(57)【要約】  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は、好気性もしくは通性嫌気性微生物（以下、「好気性微生物等」という。）を用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うために、微生物培養液中に、生物反応前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体を存在させると共に、この微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させるものである。また、本発明の好気性微生物等を担持させた多孔質構造体は、生物反応を効率的かつ経済的に行うために、生物反応前に予め好気性微生物等を高い担持密度で担持させたものである。また、本発明の好気性微生物等を担持させた多孔質構造体の製造方法は、好気性微生物等を高い担持密度で担持させるために、多孔質構造体と、好気性微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させるものである。
2016080487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液、及び生物反応前に予め好気性もしくは通性嫌気性微生物を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体を含有する微生物培養液を収容する微生物培養槽と、
上記微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を備えることを特徴とする生物反応装置。
【請求項２】
上記担持密度の高い多孔質構造体が、生物反応前に予め、多孔質構造体と、上記好気性もしくは通性嫌気性微生物及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させることにより得られるものである、請求項１に記載の生物反応装置。
【請求項３】
上記担持密度の高い多孔質構造体が、連続孔のある三次元立体網目構造を有す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】
上記担持密度の高い多孔質構造体が、ポリビニルアルコール系多孔質ゲルであ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】
上記担持密度の高い多孔質構造体が、上記微生物培養液中にカラム、網体等の固定部材で固定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項６】
上記担持密度の高い多孔質構造体が、上記微生物培養液中に分散した状態で存在することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項７】
上記マイクロナノバブル発生装置が上記微生物培養槽に培養液を供給する管路に設けられ、上記微生物培養槽に供給される培養液に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１〜６のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項８】
上記マイクロナノバブル発生装置が上記微生物培養槽の外部に設けられ、上記微生物培養槽の微生物培養液にマイクロナノバブルを吹き込むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項９】
上記微生物培養槽から上記微生物培養液を抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた後、上記微生物培養槽に還流する循環経路を有し、該循環経路には、
上記微生物培養槽または上記微生物培養槽から上記微生物培養液を抜き出す管路に設けられ、上記微生物培養液から上記多孔質構造体を分離するろ過手段、
上記ろ過手段を通じて上記微生物培養槽から上記微生物培養液を抜き出し、この抜き出した微生物培養液に圧力をかけて次の工程に送る培養槽ポンプ、及び
この加圧された微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
を備えることを特徴とする、請求項８に記載の生物反応装置。
【請求項１０】
上記請求項１〜９のいずれかに記載の生物反応装置により、好気性もしくは通性嫌気性微生物の代謝産物等の反応物を得ることを特徴とする、生物反応方法。
【請求項１１】
上記請求項１〜１０のいずれかに記載の生物反応装置または生物反応方法において使用される、生物反応前に予め好気性もしくは通性嫌気性微生物を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体。
【請求項１２】
上記請求項１１に記載の担持密度の高い多孔質構造体の製造方法であって、多孔質構造体と、上記好気性もしくは通性嫌気性微生物及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させることを特徴とする、好気性もしくは通性嫌気性微生物を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体の製造方法。
【請求項１３】
微生物培養槽中に好気性もしくは通性嫌気性微生物、微生物培養液、多孔質構造体等を収容し、循環経路を通じて、該微生物培養槽から該微生物培養液を抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた後、該微生物培養槽に還流することにより、好気性もしくは通性嫌気性微生物を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体を製造する方法であって、該循環経路では、
ろ過手段により、上記微生物培養液から上記多孔質構造体を分離し、
培養槽ポンプにより、上記ろ過手段を通じて上記微生物培養槽から上記微生物培養液を抜き出し、この抜き出した微生物培養液に圧力をかけて次の工程に送り、
