1章

第培養システム
本章で述べる培養システムとは微生物や動植物細胞などの生物細胞を培養するために必要な培地と培養 装 置 並 び に 培 養 操 作 を 指 す。培 養 は 固 体 培 養（solid culture）と液体培養（liquid culture）に大別される。固体培養には微生物の分離のための寒天平板培養、植物のカルス培養といった研究目的で用いられるもののほか、醸造工業で行われる麹菌の培養などがあげられるが、効率的な工業生産を可能にしたタンク培養においては液体培養が採用されている。本章では液体培養を前提とした培養槽や試験装置並びに培養操作について言及する。

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生物細胞の培養に必要な栄養源を基質（substrate）、これらを含む溶CO２のみ液を培地（culture medium）といい、培養システムを構成する最も重要な要素である。培地の栄養源は通常、炭素源、窒素源、ミネラルの３種類に大別されるが、これらの培地組成は培養対象とする生物種やその培養目的によって設計される。

エネルギー源

栄養獲得形式

炭素源

光化合物の酸化

化学合成独立栄養生物
光合成独立栄養生物（chemo autotroph）（photo autotroph）
緑色植物、イオウ細菌、 硝化菌、鉄細菌、イオウ酸化菌、メタン菌
藍藻、一般藻類

光合成従属栄養生物（photo heterotroph）
有機炭素 紅色イオウ細菌第１章 培養システム

表１―１ 栄養獲得形式による生物分類

1―1 培地化学合成従属栄養生物（chemo heterotroph）
動 物、菌 類（カ ビ、酵 母）、放線菌
一般細菌類（大腸菌、枯草菌等）（1）炭素源
炭素源はどのような細胞を培養する場合においても最も重要な栄養源（2）エネルギー源である。炭素源は炭酸塩などの無機炭素源とグルコースなどの有機炭素炭素源という考え方とは別に、エネルギー源という考え方がある。炭源に大別される。無機炭素源は植物細胞、一般藻類、藍藻、光合成細素源が代謝中間体を経て細胞構成成分に同化（anabolism）されるため注１）には同化に必要なエネルギー（ATP）を生成するための代謝すなわち異菌、硝化細菌などの独立栄養生物（autotroph）を培養する場合に用いられ、これ以外の大半を占める従属栄養生物

注１）（heterotroph）を培。
養する場合は有機炭素源が用いられる（表１―１）化（catabolism）を必要とする。この異化の過程に必要なエネルギー源を何に求めるかによって、生物は２つに大別される。そのひとつはエ

無機炭素源として用いられるもの：CO２、NaHCO３、Na２CO３等、もうひとつはエ
ネルギー源を光に求める光合成生物注３）（phototroph）

有機炭素源として用いられるもの：主としてグルコースなどの単糖類ネルギー源を種々の化合物の酸化反応に求める化学栄養生物注３）（che-が一般に使用される。（カビなどではデンプンを用いることが多く、細菌ではグルコース以外にペプトン
酸注２）、トリプトンmotroph）である。

注２）

、カザミノ

注２）

等の有機窒素を含有する炭素源を用いることが多い。
）（3）窒素源
窒素源は炭素源に次いで重要な栄養源で、アンモニウム塩、硝酸塩な

注１）独立栄養生物とは炭酸（CO２または炭酸イオン）を唯一の炭素源としてどの無機窒素源とアミノ酸やペプトンなどの有機窒素源に大別される。

生育できる生物と定義される。これに対して、従属栄養生物は炭素源と無機窒素源は独立栄養生物のほか、窒素同化が可能な従属栄養生物の培して有機物を必要とする生物と定義される。

養にも用いられる。一方、窒素同化できない従属栄養生物を培養する場

注２）いずれも牛乳のタンパク質であるカゼインの加水分解物であり、カゼイ

2ンを酵素ペプシンで加水分解したものがペプトン、酵素トリプシンで加注３）光合成生物には緑色植物、イオウ細菌、藍藻などがある。化学栄養生物

水分解したものがトリプトン、塩酸で完全にアミノ酸まで加水分解したには動物とカビ、酵母、放線菌や大腸菌、枯草菌などの大半の細菌が含ものがカザミノ酸である。

まれる。

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（trace elements）と言われ、コバルト（Co）、銅（Cu）、亜鉛（Zn）、ニッケル（Ni）等がある。通常の培養において必要とされる微量元素は（4）ミネラル

ごくわずかであるため、培地の調製に使用する水に地下水または水道水

ミネ ラ ル〈無 機 栄 養 源〉と し て リ ン（P）
、イ オ ウ（S）、カ リ ウ ム（K）
、カルシウム（Ca）、マグネシウム（Mg）、鉄（Fe）、ナ ト リ ウ ムを使用することによってこれらを十分賄うことができる。特殊な目的の培養を除き、蒸留水は使用しない。

第１章 培養システム

合、有機窒素源としてペプトン、トリプトン、カザミノ酸等を用いる。

（Na）が必要である。リン（P）は主としてリン脂質や核酸の構成元素であり、通常、リン酸塩（PO４３−）として培地に供給される。イオウ（S）はメチオニンやシステイン等の含硫アミノ酸の構成元素で、硫酸２−４塩（SO）として培地中に供給されることが多い。カリウム（K）、カ（5）生育因子
微生物によっては炭素源や窒素源を十分に与えても生育できないものが存在する。これは代謝に必要な特定の酵素反応に介在する補酵素や補growth factor という）をルシウム（Ca）、マグネシウム（Mg）はいずれも解糖系や TCA 回路に欠分子族を構成する有機化合物（生育因子おける酵素反応での賦活剤（activator）として必要である。鉄（Fe）は自ら合成できないためである。このような場合、あらかじめ培地に酵母好気性生物における呼吸鎖酵素シトクロームの電子伝達を担う。また、エキスのような生育因子含有物質を少量添加する必要がある。酵母エキ−ナトリウム（Na）は塩素イオン（Cl ）とともに細胞の浸透圧調整を担

