(57)【要約】【課題】有機酸生産用発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステム及び方法の提供。【解決手段】有機酸生産用発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステム（１００、２００）を記載する。該システムは、ｐＨセンサ（Ｐ１）を備えた発酵槽（１）と、濾過要素を備えた濾過モジュール（２）と、主計量要素（４）を備えた添加容器（３）と、熱交換器（５）を有する。システム（１００、２００）の運転は制御器（ＣＴ）により制御される。有機酸を生産するのに理想的な値よりも下回るｐＨの低下をセンサ（Ｐ１）が検出すると、すぐに制御器（ＣＴ）は、発酵槽（１）から取り出す発酵培地の量を算出し、この量が容器（３）まで運ばれてアルカリ化され、システムに戻される。また、発酵槽を２つ以上有するシステムの構成も記載する。同様に、本発明のシステム（１００、２００）において用いられる酸性度の補正方法も記載する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機酸生産用発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステムであって、
ａ）発酵培地のｐＨをリアルタイムで測定するためのセンサ（Ｐ１）を有する発酵槽（１）を少なくとも１つと；
ｂ）濾過モジュール（２）と；
ｃ）前記発酵槽（１）から前記濾過モジュール（２）へ発酵培養液の流れ（Ａ）を送り込むための第一ポンプ（Ｂ１）と；
ｄ）塩基投入要素（４）を有する塩基添加用容器（３）と；
ｅ）前記発酵培養液の塩基性化された分の流れ（Ｄ）を前記発酵槽（１）へ送り返すための第二ポンプ（Ｂ２）と；
ｆ）熱交換器（５）を備えており、
配線（Ｌ１）、（Ｌ２）、（Ｌ３）、（Ｌ４）及び（Ｌ５）を介してそれぞれ前記少なくとも１つのセンサ（Ｐ１）、前記第一ポンプ（Ｂ１）、前記塩基投入要素（４）、前記第二ポンプ（Ｂ２）及び前記熱交換器（５）に接続された制御器（ＣＴ）により、前記発酵槽から取り出した分に対して添加するｐＨ補正用アルカリ溶液の体積比を決定することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記濾過モジュール（２）は濾過要素を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記濾過要素の孔径は０．５〜５μｍであることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記濾過要素の孔径は好ましくは１μｍであることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記濾過要素は、接線流濾過システムを備えた微細構造膜を有するバグフィルター式のものであることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記発酵槽（１）内の発酵培地容積の最大１２％分を前記ポンプ（Ｂ１）を用いて取り出し、アルカリ化することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
連続運転されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
有機酸の生産に使用されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記有機酸は乳酸であることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
連続運転又はバッチ運転される、少なくとも２個で一組とした発酵槽において、濾過、アルカリ化及び温度調整を行う単一のシステムが使用されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
順番に連続運転する少なくとも２組の発酵槽（１．１、１．２、１．３及び１．４）を備え、異なる発酵槽の各バッチは交互に実施されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
配線（Ｌ６）を介して中央制御素子（ＣＴ）に接続された分流器（ＤＶ１）を通して流れＡ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４を受けることで、前記発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）内の発酵培地の流出量を制御することを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
配線（Ｌ７）を介して中央制御素子（ＣＴ）に接続された分流器（ＤＶ２）を通して流れ（Ｃ）を更に分流することで、前記発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）への固形廃棄物の流入量を制御することを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
