリアクタでは、浮遊媒体の投入
量の増加にて、培養液中の固体濃度か高まるに従い、こ
れら浮遊媒体により通気した気泡か合一して浮上し、酸
素供給能力か低下すると共に、培養液を円滑に流動ない
しは循環させ難くなって浮遊媒体の一部に滞留か生じ、
そのため、浮遊媒体表面の菌体か酸素供給不足にて失活
するという現象か起こり、安定した培養を行うことか困
難となる。

一方、最後者の■通気攪拌式のバイオリアクタでは、培
養液中の固体濃度をある程度に高めてもこれらを強制的
に攪拌・流動させ得るものの、その反応容器内周面に突
設したバッフル板ａ９の側面に一部の浮遊媒体か捕捉さ
れて滞留し、これら浮遊媒体表面の菌体か失活すると現
象が生じて、安定した培養を行うことか困難となる。こ
れは、そのバッフル板０５か、複数の攪拌翼０３が形成
する旋回流を一方の側面で受けて抑制する構成とされて
いるため、該バッフル板０９の旋回流の上流側面と反応
容器Ｉｌｌ内壁との間の角部に滞流か生し、該滞流部に
浮遊媒体か捕捉されるからである。反面、この滞流を解
消するために、攪拌翼ａ３の回転を高めるなとして攪拌
を強化すると、浮遊媒体表面の菌体か剥離ないしは失活
して、所期の培養か達成できなくなると共に、生産物の
回収も困難になるという問題か発生する。

従って、浮遊媒体を用いる三相流動層型バイオリアクタ
においては、その生産性を向上させるために、微生物を
付着させる浮遊媒体の投入量を、単に増加させただけで
はその目的か達成されず、該浮遊媒体を投入した培養液
を、浮遊媒体に滞留が生じないように、かつ付着した微
生物が剥離するような過剰の流動を加えないように、攪
拌流動させて、浮遊媒体表面の微生物と培養液、特に通
気される気体との接触効率を高め得るように改善された
装置構成が必要であることかわかった。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたもので、微生
物を付着させる浮遊媒体の投入量を増加させてもなお、
該浮遊媒体の滞留や、付着した微生物の剥離を生せしめ
ることなく攪拌流動させることができ、浮遊媒体表面の
微生物と培養液および気体との接触効率を高め得て、も
って、その生産性を高め得る三相攪拌流動層型バイオリ
アクタの提供を目的とするものである。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記目的を達成するために本発明は以下の構成とされて
いる。すなわち、本発明に係る三相攪拌流動層型バイオ
リアクタは、多孔質材等からなる浮遊媒体を、下底部に
給気手段を備える反応容器内の培養液中に投入し、該培
養液中で通気しながら攪拌流動させて、微生物を浮遊媒
体の表面に付着させて培養する三相撹拌流動層型バイオ
リアクタにおいて、前記反応容器内に、該反応容器内下
部に位置させた放射流型翼と該放射流型冥の上方に位置
させた軸流型翼とを同軸上に垂設すると共に、軸流型翼
を同芯状に囲撓し、内周面に上下方向に連なって内方に
突出する複数の整流フィンを設けた液流案内筒を配設し
、かつ、液流案内筒下端と反応容器底との間に、放射流
型翼を放射状をなして包囲する複数の整流板を配設して
なるものである。

〔作用〕

本発明に係る三相攪拌流動層型バイオリアクタにおいて
は、下底部に給気手段を備える反応容器内に、該反応容
器内下部に位置させた放射流型翼と該放射流型翼の上方
に位置させた軸流型翼とを同軸上に垂設すると共に、軸
流型翼を同芯状に囲撓する液流案内筒を配設するので、
多孔質材等からなる浮遊媒体を、反応容器内に充填した
培養液中に投入し、下底部の給気手段を介して培養に必
要な気体を下方から供給して培養液中に通気させる一方
、液流案内筒内に垂設した軸流型翼によって、該液流案
内筒内に下降流を形成し、浮遊媒体を含む培養液を、液
流案内筒の内部で流下し外側で上昇する循環流として流
動させて、該培養液中で浮遊媒体表面に微生物を付着さ
せて培養することかできる。

また、反応容器内下部に軸流型翼と同軸上に垂設した放
射流型翼によって、下方から供給される気体を微細な気
泡に分散させると共に、その気泡を軸流型翼にて流下さ
せられた浮遊媒体を含む培養液と混合・攪拌させること
かできるので、浮遊媒体表面への酸素供給効率を高めて
、安定かつ効率の良い培養を行うことかできる。

