(57)【要約】【課題】製造プロセスの状況をより適切に把握する。【解決手段】所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する方法であって、製造プロセスの進行に応じて原料又は目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する第１のステップと、第１のステップにおいて得られた吸光度スペクトルから、測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する第２のステップと、第２のステップにおいて抽出された特徴量に基づいて製造プロセスの制御を行う第３のステップと、を有する。これにより、測定対象物の吸光度スペクトルから測定対象物の特徴を示す特徴量が２つ以上抽出され、これらに基づいて製造プロセスの状況をより正確に把握することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する方法であって、
前記製造プロセスの進行に応じて前記原料又は前記目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する第１のステップと、
前記第１のステップにおいて得られた前記吸光度スペクトルから、前記測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する第２のステップと、
前記第２のステップにおいて抽出された特徴量に基づいて前記製造プロセスの制御を行う第３のステップと、
を有することを特徴とする有機物製造方法。
【請求項２】
前記製造プロセスは、微生物による発酵であることを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項３】
前記製造プロセスは、動物細胞の培養であることを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項４】
前記製造プロセスは、植物細胞の培養であることを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項５】
前記製造プロセスは、微生物の培養であることを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項６】
前記製造プロセスは、化学反応であることを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項７】
前記第１のステップにおいて、前記測定対象物の吸光度スペクトルを時間を空けて複数回取得し、
前記第２のステップにおいて、前記第１のステップにおいて取得された複数の前記吸光度スペクトルから、前記測定対象物の特徴を示す２つ以上の特徴量の時間変化を求め、
前記第３のステップにおいて、前記第２のステップにおいて求められた前記特徴量の時間変化に基づいて前記製造プロセスの制御を行うことを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項８】
前記第２のステップにおいて、前記吸光度スペクトルの２階微分を用いて前記特徴量を抽出することを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項９】
前記第２のステップにおいて、前記吸光度スペクトルの多変量解析を用いて前記特徴量を抽出することを特徴とする請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項１０】
前記広帯域光として、少なくとも１０００〜２５００ｎｍの波長範囲の光を含む請求項１記載の有機物製造方法。
【請求項１１】
所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する際に当該製造プロセスの進行をモニタする有機物製造プロセスモニタ方法であって、
前記製造プロセスの進行に応じて前記原料又は前記目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する第１のステップと、
前記第１のステップにおいて得られた前記吸光度スペクトルから、前記測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する第２のステップと、
を有することを特徴とする有機物製造プロセスモニタ方法。
【請求項１２】
所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する際に当該製造プロセスの進行をモニタする有機物製造プロセスモニタ装置であって、
前記製造プロセスの進行に応じて前記原料又は前記目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射する光源部と、
前記光源部からの光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する取得部と、
