WO2017029823A1 - 生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法 - Google Patents

生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法 Download PDF

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WO2017029823A1
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biological
microorganisms
culture
culture tank
filtrate
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PCT/JP2016/056775
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和矩 熊田
信秀 国友
小林　祐一
正守 樋口
伸宏 田中
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三菱化学エンジニアリング株式会社
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/04—Apparatus for enzymology or microbiology with gas introduction means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/12—Apparatus for enzymology or microbiology with sterilisation, filtration or dialysis means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor

Definitions

  • the present invention relates to a bioreactor for producing reaction products (fermentation / brewing) by microorganisms or cells (hereinafter referred to as “microorganisms”), or for growing or concentrating (culturing) microorganisms, etc., and this bioreactor
  • the biological reaction liquid extracted from the culture tank and supplied to the filter is divided into micro-nano bubbles (hereinafter, “micro-nano bubbles” is “MNB”, “micro-bubbles” is “MB”, “nano-bubbles”).
  • MNB micro-nano bubbles
  • MB micro-bubbles
  • NB biological culture solution
  • biological reactions are slow, but they do not use a lot of energy or chemicals, so they are mild and meaningful for the environment.
  • the biological reaction generally has a problem that the reaction is mild and slow. That is, in most cases, a chemical reaction requires a reaction time of less than one hour, whereas in the case of a biological reaction, a reaction time of several days to several days or particularly several weeks or longer is required. In some cases. For this reason, it is required to perform biological reactions efficiently and economically.
  • (1) batch method (Batch method) and fed-batch method (Fed-Batch method) and (2) continuous method are used as methods for performing biological reactions (fermentation, brewing, culture) with microorganisms.
  • a continuous method as disclosed in Patent Document 1 that can stably maintain a high yield and high productivity over a long period of time is employed.
  • Patent Document 1 in a continuous fermentation method, a fermentation culture liquid in the apparatus is circulated between a fermentation reaction tank 101 and a membrane separation tank 112 by a fermentation culture liquid circulation pump 111, thereby separating membranes.
  • the microorganisms and cultured cells are filtered through the separation membrane by the element 102, the product is recovered from the filtrate, and at the same time, the filtered microorganisms and cultured cells are refluxed to the fermentation broth to increase the concentration of the microorganisms and cultured cells in the fermentation broth. It is described that a high material productivity is obtained by maintaining.
  • Patent Document 2 in order to improve the biological reaction in culturing microorganisms and the like, the activation of microorganisms and the like is promoted by adding MNB or NB formed from air to the culture solution. It is disclosed that the reaction efficiency of the reaction, the reaction time, and the like are reduced.
  • the culture solution is extracted from the culture tank 207 and filtered through the bacterial cell filter 210 to obtain a filtrate.
  • the filtrate is added to the MNB generation tank 215 by the MNB generator 216.
  • a method for generating and mixing air MNB and returning it to the culture tank 207 is described.
  • the biological culture solution is filtered as compared with the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank.
  • the amount of filtrate obtained in this way is considerably small (the amount of filtrate is usually about 1/10 to 1/100 of the amount of biological culture liquid extracted from the culture tank). It is difficult to keep the amount of MNB contained in the biological culture solution in the culture tank high. Further, in order to increase the amount of the filtrate, increasing the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank or increasing the filtration pressure will increase the stress and damage received by the microorganisms.
  • Patent Document 3 describes that in order to prevent clogging of the membrane module in the water purification system, It is disclosed that ultrafine bubbles are generated and water containing the ultrafine bubbles is supplied to the membrane module.
  • the raw water supplied from the raw water supply line 304 and / or the concentrated circulating water supplied from the membrane module 311 supplied from the concentrated circulating water line 317 are pressurized by the water supply pump 306.
  • a water purification method is described in which ultrafine bubbles are generated in water, and water containing the ultrafine bubbles is supplied to the membrane module 311 to perform membrane filtration.
  • the “ultrafine bubbles” used in Patent Document 3 are those having a bubble diameter of about 2 to 50 ⁇ m, which corresponds to MB and does not include NB, which is an ultrafine bubble having a diameter of 100 nm or less. is there.
  • the problem of the biological reaction device of the present invention and the biological reaction method using this biological reaction device is to maintain a high amount of MNB contained in the biological culture solution in the culture tank, to suppress clogging of the filtration membrane,
  • the object is to reduce stress and damage received by microorganisms and the like, thereby efficiently and economically separating biological reactions and microorganisms using microorganisms.
  • the biological culture solution extracted from the culture tank and supplied to the filter contains micro-nano bubbles.
  • a micro-nano bubble generating device is provided.
  • MNB formed from air with an increased oxygen concentration
  • MNB a volume as a pump for transporting a liquid containing microorganisms, etc.
  • the above problem can be further solved by using a pH pump and adding a pH adjuster to the filtrate refluxed to the culture tank.
  • the amount of MNB contained in the biological culture solution in the culture tank can be kept high, clogging of the filtration membrane can be suppressed, and further, stress and damage to the microorganisms can be reduced.
  • the biological reaction and microorganisms used can be separated efficiently and economically.
  • FIG. 1 of patent document 1 (patent 5092487 gazette) which is a prior art example. It is FIG. 1 of patent document 2 (patent 4146476 gazette) which is a prior art example. It is FIG. 1 of patent document 3 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-83764) which is a prior art example.
  • the biological reaction apparatus of the present invention can be used for any of biological reactions (fermentation / brewing) for the purpose of producing reaction products by microorganisms, and biological reactions for the purpose of growth or concentration (culture) of microorganisms. it can.
  • the biological reaction apparatus of the present invention can be used for any of batch method (Batch method), fed-batch method (Fed-Batch method), and continuous method. It can be suitably used in a continuous process that can maintain the properties.
  • reaction products are continuously collected together with the filtrate, and in biological reactions aimed at the growth or concentration of microorganisms, microorganisms etc. Proliferate and concentrate to collect microorganisms.
  • the biological reaction of the present invention includes not only production of reaction products by microorganisms such as production of food, medicine, chemicals, etc. by brewing, fermentation, etc., production of bioethanol using biomass, but also growth or concentration of microorganisms, etc. It is also useful to apply to.
  • the biological culture liquid extracted from the culture tank is separated into a filtrate and a concentrated liquid such as microorganisms by a filter.
  • Cross flow filtration using a hollow fiber membrane module can be suitably used.
  • micro-nano bubble of the present invention means “micro bubble” and / or “nano bubble”. While “normal bubbles” rapidly rise in water and burst and disappear on the surface, microbubbles with a diameter of 50 ⁇ m or less called “microbubbles” shrink in water and disappear. Together with free radicals, “nanobubbles”, which are ultrafine bubbles having a diameter of 100 nm or less, are generated, and these “nanobubbles” remain in water for a certain amount of time.
  • bubbles having a number average diameter of 100 ⁇ m or less are referred to as “micro bubbles”, and bubbles having a number average diameter of 1 ⁇ m or less are referred to as “nano bubbles”.
  • image analysis method, laser diffraction scattering method, electrical detection band method, resonance mass measurement method, optical fiber probe method, etc. are generally used, and the method of measuring the bubble size of nanobubbles
  • a dynamic light scattering method, a Brownian motion tracking method, an electrical detection band method, a resonance mass measurement method, and the like are generally used.
  • Nano bubbles which are very small bubbles, are also called “ultra fine bubbles”.
  • ISO International Organization for Standardization
  • the creation of an international standard for fine bubble technology is being considered, and once the international standard is created, the name of “nanobubble”, which is currently commonly used, There is a possibility that it will be unified into “Ultra Fine Bubble”.
  • micro / nano bubble generating device As the micro / nano bubble generating device, a known or commercially available device can be used. For example, after a sufficient amount of gas is dissolved in water at a certain high pressure, the dissolved gas is released by releasing the pressure. “Pressure-dissolving microbubble generator” that creates supersaturation conditions, utilizing the phenomenon that bubbles are broken apart when large bubbles are entrained in the vortex by causing a water flow and large vortices are engulfed in the vortex The “gas-liquid two-phase flow swirl type microbubble generator” or the like can be used.
  • nanobubble generators include, for example, JP 2007-31690 A, JP 2006-289183 A, JP 2005-245817 A, JP 2007-136255 A, and JP 2009-39600 A. Those described can be used.
  • micro-nano bubble generator that uses water flow (nozzle method)
  • nozzle method a large amount of MNB can be generated economically, stress and damage to microorganisms can be reduced, and clogging can be suppressed. preferable.
  • the biological reaction of the present invention is one in which a reaction product is produced by a microorganism or the like in a biological culture solution containing the microorganism or the like contained in a culture tank, or the microorganism or the like is grown or concentrated.
  • a nutrient source in the biological culture solution one containing a saccharide and a nitrogen source is used.
  • the saccharide saccharides such as maltose, sucrose, glucose, fructose, and a mixture thereof are usually used.
  • the concentration of saccharide in the biological culture solution is not particularly limited, but is set to 0.1 to 10 w / v%. Is preferred.
  • the nitrogen source ammonium chloride, ammonium sulfate, corn steep liquor, yeast extract, meat extract, peptone or the like is used, and it is preferably set to 0.1 to 10 w / v%. Furthermore, it is preferable to add vitamins, inorganic salts, and the like to the biological culture solution as needed in addition to the saccharide and nitrogen source.
  • microorganism in the present invention examples include aerobic and facultative anaerobic microorganisms such as Aspergillus oryzae, Bacillus natto, acetic acid bacteria, yeast, lactic acid bacteria and the like conventionally used in technical fields such as brewing and fermentation.
  • aerobic and facultative anaerobic microorganisms created by gene recombination technology can be used.
  • the cells include animal cells for producing physiologically active peptides or proteins used as antibody drugs, particularly genetically modified animal cells.
  • the concentration of microorganisms or cells added to the biological culture solution is not particularly limited, it is preferably 0.5 to 10.0 g / L, more preferably 3.0 to 6.0 g / L.
  • the first feature of the present invention is that the biological culture solution extracted from the culture tank and supplied to the filter is provided with an MNB generator that contains MNB.
  • the biological culture solution extracted from the culture tank containing the biological culture solution containing the culture medium or reaction raw material, microorganisms, etc., and supplied to the filter shall contain MNB, (2)
  • the biological culture solution containing this MNB is separated into a filtrate and a concentrate such as a microorganism by a filter, (3)
  • the filtrate and refluxing the concentrated liquid such as microorganisms to the culture tank Surprisingly, the amount of MNB contained in the biological culture solution in the culture tank can be maintained high, clogging of the filtration membrane can be suppressed, and further, stress and damage to the microorganisms can be reduced. It has been found that a biological reaction using can be efficiently and economically performed, and the present invention has been achieved.
  • a biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is used. Is circulated outside the culture tank and filtered, and the filter membrane is likely to be clogged. Oxygen is not sufficiently supplied to the microorganisms in the circulation route.
  • the biological culture solution supplied to the filter is assumed to contain MNB, the biological culture solution containing this MNB is supplied to the filter, separated into a filtrate and a concentrated liquid such as microorganisms, and the filtrate is recovered. At the same time, such a problem can be solved by returning the concentrated liquid of microorganisms or the like to the culture tank.
  • the MNB by filtering the biological culture solution containing MNB with a filter, the MNB is interposed between the filter membrane and the substance (microorganism, turbid substance, etc.) contained in the biological culture solution. It is considered that clogging of the filtration membrane can be suppressed because it acts to prevent the substance from adhering to the filtration membrane.