ところで、放射流型翼は、半径方向の放射流を形成し、
この放射流をもって、流下する浮遊媒体を含む培養液と
下方からの気泡とを混合・攪拌させなから外周方向に流
す一方、これらをその回転方向にも旋回させんとするが
、その垂設位置に対応する液流案内筒下端と反応容器底
との間には、該放射流型翼を放射状をなして包囲する複
数の整流板か配設されているので、該放射流型翼によっ
て液流案内筒の外側方向に送り出される浮遊媒体を含む
培養液は、これら整流板によって旋回流を形成すること
を阻止され、半径方向の流れに整流されて流出し、旋回
流を形成することなく液流案内筒の外側を上昇させられ
る。

また、液流案内筒の上方に還流し、軸流型翼によって液
流案内筒内に吸引・流下させられる浮遊媒体を含む培養
液は、該軸流型翼の回転に随伴して液流案内筒内で旋回
流を形成しようとするか、該液流案内筒の内周面には、
上下方向に連なって内方に突出する複数の整流フィンか
設けられているので、これら整流フィンによって旋回流
の形成を阻止され、下方向の流れに整流されて旋回流を
形成することなく液流案内筒内を流下し、その上方で渦
巻きを形成して浮遊媒体を過度に集中させることかない
。また、このことにより、軸流型翼の液推進効率を高く
保つことかできる。

加えて、例えば、プロペラ翼等の軸流型翼は、その本来
目的に沿って、液に与える軸方向の推力が高く、かつ回
転方向の分力か低くなるように構成されるので、液流案
内筒の内部における培養液の随伴旋回流は下降流に比へ
て格段に小さくなり、該随伴旋回流を阻止する整流フィ
ンは、比較的に低く突出させてもその目的を果たし得、
また、該整流フィンの側面に対する随伴旋回流の押し付
は力は、その下降流の力に比へて格段に低くなるため、
培養液と共に流下する浮遊媒体は、これら整流フィンに
捕捉されて滞留する懸念がない。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図ａは本実施例の三相攪拌流動層型バイオリアクタ
の概要を示す正断面図であり、第１図すは第ｉ図ａのＩ
−Ｉ断面図、第１図Ｃは第１図ａの■−■断面図である
。

これら図において、（１１は反応槽であって、該反応槽
（１）は、自由液面を形成する縦型円筒容器に構成され
、ここでは図示を省略した培養液りの充填・補充手段お
よび微生物を付着させる浮遊媒体Ｐの投入・回収手段に
連通されである。

（２）は液流案内筒であって、該液流案内筒（２）は、
反応槽（１）内に同芯状に立設されである。また、該液
流案内筒（２）の上部内周面には、第１図すに示すよう
に、上下方向に連なり、中心方向に向けて板状に突出す
る複数の整流フィン（２ａ）を、円周方向に等ピッチに
凸段している。

（３）は整流板であって、該整流板（３）は、液流案内
筒（２）下方にその下端円周方向に沿う複数箇所に上下
方向に配され、液流案内筒（２）を反応槽（１）内底面
に液流通可能に間隔を隔てて支持している。

また、これら整流板（３）は、第１図Ｃに示すように、
円周方向に互いに等間隔を隔て、かつ、半径方向に放射
状をなして複数枚配され、それぞれの下端部を反応槽（
１１内底面に、上端部を液流案内筒（２）下端に連結さ
れている。

（４）は回転軸であって、該回転軸（４）は、上端部を
反応槽＋１１上部に設けられたモータ（５）の出力軸に
連結させて、反応槽（１１の中心に垂設されである。

（６）はディスクタービン翼てあって、該ディスクター
ビンｘ（６）は、片羽根翼型のものて、その翼部を下に
して、整流板（３）の内側に反応槽（１）内底面と間隔
を隔てて、回転軸（４）下端に取着されている。

（７）は軸流型翼てあって、該軸流型翼（７）は、通常
のプロペラ翼型のもので、ディスクタービン翼（６）の
上方の液流案内筒（２）の内下部に位置する部位の回転
軸（４）上に取着されている。

なお、回転軸（４）は一定方向に回転し、その回転にて
、軸流型翼（７）には下降流を、ディスクタービン翼（
６）には半径方向に向く放射流を形成させる。

（８）は吹込口てあって、該吹込口（８）は、反応槽（
１）の上底部中心に設けられ、図外の空気圧縮機に連通
された噴気ノズル（９）を備えている。

上記構成を具備する本実施例の三相攪拌流動層型バイオ
リアクタにおいては、まず、培養液りを反応槽（１）内
に充填すると共に、該培養液り中に、培養すべき微生物
ど、該微生物を表面に付着させる粒状の浮遊媒体Ｐを投
入する。

このとき、培養液りは、液流案内筒（２）の上端より高
い液面を形成するまで充填され、一方、浮遊媒体Ｐは、
ウレタンフオーム発泡体等からなり、培養液り中におい
て短時間で浮上ないしは沈降することなく浮遊し得る比
重のものか選定される。

