JPS6387971A

JPS6387971A - 遠心膜式醸酵装置

Info

Publication number: JPS6387971A
Application number: JP62203952A
Authority: JP
Inventors: ルドルフ　ヴィ．ルービセック; ヴァクラヴ　フェレス
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-18
Filing date: 1987-08-17
Publication date: 1988-04-19
Also published as: US4717669A

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、実験室、パイロットプラントならびに規模の
大きい工業的な好気的および嫌気的方法に用いられる醗
酵（培養）装置に関し、主細胞の培養、第一次または第
二次代謝物質の生成、光合成および嫌気的方法と組み合
せた光合成を含む結合方法に応用できる。

［従来の技術］微生物の醗酵および増殖のための従来の装置は、一般に
、酸素、空気または二酸化炭素などの気体を醗酵液中に
導入する装置および強い攪拌を得るためのモータ駆動に
よる機械的混合装置から構成される。この攪拌により、
醗酵液中に気相の泡が大量に生じ、従って、気相と醗酵
液との間の分子移動が促進される。典型的な機械的混合
装置は、各種デザインのインペラーから成り、これによ
り、気相の醗酵液中への分配が効率的に行われ、培養植
物または動物の細胞の生理に必要な液状栄養培地に適正
な流動特性が与えられる。このような装置の物質移動容
量は、バッフルシステム、ドラフトチューブまたはエア
リフト方法を使って改　□良することにより改善するこ
とができる。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、これらの従来方法は各々、液相中に気相を分配
するため、および工業的大規模装置において必要な混合
を行うために多量の機械的エネルギーを必要とし、その
結果、技術的にも経済的にも問題が生じる。高エネルギ
ー消費に加えて、これらのシステムは、多くの醗酵装置
において醗酵液の機械的攪拌により細胞上に大きな剪断
応力を与え、細胞の成長を制限または阻害している。

従来の醗酵装置のもう一つの問題は泡立ちに関する。公
知のシステムでは、大量の気体を激しく攪拌されている
醗酵液中に導入すると、しばしば多量の泡か反応容器中
に生じる。この泡により、容器の使用容量はかなり制限
され、また、その醗酵方法が実行不能になったり、気体
の流れ出口ラインが泡で満たされると微生物で汚染され
る可能性がある。これらの問題は全て、通常の醗酵方法
の収率および費用効果に対して実質的に相反する影響を
及ぼす。

工業的生合成方法において泡の問題を解決するために多
数の化学的および機械的装置が提案されている。既存方
法のほとんどに見られるのは、生じた泡を化学的にある
いは機械的に取り除く方法である。消泡のために一般に
使用されている化学的処理は、シリコンおよび実質的に
酸素移動速度を減じる他の水不溶性添加物を必要とし、
従うて、効果的な好気的生合成方法を阻害する。醗酵方
法で時々使用される機械的消泡装置は、一般に、ほかに
もう一つの電源と消泡装置を設けるための特別設計の醗
酵装置を必要とする。機械的消泡装置は、特に大きい醗
酵容器では、常に信頼でき、あるいは実行可能であると
は限らない。要約すると、好気的方法における物質移動
のための公知方法の欠点は、混合および通気のコストが
高く、泡立ちが激しく、細胞に対する剪断応力が大きく
、通気系においてしばしば汚染を伴うということである
。これらの難点は、それぞれに醗酵方法の効率および経
済性と対立するものである。

公知技術の上記欠点のいくつかを除去あるいはかなり少
なくした装置は、本発明者のひとりであるフェレス（Ｆ
ｅｒｅｓ）氏の米国特許第４，３３９．３８５号明細書
および本出願人によって出願された関連の米国特許出願
第７２０．３３３号（１９８４年）明細書（特開昭６１
−１８７９２５号公報）に記載されている。その関連出
願に開示されている装置は、回転している切頭円錐面に
沿って上方に流れる液体の薄膜を発生させることにより
物質移動の改善を達成しており、流動液体の大部分は実
質的に静止している気相にさらされている。この装置は
、液体に対する溶解度が低い気体の分子移動、例えば通
常の好気的醗酵方法の代表である水相中への酸素の運搬
、の効率化を促進するのに有用である。あるいは、この
システムの原理は、逆方向の移動、たとえば、ストリッ
ピング、消泡および脱臭で起こるような液相を通る気体
に対しても使用することができる。

