JPS624114B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は微生物の通気培養法に関し、特に酸素
富化ガスを通気して好気的に培養する通気培養装
置に関するものである。

微生物の通気培養においては、微生物の増殖時
に炭酸ガスが生成する。従来の空気吹込みによる
通気培養法では培養液中の菌体濃度が低く、生成
する炭酸ガス量も少ないので、排出される大量の
ガスに同伴されて除去され、特別な場合を除いて
微生物の増殖に対する炭酸ガスの影響はそれほど
問題にされていない。しかし、酸素富化ガスを導
入し、培養液中の菌体濃度を高くして培養する方
法では、多量の炭酸ガスが生成する。その上、酸
素富化ガスの製造に多大なエネルギーを要するの
で、できるだけ培養槽内に導入する酸素富化ガス
の酸素利用率を向上させる必要がある。そこで、
効率のよい気液接触装置を用いて、培養槽内に導
入する酸素富化ガス量を少なくするが、培養槽か
らの排ガスを循環する方法が採用されている。し
かし、生成した炭酸ガスを除去しないで、酸素利
用率を向上させようとすると、培養槽内の炭酸ガ
スがますます蓄積することになる。したがつて、
培養液中の炭酸ガス濃度が高くなるので、微生物
の増殖に直接悪影響を及ぼし、また酸素分圧が低
くなり、酸素供給能力の低下をきたす。

したがつて、酸素富化ガスを培養槽に導入して
微生物を好気的に培養する通気培養法において
は、導入した酸素富化ガスの酸素利用効率を向上
させると同時に、培養中に生成した炭酸ガスを効
果的に除去する方法が望まれる。

従来、培養液中からの炭酸ガスの除去方法とし
ては、１つは培養槽外に炭酸ガス吸収装置を設
け、これに培養槽上部より排出された排気ガスを
導き、炭酸ガスを吸収剤により吸収除去して再び
培養槽内にガスを循環する方法が提案されてい
る。この方法では培養槽が大型化するに伴つて大
容量の吸収装置と多量の吸収剤が必要であり、ま
たそのとき生成する多量の副産物も処理しなけれ
ばならず操作が複雑である。また、他の方法とし
て、培養槽から培養液を系外に抜出して培養槽内
部よりも減圧された脱気槽に導き炭酸ガスを分離
除去したのち、培養液を培養槽内に再循環する方
法が提案されている。この方法では培養液中から
炭酸ガスと同時に酸素が分離除去される。したが
つて、培養液が一時的に無酸素状態になり、微生
物の増殖に少なからぬ影響を与える。さらに、培
養槽内から液を抜出して循環するために、大容量
のポンプを必要とする。以上のように、まだ酸素
富化ガスを導入して好気的に培養する通気培養法
において、まだ、満足な効果が得られる通気培養
装置が実用化されていない。

本発明の目的は、簡単な手段を用いて培養槽内
に導入する酸素の利用効率を向上させるととも
に、培養槽内に生成する炭酸ガスを連続的にかつ
確実に分離除去し、炭酸ガスの蓄積によつて生じ
る種々の弊害を防止できる効率的な通気培養装置
を提供するにある。

本発明の特徴とするところは、低温分離方式の
酸素製造装置により製造された酸素を培養槽内に
導入して、微生物を好気的に培養する通気培養装
置において、培養槽からの排ガスを再び培養槽内
に循環する系統に、炭酸ガスを固化あるいは液化
して分離する機器を設け、該炭酸ガス固化器ある
いは液化器に、前記酸素製造装置より得られた液
体酸素および液体窒素を導入し、ここで蒸発した
酸素ガスを培養槽内に導入するようにしたことで
ある。

以下、本発明を第１図および第２図により説明
する。第１図および第２図は本発明の実施態様を
示すフローシートである。１は培養槽本体であ
り、培養槽１内の菌体増殖に必要な酸素を供給す
るために低温分離方式の酸素製造装置２および酸
素の送気管３が設けられている。培養槽１の上部
には排ガスを導くための排気管４が設けられてお
り、これは排ガス中の水分および炭酸ガスを分離
除去するための水分除去器５および炭酸ガス固化
器６に接続されている。この水分除去器５および
炭酸ガス固化器６においては、排ガスを冷却する
ための冷媒として培養槽１内に導入するための酸
素製造装置２によつて製造された液体酸素および
液体窒素を用いる。そこで、酸素製造装置２より
液体酸素および液体窒素を水分除去器５および炭
酸ガス固化器６に供給するための冷媒供給ライン
７，８が設けられている。また、炭酸ガス固化器
６には炭酸ガスを除去した排ガスを導くための循
環パイプ９が設けられており、循環ブロワ１０に
よつて再び培養槽１内に循環される。

