(57)【要約】【課題】速い栄養消費速度を有する微生物培養、特に、大腸菌培養槽において、栄養濃度を枯渇させることなく低濃度に維持することが可能な微生物培養槽を実現する。【解決手段】演算処理装置４はグルコース濃度センサ２、菌体濃度センサ３により時刻ＴＮ−１、ＴＮにおける菌体濃度Ｘ、グルコース濃度Ｃを検出し単位菌体濃度当たりのグルコース消費速度を算出して時刻ＴＮ以降の時刻ｔｉでのグルコース濃度Ｃ(ti)を推定し１分間隔で培養槽１内が所定のグルコース濃度となるように供給ノズル５からのグルコース供給量を制御する。時刻ＴＮ＋１となると再度時刻ＴＮ、ＴＮ＋１における濃度Ｘ、濃度Ｃを検出しグルコース消費速度を算出して時刻ＴＮ＋１以降での濃度Ｃ(ti)を推定し約１分間隔でグルコース供給量を制御する。これにより、菌体濃度、グルコース濃度の測定が１０分程度の時間間隔であっても約１分間隔でグルコース供給量を制御することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養槽内に栄養を供給する培地供給ノズルと、上記培養槽内の栄養濃度を所定のサンプリング時間間隔で測定する濃度センサとを有する微生物培養槽において、
濃度センサからの測定値に基づき、栄養濃度消費速度を演算し、栄養濃度の時間変化式を算出し、上記所定のサンプリング時間間隔期間中における上記培養槽内の栄養濃度が、一定の範囲内となるように上記培地供給ノズルから供給される栄養量を、上記栄養濃度の所定のサンプリング時間間隔よりも短い時間間隔で制御する演算処理手段を備えることを特徴とする微生物培養槽。
【請求項２】
請求項１に記載の微生物培養槽において、上記演算処理手段は、上記濃度センサによる栄養濃度測定値が得られるたびに栄養濃度消費速度を演算し、演算した栄養濃度消費速度に従って、上記培地供給ノズルから供給される栄養量を制御することを特徴とする微生物培養槽。
【請求項３】
請求項１に記載の微生物培養槽において、上記濃度センサは、上記培養槽内の栄養濃度が最も低くなる位置に配置されることを特徴とする微生物培養槽。
【請求項４】
請求項２に記載の微生物培養槽において、上記濃度センサは、上記培養槽内の培地供給ノズルから最も遠い位置に配置されることを特徴とする微生物培養槽。
【請求項５】
請求項２に記載の微生物培養槽において、上記演算制御手段は、培養槽内の栄養濃度が、０．２〜０．３ｇ/Ｌになるように上記培地供給ノズルから供給される栄養量を制御することを特徴とする微生物培養槽。
【請求項６】
請求項２に記載の微生物培養槽において、上記培養槽内の菌体濃度を検出する菌体濃度センサを備え、上記演算制御手段は、培養槽の培地の体積と、菌体濃度と、栄養濃度とに基づいて、栄養濃度消費速度を演算し、栄養濃度の時間変化式を算出することを特徴とする微生物培養槽。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の微生物培養槽において、上記栄養はグルコースであることを特徴とする微生物培養槽。
【請求項８】
培養槽内に栄養を供給する培地供給ノズルと、上記培養槽内の栄養濃度を所定のサンプリング時間間隔で測定する濃度センサと、この濃度センサにより測定された栄養濃度に基いて、上記培地供給ノズルから供給される栄養量を制御するコンピュータである演算処理手段とを備える微生物培養槽の、上記コンピュータプログラムにおいて、
濃度センサからの測定値に基づき、栄養濃度消費速度を演算し、栄養濃度の時間変化式を算出し、上記所定のサンプリング時間間隔期間中における上記培養槽内の栄養濃度が、一定の範囲内となるように上記培地供給ノズルから供給される栄養量を、上記栄養濃度の所定のサンプリング時間間隔よりも短い時間間隔で制御することを特徴とする微生物培養槽の、上記コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、培地中の栄養濃度を低濃度一定に制御する微生物培養槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
大腸菌などの微生物培養槽は、微生物を用いて有用物質を生産する手段として広く用いられる。微生物培養槽では、溶存酸素濃度、pH、栄養濃度（特にはグルコース）などを一定に保つように制御がなされる。
【０００３】
特許文献１には、大腸菌を培養し、その代謝物を生産させるに際し、ｐＨを指標にして基質を流加する流加培養方法が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１００６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、微生物培養槽において、栄養濃度を高濃度に維持すると、発酵代謝産物として酢酸を生成しやすく、これが目的生産物質の収率を低下させる傾向がある。このため、栄養濃度を低濃度に維持するように、特にはグルコース濃度を０．２−０．３ｇ／Ｌに維持するように制御する必要がある。
