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JP7494025B2 - Agitator-free bioreactor using fine/ultra-fine bubbles containing gas useful for culturing microorganisms or cells, and a bioreaction method using said bioreactor - Google Patents
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JP7494025B2 - Agitator-free bioreactor using fine/ultra-fine bubbles containing gas useful for culturing microorganisms or cells, and a bioreaction method using said bioreactor - Google Patents

Agitator-free bioreactor using fine/ultra-fine bubbles containing gas useful for culturing microorganisms or cells, and a bioreaction method using said bioreactor Download PDF

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Description

本発明は、微生物または細胞(以下、「微生物等」ともいう。)を培養して、微生物等に反応生成物を生成させ、または、微生物等を増殖する生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法に関し、撹拌機を使用することなく、培養槽に収容された、培養液および微生物等を含有する生物培養液(以下、「生物培養液」ともいう。)を撹拌することを特徴とするものである。 The present invention relates to a biological reaction apparatus that cultures microorganisms or cells (hereinafter also referred to as "microorganisms, etc.") to cause the microorganisms, etc. to produce reaction products or to grow the microorganisms, etc., and a biological reaction method using this biological reaction apparatus, which is characterized by stirring a biological culture solution (hereinafter also referred to as "biological culture solution") that contains a culture solution and microorganisms, etc., contained in a culture tank without using an agitator.

生物反応は、化学反応と異なり、反応自体は遅いが、多大なエネルギーや多くの化学物質を使用しないので、環境にとって温和で有意義な反応である。 Biological reactions are different from chemical reactions in that the reactions themselves are slow, but they do not use a lot of energy or chemicals, making them gentle and beneficial to the environment.

しかし、生物反応は、一般的に反応が遅いという問題があった。すなわち、化学反応は、1時間以内の反応で十分な場合が多いのに対して、生物反応の場合は、数時間から長い場合は数日または特に長い場合数週間以上の反応時間を要する場合もある。このため、生物反応を効率的、経済的に行うことが求められている。 However, biological reactions generally have the problem of being slow. That is, while a chemical reaction is often sufficient within an hour, biological reactions can take anywhere from a few hours to several days, or even several weeks in particularly long cases. For this reason, there is a demand for biological reactions to be carried out efficiently and economically.

本発明者等は、特許文献1~4等において、酸素含有気体のマイクロナノバブルを用いて、微生物等の生物反応を効率的かつ経済的に行うことを提案している。 In Patent Documents 1 to 4, the present inventors have proposed using micro-nano bubbles of oxygen-containing gas to efficiently and economically carry out biological reactions of microorganisms, etc.

なお、本件の特許請求の範囲および明細書では、従来の「マイクロバブル」、「ナノバブル」を、それぞれ、「ファインバブル」、「ウルトラファインバブル」と称する。 In addition, in the claims and specification of this patent, conventional "microbubbles" and "nanobubbles" are referred to as "fine bubbles" and "ultrafine bubbles", respectively.

しかしながら、特許文献1~4の生物反応装置・生物反応方法では、撹拌機を使用して、培養槽に収容された生物培養液を撹拌することから、
a)ストレス・ダメージを受けて、微生物等の活性が低下したり、増殖が阻害されたりする、
b)生物反応前の培地滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ、雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、
c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する
等の問題が生じる。
However, in the biological reaction apparatus and biological reaction method of Patent Documents 1 to 4, a stirrer is used to stir the biological culture solution contained in the culture tank,
a) Stress or damage reduces the activity of microorganisms or inhibits their growth.
b) There are some areas where it is difficult to sterilize the medium before biological reaction (the seal of the agitator's rotating shaft, the bearing of the rotating shaft, the agitator blades, baffles, baffles, etc.), making it difficult to prevent contamination.
c) Problems arise such as the costs involved in installing, operating, maintaining and managing the mixer.

また、特許文献5および6では、撹拌機を使用しない微生物等の培養方法が提案されている。しかしながら、特許文献5では、菌体の流加培養(菌体の増殖に伴って培地の量を増加させる)という特殊な培養において、培養タンク本体内に設けるという特殊な構造を採用して、内筒内外の液の比重差を利用して自然循環流が行われる。また、特許文献6では、細胞の培養を、鉛直な一対の培養筒の下部を連結した反応槽という特殊な反応槽を用いて、両培養筒の下部に接続したガス吹込手段から交互にガスを吹き込んで培養液を撹拌するという特殊な方法で撹拌が行われる。このように、特許文献5および6に開示された撹拌手法は、培養槽内の構造が複雑となり、雑菌の混入防止が困難であることから、一般的な培養槽を用いる生物反応装置・生物反応方法では採用できないものである。 In addition, Patent Documents 5 and 6 propose a method for culturing microorganisms and the like that does not use an agitator. However, Patent Document 5 uses a special structure installed in the main body of the culture tank in a special culture called fed-batch culture of bacteria (increasing the amount of medium as the bacteria grow), and natural circulation is performed by utilizing the specific gravity difference between the liquid inside and outside the inner cylinder. In Patent Document 6, cell culture is performed using a special reaction tank in which the lower parts of a pair of vertical culture cylinders are connected, and the culture liquid is stirred by alternately blowing gas from a gas blowing means connected to the lower parts of both culture cylinders. In this way, the stirring methods disclosed in Patent Documents 5 and 6 cannot be adopted in biological reaction devices and biological reaction methods that use general culture tanks because the structure inside the culture tank is complicated and it is difficult to prevent the inclusion of unwanted bacteria.

本発明者等は、次の事項を見いだし、本発明をなしたものである。
1)従来の生物反応装置・生物反応方法では、撹拌機は、i)培養槽に供給される気体の気泡を細かく剪断する目的、およびii)培養槽中の生物培養液を均一に混合する目的で用いられているが、特許文献1~4のような、酸素含有気体のファインバブル・ウルトラファインバブルを用いる生物反応装置・生物反応方法では、既に上記i)の目的は十分に達成されていることから、上記ii)の目的が達成できれば、撹拌機を使用する必要性が乏しいこと。
2)上記ii)の目的は、培養槽に還流される、上記ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた生物培養液を、中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられている複数の吐出口を備えたマルチノズルを用いて培養槽に向けて吐出することにより、経済的かつ効率的に達成できること。
3)上記ファインバブル・ウルトラファインバブルに含有させる気体として、特許文献1~4のような<好気性または通性嫌気性微生物等>の培養では酸素を含有する気体が用いられるが、これに限らず、<偏性嫌気性微生物等>の培養では、窒素を含有する気体を用いて、また、天然ガス由来の炭素ガス(炭酸ガス、メタンガス等)から有機物(アミノ酸、有機酸、タンパク質等)を生成する微生物<有機物合成微生物等>の培養では、炭酸ガス、メタンガス等の天然ガス由来の炭素ガスを用いて、同様に、撹拌機を使用することなく培養が行えること。
The present inventors have discovered the following and have made the present invention.
1) In conventional biological reaction apparatuses and biological reaction methods, agitators are used for the purposes of i) finely shearing the gas bubbles supplied to the culture tank, and ii) uniformly mixing the biological culture solution in the culture tank. However, in the biological reaction apparatuses and biological reaction methods using fine or ultrafine bubbles of oxygen-containing gas as described in Patent Documents 1 to 4, the above purpose i) is already sufficiently achieved, and therefore if the above purpose ii) can be achieved, there is little need to use agitators.
2) The objective of ii) above can be achieved economically and efficiently by discharging the biological culture solution containing the fine and ultra-fine bubbles, which is to be returned to the culture tank, toward the culture tank using a multi-nozzle equipped with multiple outlets arranged to discharge in multiple directions at angles between 0° and 90° with respect to the central axis toward the culture tank.
3) As the gas to be contained in the fine and ultra-fine bubbles, in the cultivation of <aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.> as described in Patent Documents 1 to 4, an oxygen-containing gas is used. However, the invention is not limited to this. In the cultivation of <obligate anaerobic microorganisms, etc.>, a nitrogen-containing gas is used. In the cultivation of microorganisms <organic matter synthesizing microorganisms, etc.> that produce organic matter (amino acids, organic acids, proteins, etc.) from carbon gases derived from natural gas (carbon dioxide, methane, etc.), carbon dioxide, methane, and other carbonaceous gases derived from natural gas are used. In this manner, cultivation can be carried out without the use of a stirrer.