  • the filtration flow rate is usually set against the membrane cross-sectional area.
  • the hollow fiber membrane is clogged even if the filtration flow rate is 0.5 m / s or less. Therefore, it is possible to reduce stress and damage to microorganisms and the like in the filtration process.
  • the size of the filtration device can be reduced, and the amount of biological culture solution supplied to the filtration device can be reduced, thereby reducing the equipment and operating costs of the biological reaction device.
  • the biological culture liquid extracted from the culture tank containing the biological culture liquid and supplied to the filter contains MNB, whereby the biological culture liquid circulated through the circulation path Since oxygen can be sufficiently supplied to microorganisms and the like, stress and damage to microorganisms can be reduced.
  • Such a method of containing MNB is not limited to cross flow filtration of biological culture solution, but also when applied to general cross flow filtration used for purification of water, concentration of food, purification of abrasive particles, etc. The same excellent effect is exhibited. That is, even in general cross flow filtration, by adding MNB to the liquid to be filtered, it is possible to perform filtration while suppressing clogging of the hollow fiber membrane due to the solid substance contained in the liquid. Equipment costs and operating costs can be reduced.
  • the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank is smaller than this. Since the amount of the filtrate obtained by filtering the biological culture solution is considerably small (the amount of the filtrate is usually about 1/10 to 1/100 of the amount of the biological culture solution extracted from the culture vessel), There is a problem that it is difficult to maintain a high amount of MNB contained in the biological culture solution, and in order to solve this problem, if the amount of the biological culture solution extracted from the culture tank is increased or the filtration pressure is increased.
  • the biological culture solution extracted from the culture tank and supplied to the filter contains micro-nano bubbles. To provide the Lee black nano bubble generator, it is possible to solve such a problem.
  • the biological culture liquid extracted from the culture tank contains MNB, and the biological culture liquid containing this MNB is supplied to the filter without causing extra stress or damage to microorganisms.
  • the MNB can be sufficiently contained in the biological culture medium circulated through the circulation path, and the amount of MNB contained in the biological culture liquid in the culture tank can be maintained high.
  • an MNB generator is provided in the path for extracting the biological culture liquid from the culture tank and supplying it to the filter. It is preferable to use means for containing MNB in the culture medium (hereinafter referred to as “first means”).
  • first means means for containing MNB in the culture medium
  • MNB can be sufficiently contained in the biological culture solution supplied to the filter and circulated through the circulation path. Therefore, as described above, suppression of clogging of the filtration membrane, microorganisms, etc. It is possible to sufficiently exert effects such as reduction of stress and damage received by the.
  • an MNB generator is provided in the path for supplying the culture medium or reaction raw material to the culture tank, and means for causing the biological culture medium to contain MNB (hereinafter referred to as “second means”), culture tank.
  • the MNB generator is installed in the biological culture medium (hereinafter referred to as “third means”), and the MNB generator is provided in the conduit for returning the concentrated liquid such as microorganisms from the filter to the culture tank.
  • fourth means By using one or a plurality of means for adding MNB to the concentrated liquid such as microorganisms refluxed to the culture tank (hereinafter referred to as “fourth means”), it is possible to prevent clogging of the filtration membrane, microorganisms, etc. The effect of reducing the received stress and damage can be demonstrated.
  • the first means and one or more means of the second means to the fourth means can be used in combination.
  • the first means when the first means is used alone, it takes time to set the MNB content of the biological culture solution in the culture tank to an appropriate value, and this time needs to be shortened. It is effective to use one or more of the second to fourth means together.
  • the second means is preferable as a means used in combination with the first means because the microorganisms and the like are not subjected to stress or damage due to the blowing of MNB.
  • the second feature of the present invention is that MNB with an increased oxygen concentration is used as the MNB contained in the biological culture solution.
  • MNB with an increased oxygen concentration is used as the MNB contained in the biological culture solution.
  • known oxygen-enriching means such as PSA method using adsorbent, VSA method, water electrolysis method, cryogenic separation method, membrane separation method, chemical adsorption method, etc.
  • PSA method using adsorbent VSA method
  • water electrolysis method cryogenic separation method
  • membrane separation method membrane separation method
  • chemical adsorption method etc.
  • PSA method, VSA method, and chemical adsorption method it is preferable to obtain air with an increased oxygen concentration by mixing oxygen produced by these methods and air with a line mixer or the like.
  • the oxygen concentration of the oxygen-enriched MNB is preferably 25 to 40%, more preferably 35 to 40%.
  • the oxygen concentration is 25% or more, the respiratory action of microorganisms and the like can be promoted, and the activity of microorganisms and the like can be increased.
  • the oxygen concentration is 40% or less, microorganisms and the like are not easily damaged by oxidation.
  • a third feature of the present invention is that a diaphragm pump, a tube pump, a screw pump, a rotary pump, etc. are used as a pump for transporting a biological culture solution containing microorganisms such as a pump for extracting the biological culture solution from the culture tank.
  • the positive displacement pump is used.
  • the fourth feature of the present invention is that a means for adding a pH adjusting agent is provided in a conduit for refluxing the filtrate to the culture tank.
  • Microorganisms and the like produce by-products such as organic acids in the biological reaction in the culture tank. If this changes the pH of the biological culture solution in the culture tank, this is within the range suitable for the microorganism or the like. It needs to be adjusted.
  • a pH adjusting agent such as acid or alkali is directly added to a biological culture solution in a culture tank.
  • this means locally increases the concentration of acid / alkali, and prevents microorganisms, etc. It will cause stress and damage.
  • the pH adjuster such as acid or alkali is added to the filtrate refluxed to the culture tank, compared to the case where the pH adjuster is added directly to the biological culture liquid, The pH of the biological culture solution in the culture tank can be adjusted without causing stress or damage due to the concentration difference.
  • FIG. 1 First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the biological reaction apparatus of 1st Embodiment uses a 1st means as a means to make the biological culture liquid extracted from a culture tank and supplied to a filter contain MNB.
  • the biological reaction apparatus is used for both biological reactions (fermentation and brewing) aimed at producing reaction products by microorganisms, and biological reactions aimed at growing or concentrating (culturing) microorganisms. be able to.
  • biological reactions Fermentation and brewing
  • biological reactions aimed at growing or concentrating (culturing) microorganisms. be able to.
  • the reaction product is continuously collected together with the filtrate, and when the microorganism is intended to grow or concentrate, after the microorganism is grown, Microorganisms and the like are collected by concentrating the biological culture solution in the culture tank.
  • the supply of the culture medium or reaction raw material 1 to the culture tank 2 is stopped, and the microorganisms and the like are concentrated and recovered by the following steps.
  • the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after reaction from the culture tank 2 and supply it to the MNB generator 6a to contain the MNB of air A.
  • the biological culture liquid containing MNB of this air A is supplied to the filter 4 and separated into the filtrate B and the concentrated liquid C such as microorganisms.
  • the filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5, and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • the biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is circulated out of the culture tank 2 through the MNB generator 6a and the filter 4. Since MNB is contained in the biological culture solution 3 extracted from the tank 2, clogging of the filtration membrane can be suppressed, oxygen can be sufficiently supplied to the microorganisms in the circulation route, and the stress that the microorganisms are subjected to. Damage can be reduced.
  • the MNB generator 6a is provided in a pipe line connecting the pump 8 and the filter 4. However, the MNB generator 6a is provided in a pipe line connecting the culture tank 2 and the pump 8. This aspect is also included in the first embodiment. The same applies to the following second to ninth embodiments.
  • the filter 4 includes a filtration membrane and a container that accommodates the filtration membrane.
  • the filtration membrane may be an organic membrane or an inorganic membrane.
  • the shape of the filtration membrane may be any shape such as a flat membrane, a hollow fiber membrane, and a spiral type. Among these, a hollow fiber membrane module is preferable. Any of the pressure type shapes can be employed.
  • a culture solution containing reaction products, microorganisms, and the like is filtered while being supplied to the inside of the hollow fiber membrane, and the filtrate is taken out from the outside. Microorganisms deposited inside the hollow fiber membrane And so on, so that a stable filtration state can be maintained over a long period of time.
  • steady operation is performed at a circulation flow rate of about 1 to 2 m / s when using an organic membrane and about 1 to 3 m / s when using a ceramic membrane.
  • MNB in the biological culture solution, the membrane contamination is reduced and the filtration resistance can be kept small, so the circulation necessary to obtain the same flux (the amount of membrane filtration water per unit time and unit membrane area)
  • the flow rate can be reduced to about 0.2 to 1.5 m / s.
  • the flux can be increased by about 1.2 to 2.0 times.
  • an organic polymer compound can be suitably used from the viewpoints of separation performance, water permeability, and dirt resistance.
  • examples include polyethylene resins, polypropylene resins, polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polyether sulfone resins, polyacrylonitrile resins, cellulose resins, and cellulose triacetate resins. A mixture of these resins as the main component may be used.
  • Polyvinyl chloride resins, polyvinylidene fluoride resins, polysulfone resins, polyethersulfone resins, and polyacrylonitrile resins which are easy to form in solution and have excellent physical durability and chemical resistance, are preferred.
  • a vinylidene chloride resin or a resin containing the vinylidene fluoride resin as a main component is more preferably used because it has characteristics of combining chemical strength (particularly chemical resistance) and physical strength.
  • the polyvinylidene fluoride-based resin a homopolymer of vinylidene fluoride is preferably used.
  • the polyvinylidene fluoride resin may be a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride.
  • vinyl monomers copolymerizable with vinylidene fluoride include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and ethylene trichloride fluoride.
  • the average pore diameter of the filtration membrane can be appropriately determined according to the purpose and situation of use, but it is preferably smaller to some extent, and is usually preferably 0.01 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less. If the average pore diameter of the hollow fiber membrane is less than 0.01 ⁇ m, components such as microorganisms, such as sugars and proteins, and membrane dirt components such as aggregates thereof block the pores, and stable operation cannot be performed. In consideration of the balance with water permeability, it is preferably 0.02 ⁇ m or more, and more preferably 0.03 ⁇ m or more.
  • the average pore diameter approaches the size of a microorganism or the like, these may directly block the pores. Furthermore, a part of microorganisms or the like may be killed to produce a crushed material. In order to avoid pore clogging by these crushed materials, the average pore diameter is preferably 0.4 ⁇ m or less, and 0.2 ⁇ m. The following are preferred.
  • the average pore diameter of the filtration membrane can be obtained by measuring and averaging the diameters of a plurality of pores observed by scanning electron microscope observation at a magnification of 10,000 times or more.
  • 10 or more, preferably 20 or more pores are randomly selected, the diameters of these pores are measured, and the number average is obtained.
  • an image processing device or the like it is also preferable to use an image processing device or the like to obtain a circle having an area equal to the area of the pores, that is, an equivalent circle, and obtain the equivalent circle diameter as the pore diameter. it can.
  • the bioreactor of the second embodiment is a bioreactor of the first embodiment provided with a conduit having a valve for refluxing the filtrate to the culture tank.
  • the bioreactor of the second embodiment is a bioreactor of the first embodiment provided with a conduit having a valve for refluxing the filtrate to the culture tank.
  • the biological reaction apparatus of the second embodiment is used for both biological reactions (fermentation and brewing) aimed at producing reaction products by microorganisms, and biological reactions aimed at growing or concentrating (culturing) microorganisms. be able to.
