JPH08163989A - Interfacial bioreactor system - Google Patents

Interfacial bioreactor system

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JPH08163989A
JPH08163989A JP33244494A JP33244494A JPH08163989A JP H08163989 A JPH08163989 A JP H08163989A JP 33244494 A JP33244494 A JP 33244494A JP 33244494 A JP33244494 A JP 33244494A JP H08163989 A JPH08163989 A JP H08163989A
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JP
Japan
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reaction
tower
water
solvent
reaction solvent
Prior art date
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Application number
JP33244494A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinobu Oda
忍 小田
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Kansai Paint Co Ltd
Original Assignee
Kansai Paint Co Ltd
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Publication date
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

PURPOSE: To provide an efficient interfacial bioreactor easy to scale up, designed to subject a water-insoluble or sparingly water-soluble stock to bioconversion. CONSTITUTION: This interfacial bioreactor system is made up of a reaction column 1 packed at a rate of 10-70% with a granular hydrophilic immobilizing carrier 3 having a granular diameter of 5-100mm, immobilized with microorganisms in proliferable or viable state and containing a liquid medium composed of water and nutrients necessary for the microorganisms proliferation or living and an aeration column 5 connected to the reaction column 1, designed to circulate a reaction solvent 6 containing a virtually water-insoluble or sparingly water-soluble reaction substrate from the lower part to upper part of the reaction column at a rate of 10-10000ml/min and capable of feeding and mixing the reaction solvent with oxygen.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は水不溶性もしくは難溶性
の原料を微生物変換するための界面バイオリアクターシ
ステムに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an interfacial bioreactor system for microbial conversion of a water-insoluble or sparingly soluble raw material.

【0002】[0002]

【従来技術】従来より、水溶性の安価な原料を微生物を
用いて有用な物質に変換する手法が、特に医薬品や農
薬、電子材料などの原料に代表される光学活性体の生産
に用いられている[太田博通、有合化、14巻、823
(1983);藤沢有ら、有合化、44巻、519(1
986);太田博通、バイオサイエンスとインダストリ
ー、44巻、823(1991)]。一方、水に溶解し
ない原料の微生物変換としては、原料の溶解・分散性の
低さを補うために水中で強制撹拌して原料を分散させる
エマルジョン法や界面活性剤添加法[T.Nakaha
ra,et al.,J.Ferment.Techo
l.,59巻、415(1981)]、水と混和する有
機溶媒を添加して原料の溶解性を高める水混和性有機溶
媒添加法[A.Freeman and M.D.Li
lly,Appl.Microbiol.Biotec
hnol.,25巻、495(1987)]、水非混和
性有機溶媒添加もしくは水/有機溶媒二相系反応法
[M.D.Hocknull and M.D.Lil
ly,Appl.Microbiol.Biotech
nol.,33巻、148(1990)]などの多くの
方法が提案されているが、これらの方法は、原料や添加
剤の毒性を回避することは不可能であり、目的物質を高
濃度で生産することは困難である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a method of converting a water-soluble and inexpensive raw material into a useful substance by using a microorganism has been used particularly in the production of an optically active substance represented by a raw material such as pharmaceuticals, agricultural chemicals and electronic materials. [Ota Hiromichi, ification, 14 volumes, 823
(1983); Yu Fujisawa et al., Yuka, 44, 519 (1).
986); Hirota Ota, Bioscience and Industry, 44, 823 (1991)]. On the other hand, as the microbial conversion of the raw material that is not soluble in water, in order to compensate for the low solubility and dispersibility of the raw material, an emulsion method or a surfactant addition method [T. Nakaha
ra, et al . , J. et al. Ferment. Techo
l. , 59, 415 (1981)], a method for adding a water-miscible organic solvent [A. Freeman and M.D. D. Li
lly, Appl. Microbiol. Biotec
hnol. 25, 495 (1987)], water-immiscible organic solvent addition or water / organic solvent two-phase reaction method [M. D. Hocknull and M.D. D. Lil
ly, Appl. Microbiol. Biotech
nol. , 33, 148 (1990)] have been proposed, but these methods cannot avoid the toxicity of raw materials and additives and produce a target substance at a high concentration. Is difficult.

【0003】一方、親水性担体と疎水性有機溶媒との界
面の増殖する微生物を生体触媒として用いる界面バイオ
リアクターも知られている。該界面バイオリアクター
は、原料および産物の溶解性の向上およびこれらの毒性
回避、さらには有機溶媒からの豊富な酸素供給などの優
れた長所を有しており、ほとんど全ての微生物に対して
使用可能であり、さらに微生物的酸化還元、加水分解、
エステル化など多くの反応を好成績で実施することが可
能である等の利点がある[S.Oda,et al.,
Biosci.Biotech.Biochem.,5
6巻、2041(1992);特開平5−91878号
公報、特開平5−344896号公報、特開平6−88
号公報、特開平6−90号公報、特開平6−95号公
報、特開平6−197773号公報、特開平6−197
777号公報]。
On the other hand, an interfacial bioreactor using a microorganism that grows at the interface between a hydrophilic carrier and a hydrophobic organic solvent as a biocatalyst is also known. The interfacial bioreactor has excellent advantages such as improved solubility of raw materials and products, avoidance of toxicity thereof, and abundant oxygen supply from organic solvent, and can be used for almost all microorganisms. And further microbial redox, hydrolysis,
It has the advantage that many reactions such as esterification can be performed with good results [S. Oda, et al . ,
Biosci. Biotech. Biochem. , 5
Vol. 6, 2041 (1992); JP-A-5-91878, JP-A-5-344896, JP-A-6-88.
JP-A-6-90, JP-A-6-95, JP-A-6-197773, and JP-A-6-197.
777].

