JPH02163073A - チューブラーバイオリアクターの原料供給制御法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、多孔性膜と反応槽を一体化した管状（チュー
ブラ−）バイオリアクターに対１−る原料供給法に関′
４る。特に、反応と分離操作を連続的に行なうことので
きる高効率の新規な構造のチューノラーバイオリアクタ
ーに原料を供給する方法に関する。

［従来の技術］ 従来、微生物、酵素などの生体触媒を用いた反応は、連
続的に行なうことは困難であり、］ニ業的には、殆ど行
なわれなかった。これは、生体触媒が微生物の場合は微
生物濃度のコントロールが難しいこと、生体触媒が酵素
の場合は高価な酵素の回収、再利用が難しいことなどの
理由による。

また、懸Ｗ４重合反応への適用を主目的としたループ型
リアクターの研究例があるが、これは、回分反応装置で
ある七に、開放系であり反応中には分離操作を行なわな
い、従って、反応と分離を同時に行なう密閉式のループ
型連続反応装置であるブユーブラーパイオリアクターに
は、該当する従来技術は見当らない。

従来のメンプシン・バイオリアクターの一例として、第
３図及び第４図に示すような発酵槽と膜分離装置とを接
続した型のメンブレン・バイオリアクターを説明する。

第３図と第４図では共通の部材は同し番号で示す０発酵
槽１より循環ポンプ２にて発酵液をメンブレンモジュー
ル４に導き濾過し、保持液は再び発酵槽１に戻す、膜透
過液は透過液配管１０より排出される。メンブレン４０
人口圧力及び出１１圧力を各々圧力計３及び圧力計５で
測定し、濾過操作条件は、循環ポンプ２の吐出低調節及
び圧力調節バルブ６の操作により設定する。この場合の
原料供給制御法は、次の通りである。第３図の場合は、
流量測定装置１１による透過液（ｉｔ　澗定値を基に、
コンピュータ１３により流量調節バルブ１２を作動さけ
て、透過液流量を設定値となるように制御する。一方、
発酵槽１に取付けたレベルヒンサー７により液面レベル
を感知し、レベルコント目−ラ８の指示で原料供給ポン
プを間欠的に作動させ、発酵槽内の液量を−・定に維持
する。第４図の場合は、原料供給ポンプ９を一定ｆＮｉ
に、そしてレベルコンｌ’ｌ−ラ８の指示で透過液バル
ブ１４を開閉して発酵槽内の液量を一定に維持する。

［発明が解決しようとす゛る問題点］ 本発明は、特願昭６２−１４６２４５諺に示したチュー
ブラ−バイオリアクターの原料供給を制御する改良法を
提供する。即ち、管状路で閉ループを構成し、その管状
路に多孔質管状膜を挿設し、閉ループ中に原料、生体触
媒を混合液体で供給し、同ループ中を循環させて反応さ
せ、管状膜を透過した生産物を取り出すようにしたチュ
ーブラバイオリアクターの原料供給のための改良制御法
を提供するものである０本発明は、密閉系のチューブラ
−バイオリアクターにおいて、リアクタター内が異常高
圧或いは異常低圧にならないようにし、ポンプのキャビ
テーションを引き起こさないような原料供給制御法を提
供することを目的とする。従って、本発明は、反応生成
物の流出量即ち、膜透過液量と、原料供給量とを常にバ
ランスさせることができるチューブラ−バイオリアクタ
ーへの原料供給法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 前記のような目的の原料供給制御ができるように、本発
明の要旨とするものは、管状路で閉ループを構成し、そ
の管状路に多孔質管状膜を挿設し、その管状膜を透過し
た生産物を取り出す生産物取出し口と、原料供給口とを
備え、その閉ループ中に、原料、生体触媒、生産物を含
む混合液を循環せしめる循環装置を備え、流動化生体触
媒により流体中において生体触媒反応により有用物質を
生産４゛るバイオリアクターにおいて、（Ａ）原料供給
口を、原料の自動吸引を行なうリアクタ主循環配管の該
循環装置の吸引側に設け、（Ｂ）膜透過液側配管に、流
量を任意に調整する流量調節パルプを取付け、膜透過液
流量を制御するようにしたチューブラ−バイオリアクタ
ーの原料供給制御法であり、更に、（Ｃ）膜透過液側配
管に、流量測定装置を設け、（Ｄ）所定希釈率になるよ
うに、チューブラ−バイオリアクター有効容積に基づい
て原料供給量を設定し、その設定瞳となるように膜透過
流量を制御することにより、チューブラ−バイオリアク
ターの原料供給を制御する方法である。