配線（Ｌ８）を介して中央制御素子（ＣＴ）に接続された分流器（ＤＶ３）を通して流れ（Ｄ）を更に分流して、前記発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）への塩基化された培養液の流入量を制御することで、特定のプロセス経過時間で各発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）に前記培養液を適量供給することを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）は、配線（Ｌ９）を介して前記制御素子（ＣＴ）に接続されたセンサ素子（Ｐ１．１）、（Ｐ１．２）、（Ｐ１．３）及び（Ｐ１．４）を備えており、それにより前記発酵槽それぞれの反応培地のｐＨをリアルタイムで制御することを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記発酵槽（１．１）を出た流れ（Ａ１）が分流器（ＤＶ１）を介して前記濾過モジュール（２）へ送られ、分流されることによって、前記発酵槽（１．１）へ戻る前記発酵培地の流れ（Ｃ）と、前記容器（３）で塩基性溶液によりｐＨが補正される有機酸を含む流れ（Ｂ）とが形成される際に、前記発酵槽（１．２）、（１．３）及び（１．４）が休止しているか、又は、アルカリ溶液の添加による補正を必要としない別のプロセス段階にあるように運転されることを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載のシステムを用いて実施される、発酵培地の酸性度を定容で補正する方法であって、
以下の工程ａ）〜ｄ）：
ａ）前記少なくとも１つの発酵槽（１）に設置されたセンサ（Ｐ１）を用いて前記発酵培地のｐＨを測定する工程；
ｂ）ポンプ（Ｂ１）を用いて、前記発酵槽（１）の容積の最大１２％分を流れ（Ａ）に沿って濾過モジュール（２）に送って前記流れ（Ａ）を濾過することで、濾液の流れ（Ｂ）と残渣として残留した固体の流れ（Ｃ）とを得る工程；
ｃ）前記濾過要素に残渣として残留した固体を流れ（Ｃ）に沿って前記少なくとも１つの発酵槽（１）へ再循環させて前記発酵培地の微生物濃度を一定に保ちつつ、前記濾液の流れ（Ｂ）を塩基投入要素（４）を有する容器（３）に送って、前記発酵培地の前記発酵槽（１）から取り出した分のｐＨを調整することで、ｐＨが調整された発酵培地の流れ（Ｄ）を得る工程；及び、
ｄ）前記ｐＨが調整された発酵培地の流れ（Ｄ）をポンプ（Ｂ２）を用いて熱交換器（５）へ送り、ここから前記少なくとも１つの発酵槽（１）へ送って、サイクルを再開する工程を含み、
前記制御器（ＣＴ）により、前記発酵槽（１）からの流出量、前記添加用容器（３）内の溶液に添加される塩基の量、及び、前記発酵槽（１）へ戻される前記アルカリ溶液の流れ（Ｄ）の流量が適切になり、有機酸生産プロセスにおける所与の時点で必要とされる培地ｐＨの調整に応じたものとなることを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記容器（３）でＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２又はＮＨ４ＯＨを使用して、前記発酵培養液のｐＨを調整することを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記塩基添加用容器（３）で水酸化ナトリウムを使用することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
有機酸の生産に使用されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記有機酸は乳酸であることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発酵により有機酸を得るためのシステム及び方法の分野に属する。より詳しくは、本発明は、発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステム及び方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
科学技術文献：非特許文献１で周知の通り、糖類（グルコース、フルクトース、スクロース等）の嫌気的発酵における最終産物の一つとして乳酸が挙げられる。また、同様のプロセスにより、他の有機酸（クエン酸、マレイン酸、フマル酸、アジピン酸、コハク酸、酒石酸等）も生成される。Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属の細菌は、発酵による有機酸生産において最もよく使用される微生物の一つであり、石油由来物質を用いた合成法の代わりとなる。乳酸発酵の場合、プロセスの範囲が特定の範囲でないとプロセスが進行しない。例えば、発酵培地のｐＨ値が著しく異なっていると生産性が低くなり、生産が完全に停止してしまう場合さえ見られる。更に、特許文献１（Ａｈａｒｏｎ及びＷｉｌｌｉａｎ）によれば、このような酸を生産する発酵プロセスそれ自体により培地の酸性度が変化し、細菌活動による二酸化炭素放出も変化する。従って、発酵ｐＨを好適な値に調整する手段がなければプロセスは自ら止まってしまう。
【０００３】
