(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品の製造方法であって、前記の濾過が間欠的に行われ、かつ、前記の分離膜として平均細孔径が０.０１μｍ以上１μｍ未満の細孔を有する多孔性膜を用い、その膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲にして濾過処理することを特徴とする連続発酵による化学品の製造方法。
【請求項２】
多孔性膜の純水透過係数が、２×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上６×１０−７ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以下であることを特徴とする請求項１記載の連続発酵による化学品の製造方法。
【請求項３】
多孔性膜の平均細孔径が、０.０１μｍ以上０.２μｍ未満の範囲内にあり、かつ、該平均細孔径の標準偏差が０.１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の連続発酵による化学品の製造方法。
【請求項４】
多孔性膜の膜表面粗さが０．１μｍ以下の多孔性膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
【請求項５】
多孔性膜が多孔質樹脂層を含む多孔性膜である請求項１から４のいずれかに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
【請求項６】
多孔性膜の膜素材がポリフッ化ビニリデンを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の連続発酵による化学品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物または細胞の培養方法の改良に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、培養を行いながら、微生物または培養細胞の発酵培養液から、目詰まりが生じにくい多孔性膜を通して生産物を含む液を効率よく濾過・回収することおよび未濾過液を前記の発酵培養液に戻すことにより、発酵に関与する微生物濃度を向上させて高い生産性を得ることができる連続発酵による化学品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法は、大きく（１）バッチ発酵法（Ｂａｔｃｈ発酵法）および流加発酵法（Ｆｅｄ−Ｂａｔｃh発酵法）と（２）連続発酵法に分類することができる。
【０００３】
上記（１）のバッチ発酵法および流加発酵法は、設備的には簡素であり、短時間で培養が終了し、雑菌汚染による被害が少ないという利点がある。しかしながら、時間の経過とともに発酵培養液中の生産物濃度が高くなり、浸透圧あるいは生産物阻害等の影響により生産性および収率が低下してくる。そのため、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持するのが困難である。
【０００４】
一方、上記（２）の連続発酵法は、発酵反応槽内で目的物質が高濃度に蓄積されることを回避することによって、長時間にわたって高収率かつ高生産性を維持できるという特徴がある。Ｌ−グルタミン酸やＬ−リジンの生産について、このような連続培養法が提案されている（非特許文献１参照。）。しかしながら、これらの例では、発酵培養液へ原料の連続的な供給を行うと共に、微生物や培養細胞を含んだ発酵培養液が抜き出されるために、発酵培養液中の微生物や培養細胞が希釈されることから、生産効率の向上は限定されたものであった。
【０００５】
このことから、連続発酵法において、微生物や培養細胞を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると同時に濾過された微生物や培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることにより、発酵培養液中の微生物や細胞濃度を高く維持する方法が提案されている。
【０００６】
例えば、セラミックス膜を用いた連続発酵装置において、連続発酵する技術が提案されている（特許文献１、特許文献２および特許文献３参照。）が、これらの提案では、分離膜の目詰りによる濾過流量や濾過効率の低下に問題があり、目詰まり防止のために、逆洗浄等を行っている。また別に、分離膜を用いたコハク酸の製造方法が提案されている（特許文献４参照。）。しかしながら、この提案では、膜分離において約２００ｋＰａのような高い濾過圧が採用されている。高い濾過圧は、コスト的に不利であるばかりでなく、濾過処理において微生物や培養細胞が圧力によって物理的なダメージをうけることから、微生物や培養細胞を連続的に発酵培養液に戻す連続発酵法においては適切ではない。
【０００７】
このように、従来の連続発酵法には様々な問題があり、産業的応用が難しかった。
【０００８】
すなわち、連続発酵法において、微生物や培養細胞を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると同時に濾過された微生物や培養細胞を発酵培養液に還流させ、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を向上させ、かつ、高く維持させることで高い物質生産性を得ることは、依然として困難であり、技術の革新が望まれていた。
【特許文献１】特開平５−９５７７８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１３８１８４号公報
【特許文献３】特開平１０−１７４５９４号公報
【特許文献４】特開２００５−３３３８８６号公報
【非特許文献１】Toshihiko Hirao et. al.（ヒラオ・トシヒコ  ら）、 Appl. Microbiol. Biotechnol.（アプライド  マイクロバイアル  アンド  マイクロバイオロジー），３２，２６９−２７３（１９８９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、簡便な操作方法で、長時間にわたり安定して高生産性を維持することができる連続発酵による化学品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】
【００１０】
本発明者らは、微生物や培養細胞の分離膜内への侵入が少なく、微生物や培養細胞を膜間差圧が低い条件で濾過した場合に、分離膜の目詰まりが著しく抑制されることを見出し、課題であった高濃度の微生物や培養細胞の濾過が長期間安定に維持できることを可能とし、本発明に到達したのである。
【００１１】
すなわち、本発明の化学品の製造方法は、微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品の製造方法であって、前記の濾過が間欠的に行われ、かつ、前記の分離膜として平均細孔径が０.０１μｍ以上１μｍ未満の細孔を有する多孔性膜を用い、その膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲にして濾過処理することを特徴とする連続発酵による化学品の製造方法である。
【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の純水透過係数は、２×１０-9ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上６×１０-7ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以下である。
【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜の平均細孔径は０.０１μｍ以上０.２μｍ未満の範囲内にあり、その平均細孔径の標準偏差は０.１μｍ以下であり、そして、その膜表面粗さは０.１μｍ以下である。
【００１４】
本発明の好ましい態様によれば、前記の多孔性膜は多孔質樹脂層を含む多孔性膜であり、その多孔質樹脂層は好ましく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ものである。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記の微生物または培養細胞の発酵培養液および発酵原料が、糖類を含むことである。
【００１６】
本発明の好ましい態様によれば、前記の化学品は、乳酸等の有機酸またはエタノール等のアルコールである。
【００１７】
本発明の好ましい態様によれば、前記の微生物は酵母等の真核細胞であり、その好適な酵母は、サッカロミセス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）に属する酵母とサッカロミセス・セレビセ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）に属する酵母である。
【００１８】
本発明の好ましい態様によれば、前記の微生物は原核細胞であり、その好適な原核細胞は、乳酸菌である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、分離膜として高い透過性と高い細胞阻止率を持ち閉塞しにくい多孔性膜を用い、低い膜間差圧で間欠的に濾過処理することにより、安定に低コストで発酵生産効率を著しく向上させることができる。また、本発明によれば、簡便な操作条件で、長時間にわたり安定して高生産性を維持する連続発酵が可能となり、広く発酵工業において、発酵生産物である化学品を低コストで安定に生産することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の化学品の製造方法は、微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を発酵培養液に追加する連続発酵であって、前記の濾過が間欠的に行われ、かつ、分離膜として平均細孔径が０.０１μｍ以上１μｍ未満の細孔を有する多孔性膜を用い、その膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲にして濾過処理することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明において分離膜として用いられる多孔性膜は、発酵に使用される微生物や培養細胞による目詰まりが起こりにくく、そして、濾過性能が長期間安定に継続する性能を有するものである。そのため、本発明で使用される多孔性膜は、平均細孔径が、０.０１μｍ以上１μｍ未満であることが重要である。
【００２２】
本発明において分離膜として用いられる多孔性膜について説明する。まず、多孔性膜の構成について説明する。本発明で用いられる多孔性膜は、好ましくは、被処理水の水質や用途に応じた分離性能と透水性能を有するものである。多孔性膜は、阻止性能および透水性能や分離性能、例えば、耐汚れ性の点から、多孔質樹脂層を含む多孔性膜であることが好ましい。多孔質樹脂層を含む多孔性膜は、好ましくは、多孔質基材の表面に、分離機能層として作用とする多孔質樹脂層を有している。多孔質基材は、多孔質樹脂層を支持して分離膜に強度を与える。
【００２３】
