JPH084794B2 - 散水濾床型バイオリアクター及びこれを用いたエタノール醗酵法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、グルコース等の基質を微生物に作用させて
効率よく有用物質を生成させるために使用される散水濾
床型バイオリアクター及びこれを用いたエタノール醗酵
法に関するものである。

（従来の技術） 糖液等の基質を固定化微生物に作用させて有用物質を
生成させるバイオリアクターにおいては、リアクター内
に存在する固定化微生物の量が生産性を決定する重要な
ファクターとなる。そこで従来から第５図に示されるよ
うに、アルギン酸やＫ−カラギーナンのゲル中に微生物
をとじこめた固定化担体、あるいは多孔質セラミックス
により形成されたハニカム状や粒状の固定化担体（10）
をリアクター（11）の液面下に浸漬したバイオリアクタ
ーが使用されている。

ところが、液面下に固定化担体を浸漬したバイオリア
クターの場合、担体の充填密度を高くすると、即ち担体
の粒径を小さくしたり、ハニカムピッチを小さくする
と、醗酵液の偏流が生じて液の流れない部分で沈降する
微生物による閉塞が発生し、その部分がデッドスペース
となって生産性の低下を招くことになる。また、逆に担
体の粒径を大きくしたりハニカムピッチを大きくする
と、有効表面積が小さくなって微生物固定化量が増加せ
ず、生産性はやはりさほど上昇しない。従ってこのよう
な従来の固定化担体（10）を用いたバイオリアクター
は、満足できる生産性を得るに至っていない。

更に通性嫌気性菌を用いたバイオリアクター、特に酵
母菌体によるエタノール醗酵装置は、リアクターの内部
に酸素を供給しなければ菌体の増殖が生じないかあるい
は増殖が遅いために生産性が次第に低下するものである
が、多孔質セラミックスにより形成されたハニカム状や
粒状の固定化担体（10）をリアクター（11）の液流下に
浸漬したバイオリアクターにおいて、第５図に示したよ
うに底部の散気板（12）から曝気を行うと、ハニカムあ
るいは担体粒子の間隙を流れる液流速が増加し、これに
より固定化担体（10）の表面から菌体が剥離してしまう
という問題もあった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記したような従来の問題点を解決して、リ
アクター内に多量の微生物を固定化することができ、こ
れにより大きい生産性を得ることができるとともに、微
生物に十分な酸素を与えてその増殖を促すことができる
バイオリアクター及びこれを用いたエタノール醗酵法を
提供するために完成されたものである。

（課題を解決するための手段） 上記の課題は、多孔質セラミックスを1.5〜20mmの粒
径に破砕した粒状の酵母固定化用担体をリアクター内に
ランダムパッキングして充填層とするとともに、この微
生物固定化用担体の充填層の上方にスプレーノズルと空
気取入口とを設け、更にポンプによってリアクターの底
部から吸い上げた醗酵法をこのスプレーノズルから噴霧
する循環ラインを設けたことを特徴とする散水濾床型バ
イオリアクターによって達成することができる。

（実施例） 次に本発明を酵母を用いたエタノール醗酵の実施例と
ともに更に詳細に説明する。

第１図において、（１）は直径／担体充填高さの値が
0.1〜0.5程度の円筒状のリアクター、（２）はこのリア
クター（１）の内部に形成された酵母固定化用担体の充
填層である。本発明の充填層（２）は菌体固定化能力の
大きい多孔質セラミックスを1.5〜20mmの粒径に破砕し
たうえ、リアクター（１）の内部に所要の上部空間
（７）を残してランダムパッキングしたものである。ま
た、直径／担体充填高さの値が0.5以上となると、好機
的条件のリアクター部分が多過ぎて、嫌気的醗酵である
ところのエタノール醗酵が行なわれなくなり、エタノー
ルの対糖収率が低下する。また、0.1以下では、嫌気の
部分が多すぎて、スプレーノズルの効果が得られず、ま
た実質的にもリアクターの建設が困難である。

多孔質セラミックスとしては、全細孔容積が0.1〜1.5
cc/g、細孔径については、固定化する酵母の最小寸法
（２μｍ）以上の細孔が、全体の細孔（100μｍ以下）
の70％以上（容積比）であるセラミックスを使用するこ
とが好ましい。ここで全細孔容積が0.1cc/g未満である
と、菌体の固定化量が少ないので第２図に示されるよう
にエタノール生産速度が低下し、逆に全細孔容積が1.5c
c/gを越えると、第３図に示されるように機械的強度が
低下して使用が不可能となる。また細孔径が２μｍ未満
であると、酵母菌体自体の大きさとの関係上、酵母菌体
の固定化を行うことができなくなる。従って、酵母菌体
の寸法以上の細孔が、全体の細孔の少なくとも70％以上
は必要となる。更に多孔質セラミックスの粒径を1.5〜2
0mmとしたのは、1.5mm未満では充填度が密になりすぎて
液の流れが悪く、従来と同様に偏流を生ずる原因とな
り、逆に20mmを越えるとエタノール醗酵に寄与しない内
部容積が大きくなって、やはりエタノール生産速度が低
下するためである。

