(57)【要約】【課題】高生産速度での大規模な連続膜発酵生産を効率的に実施可能な、有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクターを提供すること。【解決手段】メンブレンバイオリアクター容積あたりの有効膜面積が５ｍ２／ｍ３以上４０ｍ２／ｍ３以下である回転平膜を浸漬した有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクター。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブレンバイオリアクター容積あたりの有効膜面積が５ｍ２／ｍ３以上４０ｍ２／ｍ３以下である回転平膜を浸漬した有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細菌や酵母、カビ、放線菌などの微生物を用いた有価物の生産方法に関する。さらに詳しくは、これらの微生物をメンブレンバイオリアクターを用いて細胞を保持／還流しながら連続培養することにより有価物を生産する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発酵生産の速度を飛躍的に向上させることが可能な技術として、連続発酵法において、微生物や培養細胞などの細胞を分離膜でろ過し、膜透過液から生産物を回収すると同時にろ過された細胞を培養液に保持または還流させ、培養液中の細胞濃度を高濃度化させ運転を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。これらメンブレンバイオリアクターには、膜分離部を発酵槽外に設け液を循環させろ過を行う方式（外部循環方式）と、膜を発酵槽内に浸漬し単一槽でろ過を行う方式（浸漬方式）とがある。従来、小スケールかつ高価な有価物の生産を行う際は、専ら中空糸膜等を用いた外部循環方式が採用されてきたが、バイオリファイナリーにおける汎用的な化成品の生産を視野にいれた場合、生産コストをより低く抑える必要が高くなるため、設備が簡素化・小型化でき、また、液循環ポンプの動力も不要で運転コストが低減可能な浸漬方式が有利と考えられる。特に発酵槽、配管、ポンプなどの生産設備はサニタリー仕様のため極めて高価であり、生産コストに占める償却費の割合も大きく、また、循環液を中空糸膜モジュール等に流すことによる圧力損失も大きく多大な動力を必要とするため、浸漬方式が有利と考えられる。
【０００３】
ここで、平膜や中空糸膜などを浸漬した通常の浸漬方式のメンブレンバイオリアクターを用いて、発酵生産を、反応速度の高速化／ろ過水量増加によって更に効率的なものにしようとすると、発酵槽への膜エレメントの充填率、膜面洗浄力を向上させる必要が生じる。微生物を膜で分離する場合、膜面に微生物が付着することによりろ過速度が低下するため、膜面にせん断力を加え、微生物を除去しながら膜分離をすることが行われているが、多くの面積の平膜や中空糸膜を発酵槽内に浸漬すると、膜エレメントへの膜面洗浄目的の水流付与が困難になり、膜設備全体としての透水性向上にはつながらないという課題がある。
【０００４】
一方で、膜面積は変えずに、プロペラ等でより強い水流を付与してろ過速度を高くする方法では、多量の液を膜面に循環しなければならず、循環させるためには大きな動力が必要となる他、発酵液全体の液混合も激しくなり、微生物にストレスとなって死細胞、細胞壁多糖、タンパク質、泡成分などが生じ、発酵液のろ過性や不純物濃度の悪化促進につながり、長期間の連続発酵が困難となる事態に陥る。
【０００５】
この欠点を解消する可能性のある有望なろ過分離技術として、膜面に微生物懸濁液を流すのではなく、液中で膜を回転させることによって膜面に対して微生物懸濁液の流速を相対的に発生させ、膜面に剪断力を与えて微生物を膜面から除去することによりろ過速度を速くする回転平膜型の膜分離装置が、廃水処理の分野において提案されている（特許文献４）。この装置は、回転平膜を回転することによって膜面に効率良く剪断力と遠心力を与えることができ、微生物を除去できるので、ろ過速度を増加することができ、回転平膜の回転速度をかえることで、ろ過速度を増加させることが可能であり優れた技術ではあるが、不要物の分解を目的とする廃水処理と異なり、有価物の生産を目的とする発酵分野においては、発酵による生産速度および原料である培地の供給速度とリアクターの容積には好適な範囲があり、高生産速度での連続膜発酵において、最適なバイオリアクター容積あたりの有効膜面積等に関する技術は開示されていなかった。特に、発酵生産においては、せん断ストレスに弱い微生物や液の粘度が高い発酵液が存在するが、公知技術のように回転速度を上げるだけでこれら膜連続発酵を高生産速度で行うことは、発酵液のろ過性や不純物濃度の悪化促進につながり、長期間の連続発酵が困難となる事態に陥るという課題があった。
