(57)【要約】【課題】  分離膜モジュールが繰り返しの蒸気滅菌処理への耐久性を有することで、長期間にわたり高い生産性を維持でき、かつモジュールを交換する際にも廃棄量が少なくなる化学品の製造用装置を提供する。【解決手段】微生物の発酵培養により発酵原料から化学品を含有する発酵培養液への変換を行う発酵槽と、発酵培養液から濾過液として化学品を回収するための分離膜モジュールとを備えた化学品の製造装置であって、分離膜モジュールが、筒状ケース、分離膜カートリッジおよびシール部材を備えたカートリッジ式の分離膜モジュールであり、分離膜カートリッジは筒状ケースと接着固定されない状態で筒状ケース内に収められ、シール部材は、分離膜モジュール内において発酵培養液が通液される空間と、濾過液が通液される空間との間を気密かつ液密に封止するように配されることを特徴とする化学品の製造装置。【選択図】図１
2012161288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物の発酵培養により発酵原料から化学品を含有する発酵培養液への変換を行う発酵槽と、発酵培養液から濾過液として化学品を回収するための分離膜モジュールとを備えた化学品の製造装置であって、分離膜モジュールが、筒状ケース、分離膜カートリッジおよびシール部材を備えたカートリッジ式の分離膜モジュールであり、分離膜カートリッジは筒状ケースと接着固定されない状態で筒状ケース内に収められ、シール部材は、分離膜モジュール内において発酵培養液が通液される空間と、濾過液が通液される空間との間を気密かつ液密に封止するように配されることを特徴とする化学品の製造装置。
【請求項２】
分離膜カートリッジが多数本の有機高分子化合物からなる中空糸膜束を備え、中空糸膜束の少なくとも一方の端面が開口された状態で集束部材により集束固定されていることを特徴とする請求項１に記載の化学品の製造装置。
【請求項３】
中空糸膜束の一方の端面が開口された状態で集束部材により集束固定され、他方の端面が閉塞されていることを特徴とする請求項２に記載の化学品の製造装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の化学品の製造装置において、筒状ケース内に壁面に整流孔または整流溝を有する整流筒をさらに備え、筒状ケースは側面に１つ以上の通液可能な通液口を備え、筒状ケース側面の通液口が整流筒の整流孔または整流溝の外側に位置するように配されていることを特徴とする化学品の製造装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の化学品の製造装置を用いて化学品を得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、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、分離膜モジュールを通して化学品を含む液を濾過・回収し、発酵原料を発酵培養液に追加し、かつ、未濾過液がある場合は発酵培養液に戻す連続発酵法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）回分発酵法（Ｂａｔｃｈ発酵法）および流加発酵法（Ｆｅｄ−Ｂａｔｃｈ発酵法）と、（２）連続発酵法とに分類することができる。
【０００３】
上記（１）の回分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、時間経過と共に発酵培養液中の化学品濃度が高くなり、浸透圧あるいは化学品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ことが困難である。
【０００４】
また、上記（２）の連続発酵法は、発酵槽内で目的化学品が高濃度に蓄積す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。この連続発酵法については、Ｌ−グルタミン酸やＬ−リジンの発酵についての連続培養法が開示されている（非特許文献１参照）。しかしながら、この例では、発酵培養液に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を抜き出すために、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、濾液から化学品を回収すると同時に濃縮液中の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培養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、分離膜として有機高分子からなる中空糸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１参照）。ここで、連続発酵による化学品の生産では、基本的に雑菌混入（コンタミネーション）を防いだ状態で培養を行う必要があり、分離膜モジュールを滅菌することが必要となる。滅菌手段は、火炎滅菌、乾熱滅菌、煮沸滅菌、蒸気滅菌、紫外線滅菌、ガンマ線滅菌、ガス滅菌等の方法が例示できるが、有機膜は乾燥すると濾過性能が損なわれてしまうため、蒸気滅菌（通常は１２１℃、１５分間から２０分間）が適した滅菌方法である。分離膜モジュールはこの蒸気滅菌条件に耐えられることが要求される。さらに高い蒸気滅菌耐性を有する分離膜モジュールであれば、より長期間の使用も可能になるといえる。しかし、特許文献１に記載の分離膜モジュールは構成する部材が前述の滅菌条件に対する耐久性を十分に満たしておらず、分離膜モジュールを長期間使用することは困難であった。また、分離膜モジュールを交換する際に、モジュールごと廃棄しなくてはならないため、廃棄される分離膜モジュールの量が多くなってしまう。前述の滅菌条件に耐えうるような分離膜モジュールの場合は、ケース部材もステンレスやスーパーエンプラなどの耐熱性を有し、かつ高価な部材が必要となるため、分離膜モジュール交換、廃棄の頻度が高いと、分離膜モジュールのコストもそれに応じて高くなってしまう。
【０００７】
また、分離膜モジュールを長期間使用するために、分離膜に付着した濁質などを水や薬液などで洗浄し、分離膜モジュールを再生する方法がとられることもある。しかし、濁質などによる汚れには洗浄でも落としきれないものも含まれているため、分離膜モジュールの再生使用には限界がある。
【０００８】
特許文献２には、水処理プロセス等において使用される濾過モジュールにおいて、広い使用温度範囲でポッティング剤との接着界面の破断が起こらず、かつ、高い圧力をかけてもリークが発生しない濾過モジュールが開示されている。しかし、特許文献２に記載の中空糸膜濾過モジュールは、１０〜８０℃の範囲において好適に使用できると記載されているものの、１２１℃の蒸気滅菌処理を数十回繰り返すと、部材の熱劣化が起きてしまい、中空糸膜を集束する部材が割れたり、筒状ケースや中空糸膜との接着界面が剥がれたりしてしまうといった懸念がある。
【０００９】
そこで、分離膜モジュールが繰り返しの蒸気滅菌処理への耐久性を有し、かつモジュールを交換する際にも廃棄量が少なくなるような化学品の製造装置の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２３７１０１号公報
【特許文献２】特開２００１−３００２６５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Toshihiko Hirao et al.（ヒラノ・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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、発酵原料を微生物の発酵培養により化学品を含有する発酵培養液への変換を行う発酵槽と、該発酵培養液から濾過液として化学品を回収するための分離膜とを備えた化学品の製造装置であって、分離膜モジュールが繰り返しの蒸気滅菌処理への耐久性を有し、かつモジュールを交換する際にも廃棄量が少なくなる化学品の製造用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記目標を達成するために、次のような構成をとる。