上記1)~3)の着想に基づいて成された本発明の生物反応装置およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法は、撹拌機を使用することなく、生物培養液に、空気、酸素、窒素、二酸化炭素、天然ガス由来の炭素ガス、火力発電所から排出される炭酸ガス等の微生物等の培養に有用な気体(以下、「有用気体」ともいう。)を含有する気体のファインバブル・ウルトラファインバブル(以下、「微細気泡」ともいう。)を含有させた生物培養液を、マルチノズルを用いて、培養槽内の多方向に向けて吐出することを特徴とするものであり、これにより、微生物等の活性を低下させずに、上記a)~c)の問題が解決できると共に、マルチノズルを用いることにより、撹拌を経済的かつ効率的に行うことができる。 The bioreactor of the present invention, which was developed based on the ideas 1) to 3) above, and the bioreaction method using this bioreactor, are characterized in that, without using an agitator, a biological culture solution containing fine and ultrafine gas bubbles (hereinafter also referred to as "fine bubbles") containing gases useful for culturing microorganisms, such as air, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, carbon dioxide gas derived from natural gas, and carbon dioxide gas emitted from thermal power plants (hereinafter also referred to as "useful gases") is discharged in multiple directions into a culture tank using a multi-nozzle. This solves the problems a) to c) above without reducing the activity of microorganisms, and by using a multi-nozzle, agitation can be performed economically and efficiently.

特許第5985114号公報Patent No. 5985114 特許第6087476号公報Japanese Patent No. 6087476 特許第6138390号公報Patent No. 6138390 特許第6499203号公報Patent No. 6499203 特開平6-327460号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-327460 特開2012-115232号公報JP 2012-115232 A

本発明の生物反応装置(以下、「本発明の生物反応装置」ともいう。)およびこの生物反応装置を用いた生物反応方法(以下、「本発明の生物反応方法」ともいい、総称して「本発明の生物反応装置・方法」ともいう。)の課題は、撹拌機を使用せずに培養槽に収容された生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持できると共に、撹拌機を使用しないことにより、培養槽・生物反応装置の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる、ひいては、撹拌を経済的かつ効率的に行うことのできる生物反応装置・生物反応方法を提供することにある。 The objective of the bioreactor of the present invention (hereinafter also referred to as the "bioreaction apparatus of the present invention") and the bioreaction method using this bioreactor (hereinafter also referred to as the "bioreaction method of the present invention" and collectively referred to as the "bioreaction apparatus and method of the present invention") is to provide a bioreactor and a bioreaction method that can sufficiently stir the biological culture liquid contained in the culture tank without using an agitator, maintain the activity of microorganisms, etc., and by not using an agitator, can simplify the internal structure of the culture tank and biological reactor, improve cleanability, and prevent bacterial contamination, and ultimately perform stirring economically and efficiently.

前記課題を解決するため、本発明の生物反応装置・方法では、培養槽から生物培養液を抜き出し、微細気泡を含有させて培養槽に還流する際に、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルを用いて、培養槽内の多方向に向けて吐出することにより、撹拌機を使用することなく生物培養液の撹拌を行うことを特徴とするものである。具体的には、生物培養液を収容する培養槽、生物培養液を培養槽から抜き出す抜出管路、および抜出管路と培養槽との間に配され、生物培養液を培養槽に還流するマルチノズルを備える生物反応装置であって、上記マルチノズルは、生物培養液に、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有させる微細気泡発生装置、および培養槽側の出口に設けられた複数の吐出口を備え、複数の吐出口から、微細気泡を含有させた生物培養液(以下、「微細気泡含有生物培養液」ともいう。)を、マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the biological culture solution is extracted from a culture tank and returned to the culture tank after containing fine bubbles. In this case, the biological culture solution containing fine bubbles of a gas containing a useful gas is discharged in multiple directions in the culture tank using a multi-nozzle, thereby stirring the biological culture solution without using a stirrer. Specifically, the biological culture solution is a biological culture tank that contains a biological culture solution, an extraction pipe that extracts the biological culture solution from the culture tank, and a multi-nozzle that is arranged between the extraction pipe and the culture tank and returns the biological culture solution to the culture tank. The multi-nozzle is characterized by having a fine bubble generator that causes the biological culture solution to contain fine bubbles of a gas containing a useful gas, and a plurality of discharge ports provided at the outlet on the culture tank side, and discharging the biological culture solution containing fine bubbles (hereinafter also referred to as "biological culture solution containing fine bubbles") from the multiple discharge ports in multiple directions that are 0° to 90° with respect to the direction of the culture tank side of the central axis of the multi-nozzle.

本発明では、上記のように、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルを用いて、培養槽内の多方向に向けて吐出することにより、撹拌機を使用せずに、培養槽に収容された生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。 In the present invention, as described above, by using a multi-nozzle to discharge the biological culture solution containing fine bubbles of a gas containing a useful gas in multiple directions within the culture tank, the biological culture solution contained in the culture tank can be sufficiently stirred without using an agitator, and the activity of microorganisms, etc. can be maintained.

さらに、本発明では、上記のように撹拌機を使用しないことにより、培養槽・生物反応装置の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる、
そして、撹拌機を使用しないことにより、a)微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下する、b)生物反応前の滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の従来の問題を解決することができる。
Furthermore, in the present invention, by not using an agitator as described above, the internal structure of the culture tank/bioreaction device can be simplified, and cleaning properties can be improved and contamination by bacteria can be prevented.
Furthermore, by not using an agitator, it is possible to solve the following conventional problems: a) microorganisms etc. become stressed and damaged, which reduces their activity; b) there are areas that are difficult to sterilize before a biological reaction (the seal part of the agitator's rotating shaft, the bearing part of the rotating shaft, the agitating blades, baffles/baffles, etc.), making it difficult to prevent the introduction of bacteria (contamination); and c) the costs involved in installing, operating, maintaining, and managing the agitator.

このように、撹拌機を使用せずマルチノズルを用いることにより、培養槽に収容された生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。 In this way, by using a multi-nozzle without using a stirrer, the biological culture solution contained in the culture tank can be stirred economically and efficiently.

