JPS6363194B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、各種菌体を培養する高濃度連続培養
方法及び装置に関するものである。

（従来の技術） 特願昭59−211747号の逆洗滌効果を利用した高
濃度培養方法と装置では、２本の膜を用いて１本
の膜から透過液の排出を、他方の膜には培地を供
給し、ある一定の時間間隔で流路を切り換えて濾
過機能を交互にもたせるものである。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のような装置をスケールアツプする場合、
培養槽容量の増大は勿論のこと、膜面積も増加さ
せねばならない。しかし、使用するホローフアイ
バー型膜の場合、１本の膜面積には限度があるた
め多数の膜を組合せてその有効利用を図る必要が
ある。

特願昭59−211747号のものによれば、培地供給
側及び透過液排出側共に等面積で配置することに
なる。この方法では設置膜面積の50％しか有効濾
過面積として利用できない。

実際に実験を行つたところ、培養の進行に伴い
系内の菌数が増加し、培地を用いた逆洗滌の効果
は認められるも、排出側の透過液流量が低下す
る。これに対して培地供給側の能力は培養経過中
ほとんど低下しない。

したがつて、培養の後期には供給側と排出側能
力のアンバランスが生じ、結果的には排出側膜面
積が装置能力を決定することになる。

（問題点を解決するための手段） したがつて本発明の技術的課題は、膜培養装置
における膜面積の有効利用方法と装置を提供しよ
うとすることを目的とするもので、この技術的課
題を解決する本発明の技術的手段は、培養槽で各
種菌体を培養するに当たつて、培養中に生産され
る代謝産物を培養槽と共に循環回路を構成する複
数の濾過膜を通して取り除くと共に新鮮培地を濾
過膜を通して循環回路に供給するに当たり、濾過
膜のいくつかを正流運転の透過液排出側とし、残
りを逆流運転の培地供給側として排出側対供給側
の膜面積比が少なくとも供給側に対して排出側が
数倍となるように流路を選択的に切り換えて膜面
積を最大限有効に利用することを特徴とする高濃
度連続培養方法と、培養槽とUF膜等の濾過膜を
使用した複数の濾過室とを配管装置を介して可逆
循環回路を構成する如く連結し、濾過室のいくつ
かを正流運転の透過液排出側とし、残りを逆流運
転の培地供給側として排出側対供給側の膜面積比
が少なくとも供給側に対して排出側が数倍となる
ようにして流路を選択的に切り換えることができ
るように配管装置を構成したことを特徴とする高
濃度連続培養装置である。

（発明の効果） この技術的手段によれば、特願昭59−211747号
（以下、従来法と称す）の作用効果をそのまま奏
するのは勿論のこと、以下に述べるような作用効
果を奏するものである。

すなわち、従来法では供給側と排出側とに等面
積に膜を配置するため４本の膜を利用する場合、
有効濾過面積は0.1μマイクロフアイバー0.2m²／
１本とすると0.2×２＝0.4m²となるが、本発明に
よれば例えば供給側に１本、排出側に３本の膜を
配置したとすると0.2×３＝0.6m²となり、本発明
は従来法に較べて50％多い有効濾過面積をうるこ
とができる。

本発明にしたがつて供給側を１本、排出側を３
本の膜を配置し、１サイクルの時間を従来法と同
じ時間にセツトすると１本の膜の逆洗滌を受ける
時間は従来法の1/2となる。

このように逆洗滌時は本発明では半減される
が、膜面流速が高い値をとれるため、その効果は
大きく十分に実用に供しうる。

何れにしても本発明によれば、培養の後期にお
いても供給側と排出側能力にアンバランスが生じ
ないし、膜培養装置をスケールアツプすることが
できる。

（実施例） 以下、図面に示す実施例について説明する。

先ず、従来法から説明する。

第７図において、１０は培養槽であり、１１，
１２はフオローフアイバーUF膜を使用した第１、
２濾過室である。

培養槽１０と第１濾過室１１とはポンプ３７の
ある管１３で連結され、第１濾過室１１と第２濾
過室１２とは管３５で連結されている。

第２濾過室１２はまた管１５を介して培養槽１
０に連結され、第１濾過室１１は管１３からバル
ブ２０を介して分岐した管１４で培養槽１０に連
結されている。

管１３の途中には以上の外、バルブ１９から分
岐した管３６がバルブ２１を介して管１５に連結
されている。

以上のようなことから実線で示す矢印の正流運
転時では培養槽１０からの菌体液は管１３から第
１濾過室１１、第２濾過室１２を経て管１５で培
養槽１０に還元されるようになつていて１つの循
環回路を構成している。

