JPS6015306B2 - 微生物培養制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、微生物の培養において、倍養槽内の炭酸ガス
圧を指標として、これと微生物が生成する炭酸ガス量と
から倍菱液中の微生物菌体量を算出し、この算出した菌
体量を基にして、それに応０じた基質供Ｖ給量制御を行
う、微生物の倍養制御方法及び装置、に関する。

微生物の倍養は、基質を連続的又は断続的に供給して行
われている。

この基質の供給については微生物、基質等それぞれの培
養におけるこれまで５の倍養実積を基にして、倍義時間
と好ましい基質供Ｖ給量との関係又は菌体量が生産目標
に達する時間を推測し、倍養前に基質供給プログラムを
作成しているのが現状である。しかし、各倍養において
用いる微生物の活性は０必ずしも同一でないとから、あ
らかじめ定めたフ。

ログラムに従って基質を供給する方法では、効率の良い
培養を常に行うことができなかった。例えば、エタノー
ル資化菌又はメタノール資化菌を、それぞれエタノール
、メタノールを主炭素源として倍養する場合、基質供給
量が過剰になると菌体の増殖阻害を生じ、逆に、基質供
給量が不足すると菌体増殖が抑制されることが知られて
いる。また、糖を主炭素源としてパン酵母を培養する場
合、基質供給量が過剰になると、パン酵母は供給された
糖をエタノールに転換するようになり、対糖収率（供給
した基質量に対する菌体増殖量の割合）が低下し、逆に
、基質供給量が不足するパン酵母の増殖の抑制され、培
養槽単位容積、単位時間当りの生産性が低下することも
知られている。

倍養プロセスにおいては、前述した倍養例から明らかな
ように、倍養液中の菌体量を迅速に知ること及びそれに
基づいて基質供給量を制御することが、同プロセスを効
率的に運転する上で重要なことである。

倍養液中の菌体量を知る方法としては、倍養液の一部を
遠心分離や炉過することにより菌体を分離した後、１１
０ｏｏ前後で長時間乾燥して乾燥重量を測定する方法、
倍養液の一部を採取し、顕微鏡で菌数を数える方法、倍
叢液の濁度を測定することにより菌体濃度を推定する方
法等があり、また酸素の消費速度又は炭素ガスの生成速
度から菌体量を推定する方法も知られている。

しかし、乾燥重量を測定する方法は、倍養液を採取して
から測定結果を得るまでに１餌時間以上もかかるという
問題点があり、菌数を計算する方法は、計数値のばらつ
きが大きいという問題点がある。

したがって、この２つの方法では、倍養液中の菌体量を
迅速かつ精度よく知ることはぜきずまた、菌体量に応じ
た基質供給量制御をすることもできない。濁度から菌体
濃度を推定する方法では、倍養液が透明であることが必
要であるが、工業的に行う倍義では倍養液がかなり着色
していること、及び菌体以外の固形分を含むことが多い
ため、菌体濃度を正確に知るのは困難である。

したがって、信頼性の問題から、該方法を、菌体量に応
じた基質供給量制御に応用することができない。酸素消
費速度及び炭酸ガス生成速度から菌体量を推定する方法
では、単位菌体量当りの酸素消費速度又は炭酸ガス生成
速度が一定であると仮定しているが、それらは後に述べ
るように環境条件、特に炭酸ガス分圧で大きな影響を受
け、一定ではない。

したがって、この方法でも、菌体量を精度よく知ること
はできない。以上のように、微生物の倍養において、倍
蓑液中の菌体量を迅速かつ精度よく知る方法は従釆未知
であった。

そのため、菌体量に応じた基質供給量の制御を行う倍養
方法はまだ確立されてない。本発明の目的は、微生物の
倍義において、倍養液中の菌体量を迅速に算出し、この
算出した繭体量を基にして菌体量に応じた基質供給量制
御を行うことにより、常に良好な基質供給条件を維持し
菌体あるいは生産物の高収率を維持できる倍養制御方法
を提供することにある。本発明は、微生物の倍養におい
て、炭酸ガス生成量と菌体増殖量との間に比例関係があ
り、炭酸ガス生成量に対する菌体増殖量の比は、情養槽
内の炭酸ガス分圧に依存するという、本発明者らが発見
した事実に基づいてなされたものである。