本発明の生物反応装置・方法の第1実施形態の概要を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of a first embodiment of a biological reaction apparatus and method of the present invention. 本発明の生物反応装置・方法の第2実施形態の概要を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of a second embodiment of the biological reaction apparatus and method of the present invention. 本発明の生物反応装置・方法に用いられるマルチノズルの概要を示す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an overview of a multi-nozzle used in the biological reaction device and method of the present invention. 図3のX-X’断面を示す断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the X-X' cross section of FIG. 図3の左端面を示す外観模式図である。FIG. 4 is a schematic external view showing the left end surface of FIG. 3 . 本発明の生物反応装置・方法における搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the acute angle formed by the transport pipeline and the discharge pipeline in the biological reaction apparatus and method of the present invention. 本発明の生物反応装置・方法における搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the acute angle formed by the transport pipeline and the discharge pipeline in the biological reaction apparatus and method of the present invention. 本発明の生物反応装置・方法の第3実施形態の概要を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing an overview of a third embodiment of the biological reaction apparatus and method of the present invention. 本発明の生物反応装置・方法に用いられる微細気泡発生装置を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a microbubble generating device used in the bioreactor and method of the present invention. 本発明の生物反応装置・方法に好適に用いられる微細気泡発生装置を示す外観模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the appearance of a microbubble generating device preferably used in the biological reaction device and method of the present invention. 微細気泡発生装置の作動状態を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the operating state of the micro-bubble generating device. 従来の生物反応装置を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a conventional biological reaction device.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面も参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the attached drawings, but the present invention is not limited to these.

<本発明の生物反応装置・方法の一般的事項>
まず、本発明の生物反応装置・方法の一般的事項について説明する。
<General aspects of the bioreactor and method of the present invention>
First, general aspects of the bioreactor and method of the present invention will be described.

本発明の生物反応装置・方法は、<好気性または通性嫌気性微生物等>の培養に好適に用いることができる。具体的には、醸造、発酵等による食品、薬品、化学品等の製造、バイオマスを利用したバイオエタノールの製造等の微生物等による反応生成物の製造のみならず、微生物等の増殖にも適用できる。<好気性または通性嫌気性微生物等>を培養する場合には、有用気体として酸素を含有する気体が用いられる。 The bioreactor and method of the present invention can be suitably used for culturing <aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.>. Specifically, it can be applied not only to the production of reaction products by microorganisms, such as the production of food, pharmaceuticals, chemicals, etc. by brewing and fermentation, and the production of bioethanol using biomass, but also to the proliferation of microorganisms, etc. When culturing <aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.>, a gas containing oxygen is used as the useful gas.

<好気性または通性嫌気性微生物等>を用いた生物反応は、培養槽に収容した微生物等を含有する培養液中において、培養液を栄養源として、微生物等に反応生成物を生成させたり、微生物等を増殖させるものである。 Biological reactions using <aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.> involve causing the microorganisms to produce reaction products or grow in a culture solution that contains the microorganisms, etc., contained in a culture tank, using the culture solution as a nutrient source.

<好気性または通性嫌気性微生物等>の培養液としては、糖類、窒素源が含有されたものを用いる。糖類としては、通常、マルトース、スクロース、グルコース、フルクトース、これらの混合物等の糖類、エタノール等が用いられ、培養液における糖類の濃度は、特に限定されないものの、0.1~10w/v%とするのが好ましい。また、窒素源としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウムまたはコーンスティープリカー、酵母エキス、肉エキス、ペプトン等が用いられ、0.1~10w/v%とするのが好ましい。さらに、培養液には糖類、窒素源以外にも、必要に応じて、ビタミン、無機塩類等を添加することが好ましい。 The culture medium for <aerobic or facultative anaerobic microorganisms, etc.> contains sugars and a nitrogen source. As sugars, typically, maltose, sucrose, glucose, fructose, mixtures of these, ethanol, etc. are used, and the concentration of sugars in the culture medium is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 w/v%. As nitrogen sources, ammonium chloride, ammonium sulfate, corn steep liquor, yeast extract, meat extract, peptone, etc. are used, and is preferably 0.1 to 10 w/v%. Furthermore, in addition to the sugars and nitrogen sources, it is preferable to add vitamins, inorganic salts, etc. to the culture medium as necessary.

<好気性または通性嫌気性微生物等>としては、醸造、発酵等の技術分野で従来用いられている、アスペルギルス菌等の麹菌、納豆菌、酢酸菌、酵母菌、乳酸菌等の好気性および通性嫌気性の微生物のほか、遺伝子組み換え技術で創り出される各種好気性および通性嫌気性の微生物を用いることができる。また、細胞としては、例えば、抗体医薬として使用される生理活性ペプチドまたは蛋白質を製造するための動物細胞、とりわけ遺伝子組換え動物細胞等が挙げられる。 Examples of aerobic or facultative anaerobic microorganisms that can be used include aerobic and facultative anaerobic microorganisms such as Aspergillus and other koji molds, natto bacteria, acetic acid bacteria, yeasts, and lactic acid bacteria that have been conventionally used in technical fields such as brewing and fermentation, as well as various aerobic and facultative anaerobic microorganisms created by genetic engineering. Examples of cells that can be used include animal cells, particularly genetically modified animal cells, for producing physiologically active peptides or proteins used as antibody drugs.

さらに、本発明の生物反応装置・方法は、ビフィズス菌等の大気レベルの濃度の酸素に暴露することにより生育が阻害される<偏性嫌気性微生物等>の培養にも用いることができる。<偏性嫌気性微生物等>を培養する場合には、有用気体として窒素が用いられる。 Furthermore, the bioreactor and method of the present invention can also be used to cultivate obligate anaerobic microorganisms, such as bifidobacteria, whose growth is inhibited by exposure to atmospheric levels of oxygen. When culturing obligate anaerobic microorganisms, nitrogen is used as the useful gas.

さらに、本発明の生物反応装置・方法は、天然ガス由来の炭素ガス(炭酸ガス、メタンガス)、火力発電所から排出される炭酸ガス等から、アミノ酸、有機酸、タンパク質等の有機物を生成する<有機物合成微生物等>の培養にも用いることができる。<有機物合成微生物等>を培養する場合には、有用気体として、天然ガス由来の炭素ガス、火力発電所から排出される炭酸ガス等が用いられる。 Furthermore, the biological reaction apparatus and method of the present invention can also be used to cultivate <organic matter synthesizing microorganisms, etc.> that produce organic matter such as amino acids, organic acids, and proteins from carbon dioxide gases (carbon dioxide, methane gas) derived from natural gas and carbon dioxide gas discharged from thermal power plants. When culturing <organic matter synthesizing microorganisms, etc.>, useful gases used are carbon dioxide gases derived from natural gas and carbon dioxide gas discharged from thermal power plants.

<本発明の生物反応装置・方法において用いられる微細気泡>
次に、本発明の生物反応装置・方法において用いられる微細気泡について説明する。
<Fine bubbles used in the biological reaction device and method of the present invention>
Next, the microbubbles used in the bioreactor and method of the present invention will be described.

本発明の生物反応装置・方法において用いられる「ファインバブル・ウルトラファインバブル」(微細気泡)とは、「ファインバブル」および/または「ウルトラファインバブル」を意味する。「通常の気泡」は水中を急速に上昇して表面で破裂して消えるのに対し、「ファインバブル」といわれる直径50μm以下の微小気泡は、水中で縮小していって消滅し、この際に、フリーラジカルと共に、直径100nm以下の極微小気泡である「ウルトラファインバブル」を発生し、この「ウルトラファインバブル」は比較的長時間水中に残存する。 The term "fine bubbles/ultrafine bubbles" (fine air bubbles) used in the bioreactor and method of the present invention means "fine bubbles" and/or "ultrafine bubbles." While "normal air bubbles" rise rapidly in the water and burst at the surface, disappearing, "fine bubbles," tiny air bubbles with a diameter of 50 μm or less, shrink in the water and disappear, and at that time, together with free radicals, generate "ultrafine bubbles," which are extremely tiny air bubbles with a diameter of 100 nm or less, and these "ultrafine bubbles" remain in the water for a relatively long time.