前記取得部において得られた前記吸光度スペクトルから、前記測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する分析部と、
を備えることを特徴とする有機物製造プロセスモニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物製造方法、有機物製造プロセスモニタ方法、及び有機物製造プロセスモニタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発酵や細胞培養等により有機物を含む生成物を製造する場合に製造プロセスの状況を確認する方法として、特許文献１〜４に示す方法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、波長７００〜１２００ｎｍの広帯域光を発酵乳に照射することで発酵乳の酸度を測定する方法が記載されている。また、特許文献２には、ＣＣＤカメラにより細胞の画像を取得し、この画像から培養状況を判定して培養操作を実行する装置が記載されている。また、特許文献３には、培養組織の硬さ又は弾性情報を測定する振動子によって得られた測定結果から移植適性を判別する方法が記載されている。また、特許文献４には、カメラにより細胞の画像を撮影し、得られた画像から細胞の大きさを判定して培養状態を管理する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２７３１２４号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０５２７１６号
【特許文献３】特開２００８−７６４０９号公報
【特許文献４】特開２０１０−８１８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献に記載の方法によれば、測定対象物の製造プロセスの状況を十分に把握することができなかった。
【０００６】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、製造プロセスの状況をより適切に把握することが可能な有機物製造方法、有機物製造プロセスモニタ方法、及び有機物製造プロセスモニタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る有機物製造方法は、所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する方法であって、製造プロセスの進行に応じて原料又は目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する第１のステップと、第１のステップにおいて得られた吸光度スペクトルから、測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する第２のステップと、第２のステップにおいて抽出された特徴量に基づいて製造プロセスの制御を行う第３のステップと、を有することを特徴とする。
【０００８】
上記の有機物製造方法によれば、広帯域の光を照射することにより得られる測定対象物の吸光度スペクトルから測定対象物の特徴を示す特徴量が２つ以上抽出されることから、これらに基づいて、製造プロセスの状況をより正確に把握することができる。そして、正確に把握された製造プロセスの状況に基づいて、パラメータの管理等の製造に係る制御を行うことで、有機物の製造をより効率よく行うことができる。
【０００９】
上記作用を効果的に奏する構成として、例えば、製造プロセスは、微生物の発酵による態様が挙げられる。
【００１０】
また、上記作用を効果的に奏する他の構成として、製造プロセスは、動物細胞の培養とすることもできる。また、製造プロセスは、植物細胞の培養であってもよい。また、製造プロセスは、微生物の培養であってもよい。さらに、製造プロセスは、化学反応であってもよい。
【００１１】
また、第１のステップにおいて、測定対象物の吸光度スペクトルを時間を空けて複数回取得し、第２のステップにおいて、第１のステップにおいて取得された複数の吸光度スペクトルから、測定対象物の特徴を示す２つ以上の特徴量の時間変化を求め、第３のステップにおいて、第２のステップにおいて求められた特徴量の時間変化に基づいて製造プロセスの制御を行う態様としてもよい。
【００１２】
ここで、第２のステップにおいて、吸光度スペクトルの２階微分を用いて特徴量を抽出する態様とすることもできる。また、第２のステップにおいて、吸光度スペクトルの多変量解析を用いて特徴量を抽出する態様とすることもできる。
【００１３】
また、広帯域の光として、少なくとも１０００〜２５００ｎｍの波長範囲の光を含む態様とすることもできる。
【００１４】
