JPS63500351A - 濾過膜の複合集合体 - 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】 濾過膜の複合集合体 本発明は生物学的反応（または発酵）と同時に反応生成物の濾過を行うだめの規 則的に配列された濾過膜（メンブレン）の複合集合体（クラスタ）に関するもの である。本発明はさらにこの複合クラスタのバイオリアクタでの利用に関するも のである。

生物学的反応あるいは発酵は食品工業（ワイン、ビール等の製造）、医薬品工業 （抗生物質の製造）、工業用水処理、等の多くの分野で広く採用されているプロ セスである。

発酵プロセスが終了した時には、反応生成物を所望製品と廃棄物とに分離する問 題が起る。一般に、所望製品は水中に溶けた溶液であり、この溶液には多量の不 純物が懸濁状で含まれている。従来の分離法は濾過と沈澱である。

マイクロ濾過膜および限外濾過膜はしだいに広く利用されるようになっており、 濾過膜と生物学的反応あるいはバイオリアクタを組合せるというアイデアも既に 提案されている。

しかし、濾過工程はバイオリアクタの出口の所で行われ、一方、反応生成物は通 常所望の分離を行う濾過膜を構成する中空ファイバの東の中に供給するように上 記の組合せに制限される。

さらに、中空ファイバ形状の膜は細胞のインビトロ培養用に用いられている（こ れに関しては以下の特許明細書中に開示されている：　ＵＳ−Ａ−：３．８８３ ．３９３、ＵＳ−Ａ−３，８２１，０８７、ＵＳ−Ａ−４，２００、６８９、Ｕ Ｓ−Ａ−４，２０１，８４５、Ｕｓ−Ａ−３，９９７，３８６、ＵＳ−Ａ−４， ２２０，７２５＞。

ＥＰ−Ａ−０，１１３，３２８に記載の動物細胞のインビトロ培養装置では、細 胞が剛性マトリックス中に保持され、この剛性マトリックスには相対的に低い多 孔度の管を介して栄養培地が供給され、細胞生成物と消費済み栄養培地は相対的 に高い多孔度の管を介して抜き出され、酸素は選択透過性の管状膜によって供給 され、これら各要素は同軸状に配置されて一つの反応器を構成している。

本発明の目的は生物学的反応と得られたプロダクト（生産物）の分離とを同時あ るいは実際上同時に実行するために濾過膜を利用した生物学的リアクタを開発す ることにある。

この目的を達成するために以下の規則的に配列された濾過膜の複合組立体すなわ ち複合集合体を用いるという設計概念が生れた。すなわち、本発明の複合集合体 は、−処理される基質が供給され且つ生物学的反応を受けるプロダクトが遠心流 で通過される中空ファイバまたは中空ファイバの東によって構成される第１の膜 と、−　この第１の膜の回りに配置された一連のガス透過性ファイバで構成され て、上記生物学的反応のガス交換を実行する機能を有する第２の不連続な膜と、 −上記第２の膜のガス透過性ファイバの近傍に配置された一連の中空ファイバに よって構成され且つ所望の反応生成物を心流で通過させる機能を有する第３の不 連続な膜とを有し、 上記の８膜はそれらの間で各膜）　ＩＪ−ム（流れ）が流れることができるよう にするスペーサ部材によって互いに分離されており、上記の各ストリームの圧力 は適当に選択されている。

この組立体すなわち、いわゆる集合体には主として２つの型式が考えられる。す なわち、好気性発酵用の集合体と、嫌気性発酵用の集合体である。前者の場合に は第２の膜のガス透過性ファイバが微生物の近傍に空気または酸素を供給する機 能を有し、後者の場合には、上記ガス透過性ファイバが嫌気性発酵プロセスで生 じた気体を除去する役目をする。

これら型式の濾過膜組立体すなわち集合体は単独で使用できるが、常法に従って 、処理される基質のための入口と、必要に応じて設けられるガス入口と、流出ガ ス出口と、所望プロダクト用流出出口と、未処理の基質の再循環用回路とを備え た生物学的反応器の他の類似集合体と一緒に用いることができる。さらに、処理 済み流出液を内部再循環するための回路も備えられている。これについては以下 で詳細に説明する。