この状態から、吹込口（８）の噴気ノズル（９）を介し
て反応槽（１）内に空気Ａを圧入すると共に、モータ（
５）を運転して培養操作に入るのである。

モータ（５つの運転によって、回転軸（４）を介して軸
流型翼（７）とディスクタービン翼（６）とを同軸回転
させると、液流案内筒（２＋内の浮遊媒体Ｐを含む培養
液りは、軸流型翼（７）にて下方に向けて流かされ、一
方、噴気ノズル（９）を介して圧入されて吹込口（８）
から上昇する空気Ａは、この吹込口（８）の上方で回転
するディスクタービン翼（６）により微細な気泡Ｂに分
散させられる。そして、この気泡Ｂと、液流案内筒（２
）内を流下してきた浮遊媒体Ｐを含む培養液りとは、デ
ィスクタービン翼（６）が形成する半径方向の放射流に
よって混合・攪拌されながら整流板（３）間を経て外周
方向に送り出され、反応槽（り側壁と液流案内筒（２）
との間で上昇させられる。

この混合・攪拌と上昇の間で、微細な気泡Ｂとされた空
気Ａと培養液りどの接触効率か高まり、培養液り中に溶
解された空気へにより浮遊媒体Ｐの表面に付着した微生
物への酸素供給か達成され、該微生物の増殖か進む。ま
た、反応槽ｆ＋１側壁と液流案内筒（２）との間で気泡
Ｂと共に上昇させられた浮遊媒体Ｐを含む培養液りは、
液流案内筒（２）の上開口より吸引・流下させられ、第
１図ａ中の矢印で示すように、液流案内筒（２）の内外
を経る循環流に形成されて流動を続ける。一方、上昇し
た気泡Ｂの内で合一して大きくなったもののみか液面よ
り放出され、残りの微細な気泡Ｂは循環流に随伴して液
流案内筒（２）内を流下するので、該液流案内筒（２）
内でも微生物の培養か継続される。

ところで、ディスクタービン翼（６）は、半径方向の放
射流を形成することで、気泡Ｂと浮遊媒体Ｐを含む培養
液りを混合・攪拌させながら外周方向に流す一方、これ
らをその回転方向にも旋回させるので、これを無制御に
放置すると、反応槽＋１１内の培養液り全体か旋回し始
め、特に吸引・流下させられる液流案内筒（２）上では
渦巻きを形成する。

そして、培養液り全体が旋回や渦巻きを起こすと、該培
養液りと流動性の異なる浮遊媒体Ｐが、一種の遠心分離
作用を受けて特定部位に過剰集中したり、循環量か減少
したりして、安定した培養の継続か不可能になる。

ここで、本実施例においては、ディスクタービン翼（６
）の外周側に、放射状をなして上下方向に配された複数
の整流板（３）を設け、このディスクタービン翼（６）
にて外周方向に送り出される浮遊媒体Ｐを含む培養液り
と気泡Ｂとの旋回成分を、これら整流板（３）にて半径
方向の流れに変換・整流して流出させることで、これら
の旋回を阻止する。また、整流板（３）は放射状に配さ
れるので、これにより浮遊媒体Ｐが捕捉・滞留させられ
る懸念はない。

一方、液流案内筒（２）上方に還流し、その内部に吸引
・流下させられる浮遊媒体Ｐを含む培養液りは、軸流型
翼（７）の回転に随伴して旋回流を形成しようとするか
、この液流案内筒（２）の上部内周面に上下方向に凸段
された整流フィン（２ａ）にて旋回を阻止され、下方向
の流れに整流されて流下するので、液流案内筒（２）上
方で渦巻きを形成して浮遊媒体Ｐを過度に集中させるこ
とかなく、また、随伴旋回による相対速度の低下を防い
で、軸流型翼（７）の液推進効率を高く保つことかでき
る。

加えて、プロペラ翼型とされた軸流型翼（７）は、軸方
向の推力を高くする一方で、回転方向の分力を低く抑え
得るので、液流案内筒（２）内の培養液りの随伴旋回流
は下降流に比べて格段に小さくなり、該随伴旋回流を阻
止する整流フィン（２ａ）は、比較的に低く突出させた
ものでもその目的を果たし得、また、該整流フィン（２
ａ）側面に対する随伴旋回流の押し付は力は、その下降
流の力に比へて格段に低くなるため、流下する培養液り
中の浮遊媒体Ｐは、これら整流フィン（２ａ）に捕捉さ
れて滞留する懸念かない。

従って、本実施例の三相攪拌流動層型バイオリアクタに
おいては、培養液り中に投入する浮遊媒体Ｐの量を増加
させても、比較的に穏やかな速度の循環流をもって、浮
遊媒体Ｐに滞留や過度集中を生じさせることなく流動さ
せて、浮遊媒体２表面の微生物に効率よく酸素供給させ
ることができ、安定かつ高効率の培養を行うことができ
る。