【０００６】
大腸菌などの微生物のグルコース消費速度は速く、上記の低濃度条件下では、概ね、２、３分で培養槽内のグルコースを消費しつくすため、グルコースを枯渇させないためには、分単位のかなり速い制御周期で栄養供給を行う必要がある。
【０００７】
一方、溶存酸素濃度やｐＨは、概ね連続測定が可能であるが、栄養源、特にはグルコース濃度の測定には、現状、連続測定ができるものがなく、最短でも１０分程度の時間間隔のサンプリング計測となる。
【０００８】
このようなサンプリング間隔のグルコース濃度測定では、１分単位の速い栄養供給制御を行うことは不可能である。
【０００９】
栄養源の枯渇は微生物に強いストレスを与えるため、栄養濃度を低濃度に維持しつつ、かつ枯渇を回避することが必要である。
【００１０】
本発明の目的は、速い栄養消費速度を有する微生物培養、特に、大腸菌培養槽において、栄養濃度を枯渇させることなく低濃度に維持することが可能な微生物培養槽を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の微生物培養槽は、培養槽内に栄養を供給する培地供給ノズルと、上記培養槽内の栄養濃度を所定のサンプリング時間間隔で測定する濃度センサとを有し、さらに、濃度センサからの測定値に基づき、栄養濃度消費速度を演算し、栄養濃度の時間変化式を算出し、上記所定のサンプリング時間間隔期間中における上記培養槽内の栄養濃度が、一定の範囲内となるように上記培地供給ノズルから供給される栄養量を、上記栄養濃度の所定のサンプリング時間間隔よりも短い時間間隔で制御する演算処理手段を備える。
【００１２】
好ましくは、上記栄養はグルコースである。
【発明の効果】
【００１３】
速い栄養消費速度を有する微生物培養、特に、大腸菌培養槽において、栄養濃度を枯渇させることなく低濃度に維持することが可能な微生物培養槽を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施形態である微生物培養槽の概略構成図である。
【００１６】
図１において、培養槽１の上部に栄養源グルコースの供給ノズル５が配置される。グルコース濃度センサ２は、供給ノズル５から最も遠い位置、槽底部に配置される。
【００１７】
これは、培養槽が大型であれば、槽１内のグルコース濃度も分布を持つため、グルコースの枯渇を防ぐためには、槽１内のグルコース濃度の最小値を把握しなければならず、槽底部位置がグルコース濃度が最小となるからである。
【００１８】
あるいは、グルコース供給ノズル５の取り付け位置に対してグルコース濃度が最小となる位置を容易に推定できないときには、例えば、３次元の流れ数値シミュレーションを利用してグルコース濃度分布を計算して、得られた最小濃度位置にグルコース濃度センサ２を配置することもできる。菌体濃度センサ３は、槽内の任意の位置に配置してよい。菌体濃度は、培養槽１内でほぼ均一であるからである。
【００１９】
図１において、Ｃ（ＴＮ）はグルコース濃度(ｇ/Ｌ)の測定値、Ｘ（ＴＮ）は菌体濃度(ｇ/Ｌ)の測定値である。演算処理装置４には、グルコース濃度測定値Ｃ（ＴＮ）と、菌体濃度測定値Ｘ（ＴＮ）が入力信号として供給され、グルコース供給ノズル５の開閉信号ｕ(ti)を出力する。u(ti)=1がノズル開、u(ti)=0がノズル閉を与える。tiはグルコース供給ノズル５の制御時刻である。また、グルコース供給ノズル５において、Ｃinは供給培地のグルコース濃度（ｇ/Ｌ）、Ｆ0は供給流量（Ｌ/ｓ）)である。
【００２０】
図２は、グルコース濃度と、菌体濃度の測定サンプリング時刻ＴＮと制御時刻ｔｉとの関係を説明する図である。図２において、ＴＮ−１、ＴＮ、ＴＮ＋１、・・・はグルコース濃度および菌体濃度のサンプリング時刻であり、サンプリング間隔ＴＮ−ＴＮ−１は、例えば、この実施形態においては、１０分以上である。また、ＴＮ<ti-1<ti<ＴＮ＋１の関係を満す。
【００２１】
制御の時間間隔ti-ti-1は、例えば、この実施形態においては、１分程度である。
【００２２】
次に、演算処理装置４の処理内容について説明する。
【００２３】
演算処理装置４は、時刻ti（ＴＮ<ti-1<ti<ＴＮ＋１）において、次の３つの微分方程式（１）、（２）、（３）を時間積分する。
【００２４】
ｄＶ（ｔ）/ｄｔ＝Ｆ０ｕ（ｔｉ−１）      ―――（１）
ただし、上記式（１）において、Ｖ(ｔ)は、培養槽１の培地の体積で、グルコース供給ノズル５からの培地の追加により徐々に増加する。