上記の構成は処理される基質を固定された微生物に供給し且つ発酵済プロダクト を濾過して所望プロダクトを排出すべき流出液から分離するという生物学的処理 と濾過とを同時に行う方法に実際に適用することができる。この方法では処理さ れる基質が濾過膜の複合集合体または複合集合体の束を収容した反応器中に供給 され、この基質は第１の膜を構成する中空ファイバ内に送られ、ガス透過性ファ イバの近傍に固定された微生物の集合体が作られ、所望プロダクトが第３の膜を 構成するファイバによって回収される。

第２と第３の膜は不連続であるので、これらは第１の膜に対して所望の状態で配 置することができる。配列によ、では均一ピッチの格子断面、例えば以下で説明 する中心を有する六角形配列や、正方形、菱形または多角形格子のような他の形 になるので、反応器の内部断面積が増加し、従って、それと同時に反応器の運転 能力および処理能力が増加する。これに対して、従来型の反応器の場合には、同 軸状膜の直径を増加させないと、すなわち生物学的反応器のパラメータを変更し ないと能力を大きくすることはできなかった。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

第１図は本発明による濾過膜の複合集合体の第１実施例の概念図、 第２図は本発明による複合集合体の第２実施例の概念図、第３図は複合集合体の 東を示す図、 第４図は本発明による濾過集合体を利用したバイオリアクタの概念的運転ダイヤ グラムである。

第１図は本発明による複合集合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ）の第 １実施例を示している。この集合体１は相対的に大きな直径の中空ファイバによ って構成される第１濾過膜２を有している。このファイバ２の回りには第２の膜 を構成する一連のガス透過性ファイバ３が配置されている。このファイバ３はス ペーサ部材５によって上記ファイバ２の回りに例えば等間隔且つ同心円状に配置 されている。このファイバ３の数は上記二種類のファイバの相対寸法と生物学的 反応パラメータの関数である。第３の膜は上記のファイバ３の囲りに等間隔に配 置された一連のファイバ４で構成されている。上記の各ファイバ群３．４はスペ ーサ部材５によって中心ファイバ２の囲りの一定位置に維持されている。第」図 では８本の中空ファイバ３と１２本の中空ファイバ４とが示されており、ファイ バ３はファイバ２の回りに同心状に分布され、ファイバ４はファイバ３の群を取 り囲んでいる六角形の頂点および各辺の中間点に配置されている。この配置は変 更できるということ並びに上記３種類のファイバの相対配置関係は第１図に示し たものに限定されないということは容易に理解できよう。

濾過ファイバ自体は公知の製品であり、所望特性を関数として現在入手可能なフ ァイバから選択して使用することができる。同様に、上記スペーサ部材５は上記 ３種類の膜の間の各々のス）　ＩＪ−ム（流れ）を流すことができる網や多孔質 発泡体要素によって構成することができる。

以下、上記複合集合体の運転方法を詳細に説明する。

処理される基質すなわち、より一般的な意味での水中に各種プロダクト（生成物 ）を含んだ懸濁液は溶液中で変化する性質のあるプロダクトも含んでおり、これ は一つまたは一連の精密な反応を実行する微生物または一部の微生物による生物 学的反応（または発酵）を受けなければならない。この反応の例としてはアルコ ール発酵、抗生物質の製造、メタン化、硝化等を挙げることができる。この反応 は好気性反応でも嫌気性反応でもよい。好気性反応の場合の上記ガス透過性ファ イバの機能は微生物に空気または酸素を送ることである。嫌気性反応の場合のこ のガス透過性ファイバの機能は微生物の新陳代謝によって生じる気体を除去する ことである。この気体は反応の進行を阻害したり、微生物に対して毒素を構成し 易い。以下で説明する第１図の説明は好気性発酵（例えば空気を供給する）プロ セスを行うという仮定に基すいている。

処理される基質６は中空ファイバ２の中を循環され、一方、生物学的反応を受け るプロダクトはこの中空ファイバから外へ通過できる。従って、このプロダクト は微生物の生命プロセスを維持するのに必要な空気７が供給されるガス透過性フ ァイバの近傍に来る。系に予め導入された微生物は栄養素（新陳代謝されるプロ ダクト）と空気を見付けた所に集まって、上記ファイバ３の近傍に固定されたク ラスタ（集合体）を構成している。発酵あるいは生物学的反応によって作られた プロダクトは次いでファイバ４中に入る。このファイバ４の多孔度は所望のプロ ダクトのみがそれを通過して、この濾過膜複合集合体から抜き出される流出流８ を構成するという観点から選択される。発酵生成物の残りによって構成されるス ）　ＩＪ−ム（流れ）９は系内に再循環されて微生物の固定集合体をスイープし 且つ浄化し且つ死んだ微生物や不活性になった微生物を除去する。