本発明においては、個数平均直径が100μm以下の気泡を「ファインバブル」といい、個数平均直径が1μm以下の気泡を「ウルトラファインバブル」という。「ファインバブル・ウルトラファインバブル」(微細気泡)の気泡径を測定する方法としては、画像解析法、レーザー回折散乱法、電気的検知帯法、共振式質量測定法、光ファイバープローブ法等が一般に用いられ、ナノバブルの気泡径を測定する方法としては、動的光散乱法、ブラウン運動トラッキング法、電気的検知帯法、共振式質量測定法等が一般に用いられている。 In the present invention, bubbles with a number-average diameter of 100 μm or less are called "fine bubbles", and bubbles with a number-average diameter of 1 μm or less are called "ultra-fine bubbles". Image analysis, laser diffraction scattering, electrical detection zone method, resonance mass measurement method, optical fiber probe method, etc. are commonly used methods for measuring the bubble diameter of "fine bubbles/ultra-fine bubbles" (microbubbles), and dynamic light scattering, Brownian motion tracking method, electrical detection zone method, resonance mass measurement method, etc. are commonly used methods for measuring the bubble diameter of nanobubbles.

<本発明の生物反応装置の特徴>
まず、従来用いられている、酸素含有気体の微細気泡を含有させて微生物等を培養する生物反応装置について説明する。
<Features of the biological reactor of the present invention>
First, a conventional bioreactor for cultivating microorganisms and the like by incorporating fine bubbles of an oxygen-containing gas will be described.

[図12]に示すように、従来の生物反応装置では、培養槽ポンプ101により培養槽102から生物培養液103を抜き出し、酸素含有気体aが供給される微細気泡発生装置104により酸素含有気体aの微細気泡を含有させて、培養槽102に還流すると共に、撹拌機105により培養槽102中の生物培養液103を撹拌している。また、培養槽ポンプ101と微細気泡発生装置104との間にろ過器(図示せず)を配置して、培養槽102から抜き出した生物培養液103から分離したろ過液を、微細気泡発生装置104に供給することも行われている。 As shown in FIG. 12, in a conventional biological reaction device, a culture tank pump 101 extracts biological culture liquid 103 from a culture tank 102, and a fine bubble generator 104, to which an oxygen-containing gas a is supplied, causes fine bubbles of oxygen-containing gas a to be contained in the biological culture liquid 103, which is then returned to the culture tank 102, while an agitator 105 stirs the biological culture liquid 103 in the culture tank 102. In addition, a filter (not shown) is disposed between the culture tank pump 101 and the fine bubble generator 104, and the filtrate separated from the biological culture liquid 103 extracted from the culture tank 102 is supplied to the fine bubble generator 104.

本発明の生物反応装置は、[図1]に示すように、生物培養液1を収容する培養槽2、培養槽ポンプ3等により生物培養液1を培養槽2から抜き出す抜出管路4、および抜出管路4と培養槽2との間に配され、生物培養液1を培養槽2に還流するマルチノズル5を備える生物反応装置であり、
マルチノズル5は、生物培養液1に、有用気体を含有する気体Aの微細気泡を含有させる微細気泡発生装置5-1、および培養槽2側の出口に設けられた複数の吐出口5-2を備えており、
複数の吐出口5-2が、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズル5の中心軸Bの前方方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられていることを特徴とするものである。
As shown in FIG. 1, the biological reaction apparatus of the present invention includes a culture tank 2 that contains a biological culture solution 1, an extraction pipeline 4 that extracts the biological culture solution 1 from the culture tank 2 by a culture tank pump 3 or the like, and a multi-nozzle 5 that is disposed between the extraction pipeline 4 and the culture tank 2 and returns the biological culture solution 1 to the culture tank 2.
The multi-nozzle 5 is equipped with a fine bubble generator 5-1 for adding fine bubbles of gas A containing a useful gas to the biological culture solution 1, and a plurality of outlets 5-2 provided at the outlet on the culture tank 2 side.
The nozzle is characterized in that a plurality of discharge ports 5-2 are provided so as to discharge the microbubble-containing biological culture solution in multiple directions at angles of 0° to 90° with respect to the forward direction of the central axis B of the multi-nozzle 5.

[図1]に示す本発明の生物反応装置・方法の第1実施形態では、培養槽2の底部にマルチノズル5が設けられているが、[図2]に示す本発明の生物反応装置・方法の第2実施形態のように、培養槽2の側面部にマルチノズル5を設けることもできる。 In the first embodiment of the biological reaction apparatus and method of the present invention shown in [Figure 1], a multi-nozzle 5 is provided at the bottom of the culture tank 2, but as in the second embodiment of the biological reaction apparatus and method of the present invention shown in [Figure 2], the multi-nozzle 5 can also be provided on the side of the culture tank 2.

このように、有用気体を含有する気体Aの微細気泡含有生物培養液を、培養槽2に還流する際に、マルチノズル5の中心軸Bの前方方向に対して0°~90°となる多方向に吐出することにより、撹拌機を使用することなく、微生物等の活性が維持できる生物反応装置および生物反応方法を提供することができる。そして、撹拌機を使用しないことにより、a)微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下する、b)生物反応前の滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の従来の問題を解決することができる。さらに、培養槽内面にバッフル・邪魔板等の部材を設ける必要がないことから、培養槽内面にテフロン加工(テフロン:登録商標)を施し、汚れの付着防止、雑菌混入(コンタミネーション)のリスク低減を図ることができる。 In this way, when the microbubble-containing biological culture liquid of gas A containing useful gas is returned to the culture tank 2, it is discharged in multiple directions at 0° to 90° with respect to the forward direction of the central axis B of the multi-nozzle 5, thereby providing a biological reaction device and a biological reaction method that can maintain the activity of microorganisms and the like without using an agitator. Furthermore, by not using an agitator, it is possible to solve the conventional problems such as a) the activity of microorganisms and the like is reduced due to stress and damage to the microorganisms, b) the presence of places (seal parts of the rotating shaft of the agitator, bearing parts of the rotating shaft, agitator blades, baffles, baffles, etc.) that are difficult to sterilize before the biological reaction, making it difficult to prevent contamination, and c) the installation, operation, maintenance, and management of the agitator, which require costs. Furthermore, since there is no need to provide components such as baffles and baffles on the inner surface of the culture tank, the inner surface of the culture tank can be treated with Teflon (Teflon: registered trademark) to prevent adhesion of dirt and reduce the risk of contamination.

本発明の生物反応装置では、抜出管路4とマルチノズル5との間に、培養槽2から抜き出した生物培養液1を、ろ過液とろ過液を除いた生物培養液とに分離するろ過器を配置し、このろ過液を、マルチノズル5に供給することができる。このように、微生物等を除いたろ過液に有用気体を含有する気体Aの微細気泡を含有させ、マルチノズル5の吐出口5-2から吐出することにより、微生物等が受けるストレス・ダメージを低減することができる。ろ過液を除いた生物培養液は、回収されるか、または、別の管路を通じて培養槽2に還流される。 In the biological reaction apparatus of the present invention, a filter is placed between the extraction pipeline 4 and the multi-nozzle 5 to separate the biological culture liquid 1 extracted from the culture tank 2 into a filtrate and the biological culture liquid excluding the filtrate, and this filtrate can be supplied to the multi-nozzle 5. In this way, the filtrate excluding the microorganisms, etc. is made to contain fine bubbles of gas A containing a useful gas, and discharged from the discharge port 5-2 of the multi-nozzle 5, thereby reducing the stress and damage suffered by the microorganisms, etc. The biological culture liquid excluding the filtrate is either recovered or returned to the culture tank 2 through a separate pipeline.