【特許文献１】特公平６−６９３６７号公報
【特許文献２】特開昭６１−１９９７９３号公報
【特許文献３】特開昭６１−２５４１８４号公報
【特許文献４】特開昭６２−９７６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、従来の有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクターでは、バイオリファイナリーにおける汎用的な化成品の生産を大規模で実施する場合に好適に採用できる装置がなかった。本発明の目的は、高生産速度（例えば５ＳＴＹ：Ｓｐａｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｙｉｅｌｄ以上）での大規模な連続膜発酵生産を膜面積過剰でも動力過剰でもなく効率的に実現可能な、有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
【０００８】
メンブレンバイオリアクター容積あたりの有効膜面積が５ｍ２／ｍ３以上４０ｍ２／ｍ３以下である回転平膜を浸漬した有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクター。
【発明の効果】
【０００９】
高生産速度、高ろ過速度での有機酸生産の連続膜発酵生産が効率よく安定的に実現可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、本発明の有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクターの概念図を示すが、形状、構成、配置等は、この図により限定されるものではない。
【００１１】
有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクターは、培地３を微生物で発酵するバイオリアクター１と、発酵液を精密ろ過または限外ろ過する微生物分離用の回転平膜２とを有している。回転平膜２は、バイオリアクター１の内部に配置されており、回転平膜２の一部には、外周に発酵液混合翼６が取り付けられている。また、バイオリアクター１の内部には、邪魔板５が設けられている。回転平膜２でろ過した膜透過液は、集水管を兼ねた中空回転軸４を通じてバイオリアクター外に吸引ポンプの駆動力により排出される。バイオリアクター１には、必要に応じて酸素供給手段やｐＨ、ＤＯ、ＯＲＰセンサーなどの計測機器、サンプリング目的などに発酵液を抜き出す手段が具備される（図示していない）。
【００１２】
このとき、鋭意研究した結果、回転平膜をバイオリアクター容積あたり１０ｍ２／ｍ３以上の有効膜面積収容したメンブレンバイオリアクターが、動力、膜面積に付随するコストが少なく、運転安定性に優れた有価物連続発酵生産用メンブレンバイオリアクターの形態であることを見出した。
【００１３】
ここで、回転平膜とは、膜透過水の流路を形成する中空回転軸に所定の間隔をおいて複数枚設置されるとともに中空回転軸と一体となって回転する微生物ろ過機能を備えた平板に固定された平膜を指す。平板／平膜の形状は、特に限定されるものではなく、円形、正六角形、多角形、扇形、台形などが挙げられるが、バイオリアクターとしては円筒形状のものを用い、バイオリアクターの中心に中空回転軸を配し、円形の回転平膜を設けた場合にメンブレンバイオリアクターとしてのろ過性能が最大となり、好ましい形態の一例として挙げられる。
【００１４】
バイオリアクターに収容する回転平膜の有効面積は、少な過ぎるととバイオリアクター内部に無駄スペースができ、設備費増となること、多すぎると膜コストが増大し不利になることから５ｍ２／ｍ３以上４０ｍ２／ｍ３以下、より好ましくは１２ｍ２／ｍ３以上３０ｍ２／ｍ３以下、更に好ましくは１５ｍ２／ｍ３以上２５ｍ２／ｍ３以下である。
【００１５】
回転平膜の間には、液の共周り防止する目的で、邪魔板を挿入してもよい。
【００１６】
回転平膜、または、回転平膜の回転軸に連結され、回転平膜と同一角速度で回転する発酵液混合翼をそなえることで、バイオリアクター内の液混合を促進してもよい。
【００１７】
回転平膜の回転速度は、発酵液のろ過性、微生物の濃度、運転時間などに応じて、所定のフラックスを得るのに必要な量とすればよい。また、膜間差圧を測定し、膜間差圧が所定の値以下に保たれるよう、回転速度を制御しろ過を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のメンブレンバイオリアクターの概念図を示す。
【符号の説明】
【００１９】
１：バイオリアクター
２：回転平膜
３：培地
４：中空回転軸
５：邪魔板
６：発酵液混合翼
【図１】
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