第２図は本発明による３種類の膜の他の配列法を示しており、この場合には生物 学的反応が嫌気性発酵であり、ガス透過性ファイバは生成した気体を除去するの に用いられている。

この集合体１０はスペーサ部材１５によって取り囲まれた第１の中空ファイバ１ ２を含み、微生物によって輸送されるプロダクトは上記ファイバの外へと通過で きる。一連の中空ファイバ１４によって構成される第３の膜は六角形の頂点に配 置されている。各ファイバ１４はガス透過性ファイバ１３によって取り囲まれて いる。このファイバ１３はこれらファイバ１４および１３の近傍に固定された微 生物の新陳代謝によって生じた気体を除去するためのものである。上記ファイバ １２の内側に到達した被処理基質の一部は上記の膜を通過して微生物の所で生物 学的反応を受ける。所望のプロダクトは中空ファイバ１４によっ回収されて流出 流１８の形で集合体から抜き出され、反応によって生じた気体は流出流２０の形 でファイバ１３を介して集合体から排出される。

前記の実施例と同様に、微生物の固定集合体　（クラスタ）は内部循環流１９に よって連続的にスイープできる。

上記いずれの構造に於いても、３つの異る型式の膜を通る濾過を確実に行わせる ために、処理される流れ６の圧力は内部循環流９の圧力よりも高くなければなら ず、また、この内部循環流９の圧力は集合体から抜き出される流出流８の圧力よ りも高くなければならない。以下で説明するように、これらの圧力は各回路内に 設けたポンプによって達成できる。

第３の膜を構成する一連のファイバを六角形形状にすることは必須でないことは 明らかである。しかし、この六角形の形状にすることによって、各六角形の各辺 を他の六角形と共通にした東を形成するように複数の複合集合体を組立てるのが 容易になるということがわかっている（第３図参照）。上記３種類の膜が本発明 による複合集合体を構成するように組合されるという条件が常に満たされるなら ば、上記以外の配置と種々の型式の組立ができるということは容易に理解できよ う。

同様に、第１図に示した構造は好気性発酵の場合、また、第２図の構造は嫌気性 発酵に応用した場合として各々考えたが、これらはガス透過性ファイバの濾過方 向を単に変えるだけ（すなわち好気性発酵の場合には遠心方向にし、嫌気性発酵 の場合には心方向にする）で、逆に使うこともできる。

本発明による複合集合体または複合集合体の東は第４図に概念的に示した型式の バイオリアクタで用いることができる。

このリアクタの説明はこのリアクタが第１図に示した好気性発酵用濾過膜の複合 集合体を収容している場合を基本としたもので、同一要素には同一の参照番号が 付けである。処理される流れ６は第１図に従って配置された複合集合体を有する リアクタ中に供給される。ポンプＰ１はリアクタ中の各ファイバ２の内部の基質 ６に十分な圧力を生じさせる。空気７はポンプＰ２によってガス透過性ファイバ ３中に供給され、過剰な空気は流出ガス流７ａの形でリアクタから排出される。

所望のプロダクトは流出流８の形でリアクタから抜き出される・処理を受けずに リアクタを通って流れる基質６の一部はポンプＰ４によって再循環され、新しい 基質の供給流と一緒にリアクタへ戻される。膜２を通過しない濾過不能な濃縮物 を除去するために上記再循環回路中にはパージ部が設けられている。

既に述べたように、流出流ス）　ＩＪ−ム９用の再循環路が設けられている。こ のストリームは所望プロダクトから分離された部分的に処理された基質によって 構成されている。この流出流ストリーム９の内部循環はポンプＰ３を有する管路 ２１によって被処理基質および生成されたプロダクト流とは接触せずに実行され 、微生物は例えば２２の所でこの内部循環路に導入することができる。この微生 物は栄養素が見付かりそうな場所で複合集合体内部で成長できる。この内部循環 路にも過剰な流れ９を除去するためのパージ部が設けられている。