マイクロナノバブル発生装置により、この加圧された微生物培養液に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１２に記載の担持密度の高い多孔質構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、微生物培養液中に、生物反応前に予め好気性もしくは通性嫌気性微生物を細孔の奥まで担持させた多孔質構造体を存在させると共に、この微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させることを特徴とするものである。（以下、好気性もしくは通性嫌気性微生物を「好気性微生物等」といい、好気性もしくは通性嫌気性微生物を担持させていない多孔質構造体を単に「多孔質構造体」といい、好気性もしくは通性嫌気性微生物を担持させた多孔質構造体を「担持構造体」という。）
また、本発明は、この生物反応装置または生物反応装置において用いられる、担持構造体及びこの担持構造体の製造方法に関し、多孔質構造体と、好気性微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させることにより、生物反応に用いる前に予め生物多孔質構造体の細孔の奥まで好気性微生物等を担持させる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、培養液中にマイクロナノバブルあるいはナノバブル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、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、このろ過液にマイクロナノバブルを混合して培養槽に返送することが記載されている。特許文献２には、培養液を培養槽に供給する前段階で、培養液にマイクロナノバブル及びナノバブルを混合することが記載されており、また、特許文献３には、培養液を培養槽に供給する前段階で、マイクロナノバブルを混合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１〜３に開示されるような、マイクロナノバブルあるいはナノバブルにより、微生物を活性化するだけでは、まだ、生物反応をまだ十分に効率的、経済的に行うことはできない。【０００７】
また、生物反応において、微生物を多孔質担体で担持することは、特許文献４〜５に開示されている。【０００８】
具体的には、特許文献４には、排水処理などに用いられる微生物を、ポリビニルアルコール系含水ゲルに付着させて担持することが記載されており、また、特許文献５には、クエン酸発酵菌及び糖類を含有した処理水を、ポリビニルアルコール系多孔質ゲルと接触させて、ポリビニルアルコール系多孔質ゲルにクエン酸発酵菌を担持させることが記載されている。【０００９】
しかしながら、上記特許文献４〜５に開示されるような、菌をポリビニルアルコール系含水ゲルまたはポリビニルアルコール系多孔質ゲルと単に接触させ担持させるだけでは、好気性微生物を、ポリビニルアルコール系含水ゲルまたはポリビニルアルコール系多孔質ゲルの細孔の奥まで担持させることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４１４６４７６号公報
【特許文献２】特許第４８０５１２０号公報
【特許文献３】特許第４９５６０５２号公報
【特許文献４】特開２００４−０７５７６３号公報
【特許文献５】特開２００７−２８２５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、マイクロナノバブルをさらに活用して、好気性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生物反応装置及び生物反応方法を提供することにある。【００１２】
また、本発明の好気性微生物等を担持させた多孔質構造体及びこの多孔質構造体の製造方法の課題は、生物反応装置または生物反応方法において使用され、生物反応を効率的かつ経済的に行うことのできる、多孔質構造体及びこの多孔質構造体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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は、微生物培養液中に、好気性微生物等を高い密度で担持させた担持構造体を存在させると共に、この微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させることを特徴とするものである。【００１４】
また、本発明の好気性微生物等を担持させた多孔質構造体は、好気性微生物等を高い密度で担持することを特徴とするものであり、この多孔質構造体の製造方法は、多孔質構造体と、好気性微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させることを特徴とするものである。【００１５】
本発明の「マイクロナノバブル」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」はある程度の長時間水中に残存する。【００１６】
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。【００１７】
本発明のマイクロナノバブルは空気または酸素から形成することができるが、好気性微生物等に呼吸に必要な酸素を効率的に供給する観点からは、酸素を用いるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記特許文献１〜３は、これらマイクロナノバブル、ナノバブルが微生物を活性化する作用を利用したものであるが、本発明では、この活性化作用と共に、マイクロナノバブルが多孔質構造体の細孔の奥まで侵入できるという作用も利用して、好気性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。【００１９】
すなわち、まず、本発明では、マイクロナノバブルを利用して生物反応前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体を用いる。これにより、多孔質構造体中、ひいては微生物培養槽内の好気性微生物等の密度を高くできるので、生物反応の効率を高めることができる。【００２０】