本発明で用いられる多孔性膜が、多孔質基材の表面に多孔質樹脂層を有している場合、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していても、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していなくてもどちらでも良く、用途に応じて選択される。
【００２４】
多孔質基材の平均厚みは、好ましくは５０μｍ以上３０００μｍ以下である。多孔質基材の材質は、有機材料および／または無機材料等からなり、有機繊維が望ましく用いられる。好ましい多孔質基材は、セルロース繊維、セルローストリアセテート繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維およびポリエチレン繊維などの有機繊維なる織布や不織布であり、より好ましくは、密度の制御が比較的容易であり製造も容易で安価な不織布が用いられる。
【００２５】
また、多孔質樹脂層は、上述したように分離機能層として作用するものであり、有機高分子膜を好適に使用することができる。有機高分子膜の材質としては、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る。有機高分子膜は、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。ここで主成分とは、その成分が５０重量％以上、好ましくは６０重量％以上含有することをいう。
【００２６】
有機高分子膜の材質は、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、ポリアクリロニトリル系樹脂またはポリオレフィン系樹脂が好ましく、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはポリオレフィン系樹脂が好ましく、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはポリオレフィン系樹脂がより好ましく、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、およびポリオレフィン系樹脂であればポリエチレン系樹脂が最も好ましく用いられる。これら本発明に用いることができる有機高分子膜の材質として選択される樹脂は必要に応じて分子修飾（例えば塩素化等）された樹脂も含まれる。
【００２７】
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も好ましく用いられる。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。
【００２８】
本発明で分離膜として使用される多孔性膜は、その平均細孔径が、０.０１μｍ以上１μｍ未満であることが重要である。多孔性膜の平均細孔径が、０.０１μｍ以上１μｍ未満であると、発酵に使用される微生物もしくは培養細胞による目詰まりが起こりにくく、かつ、濾過性能が長期間安定に継続する性能を有する。また、多孔性膜の平均細孔径が、０.０１μｍ以上１μｍ未満であると、微生物もしくは培養細胞がリークすることのない高い排除率と、高い透水性を両立させることができ、透水性を長時間保持することが、より高い精度と再現性を持って実施することができる。
【００２９】
多孔性膜の平均細孔径が、微生物もしくは培養細胞の大きさに近いと、これらが直接孔を塞いでしまう場合があるので、多孔性膜の平均細孔径は１μｍ未満である。多孔性膜の平均細孔径は、微生物もしくは培養細胞の漏出、すなわち排除率が低下する不具合の発生を防止するため、微生物もしくは培養細胞の大きさと比較して大きすぎないことが好ましい。微生物もしくは培養細胞のうち、細胞の小さい細菌などを用いる場合には、平均細孔径として０.４μｍ以下が好ましく、０.２μｍ未満であればより好適に実施することができる。
【００３０】
また、微生物もしくは培養細胞が所望の生産物である化学品以外の物質、例えば、タンパク質や多糖類など凝集しやすい物質を生産する場合があり、更に、発酵培養液中の微生物もしく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、これらの物質による多孔性膜の閉塞を回避するために、平均細孔径は０．１μｍ以下であることが好適である。
【００３１】
多孔性膜の平均細孔径は、０.４μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０.２μｍ未満あるいは０．１μｍ以下である。
【００３２】
一方、平均細孔径が小さすぎると多孔性膜の透水性能が低下し、膜が汚れていなくても効率的な運転ができなくなるため、本発明における多孔性膜の平均細孔径は、０.０１μｍ以上である。多孔性膜の平均細孔径は、好ましくは０．０２μｍ以上であり、より好ましくは０．０４μｍ以上である。
【００３３】
ここで、平均細孔径は、倍率１０，０００倍の走査型電子顕微鏡観察における、９．２μｍ×１０．４μｍの範囲内で観察できる細孔すべての直径を測定し、平均することにより求めることができる。
【００３４】
本発明で用いられる多孔性膜の平均細孔径の標準偏差σは、０．１μｍ以下であることが好ましい。平均細孔径の標準偏差σは小さければ小さい方が望ましい。平均細孔径の標準偏差σは、上述の９．２μｍ×１０．４μｍの範囲内で観察できる細孔数をＮとして、測定した各々の直径をＸｋとし、細孔直径の平均をＸ（ａｖｅ）とした下記の（式１）により算出される。
【００３５】
【数１】
0005223520.tif 000002
【００３６】
本発明で用いられる多孔性膜においては、発酵培養液の透過性が重要な性能の一つである。多孔性膜の透過性の指標として、使用前の多孔性膜の純水透過係数を用いることができる。本発明において、多孔性膜の純水透過係数は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで透水量を測定し算出したとき、２×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上であることが好ましく、純水透過係数が、２×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上６×１０−７ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以下であれば、実用的に十分な透過水量が得られる。
【００３７】
本発明で用いられる多孔性膜において、表面粗さとは、表面に対して垂直方向の高さの平均値である。膜表面粗さは、分離膜表面に付着した微生物もしくは培養細胞が、撹拌や循環ポンプによる液流による膜面洗浄効果で剥離しやすくするための因子の一つである。多孔性膜の表面粗さは、０.１μｍ以下であることが好ましい。表面粗さが０．１μｍ以下であると、膜に付着した微生物もしくは培養細胞、ならびにその他の固形物が剥がれやすくなる。
【００３８】
さらに好ましくは、多孔性膜の膜表面粗さが０.１μｍ以下であり、平均細孔径が０.０１μｍ以上１μｍ未満であり、多孔性膜の純水透過係数が２×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上の多孔性膜を使用することにより、膜面洗浄に必要な動力を過度に必要としない運転が、より容易に可能であることがわかった。多孔性膜の表面粗さを、０.１μｍ以下とすることにより、微生物もしくは培養細胞の濾過において、膜表面で発生する剪断力を低下させることができ、微生物の破壊が抑制され、多孔性膜の目詰まりも抑制されることにより、長期間安定な濾過が、より容易に可能になる。また、多孔性膜の表面粗さを、０.１μｍ以下とすることにより、より低い膜間差圧で連続発酵が実施可能であり、多孔性膜が目詰まりした場合でも高い膜間差圧で運転した場合に比べて、洗浄回復性が良好である。多孔性膜の目詰まりを抑えることにより、安定した連続発酵が可能になることから、多孔性膜の表面粗さは小さければ小さいほど好ましい。
【００３９】
ここで、多孔性膜の膜表面粗さは、下記の原子間力顕微鏡装置（ＡＦＭ）を使用して、下記の条件で測定したものである。
【００４０】
・装置    原子間力顕微鏡装置(Digital Instruments（株）製Nanoscope IIIa)
・条件    探針        ＳｉＮカンチレバー(Digital Instruments（株）製）
走査モード  コンタクトモード（気中測定）
水中タッピングモード（水中測定）
走査範囲    １０μｍ、２５μｍ四方（気中測定）
５μｍ、１０μｍ四方（水中測定）
走査解像度  ５１２×５１２
・試料調製  測定に際し膜サンプルは、常温でエタノールに１５分浸漬後、ＲＯ水中に２４時間浸漬し洗浄した後、風乾し用いた。ＲＯ水とは、ろ過膜の一種である逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いてろ過し、イオンや塩類などの不純物を排除した水を指す。ＲＯ膜の孔の大きさは、概ね２ｎｍ以下である。
【００４１】
膜表面粗さｄｒｏｕｇｈは、上記の原子間力顕微鏡装置（ＡＦＭ）により各ポイントのＺ軸方向の高さから、下記の（式２）により算出した。
【００４２】
【数２】
0005223520.tif 000003
【００４３】
本発明で用いられる多孔性膜の形状は、好ましくは平膜である。多孔性膜の形状が平膜の場合、その平均厚みは用途に応じて選択される。多孔性膜の形状が平膜の場合の平均厚みは、好ましくは２０μｍ以上５０００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上２０００μｍ以下である。
【００４４】
また、本発明で用いられる多孔性膜の形状は、好ましくは中空糸膜である。多孔性膜が中空糸膜の場合、中空糸の内径は、好ましくは２００μｍ以上５０００μｍ以下であり、膜厚は、好ましくは２０μｍ以上２０００μｍ以下である。また、有機繊維または無機繊維を筒状にした織物や編物を中空糸の内部に含んでいても良い。
【００４５】
次に、本発明で用いられる多孔性膜の作成法の概要を例示して説明する。まず、多孔性膜のうち、平膜の作成法の概要について説明する。
【００４６】
多孔質基材の表面に、樹脂と溶媒とを含む原液の被膜を形成すると共に、その原液を多孔質基材に含浸させる。その後、被膜を有する多孔質基材の被膜側表面のみを、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させると共に、多孔質基材の表面に多孔質樹脂層を形成する。
【００４７】
原液は、樹脂を溶媒に溶解させて調整する。原液の温度は、製膜性の観点から、通常、５〜１２０℃の範囲内で選定することが好ましい。溶媒は、樹脂を溶解するものであり、樹脂に作用してそれらが多孔質樹脂層を形成するのを促すものである。溶媒としては、Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ − メチル− ２ − ピロリドン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、リン酸トリメチル、シクロヘキサノン、イソホロン、γ − ブチロラクトン、メチルイソアミルケトン、フタル酸ジメチル、プロピレングリコールメチルエーテール、プロピレンカーボネート、ジアセトンアルコール、グリセロールトリアセテート、アセトンおよびメチルエチルケトンなどを用いることができる。なかでも、樹脂の溶解性の高いＮ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）およびジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）が好ましく用いられる。これらの溶媒は、単独で用いても良いし２種類以上を混合して用いても良い。原液は、先述の樹脂を好ましくは５重量％以上６０重量％以下の濃度で溶媒に溶解させることにより調製することができる。