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】前記した界面バイオリ
アクターは、親水性担体として寒天平板を使用したケー
スが多く、大スケール化を前提とした報告もあるが
[S.Oda,et al.,J.Ferment.B
ioeng.,78巻、149(1994)]。実用的
には未だ不十分であり、さらに以下に述べるような問題
点を有している。界面バイオリアクターでは、反応溶
媒である疎水性有機溶媒の高い酸素溶解力により、水系
反応に比べて著しく少ない通気量で十分に微生物反応は
進行するが、反応塔が大型化してその高さが増大する際
には通気ラインを組み込むことが必要であり、この場
合、粒子状担体を充填した反応塔中に直接通気すれば直
ちに空気溜まりが発生し、重大な支障を来す。さらに、
粒子充填型のバイオリアクターでは機械的撹拌は実際上
不可能であり、酸素供給のみならず微生物への原料供給
や産物の菌体外への放出などにも大きな影響を及ぼす。
粒子状担体を充填した反応塔は、そのスケールが大き
くなればなるほど粒子の充填量が多くなり、その自重に
よって反応塔下部の粒子が圧迫され(圧密)、粒子自体
が崩壊する場合がある。この圧密、粒子崩壊は送液系の
閉塞をもたらして圧上昇を引き起こすため、ポンプ稼働
の維持や安全面で大きな問題となる。
The above-mentioned interfacial bioreactor often uses an agar plate as a hydrophilic carrier, and there is a report on the premise of increasing the scale [S. Oda, et al . , J. et al. Ferment. B
ioeng. , 78, 149 (1994)]. It is still insufficient for practical use, and has the following problems. In the interfacial bioreactor, due to the high oxygen-dissolving power of the hydrophobic organic solvent that is the reaction solvent, the microbial reaction proceeds sufficiently with a significantly smaller aeration amount than the aqueous reaction, but the reaction tower becomes larger and its height increases. In this case, it is necessary to incorporate a ventilation line. In this case, if air is directly ventilated into the reaction column filled with the particulate carrier, an air trap will be generated immediately, causing a serious problem. further,
In a particle-filled bioreactor, mechanical agitation is practically impossible, and it has a great influence not only on oxygen supply but also on material supply to microorganisms and release of products outside the cells.
In the reaction tower filled with the particulate carrier, the larger the scale of the reaction tower is, the larger the packing amount of particles becomes, and the particles in the lower part of the reaction tower are compressed (consolidated) by their own weight, and the particles themselves may collapse. This compaction and particle collapse cause a blockage of the liquid delivery system and cause an increase in pressure, which is a major problem in terms of maintaining pump operation and safety.

【0005】[0005]

【問題を解決するための手段】本発明者は、前記の如き
問題がなく、効率的でスケールアップが容易な界面バイ
オリアクターを開発することを目的に鋭意検討を重ねた
結果、微生物が表面に増殖もしくは生存可能な状態で付
着・固定化された粒子状親水性固定化担体を反応塔内部
に充填し、該反応塔に酸素供給および内容液の混合を可
能にする通気塔を連結した外部液循環ラインを組み込む
ことにより上記の目的を達成できることを見い出し、本
発明を完成するに至った。
[Means for Solving the Problems] The present inventors have conducted extensive studies for the purpose of developing an interfacial bioreactor that does not have the above-mentioned problems and is efficient and easy to scale up. An external liquid in which a particulate hydrophilic immobilization carrier adhered / immobilized in a proliferative or viable state is filled in the reaction tower and an aeration tower is connected to the reaction tower to enable oxygen supply and mixing of the content liquid. It was found that the above object can be achieved by incorporating a circulation line, and the present invention has been completed.

【0006】かくして本発明に従えば、表面に微生物が
増殖もしくは生存可能な状態で付着・固定化されており
且つ該微生物の増殖もしくは生存に必要な栄養源及び水
よりなる液体培地を含有する粒径5〜100mmの粒子
状親水性固定化担体が充填率10〜70%で充填された
反応塔と、該反応塔に連結された、実質的に水に不溶性
もしくは難溶性の反応基質を含む反応溶媒を該反応塔の
下部から上部へ循環速度10〜10000ml/分で循
環させ且つ該反応溶媒への酸素供給と混合を行うことの
できる通気塔を有することを特徴とする界面バイオリア
クターシステムが提供される。
Thus, according to the present invention, a particle in which a microorganism is adhered / immobilized on the surface in a state where it can grow or survive and which contains a liquid medium consisting of a nutrient source and water necessary for the growth or survival of the microorganism. A reaction column filled with a particulate hydrophilic immobilization carrier having a diameter of 5 to 100 mm at a filling rate of 10 to 70%, and a reaction including a substantially water-insoluble or sparingly soluble reaction substrate connected to the reaction column Provided is an interface bioreactor system comprising a vent column capable of circulating a solvent from a lower part of the reaction column to an upper part thereof at a circulation rate of 10 to 10,000 ml / min and supplying and mixing oxygen to the reaction solvent. To be done.

【0007】本発明によれば、表面に微生物が増殖もし
くは生存可能な状態で付着・固定化された粒子状親水性
固定化担体(以下、「粒子状担体」ということもある)
を内部に充填した反応塔に、通気撹拌塔から水不溶性も
しくは難溶性の反応基質を含んだ反応溶媒を送液ポンプ
によって注入し、かつ循環させることにより、粒子状担
体を充填した反応塔内で十分な撹拌混合効果を生じ、微
生物への酸素および反応基質の供給や微生物による産物
の菌体からの放出を促進せしめて微生物変換反応を効率
よく行わせることができる。
According to the present invention, a particulate hydrophilic immobilization carrier (hereinafter, also referred to as "particulate carrier") is adhered and immobilized on the surface in a state where microorganisms can grow or survive.
Into the reaction tower filled with, the reaction solvent containing the water-insoluble or sparingly soluble reaction substrate is injected from the aerating and stirring tower by a liquid-sending pump, and circulated, so that in the reaction tower filled with the particulate carrier. A sufficient stirring and mixing effect is produced, supply of oxygen and a reaction substrate to the microorganism and promotion of release of the product from the microorganism by the microorganism can be promoted to efficiently carry out the microorganism conversion reaction.