本発明は、倍養槽内の圧力、排ガス流量、及び排ガス中
の炭酸ガス濃度を測定することにより、倍養槽内の炭酸
ガス分圧と、微生物が生成する炭酸ガス量とを計算し、
この炭酸ガス分圧と炭酸ガス生成量とから菌体増殖量を
算出して倍養液中の繭体量を算出し、この算出された菌
体量に応じて基質供給量を制御することを特徴とする微
生物培養制御方法に関する。又本発明は倍養槽の圧力測
定手段、排ガス量測定手段及び排ガス中の炭酸ガス濃度
測定手段、これら各数値から、倍養槽内の炭酸ガス分圧
及び微生物による炭酸ガス生成量を算出し、それから菌
体量を算出する手段、その数値からの基質供聯合量の決
定手段、前記の算出手段のための数値設定手段、及び決
定された結果を基に作動する基質供給量調節手段の組合
せからなることを特徴とする、微生物培養制御装置に関
する。すなわち、倍養槽内の炭酸ガス分圧を算出すると
ともに、任意の時間間隔毎に炭酸ガス生成量を求め、炭
酸ガス分圧に応じた、菌体増殖量と炭酸ガス生成量との
比から、その時間間隔における菌体増殖量を求め、倍養
液中の全菌体量を算出し、そしてその算出された倍拳液
中の顔体量を基にして、菌体量に応じた基質供給量制御
を行うものである。

炭酸ガス生成量と菌体増殖量との関係を検討するために
行った、酸素富化培養の結果を第１図に示す。

第１図は、炭酸ガス生成量と菌体増殖量との関係を示す
グラフであり糖を主炭素源としてパン酵母を培養した例
（図中○，△，□は各実験を示す）において倍養槽内の
炭酸ガス分圧を０．１気圧に制御したものである。

第１図より明らかなように、情養中どの区間（培養１時
間を１区間とした）についても、菌体増殖量と炭酸ガス
生成量との比は、炭素収支からみた場合、１．０と一定
であった。各軸の単位は炭素として計算した夕である。
また、この培養における菌体中炭素含量は、同実験にお
ける菌体中炭素舎量％と培養時間の関係を示す第２図か
ら明らかなように、培養期間を通じて４５％と一定であ
った。

両図において、実験１〜３は、菌体量に対する糖の供給
量制御を変化させて行ったものであり、タグルコース／
タドラィセル・時で表わすと、実験１は、０．２９実験
２は、０．３７、実験３は、０．４３に制御して培養を
行った。

倍蓑槽内の炭酸ガス分圧と、菌体増殖量対炭酸ガス生成
量の比との関係を表わす図が第３図である。

第３図は、菌体増殖量と炭酸ガス生成量との比が、倍養
槽内の炭酸ガス分圧によって決まることを明示している
。以上のことより、情養槽内の圧力、排ガス流量及び排
ガス中の炭酸ガス濃度を測定することによって、情養槽
内の炭酸ガス分圧及び炭酸ガス生成量を求めれば、次式
によって倍養液中の菌体量を算出することができること
が明らかである。

Ｘ２＝×，十Ｋ△Ｃ０２ ‘１１
式ｍで、Ｘ２：時刻ら‘こおける倍叢液中の菌体量ｇＸ
，：時刻りこおける倍養液中の菌体量ｇ△Ｃ０２：時刻
ｔ，かららの間に生成した炭酸ガス量ｇＫ ：菌体増殖
量と炭酸ガス生成量との比（倍養槽内の炭酸ガス分圧に
依 存する） 本発明の方法におて、菌体量を算出するには倍養槽内の
炭酸ガス分圧と、菌体増殖量対炭酸ガス生成量と比との
関係を知る必要があり、それは菌株及び基質により異な
るが、あらかじめ回分培養実験及び連続培養実験を行っ
て、それを求めておけばよい。