また、炭酸ガス固化器６にはここで蒸発した酸
素ガスを培養槽１内に導入するため送気管１１が
設けられており、排ガスより分離除去された固体
の炭酸ガスを連続的に排出するライン１２が設け
られている。この炭酸ガス固化器６としては公知
のものを採用することができる。ただ、培養槽１
からの排ガスの循環および培養槽１内への酸素供
給に支障のないような工夫が必要である。例えば
冷媒として、液体窒素を使用する場合には培養槽
１からの排ガスと間接的な熱交換ができるように
すべきである。液体酸素を冷媒として使用する場
合には、間接（第１図）および直換熱交換（第２
図）のどちらでも採用できるが、直接熱交換の場
合には固化した炭酸ガスを十分に分離除去する必
要がある。この炭酸ガス固化器６に排ガス自体の
圧縮あるいは断熱膨脹を組込んだ公知の方法を採
用することもできる。

このように構成された本発明装置のフローおよ
び作用を第１図により説明する。酸素富化ガス発
生装置２により製造された酸素富化ガスは培養槽
１の本体下部に取付けられたガス供給管３より培
養槽１内に仕込まれた培養液中へ連続的に吹込ま
れる。培養槽１内には図示していないが通常の機
械撹拌槽あるいは気泡塔などの気液接触装置が設
けてあり、吹込まれたガスを細かく分散して培養
液との気液接触を効果的に行わせる。培養液中に
吹込まれた酸素の大部分は培養液中を上昇する途
中液中の菌体によつて消費される、と同時にほぼ
当モル量の炭酸ガスになる。そして、生成した炭
酸ガスは消費されなかつた酸素と共に、培養槽１
内に仕込まれた培養液の上面に達し、排気ガス管
４より槽外部へ排出される。ところで、酸素富化
ガスを通気する培養においては、酸素富化ガスの
製造に多くの費用を要しており、できるだけ酸素
利用率を向上させうる培養操作を行う必要ががあ
る。そこで、酸素移動効率のよい気液接触装置を
培養槽として用いるとともに、排ガスを培養槽内
に再循環する方法などが採用される。しかし、酸
素富化ガス通気による培養においてこのように酸
素利用率を向上させると、培養槽１の系外に排出
される排ガス流量が少なくなり、排ガスに同伴さ
れる炭酸ガスも少なくなるため培養液中に高濃度
の炭酸ガスが蓄積する。このときの炭酸ガス濃度
は培養条件、例えば菌株の種類、菌体濃度、通気
中の酸素濃度および通気量などによつて異なる。
そして、高濃度の炭酸ガスが培養液中に蓄積する
と、菌体増殖に悪影響を及ぼすので生成した炭酸
ガスを除去する必要がある。

そこで、本発明方式では培養槽１上部に取付け
られた排気管４より排ガスを抜出して、再び培養
槽１内に循環する系統に、炭酸ガスを冷却して固
化する機器を設け、排ガス中から生成した炭酸ガ
スを分離除去するようにした。炭酸ガスの凝固点
は零下56.6℃であり、この温度以下に冷却すれば
炭酸ガスを固化することができ、そのための装置
として公知のものを採用することができる。そし
て、本発明においては、排ガス中の炭酸ガスを固
化するための冷媒として、培養槽１内に導入する
酸素を低温分離方式の酸素製造装置２で製造し、
これで得られた液体酸素および液体窒素を使用す
るようにした。したがつて、本発明においては、
炭酸ガスを固化するための冷媒を他で製造して供
給する必要がない。そこで、第１図および第２図
に示す炭酸ガス固化器６には低温分離方式の酸素
製造装置２により製造された液体酸素および液体
窒素が冷媒供給ライン９，１０から供給されてお
り、炭酸ガス固化器６内は排ガス中の炭酸ガスを
固化するに最適な条件を保持する。ここで、冷媒
として液体酸素を用いる場合には、間接熱交（第
１図）あるいは直接熱交（第２図）を設けて供給
する。また、液体窒素を冷媒として用いる場合に
は、炭酸ガス固化器６内か、これに排ガスが導入
される前に間接熱交を設けて供給する。このよう
に、液体酸素および液体窒素の冷媒で、炭酸ガス
固化器６内を炭酸ガス固化の最適条件になつた所
へ、培養槽１からの排ガスを導入する。そして、
この炭酸ガス固化器６によつて排ガスから炭酸ガ
スを分離除去されたガスおよび炭酸ガス固化器６
に供給されて蒸発した酸素ガスは循環ブロワ１０
によつて培養槽１内へ導入される。また、同時に
炭酸ガス固化器６によつて排ガスから分離除去さ
れた固体炭酸ガスは連続的に系外に排出する。さ
らに、培養槽１からの排ガス中の炭酸ガスを固化
分離する際、第１図および第２図に示すように、
排ガスから一旦水分のみを分離除去した後、炭酸
ガス固化器に導入する方が、品質の高い炭酸ガス
（ドライアイス）を得る場合には望ましい。な
お、第１図および第２図に示した水分除去器５、
炭酸ガス固化器６への冷媒の供給方法は一例を示
したにすぎず、排ガス流量、圧力、組成、冷媒な
どの操作条件によつて、それぞれ最適な冷却シス
テムおよび条件をとることができる。