  • biological reactions Fermentation and brewing
  • biological reactions aimed at growing or concentrating (culturing) microorganisms. be able to.
  • the reaction product is continuously collected together with the filtrate, and when the microorganism is intended to grow or concentrate, after the microorganism is grown, Microorganisms and the like are collected by concentrating the biological culture solution in the culture tank.
  • a biological reaction for the purpose of generating a reaction product by a microorganism or the like is performed.
  • the valve 10 is closed and the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed by the following process.
  • the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after the reaction from the culture tank 2 and supply the MNB generator 6a to contain the MNB of the air A. .
  • the opening and closing of the valve 10 and the valve 11 are adjusted to adjust the amount of the filtrate B that is refluxed to the culture tank 2.
  • operations such as newly supplying the culture medium or reaction raw material 1, microorganisms and the like to the culture tank 2 can be appropriately performed.
  • the supply of the culture medium or reaction raw material 1 to the culture tank 2 is stopped, the valve 10 is closed, and the filtrate B is returned to the culture tank 2. Stop and concentrate / recover microorganisms by the following process. a) While growing microorganisms and the like, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after reaction from the culture tank 2 and supply it to the MNB generator 6a to contain the MNB of air A. b) The biological culture liquid containing MNB of this air A is supplied to the filter 4 and separated into the filtrate B and the concentrated liquid C such as microorganisms. c) The filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5, and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • the biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is circulated out of the culture tank 2 through the MNB generator 6a and the filter 4. Since MNB is contained in the biological culture solution 3 extracted from the tank 2, clogging of the filtration membrane can be suppressed, oxygen can be sufficiently supplied to the microorganisms in the circulation route, and the stress that the microorganisms are subjected to. Damage can be reduced.
  • the biological reaction apparatus is a combination of the first means and the second means as means for containing the biological culture liquid extracted from the culture tank and supplied to the filter as MNB. is there.
  • the third embodiment is also intended for biological reaction (fermentation / brewing) for the purpose of producing reaction products by microorganisms, and for the growth or concentration (culture) of microorganisms. It can be used for any biological reaction.
  • a biological reaction for the purpose of generating a reaction product by a microorganism or the like is performed.
  • the valve 10 is closed and the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed by the following process.
  • the medium or the reaction raw material 1 is supplied to the MNB generator 6b to contain the MNB of the air A, and the medium or the reaction raw material D containing the MNB of the air A is supplied to the culture tank 2.
  • the biological reaction is performed in the biological culture solution 3 containing the culture medium or reaction raw material 1 and microorganisms stored in the culture tank 2.
  • the pump 8 While performing the reaction of b) above, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after the reaction from the culture tank 2 and supply it to the MNB generator 6a to contain the MNB of air A .
  • the biological culture solution containing the MNB of air A is supplied to the filter 4 and separated into the filtrate B containing the reaction product and the concentrated solution C such as microorganisms.
  • the filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5 and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • the opening and closing of the valve 10 and the valve 11 are adjusted to adjust the amount of the filtrate B refluxed to the culture tank 2, Operations such as newly supplying the culture medium or reaction raw material 1, microorganisms, etc. to the culture tank 2 can be appropriately performed.
  • the supply of the culture medium or reaction raw material 1 to the culture tank 2 is stopped, the valve 10 is closed, and the filtrate B is returned to the culture tank 2. Stop and concentrate / recover microorganisms by the following process. a) While growing microorganisms and the like, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after reaction from the culture tank 2 and supply it to the MNB generator 6a to contain the MNB of air A. b) The biological culture liquid containing MNB of this air A is supplied to the filter 4 and separated into the filtrate B and the concentrated liquid C such as microorganisms. c) The filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5, and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • the biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is circulated out of the culture tank 2 through the MNB generator 6a and the filter 4. Since MNB is contained in the biological culture solution 3 extracted from the tank 2, clogging of the filtration membrane can be suppressed, oxygen can be sufficiently supplied to the microorganisms in the circulation route, and the stress that the microorganisms are subjected to. Damage can be reduced.
  • FIG. 4 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the biological reaction apparatus according to the fourth embodiment uses the second means and the third means in combination with the first means as a means that the biological culture liquid extracted from the culture tank and supplied to the filter contains MNB. It is what.
  • the fourth embodiment is also intended for biological reaction (fermentation / brewing) for the purpose of producing reaction products by microorganisms, and for the growth or concentration (culture) of microorganisms. It can be used for any biological reaction.
  • the opening and closing of the valve 10 and the valve 11 are adjusted to adjust the amount of the filtrate B refluxed to the culture tank 2, Operations such as newly supplying the culture medium or reaction raw material 1, microorganisms, etc. to the culture tank 2 can be appropriately performed.
  • the valve 10 is closed to stop the reflux of the filtrate B to the culture tank 2, and the microorganisms and the like are concentrated and recovered by the following steps. a) While performing the growth, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 from the culture tank 2 and supply it to the MNB generator 6a to contain the MNB of the air A. Supply. b) In the filter 4, the biological culture solution is separated into the filtrate B and the concentrated liquid C such as microorganisms. c) The filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5, and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • a biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is circulated outside the culture tank 2 through the filter 4.
  • the biological culture extracted from the culture tank 2 is used. Since the liquid 3 contains MNB, clogging of the filtration membrane can be suppressed, oxygen can be sufficiently supplied to microorganisms and the like in the circulation path, and stress and damage to the microorganisms can be reduced.
  • FIG. 5 A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the biological reaction apparatus of 5th Embodiment uses the 2nd means independently as a means to make the biological culture liquid extracted from a culture tank and supplied to a filter contain MNB.
  • the fifth embodiment is also intended for biological reaction (fermentation / brewing) for the purpose of producing reaction products by microorganisms, and for proliferation or concentration (culture) of microorganisms. It can be used for any biological reaction.
  • a biological reaction for the purpose of generating a reaction product by a microorganism or the like is performed.
  • the valve 10 is closed and the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed by the following process.
  • the medium or reaction raw material 1 is supplied to the MNB generator 6b to contain the MNB of air A, and the medium or reaction raw material D containing the MNB of air A is supplied to the culture tank 2.
  • the biological reaction is performed in the biological culture solution 3 containing the culture medium or reaction raw material 1 and microorganisms stored in the culture tank 2.
  • the pump 8 While performing the reaction of b) above, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after the reaction from the culture tank 2, and the biological culture solution containing MNB of air A is put into the filter 4. Then, the filtrate is separated into a filtrate B containing a reaction product and a concentrate C such as a microorganism. e) The filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5 and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • the opening and closing of the valve 10 and the valve 11 are adjusted to adjust the amount of the filtrate B refluxed to the culture tank 2, Operations such as newly supplying the culture medium or reaction raw material 1, microorganisms, etc. to the culture tank 2 can be appropriately performed.
  • the valve 10 is closed to stop the reflux of the filtrate B to the culture tank 2, and the microorganisms and the like are concentrated and recovered by the following steps. a) While performing the growth, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 from the culture tank 2 and supply it to the filter 4. b) In the filter 4, the biological culture solution is separated into the filtrate B and the concentrated liquid C such as microorganisms. c) The filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5, and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • a biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is circulated outside the culture tank 2 through the filter 4.
  • the biological culture extracted from the culture tank 2 is used. Since the liquid 3 contains MNB, clogging of the filtration membrane can be suppressed, oxygen can be sufficiently supplied to microorganisms and the like in the circulation path, and stress and damage received by the microorganisms can be reduced. .
  • the biological reaction apparatus is a combination of the second means and the third means as means for containing the biological culture solution extracted from the culture tank and supplied to the filter as MNB. .
  • the sixth embodiment is also intended for biological reaction (fermentation / brewing) for the purpose of producing reaction products by microorganisms, and for the growth or concentration (culture) of microorganisms. It can be used for any biological reaction.
  • a biological reaction for the purpose of generating a reaction product by a microorganism or the like is performed.
  • the valve 10 is closed and the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed by the following process.
  • the medium or reaction raw material 1 is supplied to the MNB generator 6b to contain the MNB of air A, and the medium or reaction raw material D containing the MNB of air A is supplied to the culture tank 2.
  • the biological culture solution 3 is supplied to the MNB generator 6 c by extracting the biological culture solution 3 from the culture tank 2 by the pump 9.
  • the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after the reaction from the culture tank 2, and the biological culture solution containing MNB of air A is put into the filter 4.
  • the filtrate is separated into a filtrate B containing a reaction product and a concentrate C such as a microorganism.
  • the filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5 and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • the opening and closing of the valve 10 and the valve 11 are adjusted to adjust the amount of the filtrate B refluxed to the culture tank 2, Operations such as newly supplying the culture medium or reaction raw material 1, microorganisms, etc. to the culture tank 2 can be appropriately performed.
  • the valve 10 is closed to stop the reflux of the filtrate B to the culture tank 2, and the microorganisms and the like are concentrated and recovered by the following steps.
  • the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 from the culture tank 2 and supply it to the filter 4.
  • the MNB of the air A is contained in the biological culture solution 3 in the culture tank 2 by the MNB generator 6c.
  • the filter 4 In the filter 4, the biological culture solution is separated into the filtrate B and the concentrated liquid C such as microorganisms.
  • the filtrate B is collected in the filtrate storage tank 5, and the concentrated liquid C such as microorganisms containing MNB is refluxed to the culture tank 2.
  • a biological culture solution having a high concentration of microorganisms or the like is circulated outside the culture tank 2 through the filter 4.
  • the biological culture extracted from the culture tank 2 is used. Since the liquid 3 contains MNB, clogging of the filtration membrane can be suppressed, oxygen can be sufficiently supplied to microorganisms and the like in the circulation path, and stress and damage received by the microorganisms can be reduced. .
  • FIG. 7 A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the biological reaction apparatus of 7th Embodiment uses a 4th means as a means to make the biological culture liquid extracted from a culture tank and supplied to a filter contain MNB.
  • the seventh embodiment is also intended for biological reaction (fermentation / brewing) for the purpose of producing reaction products by microorganisms, and for proliferation or concentration (culture) of microorganisms. It can be used for any biological reaction.
  • a biological reaction for the purpose of generating a reaction product by a microorganism or the like is performed.
  • the valve 10 is closed and the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed by the following process.
  • a) While stirring with the culture tank stirrer 7, the biological reaction is performed in the biological culture solution 3 containing the culture medium or the reaction raw material 1, the microorganisms and the like stored in the culture tank 2.
  • the pump 8 While performing the reaction a), the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after the reaction from the culture tank 2 and supply it to the filter 4, and the filtrate containing the reaction product. Separated into B and concentrated liquid C such as microorganisms.
  • the concentrated liquid F such as microorganisms containing MNB of air A is refluxed to the culture tank 2 by the MNB generator 6d.
  • the opening and closing of the valve 10 and the valve 11 are adjusted to adjust the amount of the filtrate B refluxed to the culture tank 2, Operations such as newly supplying the culture medium or reaction raw material 1, microorganisms, etc. to the culture tank 2 can be appropriately performed.
  • the supply of the culture medium or reaction raw material 1 to the culture tank 2 is stopped, the valve 10 is closed, and the filtrate B is returned to the culture tank 2. Stop and concentrate / recover microorganisms by the following process. a) While the microorganisms are growing, the pump 8 is driven to continuously extract the biological culture solution 3 after the reaction from the culture tank 2 and supply it to the filter 4, and the filtrate B and the microorganism concentrate C And to separate. b) While collecting the filtrate B in the filtrate storage tank 5, the concentrated liquid F such as microorganisms containing MNB of air A is refluxed to the culture tank 2 by the MNB generator 6d.