スはあらゆる生育因子とともに蛋白質や炭水化物を含有する。また、特う主要 な 元 素 で あ る。こ れ ら 以 外 に 必 要 と さ れ る 元 素 は 微 量 元 素に生育因子を要求しない微生物を最少培地などで培養する場合であっても、酵母エキスを少量添加することにより増殖が著しく良くなることがポイント：最少培地と複合培地多い。

アンモニウム塩などの無機窒素源とグルコースのような炭素源が使用される最少培地では、グルコースはエネルギー（ATP）を生産する異化の過程において各種の代謝中間体を経て細胞構成成分に同化されると同時に、乳酸やエタノールなどの発酵生産物や CO２等の異化代謝生産物となって、細胞外に排出される。このように、最少培地においてグル

1―2 微生物の生育に影響を与える他の因子……………………………………………………………………

コースは炭素源であると共にエネルギー源でもある。
一方、グルコースをエネルギー源だけに使用させることを目的として培地以外に細胞の増殖に影響を及ぼす因子として温度、pH、酸素濃設計される複合培地の考え方がある。複合培地ではグルコースのほかに度、酸化還元電位、水分、浸透圧などがある（図１―１）。これらの影響のペプトンのような有機窒素源を使用する。この場合、グルコースはエネルギー（ATP）を生産する異化（分解代謝）のみに優先して使用され、ペプトンは各種アミノ酸に分解された後、主としてタンパク合成等の同化（構成代謝）のみに使用される。

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度合いは細胞種によって異なるが、特に微生物についてはさまざまな傾向を有するものが多い。以下、種々の微生物の生育に及ぼす諸因子の一般的傾向について叙述する。

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適度なpH

適度な温度（3）酸素濃度利用できる水分量

微生物の生育適度な酸素濃度

微生物はその生育に及ぼす酸素の影響により分類される。酸素がないと生育できないもの（絶対好気性菌 aerobe）、酸素の有無にかかわらず

図１―１ 微生物の生育に影響を与える因子

生育できるもの（通性嫌気性菌 facultative

第１章 培養システム

pH１３で生育するものまで知られている。

培地組成anaerobe）、酸素が存在すると生育できないもの（偏性嫌気性菌 anaerobe）の３種類に大別され（1）温度ることが多い（表1―3）。

個々の微生物は自己の生育に最も適した温度（最適温度 optimum

絶対好気性菌は主として酸素呼吸または好気的発酵（たとえば酢酸発temperature）があり、それより高くなっても低くなっても増殖活性酵）などによりエネルギーを獲得するが、偏性嫌気性菌は主として固有（比増殖速度）が低下する。微生物はその最適温度により表１―２のようなの嫌気的発酵経路を通じてエネルギーを獲得する。また、通性嫌気性菌

３群に分けられる。自然界に分布する微生物の多くは中温菌に属する。

は酸素の存在下では酸素呼吸を行い、酸素の不在下では嫌気的発酵によ

表１―２ 微生物の最適温度による分類
微生物群

最適温度（℃）

例

低温菌

１０〜２０

Pseudomonas、Vibrio etc の細菌

中温菌

２０〜４０

多くの細菌、放線菌、酵母、カビ

高温菌

４０〜６０

Bacillus 属、Clostridium 属の細菌
高温メタン生成菌 etc

りエネルギーを獲得するが、酸素呼吸の方がエネルギー効率が高いため増殖活性が高い場合が多い。
菌体中（真核生物ではミトコンドリア、細菌などの原核生物では細胞膜）で酸素呼吸が行われる際、最終的に還元されて水 H２O となるまでに、HO２や H２O２といった有毒な中間体を形成するが、これらはスーパーオキシドジスムターゼとカタラーゼによって無毒化される。絶対好気性菌や通性嫌気性菌はこれらの酵素を有しているが、偏性嫌気性菌は有し（2）pHていないため、これらの生成が致死的に作用する。

pH は微生物の増殖ばかりでなく、代謝生産物の種類や量にも重要な影響を及ぼす。

表１―３ 微生物の酸素要求性による分類
微生物群

酸素に対する性質

例

絶対好気性菌

酸素がないと生育しない

大半のカビ、産膜酵母、酢酸菌、
Bacillus 属、Pseudomonas 属
放線菌 etc

通性嫌気性菌

酸素の有無にかかわらず生育する

大半の酵母、乳酸菌、大腸菌 etc

偏性嫌気性菌酸素があると生育しない

Clostridium 属、メタン生成菌 etc

微生物の増殖可能な pH は比較的広く、一般に、細菌や放線菌では pH５〜９（最適 pH ７〜８）、酵母やカビは pH１．
５〜９（最適 pH ４〜６）である。すなわち、細菌や放線菌は中性から弱アルカリ性、酵母とカビは弱酸性に最適 pH を有するものが多い。
しかし、イオウ細菌（Thiobacillusthioxidans）のように pH０．
５〜１で生育するものから、硝化細菌（Nitrobactor、Nitrosomonas）のように

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