(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。  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、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発生装置により、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（酸素富化ＭＮＢ）を含有させ、この酸素富化ＭＮＢを含有させた生物培養液を培養槽に還流することを特徴として備えるものである。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は、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）培養槽から抜き出した生物培養液に、直接、酸素富化ＭＮＢを含有させる方法のいずれかを採用することができる。
2017017998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液及び微生物または細胞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、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、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に記載の生物反応装置。
【請求項３】
前記酸素含有率を高めた空気の酸素含有率の上限値を６０％未満に設定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】
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４８％未満と低く設定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５】
前記酸素含有率を高めた空気の酸素含有率の上限値を６０％未満に設定する共に、
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４８％未満と低く設定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６】
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、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と共に、
該ろ過液を除いた生物培養液及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１〜５のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項７】
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１〜５のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項９】
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１〜８のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１０】
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９に記載の生物反応装置。
【請求項１１】
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１〜１０のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１２】
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１〜１０のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１３】
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さらに備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１４】
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さらに備えることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１５】
前記請求項１〜１４のいずれかに記載の生物反応装置により、微生物または細胞の代謝産物等の反応生成物を得る、あるいは、微生物または細胞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、微生物または細胞（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、微生物等を含有する生物培養液に、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（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空気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。
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。【０００３】
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。【０００４】
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及び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。【０００５】
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。【０００６】
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、このろ過液にマイクロナノバブル発生槽１１５で、マイクロナノバブル発生装置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。【０００７】
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、
〇培養槽から抜き出す生物培養液の量を減少させ、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ため、微生物等の活性が維持できる、
〇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の量を減少することにより、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、
という大きなメリットがあることを見出し、本発明を成したものである。【０００８】
さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量が減少することにより伴い、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できることも見出した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
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、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】
【００１１】
前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、微生物等を含有する生物培養液に、酸素富化ＭＮＢを含有させることを特徴とするものである。【００１２】
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、前記課題の解決を一層図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を、空気の酸素含有率（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微生物等に供給でき微生物等の活性を維持できる。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
さらに、培養槽から抜き出す生物培養液の量が減少することにより伴い、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。
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】
【００１７】
【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】第１実施形態において用いられる、水流方式のマイクロナノバブル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３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４の実施形態を示す模式図である。
【図７】本明細書の実施例・比較例で用いた生物反応装置を示す模式図である。
【図８】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】
【００１８】
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。
【００１９】
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及びこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、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有用なものである。
【００２０】
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。
【００２１】
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％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。
【００２２】
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。