【0008】しかして、本発明の第一の特徴ないし利点
は、通気撹拌塔を組み込んだ外部液循環ラインを用い、
反応塔内の反応溶媒を高速循環させるようにした点にあ
り、これにより、反応塔内の粒子状担体を反応床として
固定したままで、反応溶媒の十分な撹拌混合効果が得ら
れる。しかも、通気撹拌塔に酸素を供給することによ
り、反応溶媒中への酸素の取り込みが著しく向上し、酸
素および反応基質の菌体への供給効果ならびに産物の菌
体外への放出効果が著しく向上する。
Therefore, the first feature or advantage of the present invention is to use an external liquid circulation line incorporating an aeration and stirring tower,
The point is that the reaction solvent in the reaction tower is circulated at a high speed, whereby a sufficient stirring and mixing effect of the reaction solvent can be obtained while the particulate carrier in the reaction tower is fixed as a reaction bed. Moreover, by supplying oxygen to the aeration and stirring tower, the uptake of oxygen into the reaction solvent is significantly improved, and the effect of supplying oxygen and reaction substrates to the cells and the effect of releasing the product to the outside of the cells are significantly improved. To do.

【0009】本発明の第二の特徴ないし利点は、外部液
循環ラインによる反応塔中への送液を反応塔の下部から
行うようにした点にあり、これにより、粒子塊(反応
床)全体が液流に乗って上方へ持ち上げられる傾向が生
じ、粒子状担体の反応床(粒子塊)の自重が打ち消され
るかあるいは軽減されるため、反応塔が大型化しても、
粒子の圧密や崩壊を容易に避けることができるという効
果が得られる。
The second feature or advantage of the present invention resides in that the liquid is fed into the reaction column through the external liquid circulation line from the lower part of the reaction column, whereby the whole particle mass (reaction bed) is obtained. Tends to be lifted upward in the liquid flow, and the own weight of the reaction bed (particle lump) of the particulate carrier is canceled or reduced, so that even if the reaction tower becomes large,
The effect that the compaction and the collapse of the particles can be easily avoided is obtained.

【0010】本発明の第三の特徴ないし利点は、反応後
に微生物の活性が低下した場合に、低活性微生物が表面
に付着した粒子状担体を蒸気滅菌した後に回収し、表面
洗浄によって微生物フィルムを除去し、さらに液体培地
中に浸漬して担体内部の水層を新鮮な液体培地で置換
し、これを繰り返し使用できるため、固定化担体コスト
を大幅に低減できる点にある。
A third feature or advantage of the present invention is that, when the activity of the microorganism is reduced after the reaction, the particulate carrier having the low activity microorganism adhered to the surface is recovered by steam sterilization, and the microorganism film is washed by surface cleaning. It is possible to drastically reduce the cost of the immobilized carrier because it can be removed and then immersed in a liquid medium to replace the aqueous layer inside the carrier with a fresh liquid medium and repeatedly used.

【0011】本発明の第四の特徴ないし利点は、反応後
の微生物菌体の除去が非常に容易なことである。通常の
水不溶性原料の微生物変換法であるエマルジョン法で
は、微生物と反応基質あるいは産物との比重差が小さい
こと、あるいは反応基質や産物が菌体表面に付着するこ
となどの理由により、微生物菌体と産物との分離が非常
に困難であるが、本発明では、微生物は粒子状担体表面
に付着・固定化されているため、粒子状担体の除去は反
応基質を含む反応溶媒を反応塔、通気塔および循環ライ
ンから抜き出すだけで簡単に行なうことができる。
The fourth feature or advantage of the present invention is that the removal of microbial cells after the reaction is very easy. In the emulsion method, which is a normal microbial conversion method for water-insoluble raw materials, the microbial cells may be separated due to a small difference in specific gravity between the microorganism and the reaction substrate or product, or because the reaction substrate or product adheres to the cell surface. Although it is very difficult to separate the product from the product, in the present invention, since the microorganisms are adhered and immobilized on the surface of the particulate carrier, the removal of the particulate carrier is carried out by passing the reaction solvent containing the reaction substrate through the reaction tower and aeration. It can be carried out simply by extracting it from the tower and the circulation line.

【0012】以下、本発明の界面バイオリアクターシス
テムについてさらに詳しく説明する。
The interface bioreactor system of the present invention will be described in more detail below.

【0013】本発明で使用可能な粒子状親水性固定化担
体の素材は、微生物の栄養源を含む水性の液体培地を含
有保持することができ且つ担体表面に存在する微生物に
栄養源を供給することのできるものであれば特に制約は
なく、具体的には、例えば、アルギン酸、カラギーナ
ン、デンプンマトリクス、寒天、濾紙のようなセルロー
ス材などの天然高分子;ポリビニルアルコール、ウレタ
ンポリマー、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸など
のような合成高分子;泡ガラスのような無機質などを挙
げることができる。ただし、担体を繰り返し再生使用す
る場合には、濾紙球を除く天然高分子は強度が低下する
という問題があるため、合成高分子あるいは無機質の粒
状化物を用いる方が好ましい。また、強度の低い天然高
分子または合成高分子のゲル状化物をコーティング剤と
して用い、これを無機質粒状化物のような強強度の粒状
化物の表面にコートすることもできる。
The material for the particulate hydrophilic immobilization carrier that can be used in the present invention can contain and retain an aqueous liquid medium containing a nutrient source for microorganisms, and supplies the nutrient source to the microorganisms present on the surface of the carrier. There is no particular limitation as long as it can be used. Specific examples include natural polymers such as alginic acid, carrageenan, starch matrix, agar, and cellulose materials such as filter paper; polyvinyl alcohol, urethane polymer, polyacrylamide, polyacrylamide. Examples thereof include synthetic polymers such as acrylic acid; inorganic substances such as foam glass. However, when the carrier is repeatedly reused, the natural polymer other than the filter paper sphere has a problem that the strength is lowered. Therefore, it is preferable to use a synthetic polymer or an inorganic granular material. It is also possible to use a gelled material of low strength natural polymer or synthetic polymer as a coating agent and coat it on the surface of a strong strength granular material such as an inorganic granular material.