このような問題を解決するため、いくつかの手法が報告されている。例えば特許文献２において、Ｎｏｒｄｄａｈｌらは、酸産生菌を用いて糖類に富む液体発酵培地で乳酸を生産する方法を特許請求している。この方法では、乳酸塩、典型的には乳酸ナトリウム、乳酸アンモニウム又は乳酸カリウムが得られる。発酵プロセスの間、適量の塩基を添加して発酵培地のｐＨを５〜７に維持している。添加できる塩基として、アンモニア（典型的にはアンモニアガス）、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、及び、これらの混合物が挙げられている。これらの塩基は全て乳酸と可溶性塩を形成する。この点で、アンモニアを塩基として使用した場合、微生物の窒素源として使え、さらに他の塩基よりも安価であるという点で有利であると出願人は主張している。一方、塩基ＮａＯＨ又はＫＯＨは、その後の精製工程でより容易に回収できる。このプロセスには、アンモニアの揮発性という明確な欠点があり、アンモニアは乳酸分離用の膜を通り抜けてしまう。また、特定量の塩基性溶液を発酵槽に添加する度にその後の運転工程で同量を取り除かなければならなくなり、結果的にプロセス全体のコストが上昇してしまう。
【０００４】
特許文献３では、グルコースを連続的に発酵させて乳酸塩を生成した後、得られた乳酸を電気透析によって溶液から抽出するプロセスが特許請求されている。このプロセスでは、発酵槽の内容物が電気透析ユニットにおいて再循環するため、乳酸が生成されるのと同じ速度で乳酸を除去することによって発酵槽内のｐＨを制御している。このプロセスの問題として、発酵槽内の細菌が電気透析ユニット内のイオン交換膜で吸収されることによりユニット内の電気抵抗が増加し、結果としてプロセスの電力消費が増大してしまうことがある。また、細胞死が考慮され、従って、産生細胞量の減少によってプロセス全体での生産性が変化してしまう。
【０００５】
特許文献４では、酸耐性トウモロコシ由来のホモ乳酸菌を用いて低ｐＨ値で乳酸を生産するプロセスが特許請求されており、このプロセスによれば、遊離乳酸を高濃度で生産することが可能である。この酸耐性細菌は、少なくとも約２５ｇ／Ｌの遊離乳酸を産生できる。また、この種の細菌は、概ね、平均培養ｐＨが４．２以下の発酵培地で約５０ｇ／Ｌの乳酸塩を産生できる。プロセス生産性について、通常、平均培養ｐＨが４．０未満の培地で約１．０〜３．０ｇ／Ｌ／ｈ生産されるようにプロセスを行うと記載されている。この文献のプロセスでは、通常より低いｐＨ値で乳酸を産生できる細菌を用いてはいるが、依然として塩基又は緩衝剤を添加してｐＨ範囲を維持する必要がある。この場合、塩の形態である乳酸塩を発酵容器に戻して溶液中でｐＨバッファとして作用させ、反応培地のｐＨを所望の値よりも低くならないようにできると出願人は示唆している。しかしながら、このプロセスでは、乳酸塩を還流させても他の中和剤（炭酸カルシウム、水酸化ナトリウム及び／又は重炭酸ナトリウム等）を添加する必要があり、コストが増大するだけでなくプロセス全体での生産性も大きく低下してしまう。更に、乳酸の発酵生産で通常使用されているＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属細菌と比べて細菌コストが増大してしまう。
【０００６】
なお、上述したいずれの状況においても、特定の塩（ナトリウムカチオン等）の濃度が高いと発酵プロセスが阻害される可能性があり、存在する塩の種類又は量によっては発酵効率が損なわれる場合がある。
【０００７】
非特許文献２には、水酸化アンモニウムを添加して自動的にｐＨを制御することによって乳酸及び他の代謝産物を得るプロセスが記載されている。著者らによれば、ＮＨ４ＯＨ溶液６ｍｏｌ／Ｌを用いて記載された手順で反応培地を中和すると、細胞によるナイシン及び乳酸の生産量が大きく増加するものの、中和剤の添加による体積増加を考慮しなければならず、プロセス終了時にはエネルギー消費が増大してしまう。
【０００８】
従って、特定量の培地を取り出し、濾過、アルカリ化してから反応培地に添加し戻すことで、運転工程及び上記酸の生産で求められる条件範囲内に発酵培地のｐＨを制御するシステムに基づいて、発酵培地の酸性度を定容で補正する方法を提供できる技術は興味深いと言えよう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５，７６６，４３９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／００３３５７３号明細書
【特許文献３】米国特許第４，８８２，２７７号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／００９４０９３号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｂｅｎｎｉｎｇａ，Ｈ．，ｈｉｓｔｏｒｙ  ｏｆ  ｍａｋｉｎｇ  ｌａｃｔｉｃ  ａｃｉｄ：ａ  ｃｈａｐｔｅｒ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｈｉｓｔｏｒｙ  ｏｆ  ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．，Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｔｈｅ  Ｎｅｄｅｒｌａｎｄｓ，１９８９
