(57)【要約】【課題】  生物反応中に微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減し、微生物等を用いた生物反応が効率的かつ経済的に行える生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法を提供する。【解決手段】  微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、前記培養槽から抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた後に前記培養槽に還流する生物培養液の量を、１分間当たり、前記培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満とすると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、培養槽における前記生物培養液の上部の気相の酸素分圧を０．２３気圧以上０．６気圧未満とすること、および／または、前記培養槽における前記生物培養液の上部の気相の圧力を１．１気圧以上３．０気圧未満とすることにより補償する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液および好気性または通性嫌気性微生物を含有する生物培養液を収容する培養槽と、該培養槽から抜き出した生物培養液にマイクロナノバブルを含有させるマイクロナノバブル発生装置と、
該マイクロナノバブルを含有させた生物培養液を前記培養槽に還流する管路と、
を備える生物反応装置であって、
前記培養槽から抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた後に前記培養槽に還流する生物培養液の量を、１分間当たり、前記培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満とすると共に、
前記培養槽における前記生物培養液の上部の気相の酸素分圧を０．２３気圧以上０．６気圧未満とすること、および／または、前記培養槽における前記生物培養液の上部の気相の圧力を１．１気圧以上３．０気圧未満とすることを特徴とする、生物反応装置。
【請求項２】
前記マイクロナノバブルが、酸素含有率を２３％以上６０％未満とした気体から形成されることを特徴とする、請求項１に記載の生物反応装置。
【請求項３】
前記マイクロナノバブル発生装置が、前記培養槽から抜出ポンプあるいは還流ポンプを使用して抜き出した生物培養液に、マイクロナノバブルを含有させて培養槽へ還流させるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の生物反応装置。
【請求項４】
前記培養槽と前記マイクロナノバブル発生装置との間に、前記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を配置し、
該ろ過液に、前記マイクロナノバブル発生装置によりマイクロナノバブルを含有させると共に、
該ろ過液を除いた生物培養液および該マイクロナノバブルを含有させたろ過液を、それぞれ、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１〜３のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項５】
前記培養槽と前記マイクロナノバブル発生装置との間にろ過器を配置せず、前記培養槽から抜き出した生物培養液に直接、前記マイクロナノバブルを含有させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項６】
前記マイクロナノバブル発生装置が、水流を用いて駆動する方式のもの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。
【請求項７】
前記生物培養液を前記培養槽から抜き出すためのポンプおよび／または前記マイクロナノバブルを含有させた生物培養液を培養槽に還流するためのポンプとして、チューブポンプ、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１〜６のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項８】
前記容積式ポンプとしてチューブポンプを用いることを特徴とする、請求項７に記載の生物反応装置。
【請求項９】
前記酸素含有率を高めた空気が、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２〜８のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１０】
前記酸素含有率を高めた空気が、ＰＳＡ法、ＶＳＡ法、深冷分離法およ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２〜８のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１１】
前記培養槽に供給される培養液に、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させ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、請求項１〜１０のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１２】
前記培養槽中の生物培養液に、酸素含有率を高めた空気から形成されたマイクロナノバブルを含有させ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、請求項１〜１１のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１３】
前記請求項１〜１２のいずれかに記載の生物反応装置により、好気性または通性嫌気性微生物の反応生成物を得る、あるいは、好気性または通性嫌気性微生物を増殖させることを特徴とする、生物反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好気性または通性嫌気性微生物（以下、「微生物等」ともいう。）を培養して、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させる生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法に関し、微生物等を含有する生物培養液に、酸素含有率を高めた気体から形成されたマイクロナノバブル（以下、「マイクロナノバブル」を「ＭＮＢ」、「ナノバブル」を「ＮＢ」、「酸素含有率を高めた気体から形成されたマイクロナノバブル」を「酸素富化ＭＮＢ」という場合がある。）を含有させることによって、生物反応を効率的に行うことを特徴とするものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
しかし、生物反応は、一般的に反応が遅いという問題があった。すなわち、化学反応は、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または特に長い場合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。
【０００４】
生物反応を効率化する技術として、特許文献１〜３には、微生物等の培養において、培養液中に、空気から形成されたＭＮＢあるいはＮＢを存在させることにより、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。
【０００５】
具体的には、特許文献１には、培養液を培養槽に供給する前段階で、培養液に空気のＭＮＢおよびＮＢを混合することが記載されており、また、特許文献２には、培養液を培養槽に供給する前段階で、空気のＭＮＢを混合することが記載されている。また、特許文献３には、バッチ方式において、培養槽から培養液を抜き出し、菌体ろ過器でろ過してろ過液を得て、このろ過液に空気のＭＮＢを混合して培養槽に還流することが記載されている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１〜２に開示されるような、培養槽に供給する培養液に空気のＭＮＢ、ＮＢを含有させる装置では、生物反応の初期段階においては培養槽中の培養液に適正量のＭＮＢおよび／またはＮＢを含有させることができるものの、長期に渡る生物反応全体において、培養槽中の培養液のＭＮＢおよび／またはＮＢの含有量を適正に保つことができないため、生物反応の反応効率、反応時間の短縮等が十分に達成できない。
【０００７】
また、上記特許文献３には図８に示すように、生物反応槽としての培養槽１０７から培養液を抜き出し、菌体ろ過器１１０でろ過してろ過液を得、このろ過液にＭＮＢ発生槽１１５で、ＭＮＢ発生装置１１６により空気のＭＮＢを発生・混合して培養槽に返送する装置が記載されているが、この装置では、培養槽中の培養液のＭＮＢ含有量を適正値に維持できるが、培養液を培養槽から抜き出す工程、培養液を菌体ろ過器でろ過する工程、ろ過液を除いた培養液を培養槽に還流する工程等において、微生物等がストレス・ダメージを受けるため、微生物等の活性が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明者等は、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を、空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くすることにより、培養槽から抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた後に前記培養槽に還流する生物培養液の１分間当たりの量（以下、「還流量」ともいう。）の、培養槽に収容された生物培養液の量に対する割合（以下、「還流割合」ともいう。）を低く抑え、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量が減少しても、ＭＮＢ状態の、吸収されやすい高濃度の酸素を微生物等に供給できる、微生物等の活性が維持できる等のメリットがあることを見出し、先にＰＣＴ出願を行った。（ＰＣＴ出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０５９７２８、日本への移行出願番号：特願２０１６−５１８２０６号）