<本発明の生物反応装置において用いられるマルチノズル>
次に、本発明の生物反応装置において用いられるマルチノズルの好適な態様について、[図3]~[図5]を用いて説明する。
<Multi-nozzle used in the biological reaction device of the present invention>
Next, a preferred embodiment of the multi-nozzle used in the biological reaction apparatus of the present invention will be described with reference to [FIG. 3] to [FIG. 5].

好適なマルチノズル5としては、[図3]に示すように、
1)抜出管路4に接続された下端部5-3、
2)培養槽2に接続された上端部5-4、
3)下端部5-3に供給された生物培養液1を分流し、上端部5-4側に搬送する、ノズルの中心軸Bに沿って設けられた複数の搬送管路5-5、
4)各搬送管路5-5に接続された、複数の吐出管路5-6、および
5)各吐出管路5-6の培養槽2側の出口に設けられた、複数の吐出口5-2
を備えており、複数の吐出口5-2が、微細気泡含有生物培養液を、中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられていることを特徴とする。
As a suitable multi-nozzle 5, as shown in FIG.
1) the lower end 5-3 connected to the withdrawal pipeline 4;
2) Upper end portion 5-4 connected to culture tank 2;
3) A plurality of transport pipes 5-5 provided along the central axis B of the nozzle for dividing the biological culture solution 1 supplied to the lower end 5-3 and transporting it to the upper end 5-4 side;
4) a plurality of discharge pipelines 5-6 connected to each of the transport pipelines 5-5; and 5) a plurality of discharge ports 5-2 provided at the outlets of the discharge pipelines 5-6 on the culture tank 2 side.
The present invention is characterized in that the multiple discharge ports 5-2 are provided so as to discharge the microbubble-containing biological culture solution in multiple directions at an angle of 0° to 90° with respect to the direction of the central axis B toward the culture tank 2.

マルチノズル5の複数の吐出口5-2は、上記のように、通常は、微細気泡含有生物培養液を、中心軸Bの培養槽2側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられるが、複数の吐出口5-2が培養槽2の壁面より内側に突出して設置される場合には、微細気泡含有生物培養液を、中心軸Bの培養槽2側方向に対して90°を超え180°未満となる方向に吐出することもできる。このように、微細気泡含有生物培養液を中心軸Bの培養槽2側方向に対して90°を超え180°未満となる方向に吐出すると、培養槽2の内壁面に微細気泡含有生物培養液が衝突する、微細気泡の浮上を抑制する等の作用が生じることから、培養槽2に収容された生物培養液1を適切に撹拌するための設計を行う際の選択肢を増やすことができる。 As described above, the multiple outlets 5-2 of the multi-nozzle 5 are usually provided to discharge the microbubble-containing biological culture fluid in multiple directions at 0° to 90° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B. However, when the multiple outlets 5-2 are installed to protrude inward from the wall surface of the culture tank 2, the microbubble-containing biological culture fluid can also be discharged in a direction that is greater than 90° and less than 180° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B. In this way, when the microbubble-containing biological culture fluid is discharged in a direction that is greater than 90° and less than 180° with respect to the direction of the culture tank 2 side of the central axis B, the microbubble-containing biological culture fluid collides with the inner wall surface of the culture tank 2, and the floating of microbubbles is suppressed, etc., so that the options for designing to appropriately stir the biological culture fluid 1 contained in the culture tank 2 can be increased.

[図4]は、図3のX-X’断面を示す断面模式図であるが、このように、複数の搬送管路5-5は、マルチノズルの中心軸Bに沿って設けられる。また、[図5]は、[図3]の左端面を示す外観模式図であるが、このように、複数の吐出口5-2は、マルチノズルの中心軸Bに対して対称的に、上端部5-4の周囲に沿って配置されるのが好ましい。 [Fig. 4] is a schematic cross-sectional view showing the X-X' cross section of Fig. 3, and thus the multiple transport pipes 5-5 are arranged along the central axis B of the multi-nozzle. Also, [Fig. 5] is a schematic external view showing the left end face of [Fig. 3], and thus the multiple discharge ports 5-2 are preferably arranged symmetrically with respect to the central axis B of the multi-nozzle along the periphery of the upper end 5-4.

[図3]には、微細気泡発生装置5-1を図示していないが、微細気泡発生装置5-1の設置の態様としては、
a)下端部5-3と搬送管路5-5の間に、1つの微細気泡発生装置5-1を設ける態様、
b)各吐出管路5-6に、それぞれ微細気泡発生装置5-1を設ける態様、または
c)各搬送管路5-5に、それぞれ微細気泡発生装置5-1を設ける態様
を採用することができる。
Although the fine bubble generating device 5-1 is not shown in FIG. 3, the fine bubble generating device 5-1 may be installed in the following manner.
a) An embodiment in which one fine bubble generating device 5-1 is provided between the lower end portion 5-3 and the transport pipe 5-5;
b) A mode in which a fine bubble generator 5-1 is provided in each discharge pipeline 5-6, or c) A mode in which a fine bubble generator 5-1 is provided in each transport pipeline 5-5, can be adopted.

上記a)の態様は、設置、維持等のコストの観点から好ましく、上記b)およびc)の態様は、各吐出口5-2から吐出される生物培養液1の微細気泡量を個別に調整できる観点から好ましい。 The above embodiment a) is preferred from the viewpoint of installation, maintenance, and other costs, while the above embodiments b) and c) are preferred from the viewpoint of being able to individually adjust the amount of microbubbles in the biological culture solution 1 discharged from each discharge port 5-2.

<微細気泡含有生物培養液の吐出>
本発明の生物反応装置のマルチノズルでは、複数の吐出口は、微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸の前方方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられている。これにより、複数の吐出口から吐出される微細気泡含有生物培養液により、撹拌機を使用することなく、培養槽に収容された生物培養液が十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。
<Discharge of biological culture solution containing fine bubbles>
In the multi-nozzle of the biological reaction device of the present invention, the multiple outlets are provided so as to discharge the microbubble-containing biological culture solution in multiple directions at angles of 0° to 90° relative to the forward direction of the central axis of the multi-nozzle. As a result, the biological culture solution contained in the culture tank can be sufficiently stirred by the microbubble-containing biological culture solution discharged from the multiple outlets without using a stirrer, and the activity of microorganisms, etc. can be maintained.

微細気泡含有生物培養液を、マルチノズルの中心軸Bの前方方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するために、接続された一対の搬送管路5-5および吐出管路5-6の位置関係を次のように設定することができる。 In order to discharge the microbubble-containing biological culture liquid in multiple directions at angles between 0° and 90° relative to the forward direction of the central axis B of the multi-nozzle, the positional relationship between the pair of connected transport pipes 5-5 and discharge pipes 5-6 can be set as follows:

[位置関係A]
[図6]および[図7]に示すように、接続された一対の搬送管路5-5および吐出管路5-6を含む各平面Cにおいて、搬送管路5-5と吐出管路5-6が成す鋭角側の角度αを90°を超え180°未満に設定する。
[Positional relationship A]
As shown in Figures 6 and 7, in each plane C including a pair of connected conveying pipelines 5-5 and discharge pipelines 5-6, the acute angle α formed by the conveying pipelines 5-5 and the discharge pipelines 5-6 is set to be greater than 90° and less than 180°.

この位置関係Aにより、各吐出口5-2から吐出される、微細気泡含有生物培養液の方向を、マルチノズルの中心軸Bから遠ざかる多方向として、培養槽2に収容された生物培養液1を撹拌することができる。 This positional relationship A allows the direction of the microbubble-containing biological culture solution discharged from each outlet 5-2 to move in multiple directions away from the central axis B of the multi-nozzle, thereby stirring the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2.