【非特許文献２】Ｖａｎ’ｔ  Ｈｕｌ  ａｎｄ  Ｇｉｂｂｏｎｓ，Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ／ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｏｆ  ｌａｃｔｉｃ  ａｃｉｄ  ｆｒｏｍ  Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ  ｌａｃｔｉｓ：ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  ｂｉｏｍａｓｓ，ｌａｃｔｉｃ  ａｃｉｄ，ａｎｄ  ｎｉｓｉｎ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，Ｗｏｒｌｄ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ＆Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１３，１９９７
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、広義には、発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステムであって、発酵培地のｐＨをリアルタイムで測定するためのセンサ（Ｐ１）を少なくとも１つ有する発酵槽（１）を少なくとも１つと；濾過モジュール（２）と；塩基添加用容器（３）と；上記発酵槽から上記濾過モジュールへ発酵培養液を送り込むための第一ポンプ（Ｂ１）と；上記発酵培養液の塩基化された分を上記発酵槽へ送り返すための第二ポンプ（Ｂ２）と；熱交換器（５）で構成されており、上記発酵槽から取り出した分に対して添加するｐＨ補正用アルカリ溶液の体積比は、上記少なくとも１つのセンサ（Ｐ１）、上記第一ポンプ（Ｂ１）、上記第二ポンプ（Ｂ２）、上記熱交換器（５）及び本明細書で定義される塩基投入量計量器（４）に接続された制御器により決定され、その制御器により、上記発酵槽（１）からの流出量、上記添加用容器（３）内の溶液に添加される塩基の量、及び、上記発酵槽（１）へ戻される上記アルカリ溶液の流量が適切になり、有機酸生産プロセスにおける所与の時点で必要とされる培地ｐＨの調整に応じたものとなるシステムに関する。
【００１２】
本発明のシステムを用いて実施される、発酵培地の酸性度を定容で補正する方法は、特定量の培地を取り出し、濾過、アルカリ化してから反応培地に添加し戻すことで、運転工程及び上記酸の生産で求められる条件に発酵培地のｐＨを制御するという手順に基づいている。
【００１３】
従って、本発明は、発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステムであって、センサを少なくとも１つ有する発酵槽を少なくとも１つと、塩基添加用容器及び塩基投入量計量器と、上記発酵槽から濾過モジュールへ発酵培養液を送り込むための第一ポンプと、上記発酵培養液の塩基化された分を上記発酵槽へ送り返すための第二ポンプと、熱交換器を備えており、上記少なくとも１つのセンサ、上記第一ポンプ、上記第二ポンプ、上記熱交換器及び上記塩基投入要素に接続された制御器により、上記発酵槽から取り出した分に対して添加するｐＨ補正用アルカリ溶液の体積比を決定するシステムを提供する。
【００１４】
また、本発明は、発酵培地の酸性度を定容で補正する方法であって、適当なｐＨ条件に上記培地の還流システムにより最適化することで、上記培地が上記発酵槽へ戻された際に、反応体積が増加することなく、高い生産性で上記反応培地の酸性度を調整できる方法を提供する。
【００１５】
本発明に係る発酵培地の酸性度を定容で補正する方法は、プロセス全体としてエネルギーを顕著に節約できる点で有利である。
【００１６】
また、本発明の方法によれば、投入量とエネルギーを節約することで、環境への影響を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る発酵培地の酸性度を定容で補正する方法を簡略化したフローチャートである。
【図２】本発明に係る方法の制御設計図を簡略化したフローチャートである。
【図３】透過物をアルカリ化する工程が連続的に行われるよう複数個で一組とした反応器に適合させた本発明に係る方法を簡略化したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、有機酸生産用発酵培地にアルカリ性物質を添加すると、発酵培地容積が著しく増加して、必然的に、合成された乳酸を反応培地から分離するのに必要なエネルギー量が増大するという事実に基づいている。本発明によれば、発酵培地の一部を発酵容器から取り出し、微生物が残渣として残留するよう濾過し、アルカリ成分を添加した後、培地のｐＨが最適な運転限界値内になるよう調整された特定の量で発酵培地に戻す。
【００１９】
大半の微生物には、それぞれの代謝が最適化されるｐＨ範囲が存在する。そのため、各発酵培地のｐＨは、プロセスの生産性に強く影響を与える変数である。
【００２０】