【0014】本発明の界面バイオリアクターシステムは
いかなる微生物にも適用でき、酸化、還元、加水分解、
エステル合成反応のような様々な微生物変換反応を実施
させることが可能である。しかして上記の如き担体に固
定化しうる微生物は、細菌、カビ類、酵母、放線菌のい
ずれかの微生物であってもよく、また、好気性、嫌気性
のいずれのタイプのものであってもよい。具体的には例
えば、シュードモナス(Pseudomonas)属、グルコノバ
クター(Gluconobacter)属、アセトバクター(Acetoba
cter)属、アリスロバクター(Arthrobacter)属、コリ
ネバクテリウム(Corynebacterium)属、ロドコッカス
Rhodococcus)属、アルカリゲネス(Alcaligenes
属、カンジダ(Candida)属、ハンゼヌラ(Hansenula
属、アスペルギルス(Aspergillus)属などに属する微
生物を挙げることができる。
The interfacial bioreactor system of the present invention can be applied to any microorganism, including oxidation, reduction, hydrolysis,
It is possible to carry out various microbial conversion reactions such as ester synthesis reactions. However, the microorganisms that can be immobilized on the carrier as described above may be any microorganisms such as bacteria, molds, yeasts and actinomycetes, and may be either aerobic or anaerobic type. Good. Specifically, for example, Pseudomonas (Pseudomonas) genus Gluconobacter (Gluconobacter) genus Acetobacter (Acetoba
cter ) genus, Ahrithobacter ( Arthrobacter ) genus, Corynebacterium ( Corynebacterium ) genus, Rhodococcus ( Rhodococcus ) genus, Alcaligenes ( Alcaligenes )
Genus Candida (Candida) species, Hansenula (Hansenula)
Genus, mention may be made of Aspergillus (Aspergillus) a microorganism belonging to the genus belonging to such.

【0015】これら微生物の前記担体への付着・固定化
は、それ自体既知の方法、例えば、特開平5−9187
8号公報等の文献に記載の方法に従って行なうことがで
き、最終的には粒子状に成形して使用される。
The attachment and immobilization of these microorganisms to the carrier is a method known per se, for example, JP-A-5-9187.
It can be carried out according to the method described in the literature such as JP-A-8, etc., and finally it is formed into particles and used.

【0016】これら粒子状担体の内部は通常の微生物培
養用の液体培地を包含させて用いることが必要である
が、用いる液体培地の組成には特に制約はなく、用いる
微生物の種類等に応じて広い範囲にわたり変えることが
できるが、一般には、グルコースやシュークロースなど
の炭素源、アンモニウム塩のような窒素源、マグネシウ
ム塩のような無機塩類、酵母エキスなどの微量栄養源を
含むものを使用することができる。なお、反応溶媒とし
てパラフィン類を用い、これを増殖用基質として兼用す
る場合には、担体内部に炭素源を含ませておく必要はな
い。
The inside of these particulate carriers must be used by incorporating a liquid medium for culturing ordinary microorganisms, but the composition of the liquid medium used is not particularly limited, and it depends on the type of microorganisms used. It can be varied over a wide range, but generally one containing a carbon source such as glucose or sucrose, a nitrogen source such as an ammonium salt, an inorganic salt such as a magnesium salt, or a micronutrient source such as a yeast extract is used. be able to. When paraffins are used as the reaction solvent and also serve as the growth substrate, it is not necessary to include a carbon source inside the carrier.

【0017】本発明の界面バイオリアクターシステムを
前記した問題点を生じさせることなく効率よく且つスケ
ールアップした状態で操作するには、用いる粒子状担体
の大きさ及びその反応塔に対する充填率を適当に選択す
ることが重要である。粒子状担体の表面は固定化されて
いる微生物の増殖に伴って肥厚するため、充填された粒
子間の間隙が実質的に減少する。さらに、微生物層を表
面に有する粒子状担体の間には、有機溶媒相が存在して
固/液界面を形成し得ることが界面バイオリアクターに
とっては必須条件である。そのためには、用いる粒子状
担体の粒径は、或る程度大きいことが望ましく、通常5
〜100mm、好適には10〜50mmの範囲内が適当
である。また、粒子状担体の反応塔に対する充填率は、
生産性を考慮して、一般に10〜70%、特に30〜6
0の範囲内にするのが好適である。ここで、粒径は平均
粒径を表わし、粒径の分布幅は大体3〜150mmの範
囲内にある。粒径の測定はノギスや物差しを用いて行な
うことができる。また、粒子状担体の充填率は、ワーキ
ングボリューム(粒子状担体と反応溶媒の合計容積)に
対する粒子状担体の占める割合をいう。
In order to operate the interfacial bioreactor system of the present invention efficiently and in a scaled-up state without causing the above-mentioned problems, the size of the particulate carrier to be used and its packing rate for the reaction tower are appropriately set. The choice is important. Since the surface of the particulate carrier is thickened with the growth of the immobilized microorganisms, the gap between the packed particles is substantially reduced. Furthermore, it is an essential condition for an interfacial bioreactor that an organic solvent phase be present between the particulate carriers having a microbial layer on the surface to form a solid / liquid interface. For that purpose, it is desirable that the particle size of the particulate carrier to be used is large to some extent.
The range of -100 mm, preferably 10-50 mm is suitable. Further, the packing rate of the particulate carrier in the reaction tower is
Considering productivity, generally 10-70%, especially 30-6
It is preferably within the range of 0. Here, the particle size represents the average particle size, and the distribution width of the particle size is approximately in the range of 3 to 150 mm. The particle size can be measured using a caliper or a ruler. The filling rate of the particulate carrier refers to the ratio of the particulate carrier to the working volume (total volume of the particulate carrier and the reaction solvent).