次に、本実施例の構成の三相攪拌流動層型バイオリアク
タを用いた例と、従来の懸濁気泡式のバイオリアクタを
三相流動層型として用いた例と対比して、その性能をガ
ス吸収能力にて実験・評価した結果を、第２図のグラフ
に例示する。

この例では、反応槽の内径を０．４ｍ、液流案内筒の内
径を０．２３ｍ、ディスクタービン翼の外径を０、２ｍ
とした。また、流体として水道水にシリコンオイルを２
００ｐｐｍ添加した混合液を用い、該混合液中に３〜ｌ
　０ｍｍ径のウレタンフオーム発泡体からなる浮遊媒体
を３７Ｖｏ　１％投入し、これに種々のガス空塔速度で
空気を通気すると共に、ディスクタービン翼の回転数ｎ
を種々に設定し、該混合液中への酸素供給効率を示す指
標である容量係数ＫＬａ（１／５ｅｅ）の変動を測定・
評価した。また、比較例では、上記と同一の混合液中に
、同じ浮遊媒体を同率で投入し、これに種々のガス空塔
速度で空気を通気し、同様に、その容量係数ＫＬａの変
動を測定・評価した。なお、第２図のグラフの横軸とし
たガス空塔速度Ｕｇは、通気量（ｃｍ２／５ｅｃ）を反
応槽内の断面積（ｃｍりで割った値（ｃｍ／５ｅｅ）で
ある。

また、同グラフ中のＯ印でプロットした曲線はディスク
タービン翼の回転数ｎを６．７／ｓｅｅに、０印でプロ
ットした曲線は回転数ｎを５．　Ｏ／ｓｅｃに、Δ印で
プロットした曲線は回転数ｎを３．３／ｓｅｅに、それ
ぞれ設定した本例の測定値を示す。また、・印でプロッ
トした曲線は比較例の測定値を示す。

第２図のグラフに明らかなように、本実施例の三相攪拌
流動層型バイオリアクタは、従来の懸濁気泡式のバイオ
リアクタに比較し、溶液中へのガス供給効率か高く、特
に低ガス空塔速度Ｕｇの領域では格段に高いので、微生
物を付着させる浮遊媒体Ｐの投入量を増加させた高濃度
培養が可能となり、しかも、強制循環流動および攪拌条
件を種々に設定できるので、各種微生物の特性それぞれ
に対応させて、広い範囲の操作条件の設定か可能となり
、その培養効率を高めることができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明に係る三相攪拌流動層型バ
イオリアクタは、培養液中に投入する浮遊媒体の量を増
加させてもなお、これら浮遊媒体を、特定部位に滞留や
過剰集中させたり、過剰に流動させて表面の微生物の剥
離を生せしめることのない、比較的に穏やかな速度の整
流をもって循環流動させると共に、通気される気体を微
細な気泡として培養液と攪拌させて、培養液中へのガス
供給効率を高めることができ、しかも、その操作条件の
広い範囲に設定することができ、もって、浮遊媒体表面
に付着させた微生物を、失活させることなく、高濃度で
効率良く培養することかでき、その生産性を格段に向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明の実施例の三相撹拌流動層型バイオリ
アクタの概要を示す正断面図、第１図すは第１図ａのＩ
−Ｉ断面図、 第１図Ｃは第１図ａの■−■断面図、 第２図は本発明に関わる容量係数ＫＬａとガス空塔速度
Ｕｇとの関係を示すグラフ、 第３図ａは従来の通気攪拌式のバイオリアクタの概要を
示す正断面図、 第３図すは第３図ａのＡ−Ａ断面図である。 （ｌ）−反応槽、　　　（２）−液流案内筒、（２ａ）
−一瞥流フイン、（３）−整流板、（４）−回転軸、　
　　（６）−ディスクタービン翼、（７）−軸流望真、
　　（８）−吹込口、（９）−噴気ノズル、　　Ｂ−気
泡、 Ｌ−培養液、　　　Ｐ−浮遊媒体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多孔質材等からなる浮遊媒体を、下底部に給気手段を備
   える反応容器内の培養液中に投入し、該培養液中で通気
   しながら攪拌流動させて、微生物を浮遊媒体の表面に付
   着させて培養する三相撹拌流動層型バイオリアクタにお
   いて、前記反応容器内に、該反応容器内下部に位置させ
   た放射流型翼と該放射流型翼の上方に位置させた軸流型
   翼とを同軸上に垂設すると共に、軸流型翼を同芯状に囲
   繞し、内周面に上下方向に連なって内方に突出する複数
   の整流フィンを設けた液流案内筒を配設し、かつ、液流
   案内筒下端と反応容器底との間に、放射流型翼を放射状
   をなして包囲する複数の整流板を配設してなることを特
   徴とする三相攪拌流動層型バイオリアクタ。