さらに、本発明では、好気性微生物等は多孔質構造体に担持されているため、微生物培養液から好気性微生物等を分離し、ろ過液を回収するろ過工程を、簡単に、好気性微生物等に大きなストレスやダメージを与えることなく、効率的、経済的に行うことができる。【００２１】
さらに、本発明では、マイクロナノバブルを含有させた微生物培養液を用いるため、マイクロナノバブルが多孔質構造体の細孔の奥まで入り込み、多孔質構造体の細孔の奥に担持された好気性微生物等にも呼吸に必要な酸素を十分に供給することができるので、生物反応の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の生物反応装置の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明の生物反応装置の第２の実施形態を示す模式図である。
【図３】本発明の生物反応装置の第３の実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明の生物反応装置の第４の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５の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６の実施形態を示す模式図である。
【図７】好気性微生物等を担持させる前の多孔質構造体の中心点を通る断面を示す写真である。
【図８】実施例１により、好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体の中心点を通る断面を示す写真である。
【図９】比較例１により、好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体の中心点を通る断面を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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主要な特徴は、前述のように、
１）微生物培養液中に、好気性微生物等を高い密度で担持させた、担持密度の高い担持構造体を存在させること、
２）微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させること、
にあるが、これらの事項について、以下に順次説明する。
【００２４】
１）担持構造体
担持構造体は、生物反応に用いる前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高いものであり、この担持構造体は、多孔質構造体と、好気性微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液とを接触させることにより製造することができる。
【００２５】
多孔質構造体としては、細孔を有するもの、特に、連続孔を有する三次元立体網目構造を有するものを用いることが好ましい。単にこのような構造を有する多孔質構造体を用いただけでは、通常、細孔の内部には酸素が十分に供給されないため、好気性微生物等は多孔質構造体の表面にしか担持することができない。
【００２６】
一方、本発明では、多孔質構造体に接触させる培養液として、好気性微生物等及びマイクロナノバブルを含有する培養液を用いることで、多孔質構造体の細孔の奥まで酸素を供給でき、細孔の奥まで好気性微生物等を担持させることができ、好気性微生物等の担持密度を高くすることができる。
【００２７】
さらに、生物反応により得られた好気性微生物等の代謝産物などの反応物（以下、「目的物」という。）を微生物培養槽から回収する際等には、微生物培養液から好気性微生物等を分離して、ろ過液を回収する必要があるが、本発明では、好気性微生物等を多孔質構造体で担持しているため、好気性微生物等の分離を簡単かつ経済的に行うことができる。
【００２８】
次に、担持構造体の製造方法の好適例について説明する。
多孔質構造体に好気性微生物等を担持させる方法としては、培養液に好気性微生物等を添加して、好気性微生物等を培養・増殖させた後に多孔質構造体と接触させ担持させる方法、または、培養液に好気性微生物等及び多孔質構造体を添加して、好気性微生物等を培養・増殖させながら担持させる方法が挙げられる。
【００２９】
前者の方法は、次のような手順で行う。
ａ１）まず、必要とする好気性微生物等以外の微生物、細菌等が存在しないようにするため、多孔質構造体、培養液等を滅菌する。
ｂ１）次に、培養液に好気性微生物等を添加し、培養液にマイクロナノバブルを含有させながら、好気性微生物等を培養・増殖させる。
ｃ１）好気性微生物等が一定濃度以上に増殖した段階で、培養液にマイクロナノバブルを含有させながら、多孔質構造体と接触させる。
【００３０】
また、後者の方法は、次のような手順で行う。
ａ２）まず、必要とする好気性微生物等以外の微生物、細菌等が存在しないようにするため、多孔質構造体、培養液等を滅菌する。
ｂ２）次に、培養液に多孔質構造体を添加し、培養液にマイクロナノバブルを含有させる。
ｃ２）培養液に好気性微生物等を添加し、培養液にマイクロナノバブルを含有させながら、好気性微生物等を培養・増殖させる。
【００３１】
上記の方法において用いる培養液には、主として糖類、窒素源が含まれる。
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％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％に設定するのが好ましい。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。
【００３２】
上記工程ｂ１）及び工程ｃ２）における好気性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。
【００３３】
なお、上記工程ｂ１）及び工程ｃ２）においては、好気性微生物等の増殖を促進するために処理水にマイクロナノバブルを含有させているが、マイクロナノバブルを含有させなくても好気性微生物等の培養・増殖が十分迅速に行える場合には、マイクロナノバブルの含有を省略することができる。