また、チューブラ−バイオリアクター内の圧力を高め、
膜透過速度を上げるように、原料供給路に加圧ガス又は
加圧用ポンプを設けることにより、チューブラ−バイオ
リアクターの原料供給を制御することが好適である。

一般に、生体触媒反応においては、培地中の基質となる
物質の濃度が飽和値以下の場合、反応速度は基質濃度に
依存し、飽和値以上の場合は、基質ｆｉ度に関係なく一
定の値をとる。従って、連続反応系においては、基質供
給速度が小さいと反応速度は小さくなり、必要以上に大
きいと余剰の基質が流出するようになる。そのため、チ
ューブラ−バイオリアクターのような連続反応装置では
、反応動車を最大に保持するため、原料の利用効率を最
大に保つため原料供給速度を最適値に設定する必要があ
る。ところが、チューブラ−バイオリアクターでは、多
孔質膜を利用して反応と同時に、生体触媒と反応生成物
を分離する反応装置であるため、反応生成物の流出量は
、膜の透過速度に支配される。従って、原料供給速度を
適切な値に設定するためには、何らかの方法で透過速度
を制御する必要がある。

チューブラ−バイオリアクターは、密閉系であるので、
反応生成物の流出量即ち、透過液流量に比して、原料の
供給量が大きいと、リアクター内は異常高圧状態となり
、逆に小さいと異常低圧によるポンプのキャビチーシコ
ンを引き起こすことになり、従って、透過液量と原料供
給量とを常にバランスをとる必要がある。

［実施例］ 以下、本発明のチューブラ−バイオリアクターの原料供
給制御の構成を第１図により説明する。

チューブラ−バイオリアクターは、循環ポンプ１、メン
ブレンモジュール２〜５、熱交換器６及びそれらを接続
する配管より構成される。

そして、本発明のチューブラ−バイオリアクター（は、
第１図に示すように、更に、圧力センサ７．８、濁度セ
ンサ９、温度センサ１０、ｐＨｔ！ンサ１１、ｐ　Ｈ：
＋シトロ−５１２、薬液ポンプ１３、薬液注入［１１４
、原料供給口１５、原料タンク１６、内圧！Ａ整口１７
、除菌フィルタ１８、圧力調節バルブ１９、除菌フィル
タ２０、加圧用ポンプ２１、流量測定手段２２、温情調
節バルブ２３、コンピュータ２４、コンプレッサ２５及
びガスボンベ２６を有するものである。

メンブレンモジュール２〜５は、必要に応じた本数の内
圧管状型セラミックス製メンブレンを内蔵している０反
応液は、循環ポンプ１により、閉ループ管状路を循環し
、メンブレンモジュール２〜５でクロスフロー濾過を行
ない、反応生成物と生体触媒を分離する。

循環ポンプ１は、反応液の循環とクロスフロー濾過のた
めの加圧及び膜面流速を確保する。圧力センサー７にお
いて、メンブレンモジュール２の入口圧力を、圧力セン
サー８でメンブレンモジュール５の出口圧力を測定し、
運転状態を瞥視する。リアクター内の温度の制御は、温
度センサー１０の測定値に基づいて熱交換器への恒温水
流量を調節することにより行なう、循環ポンプ１の発熱
及び生体触媒反応熱により、リアクター内の温度がヒ昇
するため、循環ポンプ１とメンブレンモジュール２の間
の循環ポンプ１側に、温度センサー１０を、メンブレン
モジュール２側に、熱交換器６を設ける。

