JPS63313576A - チユ−ブラ−バイオリアクタ− - 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，多孔性膜と反応槽を一体化した管状（チュー
ブラ−）バイオリアクターに関する．特に、反応と分離
操作を連続的に行なうことのできる高効率の新規な構造
の生体触媒反応装置（バイオリアクター）に閏する。

［従来の技＃Ｉ］ 従来，微生物．酵素などの生体触媒を用いた反応は．連
続的（行なうこと仕困難であり．工業的には、殆ど行な
われなかった。これは、生体触媒が微生物の場合は微生
物濃度のフントロールが頒しいこと、生体触媒が酵素の
場合は高価な酵素の回収、再利用が難しいことなどの理
由による。

実験室のレベルでは種々の方法により連続反応の研究が
為されてきたが、ｆｌ近では、第３図に示すような反応
槽と分離膜を組合せた装置により生体触媒を用いた連続
反応が盛んに試みられている。この装置では２反応の大
部分が反応部Ｒで行なわれ、生体触媒と反応生産物の分
離は、多孔性分Ｐａ膜Ｍで行なわれるが９反応部Ｒ以外
の装置部分の容積の和が９反応容積（ｗｏｒｋｉｎｇ　
ｖｏｌｕｓ＋ｅ　）に占める割合が増大すると、特に１
分離膜が管状の場合は、この反応部に関する部分以外の
割合がより増大する傾向がある。このため反応部Ｒに更
に生産物分離用の膜を付加したものもあるが、装置全体
が大がかりになり、複雑になるだけである。

このように従来の反応槽と分＃ｌ膜を組合せただけのバ
イオリアクターでは、連続運転をしようとすると、構造
が複雑になり、それに従い、ｆｉ菌による汚染される機
会も増大するので、連続反応装置として不適なものであ
った。

［発明が解決しようとする問題点コ 本発明では、上述のような従来技術の問題点を解決すべ
く鋭意研究し、生体触媒反応槽９分離膜を一体化して、
管状反応装置としたバイオリアクターを発明した。従っ
て２本発明は、単純化した構造により、雑菌汚染が少な
（なり、連続運転に適したバイオリアクターを提供する
ことを目的とする。また１本発明は、ｆｆｉ純な構造で
気液の自由界面がないことから１発酵反応で問題になる
発泡の極めて少ない生体触媒反応装置を提供することを
目的とする。更に９本発明は、単純な構造でスケールア
ップ、スケールダウンが容易にでさ、柔軟性のある設計
が可能で、更に、設置面積を小さくできるバイオリアク
ター装置を提供することを目的とする。更に、バイオリ
アクターの製作、保守が容易にできる装置構造を提供す
ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 前記のような問題を解決するために１本発明の要旨とｒ
るものは、生体触媒により流体中において生体触媒反応
鎧より有用物質を生産するバイオリアクターにおいて、
管状路で閉ループを構成するバイオリアクターであって
、その管状路に多孔質管状膜を挿設し、その管状膜を透
過した生産物を取り出す生産物取り出し口と、原料供給
口とを有し、その閑ループ中に、原料、該生体触媒、生
産物を含む混合液を循環せしめる循環装置を備え、これ
らの機器をつなぐ管により前記の閉ループを構成するチ
ューブラ−バイオリアクターである。また、そのバイオ
リアクターにおいて、引抜装置を該閑ループ中に設ける
ことができる。更に、そのバイオリアクターにおいて、
説気装殺を該閉ループ中に設けることができ、また、酸
素供給装置を該閑ループ中に設けることができ、更に、
熱交換器を該閉ループ中に設けたものが可能である。

［発明の構成］ 本発明の生体触媒反応装置は、チューブラ−バイオリア
クターとも称することが適するものである。即ち、管状
の構造を主体とし、管状の膜などとともに閉ループを構
成し、生体触媒反応と生産物分離を連続的に行なわせる
管状（チューブラ−）バイオリアクターである。従って
２本発明の装置は、従来のような特別な反応部（即ち、
第３図のＲの部）を持たず、管状部の全ての箇所で生体
触媒反応が行なわれるものである。