【００１４】
（１）微生物の発酵培養により発酵原料から化学品を含有する発酵培養液への変換を行う発酵槽と、発酵培養液から濾過液として化学品を回収するための分離膜モジュールとを備えた化学品の製造装置であって、分離膜モジュールが、筒状ケース、分離膜カートリッジおよびシール部材を備えたカートリッジ式の分離膜モジュールであり、分離膜カートリッジは筒状ケースと接着固定されない状態で筒状ケース内に収められ、シール部材は、分離膜モジュール内において発酵培養液が通液される空間と、濾過液が通液される空間との間を気密かつ液密に封止するように配されることを特徴とする化学品の製造装置。
【００１５】
（２）分離膜カートリッジが多数本の有機高分子化合物からなる中空糸膜束を備え、中空糸膜束の少なくとも一方の端面が開口された状態で集束部材により集束固定されていることを特徴とする（１）に記載の化学品の製造装置。
【００１６】
（３）中空糸膜束の一方の端面が開口された状態で集束部材により集束固定され、他方の端面が閉塞されていることを特徴とする（２）に記載の化学品の製造装置。
【００１７】
（４）（１）から（３）のいずれかに記載の化学品の製造装置において、筒状ケース内に壁面に整流孔または整流溝を有する整流筒をさらに備え、筒状ケースは側面に１つ以上の通液可能な通液口を備え、筒状ケース側面の通液口が整流筒の整流孔または整流溝の外側に位置するように配されていることを特徴とする化学品の製造装置。
【００１８】
（５）（１）から（４）のいずれかに記載の化学品の製造装置を用いて化学品を得る化学品の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上述の化学品の製造装置を使用することで、長時間にわたり安定して高生産性を維持し、かつ繰り返し滅菌処理可能な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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明で用いられる化学品の製造装置を例示するための概略フロー図である。
【図２】本発明で用いられる分離膜モジュールの一態様を示す側面図である。
【図３】本発明で用いられる分離膜モジュールの別の一態様を示す側面図である。
【図４】本発明で用いられる分離膜モジュールのさらに別の一態様を示す側面図、断面図および部材の上面図である。
【図５】本発明で用いられる中空糸膜カートリッジの一態様を示す上方図および側面図である。
【図６】本発明で用いられる中空糸膜カートリッジの別の一態様を示す側面図である。
【図７】本発明で用いられる整流筒の一態様を示した斜視図である。
【図８】本発明で用いられる中空糸膜モジュールのさらに別の一態様を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。前記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を一部含む液体であれば、例えば廃水または下水も、そのまま、または発酵原料を添加して使用してもよい。
【００２２】
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、澱粉加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ケーンジュース、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの抽出物もしくは濃縮液、甜菜糖蜜またはケーンジュースの濾過液、シラップ（ハイテストモラセス）、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの精製もしくは結晶化された原料糖、菜糖蜜またはケーンジュースからの精製もしくは結晶化された精製糖、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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使用することができる。
【００２５】
本発明において、微生物の発酵は、通常、ｐＨが３〜８で温度が２０〜６５℃の範囲で行うことができる。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。
【００２６】
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発酵法は、管理上は、通常、単一の発酵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法であれば、発酵槽の数は問わない。発酵槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵槽を用いることもあり得る。その場合、複数の発酵槽を配管で並列または直列に接続して連続発酵を行っても、発酵生産物の高生産性は得られる。
【００２７】
また、発酵槽は耐圧性、耐熱性、耐汚れ性のいずれも有する素材で作られていることが好ましい。発酵槽の形状は円筒型、多角筒型などが例示されるが、発酵原料、微生物、その他発酵に必要な固体・液体・気体を注入して撹拌することができ、必要に応じて滅菌でき、密閉することが可能な形状であれば良い。発酵原料と発酵培養液や微生物の撹拌効率などを考慮すると、円筒型が好ましい。本発明で使用される発酵槽は、発酵槽の外部から発酵槽内部に雑菌が入り増殖することを防ぐため、発酵槽に圧力計を設け、常に発酵槽中の圧力を加圧状態に維持することが好ましい。
【００２８】
本発明で使用される微生物や培養細胞としては、真核細胞または原核細胞が用いられ、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、乳酸菌、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。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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。本発明では、その真核細胞のうちで乳酸菌を好ましく用いることができる。
【００３１】
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、アミノ酸および核酸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−ブタンジオール、１,４−ブタンジオール、カダベリン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、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。
【００３２】
また、本発明の製造装置または製造方法で得られる化学品は、化成品、乳製品、医薬品、食品または醸造品のうち、少なくとも１種を含む流体物、または排水であることが好ましい。ここで化成品としては、例えば、有機酸、アミノ酸および核酸のように、膜分離濾過後の工程により化学製品を作ることに適用可能な物質、乳製品としては、例えば、低脂肪牛乳など、膜分離濾過後の工程により乳製品として適用可能な物質、医薬品としては、例えば、酵素、抗生物質、組み換えタンパク質のように、膜分離濾過後の工程により医薬品を作ることに適用可能な物質、食品としては、例えば、乳酸飲料など、膜分離濾過後の工程により食品として適用可能な物質、醸造品としては、例えば、ビール、焼酎など、膜分離濾過後の工程によりアルコールを含む飲料として適用可能な物質、排水としては、例えば、食品洗浄排水、乳製品洗浄排水などの生産品洗浄後の排水や、有機物を豊富に含む家庭排水などが挙げられる。