【００４８】
また、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンおよびグリセリンなどの溶媒以外の成分を溶媒に添加しても良い。溶媒に非溶媒を添加することもできる。非溶媒は、樹脂を溶解しない液体である。非溶媒は、樹脂の凝固の速度を制御して細孔の大きさを制御するように作用する。非溶媒としては、水や、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類を用いることができる。なかでも、非溶媒として、価格の点から水やメタノールが好ましく用いられる。溶媒以外の成分および非溶媒は、混合物であってもよい。
【００４９】
原液には、開孔剤を添加することもできる。開孔剤は、凝固浴に浸漬された際に抽出されて、樹脂層を多孔質にする作用を持つものである。開孔剤を添加することにより、平均細孔径の大きさを制御することができる。開孔剤は、凝固浴への溶解性の高いものであることが好ましい。開孔剤としては、例えば、塩化カルシウムや炭酸カルシウムなどの無機塩を用いることができる。また、開孔剤として、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどのポリオキシアルキレン類や、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールおよびポリアクリル酸などの水溶性高分子化合物や、グリセリンを用いることができる。
【００５０】
次に、多孔性膜のうち、中空糸膜の作成法の概要について説明する。
【００５１】
中空糸膜は、樹脂と溶媒からなる原液を二重管式口金の外側の管から吐出すると共に、中空部形成用流体を二重管式口金の内側の管から吐出して、冷却浴中で冷却固化して作製することができる。
【００５２】
原液は、上述の平膜の作成法で述べた樹脂を好ましくは２０重量％以上６０重量％以下の濃度で、上述の平膜の生成法で述べた溶媒に溶解させることにより調製することができる。また、中空部形成用流体には、通常気体もしくは液体を用いることができる。また、得られた中空糸膜の外表面に、新たな多孔性樹脂層をコーティング（積層）することもできる。積層は中空糸膜の性質、例えば、親水・疎水性あるいは細孔径等を所望の性質に変化させるために行うことができる。積層される新たな多孔性樹脂層は、樹脂を溶媒に溶解させた原液を、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させることによって作製することができる。その樹脂の材質は、例えば、上述有機高分子膜の材質と同様のものが好ましく用いられる。また、積層方法としては、原液に中空糸膜を浸漬してもよいし、中空糸膜の表面に原液を塗布してもよく、積層後、付着した原液の一部を掻き取ったり、エアナイフを用いて吹き飛ばしすることにより積層量を調製することもできる。
【００５３】
本発明で用いられる多孔性膜は、樹脂などの部材を用いて中空糸膜の中空部を接着・封止し、支持体に設置することによって分離膜エレメントとすることができる。すなわち、本発明で用いられる多孔性膜は、支持体と組み合わせることによって分離膜エレメントとすることができる。支持体として支持板を用い、その支持板の少なくとも片面に、本発明で用いられる多孔性膜を配した分離膜エレメントは、本発明で用いられる多孔性膜を有する分離膜エレメントの好適な形態の一つである。透水量を大きくするために、支持板の両面に多孔性膜を配することも分離膜エレメントの好ましい態様である。
【００５４】
本発明の化学品の製造方法においては、膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲で濾過処理することが重要である。発酵培養液を濾過するために、２０ｋＰａより高い膜間差圧で濾過処理すると、圧力を加えるための動力が必要であり、化学品を製造するときの経済効果が低下する。また、２０ｋＰａより高い膜間差圧を加えることによって微生物もしくは培養細胞が破砕される場合があり、化学品を生産する能力が低下する。本発明の化学品の製造方法は、濾過圧力である膜間差圧が０.１から２０ｋＰａの範囲であり、水頭差により膜間差圧を得られることから、特別に発酵反応槽内を加圧状態に保つ必要がなく、化学品を生産する能力が低下しない。また、特別に発酵反応槽内を加圧状態に保つ必要がないことから、多孔性膜を発酵反応槽内部に設置する様態も可能となり、発酵装置がコンパクト化できる利点も挙げられる。本発明の化学品の製造方法では、膜間差圧を、好ましくは０.１から５ｋＰａの範囲で濾過処理する。
【００５５】
本発明で使用される微生物や培養細胞の発酵原料は、発酵培養する微生物や培養細胞の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させ得るものであればよい。発酵原料としては、例えば、炭素源、窒素源、無機塩類、および必要に応じてアミノ酸、およびビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する通常の液体培地等が好ましく用いられる。
【００５６】
上記の炭素源としては、例えば、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、サトウキビ搾汁、更には酢酸やフマル酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなどが使用される。ここで糖類とは、多価アルコールの最初の酸化生成物であり、アルデヒド基またはケトン基をひとつ持ち、アルデヒド基を持つ糖をアルドース、ケトン基を持つ糖をケトースと分類される炭水化物のことを指す。
【００５７】
また、上記の窒素源としては、例えば、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば、油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。
【００５８】
また、上記の無機塩類としては、例えば、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等を適宜添加使用することができる。
【００５９】
本発明で使用される微生物や培養細胞が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加することができる。また、消泡剤も必要に応じて添加使用することができる。
【００６０】
本発明において、発酵培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液のことを言う。追加する発酵原料の組成は、目的とする化学品の生産性が高くなるように、培養開始時の発酵原料組成から適宜変更することができる。
【００６１】
本発明では、発酵培養液中の糖類濃度は５ｇ／ｌ以下に保持されるようにすることが好ましい。その理由は、発酵培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。そのため、糖類の濃度は可能な限り小さいことが望ましい。
【００６２】
微生物の発酵培養は、通常、ｐＨが４〜８で温度が２０〜４５℃の範囲で行われることが多い。発酵培養液のｐＨは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムおよびアンモニアガスなどによって、上記範囲内のあらかじめ定められた値に調節される。
【００６３】
培養において、酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を好適には２１％以上に保つ、発酵培養液を加圧する、攪拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。逆に、酸素の供給速度を下げる必要があれば、炭酸ガス、窒素およびアルゴンなど酸素を含まないガスを空気に混合して供給することも可能である。
【００６４】
本発明においては、培養初期にＢａｔｃｈ培養またはＦｅｄ−Ｂａｔｃｈ培養を行って微生物濃度を高くした後に連続培養（引き抜き）を開始しても良いし、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続培養を行っても良い。適当な時期から、原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養物の引き抜きの開始時期は、必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養物の引き抜きは連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。原料培養液には、上記に示したような菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。
【００６５】
発酵培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、発酵培養液の環境が微生物または培養細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが効率的でよい生産性を得る上で好ましい態様である。一例として、濃度を、乾燥重量として５ｇ／Ｌ以上に維持することにより良好な生産効率が得られる。連続発酵装置の運転上の不具合や生産効率の低下を招かなければ、発酵培養液中の微生物または培養細胞の濃度の上限は特に限定されない。
【００６６】
発酵生産能力のあるフレッシュな菌体を増殖させつつ行う連続培養操作は、培養管理上、通常、単一の発酵反応槽で行うことが好ましい。しかしながら、菌体を増殖しつつ生産物を生成する連続発酵培養法であれば、発酵反応槽の数は問わない。発酵反応槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵反応槽を用いることもあり得る。その場合、複数の発酵反応槽を配管で並列または直列に接続して連続培養を行っても、発酵生産物の高生産性は得られる。
【００６７】
本発明においては、微生物や培養細胞を発酵反応槽に維持したままで、発酵反応槽からの発酵培養液の連続的かつ効率的な抜き出しが可能である。そのため、微生物や細胞を連続的に発酵培養し、十分な増殖を確保した後に発酵原料液組成を変更し、目的とする化学品を効率よく製造することも可能である。
【００６８】
本発明で使用される微生物や培養細胞としては、真核細胞、および原核細胞をともに用いることができ、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞および昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。
【００６９】
本発明で用いられる真核細胞の最も際立った特徴は、細胞内に細胞核（核）と呼ばれる構造を持ち。細胞核（核）を有さない原核生物とは明確に区別される。本発明では、その真核細胞のうちで更に好ましくは酵母を好ましく用いることができる。
【００７０】