【0018】本発明に従い反応塔に供給される水に不溶
性もしくは難溶性の反応基質を含む溶液を調製するため
の有機溶媒としては、固定化された微生物菌体に対して
実質的に毒性を示さないものが好ましく、具体的には、
ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどの
炭素数6〜20のメタン系炭化水素に代表されるノルマ
ルパラフィン類または流動パラフィン類;イソオクタン
などのイソパラフィン類;ペンチルベンゼン、ヘキシル
ベンゼン、ヘプチルベンゼン、オクチルベンゼンなどの
脂肪族鎖の炭素数が5〜15のノルマルアルキルベンゼ
ン類;キュメンなどのイソアルキルベンゼン類;シクロ
ヘキサンなどの脂環式炭化水素類;ヘキシルエーテルな
どのエーテル類;ジブチルフタレートなどの芳香族エス
テル類;デカン酸エチルなどの脂肪族エステル類;ポリ
ジメチルシロキサンなどのシリコンオイルなどを例示す
ることができる。
As an organic solvent for preparing a solution containing a reaction substrate that is insoluble or sparingly soluble in water supplied to a reaction tower according to the present invention, it shows substantial toxicity to immobilized microbial cells. Those that do not exist are preferable.
Normal paraffins or liquid paraffins represented by methane hydrocarbons having 6 to 20 carbon atoms such as hexane, heptane, octane, nonane, and decane; isoparaffins such as isooctane; pentylbenzene, hexylbenzene, heptylbenzene, octylbenzene Normal alkylbenzenes having 5 to 15 carbon atoms in the aliphatic chain; isoalkylbenzenes such as cumene; alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane; ethers such as hexyl ether; aromatic esters such as dibutyl phthalate; Examples thereof include aliphatic esters such as ethyl decanoate; silicone oils such as polydimethylsiloxane.

【0019】前記した反応溶媒のうち、固定化された個
々の微生物に対して実質的に無害である疎水性有機溶媒
を選んで用いるが好適である。
Of the above reaction solvents, it is preferable to select and use a hydrophobic organic solvent that is substantially harmless to the immobilized individual microorganisms.

【0020】一方、微生物変換反応に基質として供しう
る実質的に水に難溶性ないし不溶性の有機化合物として
は、固定化微生物の変換能力等に応じて各種のものが使
用することができ、特に制限はなく、例えば、ベンゼ
ン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、スチレン、
ナフタレン、フェナントレンなどの芳香族系炭化水素;
トリデカン、テトラデカンなどの脂肪族系炭化水素;シ
クロヘキサノール、シクロヘキサノンなどの脂環式系化
合物;メチルイミダゾール、コリジン、ピコリンなどの
複素環式系化合物;ラウリン酸、パルミチン酸、ステア
リン酸、オレイン酸、リノール酸などの高級脂肪酸;オ
クチルアルコール、デシルアルコール、ラウリルアルコ
ール、セチルアルコール、ステアリルアルコールなどの
高級アルコール類;カプリル酸エチル、カプロン酸エチ
ルなどの脂肪酸エステル類等が挙げられる。
On the other hand, as the substantially water-insoluble or insoluble organic compound which can be used as a substrate for the microbial conversion reaction, various compounds can be used depending on the conversion ability of the immobilized microorganisms, and are particularly limited. Not, for example, benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, styrene,
Aromatic hydrocarbons such as naphthalene and phenanthrene;
Aliphatic hydrocarbons such as tridecane and tetradecane; alicyclic compounds such as cyclohexanol and cyclohexanone; heterocyclic compounds such as methylimidazole, collidine and picoline; lauric acid, palmitic acid, stearic acid, oleic acid, linole Higher fatty acids such as acids; higher alcohols such as octyl alcohol, decyl alcohol, lauryl alcohol, cetyl alcohol, stearyl alcohol; fatty acid esters such as ethyl caprylate and ethyl caproate.

【0021】前記有機溶媒中における反応基質の濃度は
特に制限されるものではなく、固定化菌体に対する毒性
に応じて決めることができる。例えば基質が毒性の強い
上記芳香族炭化水素類の場合は炭素数10〜15のメタ
ン系炭化水素であるノルマルパラフィンに対して5%〜
30%程度までの濃度で添加することができる。また、
基質が比較的毒性の弱い脂肪酸エステル類の場合には、
ノルマルパラフィンに対して50%以上添加することが
できる。
The concentration of the reaction substrate in the organic solvent is not particularly limited and can be determined according to the toxicity to the immobilized cells. For example, when the substrate is a highly toxic aromatic hydrocarbon, it is 5% to normal paraffin which is a methane hydrocarbon having 10 to 15 carbon atoms.
It can be added at a concentration of up to about 30%. Also,
If the substrate is a relatively less toxic fatty acid ester,
50% or more can be added to normal paraffin.

【0022】基質の中でも特に毒性の弱い高級脂肪酸エ
ステル類は有機溶媒と混和することなく、100%濃
度、すなわち、それ自体が固定化担体上の菌体相と接触
させる有機溶媒かつ変換基質として用いることができ
る。
Among the substrates, the higher fatty acid esters, which are particularly less toxic, are used as a conversion substrate and an organic solvent which is brought into contact with the bacterial cell phase on the immobilization carrier in 100% concentration without being mixed with the organic solvent. be able to.

【0023】脂肪族炭化水素も高級脂肪酸エステル類と
同様に基質として使用する場合特に毒性の弱い部類に入
り、それ自体が固定化担体上の菌体相と接触させる有機
溶媒かつ、変換基質として用いることができる。
Similar to higher fatty acid esters, aliphatic hydrocarbons are also particularly less toxic when used as substrates, and are themselves used as organic solvents for contacting the bacterial phase on the immobilization carrier and as conversion substrates. be able to.

【0024】本発明の界面バイオリアクターシステムで
は、以上に述べた反応基質を含む反応溶媒は反応塔の下
部から上部へ送られて循環せしめられる。その際の循環
速度は、本発明の界面バイオリアクターを粒子状担体の
圧密や崩壊のない状態で安定に且つ効率よく運転するた
めの1つの重要なファクターであり、反応溶媒量および
充填率を参考にして個々に決定することができるが、通
常、反応溶媒量1リットルを基準にして、10〜100
00ml/分、好ましくは100〜1000ml/分の
範囲内で反応溶媒が注入及び排出される速度とすること
ができる。
In the interfacial bioreactor system of the present invention, the reaction solvent containing the above-mentioned reaction substrate is sent from the lower part of the reaction tower to the upper part and circulated. The circulation rate at that time is one important factor for stably and efficiently operating the interfacial bioreactor of the present invention in a state where the particulate carrier is not compacted or collapsed, and the reaction solvent amount and filling rate are referred to. Can be determined individually, but usually 10 to 100 based on the reaction solvent amount of 1 liter.
The reaction solvent may be injected and discharged at a rate of 00 ml / min, preferably in the range of 100 to 1000 ml / min.