  • the biological culture liquid having a high concentration of microorganisms or the like is circulated out of the culture tank 2 through the filter 4 and the MNB generator 6d. Since the microbial concentrate F containing the MNB of the air A contained in the microbial concentrate C separated in the filter 4 is returned to the culture tank 2 by the MNB generator 6d, clogging of the filtration membrane can be suppressed. In addition, oxygen can be sufficiently supplied to microorganisms and the like in the circulation path, and as a result, stress and damage to the microorganisms can be reduced.
  • the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the biological reaction apparatus according to the eighth embodiment is provided with means for adding the pH adjusting agent 12 to the filtrate B refluxed to the culture tank 2 in the second embodiment of the present invention.
  • the pH of the biological culture solution 3 in the culture tank 2 can be adjusted to a range suitable for microorganisms and the like.
  • the biological reaction for the purpose of producing reaction products by microorganisms or the like, or the biological reaction for the purpose of growth or concentration (culture) of microorganisms or the like. Any of them can be used.
  • the valve 10 is closed, the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed.
  • the valve 10 is opened and a part or all of the filtrate B separated by the filter 4 is refluxed to the culture tank 2.
  • the pH adjuster 12 is added by the following steps. a) From the state where the valve 10 is closed and the valve 11 is opened and the biological reaction is being performed, the valve 10 is opened and a part or all of the filtrate B separated by the filter 4 is added to the pH adjuster mixing tank 13. To supply. b) The amount of pH adjuster 12 (acid, alkali) necessary for adjusting the pH of the biological culture solution 3 in the culture tank 2 to a range suitable for microorganisms or the like in the filtrate B in the pH adjuster mixing tank 13 Etc.) is added. c) The filtrate B to which the pH adjuster 12 has been added is refluxed to the culture tank 2.
  • the acid / alkali concentration locally increases, and this causes stress and damage to microorganisms.
  • the pH of the biological culture solution 3 in the culture tank 2 is adjusted without causing stress or damage associated with the concentration difference to the microorganisms or the like in the culture tank 2. be able to.
  • the biological reaction apparatus according to the ninth embodiment is provided with means for adding the pH adjusting agent 12 to the filtrate B refluxed to the culture tank 2.
  • the pH of the biological culture solution 3 in the culture tank 2 can be adjusted to a range suitable for microorganisms and the like.
  • biological reactions (fermentation / brewing) aimed at producing reaction products by microorganisms, biological reactions aimed at growing or concentrating (culturing) microorganisms, etc. Any of them can be used.
  • the valve 10 is closed, the valve 11 is opened, and a biological reaction is performed.
  • the valve 10 is opened and a part or all of the filtrate B separated by the filter 4 is refluxed to the culture tank 2.
  • the pH adjuster 12 is added by the following steps. a) From the state where the valve 10 is closed and the valve 11 is opened and the biological reaction is being performed, the valve 10 is opened and a part or all of the filtrate B separated by the filter 4 is added to the pH adjuster mixing tank 13. To supply. b) The amount of pH adjuster 12 (acid, alkali) necessary for adjusting the pH of the biological culture solution 3 in the culture tank 2 to a range suitable for microorganisms or the like in the filtrate B in the pH adjuster mixing tank 13 Etc.) is added. c) The filtrate B to which the pH adjuster 12 has been added is refluxed to the culture tank 2.
  • the acid / alkali concentration locally increases, and this causes stress and damage to microorganisms.
  • the pH of the biological culture solution 3 in the culture tank 2 is adjusted without causing stress or damage associated with the concentration difference to the microorganisms or the like in the culture tank 2. be able to.
  • stress damage caused to microorganisms or the like is caused by filtering the biological culture solution containing MNB with a filter.
  • the amount of MNB contained in the biological culture solution in the culture tank can be maintained high, and the biological culture solution can be filtered and circulated appropriately, thereby enabling efficient biological reaction using microorganisms and the like. It can be done efficiently and economically.
  • a means for containing MNB in the biological culture solution by using one or more means in combination with the second means to the fourth means together with the first means, in the culture tank in a short time.
  • the content of MNB in the biological culture solution can be set to an appropriate value.
  • the amount of the biological culture liquid extracted from a culture tank is reduced by using MNB formed from the air which raised oxygen concentration as MNB contained in a biological culture liquid, and biological culture liquid contains Even if the amount of MNB is decreased, high concentration oxygen that is easily absorbed can be supplied to microorganisms in the culture tank, reducing the stress and damage to microorganisms and maintaining the activity of microorganisms.
  • the energy required for the circulation of the biological culture solution and the energy required for driving the MNB generator can be reduced.
  • a pump for extracting a biological culture solution from the culture tank 2) a pump for supplying a biological culture solution containing MNB to the filter from the MNB generator, and 3) a culture tank Diaphragm pumps, tube pumps, screw pumps, rotary pumps, etc. with relatively little stress and damage to microorganisms, etc. as pumps that transport liquids containing microorganisms, such as pumps for refluxing biological culture fluid excluding filtrate
  • a positive displacement pump it is possible to further reduce the stress and damage to the microorganisms and maintain the activity of the microorganisms.
  • a means for adding a pH adjuster is provided in a conduit for refluxing the filtrate to the culture tank, and by adding a pH adjuster such as acid or alkali to the filtrate refluxed to the culture tank.
  • a pH adjuster such as acid or alkali
  • a filter manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., trade name “Microza MF USP-343” in which a number of hollow fiber membranes are bundled and stored in a cylindrical cartridge is used as a filter.
  • the standard strain of coryneform bacterium (Corynebacterium glutamicum) is supplied at a turbidity (OD660 value: 60)], and each hollow is adjusted by adjusting the pressure and flow rate of the culture solution supplied to the filter.
  • the average pressure difference between the inside and the outside of the yarn membrane (hereinafter referred to as “intermembrane differential pressure”) and the average flow rate of the culture fluid flowing inside each hollow fiber membrane (hereinafter referred to as “circulation flow rate”) are predetermined. It adjusted to the value and the filtration rate with a filter was measured.
  • the filtration rate gradually decreases due to the clogging of coryneform bacteria into the pores of the hollow fiber membrane at the beginning of filtration, but eventually this clogging action and the action of removing clogging due to the flow of the culture solution are in an equilibrium state.
  • the filtration rate is stabilized (hereinafter, this state is referred to as “first stable state”, and the filtration rate in this state is referred to as “MNB non-filtration rate”).
  • MNB MNB non-filtration rate
  • the filtration rate gradually increased.
  • the above two actions are brought into equilibrium again, and the filtration rate is stabilized again (hereinafter, this state is referred to as “second stable state”, and the filtration rate in this state is referred to as “MNB filtration rate”).