吐出口5-2の数をn個とすると、接続された搬送管路5-5および吐出管路5-6の各対1~nにおける角度α1~αnは、90°を超え180°未満の範囲において個別に適宜設定することができる。 If the number of discharge ports 5-2 is n, the angles α1 to αn of each pair 1 to n of the connected conveying pipeline 5-5 and discharge pipeline 5-6 can be individually set as appropriate within the range of more than 90° and less than 180°.

[位置関係B]
[図7]に示すように、接続された一対の搬送管路5-5および吐出管路5-6を含む各平面Cと、各平面Cに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Bを含む平面Dが成す鋭角側の角度βを0°を超え90°未満に設定する。
[Positional relationship B]
As shown in FIG. 7, the acute angle β formed by each plane C including a pair of connected conveying pipelines 5-5 and discharge pipelines 5-6 and a plane D including the conveying pipelines and the central axis B of the multi-nozzle included in each plane C is set to be greater than 0° and less than 90°.

この位置関係Bにより、各吐出口5-2から吐出される、微細気泡含有生物培養液の方向を、中心軸Bを中心とする多方向として、培養槽2に収容された生物培養液1を撹拌することができる。 This positional relationship B allows the direction of the microbubble-containing biological culture solution discharged from each discharge port 5-2 to be in multiple directions around the central axis B, thereby stirring the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2.

吐出口5-2の数をn個とすると、平面Cとこれに対応する平面Dはn対存在するが、各対における角度β1~βnは、0°を超え90°未満の範囲において個別に適宜設定することができる。 If the number of outlets 5-2 is n, there are n pairs of planes C and their corresponding planes D, and the angles β1 to βn in each pair can be individually set as appropriate within the range of more than 0° and less than 90°.

上記角度α1~αnおよび角度β1~βnは、培養槽2の形状、吐出口5-2の個数・設置位置等に応じて、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により適宜設定することができる。 The angles α1 to αn and angles β1 to βn can be set appropriately through experiments, simulations, etc., depending on the shape of the culture tank 2, the number and installation positions of the discharge ports 5-2, etc., so that the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred.

<培養槽の形状・構造>
本発明の生物反応装置・方法において用いられる培養槽の形状としては、一般に用いられている円筒形、立方体形、直方体形のものを用いることができるが、撹拌を均一・均質に行う観点からは、円筒形のものが好ましい。
<Shape and structure of the culture tank>
The shape of the culture tank used in the bioreactor and method of the present invention can be a commonly used cylindrical, cubic, or rectangular shape, but from the viewpoint of uniform and homogeneous stirring, a cylindrical shape is preferred.

また、本発明の生物反応装置・方法において用いられる培養槽としては、[図1]に示す本発明の生物反応装置・方法の第1実施形態および[図2]に示す本発明の生物反応装置・方法の第2実施形態のような縦型培養槽、または、[図8]に示す本発明の生物反応装置・方法の第3実施形態のような横型培養槽を用いることができるが、横型培養槽を用いることが好ましい。[図8]に示すような横型培養槽を用いることにより、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズルの個数、マルチノズルの設置位置等の設計を行う際の選択肢を増やすことができ、望ましい撹拌状態を実現しやすくなる。また、生物培養液1の単位体積当たりに供給される微細気泡の量を一定とすると、横型培養槽を用いた場合には、生物培養液1の表面当たりの微細気泡の量を小さくできるため、生物培養液1の表面に形成される泡の厚みを小さくすることができる。 As the culture tank used in the bioreactor and method of the present invention, a vertical culture tank such as the first embodiment of the bioreactor and method of the present invention shown in [Fig. 1] and the second embodiment of the bioreactor and method of the present invention shown in [Fig. 2], or a horizontal culture tank such as the third embodiment of the bioreactor and method of the present invention shown in [Fig. 8] can be used, but it is preferable to use a horizontal culture tank. By using a horizontal culture tank as shown in [Fig. 8], the number of multi-nozzles, the installation position of the multi-nozzles, etc. can be designed by experiments, simulations, etc. so that the biological culture liquid 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred, and it becomes easier to achieve a desired stirring state. In addition, if the amount of fine bubbles supplied per unit volume of the biological culture liquid 1 is constant, when a horizontal culture tank is used, the amount of fine bubbles per surface of the biological culture liquid 1 can be reduced, so that the thickness of the bubbles formed on the surface of the biological culture liquid 1 can be reduced.

<マルチノズルの設置数>
本発明の生物反応装置・方法においては、マルチノズルが複数個設けられていることが好ましい。マルチノズルを複数個設けることにより、培養槽2に収容された生物培養液1が適切に撹拌できるように、実験、シュミュレーション等により、マルチノズルの個数、マルチノズルの設置位置等の設計を行う際の選択肢を増やすことができ、望ましい撹拌状態を実現しやすくなる。
<Number of multi-nozzles installed>
In the biological reaction apparatus and method of the present invention, it is preferable that a plurality of multi-nozzles are provided. By providing a plurality of multi-nozzles, the number of multi-nozzles, the installation position of the multi-nozzles, etc. can be designed by experiments, simulations, etc. so that the biological culture solution 1 contained in the culture tank 2 can be appropriately stirred. It is possible to increase the options when performing the design, and it is easy to realize a desired stirring state.

さらに、複数個のマルチノズルから吐出される、微細気泡含有生物培養液の吐出量を、複数個のマルチノズルにおいてそれぞれ独立して調整することにより、望ましい撹拌状態を実現するために設計を行う際の選択肢を更に増やすことができる。 Furthermore, by independently adjusting the amount of microbubble-containing biological culture fluid discharged from each of the multiple multi-nozzles, it is possible to further increase the design options for achieving the desired mixing state.

<マルチノズルに設けられる微細気泡発生装置>
マルチノズルに設けられる微細気泡発生装置としては、公知または市販されている、水流方式の微細気泡発生装置を用いることができる。
<Micro-bubble generating device installed in multi-nozzle>
As the fine bubble generating device provided in the multi-nozzle, a publicly known or commercially available water flow type fine bubble generating device can be used.

水流方式の微細気泡発生装置としては、[図9]に示すようなものが挙げられる。この微細気泡発生装置6では、圧をかけた状態で微細気泡発生装置6の入口部6-1から生物培養液を供給し、管路の径を絞って流速を上げながら、のど部6-2で乱流を発生させる。この状態で、有用気体を含有する気体Aを気体入口6-3から供給し、吸引部6-4において生物培養液と混合し、水流により微細気泡となり、出口部6-5から、有用気体を含有する気体Aの微細気泡を含有する生物培養液が排出される。 An example of a water flow type micro-bubble generator is shown in [Figure 9]. In this micro-bubble generator 6, biological culture liquid is supplied from the inlet 6-1 of the micro-bubble generator 6 under pressure, and turbulence is generated at the throat 6-2 while the flow rate is increased by narrowing the diameter of the pipe. In this state, gas A containing useful gas is supplied from the gas inlet 6-3, mixed with the biological culture liquid at the suction section 6-4, and turned into micro-bubbles by the water flow, and the biological culture liquid containing micro-bubbles of gas A containing useful gas is discharged from the outlet 6-5.