【００２３】
微生物または細胞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。
【００２４】
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、培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素富化ＭＮＢを含有させ、この酸素富化ＭＮＢを含有させた生物培養液を前記培養槽に還流することにある。
【００２５】
このように、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を空気の酸素含有率（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
本発明における、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を空気の酸素含有率（約２１％）よりも高く設定すると共に、培養槽から抜き出す生物培養液の量を低く設定するとの事項について、更に説明する。
【００２９】
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）のものが通常用いられるので、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。
【００３０】
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。以下、１分間に培養槽から抜き出す生物培養液の量を「液循環量」（ｍＬ／分）という場合があり、また、培養槽に収容された生物培養液の量（ｍＬ）に対する、液循環量の割合を「液循環割合」（％）という場合がある。
【００３１】
液循環割合を低下させることにより、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、液循環割合の低下に伴い、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、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、このことからも液循環量の低下に伴い、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、液循環割合を低下させ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、ＭＮＢの酸素含有率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。
【００３２】
本発明においては、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に、液循環割合を低く設定することにより、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、ＭＮＢの酸素含有率を高く設定することにより担保することができる。
【００３３】
液循環割合の上限値としては、４８％未満が好ましく、４０％以下がより好ましく、３０％以下がさらに好ましく、２０％以下が最も好ましい。液循環割合を４８％以上と大きくしすぎると、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、液循環割合の下限値としては、１％以上が好ましく、１０％以上がより好ましい。液循環割合を１％未満と小さくしすぎると、ＭＮＢの発生量が減少し、ＭＮＢの酸素含有率を高く設定しても溶存酸素濃度の低下を担保するのが困難となる。
【００３４】
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、ＭＮＢの酸素含有率を高く設定することにより担保することができる。
【００３５】
また、本発明の第２の特徴点は、前述のように、酸素富化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できることに伴い、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にある。
【００３６】
このような、容積式ポンプを使用することによっても、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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」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。
【００４１】
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。
【００４２】
マイクロナノバブル発生装置として、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。
酸素含有率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、酸素富化膜を用いるのが好ましい。
【００４３】
酸素富化ＭＮＢの酸素含有率の上限値としては、６０％未満が好ましく、５５％以下がより好ましく、５０％以下がさらに好ましく、４５％以下が最も好ましい。酸素富化ＭＮＢの酸素濃度を６０％以上と大きくしすぎると、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、酸素富化ＭＮＢの酸素濃度の下限値としては、２３％以上が好ましく、２５％以上がより好ましく、２７％以上がさらに好ましく、３０％以上が最も好ましい。酸素富化ＭＮＢの酸素濃度を２３％未満と小さくしすぎると、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。
【００４４】
本発明の第１の特徴点は、前述のように、培養槽から抜き出した生物培養液に、酸素富化ＭＮＢを含有させ、この酸素富化ＭＮＢを含有させた生物培養液を前記培養槽に還流することにあるが、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。
【００４５】
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が、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酸素富化ＭＮＢを供給するためには、培養槽から抜き出した生物培養液の量を増やす、酸素富化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。
【００４６】
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、酸素富化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、酸素富化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。
【００４７】
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。
【００４８】
○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１２を閉、バルブ１３及びバルブ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、マイクロナノバブル発生槽６に貯留し、マイクロナノバブル発生装置７ａにより、酸素富化ＭＮＢを含有させる。
ｇ）返送ポンプ９を駆動して、酸素富化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及びバルブ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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、酸素富化手段により得られた、空気濃度を高めた空気ＣをＭＮＢ発生装置７ａに供給する。
【００５９】
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、酸素含有率を高めた空気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、酸素含有率を高めた空気の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。
【００６０】
ＭＮＢ発生装置７ａに供給する、ろ過液Ａ及び酸素含有率を高めた空気Ｃの流速を調整することにより、ＭＮＢの量及び大きさを調整することができる。
【００６１】
第１実施形態では、ＭＮＢ発生装置７ａに供給する、酸素含有率を高めた空気Ｃを得るために、図３にその概要を示すような、酸素富化膜を用いた酸素富化手段を使用する。
【００６２】
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、空気導入部３３と酸素含有率の低い空気Ｆを排出する導出部３４を有しており、吸気ファン３２により加圧された空気を空気導入部３３から酸素富化膜３０に通気し、酸素含有率を高めた空気Ｃを導出部３５から排出し、また、酸素含有率の低い空気Ｆを導出部３４から排出するものである。
【００６３】
第１実施形態では、ＭＮＢを形成する気体の酸素含有率を、空気の酸素含有率（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微生物等に供給し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。
【００６４】
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。
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。
【００６５】
○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を培養槽２から抜き出し、マイクロナノバブル発生槽６に供給する。
ｃ）生物培養液３をマイクロナノバブル発生槽６に貯留し、マイクロナノバブル発生装置７ａにより、酸素富化ＭＮＢを含有させる。
ｄ）返送ポンプ９を駆動して、酸素富化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。
【００６６】
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。
【００６７】