従来、Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属等の微生物は乳酸産生菌として用いられてきた。これらの微生物による発酵プロセスでは、乳酸が生成されるに従って、細胞代謝を阻害し得る程度にまで、あるいは細胞死を引き起こし得る程度にまで、ｐＨ値が急速に低下する。そこで、アルカリ剤を発酵培地に添加すればｐＨを適切な値に維持でき、乳酸の生産が最大となることが文献により既知であり、充分に認められている。良好な乳酸生産性を得るのに推奨される反応培地のｐＨ値は５．０〜７．０である（米国特許第５，５１０，５２６号明細書参照）。
【００２１】
また、３．０〜４．８のｐＨ値で乳酸の生産性を高く保つことが可能な生物を得ることを目的とした研究が始まっている（国際公開第９９／１９２９０号、米国特許出願公開第２００６／００９４０９３号明細書）。
【００２２】
乳酸等の弱酸や、発酵プロセスで得られる他の物質に化学平衡理論の定義を当てはめた場合、乳酸は溶液中で下記式（１）に従って解離する。
【００２３】
【数１】
2013535224.tif 000003
【００２４】
この化学平衡式によれば、微生物が乳酸を産生すると、解離した酸の量が増加し、結果として培地のｐＨが低下する。これは、下記式（２）に従って、溶液のｐＨが培地に存在する酸の濃度と関係するからである。
【００２５】
【数２】
2013535224.tif 000004
【００２６】
式中、ｐＫａは弱酸の解離定数の対数であり、［Ｒ（ＯＨ）ＣＯＯ−］及び［Ｒ（ＯＨ）ＣＯＯＨ］は、それぞれ対イオン及び有機酸のモル濃度である。
【００２７】
従って、塩基（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、ＮＨ４ＯＨ等が挙げられるが、これらに限定されない）を添加すると、下記式（３）で表される解離式によってＨ＋イオンの消費量が増加し、結果として溶液のｐＨが大きくなる。
【００２８】
【数３】
2013535224.tif 000005
【００２９】
従って、塩基の添加量が酸の生成量と等しい場合、溶液のｐＨは一定値（好ましくは４．０〜７．０に調整された値）に維持されて、微生物による有機酸生産量が最大となる。
【００３０】
種々の微生物を培養するための各種発酵培地組成がいくつか、科学技術文献で提案されており、それらは既に市販されている。最も一般的に使用されている市販培地の一つとしてＭＲＳ（Ｍａｎ、Ｒｏｇｏｓａ及びＳｈａｒｐｅ（発明者名））が知られている。この培地は、一般的には以下の組成（質量／体積）を有する。
・ペプトン：１．０％
・動物組織エキス（通常は牛肉）：０．８％
・酵母エキス：０．４％
・グルコース：２．０％
・酢酸ナトリウム：０．５％
・ポリソルベート８０（Ｔｗｅｅｎ８０ともいう）：０．１％
・硫酸水素カリウム：０．２％
・クエン酸アンモニウム：０．２％
・硫酸マグネシウム：０．０２％
・硫酸マンガン：０．００５％
・２４±１℃でｐＨ６．２に調整
【００３１】
この点については以下の文献を参照されたい。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｄ．ｃｏｍ／ｄｓ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ／ｉｎｓｅｒｔｓ／Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｉ＿ＭＲＳ＿Ａｇａｒ＿＆＿Ｂｒｏｔｈ．ｐｄｆ、１１／１９／２００９。
【００３２】
この組成は、Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ａｃｉｄｏｐｈｉｌｕｓ、Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｃａｓｅｉ、Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｆｅｒｍｅｎｔｕｍ、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ  ｃｏｌｉ、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ等の微生物を培養するのに推奨される。
【００３３】
各種微生物の培養に対応するため、ＭＲＳ培地を変更及び改変させたものも市販されている。
【００３４】
発酵プロセスは、典型的には温度が好適に制御された発酵槽にて行われ、発酵槽内において、１８〜３６時間にわたって培養液の組成を有機酸の生産に最適な条件に調整して微生物が保持される。
【００３５】
プロセス温度は２５〜４２℃に維持される。また、発酵槽はｐＨ測定プローブを備えており、培地の酸性度を継続的にモニタリングすることができる。乳酸の生産性が低下する値にまでｐＨが到達したら、所定量の塩基性溶液を培地に添加して、稼働値までｐＨを上昇させる。
【００３６】
本発明の一態様によれば、発酵培地の酸性度を定容で補正するためのシステムであって、発酵培地のｐＨをリアルタイムで測定するためのセンサを少なくとも１つ有する発酵槽を少なくとも１つと、濾過モジュールと、塩基添加用容器及び塩基投入量計量器と、上記発酵槽から上記濾過モジュールへ発酵培養液を送り込むための第一ポンプと、上記発酵培養液の塩基性化された分を上記発酵槽へ送り返すための第二ポンプと、熱交換器で構成されており、上記発酵槽から取り出した分に対して添加するｐＨ補正用アルカリ溶液の体積比を制御器により決定するシステムが得られる。