本発明において好適な酵母としては、例えば、サッカロミセス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）に属する酵母とサッカロミセス・セレビセ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）に属する酵母が挙げられる。
【００７１】
本発明で用いられる原核細胞の最も際立った特徴は、細胞内に細胞核（核）と呼ばれる構造をもたないことであり、細胞核（核）を有する真核生物とは明確に区別される。
【００７２】
本発明の製造方法で得られる化学品は、上記の微生物や培養細胞が発酵培養液中に生産する物質である。化学品としては、例えば、アルコール、有機酸、アミノ酸、核酸およびビタミンなど発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。また、本発明は、酵素、抗生物質および組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。例えば、アルコールとしては、エタノール、１，３−プロパンジオール、１,４−ブタンジオールおよびグリセロール等が挙げられる、また、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸およびクエン酸等を挙げることができ、アミノ酸であれば、グルタミン酸、リジン、スレオニン、アラニン、アルギニン、ヒスチジン、グルタミン等を挙げることができ、アミノ酸の誘導体も本発明の化学品に含まれる。アミノ酸の誘導体として、カダベリンを挙げることができる。また、核酸であればイノシン、グアノシンおよびシチジン等を挙げることができる。
【００７３】
本発明で乳酸を製造する場合、真核細胞であれば酵母、原核細胞であれば乳酸菌を用いることが好ましい。このうち酵母は、乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を細胞に導入した酵母が好ましい。このうち乳酸菌は、消費したグルコースに対して対糖収率として５０％以上の乳酸を産生する乳酸菌を用いることが好ましく、更に好ましくは対等収率として８０％以上の乳酸菌であることが好適である。それら乳酸菌のうち、ラクトバチラス属（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）、バチラス属（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属、ペディオコッカス（Ｐｅｄｉｏｃｏｃｃｕｓ）、テトラゲノコッカス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｔｅｔｒａｇｅｎｏｃｏｃｃｕｓ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ  Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ  Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ  Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ  Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、バゴコッカス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｖａｇｏｃｏｃｃｕｓ）、ロイコノストック属（Ｇｅｎｕｓ  Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ）、オエノコッカス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｏｅｎｏｃｏｃｃｕｓ）、アトポビウム属（Ｇｅｎｕｓ  Ａｔｏｐｏｂｉｕｍ）、ストレプトコッカス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ）、エンテロコッカス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｅｎｔｅｒｏｃｏｃｃｕｓ）、ラクトコッカス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ）およびスポロラクトバチルス属（Ｇｅｎｕｓ  Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）に属する乳酸菌を用いることができ、更に好ましくは、スポロラクトバチルス・ラエボラクティカス（Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｌａｅｖｏｌａｃｔｉｃｕｓ）が使用できる。
【００７４】
本発明における連続発酵とは、微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過処理する様態として間欠的に濾過処理を行いながら、濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を発酵培養液に追加することによって化学品を連続的に発酵生産することである。
【００７５】
本発明において、微生物や培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過処理する際の膜間差圧は、微生物や培養細胞および培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよいが、上述のように、膜間差圧を０.１ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下の範囲にして濾過処理することが重要である。膜間差圧は、好ましくは０.１ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下の範囲であり、さらに好ましくは０.１ｋＰａ以上５ｋＰａの範囲である。上記膜間差圧の範囲を外れた場合、原核微生物および培地成分の目詰まりが急速に発生し、透過水量の低下を招き、連続発酵運転に不具合を生じることがある。
【００７６】
本発明において、発酵培養液は、後で詳述するように好ましくは分離膜を設置している発酵反応槽内、あるいは膜分離槽内で撹拌状態あるいは発酵培養液が流れている状態である。上記の非濾過処理操作を行うことにより、発酵培養液側の分離膜表面に付着した微生物もしくは培養細胞ならびにその他の固形物が撹拌状態である発酵培養液によって脱落、洗浄されやすくなることから、分離膜の閉塞が発生しにくくなるため、０.１から２０ｋＰａの範囲の低い膜間差圧を維持しながら長期間安定した化学品の連続発酵が可能になる。
【００７７】
濾過の駆動力としては、発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差（水頭差）を利用したサイホンにより多孔性膜に膜間差圧を発生させることができる。また、濾過の駆動力として多孔性膜処理水側に吸引ポンプを設置してもよいし、多孔性膜の発酵培養液側に加圧ポンプを設置することも可能である。上記の範囲に膜間差圧を制御する手段としては、発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差を変化させることにより制御することができる、また、膜間差圧を発生させるためにポンプを使用する場合には、吸引圧力により膜間差圧を制御することができる。更に、発酵培養液側の圧力を導入する気体または液体の圧力によっても膜間差圧を制御することができる。これら圧力制御を行う場合には、発酵培養液側の圧力と多孔性膜処理水側の圧力差をもって膜間差圧とし、膜間差圧の制御に用いることができる。
【００７８】
本発明における間欠的な濾過処理とは、濾過処理操作と非濾過処理操作を交互に繰り返して行うことを言う。このうち、濾過処理操作は、発酵培養液を濾過し発酵濾液を発酵反応槽内から抜き出す操作を指す。また、非濾過処理操作は、発酵培養液の濾過を行わない操作のことを指す。上述のように、分離膜が設置されている槽では培養液が攪拌、あるいは培養液が流れている状態であり、分離膜の微小な表面に於いては培養液が流れている状態である。この培養液が流れている状態にあると発酵培養液中の微生物など固形分等を常に分離膜表面から剥離させる効果がある。ここでろ過処理操作を行うと分離膜上に微生物など固形分等を堆積させる効果がある。固形分が堆積すると分離膜のろ過能力の低下を招く。したがって、本発明の間欠的なろ過処理を行うことによって、ろ過処理操作時に分離膜上に堆積した固形分を非ろ過処理操作時に剥離させ、長期間、分離膜のろ過能力を維持させることが可能となり、その結果、長期間安定した化学品の製造を実現することができる。
【００７９】
次に、濾過処理操作と非濾過処理操作の操作時間と交互繰り返し頻度について説明する。濾過処理操作と非濾過処理操作の操作時間と交互繰り返し頻度については、膜間差圧として０.１から２０ｋＰａの範囲を維持した濾過を行うことができる範囲で任意に設定することができる。
【００８０】
例えば、膜間差圧を測定しながら濾過処理操作を継続し、膜間差圧が２０ｋＰａにまで上昇したら、非濾過処理操作を行うことにより、膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲で調節しながら、間欠的な濾過処理を行うことができる。また、規則的に濾過処理操作と非濾過処理操作を繰り返し、膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲で調節しながら、間欠的な濾過処理を行うことも可能である。
【００８１】
一方、濾過処理操作は発酵培養液から生産物を含む濾液を得る上で重要な操作である。それに対して、非濾過処理操作は、分離膜の閉塞を発生しにくくするために分離膜表面に付着した固形物を洗浄する上で重要な操作である。このことから、高い発酵生産効率を得るためには、非濾過処理操作時間としては、膜間差圧として０.１から２０ｋＰａの範囲を維持し、かつ、必要十分な分離膜表面の洗浄効果が得られる時間を確保することが望ましい。そして、可能な限り濾過処理操作時間を長くとって、濾過処理操作と非濾過処理操作の交互繰り返し操作を行うことが好ましい。
【００８２】
具体的には、濾過処理時間と非濾過処理時間の相対比として（濾過処理時間）／（非濾過処理時間）として１から１００で操作することができる。好ましくは５から２０が好ましく、相対比１０で操作することが最も好ましい。また、上記相対比の範囲で、濾過処理時間を１分から１時間の間で操作することが可能である。そのうち５分から２０分で操作することが好ましい。これら、上述の濾過処理時間と非濾過処理時間の相対比と濾過処理時間の範囲で濾過処理と非濾過処理を繰り返すことで化学品を連続的に製造することができる。膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲を維持できれば、上述の濾過処理時間と非濾過処理時間の相対比と濾過処理時間の範囲で、その都度繰り返しの間隔を設定することが可能である。また、規則的に繰り返すこともできる。
【００８３】
このように、間欠的に濾過処理を行うことで、長期間安定した化学品を製造することができる。
【００８４】
次に、本発明で用いられる連続発酵装置の構成および特徴について説明する。本発明で用いられる連続発酵装置は、微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵による化学品を製造するための装置である。
【００８５】
本発明で用いられる連続発酵装置は、微生物もしくは培養細胞を発酵培養させるための発酵反応槽を有するものである。