この装置の重要な特徴は、本発明と同様に、薄膜方法に
より、公知の醗酵方法の重大な問題点である泡の生成が
防げるということである。泡調節の伝統的な公知方法は
、既にある泡を調節するものであり、泡の生成を防ぐも
のではない。

エネルギーおよび方法上の有効性の点から、効率的かつ
経済的に醗酵を行うための装置の製造が望ましい。

また、実質的に微生物汚染がなく、方法そのものにより
泡の生成が防げる醗酵装置の製造か望ましい。さらに、
細胞および微生物か高剪断応力な受ない醗酵装置の製造
が望ましい。

公知技術のこれら及び他の好ましくない問題点は本発明
により克服され、醗酵を行うための改良された装置が提
供される。

［問題点を解決するための手段］前述および他の目的を達成するために、本発明の装置は
、本発明の目的に従って本明細書に具体的に概説してい
るように、典型的な無菌醗酵容器を含み、該容器の上部
には駆動装置かフランジ接。

続され、中央分配器と結合した中心軸と接続している。

中央分配器はその下端が開いており、該分　・配器に固
着されてそれと共に回転する複数の円錐面を有するか、
あるいは、分配器から少し離れて一定間隔で置かれ、互
いにかつ駆動装置と結合した円錐面を有する。中央分配
器の下には、その下端に位置して円柱状の熱交換器が設
けられ、軸方向に駆動装置で作動するプロペラが取り付
けられている。中央分配器が回転してその下端が液相に
浸ると、液体が中央分配器の内面に沿って引き上げられ
て一連の穴から噴出し、回転している円錐面上に分配さ
れる。それと同時に、円錐面に沿って該液体を移動させ
ているのと同じ遠心力によって、円錐面上の薄膜液体の
上に気体の流れが作られる。円錐体が中央分配器に結合
している場合は、この気体の流れは液体の進入を防ぐよ
うに配列された中央分配器のノズルを通り、薄膜状流動
液体上に強制的に気相の流れを作る。円錐体が中央分配
器から間隔を置いて離れている場合は、気体は円錐体と
中央分配器との間を流れる。

中央分配器の入口への液相の流動は、熱交換器の円柱状
ガイドチューブ内の液体面を、軸流プロペラポンプの作
動によって上げることにより可能になる。中央分配器へ
の流動調節は、熱交換器チューブ内の液体の高さを変え
るか、中央分配器の垂直位置を調整することにより行う
ことができる。所望ならば、気相を、気体散布システム
を通して醗酵装置の底で供給し、醗酵装置の回転体に分
配する。

［実施例コ本発明の遠心膜式醗酵装置は、その一実施態様の断面図
を第１図に示すが、容器１、容器底２および容器のふた
３を含む。容器の底２およびふた３は両方とも容器ｌに
フランジ接続され、０−リング６によって密閉されてい
る。容器のふた３には、サイトガラス５Σよび気体出口
４が付いている。更に、中央分配器駆動装置３８は、容
器のふた３および機械的に二重密閉されている駆動軸３
４に結合しており、容器のふた３を通って容器１の内側
に延びている。駆動軸３４のハブ３９は中央分配器３１
に接続しており、中央分配器３１は、該分配器で支持さ
れ、中央分配器リング３７を中心とし、　該リングによ
って互いに間隔を置いて離れている積み重ね構造の円錐
面３０を包含する。各々中央分配器リング３７は、複数
の液体入口用の穴３３および気体入口用のノズル３２を
包含する。中央分配器の底には、液体を中央分配器３１
に取入れるための口３６をもつリングがある。

円柱状の熱交換器２０は、軸が中央分配器３１と同一直
線上にあるがそれと接続しておらず、容器底２１に固着
されている。熱交換器２０は二重壁の円柱状であり、そ
の間を加熱または冷却媒体が、熱交換器媒体人口２５お
よび熱交換器媒体出口２６を通って循環している。熱交
換器２０の頂上付近には円柱状調節器２１が取り付けら
れており、その内径は熱交換器２０の外径よりもわずか
に大きい。円柱状流動調節器２１は、流動調節器調整装
置２２により熱交換器２０に沿って上下し、熱交換器の
中の液体の高さを調節している。

変速駆動装置２４は容器底２１に取り付けられ、軸２８
を通ってプロペラ２３と接続している。

気体散布システム２７は、容器底２の上部表面付近に取
り付けることができる。所望ならば、プロペラ２３ａを
中央分配器３１の駆動軸３４に接続させると、分配器駆
動装置３８のみでよい。この場合のプロペラ２３ａの位
置は破線で示しである。