【００３７】
本発明の他の態様によれば、本発明のシステムを使用して発酵培地の酸性度を補正する方法が得られる。
【００３８】
図１に示すように、本発明では従来技術の通常の方法と異なり、発酵槽（１）は、特定量の培地を取り出し、アルカリ化し、元に戻すシステムに接続されている。このスキームでは、フローポンプ（Ｂ１）を作動させて、総容積に対して１２％以下の量の発酵培地を取り出す。上記フローポンプは、濾過要素（図示せず）を含む濾過モジュール（２）へ培養液の一部（流れ（Ａ））を運ぶ役割を担う。
【００３９】
流れ（Ａ）の濃度は、微生物培養に最適な値以下のｐＨ及び発酵槽内温度に近い温度を有する発酵培養液と等しい濃度又はそれに近い濃度であってもよい。濾過モジュール（２）を通過する際、大きさが０．５〜５μｍの範囲、好ましくは１μｍ超の固形分について流れ（Ａ）の一部が上記濾過要素上に残渣として残留する。
【００４０】
上記流れの他の部分は、濾過要素を通り抜けて流れ（Ｂ）を形成する。流れ（Ｂ）には、ｐＨ値４．０〜７．０及び温度２５℃〜４２℃で濾過要素を透過しなかった固体を除いて、発酵槽（１）内に存在する全ての反応培地成分が含まれる。
【００４１】
残渣として残留した固体は反応培地に戻されて流れ（Ｃ）を形成し、それにより、発酵培地の微生物濃度を継続的に維持でき、そして有機酸の生産量を最大限に確保できる。
【００４２】
流れ（Ｃ）には、本質的にＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属細胞、細胞破片が含まれている。また、発酵プロセス及び培地組成に固有の無機固体廃棄物が含まれていてもよい。
【００４３】
上記濾過モジュール（２）は、孔径が０．５〜５μｍ、好ましくは１μｍの濾過剤を備えているのが望ましい。濾過システム（例えば、バグフィルター（小袋）、好ましくは接線流濾過システム（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）を備えた微細構造膜で構成されたバグフィルター等）では、複数種の濾過要素を使用してもよく、それにより、発酵培地中の固体（特に微生物）の大半を残渣として残留させやすくして、発酵プロセスに大きな損失をもたらすことなく、それらを最終的に培地に戻すことができる。
【００４４】
流れ（Ｂ）は、濾過モジュール（２）の濾過要素から混合槽（３）へ送られる。混合槽（３）では、投入要素（４）から特定量の塩基が添加されて透過溶液（グルコース、酵母エキス、硫酸マグネシウム、硫酸マンガン等）のｐＨが７よりも大きい値に調整され、その結果、適量が発酵槽に戻されると（流れ（Ｄ））、酸性度を低減できる。すなわち、乳酸又は他の有機酸の生産性を良好とするのに必要な範囲内の値まで発酵培養液のｐＨが大きくなる。
【００４５】
透過培養液に添加する塩基は有機物であっても無機物であってもよいが、好ましくはＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２又はＮＨ４ＯＨである。液状塩基は手動で添加してもよいが、上記混合槽（３）上部の投入装置（４）から添加するのが好ましい。
【００４６】
混合槽（３）で添加した塩基を除けば流れ（Ｂ）と同じ組成であり、且つ、温度３０〜６０℃でｐＨが６〜９の値、好ましくは７よりも大きい値であるアルカリ溶液（流れ（Ｄ））は、発酵槽へ戻す前に、熱交換器（５）を通過させて移送してもよい。この熱交換器は、アルカリ溶液をプロセス稼働温度に保つ役割を担い、発酵プロセスの妨害を防ぐ。
【００４７】
また、熱交換器（５）の冷却液によって溶液から取り出された熱を発酵槽（１）へ送って、上記発酵槽（又は複数の上記発酵槽）の温度を有機酸生産に適当な範囲内に保ってもよい。
【００４８】
プロセス全体は統合的にデジタル制御されており、これにより、発酵槽からの流出量、要素（４）により混合槽（３）内の溶液に添加される塩基の量、及び、反応器へ戻されるアルカリ溶液の流れ（Ｄ）の流量が適切になり、有機酸生産プロセスにおける所与の時点で必要とされる培地ｐＨの調整に応じたものとなる。
【００４９】
図２は、上述したプロセスで用いられる制御設計図を概略的に表す。これによれば、推奨される又は経験的に定められるｐＨ範囲内で発酵プロセスが進行して有機酸の生産が最大となるように、ポンプ（Ｂ１）及び（Ｂ２）によって十分な流量を提供できる。
【００５０】
図２に記載された本発明のシステムは、全体を参照番号（１００）で示す。
【００５１】
センサ素子（Ｐ１）は発酵槽（１）の発酵培地内にあり、プロセスを通じてｐＨ値の変化をリアルタイムで制御している。また、該センサ素子はアレイ状又は複数個で一組としたセンサ素子（図示せず）であってもよく、この場合、測定精度が向上する。上記センサ素子（Ｐ１）は市販のｐＨセンサである。上記素子（Ｐ１）は、配線（Ｌ１）を介して制御素子（ＣＴ）に接続されている。
【００５２】
