JPS63283570A - 発酵槽 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、好気的発酵において低剪断力でかつ比較的低
通気量の条件下でも極めて速い酸素移動をもたらし、そ
の結果高い酸素利用効率が得られるとともに、低通気量
化により高菌体濃度培養においても発泡現象を回避し得
る発酵槽に関する。

［従来の技術］ 一般的に、好気的発酵、例えば菌体、酵素、アミノ酸、
核酸、さらに二次代謝物としての抗生物質等の生産を目
的とする発酵槽において、好気的代謝に不可欠な酸素は
、液中に常時通気される空気などの酸素含有ガスから発
酵液中へ酸素が溶解、補給されることによりまかなわれ
る。

近年、生産性を向上させるため高菌体濃度培養や大量培
養が指向されるとともに工業的発酵槽が大型化する傾向
にある。このような発酵槽の場合は、空気を通気させる
ことにより得られる酸素移動では高菌体濃度培養等酸素
を多量に要求する微生物の培養において酸素供給が充分
とは云えず、酸素移動律速となり、支障を来す場合が多
い。この酸素律速状態を回避するために、従来、攪拌強
度の増加または通気量の増加などの手段が講じられてき
た。

しかし、菌体の種類によっては高剪断力下において菌の
破断等を起すことがあった。また、高通気量下の高菌体
濃度培養等では、培養液の粘度上昇やそれに伴う発泡現
象等が発現するという問題点があり、これらの酸素移動
律速回避手段は好ましからざる現象を顕現化させる。さ
らに、発酵槽の構造を改善し、効率化をはかる試みが行
われているが、酸素移動に空気を使用する限り酸素濃度
的２１％の制約があるため酸素移動速度には限界がある
。このため空気のかわりに酸素富化空気を散気する方法
が試みられている。

［発明が解決しようとする問題点］ 酸素富化空気を散気する方法には、次のような欠陥があ
る。すなわち、培養液の溶存酸素濃度がある一定値を越
えると、生産物の収率は逆に低下する傾向があり、従来
の通気量増大等による酸素移動速度増加手段によって酸
素供給を効果的ならしめようとすると、かかる増殖阻害
を惹起する危険性が高い。このため、極めて高濃度の酸
素含有ガスの使用は困難で、一般には酸素濃度２５乃至
４０％の酸素富化空気が用いられている。したがって、
酸素移動律速回避手段としてかかる方法が採られる限り
、一定の限定を越えて効果を期待することができないと
いう欠点をもっている。

本発明は以上の点に鑑み、酸素と空気とをそれぞれ独立
に発酵槽に供給し、前記障害を起こさず、低剪断力、低
通気量の条件下においても高酸素移動速度をもたらし、
高菌体濃度培養等にみられる酸素移動律速状態に至るこ
とを回避できるのみならず、発泡現象をも起さない培養
を可能とする発酵槽を提供する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、槽内の液を循環させる循環手段と循環液に対
向する方向に酸素を供給する供給装置を具備してなる発
酵槽である。

槽内の液を循環させる循環手段としては、槽内に設けら
れた攪拌機によるもの、空気の散気による上昇流に基く
もの等、槽内に培養液の循環流を効果的に生じさせ得る
ものであればどのようなものでもよい。後述の如く、酸
素を散気用空気と予め混合することなく、両者独立に発
酵槽へ導入することの利点が大きいので、循環手段とし
て空気の散気による上昇流に基〈ものはより好適なもの
の一つである。

槽内に循環流をより効果的に生じさせるために、それぞ
れの上端部および下端部で互に連結した上向流区画室と
下向流区画室を設けることがより好ましい。たとえば、
ドラフト円筒を発酵槽と同軸状に槽内に設け、ドラフト
円筒と槽内壁との間の空間で下向流区画室を、ドラフト
円筒内空間で上向流区画室を形成させ、後者内に攪拌機
を設置するか、または後者の下端部にノズルを配して空
気を射出せしめて、循環流をより効果的に生ゼしぬるこ
とができる。

本発明の最も特徴とするところは、前記循環流を生ゼし
ぬ、この循環流に対向する酸素を供給する酸素供給装置
を具備するところにある。循環流に対向して酸素が供給
されることによって、極めて大きい酸素移動速度が得ら
れる。この効果は酸素射出部の著しい乱れの発生に伴い
、酸素と培養液とのより好適な細分化と接触を惹起し、
その結果として速い酸素移動をもたらすものと考えられ
る。就中前記の如く上向流区画室と下向流区画室を設け
、より好適に培養液を回流させ、後者の下端部に前記酸
素供給装置を設けて、下向きの回流に対向して酸素を射
出させる場合には、前記の循環流と対向することによっ
て生ずる好適な細分化と接触するのみならず、下向流に
よる抵抗によって多数の酸素の気泡が下向流区画室内に
ホールドアツプされることとなり、気泡の滞留時間が増
加することに起因するものとみられる高酸素移動速度と
高酸素利用率が得られるのでより好ましい。