【００８６】
本発明で用いられる連続発酵装置のひとつの形態は、発酵反応槽と、その発酵反応槽内部に配設され分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための分離膜エレメントと、その分離膜エレメントに接続され濾過された発酵生産物を排出するための手段と、該分離膜の膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲に制御するための手段とからなり、その該分離膜として平均細孔径０.０１μｍ以上１μｍ未満の細孔を有する多孔性膜が用いられる。
【００８７】
本発明で用いられる連続発酵装置の別の形態は、発酵反応槽と、その発酵反応槽に発酵培養液循環手段を介して接続され内部に分離膜を備えた発酵培養液を濾過するための膜分離槽と、その分離膜の膜間差圧を０.１から２０ｋＰａの範囲に制御する手段とからなり、その分離膜として平均細孔径０.０１μｍ以上１μｍ未満の多孔性膜が用いられる。
【００８８】
次に、本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置について、図面を用いて説明する。
【００８９】
本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置のうち、分離膜エレメントが発酵反応槽の外部に設置された代表的な一例を図１の概要図に示す。図１は、本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置の例を説明するための概略側面図である。
【００９０】
図１において、連続発酵装置は、発酵反応槽１と、分離膜エレメント２を備えた膜分離槽１２と、水頭差制御装置３とで基本的に構成されている。ここで、分離膜エレメント２には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性と膜分離膜エレメントとしては、例えば、国際公開第２００２／０６４２４０号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを使用することが好適である。また、膜分離槽１２は、発酵培養液循環ポンプ１１を介して発酵反応槽１に接続されている。
【００９１】
図１において、培地供給ポンプ７によって培地を発酵反応槽１に投入し、必要に応じて、攪拌機５で発酵反応槽１内の発酵培養液を攪拌し、また必要に応じて、気体供給装置４によって必要とする気体を供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置４で供給することができる。また必要に応じて、ｐＨセンサ・制御装置９およびよびｐＨ調整溶液供給ポンプ８によって発酵培養液のｐＨを調整し、また必要に応じて、温度調節器１０によって発酵培養液の温度を調節することにより、生産性の高い発酵生産を行うことができる。さらに、装置内の発酵培養液は、発酵培養液循環ポンプ１１によって発酵反応槽１と膜分離槽１２の間を循環する。発酵生産物を含む発酵培養液は、分離膜エレメント２によって微生物と発酵生産物に濾過・分離され、発酵生産物を装置系から取り出すことができる。また、濾過・分離された微生物は、装置系内にとどまることにより装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。
【００９２】
ここでは、計装・制御装置による発酵培養液の物理化学的条件の調節に、ｐＨおよび温度を例示したが、必要に応じて、溶存酸素やＯＲＰの制御、オンラインケミカルセンサーなどの分析装置により、発酵培養液中の化学品の濃度を測定し、発酵培養液中の化学品の濃度を指標とした物理化学的条件の制御を行うことができる。また、培地の連続的もしくは断続的投入は、好ましくは、上記計装装置による発酵培養液の物理化学的環境の測定値を指標として、培地投入量および速度を適宜調節することができる。
【００９３】
ここで、分離膜エレメント２による間欠的な濾過・分離は、膜分離槽１２の水面との水頭差圧によって行うことができ、特別な動力を必要としない。必要に応じて、レベルセンサ６および水頭差圧制御装置３によって、分離膜エレメント２の濾過・分離速度および装置系内の発酵培養液量を適当に調節することができる。必要に応じて、気体供給装置４によって必要とする気体を膜分離槽１２内に供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置４で膜分離槽１２内に供給することができる。
【００９４】
分離膜エレメント２による濾過・分離は、必要に応じて、ポンプ等による吸引濾過あるいは装置系内を加圧することにより、濾過・分離することもできる。また、別の培養槽（図示せず）で連続発酵に微生物または培養細胞を培養し、それを必要に応じて発酵反応槽内に供給することができる。別の培養槽で連続発酵に微生物または培養細胞を培養し、得られた発酵培養液を必要に応じて発酵反応槽１内に供給することにより、常にフレッシュで化学品の生産能力の高い微生物または培養細胞による連続発酵が可能となり、高い生産性能を長期間維持した連続発酵が可能となる。
【００９５】
次に、本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置のうち、分離膜エレメントが発酵反応槽の内部に設置された代表的な一例を図２の概要図に示す。図２は、本発明で用いられる他の連続発酵装置の例を説明するための概略側面図である。
【００９６】
図２において、連続発酵装置は、内部に分離膜エレメント２を備えた発酵反応槽１と水頭差制御装置３で基本的に構成されている。発酵反応槽１内の分離膜エレメント２には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜と分離膜エレメントとしては、例えば、国際公開第２００２／０６４２４０号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを使用することができる。分離膜エレメントに関しては、追って詳述する。
【００９７】
次に、図２の連続発酵装置による連続発酵の形態について説明する。培地供給ポンプ７によって、培地を発酵反応槽１に連続的もしくは断続的に投入する。培地は、発酵反応槽１内に投入される前に必要に応じて、加熱殺菌、加熱滅菌あるいはフィルターを用いた滅菌処理を行うことができる。発酵生産時には、必要に応じて、発酵反応槽１内の攪拌機５で発酵反応槽１内の発酵培養液を攪拌することができる。発酵生産時には、必要に応じて、気体供給装置４によって必要とする気体を発酵反応槽１内に供給することができる。発酵生産時は、必要に応じて、ｐＨセンサ・制御装置９およびｐＨ調整溶液供給ポンプ８によって発酵反応槽１内の発酵培養液のｐＨを調整し、必要に応じて、温度調節器１０によって発酵反応槽１内の発酵培養液の温度を調節することにより、生産性の高い発酵生産を行うことができる。
【００９８】
ここでは、計装・制御装置による発酵培養液の物理化学的条件の調節に、ｐＨおよび温度を例示したが、必要に応じて、溶存酸素やＯＲＰの制御、オンラインケミカルセンサーなどの分析装置により、発酵培養液中の化学品の濃度を測定し、発酵培養液中の化学品の濃度を指標とした物理化学的条件の制御を行うことができる。また、培地の連続的もしくは断続的投入は、好ましくは、上記計装装置による発酵培養液の物理化学的環境の測定値を指標として、培地投入量および速度を適宜調節することができる。
【００９９】
図２において、発酵培養液は、発酵反応槽１内に設置された分離膜エレメント２によって、微生物と発酵生産物が濾過・分離され、発酵生産物が装置系から取り出される。また、濾過・分離された微生物が装置系内に留まることにより装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。ここで、分離膜エレメント２による間欠的な濾過・分離は発酵反応槽１の水面との水頭差圧によって行い、特別な動力を必要としない。また、必要に応じて、レベルセンサ６および水頭差圧制御装置３によって、分離膜エレメント２の濾過・分離速度およびよび発酵反応槽１内の発酵培養液量を適当に調節することができる。上記の分離膜エレメントによる濾過・分離には、必要に応じて、ポンプ等による吸引濾過あるいは装置系内を加圧することにより、濾過・分離することもできる。また、別の培養槽（図示せず）で連続発酵により微生物または培養細胞を培養し、それを必要に応じて発酵反応槽１内に供給することができる。別の培養槽で連続発酵により微生物または培養細胞を培養し、その培養液を必要に応じて発酵反応槽１内に供給することにより、常にフレッシュで化学品の生産能力の高い微生物または培養細胞による連続発酵が可能となり、高い生産性能を長期間維持した連続発酵が可能となる。
【０１００】
次に、本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置で、好ましく用いられる分離膜エレメントについて説明する。
【０１０１】
図３に示す分離膜エレメントについて説明する。図３は、本発明で用いられる分離膜エレメントを例示説明するための概略斜視図である。本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置では、好ましくは、国際公開第２００２／０６４２４０号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを用いることができる。分離膜エレメントは、図３に示されるように、剛性を有する支持板１３の両面に、流路材１４と前記の分離膜１５（多孔性膜）をこの順序で配し構成されている。支持板１３は、両面に凹部１６を有している。分離膜１５は、発酵培養液を濾過する。流路材１４は、分離膜１５で濾過された濾液を効率よく支持板１３に流すためのものである。支持板１３に流れた濾液は、支持板１３の凹部１６を通り、集水パイプ１７を介して連続発酵装置外部に取り出される。濾液を取り出すための動力として、水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を用いることができる。
【０１０２】
図４に示す分離膜エレメントについて説明する。図４は、本発明で用いられる別の分離膜エレメントを例示説明するための概略斜視図である。分離膜エレメントは、図４に示すように、中空糸膜（多孔性膜）で構成された分離膜束１８と上部樹脂封止層１９と下部樹脂封止層２０によって主に構成される。分離膜束１８は、上部樹脂封止層１９および下部樹脂封止層２０よって束状に接着・固定化されている。下部樹脂封止層２０による接着・固定化は、分離膜束１８の中空糸膜（多孔性膜）の中空部を封止しており、発酵培養液の漏出を防ぐ構造になっている。一方、上部樹脂封止層１９は、分離膜束１８の中空糸膜（多孔性膜）の内孔を封止しておらず、集水パイプ２２に濾液が流れる構造となっている。この分離膜エレメントは、支持フレーム２１を介して連続発酵装置内に設置することが可能である。分離膜束１８によって濾過された濾液は、中空糸膜の中空部を通り、集水パイプ２２を介して連続発酵装置外部に取り出される。濾液を取り出すための動力として、水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を用いることができる。
【０１０３】