このような酵母固定化用担体の充填層（２）の上方に
は、醗酵液を充填層（２）に向かって噴霧するスプレー
ノズル（３）が設けられている。（４）はポンプ（５）
によってリアクター（１）の底部から吸い上げた醗酵液
をこのスプレーノズル（３）から噴霧する循環ラインで
あり、その途中に基質供給管（６）が接続されている。

なおリアクター（１）の上端部には、上部空間（７）
に酸素を供給するための空気取入口（８）が設けられ、
フィルタにより濾過された新鮮な空気をリアクター
（１）の内部に取り込むことができる構造となってい
る。特に運転初期においては菌体の増殖を図るため、空
気取入口（８）より、積極的にエアーを供給すると、リ
アクターの立ちあげ期間を短縮することができる。ま
た、長期間の連続醗酵でリアクターのエタノール生産性
が低下したとき、この空気取入口（８）より、積極的に
エアーを供給することによって、素早く活性を回復させ
ることができる。

（作用） このように構成された本発明の散水濾床型バイオリア
クターは、充填層（２）の粒状の微生物固定化用担体上
に常法により微生物を固定化し、基質供給管（６）から
栄養源を混ぜた基質をリアクター（１）内に供給して微
生物の作用により有用物質の生産を行わせるものであ
る。

そして、生成された有用物質と基質との混合液である
醗酵液はリアクター（１）の底部に流下し、ここからポ
ンプ（５）により吸い上げられたうえで充填層（２）の
上方に設けられたスプレーノズル（３）から再び噴霧さ
れ、このような循環を繰り返しつつ次第に生産物の濃度
を上昇させ、その一部は醗酵液取り出し口（９）から取
り出される。

このように本発明においては、醗酵液を上方から下方
へ均一に流下させることができるので、閉塞が生ずるこ
ともない。しかも醗酵液はスプレーノズル（３）から噴
霧される際に外気を取り込み、酸素リッチな状態で充填
層（２）上に散布されるうえ、空気取入口（８）より酸
素を供給することができるので、充填層（２）に固定化
された微生物にも十分な酸素が供給され、その増殖が促
進される。従って微生物の活性を長期間にわたりハイレ
ベルに維持することができる。

以上の結果、本発明の散水濾床型バイオリアクターに
よれば、第４図に白丸で示すように高い目的物質の生産
性を得ることができる。なお比較のために第４図には従
来のバイオリアクターによる生産性を黒丸で示した。

（発明の効果） 本発明は以上に説明したように、固定化菌体量を増加
させることができるので高い目的物質の生産性を確保で
きること、閉塞が起きにくいこと、酸素が十分に供給さ
れるので微生物の活性を長期間にわたり安定させること
ができること等の利点があるほか、遊離の微生物量が減
少するので清澄な醗酵液を得ることができる利点もあ
る。

よって本発明は従来の問題点を解決した散水濾床型バ
イオリアクター及びこれを用いたエタノール醗酵法とし
て、産業の発展に寄与するところは極めて大きいもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す模式的な断面図、第２図
は多孔質セラミックスの全細孔容積とエタノール生産速
度との関係を示すグラフ、第３図は多孔質セラミックス
の全細孔容積と抗折強度との関係を示すグラフ、第４図
は本発明の散水濾床型バイオリアクターと従来のバイオ
リアクターを、エタノール醗酵に用いた場合のエタノー
ル生産性を示すグラフ、第５図は従来のバイオリアクタ
ーの一例を示す模式的な断面図である。 （１）：リアクター、（２）：充填層、（３）：スプレ
ーノズル、（４）：循環ライン、（５）：ポンプ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−120988（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−43189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−19481（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−2567（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質セラミックスを1.5〜20mmの粒径に
   破砕した粒状の微生物固定化用担体をリアクター（１）
   内にランダムパッキングして充填層（２）とするととも
   に、この微生物固定化用担体の充填層（２）の上方にス
   プレーノズル（３）と空気取入口（８）とを設け、更に
   ポンプ（５）によってリアクター（１）の底部から吸い
   上げた醗酵液をこのスプレーノズル（３）から噴霧する
   循環ライン（４）を設けたことを特徴とする散水濾床型
   バイオリアクター。
2. 【請求項２】全細孔容積が0.1〜1.5cc/gであって、固定
   化する微生物の最小寸法以上の細孔径を有する細孔が容
   積比で全体の細孔の70％以上である多孔質セラミックス
   を用いた請求項１記載の散水濾床型バイオリアクター。
3. 【請求項３】固定化する微生物が通性嫌気性菌である請
   求項１または請求項２記載の散水濾床型バイオリアクタ
   ー。
4. 【請求項４】リアクターの直径／担体充填高さの値が0.
   1〜0.5である請求項１記載の散水濾床型バイオリアクタ
   ー。
5. 【請求項５】使用する微生物が酵母であり、その酵母固
   定化用担体である多孔質セラミックスの有する細孔径10
   0μｍ以下の細孔のうち、70％以上が細孔径２〜100μｍ
   の範囲にある請求項１、２および４のいずれかに記載の
   散水濾床型バイオリアクターを用いてエタノールを生産
   するエタノール醗酵法。