【０００９】
微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するためには、還流割合を低く抑える必要があり、これに伴い、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量が減少し生物培養液の溶存酸素濃度（以下、「溶存酸素濃度」ともいう。）が低下することとなるが、この溶存酸素濃度の低下を補償するために、本発明者等は、先の発明のような、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段だけでなく、培養槽における前記生物培養液の上部の気相（以下、「培養槽の気相」ともいう。）の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段も採用できることを見出し、本発明を成したものである。
【００１０】
本発明には、次のような大きなメリットがある。
〇還流割合を低く抑え、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量が減少しても、培養槽の気相の酸素分圧を高くすること、および／または、培養槽の気相の圧力を高くすることにより溶存酸素濃度を低下させずに維持できる。
〇還流割合を低く抑えることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、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。
〇生物培養液に含有させる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。
〇還流割合を低く抑えることに伴い、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、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好適に用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４８０５１２０号公報
【特許文献２】特許第４９５６０５２号公報
【特許文献３】特許第４１４６４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法の課題は、生物反応中に微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減し、微生物等を用いた生物反応が効率的かつ経済的に行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流量を「１分間当たり、前記培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満」と低く抑えると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、
１）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、
２）培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償することを特徴とするものである。さらに、好適には、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することもできる。
【００１４】
また、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、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好適に用いることにより、前記課題の解決を更に図ることができる。
【００１５】
なお、本発明における「還流割合（％）」、すなわち、「培養槽に収容された生物培養液の量に対する還流量の割合（％）」は、体積の割合（体積％）を意味し、また、本発明における「酸素含有率（％）」は、対象とする気体に含有される酸素の割合（モル％）を意味する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、上記１）および／または２）手段を用いることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために還流割合を低く抑えても、溶存酸素濃度を低下させずに維持でき、微生物等の活性を高めることができる。さらに、好適には、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を２３％以上６０％未満と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することにより、上記効果をより一層発揮させることができる。
【００１７】
さらに、還流割合を低く抑えることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、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。
【００１８】
さらに、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。
【００１９】
さらに、還流割合を低く抑えることに伴い、生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、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好適に用いることができるようになり、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
【００２０】
このように、本発明は、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のできる優れたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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。
【図２】第１実施形態において用いられる、水流方式のＭＮＢ発生装置の概要を示す断面図である。
【図３】第１実施形態において用いられる、酸素富化手段の概要を示す断面図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】本明細書の参考実施例・参考比較例で用いた生物反応装置を示す模式図である。
【図９】従来例である、特許文献３（特許第４１４６４７６号公報）の図１である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
まず、本発明の生物反応装置およ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およびこの生物反応装置を用いた生物反応＞
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応は、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、微生物等の増殖にも適用できるものである。
【００２４】
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培養液中において、培養液を栄養源として、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させるものである。
【００２５】
本発明における培養液としては、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、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％とするのが好ましい。また、窒素源としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウムまた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％とするのが好ましい。さらに、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。
【００２６】
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、乳酸菌等の好気性およ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およ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また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。
【００２７】
微生物等の培養液への添加濃度は、特に限定されないものの、０．５〜１０ｇ／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。
【００２８】
つぎに、本発明の生物反応装置および生物反応方法の特徴について説明する。