また、外気温度の影響を受けないように、チューブラ−
バイオリアクターの閉ループを断熱材で覆ってもよい、
ｐＨは、ｐＨセンサー１１の測定値を基に、ｐＨコント
ローラ１２により、アルカリ又は酸溶液を薬液ポンプ１
３で注入して制御する。溶液注入口１４は、薬液ポンプ
１３の送り液負荷を低減するために、リアクター内の最
も圧力の低い、メンブレンモジュール５と循環ポンプ１
の間に設ける。また、注入されたアルカリ又は酸の溶液
は、完全に混合されるまでに、多少の遅れ時間が生じる
ため、ｐＨセンサー１１は、溶液注入口１４の流れ方向
側に設ける。

温度、圧力、ＰＨ１及び濁度センサー９により測定され
る生体触媒濃度測定値は、コンピュータ２４で蜜視、記
録されるものである。

原料は、ループ内で最も圧力が低く、吸引作用が高くな
るメンブレンモジュール５と循環ポンプ１の間の循環ポ
ンプになるべく近い位置に取付けた原料供給［１１５よ
り、膜透過液量と等しい量だけ、自然に吸引きれるもの
である。原料タンク１６は、雑菌が入り込まないよう密
閉式であり、内圧調整口１７には、除菌フィルタ１８及
び圧力調節バルブ１９を設ける。原料タンク１６には、
滅菌した原料を無菌的に供給する。

原料を、リアクターの許容範囲内で加圧供給することで
、リアクター内の圧力を高め、濾過速度を大きくするこ
とができる。そのため、原料タンク１６に：１ンブレッ
サ２５又はガスボンベ２６等を用いて、加圧したガスを
除菌フィルター２０を介して供給するか、原料タンク１
６と原料供給口１５との間の配管に、加圧用ポンプ２１
を設けることで、加圧に必要な圧力を得ることができる
。

但し、チューブラ−バイオリアクターは、透過液？Ｊｔ
　Ｉｆを一定値に制御しでいるために、加圧ポンプは、
容積式ポンプでは原料供給紙の過不足が生じるため、閉
め切り運転のできる遠心式ポンプを使用する。

膜透過液流敞は、流量計著しくはロードセルなどの流量
測定手段２２を用いて、透過液流量をオンライン測定し
、この測定結果に基づき一１ンビュータ２４により流量
調節バルブ２３をフィードバック制御することで設定値
になるように調節する。尚、透過液流量、透過液積算量
、流量調節バルブ制御電圧は、コンピュータ２４により
苦視、記録されるものである。

［作用］ チューブラ−バイオ臼ノアクターは、密閉系であるので
、透過液流量に比して、原料の供給量が大きいと、チュ
ーブラ−バイオリアクター内は異常な高圧状態となり、
逆に小さいと異常な低圧によるポンプのキャビテーショ
ンを引き起こすことになる。従って、何らかの手段で透
過液ｔＪｔ、獄と原料供給量をバランス許せ、Ｉｔつ操
作変数である希釈率を任意の値に設定できるようにしな
ければならない、ここで、希釈率は、原料供給速度をリ
アクター有効容積で除した値であり、滞留時間の逆数と
なる。リアクターの有効容積は、ブユーブラーバイオリ
アクターの場合、チューブラ−バイ」リアクターの閉ル
ープ管状路に充填される全液量に相当する０反応効率を
最大に維持し、また、反応生成物濃度を一定に維持する
ためには、そのときの反応状態に基づき、希釈率を最適
値に設定する必要がある。

まず、透過液流量と原料供給路を各々単独に制御し、両
者を一致させる方法を考えた。その構成を第２図に示す
。

透過液流量は、流量計若しくはｔｙ−ドヒルなどの流量
測定手段１を用いて、透過液流量をオンライン測定し、
この測定結果に基づき、コンピュータ５により流量調節
バルブ２をフィードバック制御することにより、設定値
となるように調節するものである。