本発明において、倍養槽内の炭酸ガス分圧を直接測定す
る手段はないが、糟内の圧力と、排ガス流量及び排ガス
中の炭酸ガス濃度を測定することによって、槽内の炭酸
ガス分圧のみならず、微生物による炭酸ガス生成量も計
算によって求めることができる。

その場合に、糟内圧力の測定方法としては、例えば電気
抵抗圧力計、弾性式圧力計又は熱線真空計等を用いる方
法があり、排ガス流量測定方法としては、例えばサーマ
ルマスフローメーターによる方法があり、そして排ガス
中の炭酸ガス濃度を測定する方法としては、例えば赤外
線ガス分析計又はプロセスガスクロマトグラフィ一等を
用いる方法などがある。これらは、いずれも電気信号と
して取出すことが可能であるから、糟内炭酸ガス分圧及
び炭酸ガス生成量を、共に連続的にオンラインで迅速に
算出することができ、それに伴って、菌体量算出も迅速
に行うことができる。次に、本発明の一実施態様の概略
を第４図を用いて説明する。第４図において、１は倍養
槽を示し、それには供給量可変の基質供給手段２により
基質が供聯合される。この基質供給手段２は、基質供孫
合量調節手段３によって制御される。基質供給手段２と
しては、例えば吐出量可変の定量ポンプでよく、基質供
給量調節手段３としては、例えば基質供給手段２に連動
する電気式ストローク長調節装置でよい。４は通気ガス
発生手段を示し、例えばコンブレッサーでよい。

５は排ガス流量測定手段を示し、例えば電気信号を取出
すことが可能な、前記したサーマルマスフローメーター
であってよい。

６は、倍叢槽内圧力測定手段を示し、例えば電気抵抗圧
力計でよい。

７は排ガス中の炭酸ガス濃度測定手段を示し、例えば赤
外線ガス分析計でよい。

８は計算手段を示し、例えばマイクロコンピューターで
よい。

８′は菌体量算出手段を示す。

８″は基質供給量決定手段を示し、菌体量算出手段８′
による計算結果を基に基質供給量を決定する。

９は数値設定手段を示し、例えばキーボードでよい。

そして９→８′は式‘１｝のｋ値を与え、９→８″は菌
体量に対する基質供給量の大々・を判定する基備値を与
える。以上の各手段から成る倍養装置を用いた微生物の
培養制御方法は次のとおりである。

培養を行う前に、種菌を培養槽１に投入する。そして、
あらかじめ求めておいた、培養槽内の炭酸ガス分圧と菌
体増殖量対炭酸ガス生成量の比との関係、及び初期菌体
量を数値設定手段９により計算手段８に入力する。培養
は、通気ガス発生手段４によりガスが供ｖ給され、基質
供給手段２により基質が供給されて行われる。

排ガスの流量と、その中の炭酸ガス濃度とが、また槽内
圧力が計測されて、それらの各結果は電気信号として計
算手段８へ送られる。菌体量算出手段８′は、倍養槽内
圧力測定手段６と、排ガス流量測定手段６及び排ガス中
の炭酸ガス濃度測定手段７とからの各信号を基にして、
槽内の炭酸ガス分圧及び微生物による炭酸ガス生成量を
計算する。そして、数値設定手段９からの信号を基にし
て、既述の式｛１｝により、培養液中の菌体量を算出す
る。基質供給量決定手段８″は、算出した菌体量を基に
して、菌体量に対する基質供給量が小さい場合は、基質
供給量を大きくするように基質供給量調節手段３に信号
を出す。また逆に、菌体量に対する基質供給量が大きい
場合には、基質供給量を小さくするように基質供給調節
手段３に信号を出す。基質供給量調節手段３は、基質供
給量決定手段８″からの信号を基に、基質供給手段２の
制御を行う。

基質供給量決定手段８″における、菌体量に対する基質
供給量の大小の判定は、培養する微生物によって異なる
が、各々の微生物についてあらかじめ培養実験を行い、
判定基準を明確にしておけばよい。