【００２５】
ｄＸ/ｄｔ＝ｚＸ−｛Ｆ０ｕ（ｔｉ−１）/Ｖ（ｔｉ−１）｝・Ｘ      ―――（２）
ただし、上記式（２）において、ｚは、菌体増殖率(1/ｓ)で、直近の菌体濃度の測定値を用いて、次式（２−１）で算出される。
【００２６】
ｚ＝｛ｌｎＣ（ＴＮ）−ｌｎＣ（ＴＮ−１）｝/（ＴＮ−ＴＮ−１）      ―――（２−１）
ｄＣ/ｄｔ＝ＹＸ−｛Ｆ０ｕ（ｔｉ−１）/Ｖ（ｔｉ−１）｝・（Ｃ−Ｃｉｎ）      ―――（３）
ただし、上記式（３）において、Ｙは、単位菌体濃度あたりのグルコース消費速度で、直近の菌体濃度とグルコース濃度の実測値を用いて、次式（３−１）で算出される。
【００２７】
Ｙ＝｛１/Ｘ（ＴＮ）｝・｛Ｃ（ＴＮ）−Ｃ（ＴＮ−１）｝/（ＴＮ−ＴＮ−１）      ―――（３−１）
演算処理装置４では、時刻ti-1における体積Ｖ(ti-1)、菌体濃度Ｘ(ti-1)、グルコース濃度Ｃ(ti-1)、及び開閉信号ｕ(ti-1)を既知として、上記（１）〜（３）式を積分することにより、時刻tiにおける体積Ｖ(ti)、菌体濃度Ｘ(ti)、グルコース濃度Ｃ(ti)を計算する。
【００２８】
次に、演算処理装置４は、求められたグルコース濃度Ｃ(ti) を用いて、次の条件（４）により、開閉信号u(ti)を決定する。
【００２９】
Ｃ(ti)＞Ｃ0 ならば、u(ti)=０、Ｃ(ti)＜Ｃ0ならば、ｕ(ti)=１      ―――（４）
上記条件（４）において、Ｃ0は、グルコース供給ノズル５の開閉を決める閾値で、Ｃ0=０．１ｇ/Ｌ程度とする。
【００３０】
最後に、演算処理装置４は、時刻ti=ＴＮ＋１において、予測値Ｃ(ti)、Ｘ(ti)を測定値Ｃ(ＴＮ＋１)、Ｘ(ＴＮ＋１)に置き換える（Ｃ(ti)=Ｃ(ＴＮ＋１)、Ｘ(ti)=Ｘ(ＴＮ＋１)）。
【００３１】
図３は、上述したアルゴリズムによるグルコース濃度の制御例を示すグラフである。図３に示すように、培養開始後６時間までは、初期培地中のグルコースを消費しながら増殖が進むが、その後、グルコース濃度を０．２〜０．３ｇ/Ｌに保つ培地供給制御に移行する。
【００３２】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、時刻ＴＮ−１、ＴＮにおける菌体濃度Ｘ、グルコース濃度Ｃを検出して、単位菌体濃度当たりのグルコース消費速度を算出し、この算出したグルコース消費速度に基いて、時刻ＴＮ以降における時刻ｔｉでのグルコース濃度Ｃ(ti)を推定し、約１分間隔で、培養槽１内が所定のグルコース濃度となるように、グルコース供給量を制御する。
【００３３】
そして、時刻ＴＮ＋１となると、再度、時刻ＴＮ、ＴＮ＋１における菌体濃度Ｘ、グルコース濃度Ｃを検出して、グルコース消費速度を算出し、この算出したグルコース消費速度に基いて、時刻ＴＮ＋１以降における時刻ｔｉでのグルコース濃度Ｃ(ti)を推定し、約１分間隔で、グルコース供給量を制御する。以降、同様にして、グルコース供給量を制御する。
【００３４】
したがって、菌体濃度、グルコース濃度の測定が、１０分程度の時間間隔であっても、約１分間隔で、グルコース供給量を制御して、グルコース濃度を０．２〜０．３ｇ/Ｌに維持することが可能となる。
【００３５】
なお、上述した演算処理装置４は、コンピュータにより構成し、このコンピュータの記憶装置に記憶されたコンピュータプログラムにより、上記演算処理が実行される。
【００３６】
また、上述したように、最小濃度位置にグルコース濃度センサ２を配置するように構成したが、グルコース供給源５に最も近い位置のグルコース濃度をシミュレーション等（３次元、２次元、１次元でも可能）により算出し、その部分のグルコース濃度が過剰にはならないようにグルコースの供給量を制御することも可能である。濃度分布計算は、高さ方向に分割した所定領域毎に実行することも可能である。
【００３７】
さらに、本発明は、大腸菌以外の微生物の培養にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態である微生物培養槽の概略構成図である。
【図２】グルコース濃度と、菌体濃度の測定サンプリング時刻ＴＮと制御時刻ｔｉとの関係を説明する図である。
【図３】本発明のよるグルコース濃度の制御例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・培養槽、２・・・グルコース濃度センサ、３・・・ 菌体濃度センサ、４・・・演算処理装置、５・・・グルコース供給ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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