また、上記制御素子（ＣＴ）は、ｉ）配線（Ｌ２）を介したポンプ（Ｂ１）への接続によって発酵培地溶液（流れ（Ａ））の流量を制御し、ｉｉ）配線（Ｌ３）を介して塩基性溶液の流量を制御し、ｉｉｉ）配線（Ｌ４）を介したポンプ（Ｂ２）への接続によってアルカリ化された発酵培地溶液（流れ（Ｄ））の流量を制御し、ｉｖ）温度がプロセス稼働範囲内に保たれるよう配線（Ｌ５）を介して熱交換器（５）の冷却液の流量を制御する役割を担う。
【００５３】
上記制御素子（ＣＴ）は、産業規模のプロセス制御の分野で周知の市販装置で構成され、操作が容易なインターフェースを提供し、且つ、プロセス全体をリアルタイムで制御する専用のソフトウェア（監視システムという）を備えている。簡潔に言えば、上記ＣＴは、プロセス全体にわたって設置されたセンサからあらゆる情報を受け取って読み込み、そのメモリにプログラムされた指示に基づいて、センサのリアルタイム状況に応じた具体的な処置（ポンプ流量の制御、温度制御、ｐＨ制御、バルブの開閉）を行い、それにより、当該プロセスの複数工程を高度に自動制御できる。
【００５４】
図３は、複数個で一組とした反応器に適合させた上記プロセスを表し、これによれば、異なる発酵槽（（１．１）、（１．２）、（１．３）、（１．４）槽）の各バッチを交互に実施しつつ、流れ（Ｂ）で表される透過物アルカリ化プロセスを連続的に行うことができる。
【００５５】
図３のシステムは、全体を参照番号（２００）で示す。
【００５６】
図３は、順番に並んだ２個を一組とした発酵槽を２組、配置したものを表す。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱しない限り、これらの配置は他のものに変更及び改変してもよい。
【００５７】
この図では、好適な制御バルブ（本明細書では分流器（ＤＶ１）という）が、流れ（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）及び（Ａ４）を受けている。この分流器は配線（Ｌ６）を介して中央制御素子（ＣＴ）に接続されており、上記発酵槽（１．１）（１．２）（１．３）及び（１．４）内の発酵培地の流出量を制御している。
【００５８】
流れ（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）及び（Ｃ４）は、本質的にＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属細胞又は細胞破片で構成される流れ（Ｃ）から分流器（ＤＶ２）によって形成されたものであり、発酵プロセス及びその培地組成に固有の無機固体廃棄物を含んでいてもよい。また、上記分流器は配線（Ｌ７）を介して中央制御素子（ＣＴ）に接続されており、残渣として残留した固体（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属細胞又は細胞破片、無機固体廃棄物）の上記発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）への流入を制御している。
【００５９】
槽（３）で塩基化された発酵培養液からなる流れ（Ｄ）は、分流器（ＤＶ３）によって流れ（Ｄ１）、（Ｄ２）、（Ｄ３）及び（Ｄ４）に更に分流され、それにより、特定のプロセス経過時間で各発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）に塩基化された培養液が適量供給される。また、上記分流器（ＤＶ３）は配線（Ｌ８）を介して中央制御素子（ＣＴ）に接続されており、塩基化培養液の上記発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）への流入を制御している。
【００６０】
上記槽からの流れ（本明細書中、流れ（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）及び（Ａ４）で示す）は、有機酸生産の最適値に近い温度及びｐＨ値を有する各槽内の発酵培養液で本質的に構成される。
【００６１】
図３に示す通り、発酵槽（１．１）、（１．２）、（１．３）及び（１．４）はいずれもセンサ素子（Ｐ１．１）、（Ｐ１．２）、（Ｐ１．３）及び（Ｐ１．４）を備えており、いずれも配線（Ｌ９）を介して制御素子（ＣＴ）に接続されており、各反応培地のｐＨをリアルタイムで制御している。
【００６２】
運転中、例えば、発酵槽（１．１）を出た流れ（Ａ１）が分流器（ＤＶ１）を介して濾過モジュール（２）へ送られ、分液されることによって、発酵槽（１．１）へ戻る残渣として残留した固体の流れ（Ｃ）と、容器（３）で塩基性溶液によりｐＨが補正される有機酸を含む流れ（Ｂ）とが形成される際に、発酵槽（１．２）、（１．３）及び（１．４）は休止しているか、又は、アルカリ溶液の添加による補正を必要としないその後のプロセス段階にあってもよい。
【００６３】
プロセス運転中のある時点において、（ＤＶ１）の機能は反応培地の流出量を制御することに限定されている。
【００６４】
濾過、分液及び塩基化後、得られた流れ（Ｃ１）及び（Ｄ１）は発酵槽（１．１）へ送られる。
【００６５】
流れ（Ａ１）を濾過モジュール（２）で分液後すぐに、流れ（Ａ２）を上記モジュール（２）へ送ることができ、ここでは、プロセス全体を完了してから新たなバッチを開始する必要は無い。このように、連続モードを用いて同様に行うこともできる。
【００６６】