なお、微生物を酸素富化ガスを使用して培養する場合に
は、溶存酸素濃度の制御をも組合わせて行うのが好適で
ある。

この溶存酸素濃度の制御を行うには、通気ガス流量と、
その通気ガス酸素濃度、及び鷹伴機回転数を変化させれ
ばよい。次に、本発明の実施例と比較例を示すが、本発
明は、これら実施例により限定されるものではない。実
施例 １ 菌 体：パ ン 酵母（ Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ
Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）培地：モラセス（廃糖後）を３
０％糖液に調製し、それに尿素とリン酸とを、それぞれ
１１．１タノＵ、４．１タノその濃度になるように溶解
した。

培養条件：１〆客のミニジヤーフアーメン夕−を用い、
温度３０℃、ＰＨう培養槽内の炭酸ガス分圧０．１気圧
とし、菌体増殖量と炭酸ガス生成量との比を１．０とし
て菌体量を算出した（第３図参照）。そして、あらかじ
め培養実験により最適条件として決定した、菌体量に対
する糖の供給量が、０．３土０．１タグルコースノタド
ラィセル・時になるように、上記培地を流加した。また
、溶存酸素濃度を、２〜５雌ノ夕に維持するように、通
気ガス流量と通気ガス酸素濃度、及び濃伴機回転数を変
化させた、初期培養液量は３５０泌とし、初期菌体濃度
は３０９ドライセル〆とした。

結果：培養時間１幼時間で倍養液量は７００Ｍになり、
菌体濃度は８３タドラィセル／夕に達した。

培養期間を通じて、培養液中のエタノール濃度は１５０
の９／そ以下の低濃度に維持することができ、対糖収率
は４５％であった。実施例 ２ 菌体：パ ン 酵母（ＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓＣｅ
ｒｅｖｉｓｉａｅ）培地：グルコースを３０％濃度とし
、尿素を６４．５夕／そ、リン酸ナトリウムを３０夕／
夕、流酸マグネシウム１１．４夕／そ、クエン酸ナトリ
ウムを７５夕／Ｕ、酵母エキスを１５夕／そ、及びビタ
ミン溶液を加え、水道水に溶解した。

培養条件：１５そ客ジャーフア−メンターを用い、温度
３０ｑｏ、ｐＨ５、倍養槽内の炭酸ガス分圧０．１気圧
とし、菌体増殖量と炭酸ガス生成量との比を０．１とし
て菌体量を算出した。

そして、菌体量に対する糖の供給量が０．３±０．１タ
グルコース／タドラィセル・時となるように、上記塔地
を稀加した。また、溶存酸素濃度を２〜５爪９／れこ維
持するように、通ガス流量と通気ガス酸素濃度、及び縄
梓機回転数を変化させた。初期培養液量は５そとし、初
期菌体濃度は５０タドラィセル／〆とした。結果：培養
時間１２時間で培養液量は１１〆になり、菌体濃度は９
５タドラィセルノ夕に達した。

培養期間を通じて、培養液中のエタノール濃度は１５０
の９／そ以下の低濃度に維持することができ、対糖収率
は４４％であった。実施例 ３ 菌体：パン酵母（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅ
ｖｉｓａｅ）培地：モラセス（廃糖蜜）を４５％糖液に
調製し、それに尿素とリン酸をそれぞれ１６．６夕／夕
、６．２夕／その濃度になるように溶解した。

培養条件：１５〆容ジャーファーメンタ−を用い、温度
３０二○、ｐＨ５、培養槽内の炭酸ガス分圧０．１気圧
とし、菌体増殖量と炭酸ガス生成量との比を０．１とし
て菌体量を算出した。そして、菌体量に対する糖の供給
量が０．３土０．１タグルコース／タドラィセル・時に
なるように上記塔地を流加した。また、溶存酸素濃度を
２〜５の９ノクに維持するように、通気ガス流量と通気
ガス酸素濃度、及び凝枠機回転数を変化させた。初期倍
養液量は５〆とし、初期菌体濃度は５０タドラィセル／
そとした。結果：培養時間１２時間で培養液量は９．０
そになり、菌体濃度は１２０タドラィセル／夕に達した
。