本発明において、槽内の液を循環させる循環手段として
前述の空気の射出によるエアーリフトを採用する場合に
は、上述の効果に加えて下記の如き効果を奏するのでよ
り好適である。すなわち、酸素と空気の二種の流体から
それぞれ酸素移動が行われるので、仮りに溶存酸素濃度
がたとえば空気散気に対応する飽和溶存濃度以上となり
、菌体の増殖阻害が生じるとしても、通気されている空
気によって余剰溶存酸素は速やかに放散されるため、増
殖阻害が培養に支障を来たす程度に顕現するのを防止で
きる。

攪拌機等の機械的循環手段を採る場合においても、同様
の理由からそれぞれ独立に供給される酸素と空気の二流
体を用いて酸素移動を行わせることが望ましい。

前述の如く、本発明により高酸素移動速度が得られる結
果、低通気量、低剪断力のもとでより好適に培養を行う
ことができる。また高い酸素利用率が得られるので、培
養時に消費される量とほぼ同量の酸素のみを供給して培
養を行うことも、二酸化炭素濃度増加に伴う阻害現象が
生じない培養においては可能となる。なお培養時に発生
する二酸化炭素濃度は、エタノール資化性菌、アミノ酸
生成菌などのように溶存酸素と同様の阻害作用を示す場
合があるが、この場合には該阻害作用を防止するに足る
量の空気を前記酸素と別個独立に併せて発酵槽下部より
供給することで対処することができる。

さらに、高酸素移動速度に起因して大きい応答速度が得
られるため、溶存酸素濃度の制御も容易となり、過剰酸
素濃度の状態に至ることもなく前記増殖阻害も容易に回
避できる。

空気の射出による培養液循環手段を採る場合には、培養
時に消費される量の酸素を供給し、排気流中の二酸化炭
素を吸収装置または吸着装置等、公知の二酸化炭素除去
装置で除去することによって空気流を循環再使用できる
が、この際循環空気流中の酸素の顕著な増加をもたらさ
ず空気中に於けると同程度の酸素濃度を維持できるので
好適である。

［作　用］ 培養液及び菌体への酸素供給能力は ”　ｋＬ−（Ｃ”−Ｃ）　−ＱＯ２Ｘ ｔ で表わされる式にょフて決る。

Ｃ：溶存酸素濃度（Ｉｎ−１１１０１０２／ｌ）ｔ：時
間（ｈ） ｋＬａ：培養液の酸素移動容量係数（ｈ−’）じ：飽和
溶存酸素濃度（ａ＋−ｍｏ１０２／１）Ｑ０２：細胞の
酸素の比消費速度 （ｆｆＩ−１１１０１０２７ｇ−ｈ） Ｘ：細胞濃度（ｇ／Ｉ） そして（ＣζＣ）は酸素濃度が大であるほど大きくなる
。酸素を循環流に対向させて単独または別個に供給され
る空気とともに両者独立に供給するときには、（ｃ”−
ｃ）の増大に起因する酸素の効率的溶解のみならず、前
述した如く、酸素の射出部における著しい乱れに伴って
生じる好適な酸素気流の細分化と培養液との接触が得ら
れる。さらに前述の下向流区画室下端部に下向流に対向
して酸素を射出させる場合には、著しい酸素気泡のホー
ルドアツプの増加等に起因するものと考えられる極めて
高い酸素移動速度が得られる。

酸素のみを発酵槽に導入する場合のみならず、酸素と空
気を予め混合することなく両者独立に培養液中に導入す
る場合においても（ｃ”−ｃ）の増大に起因する酸素移
動速度の増大効果を享受できるのは、両流体気泡相互の
合−等が予想に反し起こり難いことによるものとみられ
る。