【００３３】
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、更に好ましくは対糖収率として８０％以上の乳酸菌であることが好適である。
【００３４】
本発明で乳酸を製造する場合に好ましく用いられる乳酸菌としては、例えば、野生型株では、乳酸を合成する能力を有するラクトバチラス属（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）に属する細菌が挙げられる。
【００３５】
また、乳酸の対糖収率や光学純度が高い乳酸菌を選択して用いることができ、例えば、Ｄ−乳酸を選択して生産する能力を有する乳酸菌としてはスポロラクトバチルス属に属するＤ−乳酸生産菌が挙げられ、好ましい具体例として、スポロラクトバチルス・ラエボラクティカス（Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｌａｅｖｏｌａｃｔｉｃｕｓ）またはスポロラクトバチルス・イヌリナス（Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｉｎｕｌｉｎｕｓ）が使用できる。さらに好ましくは、スポロラクトバチルス・ラエボラクティカス ＡＴＣＣ ２３４９２、ＡＴＣＣ ２３４９３、ＡＴＣＣ ２３４９４、ＡＴＣＣ ２３４９５、ＡＴＣＣ ２３４９６、ＡＴＣＣ ２２３５４９、ＩＡＭ１２３２６、ＩＡＭ １２３２７、ＩＡＭ １２３２８、ＩＡＭ １２３２９、ＩＡＭ １２３３０、ＩＡＭ １２３３１、ＩＡＭ １２３７９、ＤＳＭ ２３１５、ＤＳＭ ６４７７、ＤＳＭ ６５１０、ＤＳＭ ６５１１、ＤＳＭ ６７６３、ＤＳＭ ６７６４、ＤＳＭ ６７７１などとスポロラクトバチルス・イヌリナスＪＣＭ ６０１４などが挙げられる。
【００３６】
Ｌ−乳酸の対糖収率が高い乳酸菌としては、例えば、ラクトバシラス・ヤマナシエンシス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｙａｍａｎａｓｈｉｅｎｓｉｓ）、ラクトバシラス・アニマリス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ａｎｉｍａｌｉｓ）、ラクトバシラス・アジリス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ａｇｉｌｉｓ）、ラクトバシラス・アビアリエス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ａｖｉａｒｉｅｓ）、ラクトバシラス・カゼイ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｃａｓｅｉ）、ラクトバシラス・デルブレッキ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｄｅｌｂｒｕｅｋｉｉ）、ラクトバシラス・パラカゼイ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｐａｒａｃａｓｅｉ）、ラクトバシラス・ラムノサス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｒｈａｍｎｏｓｕｓ）、ラクトバシラス・ルミニス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｒｕｍｉｎｉｓ）、ラクトバシラス・サリバリス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｓａｌｉｖａｒｉｕｓ）、ラクトバシラス・シャーピイ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｈａｒｐｅａｅ）、ラクトバシラス・デクストリニクス（Ｐｅｄｉｏｃｏｃｃｕｓ ｄｅｘｔｒｉｎｉｃｕｓ）、およびラクトコッカス・ラクティス（Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ ｌａｃｔｉｓ）などが挙げられ、これらを選択して、Ｌ−乳酸の生産に用いることが可能である。
【００３７】
次に、本発明において用いられる分離膜モジュールについて説明する。
【００３８】
本発明における分離膜モジュールは、少なくとも筒状ケース、分離膜カートリッジ、シール部材を備えた、カートリッジ式の分離膜モジュールである。分離膜カートリッジは交換可能であることが要求されるため、分離膜カートリッジと筒状ケースの間は接着固定されないが、分離膜モジュールを介して発酵培養液から化学品を含んだ濾過液を得るため、分離膜モジュール内において発酵培養液が通液される空間と濾過液が通液される空間の間は、シール部材を配することで気密かつ液密に封止されていることが要求される。なお、これ以降、発酵培養液が通液される空間を分離膜モジュールにおける１次側、同様に濾過液が通液される空間を分離膜モジュールにおける２次側と呼ぶこととする。
【００３９】
分離膜カートリッジは、筒状ケースに接着固定されないが、シール部材を配することにより１次側と２次側が気密かつ液密になるようにして筒状ケース内に収められる形状のものであれば、分離膜カートリッジの様式は特に限定されない。たとえば平膜のスパイラル型エレメントや、中空糸膜を集束部材により束ねたモジュール、セラミック製のモノリス膜などを用いることが可能である。
【００４０】
分離膜カートリッジ３０は、図２のように筒状ケース４０に収められて用いられる。分離膜カートリッジ３０を介して発酵培養液から化学品を含む濾過液を分離するため、筒状ケース４０は液体の出入り口となる通液口４１を２つ以上有していることが要求される。通液口は、１次側に１つ以上配され、２次側にも１つ以上配される。筒状ケース４０にキャップ４３を装着する場合は、キャップ４３に貫通孔を設けて通液口４１として用いてもよい。シール部材４４は、１次側と２次側の境界に位置するように配される。シール部材４４を保持するためには、シール部材４４が配される場所に溝などの段差を設けてもよいし、図２に示したように、分離膜カートリッジ３０とキャップ４３の間に挟まる形で設けられてもよい。
【００４１】
筒状ケース４０の形状は、円筒や多角筒が例示可能である。中でも、円筒状の筒状ケースは、加工、成型のしやすさや、筒状ケース内の液体や気体の流れが均一になりやすいなどのメリットがあるため好適に用いられる。
【００４２】
筒状ケース４０を構成する部材は、繰り返しの蒸気滅菌処理で劣化しにくいような部材であることが好ましく、ポリスルホンに例示されるような耐熱性樹脂や、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属、さらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料などから適切なものを選択して使用できる。
【００４３】
筒状ケース４０の内部に中空糸膜カートリッジ３０を収める際に、濾過運転を行う最中においても中空糸膜カートリッジ３０が筒状ケース４０内に保持されることが重要である。保持の方法としては、図３に例示するように、筒状ケース４０内に筒状ケース内段差４２または凸部を設け、分離膜カートリッジ３０が筒状ケース内段差４２または凸部おいて懸垂されるように保持する方法が挙げられ、構造が単純になることや、交換が容易になるなどの理由から好適に用いることが可能である。
【００４４】