本発明は、生物培養液に酸素富化ＭＮＢを含有させる手段として、第１の特徴点として挙げた、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。）を用いることを特徴とするものであるが、これに他の手段を併用することもできる。
【００６８】
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。
【００６９】
○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、本発明の第１実施形態（第１手段を使用）に第２手段を併用したものである。
【００７０】
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）マイクロナノバブル発生装置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（酸素富化ＭＮＢを含有させた培養液Ｅ）。
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を撹拌しながら、生物反応を進める。
ｃ）生物反応当初の生物培養液３のマイクロナノバブルの含有量が少ない場合、生物反応が進行して生物培養液３のマイクロナノバブルの含有量が減少した場合等には、第１実施形態のｂ）〜ｇ）の手順で、生物培養液３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のマイクロナノバブルの含有量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及びバルブ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。
【００７１】
○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、本発明の第１実施形態（第１手段を使用）に、第２手段及び第３手段を併用したものである。
【００７２】
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）マイクロナノバブル発生装置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（酸素富化ＭＮＢを含有させた培養液Ｅ）。
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を撹拌しながら、生物反応を進める。
ｃ）生物反応当初の生物培養液３のマイクロナノバブルの含有量が少ない場合、生物反応が進行して生物培養液３のマイクロナノバブルの含有量が減少した場合等には、第１実施形態のｂ）〜ｇ）の手順で、生物培養液３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、マイクロナノバブル発生装置７ｃにより、培養槽２中の生物培養液３に、酸素富化ＭＮＢを含有させることにより、生物培養液３のマイクロナノバブルの含有量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及びバルブ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。
【００７３】
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手段及び第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手段及び第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。
【００７４】
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を形成する気体の酸素含有率を、空気の酸素含有率（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微生物等に供給し微生物等の活性を維持できる。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
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】
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。
つぎに、本発明の特徴である、液循環割合を低く設定し、ＭＮＢの酸素含有率を高く設定することにより発揮される、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減しつつ、溶存酸素濃度を増加させることができ、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等の作用効果について実施例・比較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。
【００７８】
＜実施例１〜２・比較例１〜５＞
以下の実施例１〜２・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を収容し、液量を５００ｍＬとした。生物培養液３の初期菌濃度は濁度（ＯＤ６１０の値）：１であった。
【００７９】
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を設定した一定の液循環量で抜き出し、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マイクロナノバブル発生装置、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、一定の酸素含有率に設定した気体Ｃを通気量２５０ｍＬ／分で供給した。
【００８０】
このような条件で、液循環量及び気体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の菌濃度の濁度及び溶存酸素濃度を測定して、実施例１〜２・比較例１〜５とした。実施例１〜２・比較例１〜５における、液循環量（ｍＬ／分）、液循環割合（％）、ＭＮＢの酸素含有率Ｃ（％）、菌濃度の濁度（ＯＤ６６０の値）及び溶存酸素濃度（ｐｐｍ）を表１に整理して示す。なお、前記「液循環割合」とは、培養槽２に収容された生物培養液３の量（５００ｍＬ）に対する、１分間あたりの液循環量（ｍＬ／分）の割合をいう。
【００８１】
【表１】
2017017998.tif 000003
【００８２】
以下、実施例１〜２・比較例１〜５について説明する。
まず、比較例１及び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Ｃを２１％とし、液循環割合Ｂを比較例１では４８％、比較例２では１６％とした。このように液循環割合Ｂを低下させると、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、液循環割合Ｂを低下させるとＭＮＢの発生量自体が減少してしまうため、溶存酸素濃度Ｅが６．９（ｐｐｍ）から１．２（ｐｐｍ）に低下してしまう。
【００８３】
そこで、実施例１〜２・比較例３〜５では、液循環割合Ｂを比較例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Ｃをそれぞれ３０％、４０％、６０％、８０％及び１００％と増加させ、溶存酸素濃度Ｅを増加させた。
【００８４】
実施例１〜２・比較例３〜５におけるＭＮＢの酸素含有率Ｃ（％）と菌濃度Ｄ（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Ｃ（％）及び菌濃度Ｄ（ＯＤ６１０）の数値を表すものとし、比較例２、実施例１〜２及び比較例３〜５のＭＮＢの酸素含有率Ｃ（％）及び菌濃度Ｄ（ＯＤ６１０）をそれぞれを折れ線として示したものである。
【００８５】
この表２からわかるように、ＭＮＢの酸素含有率Ｃをそれぞれ２１％（比較例２）→３０％（実施例１）→４０％（実施例２）と増加させていくに従い菌濃度Ｄは増加する傾向にあるが、ＭＮＢの酸素含有率Ｃが４０％付近を頂点として菌濃度Ｄは減少傾向に転じ、６０％（比較例３）では２１％（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Ｃ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。
【００８６】
【表２】
2017017998.tif 000004
【００８７】
これらの実施例１〜２・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）液循環割合Ｂを低く設定し、液循環により微生物等が受けるストレス・ダメージを軽減すると共に、
２）液循環割合Ｂを低く設定することに伴う溶存酸素濃度Ｅの低下を、ＭＮＢの酸素含有率Ｃを高く設定することにより、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Ｅ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。
【００８８】
つぎに、上記１）及び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、上記実施例１〜２・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。
【００８９】
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。
【００９０】
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液循環割合（％）及び入口圧力（ＭＰａ）を測定し、液循環割合を横軸、入口圧力を縦軸としてプロットしたものである。
【００９１】
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。
【００９２】
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、液循環割合が３０％から２０％に低下するため、生物培養液の溶存酸素濃度が低下することとなる。
【００９３】
【表３】
2017017998.tif 000005
【００９４】
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、液循環割合が低下し、生物培養液の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。
【００９５】
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。
【００９６】