なお、本発明は、有機物製造プロセスモニタ方法に係る発明としても記述することができる。すなわち、本発明に係る有機物製造プロセスモニタ方法は、所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する際に当該製造プロセスの進行をモニタする有機物製造プロセスモニタ方法であって、製造プロセスの進行に応じて原料又は目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する第１のステップと、第１のステップにおいて得られた吸光度スペクトルから、測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する第２のステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る有機物製造プロセスモニタ装置は、所定の製造プロセスにより原料から有機物を含む目的生成物を製造する際に当該製造プロセスの進行をモニタする有機物製造プロセスモニタ装置であって、製造プロセスの進行に応じて原料又は目的生成物の量が変化する測定対象物に対して広帯域の光を照射する光源部と、光源部からの光を照射することにより当該測定対象物から出射される透過光又は拡散反射光を受光し、当該測定対象物の吸光度スペクトルを取得する取得部と、取得部において得られた吸光度スペクトルから、測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する分析部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、製造プロセスの状況をより適切に把握することが可能な有機物製造方法、有機物製造プロセスモニタ方法、及び有機物製造プロセスモニタ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る有機物製造プロセスモニタ装置を説明する概略構成図である。
【図２】有機物製造プロセスモニタ装置による測定の結果得られた吸光度スペクトルを２階微分したものである。
【図３】全糖濃度と波長１２００ｎｍ付近における吸光度スペクトルの２階微分極小値との相関関係を求めた結果である。
【図４】エタノール濃度と波長１７００ｎｍ付近における吸光度スペクトルの２階微分極小値との相関関係を求めた結果である。
【図５】発酵液中のエタノール濃度及び糖濃度の時間変化の一例を示したものである。
【図６】培地に対するグルコース溶液の割合を変化させて測定した結果得られた吸光度スペクトルを２階微分したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る有機物製造プロセスモニタ装置を説明する概略構成図である。図１に示すように、有機物製造プロセスモニタ装置１００は、光源部１、近赤外分光センサ２（取得部）、分析部３を含んで構成される。また、図１の発酵槽４は原料から目的生成物を製造する装置の一部であり、セル５及びチューブ６は、発酵槽４内の測定対象物を運搬して有機物製造プロセスモニタ装置１００で測定を行うために発酵槽４に取り付けられた機構である。
【００２０】
有機物製造プロセスモニタ装置１００は、所定の製造プロセスによって原料から目的生成物を得る有機物製造方法において、製造プロセスの進行状況をモニタするために用いられる装置である。ここでの目的生成物とは有機物であり、製造プロセスとしては、微生物による発酵、動物細胞・植物細胞・微生物（細菌・酵母）の培養、化学反応等が挙げられる。なお、以下の実施形態では、製造プロセスが発酵である場合について説明する。
【００２１】
有機物製造プロセスモニタ装置１００では、製造プロセスの進行に応じて原料又は目的生成物の量が変化する測定対象物に含まれる成分の評価を行うことで、製造プロセスの進行状況を評価する機能を有する。製造プロセスが微生物による発酵の場合、製造プロセスが進むにつれて原料である糖質が分解されて目的生成物（例えば、アルコール）が製造されるので、測定対象物として原料と目的生成物との混合物を用いることができる。また、プロセスが動物細胞・植物細胞・微生物（細菌・酵母）の培養の場合、製造プロセスが進むにつれて、培地の栄養分が細胞・微生物によって消費されるので、測定対象物として、栄養分が含まれる培地を用いることができる。また、プロセスが化学反応である場合、製造プロセスが進むにつれて反応前の物質が減少し、反応後の物質が増加すると考えられるので、測定対象物として反応前後の物質を用いることができる。
【００２２】
次に、有機物製造プロセスモニタ装置１００を構成する各部について説明する。
【００２３】
光源部１は、広帯域の光を出射する。光源部１が出射する光には、波長帯域１０００〜２５００ｎｍの光が含まれる。
【００２４】
光源部１から出射された光Ｌは、測定対象物が収容された光透過性のセル５を透過した後、近赤外分光センサ２により受光される。近赤外分光センサ２では、測定対象物からの光Ｌを受光した後分光して波長毎の透過光強度を測定することで、吸光度スペクトル（透過スペクトル）が得られる。この吸光度スペクトルに係る情報は、近赤外分光センサ２から分析部３へ送られる。なお、本実施形態では、測定対象物を透過した光を近赤外分光センサ２により受光する構成としているが、測定対象物からの反射光を受光して反射スペクトルを取得する構成としてもよい。