流れ（Ａ１）と同様に、流れ（Ａ２）、（Ａ３）及び（Ａ４）を濾過、分液及びアルカリ化して得られた流れ（Ｃ２）、（Ｃ３）及び（Ｃ４）並びに（Ｄ２）、（Ｄ３）及び（Ｄ４）も、それぞれ発酵槽（１．２）、（１．３）及び（１．４）へ送られる。
【００６７】
従って、上述したシステムは、用意した発酵槽を交互に使用することで１日２４時間連続運転できる。当業者には明らかなように、本発明の範囲を逸脱すること無く、もっと多くの数の発酵槽をプロセスに追加することも可能であり、そのような方法は当業者の理解の範囲内である。
【実施例】
【００６８】
以下の実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６９】
例１
本例は比較例である。
【００７０】
本発明で上述したように、以下の組成：
・ペプトン：１．０％
・動物組織エキス（通常は牛肉）：０．８％
・酵母エキス：０．４％
・グルコース：２．０％
・酢酸ナトリウム：０．５％
・ポリソルベート８０（Ｔｗｅｅｎ８０ともいう）：０．１％
・硫酸水素カリウム：０．２％
・クエン酸アンモニウム：０．２％
・硫酸マグネシウム：０．０２％
・硫酸マンガン：０．００５％
を有する一般的なＭＲＳ型発酵培養液を総容積１０００ＬでＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属細胞とともに初期ｐＨ７．２の条件で攪拌下、３９℃で１８時間培養した。３．０ｋｇ／ｈの範囲の生産性とするためには、７．５Ｎ  ＮａＯＨ水溶液１２０Ｌを加えて培地のｐＨを７．２に保持しなければならなかった。その結果、培地の総容積が１２％増加した。よって、その後の生成物（すなわち有機酸及びその塩）分離工程において、１２０Ｌの過剰分を培地から取り除く必要があった。このように容積が増加した結果、プロセスのエネルギー消費量が１２％増加し、これは、上記条件下では、有機酸７２ｋｇを毎日生産するプラントの場合、７５．４ｋＷ／ｈに相当する。従って、本例から明らかなように、発酵プロセスの総エネルギー消費量は、生産される酸１ｋｇあたり約１．０５ｋＷ／ｈである。
【００７１】
例２
本例では、本発明に係る方法を記載している。
【００７２】
本明細書の例１に記載したＭＲＳ型発酵培養液を例１と同様に調製し、容積１０００Ｌで同種の細胞とともに初期ｐＨ７．２の条件で攪拌下、３９℃で１８時間培養して、生産量を３．０ｋｇ／ｈの範囲で維持するには、反応量の１２０Ｌ分を取り出し、濾過し、ＮａＯＨ３６ｋｇでアルカリ化してから反応培地に戻すことが必要であり、この場合、移送（ポンプ）、濾過、投入、モニタリング及び制御工程を含むプロセス全体のエネルギー消費量は０．６７ｋＷ／ｈとなる。本例によれば、１日あたり有機酸７２ｋｇを生産するプラントの場合、節約されたエネルギーの総量は約７４．７ｋＷ／ｈとなり、結果として、生産される酸１ｋｇあたりの電力消費量は１．０３ｋＷ／ｈとなることが示される。すなわち、その後の生産培地の分離及び精製プロセスにおけるエネルギー消費量は１１．８％節約される。
【００７３】
例３
本実施例では、本発明の方法を反応器を複数有するシステムに応用した場合に得られる実質的なエネルギー節約量について例示する。
【００７４】
本明細書の図３に示すように、発酵培養液の取出し、濾過及びアルカリ化を行うシステムを、４個一組とした発酵反応器（１．１、１．２、１．３及び１．４）に接続させた。各プロセスの開始時間を６時間ずつずらして反応器を運転することで、１つの発酵槽から取り出した培養液を別の発酵槽で使用できるようにした。その結果、アルカリ化プロセスの循環量（体積）は、反応器が１個のシステムの場合は１２％であったのに対し、４個の反応器で培養された総量の７．５％にまで比例的に減少した。総生産量が１２．０ｋｇ／ｈであることを考慮すると、移送（ポンプ）、濾過、投入、モニタリング及び制御工程を含むプロセス全体の総エネルギー消費量は１．６５ｋＷ／ｈであった。本例によれば、１日あたり有機酸２８８ｋｇを生産するプロセスの場合、容積の減少により、その後の精製工程での節約されたエネルギーの総量は１１３ｋＷ／ｈとなり、結果として、生産される酸１ｋｇあたりのエネルギー消費量は０．４ｋＷ／ｈとなることが示される。すなわち、プロセス全体でのエネルギー消費量は３７．５％の節約となる。
【符号の説明】
【００７５】
１、１．１、１．２、１．３、１．４：発酵槽
２：濾過モジュール
３：塩基添加用容器
４：塩基投入量計量器
５：熱交換器
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ、Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４：流れ
Ｂ１：第一ポンプ
Ｂ２：第二ポンプ
ＣＴ：制御器
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９：配線
Ｐ１、Ｐ１．１、Ｐ１．２、Ｐ１．３、Ｐ１．４：センサ又はセンサ素子
１００、２００：システム
ＤＶ１、ＤＶ２、ＤＶ３：分流器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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