操作は、温度調節され、接種された無菌栄養培地である
液相を、そこで加熱あるいは冷却される円柱状熱交換器
２０を通して、軸流プロペラ２３の作用により上方へ送
りこむ。円柱状流動調節器２１と一番下の円錐面３０の
下面との間の空間に従って、液相の一部が中央分配器口
３６を通って中央分配器３１に入り、その残りは容器１
の底に戻って熱交換器２０の間を再循環する。

駆動装置３８の作用によって回転している中央分配器３
１に入る液相部分は、遠心力により、中央分配器リング
３７の内面に沿って上昇する。これらの中央分配器リン
グ３７は、円錐面３０同志間の空間を適性に保ってそれ
らを正しい位置に固定しており、リングの内円周に沿っ
てとびとびに　　。

気体入口用ノズル３２および液体入口用穴３３を有する
。穴３３の直径は、中央分配器３１の最下部で最も小さ
く、中央分配器３１の上方へ行くにつれて徐々に大きく
なり、従って、回転している円錐面３０への液体流動が
均一化されている。それから、液相は円錐面３０に沿っ
て進み、容器ｌの壁に当って円錐面から飛出すと戻って
再循環する。気体入口用ノズル３２は、気体相を円錐面
３０に送り込み、かなり低速の液相の薄膜流動に対して
高速度で気相を推進する役目をし、これにより物質移動
か高まる。ノズル３２用の入口は、液相の進入を防止す
るために、中央分配器リング３７の内円周から一定の間
隔を置いて離れている。円錐面３０の表面に沿った液相
および気相の各々の流れによって生ずる速度勾配により
、液相中への気相の分子移動はかなり高められる。この
分子移動は、従来の攪拌醗酵装置よりもかなり優れてお
り、液相は円錐体に沿って移動するが気相は実質的に静
止している回転円錐面に関する本発明者らの先の発明に
対してさえも優れている。円錐面の形状は、本発明者ら
の先の発明と同様に、平面、波形、バッフル形またはス
クープ形にして液体流動の特性を変化させてもよい。

第１図中、液相の流れは破線で示し、気相の流れは一点
鎖線で示しである。これらの線により、液相部分かどの
ようにして円柱状流動調節器２１を通って中央分配器リ
ングを進み、液体入口用穴３３を通って円錐面３０を進
み、円柱状被覆熱交換器２０の入口に戻るかがわかる。

液相の他の部分は、流動調節器２１の上部から出て円柱
状被覆熱交換器２０の入口に戻る。また、気相がどのよ
うにして中央分配器３１内に入り、気体入口用ノズル３
２を通って円錐面３０上の液体流動表面を進み、それか
ら中央分配器３１に戻るかもわかる。

プロペラ２３の下の気体散布システム２７の設備は気相
の追加流動のためのものであり、液体と気体との間の物
質移動を更に高め、移動作用に基づく生物学的および化
学的方法などの異なった多くの方法において該醗酵装置
の使用を可能にする。更に、容器ｌの上部に証明を加え
ると光合成方法を行うことができる。そのような照明が
あると、本発明は純粋メタンガスの製造に使用できる。

この場合、容器の底で嫌気的方法を用いて二酸化炭素を
発生させ、それを光合成用炭素源として利用する。

更にまた、嫌気的方法は、酸素を含まない不活性気体相
を使用して、本発明により行ってもよい。

次に第２図について述べる。これは、第１図で示した装
置の上部が他の構造で代わったものを示し、中央分配器
５０と円錐面６０との間が直接接触していない点で区別
される。その代りに、該円錐面６０は、ボルト６１およ
びナツト６２によってサポートビーム６３に固定されて
いる。個々の円錐面６０は、一定の間隔を置いてワッシ
ャー６４により固定されている。サポートビーム６３は
、軸６４を通って回転装置７０に結合している。

中央分配器５０は軸５１を通って回転装置７１に結合し
ている。この構造により、中央分配器５０は、円錐面６
０と異なって速度で回転できる。この特徴が不要ならば
、単一の回転装置を使用してもよい。

中央分配器５０は、その側面の至る所に多数の六８０を
有し、中央分配器５０の内面を上昇しだ液相は、エアギ
ャップ８１を横切って隣接の円錐面６０に流出できるよ
うになっている。エアギャップ８１は、気体が円錐面６
０の頂上および底の両方から流れるのを可能にする。