培養期間を通じて、倍養液中のエタノール濃度は１５０
の９／そ以下の低濃度に維持することができ、対糖収率
は４６％であった。比較例（エタノール濃度による制御
例） 菌体：パン酵母（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅ
ｖｉｓａｅ）培地：モラセス（廃糖蜜）を３２％糖液に
調製し、それに尿素とリン酸をそれぞれ１１．８夕／そ
，４．４夕／その濃度になるように溶解した。

培養条件：１そ客のミニジャーフアーメンターを用い、
温度３０ｏｏ、ｐＨ５とし、エタノール濃度を指標とし
て上記培地を流化した。すなわち、ェタノール濃度が低
いときは流加量を増加し、高いときは流加量を減少した
。また、溶存酸素濃度を２〜５雌／れこ維持するように
、通気ガス流量と通気ガス酸素濃度、及び鷹梓機回転数
を変化させた。初期培養液量は０．３５そとし、初期菌
体濃度は５７９ドライセル／そとした。

結果：培養時間１朝時間で培養液量は７００の‘になり
、菌体濃度は桝タドラィセルノ夕に達した。

培養液中のエタノール濃度は２００〜４７００の９／Ｚ
に変化し、対糖収率は滋％で、エタノール生成を防止で
きず、低率であった。以上述べたことから、本発明によ
れば、培養横内の炭酸ガス分圧を指標として、倍養液中
の菌体量を迅速かつ精度よく算出することができ、更に
その算出した菌体量を基にして基質供給量の大小を迅速
に調節することができ、その結果、培養期間を通じて、
菌体又は生産物の収率を高く維持することができること
が明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、炭酸ガス生成量と菌体増殖量との関係を示す
グラフであり、単位は、炭素として計算した夕であり、
第２図は、菌体中炭素含有量の培養における経時変化を
示すグラフであり、第３図は、菌体増殖量対炭酸ガス生
成量の比と、培養槽内の炭酸ガス分圧との関係を示すグ
ラフであり、第４図は、本発明装置の一実施例態様を示
す模式図である。 第４図中、１・・・培養槽、２・・・基質供給量手段、
３・・・基質供給量調節手段、４・・・通気ガス発生手
段、５・・・排ガス流量測定手段、６・・・倍養槽内圧
力測定手段、７・・・排ガス中の炭酸ガス濃度測定手段
、８・・・計算手段、８′・・・菌体量算出手段、８″
・・・基質供給量決定手段、９・・・数値設定手段。第
２図第３図 第１図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 培養槽内の圧力、排ガス流量、及び排ガス中の炭酸
   ガス濃度を測定することにより、倍養槽内の炭酸ガス分
   圧と、微生物が生成する炭酸ガス量とを計算し、この炭
   酸ガス分圧と炭酸ガス生成量とから菌体増殖量を算出し
   て倍養液中の菌体量を算出し、この算出された菌体量に
   応じて基質供給量を制御することを特徴とする微生物培
   養生御方法。 ２ 微生物を空気又は酸素富化ガスを使用して倍養する
   場合に、溶存酸素濃度の制御をも組合わせて行なう、特
   許請求の範囲第１項に記載の微生物培養制御方法。 ３ 微生物がパン酵母である、特許請求の範囲第１項又
   は第２項に記載の微生物培養制御方法。 ４ 倍養槽の圧力測定手段、排ガス流量測定手段及び排
   ガス中の炭酸ガス濃度測定手段、これらの各数値から、
   倍養槽内の炭酸ガス分圧及び微生物による炭酸ガス生成
   量を算出し、それから菌体量を算出する手段、その数値
   からの基質供給量の決定手段、前記の算出手段のための
   数値設定手段、及び決定された結果を基に作動する基質
   供給量調節手段の組合わせからなることを特徴とする、
   微生物培養制御方法。