＜本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応において用いるＭＮＢ＞
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応において用いる「ＭＮＢ」とは、「マイクロバブル」および／または「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」は比較的長時間水中に残存する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
ＭＮＢ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」や、水流を起こして液体と気体からなる混合流体をループ状の流れとして撹拌混合し、水流によって発生した乱流により気泡が細分化する現象を利用した「ループ流式バブル発生ノズル」等を用いることができる。
【００３２】
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。
ＭＮＢ発生装置として、水流方式のものを用いると、多量のＭＮＢを経済的に発生させることができるので好ましい。
【００３３】
＜本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応の特徴＞
前述のように、本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法の特徴は、主として、
Ａ）微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流割合を低く抑えると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、１）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償すること、
Ｂ）生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、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好適に用いることにある。
【００３４】
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法の特徴について、以下に説明する。
＜第１の特徴点：溶存酸素濃度の補償＞
本発明の第１の特徴点は、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流量を「１分間当たり、培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満」と減少させると、培養槽中の生物培養液が含有するＭＮＢの量が減少し溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを、１）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段により補償することである。さらに、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することもできる。
【００３５】
上記１）の培養槽の気相の酸素分圧については、上限値は０．６気圧未満であり、０．５５気圧以下が好ましく、０．５気圧以下がより好ましく、０．４５気圧以下が最も好ましい。培養槽の気相の酸素分圧を０．６気圧以上と過度に高くすると、酸素の酸化作用により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、下限値としては、０．２３気圧以上であり、０．２５気圧以上が好ましく、０．２７気圧以上がより好ましく、０．３０気圧以上が最も好ましい。培養槽の気相の酸素分圧を０．２３気圧未満と過度に低くすると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。
【００３６】
このように、培養槽の気相の酸素分圧を、「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と高くすることにより、還流割合を低く抑えても溶存酸素濃度を低下させずに維持でき、微生物等の活性を高めることができる。
【００３７】
また、上記２）の培養槽の気相の圧力については、上限値は３．０気圧未満であり、２．７５気圧以下が好ましく、２．５気圧以下がより好ましく、２．２５気圧以下が最も好ましい。培養槽の気相の酸素分圧を３．０気圧以上と過度に高くすると、酸素の酸化作用により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、下限値としては、１．１気圧以上であり、１．２気圧以上が好ましく、１．３気圧以上がより好ましく、１．４気圧以上が最も好ましい。培養槽の気相の圧力を１．１気圧未満と過度に低くすると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。
【００３８】
このように、培養槽の気相の圧力を、「１．１気圧以上３．０気圧未満」と高くすることにより、還流割合を低く抑えても溶存酸素濃度を低下させずに維持でき、微生物等の活性を高めることができる。
【００３９】
さらに、好適には、上記１）および／または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することにより、上記効果をより一層発揮させることができる。
【００４０】
さらに、還流割合を低く抑えることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、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。
【００４１】
さらに、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。
上記本発明における、
１）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、
２）培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段、および
３）上記１）または２）の手段に好適に併用することのできる、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段について、更に詳しく説明する。
上記１）の手段については、本発明では公知の各種手段を用いることができるが、
１ａ）培養槽の気相に、常圧よりも圧力を高めた、通常組成の空気（酸素含有率：約２１％）を供給し、培養槽の気相の圧力を高くすることにより、培養槽の気相の酸素分圧を高くする手法、
１ｂ）培養槽の気相に、常圧の、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相の酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相の酸素分圧を高くする手法、および
１ｃ）培養槽の気相に、常圧よりも圧力を高め、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相の圧力および酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相の酸素分圧を高くする手法、
が好適なものとして挙げられる。
【００４２】
上記の手法においては、常圧または常圧よりも圧力を高めた、通常組成または酸素含有率を高めた空気は、直接培養槽の気相に供給することもできるし、また、ＭＮＢを形成する気体としてＭＮＢ発生装置に供給することもできる。
【００４３】
培養槽の気相の圧力を高くするには、培養槽の気相からの排気経路に公知の圧力調整バルブを取り付けること等により行うことができる。また、酸素含有率を高めた気体または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、酸素富化膜を用いるのが好ましい。
【００４４】
上記２）の手段としては公知の各種手段を採用できるが、例えば上記１ａ）および１ｃ）の手法のような、培養槽の気相に常圧よりも圧力を高めた気体を供給して、培養槽の気相の圧力を高くする手法が好適なものとして挙げられる。この手法では、常圧よりも圧力を高めた気体は、直接培養槽の気相に供給することもできるし、また、ＭＮＢを形成する気体としてＭＮＢ発生装置に供給することもできる。
【００４５】
つぎに、上記３）の手段としては、上記の公知の酸素富化手段を用いて酸素含有率を高めた気体を得て、ＭＮＢを形成する気体として用いることが好適なものとして挙げられる。
つぎに、還流割合を低く抑えることについて説明する。
培養槽から抜き出した生物培養液にＭＮＢを含有させるＭＮＢ発生装置としては、図２にその概要を示し後で説明するような、多量のＭＮＢを経済的に発生できる、水流を用いて駆動する方式（水流方式）のものを好適に用いることができるので、まず、このような水流方式のＭＮＢ発生装置を用いるケースについて説明する。
【００４６】
水流方式のＭＮＢ発生装置では、培養槽から抜き出した生物培養液が圧をかけて供給され、管路の径を絞って流速を上げる等して乱流を発生させ、ここに空気等の気体を供給する等して水流によりＭＮＢを発生させる。
【００４７】
還流割合を低く抑えることにより、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減することができるが、一方、還流割合の低下に伴い、水流方式のＭＮＢ発生装置では、ＭＮＢを発生させる駆動源である水流が弱まるため、ＭＮＢの発生量が減少し、溶存酸素濃度が低下してしまう。また、液体中に含有できるＭＮＢの量にはおのずと限界があるため、このことからも還流量の低下に伴い、培養槽から抜き出された生物培養液に毎時あたり供給できるＭＮＢの量が減少し、溶存酸素濃度が低下してしまう。このように、単に、還流割合を低く抑えることのみによっては、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うには限界があるが、培養槽の気相の酸素分圧を高めることによってこの問題を解決することができる。