【００３４】
上記工程ｃ１）及び工程ｂ２）における、マイクロナノバブルの含有させた培養液と多孔質構造体との接触は、例えば、処理水中に多孔質構造体を入れて振とう撹拌することにより行うことができる。
【００３５】
本発明における好気性微生物等としては、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（５〜１０μｍ）、納豆菌（２〜３μｍ）、酢酸菌（５〜１０μｍ）、酵母菌（５μｍ）、乳酸菌（２〜４μｍ）、コリネ型細菌（２〜４μｍ）等の好気性微生物等のほか、遺伝子組み換え技術で創り出される各種好気性微生物等を用いることができる。
【００３６】
連続孔を有する三次元立体網目構造を有する多孔質構造体の連続孔の孔径は、担持する好気性微生物等の大きさにもよるが、通常は１〜３０μｍであるのが好ましく、５〜１０μｍ前後であるのがより好ましい。
【００３７】
本発明において好適に用いられる多孔質構造体の素材としては、ポリビニルアルコールといったビニルアルコール系樹脂、ポリエチレングリコールといったエーテル系樹脂、ポリメタクリル酸といったアクリル系樹脂、ポリアクリルアミドといったアクリルアミド系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンといったオレフィン系樹脂、ポリスチレンといったスチレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートといったエステル系樹脂、ポリアクリロニトリルといったアクリロニトリル系樹脂、ポリウレタンスポンジといったウレタン系樹脂、アルギン酸カルシウム、κ（カッパ）カラギーナン、寒天、セルロース誘導体といった多糖類、ポリエステルエアクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレートといった光硬化性樹脂、活性炭といった多孔質無機化合物などを例示することができる。
【００３８】
より好適には、内部に至るまで多孔質で網目状となった構造を有する点、及びゲル内に多量の水を取り込むことができる点で、ポリビニルアルコール系多孔質ゲルが好ましい。
【００３９】
さらに、多孔質ゲルの機械的強度を十分に向上させることができ、生物反応の際に強い撹拌を行っても十分に耐え得る強度を有する点で、ホルマール化ポリビニルアルコール系多孔質ゲルやアセタール化ポリビニルアルコール系多孔質ゲルがより好ましい。ポリビニルアルコール系多孔質ゲルの具体例としては、例えば、株式会社クラレの商品名クラゲールを挙げることができる。
【００４０】
本発明の担持構造体は、上記のように、培養液にマイクロナノバブルを含有させることで、好気性微生物等の担持密度を高くしたものである。
【００４１】
生物反応を効率的に行うための要素としては、微生物培養液の好気性微生物等の菌体密度を高くすることが挙げられるが、菌体密度を高くしすぎると、好気性微生物等に栄養分及び酸素が十分に提供されなくなるため生物反応の効率が低下することとなる。
【００４２】
培養液だけを用いて好気性微生物等を培養する場合、好気性微生物等を適正に培養できる菌体密度は、３〜６ｇ／Ｌ程度とされている。
【００４３】
一方、好気性微生物等を多孔質構造体に担持させる場合には、好気性微生物等への栄養分及び酸素の提供の点には問題はないものの、従来の担持方法では多孔質構造体の細孔の奥まで好気性微生物等を担持させることが難しいため、上記培養液を多孔質構造体に高密度で菌体を担持し続けることが困難であった。（純粋培養における多孔質構造体の細孔の奥まで好気性微生物等を担持させた事例は見当たらない。）
これに対して、本発明の担持構造体では、培養液にマイクロナノバブルを含有させることにより、多孔質構造体の細孔の奥まで好気性微生物等を担持させることができ、好気性微生物等、多孔質構造体の素材等にもよるが、菌体密度を上記培養液の菌体密度の５〜６倍程度にすることができる。
【００４４】
担持構造体の形状は、特に限定されないが、例えば球状、直方体形状、立方体形状等の粉粒体形状が好ましい。粉粒体を用いれば、好気性微生物等固定化のための表面積を大きく増大させることができて、より高効率で目的物を製造することができる。多孔質ゲル粉粒体の乾燥時の粒径（直径）は０．５〜１０ｍｍであるのが好ましい。
【００４５】
担持構造体の使用形態は、微生物培養液中にカラム、網体等で固定されていても、また、微生物培養液中に分散した状態で存在してもよい。
【００４６】
２）微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させること
本発明においては、上記１）で得られた担持構造体は、培養液と共に微生物培養槽に収容され、この微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させて生物反応が行われる。
【００４７】
本発明では、上記１）で述べたように、生物反応に、生物反応前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、好気性微生物等の担持密度の高い多孔質構造体を用いるが、微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させることにより、多孔質構造体の細孔の奥に担持した好気性微生物等にも呼吸に必要な酸素を十分に供給できるので、生物反応の効率を向上することができる。
【００４８】
微生物培養液にマイクロナノバブルを含有させる手段としては、
ａ）微生物培養槽の外部に設けたマイクロナノバブル発生装置により、微生物培養槽の微生物培養液にマイクロナノバブルを放出する手段、
ｂ）微生物培養槽に培養液を供給する管路に設けたマイクロナノバブル発生装置により、微生物培養槽に供給される培養液にマイクロナノバブルを含有させる手段、
ｃ）微生物培養槽から抜き出した微生物培養液に、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、このマイクロナノバブルを含有する微生物培養液を微生物培養槽に循環する手段
ｄ）マイクロナノバブルを予め含有させた培養液を、管路を通じて微生物培養槽に供給する手段
を採用することができる。