本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置の分離膜エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作に耐性の部材であることが好ましい。連続発酵装置内が滅菌可能であれば、連続発酵時に好ましくない微生物による汚染の危険を回避することができ、より安定した連続発酵が可能となる。分離膜エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作の条件である、１２１℃で１５分間に耐性であることが好ましい。分離膜エレメント部材は、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、ＰＶＤＦ、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂およびポリサルホン系樹脂等の樹脂を好ましく選定できる。
【０１０４】
本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置では、分離膜エレメントは、図１のように発酵反応槽内に設置しても良いし、図２のように発酵反応槽外に設置しても良い。分離膜エレメントを発酵反応槽外に設置する場合には、別途、膜分離槽を設けてその内部に分離膜エレメントを設置することができ、発酵反応槽と膜分離槽の間を発酵培養液を循環させながら、分離膜エレメントにより発酵培養液を連続的に濾過することができる。
【０１０５】
本発明の化学品の製造方法で用いられる連続発酵装置では、膜分離槽は、高圧蒸気滅菌可能であることが望ましい。膜分離槽が高圧蒸気滅菌可能であると、雑菌による汚染回避が容易である。
【０１０６】
本発明に従って連続発酵を行った場合、高い体積生産速度が得られるとともに、その体積生産速度を長期間維持した極めて効率のよい連続発酵生産が可能となる。ここで、連続発酵培養における生産速度は、次の式（３）で計算される。
【０１０７】
・発酵生産速度（ｇ／Ｌ／ｈｒ）＝抜き取り液中の生産物濃度（ｇ／Ｌ）×発酵培養液抜き取り速度（Ｌ／ｈｒ）÷装置の運転液量（Ｌ）・・・・（式３）
また、バッチ培養での発酵生産速度は、原料炭素源をすべて消費した時点の生産物量（ｇ）を、炭素源の消費に要した時間（ｈ）とその時点の発酵培養液量（Ｌ）で除して求められる。
【実施例】
【０１０８】
以下、本発明の連続発酵による化学品の製造方法をさらに詳細に説明するために、上記の発酵生産物として乳酸を選定し、図１ならびに図２に示す連続発酵装置を用いて連続的な乳酸の発酵生産について実施例を挙げて説明する。
【０１０９】
ここで、Ｌ−乳酸を生産させる微生物には、酵母サッカロミセス・セレビセ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓａｅ）を用いた。サッカロミセス・セレビセは、本来Ｌ−乳酸発酵を持たないが、Ｌ−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子をサッカロミセス・セレビセに導入することによりＬ−乳酸発酵能力をもつサッカロミセス・セレビセ株を造成し実施した。具体的には、ヒト由来ＬＤＨ遺伝子を酵母ゲノム上のＰＤＣ１プロモーターの下流に連結することにより、Ｌ−乳酸発酵能力を持つ酵母株を造成して使用した。またＤ−乳酸を生産させる微生物には、スポロラクトバチルス・ラエボラクティカス（Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｌａｅｖｏｌａｃｔｉｃｕｓ）を用いた。
【０１１０】
［参考例１］乳酸生産能力を持つ酵母株の作製
乳酸生産能力を持つ酵母株を、下記のように造成した。具体的には、ヒト由来ＬＤＨ遺伝子を酵母ゲノム上のＰＤＣ１プロモーターの下流に連結することにより、Ｌ−乳酸生産能力を持つ酵母株を造成する。ポリメラーゼ・チェーン・リアクション（ＰＣＲ）には、Ｌａ−Ｔａｑ（宝酒造社製）あるいはＫＯＤ−Ｐｌｕｓ−ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ（東洋紡社製）を用い、付属の取扱説明に従って行った。
【０１１１】
ヒト乳ガン株化細胞（ＭＣＦ−７）を培養回収後、ＴＲＩＺＯＬ  Ｒｅａｇｅｎｔ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を用いてｔｏｔａｌ  ＲＮＡを抽出し、得られたｔｏｔａｌ  ＲＮＡを鋳型としてＳｕｐｅｒＳｃｒｉｐｔ  Ｃｈｏｉｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を用いた逆転写反応によりｃＤＮＡの合成を行った。これらの操作の詳細は、それぞれ付属のプロトコールに従った。得られたｃＤＮＡを、続くＰＣＲの増幅鋳型とした。
【０１１２】
上記の操作で得られたｃＤＮＡを増幅鋳型とし、配列番号１および配列番号２で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたＫＯＤ−Ｐｌｕｓ−ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅによるＰＣＲにより、Ｌ−ｌｄｈ遺伝子のクローニングを行った。各ＰＣＲ増幅断片を精製し末端をＴ４  Ｐｏｌｙｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ  Ｋｉｎａｓｅ（ＴＡＫＡＲＡ社製）によりリン酸化後、ｐＵＣ１１８ベクター（制限酵素ＨｉｎｃＩＩで切断し、切断面を脱リン酸化処理したもの）にライゲーションした。ライゲーションは、ＤＮＡ  Ｌｉｇａｔｉｏｎ  Ｋｉｔ  Ｖｅｒ．２（ＴＡＫＡＲＡ社製）を用いて行った。
【０１１３】
ライゲーションプラスミド産物で大腸菌ＤＨ５αを形質転換し、プラスミドＤＮＡを回収することにより、各種Ｌ−ｌｄｈ遺伝子（配列番号３）がサブクローニングされたプラスミドを得た。得られたＬ−ｌｄｈ遺伝子が挿入されたｐＵＣ１１８プラスミドを制限酵素ＸｈｏＩおよびＮｏｔＩで消化し、得られた各ＤＮＡ断片を酵母発現用ベクターｐＴＲＳ１１（図５）のＸｈｏＩ／ＮｏｔＩ切断部位に挿入した。このようにして、ヒト由来Ｌ−ｌｄｈ遺伝子発現プラスミドｐＬ−ｌｄｈ５（Ｌ−ｌｄｈ遺伝子）を得た。ヒト由来のＬ−ｌｄｈ遺伝子発現ベクターである上記ｐＬ−ｌｄｈ５は、プラスミド単独で独立行政法人産業技術総合研究所  特許生物寄託センター（茨城県つくば市東１−１−１中央第６）にＦＥＲＭＡＰ−２０４２１として寄託した（寄託日：平成１７年２月２１日）。
【０１１４】
ヒト由来ＬＤＨ遺伝子を含むプラスミドｐＬ−ｌｄｈ５を増幅鋳型とし、配列番号４および配列番号５で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたＰＣＲにより、１．３ｋｂのヒト由来ＬＤＨ遺伝子およびサッカロミセス・セレビセ由来のＴＤＨ３遺伝子のターミネーター配列含むＤＮＡ断片を増幅した。また、プラスミドｐＲＳ４２４を増幅鋳型として、配列番号６および配列番号７で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたＰＣＲにより、１．２ｋｂのサッカロミセス・セレビセ由来のＴＲＰ１遺伝子を含むＤＮＡ断片を増幅した。それぞれのＤＮＡ断片を、１．５％アガロースゲル電気泳動により分離し、常法に従い精製した。
【０１１５】
ここで得られた１．３ｋｂ断片と１．２ｋｂ断片を混合したものを増幅鋳型とし、配列番号４および配列番号７で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたＰＣＲ法によって得られた産物を１．５％アガロースゲル電気泳動して、ヒト由来ＬＤＨ遺伝子およびＴＲＰ１遺伝子が連結された２．５ｋｂのＤＮＡ断片を、常法に従い調整した。この２．５ｋｂのＤＮＡ断片で、出芽酵母ＮＢＲＣ１０５０５株を常法に従いトリプトファン非要求性に形質転換した。
【０１１６】
得られた形質転換細胞が、ヒト由来ＬＤＨ遺伝子を酵母ゲノム上のＰＤＣ１プロモーターの下流に連結されている細胞であることの確認は、下記のようにして行った。まず、形質転換細胞のゲノムＤＮＡを常法に従って調製し、これを増幅鋳型とした配列番号８および配列番号９で表されるオリゴヌクレオチドをプライマーセットとしたＰＣＲにより、０．７ｋｂの増幅ＤＮＡ断片が得られることにより確認した。
【０１１７】
また、形質転換細胞が乳酸生産能力を持つかどうかは、表１に示すＳＣ培地（ＭＥＴＨＯＤＳ  ＩＮ  ＹＥＡＳＴ  ＧＥＮＥＴＩＣＳ  ２０００  ＥＤＩＴＩＯＮ、  ＣＳＨＬ  ＰＲＥＳＳ）で形質転換細胞を培養した培養上澄に乳酸が含まれていることを、下記に示す条件でＨＰＬＣ法により乳酸量を測定することにより確認した。
・カラム：Ｓｈｉｍ−Ｐａｃｋ  ＳＰＲ−Ｈ（島津社製）
・移動相：５ｍＭ  ｐ−トルエンスルホン酸（流速０．８ｍＬ／ｍｉｎ）
・反応液：５ｍＭ  ｐ−トルエンスルホン酸、２０ｍＭ  ビストリス、０．１ｍＭ  ＥＤＴＡ・２Ｎａ（流速０．８ｍＬ／ｍｉｎ）
・検出方法：電気伝導度
・温度：４５℃。
【０１１８】
また、Ｌ−乳酸の光学純度測定は、下記の条件でＨＰＬＣ法により測定した。
・カラム：ＴＳＫ−ｇｅｌ  Ｅｎａｎｔｉｏ  Ｌ１（東ソー社製）
・移動相 ：１ｍＭ 硫酸銅水溶液
・流速：１．０ｍｌ／ｍｉｎ
・検出方法 ：ＵＶ２５４ｎｍ
・温度 ：３０℃。
【０１１９】
また、Ｌ−乳酸の光学純度は、次式で計算される。
・光学純度（％）＝１００×（Ｌ−Ｄ）／（Ｌ＋Ｄ）
ここで、ＬはＬ−乳酸の濃度であり、ＤはＤ−乳酸の濃度を表す。
【０１２０】
ＨＰＬＣ分析の結果、４ｇ／ＬのＬ−乳酸が検出され、Ｄ−乳酸は検出限界以下であった。以上の検討により、この形質転換体がＬ−乳酸生産能力を持つことが確認された。得られた形質転換細胞を、酵母ＳＷ−１株として、後の実施例で用いた。
【０１２１】
【表１】
0005223520.tif 000004
【０１２２】
［参考例２］多孔性膜の作製（その１）
樹脂としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂を、また溶媒としてＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）をそれぞれ用い、これらを９０℃の温度下に十分に攪拌し、次の組成を有する原液を得た。
【０１２３】
［原液］
・ＰＶＤＦ：１３．０重量％
・ＤＭＡｃ：８７．０重量％。
【０１２４】
次に、上記原液を２５℃の温度に冷却した後、あらかじめガラス板上に貼り付けて置いた、密度が０．４８ｇ／ｃｍ3で、厚みが２２０μｍのポリエステル繊維製不織布（多孔質基材）に塗布し、直ちに次の組成を有する２５℃の温度の凝固浴中に５分間浸漬して、多孔質基材に多孔質樹脂層が形成された多孔性膜を得た。
【０１２５】
［凝固浴］
・水 ：３０．０重量％
・ＤＭＡｃ：７０．０重量％。
【０１２６】
この多孔性膜をガラス板から剥がした後、８０℃の温度の熱水に３回浸漬してＤＭＡｃを洗い出し、分離膜を得た。多孔質樹脂層表面の９．２μｍ×１０．４μｍの範囲内を、倍率１０，０００倍で走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、観察できる細孔すべての直径の平均は０．１μｍであった。次に、上記分離膜について純水透水透過係数を評価したところ、５０×１０-9ｍ3／ｍ2／ｓ／Ｐａであった。純水透水量の測定は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで行った。また、平均細孔径の標準偏差は０．０３５μｍで、膜表面粗さは０．０６μｍであった。