【００４８】
本発明では、水流方式のＭＮＢ発生装置を用いて生物反応を効率的かつ経済的に行うため、還流割合を低く抑えることにより、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、培養槽の気相の酸素分圧を高くすることにより担保することができる。
【００４９】
還流割合の上限値は４８％未満であり、４０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、２０％以下が最も好ましい。還流割合を４８％以上と過度に大きくすると、液循環により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、還流割合の下限値は１％以上であり、１０％以上が好ましい。還流割合を１％未満と過度に小さくすると、ＭＮＢの発生量が減少しすぎるため好ましくない。
【００５０】
また、本発明においては、水流方式以外のＭＮＢ発生装置を用いる場合においても、ＭＮＢ発生装置によるＭＮＢの発生量を減少させて微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、培養槽の気相の酸素分圧を高くすることにより担保することができる。
【００５１】
さらに、本発明では、還流割合を低く抑えることに伴う溶存酸素濃度の低下を補償する手段として、培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段と併せて、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を用いることが好ましい。
【００５２】
酸素含有率を高めたＭＮＢを形成する気体を得るためには、通常、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て気体の酸素含有率を高めることが好ましく、経済的観点からは、酸素富化膜を用いるのが好ましい。
【００５３】
酸素富化ＭＮＢの酸素含有率の上限値は６０％未満であり、５５％以下が好ましく、５０％以下がより好ましく、４５％以下が最も好ましい。酸素富化ＭＮＢの酸素濃度を６０％以上と過度に大きくする、酸素の酸化作用により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、酸素富化ＭＮＢの酸素濃度の下限値は２３％以上であり、２５％以上が好ましく、２７％以上がより好ましく、３０％以上が最も好ましい。酸素富化ＭＮＢの酸素濃度を２３％未満と過度に小さくすると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。
【００５４】
＜第２の特徴：容積式ポンプ使用＞
また、本発明の第２の特徴点は、１）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いることにより、溶存酸素濃度を低下させずに維持しつつ還流割合を低く抑えることができ、これに伴い生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、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ができる。
【００５５】
このような、容積式ポンプを使用することにより、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
＜本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応の具体例＞
つぎに、上記本発明の特徴を備えた生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法について、詳細に説明する。
【００５６】
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応においては、培養槽から抜出ポンプ、還流ポンプ等を使用して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前記培養槽に還流するが、培養槽から抜き出した生物培養液に酸素富化ＭＮＢを含有させる方法として、次の２つの方法を採用することができる。
１）培養槽から抜き出した生物培養液を、ろ過器でろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離し、このろ過液に酸素富化ＭＮＢを含有させる方法。
２）ろ過器を使用せず、培養槽から抜き出した生物培養液に、直接、酸素富化ＭＮＢを含有させる方法。
【００５７】
上記１）の方法は、微生物等を実質的に含有しないろ過液に対して酸素富化ＭＮＢを吹き込むため、微生物等は、酸素富化ＭＮＢの吹き込み工程においてはストレス・ダメージを受けることはないという利点がある一方、ろ過工程においてストレス・ダメージを受ける場合がある。また、ろ過工程で分離されるろ過液は量が少ない（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）ことから、培養槽中の生物培養液に十分な量のＭＮＢを供給するためには、培養槽から抜き出す生物培養液の量を増やす、ＭＮＢの吹き込み量を増やすことが必要となる場合があり、装置の運転費用が高くなり、微生物等が受けるストレス・ダメージも増加する可能性がある。
【００５８】
上記２）の方法は、微生物等を含有する、培養槽から抜き出した生物培養液に対してＭＮＢを吹き込むため、微生物等は、ＭＮＢの吹き込み工程においてはストレス・ダメージを受ける場合があるが、上記１）の方法のように、ろ過工程においてストレス・ダメージが軽減される場合がある。また、上記１）の方法において、ＭＮＢの吹き込み量を増やす必要が生じた場合においても、上記２）の方法であれば、培養槽から抜き出した生物培養液に直接、ＭＮＢを含有されることから、生物培養液の量を増やす必要はなく、装置の運転費用が高くなったり、微生物等が受けるストレス・ダメージが増加することもない。
【００５９】
上記１）の方法を採用した生物反応装置については、図１に示す本発明の第１実施形態に基づいて説明し、上記２）の方法を採用した生物反応装置については、図４に示す本発明の第２実施形態に基づいて説明する。
【００６０】
＜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実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、次のようにして、生物培養液にＭＮＢを含有させる。
ａ）培養槽２に培養液１を供給する。
ｂ）バルブ１２を閉、バルブ１３およびバルブ１４を開として培養槽ポンプ８を駆動して、培養液、微生物等を含有する生物培養液３−１を培養槽２から抜き出し、ろ過器４に供給する。
ｃ）ろ過器４で分離された、ろ過液を除いた生物培養液Ｂ（すなわち、微生物等が濃縮された生物培養液）を、培養槽２に戻す。
ｄ）ろ過器４で分離されたろ過液Ａを、ＭＮＢ発生槽６に貯留し、ＭＮＢ発生装置７ａにより、ＭＮＢを含有させる。
ｇ）返送ポンプ９を駆動して、ＭＮＢを含有させたろ過液Ｄを、培養槽２に戻す。
ｈ）このようにして、培養槽撹拌機１１で培養槽２内の生物培養液３−１を撹拌しながら、生物反応を進める。
ｉ）生物反応が十分に進行した時期で、バルブ１３を閉、バルブ１２およびバルブ１４を開として培養槽ポンプ８を駆動し、培養槽２で生成された反応生成物をろ過液Ａと共に回収し、ろ過液貯槽５に貯える。
【００６１】
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。
【００６２】
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前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。
【００６３】
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は、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。しかしながら、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酸素富化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軽減することができる。
【００６４】
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、生物培養液に酸素富化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。
【００６５】
ろ過膜としては、分離性能および透水性能、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、セルロース系樹脂およ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複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およ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また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。
【００６６】
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および三塩化フッ化エチレンなどが例示される。
【００６７】
