JPS60137806A - 酸素濃度の制御方法 - Google Patents
酸素濃度の制御方法Info
- Publication number
- JPS60137806A JPS60137806A JP25114183A JP25114183A JPS60137806A JP S60137806 A JPS60137806 A JP S60137806A JP 25114183 A JP25114183 A JP 25114183A JP 25114183 A JP25114183 A JP 25114183A JP S60137806 A JPS60137806 A JP S60137806A
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- JP
- Japan
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- oxygen
- air
- concentration
- oxygen concentration
- rich
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- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、酸素含有ガスをいったん酸素富化ガスと酸素
貧化ガスに分離し必要によりこれを再混合して目的に合
致した最適濃度の酸素含有状態とする方法に関し、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
たって、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。
貧化ガスに分離し必要によりこれを再混合して目的に合
致した最適濃度の酸素含有状態とする方法に関し、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
たって、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9.酵生産物を得るに当た
っては、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、生産物
の種類が異なってくることもある。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
が多くなっているが、このような場合には酸素供給の良
し悪し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5
1−9833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った
り、吸着分離法や深冷分離法等により得られるものであ
ったりする。従っ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。
っては、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、生産物
の種類が異なってくることもある。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
が多くなっているが、このような場合には酸素供給の良
し悪し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5
1−9833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った
り、吸着分離法や深冷分離法等により得られるものであ
ったりする。従っ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化Jlf:にとって酸素
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。更に他方では好気性微生物と嫌気性微生物の中
間タイプのものとして、通常の空気中の酸素濃度以下で
あって且つ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。
発酵では、微生物の生育や発酵化Jlf:にとって酸素
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。更に他方では好気性微生物と嫌気性微生物の中
間タイプのものとして、通常の空気中の酸素濃度以下で
あって且つ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[Pr
ocess Biochemistry 17 (3)
4El 、 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4
0 (Ei) 518 、1982]。このような低酸
素条件を確保するに当たっては、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って通気を停
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
などの問題を指摘讐ることができる。
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[Pr
ocess Biochemistry 17 (3)
4El 、 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4
0 (Ei) 518 、1982]。このような低酸
素条件を確保するに当たっては、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って通気を停
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
などの問題を指摘讐ることができる。
以上述べたように微生物や動・植物細胞などの生育並び
に発酵生産にとっ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争植物細胞の
種類或は発酵生産の種類によって異なり、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
たって、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った。また微生物や動争植物を扱
わない分野においても、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・不都合をかこっている場
合があった。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(I
Iることができる様な方法の提供を日桁してなされたも
のである。上記目的を達成するに至った本発明の酸素濃
度制御方法とは、酸素透過性の後れた高分子11りを装
着した酸素富化装置に酸素含有ガスを通すことによって
該ガスを酸素に富んだガスと酸素に乏しいガスに分離し
、目的とする酸素濃度に合わせて上記分離ガスをそのま
ま又は任意の比率で混合して捕集することを要旨とする
ものである。
に発酵生産にとっ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争植物細胞の
種類或は発酵生産の種類によって異なり、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
たって、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った。また微生物や動争植物を扱
わない分野においても、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・不都合をかこっている場
合があった。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(I
Iることができる様な方法の提供を日桁してなされたも
のである。上記目的を達成するに至った本発明の酸素濃
度制御方法とは、酸素透過性の後れた高分子11りを装
着した酸素富化装置に酸素含有ガスを通すことによって
該ガスを酸素に富んだガスと酸素に乏しいガスに分離し
、目的とする酸素濃度に合わせて上記分離ガスをそのま
ま又は任意の比率で混合して捕集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つは酸素透過性の優れた高分子膜
(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
。2がl X l O”” ” cm”/cm2・se
e ・cm Hg以上で、分離係数α(窒素カスの透過
速度QN2との比: QO2/ QN2)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ック共重合体、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r1シたモジュ
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I・アンIζフレーム型であっても
よい。
(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
。2がl X l O”” ” cm”/cm2・se
e ・cm Hg以上で、分離係数α(窒素カスの透過
速度QN2との比: QO2/ QN2)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ック共重合体、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r1シたモジュ
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I・アンIζフレーム型であっても
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例示的に示す概念図であっ
て、プレフィルタ−1を通すチャンパー12内に導入さ
れた酸素含有ガス例えば空気は、ブロワ−3で吸引され
ることによりチャンバー12内に設置された酸素富化膜
2を通り、酸素濃度の高い空気が得られる。膜を透過で
きなかった残りの空気、即ち富窒素空気はブロワ−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空気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、コンヒユータロに