以下９本発明のチューブラ−バイオリアクターの構成を
第１図により説明する。

反応混合物が閑ループの管状構成の中を循環するもので
ある。この循環ループには９次のような機器を備えてい
る。

１はセラミック或いは、高分子等で作製拶れた多孔性の
管状分離膜であり、゛生体触媒を透過しないものである
。２は管状の分離膜、ポンプ、原料供給口等の機器を結
合するパイプである。３は装置内に組み込まれた液循環
用ポンプである０図ではポンプで示したが９図示のよう
な閉ループ装置内に液循環を生せしめる液循環力発生装
置であればどのような装置でも利用できる。４は原料供
給口で、５は管状分離膜を透過した透過液を取り出す流
出口である。６は熱交換器であり、装置内の温度を所定
の生体触媒反応温度範囲にコントロールするためのもの
である。７は微生物生体触媒反応のうらで、好気性発酵
の場合に必要とするａ素供給装置である。８は微生物生
体触媒反応において、酸素供給これた場合の余剰になっ
たガスや。

発生した代謝ガスによって装置内にたまるガスホールド
アツプ量を所定値以内に維持するための脱気装置であっ
て、疎水性の多孔質膜等を使用する。９は原料、生体触
媒、生産物の混合液を引き出す引抜き口である。

以上の第１図の管状ループを構成する機器のうち、熱交
換器６．酸素供給装置７．脱気装置８゜反応物引抜き口
９は、生体反応の種類によっては必要としない場合があ
る。このような場合の本発明のグ・ニーブラーバイオリ
アクターを第２図に示す０番号は第１図と同じものを示
す。

また９以上の閉ループを構成する各機器の配列順は、第
１図、第２図に示す配列に限定きれることはなく、閉ル
ープを構成すればどのような配列でも可能である。

更に、管状分離膜１は、各機器を接続するパイプ２部分
にもパイプ壁に代えて設置することもでき、それにより
、生産物の分離効率を高めることができる。

第１図の装置において、各部材の寸法割合は。

次のようにして決定できる。上記のように各機器を接続
するパイプは管状分離膜に置換してもよいが、所定規模
のチューブラ−バイオリアクターにおける管状分離膜の
全開ループ管状路（占める最短長は、つぎのようにして
求めることができる。

条件：膜モジュール、内圧管状１１１２００Ｘ。

Ｄ１０ＸＩＤ６［■］のもの１５０本人りで、膜面積３
．４ｍ”でモジュール内径１６５■とする。

このモジュール４本を直列に閉ループに組込むとすると
、膜面積ΣＳは。

Σ５−１３．６ｍ’ 透過流速Ｑ、をＱ　ｔ＝　５０４！　／　ｈ　ｍ”とす
ると透過液量の合計ΣＱ、は。

ΣＱ、−５０Ｘ１３．６−６８０１／ｈ垢釈率を最大２
ｈ−’（原料の平均滞留時間０．５ｈ）とするとチュー
ブラ−バイオリアクターの反応容量■、は。

■、−ΣＱ＋／２−３４０４！になる。

モジュール保持液量ｖ４は Ｖ４−１６．９１ 従って、＠モジュール部以外の容１ｖは。

Ｖ−Ｖ、−Ｖ、−３２３、１１ 膜モジユールの内径に等しいパイプで膜モジュールを接
続すると、接続用パイプの全長り、は。

ｔ、、−ｖ／（π／４・１６．５”）−３２３，１ｘｉ
Ｏ”／（π／４−１６．５”）−１５１２ｃｍ−１５，
１ｍであり。

膜モジュールの全長ＬＭは、ＬＭ−１，２Ｘ４謹４．８
ｍである。

従って、管状部全長しに占める膜モジユール部の長さり
、の比ｒは。

ｒｍＬＭ／（ＬＰ＋ＬＭ）−ＬＭ／Ｌ−０，２４となり
、希釈率の最大値−２ｈ−１とすると、管状部の管径が
全て等しい場合、膜モジュールの全環状部長さに占める
割合の最小値はほぼ２４％になる。

従って、管状部の管径が全て等しい場合、使用する膜モ
ジュールの径により膜モジュール長の全環状部長さに占
める割合は２４〜１００％となる。但し、この範囲は環
状部の管径が全て等しい場合で、膜モジユール部の管径
と膜モジュール等の機器を接続するパイプ径が異なる場
合は、膜モジュール長さの全環状部長さに占める割合は
異なってくる。

生体触媒反応で１本発明のチューブラ−バイオリアクタ
ーの作用は９次のように行なわれ、その生産物は連続的
に反応系より取り出きれる。

嫌気性の発酵或いは酵素反応で代謝ガスの発生を伴わな
い場合、第２図の如き構成の本発明のチューブラ−バイ
オリアクターで反応が行なわれる。この場合の本発明の
詳細な説明する。予め。