他にも、図４ａ）のように筒状ケース４０の端部よりも外側に分離膜カートリッジ３０が出ており、かつその一部にストッパー４５を設けることで懸垂および保持する方法も採用できる。ストッパー４５の一例を上面から見たものを図４ｂ）に示す。このストッパー４５は、ドーナツ型の板に切込みを設けたものであり、適切な大きさの切込みを設けることで、ストッパー４５の装着が容易になる。分離膜カートリッジ３０には溝が設けられていると、ドーナツ型の空洞部と分離膜カートリッジ３０の嵌合がより強固なものになり好ましい。ストッパー４５が分離膜カートリッジ３０に嵌合した状態を軸方向に切ったときの断面は、図４ｃ）のように例示される。ストッパー４５の素材は特に限定されないが、図４ｂ）のように切込みを有する場合は、切り込みを広げてカートリッジ３０に装着させることを考えると、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）などのゴム状素材であることが好ましい。分離膜カートリッジが大きく重い場合は、ストッパーの厚みを増すことで分離膜カートリッジをより確実に保持できるようにしてもよい。
【００４５】
筒状ケース４０の上にキャップ４３を設けると、分離膜カートリッジ３０が筒状ケース４０内にて懸垂保持される場合において、鉛直上向きに力がかかっても分離膜カートリッジ３０が保持されるため好ましい。
【００４６】
シール部材４４は、前述のとおり分離膜モジュール内にて１次側と２次側を気密かつ液密に封止するために配される。分離膜モジュール内に設けられるシール部材４４の数については特に限定されないが、シール部材４４は分離膜カートリッジ同様に交換するものであることを考えると、なるべく少ないほうが好ましい。シール部材はＯ−リング、パッキン、ガスケット、シールテープなどが例示でき、繰り返しの蒸気滅菌で劣化しにくい部材からなるものであればよく、酸、アルカリ、塩素などへの耐性も強い部材であればより好ましく用いられる。素材の例としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）などが例示できる。
【００４７】
分離膜モジュールに用いられる分離膜カートリッジを交換する頻度については特に限定されるものではないが、濾過を行う際に、分離膜の１次側と２次側の差圧が一定値以上で推移するようになれば交換するのが１つの指標となる。分離膜カートリッジを交換する目安の差圧については、用いる微生物および培養細胞の種類や濃度にもよるが、膜間差圧が０.１ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下という範囲を目安として用いることが可能である。この範囲を外れた場合、微生物、培養細胞や培地成分の目詰まりが急速に発生し、濾過量の低下を招き、連続発酵運転に不具合を生じることがある。
【００４８】
分離膜カートリッジは、なるべく長期間にわたり前述の膜間差圧を維持できるようなものであることが望ましく、少なくとも、１回の連続発酵運転が完了するまでの時間以上は、分離膜モジュールとしての膜間差圧が前述の範囲を維持できることが好ましい。交換頻度が高い場合はカートリッジのコストがかさむことや、本発明における装置のメリットである長期間の連続発酵運転が途中で終了してしまい、化学品の生産性が高くなった状態を長時間維持できないため好ましくない。
【００４９】
ただし、分離膜カートリッジの交換頻度があまりに低くなると、分離膜そのものの性能が低下することや、分離膜を洗浄した際に膜性能が回復しにくくなるといった弊害もあるため好ましくない。よって、分離膜カートリッジはある程度の交換サイクルの通りに交換することを前提とし、なるべくコストが安く、かつ耐用期間が長いものであることが好ましい。
【００５０】
さらに分離膜カートリッジは、単位体積あたりの膜面積が大きいもののほうが、単位時間あたりの濾過効率がよくなるため好ましい。
【００５１】
以上のことから、分離膜カートリッジに使用される膜は中空糸膜が好ましく、かつコストの観点からは安価である有機高分子化合物からなる膜を用いることが好ましい。
【００５２】
この有機高分子化合物からなる中空糸膜を構成する有機高分子化合物は、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例示できる。とりわけ、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最も好ましく用いられる。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。
【００５３】
さらに、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。
【００５４】
本発明で用いられる中空糸膜においては、発酵培養液への目詰まりのしにくさ、すなわち耐汚れ性（耐ファウリング性）が重要な性能の一つである。このため中空糸膜の平均細孔径と純水透過性能のバランスが重要である。つまり平均細孔径は、膜の汚れ物質が細孔内部に入らない程度に小さい方が好ましいが、一方で、細孔が小さくなると透水性能が小さくなるので、濾過運転時の膜間差圧が大きくなって安定運転ができなくなる。そこである程度透水性能が高い方がよいが、その透水性能の指標として、使用前の中空糸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、中空糸膜の純水透過係数は、逆浸透膜濾過による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の純水透過係数が、５．６×１０−１０ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以上１．６×１０−８ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以下、好ましくは１．１×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以上１．３×１０−８ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以下、さらに好ましくは１．７×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以上１．１×１０−８ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以下である。
【００５５】
また平均細孔径は、透水性能が上述の範囲にあれば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以下であることが良い。中空糸膜の平均細孔径が０.０１μｍ未満であると、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。さらに中空糸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づくと、これらが直接孔を塞いでしまう場合がある。また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、これらの破砕物によって中空糸膜の閉塞することから回避するために、平均細孔径は０.４μｍ以下が好ましく、０.２μｍ以下であれば、より好適に実施することができる。
【００５６】
ここで、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。
【００５７】
本発明で用いられる中空糸膜の外径は、好ましくは０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、更に好ましくは０．８ｍｍ以上１．８ｍｍ以下である。０．６ｍｍ未満の細い中空糸膜を用いる場合、有効膜面積が大きくなるため化学品をより多く濾過することが可能となるが、筒状ケースに収める際や、筒状ケース内で発酵培養液を循環させる際に、外力によって中空糸膜が折れたり、中空糸膜が破断したりすることによって発酵培養液が濾液に混入するといった点から好ましくない。さらに、細い中空糸膜を用いる場合には、微生物が中空糸膜束の中に入り込み排出しにくくなる現象が起こるため好ましくない。２．０ｍｍよりも太い中空糸膜を用いる場合、中空糸膜が折れる、破断するといったリスクが少なくて済むが、同じ大きさの中空糸膜カートリッジを製作する際に有効膜面積が小さくなり、単位体積あたりの濾過量が減ることから好ましくない。また、中空糸膜の揺動性が悪くなるため中空糸膜カートリッジ内部からの微生物や汚れ成分の排出性が悪化するので好ましくない。