【００４９】
これらの手段は、単独で、あるいは、組み合わせて採用できるが、どの手段を採用するかは、使用する好気性微生物等の剪断力等に対する耐性、生物反応の効率、経済性等を考慮して、適宜選択することができる。
【００５０】
好気性微生物等に与えるストレスやダメージが最も少ない手段は、上記ｂ）及びｄ）の手段である。一般的には、上記ａ）の手段ではマイクロナノバブルの放出によって生じる剪断力により、また、上記ｃ）手段ではろ過の際に生じる剪断力により、好気性微生物等にストレスやダメージが与えられるが、本発明では好気性微生物等を多孔質構造体で担持しているため、このストレスやダメージを大幅に軽減することができる。
【００５１】
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る。
【００５２】
マイクロバブル発生装置としては、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。
【００５３】
また、マイクロ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。
【００５４】
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主要な特徴について、上記１）及び２）で説明したが、その他の特徴について、以下に説明する。
【００５５】
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、目的物の回収は、バッチ式で行ってもよいし、連続式で行ってもよい。
【００５６】
バッチ式で行う場合には、微生物培養槽内における生物反応が完了した後、培養槽ポンプを駆動して、ろ過したろ過液をろ過液貯槽に移送する。
【００５７】
連続式で行う場合には、微生物培養槽の微生物培養液の水位が一定に保たれるように、微生物培養槽に供給される培養液の量とバランスをとって、ろ過したろ過液を抜き出し、ろ過液貯槽に移送する。
【００５８】
バッチ式、連続式のどちらを選定するかは、生物反応の効率、必要とされる目的物の純度、経済性等を考慮して、適宜選択することができる。
【００５９】
一般の生物反応装置、生物反応方法においては、目的物を回収する際に、微生物培養液から微生物を分離するために、精密なろ過を行う必要があるが、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、好気性微生物等は多孔質構造体に担持されているので、担持構造体を分離できる程度の粗いろ過を行えばよい。
【００６０】
したがって、本発明では、ろ過を効率的、経済的に行うことができ、さらに、好気性微生物等に与えるストレスやダメージを小さくすることができる。
【００６１】
本発明のろ過に用いるろ過手段としては、ポリフッ化ビニリデン等の有機高分子化合物からなる多孔性膜、金属製の金網等のろ過膜を好適に用いることができる。
【００６２】
また、生物反応中において、担持構造体から好気性微生物等が脱離する可能性があるため、好気性微生物等が僅かでも混入するのを回避したい場合には、上記ろ過手段による粗いろ過を行った後に、醸造や発酵の技術分野で通常行われている精密ろ過を行うことができる。
【００６３】
このように精密ろ過を併用する場合であっても、担持構造体を用いたこと及び粗いろ過を行ったことにより、精密ろ過における目詰まりを著しく減少できるという利点がある。
【００６４】
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は、マイクロナノバブルを利用して、好気性微生物等用いた生物反応を効率的かつ経済的に行うことができ、醸造や発酵といった生物反応を利用する食品、薬品、化学品などの製造のみならず、バイオマスを利用してバイオエタノール等を製造するバイオリファイナリーにも適用できる有用なものである。
【００６５】
また、本発明の好気性微生物等を担持させた多孔質構造体は、生物反応を効率的かつ経済的に行うことのできる有用なものである。
【００６６】
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を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。
【００６７】
図１に、この発明の生物反応装置の第１実施形態を模式的に示す。
第１実施形態は、
○担持構造体７が、微生物培養槽１中に固定部材８で固定されていること、
○マイクロナノバブル発生装置３が微生物培養槽１に培養液６を供給する管路に設けられており、微生物培養槽１に供給される培養液６にマイクロナノバブルを含有させること、
及び
○マイクロナノバブル発生装置２が微生物培養槽１の外部に設けられており、微生物培養槽１の微生物培養液５にマイクロナノバブルを吹き込むこと、
を特徴としている。
【００６８】
第１実施形態では、次のような工程により、目的物が生成・回収される。
ａ）微生物培養槽１に供給する際に、マイクロナノバブル発生装置３により、培養液６にマイクロナノバブルを含有させる。
ｂ）微生物培養槽１に供給した後にも、マイクロナノバブル発生装置２からマイクロナノバブルを吹き込んで、微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる。
ｃ）微生物培養槽１内で、担持構造体７に担持された好気性微生物等の生物反応により、目的物を生成する。
ｄ）培養槽ポンプ１０を駆動し、ろ過手段９で、固定部材８から脱離した担持構造体７を分離し、目的物を含有する微生物培養液５をろ過液貯槽１３に回収する。
このように、第１実施形態では、生物反応前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、好気性微生物等の担持密度の高い担持構造体７及びマイクロナノバブルを含有させた微生物培養液５を用いることにより、生物反応を効率良く進めて、目的物を効率良く得ることができる。
【００６９】
図２に、この発明の生物反応装置の第２実施形態を模式的に示す。