  • the MNB generator used in Experimental Examples 1 to 5 and Comparative Experimental Examples 1 to 5 is a nozzle type, and the flow rate of the culture solution supplied to the filter and the concentration of MNB contained in this culture solution Has a positive correlation.
  • Table 1 summarizes the results of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Experimental Examples 1 to 3.
  • Table 3 shows the results of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Experimental Examples 1 to 3 plotted with the circulation flow rate (m / s) as the horizontal axis and the filtration rate (L / m 2 / h) as the vertical axis. It is. As shown by the upper polygonal line (Experimental Example 1 ⁇ 2 ⁇ 3) and the lower polygonal line (Comparative Experimental Example 1 ⁇ 2 ⁇ 3), it is exhibited by adding MNB to the culture solution supplied to the filter. It can be seen that the clogging suppression effect of the filtration membrane is more pronounced as the circulation flow rate is lower (less stress and damage to microorganisms and the like).

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Abstract

本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法では、マイクロナノバブルを含有する生物培養液をろ過器によりろ過液と微生物等濃縮液とに分離し、ろ過液を回収すると共に、微生物等濃縮液を培養槽に還流することすることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減しつつ、培養槽中の生物培養液が含有するマイクロナノバブルの量を高く維持でき、生物培養液のろ過及び循環を適切に行い、これにより、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができる。

Description

生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法
　本発明は、微生物若しくは細胞（以下、「微生物等」という。）による反応生成物の生成（発酵・醸造）、又は、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を行う生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法に関し、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、マイクロナノバブル（以下、「マイクロナノバブル」を「ＭＮＢ」、「マイクロバブル」を「ＭＢ」、「ナノバブル」を「ＮＢ」という場合がある。）を含有するものとするマイクロナノバブル発生装置を備え、この生物培養液をろ過し、ろ過液を回収すると共にろ過液を除いた生物培養液（以下、「微生物等濃縮液」という。）を培養槽に還流することを特徴とするものである。
　生物反応は、化学反応と異なり、反応自体は遅いが、多大なエネルギーや多くの化学物質を使用しないので、環境にとって温和で有意義な反応である。
　しかしながら、生物反応は、一般的に反応が温和で遅いという問題があった。すなわち、化学反応には、１時間以内の反応で十分な場合が多いのに対して、生物反応の場合は、数時間から長い場合は数日又は特に長い場合は数週間以上の反応時間を要する場合もある。このため、生物反応を効率的、経済的に行うことが求められている。
　微生物等による生物反応（発酵・醸造、培養）を行う方法としては、通常、（１）回分法（Batch法）及び流加法（Fed-Batch法）と（２）連続法が用いられるが、工業的には、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持できる、特許文献１に開示されるような連続法が採用されている。
　特許文献１には、図１０に示すように、連続発酵法において、装置内の発酵培養液を、発酵培養液循環ポンプ１１１によって発酵反応槽１０１と膜分離槽１１２の間を循環させ、分離膜エレメント１０２によって微生物や培養細胞を分離膜でろ過し、ろ液から生産物を回収すると同時にろ過された微生物や培養細胞を発酵培養液に還流させ、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持することにより、高い物質生産性を得ることが記載されている。
　また、特許文献２には、微生物等の培養における生物反応を効率化するために、培養液に、空気から形成されたＭＮＢあるいはＮＢを含有させることにより、微生物等の活性化を促進し、生物反応の反応効率、反応時間の短縮等を図ることが開示されている。
　具体的には、図１１に示すように、培養槽２０７から培養液を抜き出し、菌体ろ過器２１０でろ過してろ過液を得、このろ過液にＭＮＢ発生槽２１５で、ＭＮＢ発生機２１６により空気のＭＮＢを発生・混合して培養槽２０７に還流する方法が記載されている。
　しかしながら、上記特許文献１に記載された、培養槽から生物培養液を抜き出し、微生物等濃縮液を培養槽に還流する方法では、培養槽中の生物培養液の微生物等の濃度を高く維持し生産性を高めることができるが、その反面、微生物等の濃度の高い生物培養液をろ過するため、ろ過膜に目詰まりが生じやすく、ろ過膜の洗浄あるいは交換を頻繁に行う必要がある。また、膜内の循環流速を上げることによりろ過膜の目詰まりを抑制できるが、膜内の循環流速を上げると、微生物等が受けるストレス・ダメージが大きくなってしまう。
　また、微生物等の濃度の高い生物培養液を培養槽外に循環させるため、この経路において微生物等の呼吸に必要な酸素が十分に供給されず、微生物等がストレス・ダメージを受けることとなる。
　また、上記特許文献２に記載された、培養槽から生物培養液を抜き出し、このろ過液に空気のＭＮＢを含有させる方法では、培養槽から抜き出す生物培養液量に比べ、この生物培養液をろ過して得られるろ過液の量がかなり少ない（ろ過液の量は、通常、培養槽から抜き出した生物培養液の量の１／１０～１／１００程度）ため、ろ過液を含有させたＭＮＢにより、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持することは難しい。また、ろ過液の量を増加するため、培養槽から抜き出す生物培養液量を増やしたり、ろ過圧力を高めると、微生物等が受けるストレス・ダメージを増加させてしまう。
　さらに、発酵・醸造、培養といった生物反応とは技術分野を異にするが、特許文献３には、水浄化システムにおける膜モジュールの目詰まりを抑制するために、膜モジュールに供給する前の水中に超微細気泡を発生させ、超微細気泡を含有する水を膜モジュールに供給することが開示されている。
　具体的には、図１２に示すように、原水供給ライン３０４から供給される原水及び／又は濃縮循環水ライン３１７から供給される膜モジュール３１１からの濃縮循環水を、水供給ポンプ３０６によって加圧した後、水中に超微細気泡を発生させ、この超微細気泡を含有する水を膜モジュール３１１に供給して膜ろ過を行う水浄化方法が記載されている。
　しかしながら、上記特許文献３に記載されるような水浄化方法においては、膜モジュール等のろ過膜により、河川水のような原水から濁質物質、細菌等を単に除去するものであって、ろ過した微生物等を培養槽に戻し再利用する生物反応のように、微生物等が受けるストレス・ダメージを全く考慮する必要がないものである。
　さらに、特許文献３で用いられる「超微細気泡」とは、気泡径が２～５０μｍ程度のものであり、これはＭＢに相当し、直径１００ｎｍ以下の極微小気泡であるＮＢを含まないものである。
特許第５０９２４８７号公報 特許第４１４６４７６号公報 特開２０１１－８３７６４号公報
　本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法の課題は、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持し、ろ過膜の目詰まりを抑制し、さらに、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減し、これにより、微生物等を用いた生物反応及び微生物等の分離を効率的かつ経済的に行うことにある。
　上記課題を解決するため、本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法では、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、マイクロナノバブルを含有するものとするマイクロナノバブル発生装置を備えることを特徴とするものである。
　また、生物培養液にＭＮＢを含有させる手段として上記以外の手段を併用すること、ＭＮＢとして酸素濃度を高めた空気から形成されたＭＮＢを用いること、微生物等を含有する液体を搬送するポンプとして容積式ポンプを用いること及び培養槽に還流するろ過液にｐＨ調整剤を添加することにより、上記課題の解決を一層図ることができる。
　本発明では、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持でき、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、さらに、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減でき、これにより、微生物等を用いた生物反応及び微生物等の分離を効率的かつ経済的に行うことができる。
本発明の生物反応装置の第１実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第２実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第３実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第４実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第５実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第６実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第７実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第８実施形態を示す模式図である。 本発明の生物反応装置の第９実施形態を示す模式図である。 従来例である、特許文献１（特許第５０９２４８７号公報）の図１である。 従来例である、特許文献２（特許第４１４６４７６号公報）の図１である。 従来例である、特許文献３（特開２０１１－８３７６４号公報）の図１である。
　以下、本発明の実施形態を、添付の図面も参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　まず、本発明の生物反応装置及び生物反応方法の一般的な事項について説明する。
　本発明の生物反応装置は、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。また、本発明の生物反応装置は、回分法（Batch法）、流加法（Fed-Batch法）、連続法のいずれにも用いることができるが、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持できる連続法において好適に用いることができる。
　微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応においては、反応生成物がろ過液と共に連続して回収され、また、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応においては、微生物等を増殖、濃縮して微生物等が回収される。
　本発明の生物反応は、醸造、発酵等による食品、薬品、化学品等の製造、バイオマスを利用したバイオエタノールの製造等の微生物等による反応生成物の製造のみならず、微生物等の増殖若しくは濃縮にも適用できる有用なものである。
　本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法においては、ろ過器により、培養槽から抜き出した生物培養液をろ過液と微生物等濃縮液に分離するが、ろ過方式としては、中空糸膜モジュールを用いたクロスフローろ過を好適に用いることができる。
　本発明の「マイクロナノバブル」とは、「マイクロバブル」及び／又は「ナノバブル」を意味する。「通常の気泡」は水中を急速に上昇して表面で破裂して消えるのに対し、「マイクロバブル」といわれる直径５０μｍ以下の微小気泡は、水中で縮小していって消滅し、この際に、フリーラジカルと共に、直径１００ｎｍ以下の極微小気泡である「ナノバブル」を発生し、この「ナノバブル」はある程度の長時間水中に残存する。
　本発明においては、個数平均直径が１００μｍ以下の気泡を「マイクロバブル」といい、個数平均直径が１μｍ以下の気泡を「ナノバブル」という。マイクロバブルの気泡径を測定する方法としては、画像解析法、レーザー回折散乱法、電気的検知帯法、共振式質量測定法、光ファイバープローブ法等が一般に用いられ、ナノバブルの気泡径を測定する方法としては、動的光散乱法、ブラウン運動トラッキング法、電気的検知帯法、共振式質量測定法等が一般に用いられている。
　極微小気泡である「ナノバブル」は、「ウルトラファインバブル」とも呼ばれる。なお、現在、ＩＳＯ（国際標準化機構）において、ファインバブル技術に関する国際標準の作成が検討されており、国際標準が作成されれば、現在一般的に用いられている「ナノバブル」との呼称が、「ウルトラファインバブル」に統一される可能性もある。
　マイクロナノバブル発生装置としては、公知あるいは市販されている装置を用いることができ、例えば、ある程度の高圧で十分な量の気体を水中に溶解させた後、その圧力を解放してやることで溶解した気体の過飽和条件を作り出す「加圧溶解型マイクロバブル発生装置」、水流を起こして渦を発生させ、渦内に大きな気泡を巻き込み、この渦を崩壊させたときに気泡がバラバラに細分化する現象を利用した「気液二相流旋回型マイクロバブル発生装置」等を用いることができる。
　また、ナノバブル発生装置としては、例えば、特開２００７－３１２６９０号公報、特開２００６－２８９１８３号公報、特開２００５－２４５８１７号公報、特開２００７－１３６２５５号公報、特開２００９－３９６００号公報に記載されたもの等を用いることができる。
　マイクロナノバブル発生装置として、水流を用いて駆動する方式（ノズル方式）のものを用いると、多量のＭＮＢを経済的に発生でき、微生物等に与えるストレス・ダメージを低減でき、目詰まりが抑制できるので好ましい。
　本発明の生物反応は、培養槽に収容した微生物等を含有する生物培養液中において、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖若しくは濃縮させるものである。
　生物培養液中の栄養源としては、糖類、窒素源が含有されたものを用いる。糖類としては、通常、マルトース、スクロース、グルコース、フルクトース、これらの混合物等の糖類が用いられ、生物培養液における糖類の濃度は、特に限定されないものの、０．１～１０ｗ／ｖ％に設定するのが好ましい。また、窒素源としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム又はコーンスティープリカー、酵母エキス、肉エキス、ペプトン等が用いられ、０．１～１０ｗ／ｖ％に設定するのが好ましい。さらに、生物培養液には糖類、窒素源以外にも、必要に応じて、ビタミン、無機塩類等を添加することが好ましい。
　本発明における微生物としては、醸造、発酵等の技術分野で従来用いられている、アスペルギルス菌等の麹菌、納豆菌、酢酸菌、酵母菌、乳酸菌等の好気性及び通性嫌気性の微生物のほか、遺伝子組み換え技術で創り出される各種好気性及び通性嫌気性の微生物を用いることができる。また、細胞としては、例えば、抗体医薬として使用される生理活性ペプチド又は蛋白質を製造するための動物細胞、とりわけ遺伝子組換え動物細胞等が挙げられる。
　微生物又は細胞の生物培養液への添加濃度は、特に限定されないものの、０．５～１０．０ｇ／Ｌとするのが好ましく、３．０～６．０ｇ／Ｌにするのがより好ましい。
　つぎに、本発明の生物反応装置及び生物反応方法の特徴について説明する。
　本発明の第１の特徴点は、前述のように、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとするＭＮＢ発生装置を備えることである。