【００５８】
中空糸膜カートリッジ３０の構造は、図５に例示されるように、多数本の中空糸膜３１が少なくとも一方の端面が開口された状態で集束部材３２により集束固定されていると、モジュールの１次側と２次側が気密かつ液密に封止されるようにしながらのカートリッジの交換が容易となるため好ましい。また、集束部材３２において中空糸膜３１が開口された状態となっている面を開口端面３３と呼ぶ。中空糸膜カートリッジ３０における集束部材はエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂などから、硬度や接着対象部材との親和性を考慮して任意に選択することが可能である。また、開口端面３３を得る方法としては、一度中空糸膜３１の端面が埋没するように集束部材３２を形成し、後から集束部材３２を、中空糸膜３１の端面が表面に出るように切る方法が例示できる。
【００５９】
中空糸膜カートリッジを懸垂させて筒状ケース内に保持させる場合は、中空糸膜カートリッジの片端のみが集束部材により開口された状態であると、交換がより容易になるため好ましい。このとき、中空糸膜カートリッジのもう片端は中空糸膜端面が封止された状態で用いられる。封止状態を得る方法としては、図６のように中空糸膜３１をＵ字型に曲げて端面を揃えた状態で、集束部材３２を形成させた後に中空糸膜端面が表に出るように切る方法や、中空糸膜の端面が埋没するように集束部材を形成させたのちに開口せずに用いる方法が例示できる。また、中空糸膜をＵ字型に曲げた上で、曲げた箇所にも集束部材を形成すると、集束部材内には中空糸膜の端面がないため、集束部材が劣化しても閉塞部からのリークがおきにくくなるため好ましい。また、カートリッジ下部にも集束部材を有することで、集束部材が錘の役割をするため、筒状ケースにカートリッジを入れやすくなるなど、ハンドリング性が向上するため好ましい。
【００６０】
なお、中空糸膜が閉塞している側における集束部材は、すべての中空糸膜を１つの集束部材で集束してもよく、２つ以上の集束部材に分割して集束してもよいが、エアースクラビングによる膜面洗浄を行う場合や、後述するクロスフロー運転の際の流れ性を考慮すると、中空糸膜カートリッジの封止端は２つ以上の集束部材により分割された、小束状で集束されていることが好ましい。
【００６１】
本発明におけるカートリッジ式の中空糸膜モジュールについては、整流筒を備えていることが好ましい。整流筒５０は、図７ａ）のように壁面に整流孔５１が設けられたものや、図７ｂ）のように整流溝５３が設けられたものが例示でき、どちらも筒状ケース内部に収められて用いられる。このとき、筒状ケース側面の通液口が整流筒の整流孔または整流溝の外側に位置するように配されることが好ましい。以下、整流筒を備えるモジュールの利点について説明する。
【００６２】
分離膜モジュールは主に、全量濾過またはクロスフロー濾過のいずれかの運転形式により用いられる。全量濾過を行う際は、原液をモジュール外に排出するための通液口が必要ないため、筒状ケースの通液口は原液の供給口と濾過液の排出口の２つがあればよい。しかし、クロスフロー濾過を行うことで、原液である発酵培養液中に含まれる微生物および培養細胞を発酵槽へ戻すことにより、モジュール内に濁質がたまりにくくなるだけでなく、発酵槽内での微生物および培養細胞の濃度が高まり、発酵効率を高めることも可能となる。よって、本発明の化学品の製造方法においては、全量濾過よりもクロスフロー濾過のほうが運転形式としてメリットがある。
【００６３】
このとき、クロスフロー濾過を行うには、筒状ケースの通液口が濾過液の排出口１つおよび原液の供給口と排出口が１つずつ、合計３つ必要となる。筒状ケースはその両端に通液口を設けることが出来るとしてもその数は２つにしかならないため、筒状ケースの壁面に３つ目の通液口を設けることが必要となる。
【００６４】
壁面に通液口を設けた筒状ケースによるカートリッジ式中空糸膜モジュールの一例を図８に示す。ここで、筒状ケース４０の壁面に通液口４１ａを設けると、通液口４１ａを介して発酵培養液または濾過液が筒状ケース４０内に出入りする際に通液口４１ａ近傍にて圧損が大きくなってしまう。また、通液口４１ａからクロスフロー運転時や、中空糸膜の逆洗時に液が排出される際に、通液口４１ａへ中空糸膜が引き込まれることによる中空糸膜の折れなどの破損が懸念される。そこで整流筒５０を設けることにより、筒状ケースの壁面４０に通液口４１ａを設けた場合であっても、圧損、中空糸膜の折れ、破損を抑制することができる。ひいては、クロスフロー濾過を行う際の懸念が減り、発酵効率を高めることにもつながるといえる。
【００６５】
整流筒に設けられる壁面の整流孔または整流溝の配置について、整流筒のほぼ全面にわたって所定間隔で均一に配置されていてもよいが、図７に示したように、側面の一部（図７のＡ）には整流孔５１または整流溝５３を設けず、他の部分に所定間隔で均一に整流孔５１または整流溝５３を配置することが好ましい。この図７のＡのさらに軸方向外周に、筒状ケース壁面に設けた通液口を配することにより、通液口から液を排出する際に生じる中空糸膜の引き込まれや、中空糸膜が引き込まれることに起因する損傷を抑制できる。また、通液口における偏流を小さくする効果もある。なお、図７ｂ）のように、整流筒５０に整流溝５３を設ける場合は、整流溝５３の方向が斜めになっていることが好ましい。これは、整流溝５３の向きが中空糸膜と平行になっていると、中空糸膜が整流溝５３に引き込まれて破断してしまう懸念が高まるためである。
【００６６】
また、筒状ケース内にて整流筒を嵌め込むための機構を設けるなどして、整流筒の位置が固定されることも好ましい。さらに、整流筒内壁に畝を設けることにより、中空糸膜が整流筒に張り付いて整流孔または整流溝が閉塞してしまうことによる通液抵抗の上昇を防いでもよい。また、図７ａ）のように整流筒５０に設けられているのが整流孔５１の場合は、複数の整流孔５１を連通するように内壁溝５２が設けられていてもよい。内壁溝５２を設けることにより、中空糸膜が整流筒５０の壁面に張りついて整流孔５１を閉塞してしまったときにも、閉塞してしまった整流孔５１から排出されるべき液体や気体は内壁溝５２を介して他の閉塞されてない整流孔５１に流れていくため、モジュール全体としての通液抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
【００６７】
整流筒を形成する部材は、筒状ケースの構成部材と同様に、繰り返しの蒸気滅菌処理で劣化しにくいような部材から選ばれることが好ましい。
【００６８】
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モジュール中の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、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。
【００６９】
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、またはクロスフロー循環ポンプにより分離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分離膜処理水側に吸引ポンプを設置してもよい。また、クロスフロー循環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。
【００７０】
また連続発酵における化学品の製造において、分離膜の洗浄に逆圧洗浄や薬液浸漬による洗浄などを行う。例えば逆圧洗浄液には、水や濾過液を用いる他、発酵に大きく阻害しない範囲で、アルカリ、酸または酸化剤を使用することができる。ここで、アルカリは、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液などを挙げることができる。酸は、シュウ酸、クエン酸、塩酸、硝酸などを挙げることができる。また酸化剤は、次亜塩素酸塩水溶液、過酸化水素水などを挙げることができる。この逆圧洗浄液は１００℃未満の高温で使用することもできる。ここで、逆圧洗浄とは、分離膜の２次側である濾過液側から、１次側である発酵培養液側へ液体を送ることにより、膜面の汚れ物質を除去する方法である。