さらに、好適には、[図10]~[図11]に示すような、気体入口6-3を、微細気泡発生装置6の中心軸に垂直な面に沿って、側面に連続して設けられたスリットとした微細気泡発生装置を用いることができる。このような微細気泡発生装置を用いると、[図11]に示すように、スリットから吹き込まれた有用気体を含有する気体Aは、微細気泡発生装置6の内面に沿って気体の連続する幅広の薄層Eを形成して微細気泡発生装置6の内面に沿って流れ、微細気泡Fが徐々に形成されると共に、出口部6-5付近で多量の微細気泡Fが形成されるため、微細気泡の生成効率を向上させ、生物培養液の微細気泡含有率を効率良く十分に高めることができる。さらに、薄層Fが、微生物等が微細気泡発生装置6の内面に衝突するのを防止するクッションの役割を果たすため、微生物等がストレス・ダメージを受けたりするのを低減することができる。 Moreover, it is preferable to use a fine-bubble generator in which the gas inlet 6-3 is a slit provided continuously on the side along a plane perpendicular to the central axis of the fine-bubble generator 6, as shown in [Fig. 10] to [Fig. 11]. When such a fine-bubble generator is used, as shown in [Fig. 11], the gas A containing useful gas blown in through the slit forms a continuous wide thin layer E of gas along the inner surface of the fine-bubble generator 6 and flows along the inner surface of the fine-bubble generator 6, and fine bubbles F are gradually formed, and a large amount of fine bubbles F is formed near the outlet portion 6-5, so that the efficiency of fine bubble generation can be improved and the fine bubble content of the biological culture liquid can be efficiently and sufficiently increased. Furthermore, the thin layer F acts as a cushion to prevent microorganisms, etc. from colliding with the inner surface of the fine-bubble generator 6, so that stress and damage to the microorganisms, etc. can be reduced.

<その他>
微細気泡の酸素含有率の上限値は60%未満であり、55%以下が好ましく、50%以下がより好ましく、45%以下が最も好ましい。微細気泡の酸素含有率を60%以上と過度に大きくすると、酸素の酸化作用により微生物等が受けるストレス・ダメージが大きくなってしまう。また、微細気泡の酸素含有率の下限値は23%以上であり、25%以上が好ましく、27%以上がより好ましく、30%以上が最も好ましい。微細気泡の酸素含有率を23%未満と過度に小さくすると、溶存酸素濃度が低下し、微生物等微生物等の活性を高めることが困難となる。酸素含有率を高めた微細気泡を形成する気体を得るためには、通常、吸着剤を用いたPSA法、VSA法等、水の電気分解法、深冷分離法、膜分離法、化学吸着法等の公知の酸素富化手段を用いて気体の酸素含有率を高めることが好ましく、経済的観点からは、酸素富化膜を用いるのが好ましい。
<Other>
The upper limit of the oxygen content of the fine bubbles is less than 60%, preferably 55% or less, more preferably 50% or less, and most preferably 45% or less. If the oxygen content of the fine bubbles is excessively increased to 60% or more, the stress and damage to microorganisms and the like due to the oxidizing action of oxygen will increase. In addition, the lower limit of the oxygen content of the fine bubbles is 23% or more, preferably 25% or more, more preferably 27% or more, and most preferably 30% or more. If the oxygen content of the fine bubbles is excessively reduced to less than 23%, the dissolved oxygen concentration will decrease, making it difficult to increase the activity of microorganisms and the like. In order to obtain a gas that forms fine bubbles with an increased oxygen content, it is usually preferable to increase the oxygen content of the gas using known oxygen enrichment means such as the PSA method, VSA method, etc. using an adsorbent, water electrolysis method, cryogenic separation method, membrane separation method, chemical adsorption method, etc., and from an economical point of view, it is preferable to use an oxygen enrichment membrane.

また、生物培養液1を培養槽2から抜き出すための培養槽ポンプ3として、微生物等に与えるストレス・ダメージが比較的少ないチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、スクリューポンプ、ロータリーポンプ等の容積式ポンプを好適に用いることができる。 In addition, a positive displacement pump such as a tube pump, diaphragm pump, screw pump, or rotary pump can be preferably used as the culture tank pump 3 for extracting the biological culture solution 1 from the culture tank 2, as these pumps cause relatively little stress or damage to the microorganisms, etc.

<まとめ>
以上に説明したように、本発明の生物反応装置・方法は、有用気体を含有する気体の微細気泡を含有する生物培養液を、マルチノズルを用いて、培養槽内の多方向に向けて吐出することにより、撹拌機を使用せずに、培養槽に収容された生物培養液を十分に撹拌でき、微生物等の活性を維持することができる。
<Summary>
As described above, the biological reaction apparatus and method of the present invention uses a multi-nozzle to discharge the biological culture solution containing fine bubbles of a gas containing a useful gas in multiple directions in the culture tank, without using a stirrer. The biological culture solution contained in the culture tank can be sufficiently stirred, and the activity of microorganisms, etc. can be maintained.

さらに、本発明の生物反応装置・方法では、撹拌機を使用しないことにより、培養槽・生物反応装置の内部構造を簡素化でき、洗浄性の向上および雑菌汚染の防止を図ることができる。 Furthermore, the bioreactor and method of the present invention do not use an agitator, which simplifies the internal structure of the culture tank and bioreactor, improving cleanability and preventing bacterial contamination.

そして、撹拌機を使用しないことにより、a)微生物等がストレス・ダメージを受け微生物等の活性が低下する、b)生物反応前の滅菌が行いにくい箇所(撹拌機の回転軸のシール部、回転軸の軸受部、撹拌翼、バッフル・邪魔板等)が生じ雑菌混入(コンタミネーション)を防止するのが難しい、c)撹拌機の設置、運転、維持・管理等にコストを要する等の問題を解決することができる。 By not using an agitator, problems such as a) stress and damage to microorganisms, which reduces their activity, b) difficulty in preventing contamination due to the presence of areas that are difficult to sterilize before biological reactions (seal parts of the agitator's rotating shaft, bearing parts of the rotating shaft, agitator blades, baffles, baffles, etc.), and c) the costs involved in installing, operating, maintaining, and managing the agitator can be solved.

このように、撹拌機を使用せずマルチノズルを用いることにより、培養槽に収容された生物培養液の撹拌を、経済的かつ効率的に行うことができる。 In this way, by using a multi-nozzle without using a stirrer, the biological culture solution contained in the culture tank can be stirred economically and efficiently.

1 (培養液、微生物等を含有する)生物培養液
2 培養槽
3 培養槽ポンプ
4 抜出管路
5 マルチノズル
5-1 微細気泡(ファインバブル・ウルトラファインバブル)発生装置
5-2 (複数の)吐出口
5-3 下端部
5-4 上端部
5-5 (複数の)搬送管路
5-6 (複数の)吐出管路
6 微細気泡発生装置
6-1 入口部
6-2 のど部
6-3 気体入口
6-4 吸引部
6-5 出口部
A 有用気体を含有する気体
B (マルチノズルの)中心軸
C 接続された一対の搬送管路および吐出管路を含む各平面
D 各平面Cに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Bを含む平面
E 幅広の薄層
F 微細気泡
α 各平面Cにおいて、搬送管路と吐出管路が成す鋭角側の角度
β 各平面Cと、各平面Cに含まれる搬送管路およびマルチノズルの中心軸Bを含む平面Dが成す鋭角側の角度
101 培養槽ポンプ
102 培養槽
103 生物培養液
104 微細気泡発生装置
105 撹拌機
a 酸素含有気体
1 Biological culture liquid (containing culture liquid, microorganisms, etc.) 2 Culture tank 3 Culture tank pump 4 Extraction pipeline 5 Multi-nozzle 5-1 Fine bubble (fine bubble / ultra fine bubble) generator 5-2 (Multiple) discharge port 5-3 Lower end 5-4 Upper end 5-5 (Multiple) transport pipelines 5-6 (Multiple) discharge pipelines 6 Fine bubble generator 6-1 Inlet section 6-2 Throat section 6-3 Gas inlet 6-4 Suction section 6-5 Outlet section A Gas containing useful gas B (of multi-nozzle) Central axis C Each plane D including a pair of connected transport pipelines and discharge pipelines Plane E including the central axis B of the transport pipeline and multi-nozzle included in each plane C Wide thin layer F Fine bubble α In each plane C, the acute angle side angle β formed by the transport pipeline and discharge pipeline In each plane C, the acute angle side angle formed by the plane D including the central axis B of the transport pipeline and multi-nozzle included in each plane C 101 Culture tank pump 102 Culture tank 103 Biological culture solution 104 Microbubble generator 105 Agitator a Oxygen-containing gas