　本発明者らは、微生物等による反応生成物の生成（発酵・醸造）、又は、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を行う生物反応において、
（１）培地又は反応原料、微生物等を含有する生物培養液を収容する培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとし、
（２）このＭＮＢを含有する生物培養液を、ろ過器により、ろ過液と微生物等濃縮液とに分離し、
（３）このろ過液を回収すると共に、この微生物等濃縮液を培養槽に還流する
ことにより、
　驚くべきことに、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持でき、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、さらに、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減でき、これにより、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができることを見出し、本発明を成したものである。
　上で述べたように、特許文献１に記載されるような、培養槽から生物培養液を抜き出し、微生物等濃縮液を培養槽に還流する連続発酵法では、微生物等の濃度の高い生物培養液を培養槽外に循環させてろ過するため、ろ過膜に目詰まりが生じやすい、循環経路において微生物等に酸素が十分に供給されないという問題が生じるが、本発明のように、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液をＭＮＢを含有するものとし、このＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器に供給して、ろ過液と微生物等濃縮液とに分離し、ろ過液を回収すると共に、微生物等濃縮液を培養槽に還流することにより、このような問題を解決することができる。
　すなわち、本発明では、ＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器でろ過することにより、ＭＮＢが、ろ過膜と生物培養液が含有する物質（微生物等、濁質物質など）との間に介在し、該物質がろ過膜に付着するのを妨げるように作用をするため、ろ過膜の目詰まりを抑制することができるものと考えられる。
　これにより、例えば、中空糸膜を用いたクロスフローろ過を行う場合、中空糸膜表面に付着する物質をその膜表面からはぎ取りながらろ過を行うためには、通常、ろ過流量を膜断面積に対して１ｍ／ｓ以上とする必要があるが、本発明のようにＭＮＢを含有させた生物培養液をろ過する場合には、ろ過流量を０．５ｍ／ｓ以下としても、中空糸膜の目詰まりを抑制しながらろ過を行うことができるので、ろ過工程において微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　さらに、これによりろ過効率が向上するため、ろ過装置を小型化でき、また、ろ過装置への生物培養液の供給量を低減できるので、生物反応装置の設備費・運転費を低減することができ、また、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　さらに、本発明では、生物培養液を収容する培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとすることにより、循環経路を通じて循環される生物培養液中の微生物等に、酸素を十分に供給できるので、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　このようなＭＮＢを含有させる手法は、生物培養液のクロスフローろ過に限らず、水の浄化、食品の濃縮、研磨剤粒子の精製等に用いられる一般的なクロスフローろ過に適用した場合にも、同様の優れた作用効果が発揮される。すなわち、一般的なクロスフローろ過においても、ろ過する液体にＭＮＢを含有させることにより、液体が含有する固体物質等による中空糸膜の目詰まりを抑制しながらろ過を行うことができるので、装置の設備費・運転費を低減することができる。
　また、上で述べたように、特許文献２に記載されるような、培養槽から抜き出した生物培養液のろ過液にＭＮＢを含有させる方法では、培養槽から抜き出す生物培養液量に比べ、この生物培養液をろ過して得られるろ過液の量がかなり少ない（ろ過液の量は、通常、培養槽から抜き出した生物培養液の量の１／１０～１／１００程度）ため、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持するのが難しいという問題があり、また、この問題を解決するために、培養槽から抜き出す生物培養液量を増やしたり、ろ過圧力を高めたりすると、微生物等が受けるストレス・ダメージが増加するという新たな問題が生じるが、本発明では、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、マイクロナノバブルを含有するものとするマイクロナノバブル発生装置を備えるため、このような問題を解決することができる。
　すなわち、本発明では、培養槽から抜き出した生物培養液にＭＮＢを含有させ、このＭＮＢを含有させた生物培養液をろ過器に供給することにより、微生物等に余分なストレス・ダメージを与えることなく、循環経路を通じて循環される生物培養液に十分にＭＮＢを含有させることができ、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持することができる。
　培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段としては、生物培養液を培養槽から抜き出しろ過器に供給する経路にＭＮＢ発生装置を設け、生物培養液にＭＮＢを含有させる手段（以下、「第１手段」という。）を用いるのが好ましい。第１手段を用いた場合には、ろ過器に供給され、循環経路を循環する生物培養液に十分にＭＮＢを含有させることができるため、上記のように、ろ過膜の目詰まり抑制、微生物等が受けるストレス・ダメージの低減等の効果を十分に発揮することができる。
　また、第１手段に代えて、培地又は反応原料を培養槽に供給する経路にＭＮＢ発生装置を設け、生物培養液にＭＮＢを含有させる手段（以下、「第２手段」という。）、培養槽にＭＮＢ発生装置を設け、生物培養液にＭＮＢを含有させる手段（以下、「第３手段」という。）、及び
　微生物等濃縮液をろ過器から培養槽に還流する管路にＭＮＢ発生装置を設け、培養槽に還流する微生物等濃縮液にＭＮＢを含有させる手段（以下、「第４手段」という。）の１つ又は複数の手段を用いることによっても、ろ過膜の目詰まり抑制、微生物等が受けるストレス・ダメージの低減等の効果を発揮することができる。
　さらに、第１手段と、第２手段乃至第４手段の１つ又は複数の手段とを併用することもできる。例えば、第１手段を単独で用いた場合には、培養槽中の生物培養液のＭＮＢの含有量を適正な値とするのに時間を要し、この時間を短縮する必要がある場合には、第２手段乃至第４手段の１つ又は複数の手段を併用することが有効である。特に、第２手段は、ＭＮＢの吹き込みによって、微生物等がストレス・ダメージを受けることがないので、第１手段と併用する手段として好ましい。
　本発明の第２の特徴点は、生物培養液に含有させるＭＮＢとして、酸素濃度を高めたＭＮＢを用いることである。
　これにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、生物培養液が含有するＭＮＢの量を減少させても、ＭＮＢ状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を、培養槽中の微生物等に供給でき微生物等の活性を維持できる。さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減できると共に、生物培養液の循環に要するエネルギーを減じることができる。さらに、生物培養液が含有するＭＮＢの量を減少させることにより、ＭＮＢ発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる。
　酸素濃度を高めた空気を得るためには、吸着剤を用いたＰＳＡ法、ＶＳＡ法等、水の電気分解法、深冷分離法、膜分離法、化学吸着法等の公知の酸素富化手段を用いることができるが、経済的観点からは、酸素富化膜を用い、空気を酸素富化膜に通過させることにより酸素濃度を高めた空気を得ることが好ましい。また、ＰＳＡ法、ＶＳＡ法及び化学吸着法を用いる場合には、これらの方法により生成した酸素と、空気とをラインミキサー等で混合させることにより、酸素濃度を高めた空気を得ることが好ましい。
　酸素富化ＭＮＢの酸素濃度は、２５～４０％とするのが好ましく、３５～４０％とするのがより好ましい。酸素濃度が２５％以上であると、微生物等の呼吸作用を促進でき、微生物等の活性を高めることができる。酸素濃度が４０％以下であると、微生物等が酸化によるダメージを受けにくくなる。
　本発明の第３の特徴点は、上記培養槽から生物培養液を抜き出すためのポンプ等の微生物等を含有する生物培養液を搬送するポンプとして、ダイアフラムポンプ、チューブポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを用いることである。
　このような容積式ポンプを用いて、微生物等を含有する生物培養液を搬送することによって、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層低減することができる。
　本発明の第４の特徴点は、ろ過液を培養槽に還流する管路に、ｐＨ調整剤を添加する手段を備えることである。
　微生物等は、培養槽中で生物反応において有機酸等の副生物を生じるが、これにより培養槽中の生物培養液のｐＨが変化するような場合には、これを微生物等に適した範囲に調整する必要がある。
　一般的なｐＨ調整手段としては、培養槽中の生物培養液に直接酸、アルカリ等のｐＨ調整剤が添加されるが、この手段では局所的に酸／アルカリの濃度が高くなり、微生物等にストレス・ダメージを与えることとなる。
　本発明では、培養槽に還流するろ過液に、酸、アルカリ等のｐＨ調整剤を添加するようにしたため、生物培養液に直接ｐＨ調整剤を添加する場合に比べ、培養槽中の微生物等に濃度差に伴うストレス・ダメージを与えずに、培養槽中の生物培養液のｐＨを調整することができる。
　＜第１実施形態（図１）＞
　まず、図１を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
　第１実施形態の生物反応装置は、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段として、第１手段を用いたものである。
　第１実施形態の生物反応装置は、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。反応生成物の生成を目的とする場合には、反応生成物を連続してろ過液と共に回収し、また、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする場合には、微生物等を増殖させた後に、培養槽の生物培養液を濃縮して微生物等を回収する。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
ａ）培養槽撹拌機７で撹拌しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。
ｂ）上記ａ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｃ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｅ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、培地又は反応原料１の培養槽２への供給を停止して、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）微生物等の増殖を行いながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｂ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高くなった生物培養液を、ＭＮＢ発生装置６ａ及びろ過器４を介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では培養槽２から抜き出した生物培養液３にＭＮＢを含有させるため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、また、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　第１実施形態では、ＭＮＢ発生装置６ａをポンプ８とろ過器４を接続する管路に設けているが、このＭＮＢ発生装置６ａを培養槽２とポンプ８を接続する管路に設ける態様を採ることもでき、この態様も第１実施形態に包含される。これは、以下の第２実施形態乃至第９実施形態においても同様である。
　ろ過器４は、ろ過膜と該ろ過膜を収容する容器とからなる。ろ過膜は、有機膜、無機膜を問わない。ろ過膜の形状は、平膜、中空糸膜、スパイラル式などいずれの形状のものも採用することができるが、中でも、中空糸膜モジュールが好ましく、中空糸膜モジュールであれば、外圧式、内圧式のいずれの形状のものも採用することができる。
　ろ過方式としては、中空糸膜モジュールを用いたクロスフローろ過が好ましい。このろ過方式は、反応生成物、微生物等を含有する培養液を中空糸膜の内部に供給しつつろ過して、その外部からろ過液を取り出すものであり、中空糸膜の内部に堆積する微生物等の膜汚れが上記培養液の平行流による剪断力によって掻き取られるので、安定したろ過状態を長期にわたって維持することができる。
　中空糸膜モジュールを用いたクロスフローろ過を行う場合には、膜汚れを掻き取るために、ろ過の対象となる液体をある程度以上の流速で中空糸膜内に流す必要があるが、本発明では、ろ過の対象となる、微生物等を含有する生物培養液がＭＮＢを含んでいるため、通常より低い流速で流しても、膜汚れを十分に掻き取ることができ、微生物等に与えるストレスやダメージを大幅に低減することができる。
　具体的には、一般的なクロスフローろ過においては、循環流速が、有機膜を用いた場合には１～２ｍ／ｓ程度、セラミック膜を用いた場合には１～３ｍ／ｓ程度で定常運転されるが、生物培養液にＭＮＢを含有させることにより、膜汚れを少なく、ろ過抵抗を小さく維持できるため、同じフラックス（単位時間・単位膜面積あたりの膜ろ過水量）を得るために必要な循環流速を０．２～１．５ｍ／ｓ程度まで低減することができる。また、同じ循環流速で運転する場合、フラックスを１．２～２．０倍程度増加することができる。
　ろ過膜としては、分離性能及び透水性能、さらには耐汚れ性の観点から、有機高分子化合物を好適に使用することができる。例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂及びセルローストリアセテート系樹脂などが挙げられ、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物であってもよい。溶液による製膜が容易で物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂及びポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく、ポリフッ化ビニリデン系樹脂又はそれを主成分とする樹脂が、化学的強度（特に耐薬品性）と物理的強度を併せ有する特徴をもつためより好ましく用いられる。
　ここで、ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体が好ましく用いられる。さらに、ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体との共重合体を用いても構わない。フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及び三塩化フッ化エチレンなどが例示される。
　ろ過膜の平均細孔径は、使用する目的や状況に応じて適宜決定することができるが、ある程度小さい方が好ましく、通常は０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。中空糸膜の平均細孔径が０．０１μｍ未満であると、微生物等、糖や蛋白質などの成分やその凝集体などの膜汚れ成分が細孔を閉塞して、安定運転ができなくなる。透水性能とのバランスを考慮した場合、好ましくは０．０２μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０３μｍ以上である。また、１μｍを超える場合、膜表面の平滑性と膜面の流れによる剪断力や、逆洗やエアースクラビングなどの物理洗浄による細孔からの汚れの成分の剥離が不十分となり、安定運転ができなくなる。
　また、平均細孔径が微生物等の大きさに近づくと、これらが直接細孔を塞いでしまう場合がある。さらに微生物等の一部が死滅することによりその破砕物が生成する場合があり、これらの破砕物によって細孔の閉塞を回避するために、平均細孔径は０．４μｍ以下が好ましく、０．２μｍ以下が好適である。
　ここで、ろ過膜の平均細孔径は、倍率１０，０００倍以上の走査型電子顕微鏡観察で観察される複数の細孔の直径を測定し、平均することにより求めることができる。１０個以上、好ましくは２０個以上の細孔を無作為に選び、それら細孔の直径を測定し、数平均して求めることが好ましい。細孔が円状でない場合などは画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円、すなわち等価円を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求めることも好ましく採用できる。
　＜第２実施形態（図２）＞
　図２を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。