又、鎖線で示す矢印の逆流運転時では管３６か
ら管１５を介して第２濾過室１２、第１濾過室１
１の順に通過し、管１４で培養槽１０に還元され
るようになつている。

第１、２濾過室には培地供給タンク２９からポ
ンプ３１を通じて培地が管３０に送られ、バルブ
３２を介して管３４，３３の何れかを通じて第
１、２濾過室に押込まれるようになつている。

又、UF膜より除去された代謝物を含む低分子
栄養成分は第１、２濾過室１１，１２から管２
２，４０、バルブ２３、管２４、ポンプ２６を通
じて濾過室２７に導かれ、ここでRO膜を通じて
代謝物の除去後、管２８を通じて培地供給タンク
２９に還元されるようになつている。

その他、管１３から管１６、ポンプ１８を通じ
て濃縮菌液が濃縮菌液回収タンク１７に回収され
るようになつている。

さて、第７図のフローシートにしたがつて具体
的に説明して行くと、まず培養槽１０で種菌を接
種し、培養を開始する。

数時間後に代謝産物が蓄積され始め、ある濃度
に達すると膜の運転を開始する。

実線矢印の正流運転時には培養槽１０よりポン
プ３７で引き抜いた菌体液を第１、２濾過室の順
で通過させる。

第１、２濾過室におけるUF膜はフオローフア
イバーUF膜からなるもので、この場合第１濾過
室１１が高圧側となり、代謝物を含む透過液が管
２２、バルブ２３、管２４、ポンプ２６、管２５
を経て濾過室２７に導かれ、ここでRO膜で代謝
物が除去され、代謝物が除去された低分子栄養成
分は管２８を通じ培地供給タンク２９に戻され、
培地の有効利用が計れるようになつている。

一方、低圧側となる第２濾過室１２ではポンプ
３１により代謝物を除いた低分子栄養物及び新鮮
培地がタンク２９から管３０、バルブ３２、管３
３を通じて押込まれ培養槽１０内のタンクレベル
を一定に保持するように運転される。

以上のような運転状態を継続すると、第１濾過
室からの透過液速度が培養過程で菌数増加に伴つ
て高粘度化し、膜の目づまりにより低下するの
で、この時、三方電磁バルブ１９，２０，２１，
２３，３２を同時に切り換え鎖線矢印で示す逆流
運転に入る。

このバルブ切換により高圧側と低圧側とが逆転
し、これまで透過液を系内から系外に排出してい
た第１濾過室では系外から系内に液が押し込まれ
る状態、すなわちタンク２９、ポンプ３１、管３
０、バルブ３２、管３４を介して逆洗滌状態に入
り膜面に付着した菌体等が除去され、次の正流運
転に備えて洗滌を兼ねながら低分子栄養分を補強
する。

このように第１、２濾過室の高圧、低圧側を切
換えることにより異なる機能を交互にもたせ透過
流速を低下させることなく連続的に代謝物を除き
ながら培養を継続させ、連続的に高濃度の菌体を
培養させることができる。

以上の如く、従来法は２本の膜を用いて１本の
膜から透過液の排出を、他方の膜には培地を供給
し、ある一定時間間隔で流路を切り換えて濾過機
能を交互にもたせるようにしたものである。

これに対して、本発明のものは設置膜面積を最
大限有効に利用するようにしたものである。すな
わち、第１図に示すものは、４本の膜を用いて16
個の電磁弁を組合せたものである。

MF₁，MF₂，MF₃，MF₄は濾過室を示すもの
で、これらと培養槽１０とを循環ポンプ３８でつ
ないで循環回路を構成している。

すなわち、培養槽１０からの菌体液はパイプ６
６を通じて循環ポンプ３８で各濾過室に送られ
る。

パイプ３９，４０はパイプ４１，４２，４３，
４４を通じて各濾過室につながり、パイプ４５，
４６，４７，４８からパイプ４９を通じて培養槽
１０への戻りラインを構成している。