【００７１】
そのため、本発明の中空糸膜モジュールについては、通常、ｐＨでは２〜１２、アルカリ、酸または酸化剤、さらには高温水への耐久性が要求される。
【００７２】
なお、逆圧洗浄液の逆圧洗浄速度は、膜濾過速度の０．５倍以上５倍以下の範囲であり、より好ましくは１倍以上３倍以下の範囲である。逆圧洗浄速度がこの範囲より高いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より低いと洗浄効果が充分に得られないことがある。
【００７３】
逆圧洗浄液の逆圧洗浄周期は、膜差圧および膜差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄周期は、時間あたり０．５回以上１２回以下の範囲であり、より好ましくは時間あたり１回以上６回以下の範囲である。逆圧洗浄周期がこの範囲より多いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より少ないと、洗浄効果が充分に得られないことがある。
【００７４】
逆圧洗浄液の逆圧洗浄時間は、逆圧洗浄周期、膜差圧および膜差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄時間は、１回あたり５秒以上３００秒以下の範囲であり、より好ましくは１回あたり３０秒以上１２０秒以下の範囲である。逆圧洗浄時間がこの範囲より長いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より短いと、洗浄効果が充分に得られないことがある。
【００７５】
また逆圧洗浄をする際に、一旦濾過を停止し、逆圧洗浄液で分離膜を浸漬することができる。浸漬時間は、浸漬洗浄周期、膜差圧および膜差圧の変化により決定することができる。浸漬時間は、好ましくは１回あたり１分以上２４時間以下、より好ましくは１回あたり１０分以上１２時間以下の範囲である。
【００７６】
分離膜を複数系列とし、分離膜を逆圧洗浄液で浸漬洗浄する際に、系列を切り替えて、濾過が全停止しないようにすることも好ましく採用できる。
【００７７】
連続発酵による化学品の製造では、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、連続発酵（引き抜き）を開始しても良い。または、微生物濃度を高くした後に、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続発酵を行っても良い。連続発酵による化学品の製造では、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。
【００７８】
原料培養液には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。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、効率よい生産性を得る上で好ましい態様である。発酵培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、一例として、ＳＬ乳酸菌を用いたＤ−乳酸発酵では、乾燥重量として、微生物濃度を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。
【００７９】
連続発酵による化学品の製造では、必要に応じて発酵槽内から微生物または培養細胞を引き抜くことができる。例えば、発酵槽内の微生物または培養細胞濃度が高くなりすぎると、分離膜の閉塞が発生しやすくなることから、引き抜くことで、閉塞から回避することができる。また、発酵槽内の微生物または培養細胞濃度によって化学品の生産性能が変化することがあり、生産性能を指標として微生物または培養細胞を引き抜くことで生産性能を維持させることも可能である。
【００８０】
連続発酵による化学品の製造では、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、菌体を増殖させつつ生産物を生成する連続培養法であれば、発酵反応槽の数は問わない。連続発酵による化学品の製造では、連続培養操作は、通常、培養管理上単一の発酵反応槽で行うことが好ましい。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可能である。この場合、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。
【００８１】
以下、本発明の化学品の製造装置について、図を用いて説明する。
【００８２】
図１は、本発明で用いられる化学品の製造装置を例示するための概略フロー図である。図１において、化学品の製造装置は発酵槽１と分離膜モジュール２で基本的に構成されている。ここで、分離膜モジュール２は、筒状ケース、分離膜カートリッジ、シール部材を備え、筒状ケースに、分離膜カートリッジを収め、シール部材により１次側と２次側が気密かつ液密になるように封止された、カートリッジ式の分離膜モジュールである。分離膜モジュール２は、循環ポンプ８を介して発酵槽１に接続されている。
【００８３】
発酵槽１内での連続発酵は、培地供給ポンプ９によって培地を発酵槽１に投入し、必要に応じて、撹拌装置４で発酵槽１の中の発酵培養液を撹拌し、また、必要に応じて、発酵槽気体供給装置１７によって適切な気体を供給することや、必要に応じてｐＨ、ｐＨセンサー・制御装置５および中和剤供給ポンプ１０によって中和剤を供給し、発酵培養液のｐＨを調節することにより、高い生産性を維持しながら行われる。
【００８４】
また、発酵の進行に伴い、発酵槽１内の内圧が上昇することがある。気体を供給する場合を考えると発酵槽１の内部は陽圧であることが好ましいが、過度な陽圧になると発酵槽１が破損するため、内圧を発酵槽圧力調整バルブ１８および発酵槽圧力計１９により制御できる。
【００８５】
さらに、装置内の発酵培養液は、循環ポンプ８によって発酵槽１と分離膜モジュール２の間を循環する。化学品を含む発酵培養液は、分離膜モジュール２によって微生物と化学品を含む濾過液に濾過・分離され、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ため、装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産速度の高い発酵生産が可能となる。ここで、分離膜モジュール２による濾過・分離には、循環ポンプ８による圧力によって、特別な動力を使用することなく実施可能であるが、必要に応じて濾過ポンプ１１を設け、差圧センサー・制御装置７によって発酵培養液量を適当に調整することができる。必要に応じて、温度制御装置３によって、発酵槽１の温度を微生物/培養細胞が活性化する温度に維持することができるため、微生物濃度を高く維持することができる。
【００８６】
さらに、分離膜モジュール２の２次側に逆洗用配管を設け、必要に応じて、逆洗ポンプ１３を用いて逆洗液を投入することができる。この際、必要に応じて、濾過ポンプ１１、濾過バルブ１２、逆洗ポンプ１３および逆洗バルブ１４を、制御装置を用いて、分離膜濾過が行う際には逆洗バルブ１４を閉め、逆洗ポンプ１３を止めるとともに、濾過バルブ１２を開け、濾過ポンプ１１を作動させ、分離膜濾過を行わないときには、濾過バルブ１２を閉め、濾過ポンプ１１を止めるとともに、逆洗バルブ１４を開け、逆洗ポンプ１３を作動させることで逆洗を行うこともできる。また、配管気体供給制御バルブ１５と配管スクラビング気体供給装置１６を用いることにより、分離膜モジュール内部に気体を供給して、分離膜表面に堆積した詰まり物質の洗浄を行うこともできる。配管気体供給制御バルブ１５と配管スクラビング気体供給装置１６は必要に応じてタイマーや制御装置によって制御され、スクラビング気体の供給を制御する。また必要に応じて、差圧センサー７によって分離膜モジュール２の差圧を測定し、必要に応じて、配管気体供給制御バルブ１５を調整することができる。