Claims (10)

培養液および微生物または細胞を含有する生物培養液を収容する培養槽、
上記生物培養液を上記培養槽から抜き出す抜出管路、および
上記抜出管路と上記培養槽との間に配され、上記生物培養液を上記培養槽に還流するマルチノズルを備える生物反応装置であって、
上記マルチノズルは、
上記生物培養液に、上記微生物または細胞の培養に有用な気体を含有する気体のファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させるファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置、および
上記培養槽側の出口に設けられた複数の吐出口を備え、
上記複数の吐出口が、上記ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた上記生物培養液を、上記マルチノズルの中心軸の培養槽側方向に対して0°~90°となる多方向に吐出するように設けられ
上記マルチノズルが、
上記抜出管路に接続された下端部、
上記培養槽に接続された上端部、
上記下端部に接続され、上記下端部に供給された上記生物培養液を分流し上記上端部側に搬送する、上記マルチノズルの中心軸に沿って設けられた複数の搬送管路、および
上記各搬送管路に接続された、複数の吐出管路を備えており、
上記各吐出管路または上記各搬送管路に、上記ファインバブル・ウルトラファインバブル発生装置がそれぞれ設けられていることを特徴とする、生物反応装置。
A culture tank containing a biological culture solution containing a culture solution and microorganisms or cells;
A biological reaction apparatus comprising: an extraction pipe for extracting the biological culture solution from the culture tank; and a multi-nozzle disposed between the extraction pipe and the culture tank for returning the biological culture solution to the culture tank;
The above multi-nozzle is
a fine/ultra-fine bubble generator for adding fine/ultra-fine bubbles of a gas containing a gas useful for culturing the microorganism or cell to the biological culture solution; and a plurality of discharge ports provided at the outlet on the culture tank side,
The plurality of outlets are provided so as to discharge the biological culture solution containing the fine bubbles and ultra-fine bubbles in multiple directions at 0° to 90° with respect to the culture tank side direction of the central axis of the multi-nozzle ,
The above multi-nozzle is
A lower end connected to the withdrawal pipe line,
An upper end portion connected to the culture tank;
A plurality of transport pipes provided along a central axis of the multi-nozzle, which are connected to the lower end portion and divide the biological culture solution supplied to the lower end portion and transport it to the upper end portion; and
A plurality of discharge pipes are connected to the respective conveying pipes,
A biological reaction apparatus characterized in that the fine bubble/ultra-fine bubble generator is provided in each of the discharge pipelines or each of the transport pipelines .
上記抜出管路と上記マルチノズルとの間に、上記培養槽から抜き出した上記生物培養液を、ろ過液とろ過液を除いた上記生物培養液とに分離するろ過器が配置され、
このろ過液が、上記マルチノズルに供給されることを特徴とする、請求項1に記載の生物反応装置。
Between the extraction pipeline and the multi-nozzle, a filter is disposed to separate the biological culture solution extracted from the culture tank into a filtrate and the biological culture solution excluding the filtrate,
The biological reaction apparatus according to claim 1, wherein the filtrate is supplied to the multi-nozzle.
上記マルチノズルが、上記各吐出管路の上記培養槽側の出口に設けられた、上記複数の吐出口を備えており、
接続された一対の上記搬送管路および上記吐出管路を含む各平面において、該搬送管路と該吐出管路が成す鋭角側の角度が90°を超え180°未満に設定されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の生物反応装置。
The multi-nozzle includes the plurality of discharge ports provided at the outlets of the culture tank side of each of the discharge pipelines,
3. The biological reaction apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that in each plane including the pair of connected conveying pipelines and the discharge pipeline, the acute angle formed by the conveying pipeline and the discharge pipeline is set to be greater than 90° and less than 180°.
上記マルチノズルにおける、上記各平面が上記マルチノズルの中心軸を含む平面であることを特徴とする、請求項3に記載の生物反応装置。 The biological reaction device according to claim 3, characterized in that each of the planes in the multi-nozzle is a plane that includes the central axis of the multi-nozzle. 上記マルチノズルにおける、上記各平面が上記マルチノズルの中心軸を含まない平面であり、上記各平面と、上記各搬送管路および上記マルチノズルの中心軸を含む平面が成す鋭角側の角度が0°を超え90°未満に設定されていることを特徴とする、請求項3に記載の生物反応装置。 The biological reaction device according to claim 3, characterized in that each of the planes in the multi-nozzle does not include the central axis of the multi-nozzle, and the acute angle formed by each of the planes and a plane including the central axis of each of the transport pipes and the multi-nozzle is set to be greater than 0° and less than 90°. 上記培養槽が横型培養槽であることを特徴とする、請求項1~のいずれかに記載の生物反応装置。 The biological reaction apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the culture tank is a horizontal culture tank. 上記培養槽が縦型培養槽であることを特徴とする、請求項1~のいずれかに記載の生物反応装置。 The biological reaction apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the culture tank is a vertical culture tank. 上記マルチノズルが複数個設けられていることを特徴とする、請求項1~のいずれかに記載の生物反応装置。 The biological reaction apparatus according to any one of claims 1 to 7 , characterized in that a plurality of the multi-nozzles are provided. 上記複数個のマルチノズルから吐出される、上記ファインバブル・ウルトラファインバブルを含有させた上記生物培養液の吐出量が、上記複数個のマルチノズルにおいてそれぞれ独立して調整されることを特徴とする、請求項に記載の生物反応装置。 9. The biological reaction apparatus according to claim 8, wherein the amount of the biological culture solution containing the fine bubbles and ultra-fine bubbles discharged from the plurality of multi-nozzles is independently adjusted for each of the plurality of multi -nozzles. 前記請求項1~のいずれかに記載の生物反応装置により、上記微生物または細胞の反応生成物を得る、または、上記微生物または細胞を増殖させることを特徴とする、生物反応方法。 A biological reaction method, comprising obtaining a reaction product of the microorganism or cell, or growing the microorganism or cell, by the biological reaction apparatus according to any one of claims 1 to 9 .
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007312689A (en) 2006-05-26 2007-12-06 Sharp Corp Biological reaction method and biological reaction apparatus
JP2011092111A (en) 2009-10-30 2011-05-12 Tomotaka Marui Device for generating micro bubble in liquid
JP2017038589A (en) 2015-08-19 2017-02-23 三菱化学エンジニアリング株式会社 Organism reaction apparatus and organism reaction method using the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5312484A (en) * 1976-07-20 1978-02-03 Nakano Suten Kk Aerobic fermentation tank
JP2615394B2 (en) * 1988-05-18 1997-05-28 科学技術庁航空宇宙技術研究所長 Culture stirring method and culture apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007312689A (en) 2006-05-26 2007-12-06 Sharp Corp Biological reaction method and biological reaction apparatus
JP2011092111A (en) 2009-10-30 2011-05-12 Tomotaka Marui Device for generating micro bubble in liquid
JP2017038589A (en) 2015-08-19 2017-02-23 三菱化学エンジニアリング株式会社 Organism reaction apparatus and organism reaction method using the same

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