　第２実施形態の生物反応装置は、第１実施形態の生物反応装置にろ過液を培養槽に還流する、バルブを備えた管路を設けたものである。この管路を通じて培養槽に還流するろ過液の量を調整することにより、培養槽中の培地又は反応原料及び微生物等の濃度を調整することができる。
　第２実施形態の生物反応装置は、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。反応生成物の生成を目的とする場合には、反応生成物を連続してろ過液と共に回収し、また、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする場合には、微生物等を増殖させた後に、培養槽の生物培養液を濃縮して微生物等を回収する。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　通常は、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、次のような工程により生物反応を行う。
ａ）培養槽撹拌機７で撹拌しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。
ｂ）上記ａ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｃ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｅ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　また、培養槽２中の培地又は反応原料及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整したり、新たに培地又は反応原料１、微生物等を培養槽２に供給する等の操作を適宜行うことができる。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。この第１段階では、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様に、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、培地又は反応原料１の培養槽２への供給を停止すると共に、バルブ１０を閉として、ろ過液Ｂの培養槽２への還流を停止して、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）微生物等の増殖を行いながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｂ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高くなった生物培養液を、ＭＮＢ発生装置６ａ及びろ過器４を介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では培養槽２から抜き出した生物培養液３にＭＮＢを含有させるため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、また、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　＜第３実施形態（図３）＞
　図３を参照しながら、本発明の第３実施形態について説明する。
　第３実施形態の生物反応装置は、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段として、第１手段と第２手段とを併用したものである。第３実施形態も、第１実施形態乃至第２実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　通常は、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、次のような工程により生物反応を行う。
ａ）培地又は反応原料１をＭＮＢ発生装置６ｂに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させ、この空気ＡのＭＮＢを含有させた培地又は反応原料Ｄを培養槽２に供給する。
ｂ）培養槽撹拌機７で撹拌しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。
ｃ）上記ｂ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｄ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｅ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　また、培養槽２中の培養液及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整したり、新たに培地又は反応原料１、微生物等を培養槽２に供給する等の操作を適宜行うことができる。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。この第１段階では、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様に、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、培地又は反応原料１の培養槽２への供給を停止すると共に、バルブ１０を閉として、ろ過液Ｂの培養槽２への還流を停止して、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）微生物等の増殖を行いながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｂ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高くなった生物培養液を、ＭＮＢ発生装置６ａ及びろ過器４を介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では培養槽２から抜き出した生物培養液３にＭＮＢを含有させるため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、また、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　＜第４実施形態（図４）＞
　図４を参照しながら、本発明の第４実施形態について説明する。
　第４実施形態の生物反応装置は、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段として、第１手段に第２手段及び第３手段を併用したものである。
　第４実施形態も、第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　通常は、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、次のような工程により生物反応を行う。
ａ）培地又は反応原料１をＭＮＢ発生装置６ｂに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させ、この空気ＡのＭＮＢを含有させた培地又は反応原料Ｄを培養槽２に供給する。
ｂ）培養槽撹拌機７で撹拌し、ＭＮＢ発生装置６ｃで空気ＡのＭＮＢを含有させた生物培養液Ｅを培養槽２に供給しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。ＭＮＢ発生装置６ｃへの生物培養液３の供給は、ポンプ９により培養槽２から生物培養液３を抜き出して行う。
ｃ）上記ｂ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｄ）この空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｅ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　また、培養槽２中の培養液及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整したり、新たに培地又は反応原料１、微生物等を培養槽２に供給する等の操作を適宜行うことができる。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、バルブ１０を閉として、ろ過液Ｂの培養槽２への還流を止め、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）増殖を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から生物培養液３を連続して抜き出し、ＭＮＢ発生装置６ａに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させた後、ろ過器４に供給する。
ｂ）ろ過器４において、生物培養液を、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高い生物培養液を、ろ過器４を介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では培養槽２から抜き出した生物培養液３にＭＮＢを含有させるため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　＜第５実施形態（図５）＞
　図５を参照しながら本発明の第５実施形態について説明する。
　第５実施形態の生物反応装置は、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段として、第２手段を単独で用いたものである。
　第５実施形態も、第１実施形態乃至第４実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　通常は、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、次のような工程により生物反応を行う。
ａ）培地又は反応原料１をＭＮＢ発生装置６ｂに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させ、この空気ＡのＭＮＢを含有する培地又は反応原料Ｄを培養槽２に供給する。
ｂ）培養槽撹拌機７で撹拌しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。
ｃ）上記ｂ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｅ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　また、培養槽２中の培養液及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整したり、新たに培地又は反応原料１、微生物等を培養槽２に供給する等の操作を適宜行うことができる。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、バルブ１０を閉として、ろ過液Ｂの培養槽２への還流を止め、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）増殖を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から生物培養液３を連続して抜き出し、ろ過器４に供給する。
ｂ）ろ過器４において、生物培養液を、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高い生物培養液を、ろ過器４を介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では培養槽２から抜き出した生物培養液３がＭＮＢを含有しているため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　＜第６実施形態（図６）＞
　図６を参照しながら本発明の第６実施形態について説明する。
　第６実施形態の生物反応装置は、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段として、第２手段及び第３手段を併用したものである。
　第６実施形態も、第１実施形態乃至第５実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　通常は、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、次のような工程により生物反応を行う。
ａ）培地又は反応原料１をＭＮＢ発生装置６ｂに供給して空気ＡのＭＮＢを含有させ、この空気ＡのＭＮＢを含有する培地又は反応原料Ｄを培養槽２に供給する。
ｂ）培養槽撹拌機７で撹拌し、ＭＮＢ発生装置６ｃで空気ＡのＭＮＢを含有させた生物培養液Ｅを培養槽２に供給しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。ＭＮＢ発生装置６ｃへの生物培養液３の供給は、ポンプ９により培養槽２から生物培養液３を抜き出して行う。
ｃ）上記ｂ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出し、空気ＡのＭＮＢを含有する生物培養液をろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｅ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　また、培養槽２中の培養液及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整したり、新たに培地又は反応原料１、微生物等を培養槽２に供給する等の操作を適宜行うことができる。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、バルブ１０を閉として、ろ過液Ｂの培養槽２への還流を止め、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）増殖を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から生物培養液３を連続して抜き出し、ろ過器４に供給する。この際には、ＭＮＢ発生装置６ｃにより、培養槽２中の生物培養液３に空気ＡのＭＮＢを含有させる。
ｂ）ろ過器４において、生物培養液を、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢを含有する微生物等濃縮液Ｃを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高い生物培養液を、ろ過器４を介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では培養槽２から抜き出した生物培養液３がＭＮＢを含有しているため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　＜第７実施形態（図７）＞
　図７を参照しながら本発明の第７実施形態について説明する。
　第７実施形態の生物反応装置は、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液を、ＭＮＢを含有するものとする手段として、第４手段を用いたものである。
　第７実施形態も、第１実施形態乃至第６実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　まず、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　通常は、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、次のような工程により生物反応を行う。
ａ）培養槽撹拌機７で撹拌しながら、培養槽２に収納した、培地又は反応原料１及び微生物等を含有する生物培養液３において生物反応を行わせる。
ｂ）上記ａ）の反応を行わせながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出して、ろ過器４に供給し、反応生成物を含むろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｃ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢ発生装置６ｄで空気ＡのＭＮＢを含有させた微生物等濃縮液Ｆを培養槽２に還流する。
　また、培養槽２中の培養液及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整したり、新たに培地又は反応原料１、微生物等を培養槽２に供給する等の操作を適宜行うことができる。
　つぎに、微生物等の増殖若しくは濃縮を目的とする生物反応を行う場合について説明する。
　第１段階として、微生物等が適正量に増殖するまでの間は、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様の工程で操作を行う。ろ過液Ｂを分離・回収することにより、微生物等の生物反応により生じる有機酸等の副生物をろ過液Ｂと共に回収することができる。この第１段階では、上記微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応と同様に、バルブ１０及びバルブ１１の開閉を調整して培養槽２に還流するろ過液Ｂの量を調整することができる。
　第２段階として、微生物等が適正量に増殖した後は、培地又は反応原料１の培養槽２への供給を停止すると共に、バルブ１０を閉として、ろ過液Ｂの培養槽２への還流を停止して、次のような工程により微生物等の濃縮・回収を行う。
ａ）微生物等の増殖を行いながら、ポンプ８を駆動して培養槽２から反応後の生物培養液３を連続して抜き出して、ろ過器４に供給し、ろ過液Ｂと微生物等濃縮液Ｃとに分離する。
ｂ）ろ過液Ｂをろ過液貯槽５に回収すると共に、ＭＮＢ発生装置６ｄで空気ＡのＭＮＢを含有させた微生物等濃縮液Ｆを培養槽２に還流する。