原料供給紙は、流′ＷＣ測定手段３を用いて、透過液流
ｔｉｔをオンライン測定し、この測定結果に基づき、：
コンピュータ５により、原料供給ポンプ４の吐出緘をフ
ィードバック制御して、透過液流量と同じ設定値となる
ように制御する。原料供給口６は、チューブラ−バイオ
リアクターのどの部分に設けてもよいが、原料供給ポン
プ４は、吐出圧が、チューブラ−バイオリアクター運転
圧力よりも高いものを使用する必要がある。

然し乍ら、この方法は、透過液ｆｌＬ量と原料供給量を
厳密に一致させることが非常に困難であり、長時間の運
転中に両者間に誤差が生じる恐れがある６本発明方法は
、チューブラ−バイオリアクターが密閉系であるが故に
、膜透過により内部液が流出［ると、ポンプ・サクショ
ン部分近傍において圧力が低下し、元の圧力状１ｍに復
元しようと作用することを利用するものであり、膜透過
液と同じ量の原料が自動的に供給きれるために、透過液
ｆＩｔ量のみ制御すれば、目的の原料供給速度の設定、
つまり希釈率の設定が可能となる。

第１図において、流量計若しくは【１−ドセルなどの流
量測定手段２２による透過液流殖渭定値に基づき、コン
ピュータ２４により、流壊調節バルブ２３をフィードバ
ック制御することで、透過液流量を設定量になるように
調節するものである。

チューブラ−バイオリアクターを用いた乳酸菌の高密度
連続培養における原料供給速度制御の実験例により、本
発明を以ドに更に説明する。実験に用いたチューブラ−
バイオリアクターは、前記の第１図に示寸−構成のもの
である。

循環ポンプ１は、客積式ロータリーポンプであり、加圧
と循環を兼ねている。従って、加圧用ポンプ２１、フン
ブレッサ２５、ガスボンベ２６、内圧調整パルプ１７、
除菌フィルタ１８、圧力調整パルプ１９の系の加圧に必
要とする各機器は、備えていない、通運液流１ｔｆｉｌ
！定手段２２には、ロードセルを用いた。また、原料供
給量を温室するために、原料タンクにもＩＪ−ドセル２
７を備えた。その他は、第１図の構成のものと同一であ
る。尚、チューブラ−バイオリアクター装置の容積は、
２．６１であった。

［実験例１］ 原料供給速度一定にした場合 希釈率を０．３２（１／ｈ）、即ち、透過液流液の設定
値Ｆｐを前記の［作用］で説明したように。

ロードセルの流量測定手段２２により測定した透過液流
量値に基づき、コンピュータ２４により、流量調節パル
プ２３を、Ｆｐ−０，８３５（ｊ！／ｈ）になるように
、制御した。原料は、原料供給「１１５より、Ｆｐ＝０
．８３２（ｌ／ｈ）に等しい速度でチューブラ−バイオ
リアクターに吸引されるが、吸引速度がＦｐに等しいこ
とを、原料タンクに備えた「１−ド（！ル２７で確認で
きた。

［実験例２］ 原料供給速度を菌体濃度に比　させた場合乳酸菌濃度に
比例して、原料供給する培養する方法で、乳酸菌の培養
を行なった例を示す。

原料供給速度即し、透過液流液ＦｐをＦｐ−ａ・Ｘに設
定する。ここで、ａは比例定数で、Ｘは乳ＮＩ閑濃度で
ある。実験ではａ　−０，０８３２とした。乳酸【々濃
度Ｘを濁度計９で測定し１、−の測定値より計算した透
過液流量値に基づき、コンピュータ２４により流ｈｔ調
節バルブ２３を制御した。