【0025】この反応溶媒の反応塔への循環は、反応塔
に連結した通気塔を用いて実施することができる。本発
明において使用しうる通気塔の構成は特に制限されるも
のではなく、反応基質を含む反応溶媒に効率よく空気を
供給することができ且つ消費された反応基質を補給し、
混合した後、反応塔に前記循環速度で循環させることが
できるものであればよい。
The circulation of the reaction solvent into the reaction tower can be carried out by using an aeration tower connected to the reaction tower. The structure of the aeration tower that can be used in the present invention is not particularly limited, and it is possible to efficiently supply air to the reaction solvent containing the reaction substrate and replenish the consumed reaction substrate,
Any material can be used as long as it can be circulated in the reaction tower at the above circulation speed after mixing.

【0026】以下、本発明の粒子状担体充填型界面バイ
オリアクターシステム及びその操作法について、図面を
参照しつつさらに説明する。
The particulate carrier-filled interfacial bioreactor system of the present invention and its operating method will be further described with reference to the drawings.

【0027】界面バイオリアクターは、基本的には、粒
子状担体(3)が充填されている反応塔(1)と、反応
基質を含む反応溶媒(6)への通気および混合を行なう
ための通気塔(5)の2塔構造よりなり、両塔が循環ラ
イン(8)で連結されている。反応塔(1)内部の上部
には粒子状担体が通過できない孔径のメッシュ(2)を
有し、場合によっては反応塔下部にも同様のメッシュ
(2)を設けることもできる。ただし、循環流速が低く
粒子塊の浮上がない場合には、該上下のメッシュ(2)
の設置は省略することができる。反応塔(1)への反応
溶媒(6)の循環は、循環ポンプ(4)を介し循環ライ
ン(8)を通して反応塔下部の注入口(図示せず)から
行われるが、場合によっては反応塔下部にスパージャー
を設置して送液したり、撹拌翼を下部スペースに設置し
て混合効率をより高めるようにしてもよい。
The interfacial bioreactor basically comprises a reaction tower (1) filled with a particulate carrier (3) and a reaction solvent (6) containing a reaction substrate for aeration and mixing. It has a two-column structure of a tower (5), and both towers are connected by a circulation line (8). The upper part inside the reaction tower (1) has a mesh (2) having a pore size that does not allow the particulate carrier to pass, and in some cases, the same mesh (2) can be provided in the lower part of the reaction tower. However, when the circulation velocity is low and the particle agglomerates do not float, the upper and lower meshes (2)
Can be omitted. The reaction solvent (6) is circulated to the reaction tower (1) through a circulation pump (4), a circulation line (8) and an injection port (not shown) at the bottom of the reaction tower. A sparger may be installed in the lower part to feed the liquid, or a stirring blade may be installed in the lower space to further enhance the mixing efficiency.

【0028】通気塔(5)は、塔下部にスパージャー
(9)を有することができ、ここからエアポンプ(1
0)によってフィルター(11)を介して内容液に通気
する。この通気は反応溶媒に酸素を供給することを目的
とするものであり、通常、空気が用いられるが、場合に
より純酸素又は不活性気体で希釈した酸素ガスを用いて
もよい。スパージャー(9)の設置は必ずしも不可欠で
はないが、内容液への通気撹拌効率を高めるためには、
微細な気泡を生じるスパージャー(9)を介して通気す
る方が好ましい。また、通気塔(5)内に撹拌翼(図示
せず)を設置して撹拌効率をより高めることも可能であ
る。一方、通気に伴い反応溶媒(6)である有機溶媒が
塔外へ排出されることになるが、それを避けるためにオ
イルミストトラップ(16)を排気ラインに組み込むこ
とが好ましい。さらに、通気塔(5)からの排気ダクト
に1か所あるいはそれ以上の下方へ屈曲部(7)をもた
せ、この屈曲部(7)で反応溶媒のエアロゾルを付着、
捕集せしめることにより、反応溶媒(6)を排気口(1
5)から外へ出さない構造とすることが好ましい。この
反応溶媒(6)の飛散は蒸発ではなく、通気発泡による
エアロゾルの飛散であるため、排気ラインにコンデンサ
ーを取り付ける必要はない。捕集された有機溶媒は例え
ば循環ポンプ(16)を介して再び通気塔(5)へ戻す
ことができあるいはまた反応塔(1)内へ戻すことがで
きるため、労働衛生上や安全上の危険性がなく、さらに
反応溶媒量の減少も防ぐことができる。
The aeration tower (5) can have a sparger (9) at the bottom of the tower, from which the air pump (1
0) aerates the contents through the filter (11). This aeration is for the purpose of supplying oxygen to the reaction solvent, and air is usually used, but pure oxygen or oxygen gas diluted with an inert gas may be used as the case may be. Installation of a sparger (9) is not essential, but in order to increase the efficiency of aeration and stirring of the content liquid,
It is preferred to vent through a sparger (9) which produces fine bubbles. It is also possible to install a stirring blade (not shown) in the aeration tower (5) to further increase the stirring efficiency. On the other hand, although the organic solvent which is the reaction solvent (6) is discharged to the outside of the tower with the ventilation, it is preferable to incorporate the oil mist trap (16) in the exhaust line in order to avoid it. Further, the exhaust duct from the aeration tower (5) is provided with a bent portion (7) at one or more downward positions, and an aerosol of a reaction solvent is attached at the bent portion (7).
By collecting the reaction solvent (6), an exhaust port (1
It is preferable to have a structure that does not go out from 5). Since the scattering of the reaction solvent (6) is not evaporation but scattering of the aerosol by aeration foaming, it is not necessary to attach a condenser to the exhaust line. The collected organic solvent can be returned to the aeration tower (5) again via, for example, a circulation pump (16), or can be returned to the reaction tower (1), which is an occupational health and safety hazard. In addition, the reaction solvent can be prevented from decreasing.