【０１２７】
［参考例３］多孔性膜の作製（その２）
重量平均分子量４１．７万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ−ブチロラクトンとを、それぞれ３８重量％と６２重量％の割合で１７０℃の温度で溶解し原液を作製した。この原液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随拌させながら口金から吐出し、温度２０℃のγ−ブチロラクトン８０重量％水溶液からなる冷却浴中で固化して中空糸膜を作製した。
【０１２８】
次いで、重量平均分子量２８．４万のフッ化ビニリデンホモポリマーを１４重量％、セルロースアセテートプロピオネート（イーストマンケミカル社、ＣＡＰ４８２−０．５）を１重量％、Ｎ-メチル-２-ピロリドンを７７重量％、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン（三洋化成株式会社、商品名“イオネットＴ−２０Ｃ”（登録商標））を５重量％、および水を３重量％の割合で９５℃の温度で混合溶解して原液を調整した。この原液を、上記で得られた中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させた本発明で用いる中空糸多孔性膜を製作した。得られた中空糸多孔性膜の被処理水側表面の平均細孔径は、０．０５μｍであった。次に、上記の分離膜である中空糸多孔性膜について純水透水量を評価したところ、５．５×１０-9ｍ3／ｍ2・ｓ・Ｐａであった。透水量の測定は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで行った。また、平均細孔径の標準偏差 は０．００６μｍであった。
【０１２９】
［実施例１］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その１）
図１に示す連続発酵装置を稼働させることにより、Ｌ−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表２に示す組成の乳酸発酵培地を用い、この装置の連続発酵試験を行った。該乳酸発酵培地は、１２１℃の温度で１５分間、高圧蒸気滅菌して用いた。分離膜には、前記の参考例２で作製した多孔性膜を用いた。実施例１における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
【０１３０】
［運転条件］
・発酵反応槽容量：１．５（Ｌ）
・膜分離槽容量：０．５（Ｌ）
・使用分離膜：ＰＶＤＦ濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積：１２０平方ｃｍ
・温度調整：３０（℃）
・発酵反応槽通気量：０．０２（Ｌ／ｍｉｎ）
・膜分離槽通気量：０．３（Ｌ／ｍｉｎ）
・発酵反応槽攪拌速度：８００（ｒｐｍ）
・ｐＨ調整：１Ｎ  ＮａＯＨによりｐＨ５に調整
・発酵培養液循環装置による循環液量：０．１（Ｌ／ｍｉｎ）
・膜透過水量制御：膜分離槽水頭差により流量を制御（膜間差圧として２０ｋＰａ以下に制御した。）
・間欠的な濾過処理：濾過処理（９分間）−非濾過処理（１分間）の周期運転。
【０１３１】
微生物もしくは培養細胞として前記の参考例１で造成した酵母ＳＷ−１株を用い、培地として表２に示す組成の乳酸発酵培地を用いた。生産物であるＬ−乳酸の濃度の評価には、前記の参考例１に示したＨＰＬＣを用い、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコーＣ”（登録商標）（和光純薬社製）を用いた。
【０１３２】
【表２】
0005223520.tif 000005
【０１３３】
まず、試験管中で５ｍｌの乳酸発酵培地を用いＳＷ−１株を一晩振とう培養した（前々々培養）。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地１００ｍｌに植菌し、５００ｍｌ容坂口フラスコ中で２４時間、３０℃の温度で振とう培養した（前々培養）。前々培養液を、図１に示した連続発酵装置の１．５Ｌの乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽１を付属の攪拌機５によって８００ｒｐｍで攪拌し、発酵反応槽１の通気量の調整、温度調整およびｐＨ調整を行った。発酵培養液循環ポンプ１１を稼働させることなく、２４時間培養を行った（前培養）。前培養完了後、直ちに、発酵培養液循環ポンプ１１を稼働させた。前培養時の運転条件に加え、膜分離槽２を通気し、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵培養液量を２Ｌとなるように膜透過水量の制御を行いながら間欠的に発酵培養液を濾過・分離し連続培養することにより、連続発酵によるＬ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置３により、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内となるように適宜水頭差を変化させることによって行い、かつ、間欠的な濾過処理を、９分間の濾過処理操作と１分間の非濾過処理操作を繰り返すことによって行った。適宜、濾液中の生産されたＬ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。連続発酵開始から５５０時間の間、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内で安定してＬ−乳酸を発酵生産することができた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１３４】
【表３】
0005223520.tif 000006
【０１３５】
［比較例１］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その１）
実施例１の比較対照として、濾過処理を連続的に行いＬ−乳酸の連続発酵を行った結果、連続発酵開始後３００時間で膜間差圧が２０ｋＰａを超えた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１３６】
図６は、実施例１と比較例１の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。この図から、本発明の化学品の製造方法により、長期間安定して化学品を製造できることが明らかになった。
【０１３７】
［実施例２］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その２）
分離膜として参考例３で作成した多孔性膜を用い、その他は実施例１と同様にＬ−乳酸の連続発酵を行った。その結果、連続発酵開始から５００時間の間、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内で安定してＬ−乳酸を発酵生産することができた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１３８】
［比較例２］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その２）
実施例２の比較対照として、濾過処理を連続的に行いＬ−乳酸の連続発酵を行った結果、連続発酵開始後３００時間で膜間差圧が２０ｋＰａを超えた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１３９】
図７は、実施例２と比較例２の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。この図から、本発明の化学品の製造方法により、長期間安定して化学品を製造できることが明らかになった
［実施例３］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その３）
図２に示す連続発酵装置を稼働させることにより、Ｌ−乳酸連続発酵系が得られるかどうかを調べるため、表２に示す組成の乳酸発酵培地を用い、この装置の連続発酵試験を行った。該乳酸発酵培地は、１２１℃の温度で１５分間、高圧蒸気滅菌して用いた。分離膜には、前記の参考例１で作製した多孔性膜を用いた。実施例１における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
【０１４０】
［運転条件］
・発酵反応槽容量：１．５（Ｌ）
・使用分離膜：ＰＶＤＦ濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積：１２０平方ｃｍ
・温度調整：３０（℃）
・発酵反応槽通気量：０．０２（Ｌ／ｍｉｎ）
・発酵反応槽攪拌速度：８００（ｒｐｍ）
・ｐＨ調整：１Ｎ  ＮａＯＨによりｐＨ５に調整
・膜透過水量制御：膜分離槽水頭差により流量を制御（膜間差圧として２０ｋＰａ以下に制御した。）
・間欠的な濾過処理：濾過処理（９分間）−非濾過処理（１分間）の周期運転。
【０１４１】
微生物として前記の参考例１で造成した酵母ＳＷ−１株を用い、培地として表１に示す組成の乳酸発酵培地を用いた。生産物であるＬ−乳酸の濃度の評価には、前記の参考例１に示したＨＰＬＣを用い、グルコース濃度の測定には“グルコーステストワコーＣ”（登録商標）（和光純薬社製）を用いた。
【０１４２】
まず、試験管中で５ｍｌの乳酸発酵培地を用いＳＷ−１株を一晩振とう培養した（前々々培養）。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地１００ｍｌに植菌し、５００ｍｌ容坂口フラスコ中で２４時間、３０℃の温度で振とう培養した（前々培養）。前々培養液を、図１に示した膜分離型の連続発酵装置の１．５Ｌの乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽１を付属の攪拌機５によって５００ｒｐｍで攪拌し、発酵反応槽１の通気量の調整、温度調整およびｐＨ調整を行った。発酵培養液循環ポンプ１１を稼働させることなく、２４時間培養を行った（前培養）。前培養完了後、直ちに、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵培養液量を１．５Ｌとなるよう膜透過水量の制御を行いながら間欠的に発酵培養液を濾過・分離し連続培養することで、連続発酵によるＬ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置３により、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内となるように適宜水頭差を変化させることによって行い、かつ、間欠的な濾過処理を、９分間の濾過処理操作と１分間の非濾過処理操作を繰り返すことによって行った。適宜、濾液中の生産されたＬ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。連続発酵開始から４８０時間の間、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内で安定してＬ−乳酸を発酵生産することができた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１４３】
［比較例３］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その３）