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おそれがある。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おそれがある。
【００６８】
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。さらに発酵液中の微生物または培養細胞の一部が死滅することにより細胞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。
【００６９】
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。
【００７０】
図１に示すように、第１実施形態では、ＭＮＢ発生装置７ａに、ＭＮＢを含有させる対象の液体であるろ過液Ａを、ＭＮＢ発生槽６から液供給ポンプ１０を駆動して抜き出しＭＮＢ発生装置７ａに供給すると共に、ＭＮＢを形成する気体ＣをＭＮＢ発生装置７ａに供給する。
【００７１】
第１実施形態で用いるＭＮＢ発生装置７ａとしては、図２にその概要を示すように、多量のＭＮＢを経済的に発生できる、水流を用いて駆動する方式（水流方式）のものを用いる。このＭＮＢ発生装置７ａでは、圧をかけた状態でノズルの入口部２１からろ過液Ａを供給し、管路の径を絞って流速を上げながら、のど部２２で乱流を発生させる。この状態で、ＭＮＢを形成する気体Ｃを気体入口２４から供給し、吸引部２３においてろ過液Ａと混合され、水流によりＭＮＢとなり、出口部２５から、ＭＮＢを含有するろ過液Ｄが排出され、マクロナノバブル発生槽６に供給される。
【００７２】
ＭＮＢ発生装置７ａに供給する、ろ過液ＡおよびＭＮＢを形成する気体Ｃの流速を調整することにより、ＭＮＢの量および大きさを調整することができる。
第１実施形態においては、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、培養槽２から抜き出す生物培養液３−１の量を「１分間当たり、前記培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満」と減少させると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、１）培養槽２の気相３−２の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽２の気相３−２の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償することができる。さらに、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することもできる。
【００７３】
第１実施形態における、上記１）〜３）の手段について、更に詳しく説明する。
上記１）の手段としては、公知の各種手段を用いることができるが、
１ａ’）給気経路Ｉから、培養槽２の気相３−２に、常圧よりも圧力を高めた、通常組成の空気（酸素含有率：約２１％）を供給し、排気経路Ｊに設けた圧力調整バルブ１７により、培養槽２の気相３−２の圧力を高くすることにより、培養槽２の気相３−２の酸素分圧を高くする手法、
１ｂ’）給気経路Ｉから、培養槽２の気相３−２に、常圧の、酸素含有率を高めた空気を供給し、排気経路Ｊに設けた圧力調整バルブ１７を開状態として、培養槽の気相３−２の酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相３−２の酸素分圧を高くする手法、および
１ｃ’）給気経路Ｉから、培養槽２の気相３−２に、常圧よりも圧力を高め、酸素含有率を高めた空気を供給し、排気経路Ｊに設けた圧力調整バルブ１７により、培養槽２の気相３−２の圧力および酸素含有率を高くすることにより、培養槽２の気相３−２の酸素分圧を高くする手法、が好適なものとして挙げられる。
上記２）の手段としては、公知の各種手段を用いることができるが、培養槽２の気相３−２に、上記１ａ’）および１ｃ’）の手法のような、常圧よりも圧力を高めた気体を供給して培養槽の気相の圧力を高くする手法が好適なものとして挙げられる。この手法においては、常圧よりも圧力を高めた気体は、直接培養槽２の気相３−２に供給することもできるし、また、ＭＮＢを形成する気体ＣとしてＭＮＢ発生装置７ａに供給することもできる。
上記３）の手段については、上記の公知の酸素富化手段を用いて酸素含有率を高めた気体を得て、ＭＮＢを形成する気体Ｃとして用いることができる。具体的には、図３に示すような酸素富化膜を用いて得た酸素富化空気を、ＭＮＢを形成する気体Ｃとして用いることができる。
【００７４】
この酸素富化膜を用いた酸素富化手段では、基本的には、酸素富化膜３０を配した容器３１が、両端に、気体導入部３３と酸素含有率の低い気体Ｆを排出する導出部３４を有しており、吸気ファン３２により加圧された気体を気体導入部３３から酸素富化膜３０に通気し、酸素含有率を高めた気体Ｃを導出部３５から排出し、また、酸素含有率の低い気体Ｆを導出部３４から排出するものである。
【００７５】
また、第１実施形態では、培養槽ポンプ８、返送ポンプ９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チューブポンプ、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好適に用いることができ、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
【００７６】
さらに、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。
【００７７】
＜第２実施形態（図４）＞
つぎに、図４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実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、次のようにして、生物培養液に酸素富化ＭＮＢを含有させる。
ａ）培養槽２に培養液１を供給する。
ｂ）バルブ１５を閉、バルブ１６を開として培養槽ポンプ８を駆動して、微生物等を含有する生物培養液３−１を培養槽２から抜き出し、ＭＮＢ発生槽６に供給する。
ｃ）生物培養液３−１をＭＮＢ発生槽６に貯留し、ＭＮＢ発生装置７ａにより、ＭＮＢを含有させる。
ｄ）返送ポンプ９を駆動して、ＭＮＢを含有させた生物培養液Ｇを、培養槽２に戻す。
ｅ）このようにして、培養槽撹拌機１１で培養槽２内の生物培養液３−１を撹拌しながら、生物反応を進める。
ｆ）生物反応が十分に進行した時期で、バルブ１６を閉、バルブ１５を開として培養槽ポンプ８を駆動し、培養槽２で生成された反応生成物をろ過液Ａと共に回収し、ろ過液貯槽５に貯える。
【００７８】
培養槽から抜き出した生物培養液にＭＮＢを含有させる方法である、前記１）の方法（第１実施形態）と前記２）の方法（第２実施形態）とは、微生物等の種類、生物反応の条件等に応じて、微生物等が受けるストレス・ダメージが総体的に少なくなる方法を採用するのが好ましい。
【００７９】
第２実施形態においては、第１実施形態と同様に、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、培養槽２から抜き出す生物培養液３−１の量を減少させると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、１）培養槽２の気相３−２の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽２の気相３−２の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償することができる。さらに、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を「２３％気圧以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を好適に併用することができる。
さらに、還流割合を低く抑えることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、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。
【００８０】
第１実施形態および第２実施形態においては、生物培養液にＭＮＢを供給する手段として、培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素富化ＭＮＢを含有させ、培養槽に還流する手段（以下、「第１手段」という。）を用いているが、これに他の手段を併用することもできる。
【００８１】
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酸素富化ＭＮＢの含有量を適正な値とするのに時間を要する可能性があるため、この時間を短縮する必要がある場合には、培養槽に供給される培養液に酸素富化ＭＮＢを含有させる手段（以下、「第２手段」という。）、培養槽中の生物培養液に酸素富化ＭＮＢを含有させる手段（以下、「第３手段」という。）等の手段を併用することが好ましい。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。
【００８２】
＜第３実施形態（図５）＞
つぎに、図５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実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、第１手段を使用した第１実施形態に第２手段を併用したものである。
第３実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液への酸素富化ＭＮＢの含有が行われる。