原料供給速度を乳酸菌濃度に比例させる培養を開始する
場合の、菌体濃度をＸ、とすると、このような培養を行
なったときに、開始時からの時間経通をｔ、菌体の比増
殖速度をμと４ると、Ｘ　＝　Ｘ　ｅｅｘｐ（１１ｔ　
＞となる、従って、Ｆｐは、Ｆｐ＝　０．０８３２ｃｘ
ｐ（−μｔ）となる。

この式により、菌体濃度が指数的に増加゛４るため、透
過液流量は、指数的に増加するが、実験例１と同様に、
ロードセル２２による透過液流量と１７−ドセル２７に
よる原料供給量とが一致することが確認された。

［発明の効果］ 本発明によるチューブラ−バイオリアクターに対する原
料供給の制御３５法により、 第１に、膜透過液流量と原料供給量とをバランスさせ、
且つ反応液中の希釈率を任意のレベルに設定できる原料
供給法を提供すること、第２に、反応効率を最大に維持
でき、また、反応生成物濃度を一定に維持できるチュー
ブラ−バイオリアクターへの原料供給法を提供すること
、第３に、膜透過液と同じ量の原料が自動的に供給され
るために、透過液のみを制御すれば、所望の原料供給速
度、即ち、最適の希釈率に設定できる原料供給制御法を
提供できること、 等の顕著な技術的な効果を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のチューブラ−バイオリアクターの原
料供給を制御する構成を模式的に説明する構成図である
。 第２図は、本発明者の従来考えたチューブラバイオリア
クターに原料供給する方法を模式的に説口Ｊ１する構成
図である。 第３図は、従来の連続生体反応装置を説明する概略図で
ある。 第４図は、従来の連続生体反応装置を説明する概略図で
ある。 ［主要部分の符号の説明］ １　、、、、、、、、循環用ポンプ ２〜５　、、、、、、、、メンブレンモジュール６　、
、、、、、、、熱交換器 ７．８　、、、、、、、、圧力センサ ９、ｉ　ｏ　、、、、、、、、温度センサ１　、、、、
、、、、　ｐ　Ｈセンサ ２　、、、、、、、、　ｐ　Ｈフントローラ５　、、、
、、、、、原料供給口 ６　、、、、、、、、原料タンク ７．１９　、、、、、、、、圧力調節バルブ０　、、、
、、、、、＃菌フィルタ １　、、、、、、、、加圧用ポンプ ２　、、、、、、、、ｆｆｌ量測定手段３　、、、、、
、、、流徴調節バルブ ４　、、、、、、、、コンピュータ ７　、、、、、、、、ロードセル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）管状路で閉ループを構成し、その管状路に多孔質
   管状膜を挿設し、その管状膜を透過した生産物を取り出
   す生産物取出し口と、原料供給口とを備え、その閉ルー
   プ中に、原料、生体触媒、生産物を含む混合液を循環せ
   しめる循環装置を備え、流動化生体触媒により流体中に
   おいて生体触媒反応により有用物質を生産するバイオリ
   アクターにおいて、 （Ａ）原料供給口を、原料の自動吸引を行なうリアクタ
   主循環配管の循環装置の吸引側に設け、 （Ｂ）膜透過液側配管に、流量を任意に調整する流量調
   節バルブを取付け、膜透過流量を制御することを特徴と
   するチューブラーバイオリアクターの原料供給制御法。
2. （２）更に（Ｃ）膜透過液側配管に流量測定装置を設け
   、 （Ｄ）所定希釈率になるように、チューブラーバイオリ
   アクター有効容積に基づいて原料供給量を設定し、その
   設定量となるように膜透過流量を制御することを特徴と
   する請求項１記載のチューブラーバイオリアクターの原
   料供給制御法。
3. （３）原料供給路に加圧ガスを供給するか又は加圧用ポ
   ンプにより、チューブラーバイオリアクター内の圧力を
   高め、膜透過速度を上げるようにしたことを特徴とする
   請求項１記載のチューブラーバイオリアクターの原料供
   給制御法。