そして、透過液はパイプ５６，５７，５８，５
９からパイプ５５に集められ、パイプ６４から枝
パイプ６０，６１，６２，６３を通じて何れかの
濾過室に培地が供給されるようになつている。１
Ｆ，２Ｆ，３Ｆ，４Ｆ，１Ｒ，２Ｒ，３Ｒ，４
Ｒ，１Ｐ，２Ｐ，３Ｐ，４Ｐ，１Ｓ，２Ｓ，３
Ｓ，４Ｓは配管中の各電磁弁を示す。

そこで、第３図に示すシーケンサーを用いて電
磁弁を10分間隔で切り換え運転を行うことがで
き、Step1→Step2→Step3→Step4→Step1→
Step2………の順に膜内の流路を切り換えると、
各膜は逆洗滌をうけて十分に濾過機能を発揮する
ことができる。

Step1について説明すると、電磁弁１Ｆが閉で
電磁弁２Ｆ，３Ｆ，４Ｆが開の状態であるので循
環ポンプ３８から送られた菌体液は、パイプ４
２，４３，４４を通じてMF₂，MF₃，MF₄の中
を分岐され上昇して流れる。

この場合３本の膜MF₂，MF₃，MF₄は高圧側
にあり、透過液側電磁弁２Ｐ，３Ｐ，４Ｐが連動
して開いているのでこのラインより透過液がパイ
プ５５に流出する。

MF₂，MF₃，MF₄を通つた菌体液はMF₁及び
リターンラインに分かれてパイプ４９，５０で培
養槽１０に戻る。

ここでMF₁は低圧側になり、培地供給用電磁
弁１Ｓが開いてこの膜に培地が供給され、逆洗滌
効果をもたせて系内に流入する。これを第３図ロ
に示す。

以下Step2、３、４は第３図に示す電磁弁操作
によりそれぞれMF₂，MF₃，MF₄が逆洗滌を受
けながらサイクリングすることができる。第３図
ハはStep2を示す。

以上のような本発明のものと従来法とを比較す
るために、従来法により組立てたシステムライン
を第２図に示す。第１図と同一部分には同一の符
号を付してある。

第４図に示すシーケンサーを用いて電磁弁を開
閉操作する動作についてStep1から説明すると、
電磁弁１Ｆが開で電磁弁２Ｆが閉で、しかも電磁
弁１Ｒが閉で電磁弁２Ｒが開であるので、循環ポ
ンプ３８から送られた菌体液はパイプ３９，７
４，７２，７８を通じ、MF₁，MF₂の中を分岐
して上昇する。MF₁，MF₂から流れ出た菌体液
はパイプ７５，７７，７６からMF₃，MF₄に入
りパイプ７９，７３，５０を通じて培養槽１０に
戻るようになつていてMF₁，MF₂は高圧側で
MF₃，MF₄は低圧側となる。

そして、MF₁，MF₂の透過液はパイプ６８か
ら排出されMF₃，MF₄にパイプ６４を通じて供
給されることになる。したがつて、低圧側は逆洗
滌効果をもつようになる。これを第４図ロに示
す。

Step2によればMF₃，MF₄が高圧側となり、
MF₁，MF₂が低圧側となる。これを第４図ハに
示す。

以上のものによれば、培地供給側及び透過液排
出側は共に膜面積を等しくしたもので、電磁弁の
数は本発明に比べると少なく、したがつてライン
は単純化されるが、透過液側膜面積は常に0.2×
２＝0.4m²と少ない。

何れにしても供給側膜２本、排出側膜２本が交
互に切替り高圧側となる透過液排出側はその電磁
弁が連動して開き透過液が流出し、一方低圧側と
なる培地供給側はその電磁弁が連動して開き、膜
内に培地が供給されるものである。

（実験例） 以上のような本発明と従来法とを次のような実
験方法で比較してみる。

10容積培養タンクに酵母エキス1.0％、ペプ
トン1.0％、パーミエート粉3.0％、肉エキス0.5
％、K₂HPO₄0.5％、KH₂PO₄0.1％、アスコルビ
ン酸Na0.1％、水93.8％からなる組成の培地６
を仕込み、120℃15分間の滅菌後、冷却し、あら
かじめ前培養を行つたBlongumの種菌を接種し、
35℃±0.5℃の温度条件で培養を行つた後、膜培
養運転に入つた。