第２実施形態は、第１実施形態における培養液６及び微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる手段を、循環経路１５により、微生物培養槽１から微生物培養液５を抜き出し、この抜き出した微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させ、このマイクロナノバブルを含有させた微生物培養液５を微生物培養槽１に還流する手段（以下、「循環ＭＮＢ含有手段」という。）に変更したものである。
【００７０】
この循環経路１５には、
微生物培養槽１または微生物培養槽１から微生物培養液５を抜き出す管路に設けられ、微生物培養液５から多孔質構造体７を分離するろ過手段９、
ろ過手段９を通じて微生物培養液５を抜き出し、抜き出した微生物培養液５に圧力をかけて次の工程に送る培養槽ポンプ１０、及び
この加圧された微生物培養液５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４が設けられている。
【００７１】
第２実施形態では、次のような工程により、目的物が生成・回収される。
ａ）微生物培養槽１に培養液６を供給する。
ｂ）バルブ１１を開、バルブ１２を閉とした状態で培養槽ポンプ１０を駆動し、ろ過手段９で固定部材８から脱離した担持構造体７を分離し、微生物培養槽１から抜き出した微生物培養液５をマイクロナノバブル発生装置４に導き、マイクロナノバブルを含有させた後、微生物培養槽１に還流する。
ｃ）微生物培養槽１内で、担持構造体７に担持された好気性微生物等の生物反応により、目的物を生成する。
ｄ）バルブ１１を閉、バルブ１２を開とした状態で培養槽ポンプ１０を駆動し、ろ過手段９で、固定部材８から脱離した担持構造体７を分離して、目的物を含有する微生物培養液５をろ過液貯槽１３に回収する。
【００７２】
第２実施形態は、循環ＭＮＢ含有手段を採用することにより、
１）担持構造体７を分離した微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させるので、ろ過工程、マイクロナノバブル含有工程等において好気性微生物等が受けるストレスやダメージを低減できる、
２）好気性微生物等を多孔質構造体に担持させているので、ろ過を効率的、経済的に行うことができる、
３）微生物培養液５を培養槽ポンプ１０で加圧してマイクロナノバブル発生装置４に供給するので、マイクロナノバブルの発生を円滑、経済的に行うことができる、
４）微生物培養槽１内の微生物培養液５は循環経路１５を通じて循環される（すなわち、微生物培養槽１から抜き出され、還流される）ので、微生物培養槽１の微生物培養液５を撹拌することができる
等のメリットを有している。
【００７３】
図３に、この発明の生物反応装置の第３実施形態を模式的に示す。
第３実施形態は、培養液６また微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる手段として、第１実施形態で用いられている、微生物培養槽１に供給される培養液６及び微生物培養槽１の微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる手段と、第２実施形態で用いられている循環ＭＮＢ含有手段とを、併用したものである。
【００７４】
微生物培養液５のマイクロナノバブル含有量を高めたい場合には、このように複数のマイクロナノバブル含有手段を併用することが有効である。
【００７５】
図４に、この発明の生物反応装置の第４実施形態を模式的に示す。
第４実施形態では、担持構造体７を微生物培養液５中に分散した状態で存在させており、さらに、微生物培養槽１には、微生物培養液５を撹拌するための培養槽撹拌機１４が設置されている。
【００７６】
第４実施形態は、
○担持構造体７が、微生物培養槽１中に分散した状態で存在しており、培養槽撹拌機１４で撹拌されること、
○マイクロナノバブル発生装置３が微生物培養槽１に培養液６を供給する管路に設けられており、微生物培養槽１に供給される培養液６にマイクロナノバブルを含有させること、
及び
○マイクロナノバブル発生装置２が微生物培養槽１の外部に設けられており、微生物培養槽１の微生物培養液５にマイクロナノバブルを吹き込むこと、
を特徴としている。
【００７７】
第４実施形態では、次のような工程により、目的物が生成・回収される。
ａ）微生物培養槽１に供給する際に、マイクロナノバブル発生装置３により、培養液６にマイクロナノバブルを含有させる。
ｂ）微生物培養槽１に供給した後にも、マイクロナノバブル発生装置２からマイクロナノバブルを吹き込んで、微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる。
ｃ）微生物培養槽１内で、撹拌される担持構造体７に担持された好気性微生物等の生物反応により、目的物を生成する。
ｄ）培養槽ポンプ１０を駆動し、ろ過手段９で、担持構造体７を分離して、目的物を含有する微生物培養液５をろ過液貯槽１３に回収する。
このように、第４実施形態では、生物反応前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、好気性微生物等の担持密度の高い担持構造体７及びマイクロナノバブルを含有させた微生物培養液５を用いることにより、生物反応を効率良く進めて、目的物を効率良く得ることができる。
【００７８】
第４実施形態には、培養槽撹拌機１４を用いて担持構造体７を微生物培養液５に分散し撹拌するため、多孔質構造体の細孔の奥に担持させている好気性微生物等にも、栄養分及び酸素が十分に提供され、生物反応を促進できるというメリットがあるが、一方、１）培養槽撹拌機１４の設置・運転に費用を要する、２）培養槽撹拌機１４の撹拌による剪断力により、好気性微生物等がストレスやダメージを受けやすい、好気性微生物等が多孔質構造体から離脱しやすい等のデメリットがある。
【００７９】
図５に、この発明の生物反応装置の第５実施形態を模式的に示す。
第５実施形態は、第４実施形態における培養液６及び微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる手段を、循環ＭＮＢ含有手段に変更したものである。
【００８０】
第５実施形態では、次のような工程により、目的物が生成・回収される。
ａ）微生物培養槽１に培養液６を供給する。