【００２５】
なお、本実施形態に係る有機物製造プロセスモニタ装置１００においては、測定対象物は発酵槽４に貯留されている構成について説明する。発酵槽４では、製造プロセスである発酵が行われていて、槽内では原料と目的生成物とが混合している。そして、発酵槽４の内容物の一部がチューブ６によりセル５に送られて、セル５を通過した後再び発酵槽４に戻される構成となっている。この構成は有機物製造プロセスモニタ装置１００によるモニタ対象の製造プロセス等に応じて適宜変更される。
【００２６】
分析部３では、近赤外分光センサ２からの吸光度スペクトルを分析して、測定対象物の特徴を示す特徴量を２つ以上抽出する処理が行われる。ここで抽出される特徴量としては、原料と目的生成物との混合比等、原料から目的生成物への製造プロセスの進行状況を評価することができる成分の量、反応阻害物の成分量、ｐＨが挙げられる。また、上記の特徴量を抽出する方法としては、吸光度スペクトルの２階微分を用いる方法、吸光度スペクトルを標準正規変量変換する方法、及び吸光度スペクトルの多変量解析を用いる方法が挙げられる。このように、特徴量を抽出するために吸光度スペクトルに対して統計的な処理を行ってもよい。
【００２７】
これらの方法により得られた特徴量を評価する方法としては、例えば、混合物に含まれる測定対象となる成分の濃度と吸光度スペクトルにおける特徴量との対応関係を予め保持しておき、吸光度スペクトルにおける特徴量から測定対象となる成分の濃度を推測する方法が挙げられる。また、特徴量が予め定められた閾値を超えているかの判断により製造プロセスが所定の段階まで進んでいるか評価する方法等を用いることもできる。また、有機物製造プロセスモニタ装置１００により、時間を空けて吸光度スペクトルを複数回取得し、得られた吸光度スペクトルそれぞれについて特徴量を抽出し、その変動を評価することで、時間経過による製造プロセスの進行をモニタすることも可能となる。
【００２８】
また、有機物製造プロセスモニタ装置１００によって得られた特徴量に基づいて、製造プロセスの制御を行うこともできる。すなわち、上記の有機物製造プロセスモニタ装置１００を用いて有機物を製造する有機物製造方法には、測定対象物に対して光源部１から広帯域の光を照射することにより測定対象物から出射される透過光を近赤外分光センサ２において受光し、測定対象物の吸光度スペクトルを取得する第１のステップ、分析部３において、第１のステップにおいて得られた吸光度スペクトルから、特徴量を２つ以上抽出する第２のステップ、及び、第２のステップにおいて抽出された特徴量に基づいて製造プロセスの制御を行う第３のステップが含まれる。第３のステップとしては、例えば特徴量に基づいて発酵槽４の発酵温度や湿度等を制御することが挙げられる。このように、特徴量に基づいて製造プロセスを制御することで、製造プロセスにおける目的生成物の製造をより効率よく行うことが可能となる。
【００２９】
以下、上記の構成を有する有機物製造プロセスモニタ装置１００による測定について、実施例を参照しながら説明する。
【００３０】
（１．微生物による発酵プロセスへの適用）
図１に示す有機物製造プロセスモニタ装置１００を用い、バイオエタノール発酵液を模した測定対象物を用い、全糖濃度とエタノール濃度とを特徴量として測定した結果を示す。この実施例では、測定対象物として糖（グルコース＋キシロース）とエタノールと水とを混合した混合物を用いた。そして、混合物における全糖濃度とエタノール濃度との和を２０ｗｔ％としつつ、その比率を変えていったもの（全糖濃度２０ｗｔ％＋エタノール濃度０ｗｔ％から全糖濃度０ｗｔ％＋エタノール濃度２０ｗｔ％まで）を準備し、それぞれについて有機物製造プロセスモニタ装置１００を用いて１１５０ｎｍ〜１７５０ｎｍの近赤外の波長範囲における吸光度スペクトルを取得した。測定の結果得られた吸光度スペクトルを２階微分したものを図２に示す。
【００３１】
この結果、全糖濃度及びエタノール濃度の変化に応じて波長１２００ｎｍ付近及び波長１７００ｎｍ付近のピーク（吸光度の２階微分極小値）が変動することが確認された。そこで、図３に、全糖濃度と波長１２００ｎｍ付近の２階微分極小値との相関関係を求めた結果を示す。また、図４に、エタノール濃度と波長１７００ｎｍ付近の２階微分極小値との相関関係を求めた結果を示す。これらのピーク波長はそれぞれ糖及びエタノールに由来するピークを有する値である。図３及び図４の結果から、上記の波長１２００ｎｍ付近及び波長１７００ｎｍ付近を含む波長帯域での吸光度の２階微分値を利用することで、バイオエタノール水溶液中の全糖濃度とエタノール濃度の２つの特徴量の同時測定が可能となることが確認された。
【００３２】