なお、中央分配器５０の側壁３１は垂直である必要はな
く、その形をパラボラ型などに変えて所望の液体流動特
性を達成してもよい。更に、他の実施態様においては、
中央分配器３１または５０を液相内で垂直に調整して、
中央分配器３１または５０を通る液体の流動速度を変化
させることができる。

以上の記載（よ、説明のために本発明の好ましい態様に
ついて示したものであり、本発明は、ここに開示した形
態が全てではなく、またこれに限定　。

されるものではない。明らかに、上記の教えに鑑みて多
くの改良が可能である。ここに記載した態様は、本発明
の原理およびその実際の応用を最もよく説明するために
選択したものであり、それによって当業者か種々の態様
であるいは意図した特別の用途に適する種々の改良を伴
って本発明を最もよく利用できるようにしたものである
。

［発明の効果］本発明によれば、泡の生成が防止でき、また、細胞及び
微生物が高剪断応力を受けない醗酵装置を提供すること
かできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好ましい実施態様の断面図てあり、
第２図は、中央分配器および円錐面の別の構造の断面図
である。１・・・容器、２・・・容器底、３・・・容器蓋、４・
・・気体出口、５・・・サイトガラス、６・・・０−リ
ング、２０・・・熱交換器、２１・・・円柱状流動調節
器、２２・・・流動調節器調整装置、２３・・・プロペ
ラ、２４・・・変速駆動装置、２７・・・気体散布シス
テム、２８・・・軸、３０−・・円錐面、３１・・・中
央分配器、３６・・・中央分配器口、５０・・・中央分
配器、６０・・・円錐面、６３・・・サポートビーム、
７０・・・回転装置、７１・・・回転装置。丸ＦＩＧ、　２

Claims

【特許請求の範囲】

（１）密閉した無菌醗酵容器；該容器内の軸方向に位置
し、そこを通る液体および気体の流れを促進するための
複数の穴を含む回転式分配手段；該分配手段に固着され
、液体および気体の流れを受け入れるために該穴に隣接
して置かれた２以上の切頭円錐面；中心軸手段を通して
該分配手段と接続している回転手段；該分配手段の下に
位置し、熱交換媒体の入口および出口手段を含む円柱状
熱交換手段；高さ調整手段によって該熱交換手段の外面
とスライド的にかみ合った円柱状流量調節手段；該円柱
状熱交換手段内に位置し、軸を通して回転手段と接続し
ている１以上のプロペラ手段；および該熱交換手段内に
位置し、出口が該容器内にあり、入口が該容器からその
外面に広がっている気体散布手段を含有する遠心膜式醗
酵装置。
（２）特許請求の範囲第１項記載の遠心膜式醗酵装置に
おいて、該分配手段の垂直面に液体通路用の穴および気
体通路用のノズルを含むことを特徴とする装置。
（３）特許請求の範囲第１項記載の遠心膜式醗酵装置に
おいて、該容器の上部に、光合成方法を行うための証明
手段を備えることを特徴とする装置。
（４）密閉した無菌醗酵容器；該容器内の軸方向に位置
し、そこを通る液体および気体の流れを促進するための
複数の穴を含む分配手段；中心軸手段に接続し、該分配
手段とは一定の間隔を置いて離れているが、液体および
気体の流れを受入れるために該穴に隣接して置かれた２
以上の切頭円錐面；中心軸手段を通して該中央分配手段
と接続している回転手段；該分配手段の下に位置し、熱
交換媒体の入口および出口手段を含む円柱状熱交換手段
；高さ調整手段によって該熱交換手段の外面とスライド
的にかみ合った円柱状流量調節手段；該熱交換手段内に
位置し、軸手段を通して回転手段と接続している１以上
のプロペラ手段；および該熱交換手段内に位置し、出口
が該容器内にあり、入口が該容器の表面中に広がってい
る気体散布手段を含有する遠心膜式醗酵装置。
（５）特許請求の範囲第４項記載の遠心膜式醗酵装置に
おいて、該回転手段が分配手段用の単独モータ、切頭円
錐面用の単独モータおよびプロペラ手段用の単独モータ
を含むことを特徴とする装置。
（６）特許請求の範囲第４項記載の遠心膜式醗酵装置に
おいて、該分配手段および該中心軸手段が垂直方向に調
整されることを特徴とする装置。
（７）特許請求の範囲第１項または第４項記載の遠心膜
式醗酵装置において、該プロペラ手段が中心軸手段に固
着されていることを特徴とする装置。