【0029】反応塔(1)、通気塔(5)および循環ラ
イン(8)中の反応液液温を一定に保つため、例えば、
反応塔(1)および/または通気塔(5)の周囲に、温
度コントローラー(12)を介して温水(13)を流し
て保温することにより、反応塔(1)および/または通
気塔(5)を温度制御することが好ましい。また、反応
塔(1)および/または通気塔(5)には液面コントロ
ーラー(14)を設置して反応塔内液面および/または
通気塔内液面を一定に保つことが好ましい。反応塔
(1)から反応溶媒(6)の通気塔(5)への排出は、
必要に応じ液面コントローラー(図示せず)を介して循
環ポンプ(図示せず)による循環ライン(8)への強制
排出あるいは循環ポンプを介さない自然排出によって行
われる。
In order to keep the temperature of the reaction liquid in the reaction tower (1), the aeration tower (5) and the circulation line (8) constant, for example,
The reaction tower (1) and / or the aeration tower (5) is kept warm by flowing hot water (13) around the reaction tower (1) and / or the aeration tower (5) via a temperature controller (12). Is preferably temperature controlled. Further, it is preferable to install a liquid surface controller (14) in the reaction tower (1) and / or the aeration tower (5) to keep the liquid surface in the reaction tower and / or the liquid surface in the aeration tower constant. The discharge of the reaction solvent (6) from the reaction tower (1) to the aeration tower (5) is
If necessary, a forced discharge to the circulation line (8) by a circulation pump (not shown) via a liquid level controller (not shown) or a natural discharge without a circulation pump is performed.

【0030】反応塔(1)からの目的産物を含むダウン
ストリーム(18)の後処理に要する設備である蒸留濃
縮塔、抽出槽、析出槽あるいは結晶製造装置など(これ
らは図示せず)は通常の仕様のものでよく、目的産物、
反応基質、反応溶媒種などによって適宜使い分ければよ
い。
The equipment required for post-treatment of the downstream (18) containing the desired product from the reaction tower (1), such as distillation concentrating tower, extraction tank, precipitation tank or crystal production apparatus (these are not shown), is usually The specifications of the target product,
It may be appropriately used depending on the reaction substrate, the reaction solvent species and the like.

【0031】本界面バイオリアクターは、内容液(反応
溶媒)が有機溶媒であるため、接液部には必ずしもステ
ンレス鋼板を使用する必要はない。ただし、粒子状担体
への微生物の植菌と増殖を界面バイオリアクター内で行
わせる場合には、反応塔、通気塔および循環ラインの接
液部は水と接触することになるため、ステンレス鋼を材
質とするものを使用することが好ましい。
In the present interface bioreactor, since the content liquid (reaction solvent) is an organic solvent, it is not always necessary to use a stainless steel plate for the liquid contact part. However, when inoculating and growing the microorganisms on the particulate carrier in the interface bioreactor, the reaction tower, the aeration tower, and the liquid contact part of the circulation line come into contact with water. It is preferable to use a material.

【0032】[0032]

【実施例】以下、実施例により、本発明の界面バイオリ
アクターを用いて微生物変換反応を行なう場合について
さらに具体的に説明する。
EXAMPLES Hereinafter, the case where the microbial conversion reaction is carried out using the interfacial bioreactor of the present invention will be described in more detail with reference to the examples.

【0033】実施例1 内部容量1.3リットルの反応塔に反応溶媒であるデカ
ンを500ml注入した。この反応塔に、粒子表面にイ
サチェンキア・スクチュラタ・バー・スクチュラタ(Is
satchenkia scutulata varscutulata)IFO 1
0070を1日間増殖させたポリエチレングリコール/
ポリプロピレングリコールのコポリマーである光硬化性
樹脂粒子(ENTG−3800、関西ペイント製、直径
10〜20mm)を充填した(充填率70%)。酵母の
担体への固定化は、ペプトン5g、麦芽エキス3g、酵
母エキス3g、グルコース10g及び水1リットルから
なる液体培地(pH6.0)で酵母を1日間振盪培養し
た培養液中に粒子担体を10分間静置し植菌した後、引
き上げネット上で1日間静置培養することにより行っ
た。
Example 1 500 ml of decane as a reaction solvent was injected into a reaction tower having an internal volume of 1.3 liters. To this reaction tower, Isachenkia-Sukuchurata bar Sukuchurata (Is on the surface of the particles
satchenkia scutulata var . scutulata ) IFO 1
Polyethylene glycol / 0070 grown for 1 day
Photocurable resin particles (ENTG-3800, manufactured by Kansai Paint Co., Ltd., diameter: 10 to 20 mm), which is a copolymer of polypropylene glycol, were filled (filling ratio 70%). Immobilization of the yeast on the carrier was carried out by shaking the yeast for 1 day in a liquid medium (pH 6.0) consisting of 5 g of peptone, 3 g of malt extract, 3 g of yeast extract, 10 g of glucose and 1 liter of water. The cells were allowed to stand for 10 minutes to inoculate the cells, and then statically cultured on a lifting net for 1 day.