ａ）ＭＮＢ発生装置７ｂにより、培養槽２に供給する培養液１に、酸素富化ＭＮＢを含有させる。
ｂ）このようにして、培養槽撹拌機１１で培養槽２内の生物培養液３−１を撹拌しながら、生物反応を進める。
ｃ）生物培養液３−１の溶存酸素濃度が低下した場合には、第１実施形態のｂ）〜ｇ）の手順で、生物培養液３−１をろ過して得たろ過液Ａに、酸素富化ＭＮＢを含有させ、培養槽２に還流することにより、生物培養液３−１の溶存酸素濃度を適正な値に調整する。
ｄ）生物反応が十分に進行した時期で、バルブ１３を閉、バルブ１２およびバルブ１４を開として培養槽ポンプ８を駆動し、培養槽２で生成された反応生成物をろ過液Ａと共に回収し、ろ過液貯槽５に貯える。
【００８３】
第３実施形態においては、第１実施形態および第２実施形態と同様に、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、培養槽２から抜き出す生物培養液３−１の量を減少させると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、１）培養槽２の気相３−２の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽２の気相３−２の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償することができる。さらに、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を「２３％気圧以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を好適に併用することができる。
【００８４】
＜第４実施形態（図６）＞
つぎに、図６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実施形態は、微生物等に反応生成物を生成させるための生物反応装置であって、第１手段を使用した第１実施形態に、第２手段および第３手段を併用したものである。
第４実施形態では、次のようにして、微生物等の培養液への酸素富化ＭＮＢの含有が行われる。
ａ）ＭＮＢ発生装置７ｂにより、培養槽２に供給する培養液１に、酸素富化ＭＮＢを含有させる。
ｂ）このようにして、培養槽撹拌機１１で培養槽２内の生物培養液３−１を撹拌しながら、生物反応を進める。
ｃ）生物培養液３−１の溶存酸素濃度が低下した場合には、第１実施形態のｂ）〜ｇ）の手順で、生物培養液３−１をろ過して得たろ過液Ａに、酸素富化ＭＮＢを含有させ、培養槽２に還流するか、または、ＭＮＢ発生装置７ｃにより、培養槽２中の生物培養液３−１に、酸素富化ＭＮＢを含有させることにより、生物培養液３−１の溶存酸素濃度を適正な値に調整する。
ｄ）生物反応が十分に進行した時期で、バルブ１３を閉、バルブ１２およびバルブ１４を開として培養槽ポンプ８を駆動し、培養槽２で生成された反応生成物をろ過液Ａと共に回収し、ろ過液貯槽５に貯える。
【００８５】
第４実施形態においては、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態と同様に、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、培養槽２から抜き出す生物培養液３−１の量を減少させると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、１）培養槽２の気相３−２の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽２の気相３−２の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償することができる。さらに、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を「２３％気圧以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を好適に併用することができる。
【００８６】
本発明の第３実施態様、第４実施形態として、本発明の第１実施形態（第１手段を使用）に、それぞれ、第２手段、第２手段および第３手段を併用したものを説明したが、同様に、本発明の第２実施形態（第１手段を使用）に、それぞれ、第２手段、第２手段および第３手段が併用でき、同様の作用効果を奏されることは、当業者であれば容易に理解できることである。
【００８７】
＜第５実施形態（図７）＞
つぎに、図７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実施形態では、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、次のようにして、１）培養槽２の気相３−２の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽２の気相３−２の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を適用する。
ａ）培養槽２に培養液１を供給する。
ｂ）培養槽ポンプ８を駆動して、培養液、微生物等を含有する生物培養液３−１を培養槽２から抜き出し、ＭＮＢ発生装置７ａに供給する。
ｃ）ＭＮＢ発生装置７ａに、ＭＮＢを形成する気体Ｃとして、常圧または常圧よりも圧力を高めた、通常組成または酸素含有率を高めた空気を供給し、生物培養液３−１にＭＮＢを含有させる。
ｄ）ＭＮＢを含有させた生物培養液３−１を培養槽２に戻す。
ｅ）このようにして、培養槽撹拌機１１で培養槽２内の生物培養液３−１を撹拌しながら、生物反応を進める。
【００８８】
第５実施形態で用いるＭＮＢ発生装置７ａとしては、図２にその概要を示すように、多量のＭＮＢを経済的に発生できる、水流を用いて駆動する方式（水流方式）のものを用いる。このＭＮＢ発生装置７ａでは、圧をかけた状態でノズルの入口部２１からろ過液Ａを供給し、管路の径を絞って流速を上げながら、のど部２２で乱流を発生させる。この状態で、ＭＮＢを形成する気体Ｃを気体入口２４から供給し、吸引部２３においてろ過液Ａと混合され、水流によりＭＮＢとなり、出口部２５から、ＭＮＢを含有するろ過液Ｄが排出され、マクロナノバブル発生槽６に供給される。
【００８９】
第５実施形態では、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、培養槽２から抜き出す生物培養液３−１の量を減少させると共に、これに伴う溶存酸素濃度の低下を、１）通常組成の空気または酸素含有率を高めた空気を、ＭＮＢを形成する気体ＣとしてＭＮＢ発生装置に供給することにより、培養槽の気相３−２の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、２）培養槽２の気相３−２の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いて補償することができる。さらに、上記１）および／または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を「２３％以上６０％未満」と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することもできる。
上記１）の具体的な手段としては、
１ａ’’）ＭＮＢ発生装置７ａの気体入口２４に、常圧よりも圧力を高めた、通常組成の空気（酸素含有率：約２１％）を供給し、培養槽の気相３−２の圧力を高くすることにより、培養槽の気相３−２の酸素分圧を高くする手法
１ｂ’’）ＭＮＢ発生装置７ａの気体入口２４に、常圧の、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相３−２の酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相３−２の酸素分圧を高くする手法
１ｃ’’）ＭＮＢ発生装置７ａの気体入口２４に、常圧よりも圧力を高め、酸素含有率を高めた空気を供給し、培養槽の気相３−２の圧力および酸素含有率を高くすることにより、培養槽の気相３−２の酸素分圧を高くする手法
が好適なものとして挙げられる。
【００９０】
上記２）の具体的な手段としては、上記１ａ’’）、１ｃ’’）の手法を好適なものとして用いることができる。
上記３）の具体的な手段としては、図３にその概要を示すような酸素富化膜を用いて得た酸素富化空気を、ＭＮＢを形成する気体Ｃとして用いることが挙げられる。
【００９１】
以上に説明したように、本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法では、
１）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」と常圧における空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段、および／または、
２）培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」と常圧（１気圧）よりも高くする手段を用いることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減するために、還流量を「１分間当たり、前記培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満」と減少させても、溶存酸素濃度を低下させずに維持でき、微生物等の活性を高めることができる。さらに、好適には、上記１）または２）の手段に、３）ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を２３％以上６０％未満と空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段を併用することにより、上記効果をより一層発揮させることができる。