上記のポンプＰ１およびＰ３並びに未処理基質６の再循環用ポンプＰ４はりアク タ内に所望の各圧力を生じさせるように調節される。

本発明による上記の濾過膜集合体と、濾過膜を備えたバイオリアクタと、生物学 的処理と濾過を同時に行う方法は種々の分野で広範囲に応用できる。この応用例 のほんの一例としては、食品工業、医薬品工業および一般的な水処理分野を挙げ ることができる。さらに、同一または異る生物学的反応を実行する複数のりアク タを順次用いることもできる。同様に、同一リアクタ内に複数の別々に独立した 反応領域を設け、各々別々の領域内の複合集合体の特徴を変えることも可能であ る。

ａ ６の排出 囚際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　τＨＥ　ｌ１ｆｒＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥ ＰＯＲＴ　ＯＮ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）生物学的反応（または発酵）と同時に反応生成物の濾過を行うための濾過 膜の規則的に配列された複合集合体であって、この集合体は、 −処理される基質が供給され且つ生物学的反応をうけるプログタトを遠心流で通 過させるための中空ファイバ２、１２または中空ファイバの束で構成される第１ の膜と、−上記第１の膜の回りに配置された一連のガス透過性ファイバ３、１３ で構成されて、上記生物学的反応のガス交換作用を行う第２の不連続な膜と、 −上記第２の膜のガス透過性ファイバの近傍に配置された一連の中空ファイバ４ 、１４で構成されて、所望の反応生成物を求心流で通過させる機能を有する第３ の不連続な膜と、を含み、 上記の各膜はこれら膜の間の各流れの流通を可能にするスペーサ部材５、１５に よって互いに分離されており、上記の各流れの圧力が適当に選択されていること を特徴とする規則的に配列された複合集合体。
2. （２）上記３つの膜が同軸であり、第３の膜４が第２の膜３を取り囲むように配 列され、第２の膜が第１の膜２を取り囲んでいることを特徴とする請求の範囲第 １項記載の規則的に配列された複合集合体。
3. （３）第２の膜が複数のファイバ集合体１３によって構成され、これらの各集合 体が第３の膜のファイバ１４の一つの回りに配置されていることを特徴とする請 求の範囲第１項記載の規則的に配列された複合集合体。
4. （４）上記のガス透過性ファイバ３が好気性発酵の場合にガスを遠心流で通過さ せることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の規則 的に配列された複合集合体。
5. （５）上記ガス透過性ファイバ１３が嫌気性発酵の場合にガスを求心流で通過さ せることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の規則 的に配列された複合集合体。
6. （６）第３の膜のファイバ４、１４が六角形の頂点および辺上に配置され、複数 の集合体が互いに組合されて規則的に配列されたファイバの束が形成されること を特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の規則的に配列 された複合集合体。
7. （７）処理される基質用の入口６と、必要に応じて設けられるガス入口７と、流 出ガス出口７ａと、所望プログタト用の流出出口８と、未処理の基質を再循環さ せるための回路とを備えた濾過膜バイオリアクタにおいて、請求の範囲第１〜６ 項いずれか一項に記載の規則的に配列された濾過膜の複合集合体の一つまたは複 数個と、上記所望プロダクトから分離された処理済み流出液用の内部再循環回路 ２１とを有するような濾過膜バイオリアクタ。
8. （８）上記内部再循環回路２１が微生物を上記リアクタ中に導入するための入口 ２２を有していることを特徴とする請求の範囲第７項記載の濾過膜バイオリアク タ。
9. （９）パージ手段を備えた２つの再循環回路を有することを特徴とする請求の範 囲第７項または８項に記載の濾過膜バイオリアクタ。
10. （１０）処理される基質が固定された微生物に供給され、発酵済みのプロダクト が濾過されて所望プロダクトが排出すべき流出液から分離されるような生物学的 処理と濾過とを同時に行う方法において、上記の処理される基質が請求の範囲第 １〜６項のいずれか一項に記載の濾過膜の複合集合体またはこの複合集合体の束 を収容したリアクタ中に供給され、上記基質は第１の膜を構成する一つまたは複 数の中空ファイバ内に送られ、微生物の集合体が上記ガス透過性ファイバの近傍 に作られ、上記所望プロダクトが第３の膜を構成するファイバによって回収され るような方法。
11. （１１）部分的に処理された基質が内部再循環されることを特徴とする請求の範 囲第１０項記載の方法。