なお、運転経過と共にPHは低下するので、2N
−NH₄OHによりPH＝6.0の定PH培養を行つた。
他の前処理条件は従来法と同じである。

実験に使用した膜は旭化成製0.1μマイクロフア
イバー（膜面積１本0.2m²）である。

（実験結果） 第５図は、膜運転開始後の透過液流量の変化を
示すものである。膜運転開始時には、菌濃度も低
く透過液排出能力は十分あるが、菌体の増殖に見
合つた培地供給を行うことにより、その有効利用
を計るよう運転を行つた。なお、この培地の供給
速度（この値は、ほぼ透過液量に等しい）は、菌
体濃度と透過液中乳糖濃度及び菌体の比増殖速度
の値から最適化を計り求めた。

運転開始後約５時間まではこの最適供給速度に
従つた運転は可能であつたが、この時期を過ぎた
頃から従来法では透過液量は余り増加しなくな
り、７〜８時間を境に低下する傾向が認められ
た。

これに対して、本発明では培養開始後、約10時
間まで最適化した透過液量が得られており、両者
の差は明らかに透過側膜面積の相違に起因するも
のと考えられる。

第６図には両装置で実験した際の菌体の増殖速
度を対比して示すが、本発明では０〜12時間にて
一定の比増殖速度で増殖しているのに対し、従来
法では５時間を過ぎた頃から透過液流量の増加が
鈍つたためと考えられるが、比増殖速度は低下し
はじめ、培養の後期には培地を供給しているにも
かかわらず菌数を維持するのがようやくの状態で
あつた。

したがつて、12時間培養で得られた両法での最
終到達濃度には大きな開きが認められる。

このように膜面積の利用法が装置能力をも決定
する大きな要因となる事を本実験結果は示してい
る。

なお、本実験結果より透過液側膜面積Spと培
地供給側膜面積Ssとの比Sp／Ssの逆洗滌効果に
及ぼす影響について言及すると、従来法ではこの
種は1.0であるのに対して、本発明法では3.0とな
つている。供給側膜面積Ssは従来法で0.4m²に対
し、本発明法では0.2m²と1/2になつており、逆洗
滌時における膜面積通過流速は前者に対して後者
は２倍の値を示す。これまでにも述べてきたよう
に、本発明はシーケンシヤルに電磁弁が切替わる
Stepが４回あり、これに対して従来法ではその
Stepが２回と少ない。したがつて、１サイクル
の時間を両者で同じ時間にセツトすると、１本の
膜の逆洗滌を受ける時間は本発明では従来法の1/
２となる。

このように逆洗滌時間は本発明では半減される
が、前述のように膜面流速が高い値を取れるた
め、その効果は大きく十分に実用に供しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による膜配置システムを示す
図、第２図は従来法による膜配置システムを示す
図、第３図イ，ロ，ハは本発明による各ステツプ
における液の流れ図、第４図イ，ロ，ハは従来法
による各ステツプにおける液の流れ図、第５図は
透過液流量の経時変化図、第６図は菌体増殖曲線
図、第７図は従来法を示す図である。 MF₁，MF₂，MF₃，MF₄……濾過室、１０…
…培養槽、２９……培地供給タンク、３８……循
環ポンプ、５５……透過液排出パイプ、６４……
培地供給パイプ、｛１Ｆ，２Ｆ，３Ｆ，４Ｆ，１
Ｒ，２Ｒ，３Ｒ，４Ｒ，１Ｐ，２Ｐ，３Ｐ，４
Ｐ，１Ｓ，２Ｓ，３Ｓ，４Ｓ｝……電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 培養槽で各種菌体を培養するに当たつて、培
   養中に生産される代謝産物を培養槽と共に循環回
   路を構成する複数の濾過膜を通して取り除くと共
   に新鮮培地を濾過膜を通して循環回路に供給する
   に当たり、濾過膜のいくつかを正流運転の透過液
   排出側とし、残りを逆流運転の培地供給側として
   排出側対供給側の膜面積比が少なくとも供給側に
   対して排出側が数倍となるように流路を選択的に
   切り換えて膜面積を最大限有効に利用することを
   特徴とする高濃度連続培養方法。 ２ 培養槽とUF膜等の濾過膜を使用した複数の
   濾過室とを配管装置を介して可逆循環回路を構成
   する如く連結し、濾過室のいくつかを正流運転の
   透過液排出側とし、残りを逆流運転の培地供給側
   として排出側対供給側の膜面積比が少なくとも供
   給側に対して排出側が数倍となるように流路を選
   択的に切り換えることができるように配管装置を
   構成したことを特徴とする高濃度連続培養装置。