【００９２】
また、生物培養液を培養槽から抜き出すためのポンプ、酸素富化ＭＮＢを含有させた生物培養液を培養槽に還流するためのポンプ等の生物培養液を培養槽外部に循環させるポンプとして、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、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好適に用いることができるようになり、これによっても、微生物等が受けるストレス・ダメージをより一層軽減することができる。
【００９３】
さらに、還流割合を低く抑えることにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減できると共に、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。
【００９４】
このように、本発明は、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のできる優れたものである。
本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、
１）還流量を「１分間当たり、培養槽に収容された生物培養液の量の１％以上４８％未満」とするとの条件、および
２）培養槽の気相の酸素分圧を「０．２３気圧以上０．６気圧未満」とする、および／または、培養槽の気相の圧力を「１．１気圧以上３．０気圧未満」とするとの条件
の下において、生物反応中に微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減し、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うものであるが、上記１）および上記２）の条件は、生物反応の主たる段階（微生物等による反応生成物の生成や、微生物等の増殖を本格的に行う段階）において維持されていればよいものである。微生物数の少ない初期、微生物数が十分に増えた終期等の生物反応の速度が遅くても支障のない段階においては、生物反応の経済性、効率性等を考慮して、上記１）の条件および／または上記２）の条件を外すことも可能である。
【００９５】
本発明の上記作用効果作用効果について、以下に参考実施例・参考比較例、理論式等を用いて説明するが、本発明はこれらの説明によって限定されるものではない。
＜参考実施例１〜２・参考比較例１〜５＞
以下の参考実施例１〜２・参考比較例１〜５では、図７に模式図で示すような装置を用いて、微生物の培養を行った。
培養槽２として、微生物培養装置（エイブル株式会社製微生物培養装置ＢＭＺ−Ｐ、内容積１０００ｍｌ）を用い、この中に好気性微生物［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］、培養液［硫酸アンモニウムを主成分とする合成培地、グリコース濃度：４％］からなる生物培養液３−１を収容し、液量を５００ｍＬとした。生物培養液３−１の初期菌濃度は濁度（ＯＤ６１０の値）：１であった。
【００９６】
培養温度を３３℃、培養圧力を１ａｔｍ、培養槽撹拌機１１の回転数を６００ｒｐｍとして好気性微生物の培養を行いつつ、培養槽ポンプ８を駆動して、培養槽２から生物培養液３−１を一定の還流量で抜き出し、図２に模式図で示すような水流方式のＭＮＢ発生装置７ａ［有限会社ＯＫエンジニアリング製水流式ＭＮＢ発生装置、型番：ＯＫＥ−ＭＢ  ２００ｍｌ］に供給し、ＭＮＢを含有させた後、培養槽２に還流させた。ＭＮＢ発生装置７ａには、一定の酸素含有率としたＭＮＢを形成する気体Ｃである空気を通気量２５０ｍＬ／分で供給した。
【００９７】
このような条件で、還流量およびＭＮＢを形成する気体Ｃの酸素含有率を変更して好気性微生物の培養を８時間行い、８時間経過後の培養槽２内の生物培養液３−１の菌濃度の濁度および溶存酸素濃度を測定して、参考実施例１〜２・参考比較例１〜５とした。参考実施例１〜２・参考比較例１〜５における、還流量（ｍＬ／分）、還流割合（体積％）、ＭＮＢの酸素含有率（モル％）、菌濃度（濁度：ＯＤ６６０の値）および溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）を表１に整理して示す。なお、前記「還流割合」とは、培養槽２に収容された生物培養液３−１の量（５００ｍＬ）に対する、１分間あたりの還流量（ｍＬ／分）の割合をいう。
【００９８】
【表１】
2018117578.tif 000003
【００９９】
以下、参考実施例１〜２・参考比較例１〜５について説明する。
まず、参考比較例１および２では、水流方式のＭＮＢ発生装置７ａに空気を供給し、ＭＮＢの酸素含有率を２１％とし、還流割合を参考比較例１では４８％、参考比較例２では１６％とした。このように還流割合を低く抑えると、液循環により好気性微生物が受けるストレス・ダメージを軽減できるため、菌濃度を２１（ＯＤ６１０）から２５（ＯＤ６１０）と高くすることができる。一方、ＭＮＢ発生装置７ａのような一般に用いられる水流方式のＭＮＢ発生装置では、還流割合を低く抑えるとＭＮＢの発生量自体が減少してしまうため、溶存酸素濃度が６．９（ｍｇ／Ｌ）から１．２（ｍｇ／Ｌ）に低下してしまう。
【０１００】
そこで、参考実施例１〜２・参考比較例３〜５では、還流割合を参考比較例２と同様に１６％に保ち、液循環により好気性微生物が受けるストレス・ダメージを軽減した状態で、ＭＮＢの酸素含有率をそれぞれ３０％、４０％、６０％、８０％および１００％と増加させ、溶存酸素濃度を増加させた。
【０１０１】
参考実施例１〜２・参考比較例３〜５におけるＭＮＢの酸素含有率（モル％）と菌濃度（ＯＤ６１０）との関係を、表２に整理して示す。表２は、縦軸をＭＮＢの酸素含有率（モル％）および菌濃度（ＯＤ６１０）の数値を表すものとし、参考比較例２、参考実施例１〜２および参考比較例３〜５のＭＮＢの酸素含有率（モル％）および菌濃度（ＯＤ６１０）をそれぞれ折れ線として示したものである。
【０１０２】
この表２からわかるように、ＭＮＢの酸素含有率をそれぞれ２１％（参考比較例２）→３０％（参考実施例１）→４０％（参考実施例２）と増加させていくに従い菌濃度は増加する傾向にあるが、ＭＮＢの酸素含有率が４０％付近を頂点として菌濃度は減少傾向に転じ、６０％（参考比較例３）では２１％（参考比較例２）より低いものとなってしまう。これは、ＭＮＢの酸素含有率が高くなりすぎると、酸素の酸化作用により好気性微生物がストレス・ダメージを受けるためと考えられる。 
【０１０３】
【表２】
2018117578.tif 000004
【０１０４】
これらの参考実施例１〜２・参考比較例１〜５から、微生物等を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うためには、
１）還流割合を低く抑え、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、
２）還流割合を低く抑えることに伴う溶存酸素濃度の低下を、ＭＮＢの酸素含有率を高くすることにより、微生物等が酸素により受けるストレス・ダメージを避けつつ溶存酸素濃度を増加させることにより、
微生物等を用いた生物反応における菌濃度を高くすることができ、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がわかる。
【０１０５】
つぎに、上記１）および２）の事項を満たして、酸素富化ＭＮＢを用いた微生物等の培養を行う方法について具体的に説明する。なお、微生物等の培養条件は、微生物等の種類、培養装置のスケール、培養装置の構造等に依存するため、上記参考実施例１〜２・参考比較例１〜５で用いた、図７に示すような微生物等の培養装置を用いて、微生物等の培養を行うケースも例示しながら説明を行う。
【０１０６】
１．上記１）について
図７に示す微生物等の培養装置では、生物培養液３−１は培養槽ポンプ８によって培養槽２から抜き出されて水流方式のＭＮＢ発生装置７ａに供給され、このＭＮＢ発生装置７ａで酸素富化ＭＮＢが含有され培養槽２に還流される。そして、微生物等は、ＭＮＢ発生装置７ａを通過する際に大きくストレス・ダメージを受けることから、「微生物等が受けるストレス・ダメージ」は、「ＭＮＢ発生装置７ａの入口における生物培養液３−１の圧力」（以下、「入口圧力」という。）を指標として評価することができる。
【０１０７】
表３は、図７に示す微生物等の培養装置において、培養槽ポンプ８の駆動力を変化させて還流割合（体積％）および入口圧力（ＭＰａ）を測定し、還流割合を横軸、入口圧力を縦軸としてプロットしたものである。
【０１０８】
培養する微生物等によりストレス・ダメージへの耐性が異なるため、微生物等の種類に応じた適切な入口圧力の上限値を予め調べデータベースを作成しておけば、培養当初から適切な入口圧力を設定することができる。また、このようなデータベースが作成されていない場合には、当初は適当を考えられる入口圧力を設定し、微生物等の培養状況等からストレス・ダメージの多寡を判断し、入口圧力を調整することができる。
【０１０９】
例えば、当初は入口圧力を０．０７５ＭＰａと設定していたが、微生物等が受けるストレス・ダメージが大きく培養が順調に進まないような場合には、培養槽ポンプ８の駆動力を低下させて、入口圧力を０．０４ＭＰａに設定し直すような調整を行う。この調整により、微生物等が受けるストレス・ダメージは低減できるが、還流割合が３０％から２０％に低下するため、溶存酸素濃度が低下することとなる。
【０１１０】
【表３】
2018117578.tif 000005
【０１１１】
２．上記２）について
上記１）のように、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減するために入口圧力を低下させると、還流割合が低下し、溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを補うために、ＭＮＢの酸素含有率を高く設定し直す必要がある。