［実施例］ 第１図、第２図および第３図に本発明の発酵槽の実施例
を示し、これに基いて本発明をより詳しく具体的に説明
する。

第１図は発酵装置を示し、１が密閉式の発酵槽でパイプ
８および９から基質、工程水、菌体、栄養剤等からなる
培養液Ａをその液面上部に気体空間Ｂが存在する状態で
収容すべく構成されている。槽内部には、それぞれ上端
部および下端部で互に連結した上向流区画室１５と下向
流区画室１４がＮ１１と同軸的に設けられたドラフト円
筒２によって形成されている。槽内の培養液Ａに循環流
を与えるための空気噴射ノズル６が上向流区画室１５の
下端部に設けられ、これに無菌空気導入管１１および空
気濾過器５が接続されている。空気噴射ノズル６からの
空気の噴出により、前記培養液Ａを上向流区画室１５内
を上方へ、次いで反転して下向流区画室１４内を下方へ
回流すべく循環手段が構成されている。酸素を供給する
ための噴出ノズル７が、下向流区画室１４の下端部に循
環液に対向して設けられ、対向噴出によってもたらされ
る細分化に加え培養液Ａの下向き循環流れによフて浮上
しようとする酸素を細分化する状態で抑えて、ホールド
アツプを大きく保持しながら気泡状酸素を下向流区画室
１４に滞留させつつ培養液中に溶解させるべく、酸素供
給装置が構成されている。下向流区画室１４を経て供給
された酸素の大部分は消費されるが、なお消費されずに
残存する酸素は前記密閉構成の気体空間Ｂにてエアーリ
フト用空気と合体し、培養中発生する炭酸ガスと共に管
１６を経て排気されるように構成されている。要すれば
、該排気は二酸化炭素の吸収装置または吸着装置を経て
炭酸ガスを除去し、管１１へ接続、循環使用する如く構
成される。

供給管ＩＯからの酸素の供給量やエアーリフト用空気に
よる循環回流速度の調整により、前記下向流区画室１４
における気泡状の酸素の滞留時間を制御することができ
る。

３は、培養液に発生する熱を培養液を送液ポンプ４で外
部循環し、除去するために設けられた熱交換器である。

第２図は、培養液の循環手段が電動機１７に連結され駆
動される攪拌機で構成された実施例を示めす。酸素移動
は、管１０を経て噴出ノズル７より噴出される酸素によ
って行われる。二酸化炭素濃度増加による阻害現象が発
生する場合には、併せて槽内炭酸ガス濃度を適正レベル
に保持するに足る量の空気を上向流区画室１５下端部に
噴射するよう構成するも良い（図示を省略）。

第３図は、上向流区画室および下向流区画室を前記ドラ
フト円筒等の隔壁を設けずに構成された実施例を示す。

電動機１７に連結され駆動される攪拌機１８で構成され
た循環手段で槽中央部近傍に下向流、槽壁部に上向流を
発生させ、管ｌＯを経て槽中央部近傍に設けられた噴出
ノズル７から酸素が下向流に抗して噴出される。槽下部
に前記二酸化炭素による阻害現象を回避するため管１１
を経て供給される空気を噴出するためのノズル６が設け
られている。

なお、上記各実施例において、酸素ガスの流量を溶存酸
素計または廃ガスラインの酸素分析計もしくは炭酸ガス
分析計によって制御する制御装置を設けることにより、
発酵工程の初期や後期の酸素要求の低い段階では酸素ガ
スの供給を制限又は停止して主に空気散気による酸素供
給を行なうこととすれば、より経済的な運転を行なうこ
とができる。

［発明の効果］ 前述の如く、槽内の液を循環回流させ、この循環液に対
向して酸素を噴出せしめて酸素移動を行わせることによ
り、高酸素移動速度と高い一過酸素利用率が得られる。

この効果に起因して低通気量化、低剪断力下でも好適な
酸素移動が可能となる。

本発明の発酵槽、は、上記効果を発現し高生産性、高酸
素利用率で培養を行うことができる経済性の高い発酵槽
となっている。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係る発酵槽の実施例を示し、第１図は
ドラフト円筒を用いて上向流区画室および下向流区画室
を形成し、空気の噴出によるエアーリフトにより循環手
段が構成された発酵槽の断面図であり、第２図は攪拌機
で循環手段が構成された発酵槽の断面図である。第３図
は本発明の他の実施例をあられす発酵槽の断面図である
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）槽内の液を循環させる循環手段と、循環液の流れ
   に対向する方向に酸素を供給する酸素供給装置を具備し
   てなる発酵槽。
2. （２）槽内に上向流区画室と下向流区画室を設け、これ
   ら両室をそれぞれの上端部および下端部で互に連結して
   なる特許請求の範囲第１項記載の発酵槽。
3. （３）下向流区画室の下端部に酸素噴出ノズルを設けて
   なる特許請求の範囲第２項記載の発酵槽。
4. （４）循環手段が、空気の射出による上昇流に基くもの
   である特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の発酵槽。
5. （５）溶存酸素計または廃ガスラインの酸素分析計もし
   くは炭酸ガス分析計等の検出手段を備え、酸素要求の低
   い初期工程または後期工程では供給酸素ガス量を減少さ
   せるように制御する制御装置が設けられている特許請求
   の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の発酵槽。