入口圧力、液循環割合が低下しても、生物培養液の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。
ＯＴＲの値は、「ＫＬＡ」及び「Ｃｓ」という変数及び「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÷１００）×Ｐ÷Ｈ］×ＭＯ２      （２）
この式（２）において、
Ｘ    ：酸素含有率（％）
Ｐ    ：培養槽の運転圧力（ａｔｍ）
Ｈ    ：ヘンリー定数（ａｔｍ・ｍ３／ｍｏｌ）
ＭＯ２：酸素の分子量（ｇ／ｍｏｌ）である。
【００９７】
また、「ＫＬＡ」は、使用する培養装置において液循環割合との関係を求めることにより、液循環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液循環割合（％）及びＫＬＡ（／ｈ）を測定し、液循環割合を横軸（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：液循環割合（％）
ａ、ｂは定数である。
【００９８】
【表４】
2017017998.tif 000006
【００９９】
３．上記１）及び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、液循環割合が３０％から２０％に低下し生物培養液の溶存酸素濃度が低下することとなるが、これを補い生物培養液の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。
【０１００】
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を駆動する装置及び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、液循環割合を低下させても、生物培養液の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。
【符号の説明】
【０１０１】
１      培養液
２      培養槽
３      培養液、微生物等を含有する生物培養液
４      ろ過器
５      ろ過液貯槽
６      マイクロナノバブル発生槽
７ａ〜７ｃ    マイクロナノバブル発生装置
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
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    空気導入部
３４    （酸素含有率の低い空気を排出する）導出部
３５    （酸素含有率を高めた空気を排出する）導出部
Ａ      ろ過液
Ｂ      ろ過液を除いた生物培養液
Ｃ      酸素含有率を高めた空気
Ｄ      酸素富化ＭＮＢを含有させたろ過液（ろ過液＋酸素含有率を高めた空気のＭＮＢ）
Ｅ      酸素富化ＭＮＢを含有させた培養液（培養液＋酸素含有率を高めた空気のＭＮＢ）
Ｆ      酸素含有率の低い空気
Ｇ      酸素富化ＭＮＢを含有させた生物培養液（生物培養液＋酸素含有率を高めた空気のＭＮＢ）
Ｈ        生物培養液
１０７  生物反応槽としての培養槽
１１０  菌体ろ過器
１１５  マイクロナノバブル発生槽
１１６  マイクロナノバブル発生装置
【図１】
2017017998.tif 000007
【図２】
2017017998.tif 000008
【図３】
2017017998.tif 000009
【図４】
2017017998.tif 000010
【図５】
2017017998.tif 000011
【図６】
2017017998.tif 000012
【図７】
2017017998.tif 000013
【図８】
2017017998.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月4日(2016.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液及び微生物または細胞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、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％未満に設定すると共に、
前記酸素含有率を高めた空気の酸素含有率を２３％以上６０％未満に設定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、前記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に記載の生物反応装置。
【請求項３】
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、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と共に、
該ろ過液を除いた生物培養液及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または２に記載の生物反応装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項６】
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１〜５のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項７】
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６に記載の生物反応装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれか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、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１〜８のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１０】
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さらに備え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。
【請求項１１】
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さらに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】
前記請求項１〜１１のいずれかに記載の生物反応装置により、微生物または細胞の代謝産物等の反応生成物を得る、あるいは、微生物または細胞を増殖させることを特徴とする、生物反応方法。
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月28日(2016.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液及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、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％未満に設定すると共に、
前記酸素含有率を高めた空気の酸素含有率を２３％以上６０％未満に設定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、前記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に記載の生物反応装置。
【請求項３】
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、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と共に、
該ろ過液を除いた生物培養液及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または２に記載の生物反応装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項６】
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１〜５のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項７】
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６に記載の生物反応装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれか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、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１〜８のいずれかに記載の生物反応装置。
【請求項１０】
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さらに備え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。
【請求項１１】
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さらに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】
前記請求項１〜１１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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、微生物等を含有する生物培養液に、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（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空気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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
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。
【国際調査報告】
2017017998.tif 000015
2017017998.tif 000016
2017017998.tif 000017
2017017998.tif 000018