また、製造プロセスの進行中に時間を空けて複数回測定を行うことにより、発酵液中の原料及び目的生成物の濃度をリアルタイムに検出でき、バイオエタノール発酵プロセスにおけるパラメータを管理することができる。バイオエタノール発酵の場合、検出した糖濃度・エタノール濃度を参考にすることで、発酵温度、湿度等の製造パラメータを調整し、効率の良い発酵環境を実現することができる。図５は、発酵液中のエタノール濃度及び糖濃度の時間変化の一例を示したものである。図５に示すように、所定時間毎にバイオエタノール発酵液中の成分濃度を測定し、その推移を観察することで、発酵プロセスの進行状況を確認して発酵プロセスの制御を行うことが可能となる。
【００３３】
（２．培養プロセスへの適用）
上記実施形態に係る有機物製造プロセスモニタ方法の実施例として、動物細胞の培養に用いる培地中に含まれるグルコース量の変動を管理する場合について以下に説明する。
【００３４】
動物細胞、植物細胞、又は微生物等を利用する有機物の製造プロセスでは、これらを一定期間培養した後に回収して目的の物質を得る工程が一般的である。この製造工程においては、細胞・微生物の栄養源となる培地の養分が適切な量に管理されているかが目的物質の収率を左右する。例えば、動物細胞は一般に糖をエネルギー源としていることから、培養に伴い消費される培地中の糖分量を適切な濃度となるようコントロールする必要がある。
【００３５】
そこで、培地にグルコース溶液を一定の割合で添加したものを測定対象物として、本実施形態に係る方法を用いて吸光度スペクトルを取得した。ここでは、培地１に対するグルコース溶液の割合を１，３，４と変化させたもの、培地のみ、及び、グルコース溶液のみ、の５種類の混合物を作成し、それぞれについて吸光度スペクトルを取得した。その結果を図６に示す（図６では、吸光度スペクトルを２階微分した後のスペクトルを示している）。
【００３６】
図６に示すように、グルコース溶液の添加量（培地に対するグルコース溶液の濃度）の変化に伴って波長２１００ｎｍの近傍でスペクトルのピーク値が変動する様子が確認された。このピーク波長はグルコースに特有の値である。したがって、波長２１００ｎｍ近隣のピークの値と培地中のグルコース濃度とを互いに関連付けることで培養プロセスの管理を行うことが可能である。同様に、他の培地中の成分又は細胞からの生成物質の濃度とスペクトルとの関連性を利用することで、様々な原料及び目的生成物に対して上記の製造プロセスモニタを適用することが可能である。なお、上記実施形態では、１つの特徴量（グルコース濃度）のみについて説明しているが、他の特徴量（例えば、細胞数に応じて変動する細胞からの生成物質の濃度等）を同時に測定することで、より正確な評価を行うことができる。
【００３７】
（３．化学反応プロセスへの適用）
上記実施形態に係る有機物製造プロセスモニタ方法の実施例として、ポリ乳酸製造プロセスにおける適用について以下に説明する。
【００３８】
ポリ乳酸は原料となる乳酸を加熱などにより脱水縮合することで製造される。縮合してできたポリ乳酸は、ＯＨ価、含水量、結晶化度といったパラメータで評価することができる。これらのパラメータは、ポリ乳酸に広帯域光を照射して取得される吸光度スペクトルを測定することで、同時に定量することができる。
【００３９】
一例としてＯＨ価と含水量とを同時に定量する例を説明する。ＯＨ価は乳酸構造内部のＯＨ基振動ピーク値と互いに関連付けることができ、含水量は水のＯＨ基振動ピーク値と互いに関連付けることができる。本実施形態に係る有機物製造プロセスモニタ方法で用いられる光の波長帯域においては、乳酸構造内のＯＨ基振動ピークと水のＯＨ基振動ピークとは互いに異なるピークとして検出される。したがって、これらのピークを利用して特徴量を抽出することで、ＯＨ価と含水量とを同時に且つ個別に定量することが可能になる。
【００４０】
さらに、上記実施形態では、有機物製造プロセスをモニタする際に測定対象物に対して広帯域光を照射することで得られる吸光度スペクトルを利用することから、縮合環境に対して非接触、非侵襲、そしてリアルタイムに上記の特徴量を得ることができる。そして、上記実施形態の有機物製造プロセスモニタ方法により得られる上記の特徴量を利用することで、縮合反応における加熱条件の最適化などのプロセス管理が可能になる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず種々の変更をすることができる。例えば、上記実施形態では、２つの特徴量について評価する場合について説明したが、３つ以上の特徴量を評価する構成としてもよい。この場合、より高い精度で製造プロセスの状況を把握することができると考えられる。
【符号の説明】
【００４２】
１…光源部、２…近赤外分光センサ、３…分析部、４…発酵槽、５…セル、６…チューブ、１００…有機物製造プロセスモニタ装置。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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