【0034】通気塔(内部容量300ml)に反応溶媒
200mlを注入し、30分間、循環ポンプを用いて1
00ml/分の流速で反応溶媒を反応塔−通気塔間で循
環させた。その後、変換用基質である1−デカノール4
0gを通気塔内に注入し、空気の通気速度100ml/
分、液循環速度100ml/分として反応溶媒を循環さ
せ、反応開始より1〜5日間経日的にサンプリングし、
ガスクロマトグラフィーを用いて生産物であるデカン酸
濃度を定量した。その結果、デカン酸の蓄積は反応開始
後1日目から認められ、5日間の反応で26g/lのデ
カン酸が蓄積した。反応終了後、反応液を反応塔、通気
塔及び循環ラインから回収し、減圧蒸留によって反応溶
媒であるデカンを約80%留去した。その後、水100
mlを加えた後、10%水酸化ナトリウム溶液でアルカ
リ性としてデカン酸を水層側に回収し、さらに10%塩
酸によって該水溶液を酸性化して酢酸エチルでデカン酸
を抽出した。抽出液を無水硫酸マグネシウムで脱水した
後酢酸エチルを除去することにより、デカン酸23g/
lを得た(ガスクロマトグラフィー純度97%)。一
方、反応終了後に反応塔から粒子状担体全量を回収し、
オートクレーブを用いて高圧蒸気減菌した。減菌後、ア
ルカリ洗剤を混入したイオン交換水で高速撹拌洗浄する
ことにより粒子表面の微生物層を除去し、さらにイオン
交換水で3回高速撹拌洗浄した。その後上述した液体培
地中に1夜浸漬することによって担体内部の水を液体培
地で置換し、上述の1回目と同様の方法で植菌増殖させ
たのち、上述の1回目の試験と同様にしてデカン酸の合
成試験を行った。その結果得られたデカン酸は17g/
lであった。
200 ml of the reaction solvent was injected into the aeration tower (internal volume: 300 ml), and the mixture was circulated for 1 hour using a circulation pump.
The reaction solvent was circulated between the reaction tower and the aeration tower at a flow rate of 00 ml / min. Then, the conversion substrate 1-decanol 4
0 g was injected into the aeration tower, and the air aeration rate was 100 ml /
Minutes, the reaction solvent was circulated at a liquid circulation rate of 100 ml / min, and sampling was performed daily for 1 to 5 days from the start of the reaction.
The product decanoic acid concentration was quantified using gas chromatography. As a result, accumulation of decanoic acid was recognized from the first day after the reaction was started, and 26 g / l of decanoic acid was accumulated in the reaction for 5 days. After the reaction was completed, the reaction solution was recovered from the reaction tower, the aeration tower and the circulation line, and about 80% of the reaction solvent decane was distilled off by vacuum distillation. Then 100 water
After adding ml, the solution was made alkaline with a 10% sodium hydroxide solution to collect decanoic acid on the aqueous layer side, and the aqueous solution was further acidified with 10% hydrochloric acid, and decanoic acid was extracted with ethyl acetate. The extract was dehydrated with anhydrous magnesium sulfate and then ethyl acetate was removed to give decanoic acid of 23 g /
1 was obtained (gas chromatography purity 97%). On the other hand, after the reaction is completed, the total amount of the particulate carrier is recovered from the reaction tower,
High-pressure steam sterilization was performed using an autoclave. After sterilization, the microbial layer on the particle surface was removed by high-speed stirring and washing with ion-exchanged water mixed with an alkaline detergent, and further, high-speed stirring and washing with ion-exchanged water three times. After that, the water inside the carrier was replaced with the liquid medium by immersing it in the above-mentioned liquid medium overnight, and after inoculating and proliferating in the same manner as in the above-mentioned first time, in the same manner as in the above-mentioned first time test. A decanoic acid synthesis test was conducted. The resulting decanoic acid was 17 g /
It was l.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は本発明の界面バイオリアクターシステム
の1例を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an interfacial bioreactor system of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応塔 2 メッシュ 3 粒子状担体 4 循環ポンプ 5 通気塔 6 反応溶媒 7 排気ダクト屈曲部 8 排気口 9 スパージャー 10 エアポンプ 11 フィルター 12 温度コントローラ 13 温水 14 液面コントローラ 15 排気口 16 オイルミストトラップ 17 循環ポンプ 18 ダウンストリーム 1 Reaction Tower 2 Mesh 3 Particulate Carrier 4 Circulation Pump 5 Aeration Tower 6 Reaction Solvent 7 Exhaust Duct Bend 8 Exhaust Port 9 Sparger 10 Air Pump 11 Filter 12 Temperature Controller 13 Hot Water 14 Liquid Level Controller 15 Exhaust Port 16 Oil Mist Trap 17 Circulation pump 18 downstream

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面に微生物が増殖もしくは生存可能な
状態で付着・固定化されており且つ該微生物の増殖もし
くは生存に必要な栄養源及び水よりなる液体培地を含有
する粒径5〜100mmの粒子状親水性固定化担体が充
填率10〜70%で充填された反応塔と、該反応塔に連
結された、実質的に水に不溶性もしくは難溶性の反応基
質を含む反応溶媒を該反応塔の下部から上部へ循環速度
10〜10000ml/分で循環させ且つ該反応溶媒へ
の酸素供給と混合を行うことのできる通気塔を有するこ
とを特徴とする界面バイオリアクターシステム。
1. A microparticle having a particle size of 5 to 100 mm, which has a microorganism attached to and immobilized on its surface in a state where it can grow or survive and which contains a liquid medium consisting of water and a nutrient source necessary for the growth or survival of the microorganism. A reaction tower filled with the particulate hydrophilic immobilization carrier at a packing rate of 10 to 70%, and a reaction solvent connected to the reaction tower and containing a substantially water-insoluble or sparingly soluble reaction substrate are contained in the reaction tower. An interfacial bioreactor system comprising an aeration tower that can be circulated from the lower part to the upper part at a circulation rate of 10 to 10000 ml / min and can supply and mix oxygen to the reaction solvent.
【請求項2】 粒子状親水性固定化担体が合成高分子粒
状化物である請求項1記載の界面バイオリアクターシス
テム。
2. The interfacial bioreactor system according to claim 1, wherein the particulate hydrophilic immobilization carrier is a synthetic polymer granule.
【請求項3】 反応溶媒が微生物に対して実質的に無害
である疎水性有機溶媒である請求項1記載の界面バイオ
リアクター。
3. The interfacial bioreactor according to claim 1, wherein the reaction solvent is a hydrophobic organic solvent which is substantially harmless to microorganisms.
【請求項4】 粒子状親水性固定化担体を使用後に洗浄
し、その内部を液体培地で置換することによって繰り返
し再生使用する請求項1記載の界面バイオリアクターシ
ステム。
4. The interfacial bioreactor system according to claim 1, which is repeatedly reused by washing the particulate hydrophilic immobilization carrier after use and replacing the inside with a liquid medium.
JP33244494A 1994-12-14 1994-12-14 Interfacial bioreactor system Pending JPH08163989A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022202191A1 (en) * 2021-03-24 2022-09-29 東レエンジニアリング株式会社 Chemical synthesis device

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