ｂ）バルブ１１を開、バルブ１２を閉とした状態で培養槽ポンプ１０を駆動し、ろ過手段９で担持構造体７を分離し、微生物培養槽１から抜き出した微生物培養液５をマイクロナノバブル発生装置４に導き、マイクロナノバブルを含有させた後、微生物培養槽１に還流する。
ｃ）微生物培養槽１内で、撹拌される担持構造体７に担持された好気性微生物等の生物反応により、目的物を生成する。
ｄ）培養槽ポンプ１０を駆動し、ろ過手段９で、担持構造体７を分離して、目的物を含有する微生物培養液５をろ過液貯槽１３に回収する。
【００８１】
第５実施形態には、第４実施形態と同じく、生物反応を促進できるというメリットがある。
【００８２】
また、第５実施形態は、第４実施形態と同じく、培養槽撹拌機１４を設けたものであるが、第２実施形態で述べたように、循環ＭＮＢ含有手段を用いていることにより、微生物培養槽１の微生物培養液５を撹拌することができるので、培養槽撹拌機１４を用いた撹拌を軽減することができる。
【００８３】
このように、培養槽撹拌機１４による撹拌は、循環ＭＮＢ含有手段による撹拌が十分でない場合に限って行えばよいので、実施形態４で述べた、培養槽撹拌機１４を用いることに伴うデメリットは、かなり改善することができる。
【００８４】
また、第５実施形態は、第４実施形態と同じく、循環ＭＮＢ含有手段を用いているため、第２実施形態で述べた１）〜４）のようなメリットを有している。
【００８５】
図６に、この発明の生物反応装置の第６実施形態を模式的に示す。
第６実施形態は、培養液６または微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる手段として、
第１実施形態、第３実施形態及び第４実施形態で用いられている、微生物培養槽１に供給される培養液６及び微生物培養槽１の微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させる手段と、第２実施形態、第３実施形態及び第５実施形態で用いられている、循環ＭＮＢ含有手段とを、併用したものである。
【００８６】
微生物培養液５のマイクロナノバブル含有量を高めたい場合には、このように複数の手段を併用することが有効である。
【００８７】
最後に、第２実施形態、第３実施形態、第５実施形態及び第６実施形態で用いられている、循環ＭＮＢ含有手段についてさらに説明する。この手段は、第２実施態様で説明したように、
１）担持構造体７を分離した微生物培養液５にマイクロナノバブルを含有させるので、ろ過工程、マイクロナノバブル含有工程等において好気性微生物等が受けるストレスやダメージを低減できる、
２）好気性微生物等を多孔質構造体に担持させているので、ろ過を効率的、経済的に行うことができる、
３）微生物培養液５を培養槽ポンプ１０で加圧してマイクロナノバブル発生装置４に供給するので、マイクロナノバブルの発生を円滑、経済的に行うことができる、
４）微生物培養槽１内の微生物培養液５は循環経路１５を通じて循環される（すなわち、微生物培養槽１から抜き出され、還流される）ので、微生物培養槽１の微生物培養液５を撹拌することができる
等のメリットを有しているものである。
【００８８】
特に、上記４）のメリットを十分に活用し、微生物培養槽１の微生物培養液５の撹拌を十分かつ均一に行うためには、循環経路１５を一系列だけでなく、微生物培養槽１の周囲に複数系列設けることが好ましく、微生物培養槽１の中心軸に対して等角度に複数系列設けることがさらに好ましい。これにより、好気性微生物等に剪断力等による過度のストレスやダメージを与えることなく、生物培養槽１内の生物培養液５を撹拌し、生物培養液５の溶存酸素量等を均一に保つことができる。
【００８９】
また、循環ＭＮＢ含有手段では、微生物培養槽１から微生物培養液５を抜き出し、マイクロナノバブルを含有させた微生物培養液５を微生物培養槽１に還流する訳であるが、微生物培養液５を抜き出す部分（以下、「吸込部」という。）及び微生物培養液５を還流する部分（以下、「吹込部」という。）の設置位置、吸込及び吹込方向等は、微生物培養槽１内の微生物培養液５の撹拌が最適に行えるように設計することができる。
【００９０】
例えば、円筒形の微生物培養槽を用いる場合には、微生物培養槽１の上方に吸込部を設け、微生物培養槽１の側面の培養槽底面近辺に、この吸込部と鉛直方向に並べて吹込部を設けることにより、円筒形の微生物培養槽１の側面側に、下部の吹込部側から上部の吸込部側に向かう上昇流を生じさせ、また、円筒形の微生物培養槽１の中心部側に下降流を生じさせることができる。
【００９１】
また、吸込部及び吹込部の対を、円筒形の微生物培養槽１の側面に沿って等間隔に複数対設けることにより、円筒形の微生物培養槽１全体にわたって、鉛直上下方向の撹拌を均一かつ十分に行うことができる。
【００９２】
また、複数の吹込部を、それぞれ、円筒形の微生物培養槽１の底面に向かって時計回り方向または反時計回り方向のいずれか一方に隣合う他の吹込部の方向に向けることにより、鉛直上下方向の撹拌と共に、水平方向の撹拌も十分に行うことができる。
【００９３】
また、吹込部を水平方向に対し下方に向ける、好ましくは、水平方向に対する角度を下向きに２０°〜４０°とすることにより、円筒形の微生物培養槽１の底部に沈降してくる担持構造体、酵素等を円筒形の微生物培養槽１の上方に戻すことができる。
【００９４】
また、吹込み部にインサートノズルを設置し、当該ノズルの直径を、培養槽を循環させる配管の直径と同じもしくはそれ以下とすることにより、噴流を生じ、円筒型の微生物培養槽１内部の、当該ノズルより遠方へ向けてマイクロナノバブルをすみやかに移送することでよりいっそう撹拌することができる。
【００９５】
さらに、この循環ＭＮＢ含有手段は、生物反応のみならず、担持密度の高い多孔質構造体の製造においても、生物反応と同様に有効に利用できるものである。
【００９６】
以下に実施例を挙げて、本発明の、マイクロナノバブルを利用して生物反応前に予め好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体についてさらに説明する。
【００９７】
実施例１及び比較例１の主旨を簡単に説明すると、微生物培養槽中に好気性微生物等、微生物培養液、多孔質構造体等を収容し、この培養槽にマイクロナノバブルを供給したケースが実施例１、マイクロナノバブルよりも粒径の大きな気泡を供給したケースが比較例１である。