次に、例を上げて本発明の概要を述べる。前提
条件として、培養槽内の仕込み液量を1000m³、菌
体濃度を100Kg／m³、単位液量当りの酸素消費量
を4mol／Kgcell・ｈ、呼吸商を1molCO₂／molO₂
とし、また培養槽下部に導入された酸素の利用率
は60％とする。また、培養温度は30℃とする。

これにより、培養槽内で消費される全酸素量
は、９×10³m³／ｈであり、また培養槽内に導入
すべき全酸素量は15×10³m³／ｈである。そし
て、培養中に生成する全炭酸ガス量は９×10³
m³／ｈであり、全排ガス量は15×10³m³／ｈで、
この排ガス中には未利用の酸素が６×10³m³／ｈ
（40％）含まれる。

まず、本発明を適用した場合について検討して
みる。培養槽より排出された排ガス量15×10³
m³／ｈを、培養温度の30℃から炭酸ガスを１気圧
下で固化できる零下80℃付近まで冷却するとし
て、その時必要な冷却熱量を計算すると約
10⁶kcal／ｈである。これに対して、この培養に
必要な酸素を低温分離方式の酸素製造装置で製造
して、そのとき得られる液体酸素および液体窒素
のもつ蒸発潜熱を利用する。まず、培養槽で消費
される全酸素量に等しい液体酸素のもつ蒸発潜熱
により0.65×10⁶kcal／ｈの熱量を奪うことがで
きる。また、このとき同時に得られる液体窒素の
もつ蒸発潜熱により２×10⁶kcal／ｈの熱量を奪
うことができる。すなわち、液体酸素、液体窒素
により得られる冷却熱量は合計約2.65×
10⁶kcal／ｈとなり、培養槽からの排ガスを零下
80℃まで冷却するのに十分な量が得られることが
わかる。このことから、本発明方法を採用すれ
ば、培養槽からの排ガスと液体窒素および液体酸
素との熱交換を行わせる効率のよい熱交換器を設
置すればよく、その維持にほとんどエネルギーを
必要としない。ただ、炭酸ガスを除却して回収し
た酸素ガスを再び培養槽内に循環するための循環
ブロワが必要である。

また、分離した固体の炭酸ガスを熱交換器から
効率よく排出するための工夫が必要である。

次に、本発明による方法と比較するために、他
の方法を適用した場合について述べる。

比較例 １ まず、炭酸ガス固化器を設置しないで、培養槽
からの排ガスをそのまま排出する場合について述
べる。前提条件を本発明例と同じとすると、この
場合には、培養槽内で利用されなかつた酸素ガス
６×10³m³／ｈが回収されないので、常にその分
だけ余分に製造しなければならない。以上のよう
に、本発明方式を採用すれば、未利用の酸素ガス
を回収しない場合に比べて培養槽内に実際に供給
する酸素量を40％低減できる。

比較例 ２ 培養槽から排出される排ガス中の炭酸ガスを可
性ソーダで吸収除去し、回収した素酸ガスを循環
する方法を採用した場合について述べる。前提条
件を本発明と同じとすると、この場合には培養中
に生成した炭酸ガス９×10³m³／ｈを吸収除去す
るのに32×10³Kg／ｈの可性ソーダを必要とす
る。したがつて、この場合には多量の可性ソーダ
が必要であり、本発明に比べて損失が大きいこと
がわかる。

以上のように、本発明の通気培養装置を採用す
れば、培養槽内に導入するために製造した液体酸
素および液体窒素を用いて、培養中に生成する炭
酸ガスを固化分離することができ、また他の方法
を採用した場合に比較して、最もエネルギー損失
を少なくして効果的に炭酸ガスを除去することが
でき、培養槽内に導入する酸素の利用効率を向上
させ得ることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１〜２図は本発明の実施態様を示すフローシ
ートである。そして、第１図は間接熱交換による
炭酸ガス固化器を組込んで構成した場合を示し、
第２図は直接熱交換による炭酸ガス固化器を組込
んで構成した場合を示したものである。 １……培養槽、２……低温分離方式の酸素製造
装置、３……送気管、４……排気管、５……水分
除去器、６……炭酸ガス固化器、７……冷媒供給
管、８……冷媒供給管、９……循環パイプ、１０
……循環ブロワ、１１……導管、１２……炭酸ガ
ス排出管、１３……氷排出管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 低温分離方式の酸素製造装置により製造され
   た酸素を培養槽内に導入して、微生物を好気的に
   培養する通気培養装置において、培養槽からの排
   ガスを再び培養槽内に循環する系統に、炭酸ガス
   を固化あるいは液化して分離する機器を設け、該
   炭酸ガス固化器あるいは液化器に、前記酸素製造
   装置より得られた液体酸素および液体窒素を導入
   し、ここで蒸発した酸素ガスを培養槽内へ導入す
   るようにしたことを特徴とする通気培養装置。