　このように、第２段階では、微生物等の濃度が高くなった生物培養液を、ろ過器４及びＭＮＢ発生装置６ｄを介して培養槽２の外に循環させることとなるが、本発明では、ろ過器４おいて分離された微生物等濃縮液ＣにＭＮＢ発生装置６ｄで空気ＡのＭＮＢを含有させた微生物等濃縮液Ｆを培養槽２に還流するため、ろ過膜の目詰まりを抑制でき、また、循環経路において微生物等に酸素を十分に供給することができ、ひいては微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。
　＜第８実施形態（図８）＞
　図８を参照しながら、本発明の第８実施形態について説明する。
　第８実施形態の生物反応装置は、本発明の第２実施形態において、培養槽２に還流するろ過液ＢにｐＨ調整剤１２を添加する手段を設けたものである。ｐＨ調整剤１２の添加量を調整することにより、培養槽２中の生物培養液３のｐＨを微生物等に適した範囲に調整することができる。
　第８実施形態も、第２実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　第２実施形態においては、通常、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、生物反応が行われるが、培養槽２中の生物培養液３及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０を開として、ろ過器４で分離されたろ過液Ｂの一部又は全部を培養槽２に還流することが行われる。
　その際、第８実施形態では、次のような工程によりｐＨ調整剤１２の添加を行う。
ａ）バルブ１０を閉、バルブ１１を開として生物反応が行われている状態から、バルブ１０を開として、ろ過器４で分離されたろ過液Ｂの一部又は全部をｐＨ調整剤混合槽１３に供給する。
ｂ）ｐＨ調整剤混合槽１３中のろ過液Ｂに、培養槽２中の生物培養液３のｐＨを微生物等に適した範囲に調整するために必要な量のｐＨ調整剤１２（酸、アルカリ等）を添加する。
ｃ）ｐＨ調整剤１２が添加されたろ過液Ｂを、培養槽２に還流する。
　培養槽２中の生物培養液３に直接酸、アルカリ等のｐＨ調整剤を添加した場合には、局所的に酸／アルカリの濃度が高くなるため、微生物等にストレス・ダメージを与えることとなるが、上記のようにｐＨ調整剤の添加を行うことにより、培養槽２中の微生物等に濃度差に伴うストレス・ダメージを与えずに、培養槽２中の生物培養液３のｐＨを調整することができる。
　＜第９実施形態（図９）＞
　図９を参照しながら、本発明の第９実施形態について説明する。
　第９実施形態の生物反応装置は、本発明の第６実施形態において、培養槽２に還流するろ過液ＢにｐＨ調整剤１２を添加する手段を設けたものである。ｐＨ調整剤１２の添加量を調整することにより、培養槽２中の生物培養液３のｐＨを微生物等に適した範囲に調整することができる。
　第９実施形態も、第６実施形態と同様に、微生物等による反応生成物の生成を目的とする生物反応（発酵・醸造）、微生物等の増殖若しくは濃縮（培養）を目的とする生物反応のいずれにも用いることができる。
　第９実施形態においては、通常、バルブ１０を閉、バルブ１１を開とし、生物反応が行われるが、培養槽２中の生物培養液３及び微生物等の量あるいは濃度を一定に保つために、バルブ１０を開として、ろ過器４で分離されたろ過液Ｂの一部又は全部を培養槽２に還流することが行われる。
　その際、第９実施形態では、次のような工程によりｐＨ調整剤１２の添加を行う。
ａ）バルブ１０を閉、バルブ１１を開として生物反応が行われている状態から、バルブ１０を開として、ろ過器４で分離されたろ過液Ｂの一部又は全部をｐＨ調整剤混合槽１３に供給する。
ｂ）ｐＨ調整剤混合槽１３中のろ過液Ｂに、培養槽２中の生物培養液３のｐＨを微生物等に適した範囲に調整するために必要な量のｐＨ調整剤１２（酸、アルカリ等）を添加する。
ｃ）ｐＨ調整剤１２が添加されたろ過液Ｂを、培養槽２に還流する。
　培養槽２中の生物培養液３に直接酸、アルカリ等のｐＨ調整剤を添加した場合には、局所的に酸／アルカリの濃度が高くなるため、微生物等にストレス・ダメージを与えることとなるが、上記のようにｐＨ調整剤の添加を行うことにより、培養槽２中の微生物等に濃度差に伴うストレス・ダメージを与えずに、培養槽２中の生物培養液３のｐＨを調整することができる。
　以上に説明したように、本発明の生物反応装置及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法では、ＭＮＢを含有させた生物培養液をろ過器でろ過することにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減しつつ、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量を高く維持でき、生物培養液のろ過及び循環を適切に行うことができ、これにより、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができる優れたものである。
　また、本発明では、生物培養液にＭＮＢを含有させる手段として、第１手段と共に、第２手段乃至第４手段に１つ又は複数の手段を併用することにより、短時間で、培養槽中の生物培養液のＭＮＢの含有量を適正な値とすることができる。
　また、本発明では、生物培養液に含有させるＭＮＢとして、酸素濃度を高めた空気から形成されたＭＮＢを用いることにより、培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、生物培養液が含有するＭＮＢの量を減少させても、ＭＮＢ状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を、培養槽中の微生物等に供給できるため、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減し微生物等の活性を維持することができると共に、生物培養液の循環に要するエネルギー、ＭＮＢ発生装置の駆動に要するエネルギーを減じることができる。
　また、本発明では、１）培養槽から生物培養液を抜き出すためのポンプ、２）ＭＮＢ発生装置からろ過器にＭＮＢを含有させた生物培養液を供給するためのポンプ、及び３）培養槽にろ過液を除いた生物培養液を還流するためのポンプといった微生物等を含有する液体を搬送するポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないダイアフラムポンプ、チューブポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを用いることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層低減し微生物等の活性を一層維持することができる。
　また、本発明では、ろ過液を培養槽に還流する管路に、ｐＨ調整剤を添加する手段を備え、培養槽に還流するろ過液に、酸、アルカリ等のｐＨ調整剤を添加することにより、培養槽中の微生物等に濃度差に伴うストレス・ダメージを与えずに、培養槽中の生物培養液のｐＨを調整することができる。
　次に、本発明の特徴である、培養槽から抜き出されろ過器に供給される生物培養液にＭＮＢを含有させるとの特徴により発揮される、ろ過膜の目詰まりが抑制できる等の作用効果について実験例・比較実験例を用いて説明するが、本発明はこれら実験例・比較実験例により限定されるものではない。
　＜実験例１～５及び比較実験例１～５＞
　ろ過器として、多数の中空糸膜を束ねて筒状のカートリッジに収納したろ過器（旭化成社製、商品名「マイクローザＭＦ　ＵＳＰ－３４３」）を用い、このろ過器に培養液［微生物等としてコリネ型細菌（コリネバクテリウムグルタミカム）の標準株を濁度（ＯＤ６６０の値）：６０で含有］を供給し、このろ過器に供給する培養液の圧力及び流量を調整することにより、各中空糸膜の内部と外部との平均圧力差（以下、「膜間差圧」という。）、各中空糸膜の内部を流れる培養液の平均流速（以下、「循環流速」という。）を所定の値に調整して、ろ過器によるろ過速度を測定した。
　実験例１～３及び比較実験例１～３では、膜間差圧を０．１ＭＰａに設定し、循環流速を変化させてろ過速度を測定した。また、実験例４～５及び比較実験例４～５では、膜間差圧を０．２ＭＰａに設定し、循環流速を変化させてろ過速度を測定した。
　ろ過速度は、ろ過開始当初はコリネ型細菌等が中空糸膜の細孔に詰まる作用により徐々に低下していくが、やがて、この詰まる作用と培養液の流れによる詰まりを剥がす作用とが平衡状態となり、ろ過速度が安定する（以下、この状態を「第１安定状態」といい、またこの状態でのろ過速度を「ＭＮＢ無ろ過速度」という。）。つぎに、この第１安定状態において、ろ過器に供給される培養液に、ＭＮＢ発生装置（ＯＫエンジニアリング社製、商品名：ＯＫＥ－２５Ｌ）を用いＭＮＢを吹き込むと、ろ過速度が徐々に上昇した後、上記２つの作用が再び平衡状態となり、ろ過速度は再び安定する（以下、この状態を「第２安定状態」といい、またこの状態でのろ過速度を「ＭＮＢ有ろ過速度」という。）。
　なお、実験例１～５及び比較実験例１～５において使用したＭＮＢ発生装置はノズル方式のものであり、ろ過器に供給される培養液の流速と、この培養液が含有するＭＮＢの濃度とは正の相関関係を有する。
　＜実験例１＞
　膜間差圧が０．１Ｍｐａ、循環流速が０．１９ｍ／ｓとなるようにろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ有ろ過速度は５０．３Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜比較実験例１＞
　実施例１と同じ膜間差圧及び循環流速でろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ無ろ過速度は２７．４Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜実験例２＞
　膜間差圧が０．１Ｍｐａ、循環流速が０．３３ｍ／ｓとなるようにろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ有ろ過速度は５９．２Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜比較実験例２＞
　実施例２と同じ膜間差圧及び循環流速でろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ無ろ過速度は４３．０Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜実験例３＞
　膜間差圧が０．１Ｍｐａ、循環流速が０．５１ｍ／ｓとなるようにろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ有ろ過速度は７３．６Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜比較実験例３＞
　実施例３と同じ膜間差圧及び循環流速でろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ無ろ過速度は６７．０Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　実験例１～３及び比較実験例１～３の結果を、表１に整理して示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　＜実験例４＞
　膜間差圧が０．２Ｍｐａ、循環流速が０．３３ｍ／ｓとなるようにろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ有ろ過速度は７９．５Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜比較実験例４＞
　実施例４と同じ膜間差圧及び循環流速でろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ無ろ過速度は４３．６Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜実験例５＞
　膜間差圧が０．２Ｍｐａ、循環流速が０．５１ｍ／ｓとなるようにろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ有ろ過速度は１０２．８Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　＜比較実験例５＞
　実施例５と同じ膜間差圧及び循環流速でろ過器に培養液を供給したところ、ＭＮＢ無ろ過速度は７７．７Ｌ／ｍ２／ｈであった。
　実験例４～５及び比較実験例４～５の結果を、表２に整理して示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　実験例１～５及び比較実験例１～５の結果から明らかなように、ろ過器に供給する培養液にＭＮＢを含有させることにより、中空糸膜の目詰まりが抑制でき、ろ過速度を高く維持できることがわかる。
　また、表３は、実験例１～３及び比較実験例１～３の結果を、循環流速（ｍ／ｓ）を横軸、ろ過速度（Ｌ／ｍ２／ｈ）を縦軸としてプロットしたものである。上側の折れ線（実験例１→２→３）及び下側の折れ線（比較実験例１→２→３）で示されるように、ろ過器に供給される培養液にＭＮＢを含有させることにより発揮されるろ過膜の目詰まり抑制効果は、循環流速が低い（微生物等に与えるストレス・ダメージが少ない）ほど、顕著に発現することがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　１　　　　　培地又は反応原料
　２　　　　　培養槽
　３　　　　　生物培養液
　４　　　　　ろ過器
　５　　　　　ろ過液貯槽
　６ａ～６ｄ　ＭＮＢ発生装置
　７　　　　　培養槽撹拌機
　８、９　　　ポンプ
　１０、１１　バルブ
　１２　　　　ｐＨ調整剤
　１３　　　　ｐＨ調整剤混合槽
　Ａ　　　　　空気
　Ｂ　　　　　ろ過液
　Ｃ　　　　　微生物等濃縮液
　Ｄ　　　　　空気ＡのＭＮＢを含有させた培地又は反応原料
　Ｅ　　　　　空気ＡのＭＮＢを含有させた生物培養液
　Ｆ　　　　　空気ＡのＭＮＢを含有させた微生物等濃縮液
　１０１　　　発酵反応槽
　１０２　　　分離膜エレメント
　１１１　　　発酵培養液循環ポンプ
　１１２　　　膜分離槽
　２０７　　　培養槽
　２１０　　　菌体ろ過器
　２１５　　　ＭＮＢ発生槽
　２１６　　　ＭＮＢ発生機
　３０４　　　原水供給ライン
　３０６　　　水供給ポンプ
　３１１　　　膜モジュール
　３１７　　　原水及び／又は濃縮循環水ライン

Claims (13)

  1. 　培地又は反応原料及び微生物又は細胞を含有する生物培養液を収容する培養槽、該培養槽から抜き出した生物培養液をろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離するろ過器、該ろ過液を回収する管路、及び該ろ過液を除いた生物培養液を前記培養槽に還流する管路を備えた生物反応装置であって、
    　前記ろ過器に供給される生物培養液を、マイクロナノバブルを含有するものとするマイクロナノバブル発生装置を備えることを特徴とする、微生物若しくは細胞による反応生成物の生成、又は、微生物若しくは細胞の増殖若しくは濃縮を行う生物反応装置。
  2. 　前記生物反応装置が、さらに、前記ろ過液を前記培養槽に還流する管路を備えることを特徴とする、請求項１に記載の生物反応装置。
  3. 　前記マイクロナノバブル発生装置が、生物培養液を前記培養槽から抜き出し前記ろ過器に供給する経路に設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の生物反応装置。
  4. 　前記マイクロナノバブル発生装置が、前記培地又は反応原料を前記培養槽に供給する経路、前記培養槽、及び前記ろ過液を除いた生物培養液を前記培養槽に還流する管路の少なくとも１箇所に設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の生物反応装置。
  5. 　前記マイクロナノバブル発生装置が、生物培養液を前記培養槽から抜き出し前記ろ過器に供給する経路、並びに前記培地又は反応原料を前記培養槽に供給する経路、前記培養槽、前記ろ過液を除いた生物培養液を前記培養槽に還流する管路の少なくとも１箇所に設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の生物反応装置。
  6. 　前記マイクロナノバブルが、酸素濃度を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルであることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の生物反応装置。
  7. 　前記酸素濃度を高めた空気の酸素含有率が２５～４０％であることを特徴とする、請求項６に記載の生物反応装置。
  8. 　前記酸素濃度を高めた空気が、空気を酸素富化膜に通過させることにより得られたものであることを特徴とする、請求項６又は７に記載の生物反応装置。
  9. 　前記酸素濃度を高めた空気が、ＰＳＡ法、ＶＳＡ法及び化学吸着法のいずれかにより生成した酸素と、空気とをラインミキサー等で混合させることにより得られたものであることを特徴とする、請求項６又は７に記載の生物反応装置。
  10. 　前記培養槽から生物培養液を抜き出すためのポンプ等の微生物又は細胞を含有する生物培養液を搬送するポンプとして、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを用いることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の生物反応装置。
  11. 　前記容積式ポンプがチューブポンプであることを特徴とする、請求項１０に記載の生物反応装置。 
  12. 　前記ろ過液を前記培養槽に還流する管路に、ｐＨ調整剤を添加する手段を備えることを特徴とする、請求項２～１１のいずれかに記載の生物反応装置。
  13. 　請求項１～１２のいずれかに記載の生物反応装置により、微生物若しくは細胞による反応生成物の生成、又は、微生物若しくは細胞の増殖若しくは濃縮を行うことを特徴とする、生物反応方法。
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