【００８７】
図２は、本発明で用いられる分離膜モジュールの好ましい一態様を側面から見た図である。
【００８８】
分離膜モジュール２は分離膜カートリッジ３０と筒状ケース４０を備え、分離膜カートリッジ３０は筒状ケース４０と接着固定されない状態で筒状ケース４０内に収められて用いられる。筒状ケース４０には液体の出入り口となる通液口４１が２つ備えられ、それぞれの外側にキャップ４３が配されている。キャップ４３はそれぞれ貫通孔を有しており、１つが１次側の通液口として使用され、もう１つが、２次側の通液口として用いられる。さらに、１次側と２次側が気密かつ液密に封止されるためにシール部材４４が配されている。
【００８９】
図３は、本発明で用いられる中空糸膜モジュールの別の一態様を示した図である。
【００９０】
分離膜カートリッジ３０は、筒状ケース４０内に設けられた筒状ケース内段差４２において、筒状ケース４０内に懸垂するように保持されている。さらに、筒状ケース４０の上部には、分離膜カートリッジ３０に鉛直上向きに力がかかっても分離膜カートリッジ３０が保持されるように、キャップ４３を設けている。キャップ４３の上部には貫通孔が備えられており、これが２次側の通液口として用いられる。なお、筒状ケース４０の下部にも通液口４１を設けたキャップ４３が配されており、これが１次側の通液口として用いられる。
【００９１】
図４は、本発明で用いられる中空糸膜モジュールのさらに別の一態様を示した図である。図４ａ）は分離膜カートリッジ３０が筒状ケース４０に保持された状態を側面から見た図であり、図４ｂ）は分離膜カートリッジ３０を保持するためのストッパー４５の一態様を上面から見た図であり、図４ｃ）は分離膜カートリッジ３０にストッパー４５が嵌合した状態を、分離膜カートリッジ３０の軸に沿って切ったときの断面図である。
【００９２】
分離膜カートリッジ３０の全長は筒状ケース４０よりも長く、分離膜カートリッジ３０を筒状ケース４０に収めた際に、分離膜カートリッジ３０が筒状ケース４０よりも外に出る。分離膜カートリッジ３０にストッパー４５を装着することで、分離膜カートリッジ３０が保持される。分離膜カートリッジ３０にはストッパー４５を保持するための機構、たとえば溝などが設けられている。ストッパー４５よりもさらに外側には、図３に示された中空糸膜モジュールと同様に、通液口４１を設けたキャップ４３が配されてもよい。
【００９３】
図５は、本発明で用いられる中空糸膜カートリッジの好ましい一態様を示した図である。図５ａ）は中空糸膜カートリッジ３０ａを、開口端面３３から見た図であり、図２ｂ）は中空糸膜カートリッジ３０ａを側面から見た図である。
【００９４】
中空糸膜カートリッジ３０ａは、多数本の中空糸膜３１が集束部材３２により集束固定されてなる。また、少なくとも一方の端部において、集束部材の端面が開口端面３３となっている。
【００９５】
図６は、本発明で用いられる中空糸膜カートリッジの別の一態様を側面から見た図である。
【００９６】
中空糸膜カートリッジ３０ａは、多数本の中空糸膜３１が集束部材３２により集束固定されてなる。また、一方の端部において、集束部材３２の端面が開口端面３３となっており、他方の端部は封止された中空糸膜閉塞部３４となっている。
【００９７】
中空糸膜閉塞部３４は、図６のように中空糸膜３１がＵ字になるように曲げられている状態でもよく、中空糸膜集束部材３２により複数本の中空糸膜３１の端面が埋没するようにした状態のものでもよい。
【００９８】
図７は、本発明で用いられる整流筒の一態様を示した図である。
【００９９】
図７ａ）は整流筒５０の壁面に複数の整流孔５１が設けられ、整流筒５０の内壁に複数の整流孔５１どうしを連結するように１本以上の内壁溝５２が設けられている。また、図７ｂ）は整流筒５０の壁面に複数の整流溝５３が設けられている。なお、整流筒５０が筒状ケースに収められる場合は、図７ａ）、図７ｂ）どちらの場合でも、図中Ａの軸方向外周に、筒状ケース側面の通液口が位置するように配されることが好ましい。
【０１００】
図８は、本発明で用いられる中空糸膜モジュールのさらに別の一態様を示した図である。
【０１０１】
筒状ケース４０の中には、中空糸膜カートリッジ３０ａおよび整流筒５０が収められている。整流筒５０は筒状ケース４０内の筒状ケース内段差４２ｂにて保持され、かつその上に中空糸膜カートリッジ３０が配されるため、より強固に保持される。筒状ケース４０側面に設けられた通液口４１と整流筒５０の位置関係は、整流筒５０の図６Ａで示される箇所の外側に、筒状ケース側面の通液口４１が位置するものとする。中空糸膜カートリッジ３０ａは、同様に筒状ケース４０内の、筒状ケース内段差４２aにて懸垂、保持される。２つの筒状ケース内段差４２ａ、４２ｂは、中空糸膜カートリッジ３０ａを保持するための筒状ケース内段差４２ａのほうがより筒状ケース４０の開口部に近いほうに位置するよう配される。
【０１０２】
筒状ケース４０の上下には、通液口４１を設けたキャップ４３がそれぞれ配される。キャップ４３と中空糸膜カートリッジ３０ａの開口端面３３の間には、シール部材４４が配され、１次側と２次側の間を気密かつ液密に封止している。キャップ４３または中空糸膜カートリッジ３０ａの開口端面３３のいずれかには、シール部材４４がずれにくいように溝などの機構が設けられていても良い。
【０１０３】
このようにして組み立てられた中空糸膜モジュール２は、２箇所の通液口４１ａにおいてそれぞれ発酵槽１と連通するように接続され、通液口４１ｂにおいて濾過ポンプ１１や逆洗ポンプ１３などに連通するよう接続されて用いられる。
【実施例】
【０１０４】
（実施例１）加圧式ポリフッ化ビニリデン中空糸膜モジュール（ＨＦＵ２０２０  東レ製）を解体し、中空糸膜束から接着固定されていない部分のみを切り出し、ポリフッ化ビニリデン中空糸膜を分離膜として得たのち、これを長さが９００ｍｍになるように切り揃えた。内径φ１００ｍｍの円筒状容器の中に集束部材として用いるポリウレタン樹脂、ＳＡ−７０６８Ａ（サンユレック製）６４質量とＳＡ−７０６８Ｂ（サンユレック製）１００質量を混合、脱泡させたものを流し込み、束状中空糸膜の片端を入れたのちに硬化させて集束部材を形成した。同様にして、内径φ９０ｍｍの円筒状容器を用いて中空糸膜のもう一端も集束させたのち、φ１００ｍｍの集束部材のみスライスして開口させ、中空糸膜カートリッジを得た。
【０１０５】
これを、内径φ１０５ｍｍ、長さ１０００ｍｍのポリスルホン製筒状ケース内に収めて、カートリッジ式中空糸膜モジュールとした。なお、筒状ケース内には段差が設けられ、段差を境にして筒状ケースの内径はφ９５ｍｍとなっている。筒状ケースの上下にはそれぞれキャップを配し、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）製のＯ−リング２本を、中空糸膜カートリッジ閉塞部材の端面とキャップとの間に配することで１次側と２次側が気密かつ液密になるように封止した。
【０１０６】
この中空糸膜モジュールの通液口を１次側、２次側をすべて蒸気が漏れないように封止したのち、１次側を１箇所だけ開放して蒸気供給源を漏れがない様に接続し、１２１℃の飽和水蒸気を２０分間、モジュール内に供給して蒸気滅菌処理を行った。滅菌処理後は室温まで自然冷却させ、再度１２１℃、２０分蒸気滅菌処理を行う耐久性試験を実施した。１２１℃、２０分の蒸気滅菌処理を１５サイクル実施する（累計処理時間が５時間となる）ごとに、カートリッジ式中空糸膜モジュールの通液口から１００ｋＰａの圧縮空気を導入し、エアリークがないかどうかを確認した。
【０１０７】
このカートリッジ式中空糸膜モジュールは、１５０サイクル（累計処理時間５０時間）の蒸気滅菌処理を行ってもエアリークがないことを確認した。
【０１０８】