【００９８】
［実施例１］
微生物培養槽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等［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］、微生物培養液［硫酸アンモニウムを主成分とする合成培地、グルコース濃度：４％］、多孔質構造体［クラレアクア株式会社製「クラゲール（登録商標）」、ポリビニルアルコール性球状ゲル、サイズ直径約４ｍｍ］を収容し、液量を５００ｍｌとした。
【００９９】
この微生物培養槽の内容物を、マイクロナノバブル発生装置［有限会社ＯＫエンジニアリング製ノズル式マイクロナノバブル発生装置、型番：ＯＫＥ−ＭＢ  ２００ｍｌ］により通気量２５０ｍｌ／ｍｉｎ、溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌを下回らないよう培養槽撹拌機の回転数を自動制御して６時間、多孔質構造体に微生物を担持させた。
【０１００】
［比較例１］
通気を、マイクロナノバブル発生装置［有限会社ＯＫエンジニアリング製ノズル式マイクロナノバブル発生装置、型番：ＯＫＥ−ＭＢ  ２００ｍｌ］に代えて、通常のスパージャー［エイブル株式会社製微生物培養装置ＢＭＺ−Ｐ付属品］を用いて行った以外は、実施例１と同様にして、多孔質構造体に微生物を担持させた。
【０１０１】
［評価］
実施例１及び比較例１で用いた好気性微生物等であるコリネ型細菌（コリネバクテリウムグルタミカム）は黄色であることから、多孔質構造体を中心点を通る断面で切断し、切断面が黄色に着色している状態を観察することにより、多孔質構造体に好気性微生物等が担持されている状態を評価した。
【０１０２】
好気性微生物等を担持させる前の多孔質構造体、実施例１により好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体及び比較例１により好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体の中心点を通る断面を示す写真を、それぞれ、図７〜９に示す。
【０１０３】
また、これらの写真に示す多孔質体の断面の彩度を測定した。
好気性微生物等を担持させる前の多孔質構造体断面の彩度を１とした場合の相対値で示すと、実施例１により好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体断面の彩度は４程度、比較例１により好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体断面の彩度は２程度となっている。
【０１０４】
図７〜９の写真の目視及び上記彩度の相対値からわかるように、実施例１のマイクロナノバブルを用いて好気性微生物等を担持させた後の多孔質構造体では、好気性微生物等が中心部まで高密度に担持されていることがわかる。
【０１０５】
さらに、溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌを下回らないよう自動制御された培養槽撹拌機回転数の時間平均値は、実施例１では３３０ｒｐｍ、比較例１では４７０ｒｐｍであった。このことから、実施例１のようにマイクロナノバブルを用いて好気性微生物等を多孔質構造体に担持させることにより、撹拌を軽減することができ、１）培養槽撹拌機の運転エネルギーを低減できる、２）好気性微生物等が受けるストレスやダメージを軽減できる、３）多孔質構造体に好気性微生物等が担持されやすくなる等のメリットが生じることがわかる。
【０１０６】
このように、マイクロナノバブルを利用することにより、好気性微生物等を細孔の奥まで担持させた、担持密度の高い多孔質構造体を、経済的、効率的かつ好気性微生物等が受けるストレスやダメージを軽減させて製造することができる。
【０１０７】
さらに、このような多孔質構造体を用いると共に、マイクロナノバブルを利用して生物反応を行うことにより、
１）多孔質構造体には、ストレスやダメージをあまり受けていない好気性微生物等が、細孔の奥までかつ高い密度で担持されていること、及び
２）マイクロナノバブルが多孔質構造体の細孔の奥まで入り込むため、多孔質構造体の細孔の奥に担持された好気性微生物等にも呼吸に必要な酸素を十分に供給できること、
から、生物反応を効率良く行うことができるようになる。
【０１０８】
また、好気性微生物等は多孔質構造体に担持されているため、生物反応におけるろ過工程、マイクロナノバブル含有工程等において好気性微生物等が受けるストレスやダメージを低減することができる。
【０１０９】
また、実施例１、比較例１で示したように、マイクロナノバブルを用いることにより溶存酸素濃度を一定に保つための撹拌を軽減することができるので、生物反応において培養槽撹拌機を用いて微生物培養液を撹拌する場合においても、１）培養槽撹拌機の運転エネルギーを低減できる、２）好気性微生物等が受けるストレスやダメージを軽減できる、３）好気性等が多孔質構造体から離脱しにくくできる等のメリットがある。
【符号の説明】
【０１１０】
１  微生物培養槽
２〜４  マイクロナノバブル発生装置
５  微生物培養液
６  培養液
７  担持構造体（好気性微生物等を担持させた多孔質構造体）
８  固定部材
９  ろ過手段
１０  培養槽ポンプ
１１〜１２  バルブ
１３  ろ過液貯槽
１４  培養槽撹拌機
１５  循環経路
【図１】
2016080487.tif 000003
【図２】
2016080487.tif 000004
【図３】
2016080487.tif 000005
【図４】
2016080487.tif 000006
【図５】
2016080487.tif 000007
【図６】
2016080487.tif 000008
【図７】
2016080487.tif 000009
【図８】
2016080487.tif 000010
【図９】
2016080487.tif 000011
【国際調査報告】
2016080487.tif 000012
2016080487.tif 000013
2016080487.tif 000014
2016080487.tif 000015