ＭＮＢの適切な酸素含有率は次のようにして設定することができる。
まず、溶存酸素濃度に関しては、下記の一般式（１）が知られている。
ＯＴＲ＝ＫＬＡ×（Ｃｓ−Ｃ）    （１）
この式（１）において、
ＯＴＲ：酸素移動速度（ｍｇ／Ｌ・ｈ）
ＫＬＡ：物質移動容量係数（／ｈ）
Ｃｓ  ：酸素の水中への飽和溶解度（ｍｇ／Ｌ）
Ｃ    ：酸素の水中への溶解度（ｍｇ／Ｌ）である。
入口圧力、還流割合が低下しても、溶存酸素濃度を一定値に保つためには、ＯＴＲを一定値に保つ必要がある。
【０１１２】
ＯＴＲの値は、「ＫＬＡ」および「Ｃｓ」という変数および「Ｃ」という定数により決まるが、このうち、「Ｃｓ」は、下記の一般式（２）のように酸素含有率の関数として表せる。
Ｃｓ＝Ｘ×Ｐ÷Ｈ×ＭＯ２        （２）
この式（２）において、
Ｘ    ：空気中の酸素含有率（モル分率）
Ｐ    ：培養槽の運転圧力（ａｔｍ）
Ｈ    ：ヘンリー定数（ａｔｍ・ｍ３／モル）
ＭＯ２：酸素の分子量（ｇ／モル）である。
【０１１３】
また、「ＫＬＡ」は、使用する培養装置において還流割合との関係を求めることにより、還流割合の関数として表すことができる。例えば、表４は、図７に示す微生物等の培養装置において、培養槽ポンプ８の駆動力を変化させて還流割合（体積％）およびＫＬＡ（／ｈ）を測定し、還流割合を横軸（ｘ）、ＫＬＡを縦軸（ｙ）としてプロットしたものであるが、これから式（３）のような近似式を求めることができる。
ｙ＝ａｌｎ（ｘ）−ｂ          （３）
この式において、
ｙ：ＫＬＡ（／ｈ）
ｘ：還流割合（体積％）
ａ、ｂは定数である。
【０１１４】
【表４】
2018117578.tif 000006
【０１１５】
３．上記１）および２）による制御について
上記の式（１）〜（３）により、例えば、当初は入口圧力を０．０７５ＭＰａと設定していたが、微生物等が受けるストレス・ダメージが大きく培養が順調に進まないことから培養槽ポンプ８の駆動力を低下させて、入口圧力を０．０４ＭＰａに調整した場合には、還流割合が３０％から２０％に低下し溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを補い溶存酸素濃度を一定に保つために、ＭＮＢの酸素含有率をどの程度高める必要があるかを求めることができる。酸素含有率の制御を行う場合の設定割合としては、７０％〜１３０％が好ましく、８０％〜１２０％がより好ましく、９０％〜１１０％がさらに好ましく、９５％〜１０５％が最も好ましい。なお、前記「設置割合」とは、式（１）〜（３）により求めた酸素含有率の目標値に対する、制御設定値の割合をいう。
【０１１６】
また、上記の式（１）〜（３）に基づいて、図７に示すような微生物等の培養装置において、培養槽ポンプ８を駆動する装置およびＭＮＢ発生装置７ａに酸素富化空気を供給する装置を制御することにより入口圧力、還流割合を低下させても、溶存酸素濃度を自動的に一定値に保つことができるので、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。
【０１１７】
＜参考実施例１〜２・参考比較例１〜５に基づく理論式による説明＞
下記表５および表６に示すように、上記参考実施例１〜２・参考比較例１〜５から、還流量を８０ｍＬ／分、還流割合を１６％というように低く設定し、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減した場合には、溶存酸素濃度を増加させることにより、微生物等を用いた生物反応における菌濃度を高く維持することができ、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がわかる。
【０１１８】
【表５】
2018117578.tif 000007
【０１１９】
【表６】
2018117578.tif 000008
【０１２０】
参考実施例１〜２・参考比較例１〜５では、ＭＮＢの酸素含有率を高く設定すること手段により溶存酸素濃度を増加させているが、培養槽の気相の酸素分圧を、空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高く設定する手段によっても、同様に溶存酸素濃度を増加させることができる。
【０１２１】
理論的に、菌体の培養液の溶存酸素濃度の変化（ｄＣａ／ｄｔ）は、下記式（４）で表すことができる。
ｄＣａ／ｄｔ＝ＫＬａ（Ｃ＊−Ｃａ）− ＱＯ２×Ｙ      （４）
上記式（４）において、
Ｃａ：培養液の溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）、   t ：経過時間（ｓ）、
ＫＬａ: 物質移動容量係数（／ｓ）、         Ｃ＊：培養液の飽和酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）、
ＱＯ２： 単位菌体重量あたりの呼吸速度（ｍｇ／Ｌ−ｋｇ−ｓ）、
Ｙ   ：培養液中の菌体重量（ｋｇ）
を表す。
式（４）における右辺第１項の「ＫＬａ（Ｃ＊−Ｃａ）」は培養液への溶存酸素の供給を表し、右辺第２項の「ＱＯ２×Ｙ」は、菌体による溶存酸素の消費を表すものであり、溶存酸素量を増加させるためには、「ＫＬａ（Ｃ＊−Ｃａ）」の値を大きくする必要がある。
そして、「ＫＬａ（Ｃ＊−Ｃａ）」は、下記式（５）
ＫＬａ（Ｃ＊−Ｃａ）＝ＫＬ×ａ×（ｐ÷Ｈ×ＭＯ２−Ｃ）    （５）
ＫＬ：物質移動係数 （ｍ／ｓ）、        ａ: 培養液中の気液界面積（ｍ２／ｍ３）、
ｐ：酸素分圧 （ａｔｍ）、              Ｈ：ヘンリー定数（ａｔｍ・ｍ３／モル）
ＭＯ２：酸素の分子量（ｇ／モル）
で表されることから、溶存酸素量を増加させるためには、
１）ＭＮＢを用いることにより、ａ（培養液中の気液界面積）を大きくする手法、
２）ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を高くすることにより、ｐ（酸素分圧）を大きくする手法、および
３）培養槽の気相の酸素分圧を高くすることにより、ｐ（酸素分圧）を大きくする手法、
が有効であることがわかる。
【０１２２】
先の発明および本発明はいずれも上記１）の手法を用いるものである。先の発明では、上記１）の手法と共に、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を、空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段［上記２）の手法］を用いているが、本発明では、上記１）の手法と共に、培養槽の気相の酸素分圧を、空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段［上記３）の手法］を用いる。また、本発明では、上記１）の手法と共に、培養槽の気相の酸素分圧を、空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段［上記３）の手法］およびＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を、空気中の酸素含有率（約２１％）よりも高くする手段［上記２）の手法］を用いることもできる。
【０１２３】
上記表５および表６に示すように、上記参考実施例１〜２・参考比較例１〜５から、還流量を８０ｍＬ／分、還流割合を１６％というように低く設定し、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減した場合には、溶存酸素濃度量を５ｍｇ／Ｌ〜１５ｍｇ／Ｌ程度に補償すれば菌濃度を高くできることから、本発明の培養槽の気相の酸素分圧を、空気の酸素分圧（約０．２１気圧）よりも高くする手段により、溶存酸素濃度量を補償して菌濃度を高くできることは明らかである。
【符号の説明】
【０１２４】
１      培養液
２      培養槽
３−１  （培養液、微生物等を含有する）生物培養液
３−２  培養槽の気相
４      ろ過器
５      ろ過液貯槽
６      ＭＮＢ発生槽
７ａ〜７ｃ    ＭＮＢ発生装置
８      培養槽ポンプ
９      返送ポンプ
１０    液供給ポンプ
１１    培養槽撹拌機
１２〜１６    バルブ
１７    圧力調整バルブ
２１    入口部
２２    のど部
２３    吸引部
２４    気体入口
２５    出口部
３０    酸素富化膜
３１    容器
３２    吸気ファン
３３    気体導入部
３４    （酸素含有率の低い気体を排出する）導出部
３５    （酸素含有率を高めた気体を排出する）導出部
Ａ      ろ過液
Ｂ      ろ過液を除いた生物培養液
Ｃ      ＭＮＢを形成する気体（酸素含有率を高めた気体または空気）
Ｄ      ＭＮＢを含有させたろ過液（ろ過液＋ＭＮＢ）
Ｅ      ＭＮＢを含有させた培養液（培養液＋ＭＮＢ）
Ｆ      酸素含有率の低い気体
Ｇ      ＭＮＢを含有させた生物培養液（生物培養液＋ＭＮＢ）
Ｈ      生物培養液
Ｉ      （培養槽の気相への）給気経路
Ｊ      （培養槽の気相からの）排気経路
１０７  生物反応槽としての培養槽
１１０  菌体ろ過器
１１５  ＭＮＢ発生槽
１１６  ＭＮＢ発生装置
【図１】
2018117578.tif 000009
【図２】
2018117578.tif 000010
【図３】
2018117578.tif 000011
【図４】
2018117578.tif 000012
【図５】
2018117578.tif 000013
【図６】
2018117578.tif 000014
【図７】
2018117578.tif 000015
【図８】
2018117578.tif 000016
【図９】
2018117578.tif 000017