実施例３の比較対照として、濾過処理を連続的に行いＬ−乳酸の連続発酵を行った結果、連続発酵開始後２５０時間で膜間差圧が２０ｋＰａを超えた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１４４】
図８は、実施例３と比較例３の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。この図から、本発明の化学品の製造方法により、長期間安定して化学品を製造できることが明らかになった
［実施例４］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その４）
分離膜として参考例３で作成した多孔性膜を用い、その他は実施例１と同様にＬ−乳酸の連続発酵を行った。その結果、連続発酵開始から４５０時間の間、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内で安定してＬ−乳酸を発酵生産することができた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１４５】
［比較例４］連続発酵によるＬ−乳酸の製造（その４）
実施例４の比較対照として、濾過処理を連続的に行いＬ−乳酸の連続発酵を行った結果、連続発酵開始後２４０時間で膜間差圧が２０ｋＰａを超えた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１４６】
図９は、実施例４と比較例４の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。この図から、本発明の化学品の製造方法により、長期間安定して化学品を製造できることが明らかになった。
【０１４７】
[実施例５]連続発酵によるＤ−乳酸の製造（その１）
微生物としてスポロラクトバチルス・ラエボラクティカス ＡＴＣＣ２３４９２株を用い、培地にグルコース８０ｇ／Ｌと酵母エキス３ｇ／Ｌを含む乳酸発酵培地を用いて、図１の連続発酵装置でＤ−乳酸連続発酵を行った。該乳酸発酵培地は、１２１℃の温度で１５分間、高圧蒸気滅菌して用いた。分離膜には、前記の参考例２で作製した多孔性膜を用いた。運転条件は下記のとおりである。
【０１４８】
［運転条件］
・発酵反応槽容量：１．５（Ｌ）
・使用分離膜：ＰＶＤＦ濾過膜
・分離膜エレメント有効濾過面積：１２０平方ｃｍ
・温度調整：３７（℃）
・発酵反応槽通気量：窒素ガス０．２（Ｌ／ｍｉｎ）
・発酵反応槽攪拌速度：８００（ｒｐｍ）
・ｐＨ調整：８Ｎ  Ｃａ（ＯＨ）２によりｐＨ６．０に調整
・膜透過水量制御：膜分離槽水頭差により流量を制御（膜間差圧として２０ｋＰａ以下に制御した。）
・間欠的な濾過処理：濾過処理（９分間）−非濾過処理（１分間）の周期運転。
【０１４９】
生産物であるＤ−乳酸の濃度の評価には、前記の参考例１に示したＨＰＬＣを用いた。まず、試験管中で１０ｍｌの乳酸発酵培地を用い、ＡＴＣＣ  ２３４９２株を嫌気条件下で一晩培養した（前々々培養）。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地１００ｍｌに植菌し、嫌気条件下、５００ｍｌ容坂口フラスコ中で２４時間、３７℃の温度で培養した（前々培養）。前々培養液を、図１に示した連続発酵装置の発酵反応槽中１の１．５Ｌの乳酸発酵培地に植菌し、攪拌、通気量の調整、温度調整およびｐＨ調整を行った（前培養）。前培養開始２４時間後に、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵培養液量を１．５Ｌとなるよう膜透過水量の制御を行いながら間欠的に発酵培養液を濾過・分離し連続培養することで、連続発酵によるＤ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置３により、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内となるように適宜水頭差を変化させることによって行い、かつ、間欠的な濾過処理を、９分間の濾過処理操作と１分間の非濾過処理操作を繰り返すことによって行った。適宜、濾液中の生産されたＤ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。連続発酵開始から４００時間の間、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内で安定してＤ−乳酸を発酵生産することができた。表４に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１５０】
【表４】
0005223520.tif 000007
【０１５１】
［比較例５］連続発酵によるＤ−乳酸の製造（その１）
実施例５の比較対照として、濾過処理を連続的に行いＬ−乳酸の連続発酵を行った結果、連続発酵開始後２４０時間で膜間差圧が２０ｋＰａを超えた。表４に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１５２】
図１０は、実施例５と比較例５の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。この図から、本発明の化学品の製造方法により、長期間安定して化学品を製造できることが明らかになった。
【０１５３】
[実施例６]連続発酵によるＤ−乳酸の製造（その２）
微生物としてスポロラクトバチルス・ラエボラクティカス ＡＴＣＣ  ２３４９２株を用い、培地にグルコース８０ｇ／Ｌと酵母エキス３ｇ／Ｌを含む乳酸発酵培地を用いて、図２の連続発酵装置でＤ−乳酸連続発酵を行った。該乳酸発酵培地は、１２１℃の温度で１５分間、高圧蒸気滅菌して用いた。分離膜には、前記の参考例４で作製した多孔性膜を用いた。運転条件は下記のとおりである。
【０１５４】
［運転条件］
・発酵反応槽容量：１．５（Ｌ）
・膜分離槽容量：０．５（Ｌ）
・使用分離膜：ＰＶＤＦ濾過膜
・分離膜エレメント有効濾過面積：１２０平方ｃｍ
・温度調整：３７（℃）
・発酵反応槽通気量：窒素ガス０．２（Ｌ／ｍｉｎ）
・発酵反応槽攪拌速度：８００（ｒｐｍ）
・ｐＨ調整：８Ｎ  Ｃａ（ＯＨ）２によりｐＨ６．０に調整
・培養液循環速度：１００ｍｌ／ｍｉｎ
・膜透過水量制御：膜分離槽水頭差により流量を制御（膜間差圧として２０ｋＰａ以下に制御した。）
・間欠的な濾過処理：濾過処理（９分間）−非濾過処理（１分間）の周期運転。
【０１５５】
生産物であるＤ−乳酸の濃度の評価には、前記の参考例１に示したＨＰＬＣを用いた。分離膜の目詰まりにより濾過液が出てこなくなる時間を測定することにより、連続発酵の安定運転の比較を行った。
【０１５６】
まず、試験管中で１０ｍｌの乳酸発酵培地を用い、ＡＴＣＣ２３４９２株を嫌気条件下で一晩培養した（前々々培養）。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地１００ｍｌに植菌し、５００ｍｌ容坂口フラスコで２４時間、３７℃で培養した（前々培養）。前々培養液を、図２に示した連続発酵装置の発酵反応槽中１の２．０ＬのＬ−乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽１を付属の攪拌機５によって８００ｒｐｍで攪拌し、発酵反応槽１の通気量の調整、温度調整、ｐＨ調整および培養液循環速度調整を行い、２４時間培養を行った（前培養）。前培養完了後直ちに、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵反応槽中１の発酵培養液量を２．０Ｌとなるように膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるＤ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置３により、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内となるように適宜水頭差を変化させることによって行い、かつ、間欠的な濾過処理を、９分間の濾過処理操作と１分間の非濾過処理操作を繰り返すことによって行った。適宜、濾液中の生産されたＤ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。連続発酵開始から４００時間の間、膜間差圧が０．１〜２０ｋＰａ以内で安定してＤ−乳酸を発酵生産することができた。表４に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１５７】
［比較例６］連続発酵によるＤ−乳酸の製造（その２）
実施例６の比較対照として、濾過処理を連続的に行いＬ−乳酸の連続発酵を行った結果、連続発酵開始後２３０時間で膜間差圧が２０ｋＰａを超えた。表３に、培養発酵の条件と結果を示す。
【０１５８】
図１１は、実施例６と比較例６の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。この図から、本発明の化学品の製造方法により、長期間安定して化学品を製造できることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】図１は、本発明で用いられる続発酵装置の一つの実施の形態を説明するための概要側面図である。
【図２】図２は、本発明で用いられる他の連続発酵装置の一つの実施の形態を説明するための概要側面図である。
【図３】図３は、本発明で用いられる分離膜エレメントの一つの実施の形態を説明するための概要斜視図である。
【図４】図４は、本発明で用いられる他の分離膜エレメントの一つの実施の形態を説明するための概要斜視図である。
【図５】図５は、実施例で用いた酵母用発現ベクターｐＴＲＳ１１のフィジカルマップを示す図である。
【図６】図６は、実施例１と比較例１の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。
【図７】図７は、実施例２と比較例２の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。
【図８】図８は、実施例３と比較例３の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。
【図９】図９は、実施例４と比較例４の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。
【図１０】図１０は、実施例５と比較例５の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。
【図１１】図１１は、実施例５と比較例５の発酵時間と膜間差圧を比較したグラフである。
【符号の説明】
【０１６０】
１  発酵反応槽
２  分離膜エレメント
３  水頭差制御装置
４  気体供給装置
５  攪拌機
６  レベルセンサ
７  培地供給ポンプ
８  ｐＨ調整溶液供給ポンプ
９  ｐＨセンサ・制御装置
１０  温度調節器
１１  発酵培養液循環ポンプ
１２  膜分離槽
１３  支持板
１４  流路材
１５  分離膜
１６  凹部
１７  集水パイプ
１８  分離膜束
１９  上部樹脂封止層
２０  下部樹脂封止層
２１  支持フレーム
２２  集水パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【配列表】
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