（実施例２）実施例１と同様の方法で中空糸膜を得たのち、長さが１８００ｍｍになるように切り揃えた。実施例１と同様に、内径φ１００ｍｍの円筒状容器内にポリウレタン樹脂を流し込み、Ｕ字型になるように折り曲げた中空糸膜の開口端を入れて硬化させ、集束部材を形成した。その後、集束部材をスライスして開口させて中空糸膜カートリッジを得た。
【０１０９】
これを実施例１と同じポリスルホン製筒状ケースに収め、筒状ケース上下にそれぞれキャップを配し、中空糸膜カートリッジの開口端面とキャップの間にＥＰＤＭ製のＯ−リング１本を配してカートリッジ式モジュールとした。その後、実施例１と同様の方法で繰り返し蒸気滅菌処理を行い、エアリークがないかどうかを確認した。
【０１１０】
このカートリッジ式中空糸は、１５０サイクルの蒸気滅菌処理を行ってもエアリークがないことを確認した。
【０１１１】
（比較例１）実施例１と同様の方法で中空糸膜を得たのち、長さが１１００ｍｍになるように切り揃えた。これを実施例１と同じ筒状ケース内に収め、集束部材に用いたポリウレタン樹脂と同じものを用いて筒状ケースに接着させた。その後、筒状ケース端面でスライスし、筒状ケース上下にそれぞれキャップを配して中空糸膜モジュールとした。さらに、実施例１と同様の方法で繰り返し蒸気滅菌処理を行い、エアリークがないかどうかを確認した。
【０１１２】
この中空糸膜モジュールは、４５サイクル（累計処理時間１５時間）の蒸気滅菌処理まではエアリークがないことを確認したが、６０サイクル（累計処理時間２０時間）の蒸気滅菌処理後に筒状ケースと集束部材の間からエアリークが発生した。
【０１１３】
実施例１および２で作製したモジュールを、図１中の分離膜モジュール２として用いて、図１の連続発酵装置および表１に示す組成の乳酸発酵培地を用い、Ｄ−乳酸の製造を行った。分離膜モジュール２は、発酵槽１と接続し、使用前に１２１℃、２０分飽和水蒸気と接触させて蒸気滅菌をした。
【０１１４】
運転条件は以下のとおりであった。
発酵槽容量:20(L)
発酵槽有効容積:15(L)
温度調整:37(℃)
発酵槽通気量:窒素ガス2(L/min)
発酵槽攪拌速度:600(rpm)
pH調整:3N Ｃａ(ＯＨ)2によりpH6に調整
乳酸発酵培地供給:発酵槽液量が約15Lで一定になる様に制御して添加
発酵培養液循環装置による循環液量:20(L/min)
膜濾過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
間欠的な濾過処理：濾過処理(9分間)〜濾過停止処理(1分間)の周期運転
膜濾過流束：0.01(m/day)以上5（m/day）以下の範囲で膜間差圧が20kPa以下となる様に可変。膜間差圧が範囲を超えて上昇し続けた場合は、連続発酵を終了した。
【０１１５】
微生物としてSporolactobacillus laevolacticus  JCM2513（SL株）を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、下記に示したHPLCを用いて以下の条件下で行った。
【０１１６】
【表１】
2012161288.tif 000003
【０１１７】
カラム：Shim-Pack SPR-H（島津社製）
移動相：5 mM  p-トルエンスルホン酸（0.8 mL/min）
反応相：5 mM  p-トルエンスルホン酸、20 mM  ビストリス、0.1 mM  EDTA・2Na（0.8 mL/min）
検出方法：電気伝導度
カラム温度：45℃
なお、乳酸の光学純度の分析は、以下の条件下で行った。
カラム：TSK-gel Enantio L1（東ソー社製）
移動相 ：1 mM 硫酸銅水溶液
流束：1.0 mL/分
検出方法 ：UV 254 nm
温度 ：30℃
L-乳酸の光学純度は、次式（ｉ）で計算される。
光学純度（％）＝100×（L-D）／（D＋L）  ・・・（ｉ）
また、D-乳酸の光学純度は、次式（ｉｉ）で計算される。
光学純度（％）＝100×（D-L）／（D＋L）  ・・・（ｉｉ）
ここで、LはL-乳酸の濃度を表し、DはD-乳酸の濃度を表す。
【０１１８】
培養は、まずSL株を試験管で5mLの乳酸発酵培地で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容坂口フラスコで24時間、30℃で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図１に示す連続発酵装置の1.5Lの発酵槽１に培地を入れて植菌し、発酵槽１を付属の攪拌機４によって攪拌し、発酵槽１の通気量の調整、温度調整、pH調整を行い、発酵培養液循環ポンプ８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８を稼働させ、前培養時の運転条件に加え、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、定量濾過ポンプ１１により濾過量が発酵培地供給流量と同一となるように制御した。適宜、膜透過発酵培養液中の生産されたＤ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。
【０１１９】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。
【０１２０】
【表２】
2012161288.tif 000004
【０１２１】
実施例１により得られたモジュールを用いた場合、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を５５０時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は５．３[g/L/hr]であった。
【０１２２】
また、実施例２により得られたモジュールを用いた場合は、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を５５０時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は５．５[g/L/hr]であった。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明の分離膜モジュールを用いれば、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し、かつ滅菌処理可能な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。
【符号の説明】
【０１２４】
１  発酵槽
２  分離膜モジュール
３  温度制御装置
４  攪拌装置
５  ｐＨセンサー・制御装置
６  レベルセンサー・制御装置
７  差圧センサー
８  循環ポンプ
９  培地供給ポンプ
１０  中和剤供給ポンプ
１１  濾過ポンプ
１２  濾過バルブ
１３  逆洗ポンプ
１４  逆洗バルブ
１５  配管気体供給制御バルブ
１６  配管スクラビング気体供給装置
１７  発酵培養槽気体供給装置
１８  発酵培養槽圧力調整バルブ
１９  発酵培養槽圧力計
３０  分離膜カートリッジ
３０ａ  中空糸膜カートリッジ
３１  中空糸膜
３２  集束部材
３３  開口端面
３４  中空糸膜閉塞部
４０  筒状ケース
４１  通液口
４１ａ  通液口（１次側・発酵培養液）
４１ｂ  通液口（２次側・濾液）
４２  筒状ケース内段差
４２ａ  筒状ケース内段差
４２ｂ  筒状ケース内段差
４３  キャップ
４４  シール部材
４５  ストッパー
５０  整流筒
５１  整流孔
５２  内壁溝
５３  整流溝
【図１】
2012161288.tif 000005
【図２】
2012161288.tif 000006
【図３】
2012161288.tif 000007
【図４】
2012161288.tif 000008
【図５】
2012161288.tif 000009
【図６】
2012161288.tif 000010
【図７】
2012161288.tif 000011
【図８】
2012161288.tif 000012