伝達される。コンピュータ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、チャンバー12
内への空気取込み必要量と、富酸素空気と富窒素空気の
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。富酸素空気と富窒
素空気の各必要量は、ミキサー13に至りここで混合さ
れる。一方導’lii’ l 5−1=に設;ξされた
酩素すンサー14及び流量計17で通過空気中の酸素濃
度と流量が測定されており、これらの(+tiはコンピ
ュータ6に伝達されて設定(ifiと比較され、必要が
あれば更にモーター8、自動jr 9 、 I O。
明方法を実施する為の装置を例示的に示す概念図であっ
て、プレフィルタ−1を通すチャンパー12内に導入さ
れた酸素含有ガス例えば空気は、ブロワ−3で吸引され
ることによりチャンバー12内に設置された酸素富化膜
2を通り、酸素濃度の高い空気が得られる。膜を透過で
きなかった残りの空気、即ち富窒素空気はブロワ−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空気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、コンヒユータロに
伝達される。コンピュータ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、チャンバー12
内への空気取込み必要量と、富酸素空気と富窒素空気の
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。富酸素空気と富窒
素空気の各必要量は、ミキサー13に至りここで混合さ
れる。一方導’lii’ l 5−1=に設;ξされた
酩素すンサー14及び流量計17で通過空気中の酸素濃
度と流量が測定されており、これらの(+tiはコンピ
ュータ6に伝達されて設定(ifiと比較され、必要が
あれば更にモーター8、自動jr 9 、 I O。
18を制御調節し、所望酸素濃度であって11.っ必要
な量の空気が発酵槽5に通気される。尚ブロアー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
なっている。
な量の空気が発酵槽5に通気される。尚ブロアー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
なっている。
一方発酵槽内圧は、圧力センサー11で検出された後コ
ンピュータ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16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って富酸素ガスと酸素窮乏ガス(実
施例では富窒素ガス)にいったん分離し、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。
ンピュータ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16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って富酸素ガスと酸素窮乏ガス(実
施例では富窒素ガス)にいったん分離し、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−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って任意の酸素濃度をも
つガスを必要f、1通気させることができるため、あら
ゆる条ぞ1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。
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−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って任意の酸素濃度をも
つガスを必要f、1通気させることができるため、あら
ゆる条ぞ1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
のアミノ酪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。
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
のアミノ酪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。
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って
酸素濃度を自由に制御することができる。従って従来の
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。
酸素濃度より低い濃度から高い濃度まで広範囲に亘って
酸素濃度を自由に制御することができる。従って従来の
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って対応
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った。本発明によれば、溶存酸素
濃度の調節は、富酸素ガスと酸素窮乏ガスの混合比を変
えることによって行なえるため、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。
気量、攪拌数、内圧などを変化させることによって対応
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った。本発明によれば、溶存酸素
濃度の調節は、富酸素ガスと酸素窮乏ガスの混合比を変
えることによって行なえるため、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I11.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。
の吸着分I11.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)マイクロコンピュ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
素濃度であって且つ必要量を容易に供給することができ
る。
め、酸素濃度と通気量の値を設定するだけで、所望の酸
素濃度であっ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、場合によってはカス1に菌等
の方法を併用することにより、通常の発酵装置に設置さ
れている除菌用フィルターを省略することができ、経済
的である。
行なうことができるため、場合によってはカス1に菌等
の方法を併用することにより、通常の発酵装置に設置さ
れている除菌用フィルターを省略することができ、経済
的である。
次に本発明の詳細な説明する。
実施例1
セルロースアセテート中空m 維11Aモジュールを装
着し、これに内容積30立のジャーファーメンタ(培地
量20文)を連結した第1図の装置を用い、30 ’0
、20文/分の通気量を維持して富酸素空気の吹込み
を行なった。30分経過後の酸素濃度は第1表に示す通
りであった。尚表中の「圧力比」とは、酸素富化膜の入
側圧力(Pl)に対する酸素透過側出口圧力(P2)の
圧力比(P2/Pz)を示し、該圧力比が高いことは、
導入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。
着し、これに内容積30立のジャーファーメンタ(培地
量20文)を連結した第1図の装置を用い、30 ’0
、20文/分の通気量を維持して富酸素空気の吹込み
を行なった。30分経過後の酸素濃度は第1表に示す通
りであった。尚表中の「圧力比」とは、酸素富化膜の入
側圧力(Pl)に対する酸素透過側出口圧力(P2)の
圧力比(P2/Pz)を示し、該圧力比が高いことは、
導入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。
第 1 表
実施例2
上記と同じ条件で、今度は酸素窮乏ガスを吹込んで第2
表に示す結果(30分後)を1iIた。
表に示す結果(30分後)を1iIた。
第 2 表
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・・・酸素富化膜モジュール 5・・・発酵槽
である。 2・・・酸素富化膜モジュール 5・・・発酵槽
Claims (1)
- (1)酸素透過性の優れた高分子膜を装着した酸素富化
装置に酸素含有ガスを通すことによって該ガスを酸素に
富んだガスと酸素に乏しいガスに分離し、目的とする酸
素濃度に合わせて上記分離ガスをそのまま又t1任意比
率で混合して捕集することを特徴とする酸素濃度の制御
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25114183A JPS60137806A (ja) | 1983-12-23 | 1983-12-23 | 酸素濃度の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25114183A JPS60137806A (ja) | 1983-12-23 | 1983-12-23 | 酸素濃度の制御方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60137806A true JPS60137806A (ja) | 1985-07-22 |
JPH0428642B2 JPH0428642B2 (ja) | 1992-05-14 |
Family
ID=17218279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25114183A Granted JPS60137806A (ja) | 1983-12-23 | 1983-12-23 | 酸素濃度の制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60137806A (ja) |
Cited By (10)
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-
1983
- 1983-12-23 JP JP25114183A patent/JPS60137806A/ja active Granted
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