殺菌或いは除菌した原料及び生体触媒を装置に仕込み、
運転開始後は、ｒＥＬ料は、原料供給口４より連続的に
供給される。供給建れた原料は液循環ポンプ３により生
体触媒と共に管状装置内を循環し、生体触媒により反応
生産物に変換きれる０以上の反応生産物混合物が循環し
ている管状構成の壁に備える管状膜１を備えることによ
り、生体触媒を含まない反応生産物ぐ富む液が、この膜
１を透過し、供給された原料に等しい量だけ透過液流出
口５より流出する。膜ｌにより生体触媒が、装置外に流
出することが阻止されるため、装置内に生体触媒が保持
され、連続反応操作が可能になり、生体触媒反応と生産
物の分離が同時に連続的に行なえる。装置内は必要に応
じて熱交換器６により所定温度範囲に制御する。また、
微生物触媒反応において、菌体が有用な目的生産物であ
る場合は９反応液引抜き口９より菌体を含む反応液を適
宜引き抜き２回収することができる。

次に１代謝ガスの発生を伴う嫌気性発酵の場合、第２図
の装置に更に、管状路内（脱気装置を付加し１発生した
代謝ガスを装置内から除去する機能を付与する。他の作
用は上記の場合の反応と同じである。

次に、好気性発酵の場合は、第１図に示すネＲ成の装置
を用いる。酸素供給装置７により供給されたガスにうち
未消費のまま残ったガス及び代謝ガスは、装置内のガス
ホールドアツプ量を所定レベル以下に維持できるように
、脱気装ｃ８により除去する。その他の作用は代謝ガス
の発生を伴わない嫌気性発酵の場合と同様である。

以上の説明では０本発明の装置を微生物、酵素を利用し
たバイオリアクターとして一般的に説明した。具体的に
は９本発明のチューブラ−バイオリアクターは、グルツ
ースを乳酸菌（Ｌａｃｔｏｂａｃｉ１１ｕ３）などの微
生物で分解し、乳酸を生産するなどの場合に利用できる
。その他に、酵母菌を用いたアルコール発酵などにも利
用でさるものである。

この場合は、＊料として糖蜜を用いることにより１ｗ便
で廉価な生体触媒反応装置として利用できるものである
。

［発明の効果］ 本発明によるチューブラ−バイオリアクターは、構造を
単純化したことによりａ菌汚染が少なくなり、連続反応
運転に適したものを提供できる。なお、連続運転にあた
り、ｊ；（料も連続供給することが必要であり、このた
めには膜を使用して連続的に原料の除菌を行なうことが
有効である。

また９本発明の反応装置内では、気液の自由界面がなく
、ガスが液の中に入ることがなく９発酵で問題になる発
泡が極めて少なくできる構造の装置が可能をなる。

更に２本発明の装置は、閉ループ構成の循環パイプが基
礎的構造であるので、スケールアップ。

スケールダウンが容易であり、設置面積を著しく小さく
できる生体触媒反応ａ置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は９本発明のチューブラ−バイオリアクターの構
成を説明する構成図である。 第２ｙＡは０本発明の他の具体的な装置を説明する構成
図である。 第３図は、従来の連続生体反応装置を説明する概略図で
ある。 ［主要部分の符号の説明］ １、、、、管状分離膜 ２、、、、管状接続パイプ ３、、、、循環用ポンプ ４、、、、原料供給口 Ｓ、、、、生産物取出し口 ６、、、、熱交換器 ７、、、、ａ素供給装置 ８、、、、脱気装置 ９、、、、反応物引抜き口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）流動化生体触媒により流体中において生体触媒反
   応により有用物質を生産するバイオリアクターにおいて
   、 管状路で閉ループを構成するバイオリアクターであって
   、その管状路に多孔質管状膜を挿設し、その管状膜を透
   過した生産物を取り出す生産物取出し口と、原料供給口
   とを備え、その閉ループ中に、原料、該生体触媒、生産
   物を含む混合液を循環せしめる循環装置を備え、これら
   の機器をつなぐ管により前記の閉ループを構成すること
   を特徴とするチューブラーバイオリアクター。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載のバイオリアクターに
   おいて、原料、生体触媒、生産物の混合液を引き抜く引
   抜装置を該閉ループ中に設けたことを特徴とする前記バ
   イオリアクター。
3. （３）脱気装置を該閉ループ中に設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項或いは第２項記載のバイオリア
   クター。
4. （４）酸素供給装置を該閉ループ中に設けたことを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載のバイオリアクター。
5. （５）熱交換器を該閉ループ中に設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１、２、３、或いは、４項記載のバ
   イオリアクター。