JP2004065143A - 乳酸菌の培養制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液中で乳酸菌を培養し、工業薬品として従来の価格に対抗できる乳酸菌の培養制御方法およびその装置提供する。
【解決手段】培養槽２に、少なくとも攪拌機５、培養液温度保持手段９ｂ、培養液および乳酸菌投与手段、培養液排出手段３、中和剤注入手段８、温度検出手段９およびｐＨ検出手段６を取り付け、温度検出信号により培養液温度保持手段９ｂを制御し、ｐＨ検出信号により中和剤注入手段８を制御し、少なくとも攪拌機５、培養液４，培養液および乳酸菌投与手段１２および培養液排出手段３を制御装置７によって遠隔操作できるようにした。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乳酸菌の培養制御方法およびその装置に関し、更に詳細には、乳酸菌によって糖類から工業薬品として乳酸を効率よく生産するための乳酸菌の培養制御方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
乳酸菌は糖類及び蛋白質を栄養源とする培養液中で培養すると乳酸が生成すること、その応用として発酵工業において大きな規模で乳酸が生産されていることは周知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、食品としての乳酸菌の工業的利用に対する技術的蓄積が豊富であるのに対し、工業薬品製造として乳酸菌を利用するための技術蓄積は殆どなく、現状では化学工場で生産される価格に対抗するための技術は確立していない。
【０００４】
本発明は、以上の問題に着目して成されたものであり、糖類および蛋白質を栄養源として含有する培養液中で乳酸菌を培養し、工業薬品として価格的に対抗できる乳酸を乳酸菌により生産する際の培養制御方法およびその装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の乳酸菌の培養制御方法は、糖類および蛋白質を栄養源として含有する培養液中で乳酸菌を培養する培養制御方法において、前記乳酸菌を培養する培養液温度を所定温度範囲に保持する制御と、生成する乳酸によるｐＨの低下を中和剤により中性点と所定ｐＨ値との間に保持する制御とを行い、前記乳酸菌の計数、糖類の定量および生成する前記乳酸の定量の少なくともいずれか１種以上を検出し、前記培養による前記乳酸菌の数が一旦最大値に達し、次いで減少する状態の監視および制御と培養終了時期の決定を行うようにしたものである。
【０００６】
前記培養温度は、一般に３０℃〜４５℃の温度が好ましく、培養液のｐＨ値は、乳酸の生成と共に酸性度が中性から酸性側に変化するが、一般には中和剤の使用によりｐＨ＝６〜７の間で培養することが好ましい。但し本発明は、これらの範囲に限定されるものではなく実際に即して温度範囲およびｐＨ範囲を決定することができる。
【０００７】
前記培養液の中性を維持する手段としては、例えば水酸化ナトリウム、アンモニアなど、中和生成物が水溶性となるアルカリ成分を使用することが重要である。なお前記化合物の例示は、本発明を限定するものではない。
【０００８】
前記のとおり乳酸菌の培養において、糖類が残存する間は乳酸が増殖し、糖類が消費されると、それ以後は培養液中の乳酸菌が互に共食いにより菌数を減少させながら、一定数（乳酸菌の場合１ミリリットル（以下ｍｌ）中の菌数がほぼ３０００個程度）になるまで乳酸の生成が継続される。この状態が使用した糖類を最大限乳酸に転換したことになる。
【０００９】
培養液中の前記乳酸菌数と、培養液中に残存する糖類量との少なくともいずれかを検出し、乳酸菌の数が増大した時点で前記培養液の一部を取り出し、残部の培養液について培養を継続し、次回以降の培養に使用する種菌として前記取り出した培養液から乳酸菌を回収することができる。
【００１０】
前記種菌を取得するために培養液を取り出す時点は、培養液中の糖類が消費され、乳酸菌の数が最大域に達した時点以後の時点で培養液の一部を取り出して以降の培養に使用する種菌として確保することが好ましい。なお前記菌の数が最大域に達したとは、厳密に最大値を見出すことは困難であり、おおよそ最大値付近の値であればよいことを意味する。
【００１１】
したがって、取り出した培養液中の粗大固形物をフィルターで除去した後、乳酸菌（菌の径はほぼ２ミクロン）を高濃度で取り出し、培養液中の乳酸菌の割合を高濃度として培養することにより、培養時間を可及的に短くすることができる。
【００１２】
また乳酸菌の回収を凝集剤によって行うことができる。使用する凝集剤としては、本出願人の特許発明に関わる特許３，　０７４，　４８９号明細書に記載するペーパースラッジ灰を用いた凝集剤を使用することが好ましい。この場合、培養液のｐＨを６．５〜６．８、温度を２５℃とすることにより、ほぼ９８％の菌を回収することができる。
【００１３】
乳酸菌の菌数の測定方法には特に限定はないが、例えば生物発光法、段階希釈法、染色法およびコロニーカウント法などの方法を使用することができ、これらの測定方法を自動的に測定する装置を使用することができる。
【００１４】
前記糖類および乳酸の検出方法が、液体クロマトグラフおよびガスクロマトグラフのいずれかの方法を使用することができ、これらの測定方法を自動的に測定する装置を使用することができる。また、糖類の測定には前記の外、キャピラリー電気泳動法を用いることもできる。
【００１５】
上記発明の目的を達成する本発明の乳酸菌の培養制御装置は、糖類および蛋白質を栄養源として含有する培養液で乳酸菌を培養する制御装置において、培養槽に、少なくとも攪拌機、培養液温度保持手段、培養液および乳酸菌投与手段、培養液排出手段、中和剤注入手段、温度検出手段およびｐＨ検出手段を取り付け、温度検知手段の検出信号により培養液温度保持手段を制御し、ｐＨ検出手段のｐＨ検出信号により中和剤注入手段を制御し、少なくとも前記攪拌機、培養液および乳酸菌投与手段並びに培養液排出手段を制御装置によって遠隔操作できるようにしたものである。
【００１６】
上記本発明の装置には、培養槽に、培養液サンプリング手段並びに乳酸菌の菌数測定手段、乳酸測定手段および糖類測定手段の少なくとも１種以上の測定手段を設け、制御装置からの信号により前記培養槽中の前記培養液をサンプリングおよび所定の測定を行い、測定結果を前記制御装置に出力することができる。
【００１７】
前記サンプリング手段には特に限定は無く、任意の方法で実施することができる。例えば培養液中のサンプラーを差込み一定量を汲み出す、培養槽とサンプリング装置との間に常時培養液を循環させ、サンプリング時点で前記サンプリング装置から培養液の必要量を抜き出すなどの方法を用いることができる。
【００１８】
使用しうる糖類源としては特に限定は無いが、古古米、こんにゃく飛粉、パン屑、芋類などであり、栄養源含有量は少ないが資源回収を兼ねる場合には生ゴミを使用することができる。また培養液の増量を可及的に少なくして糖類濃度を増加させたい場合などには、ショ糖、果糖などを使用することができる。なおデンプン質を使用する場合にはジアスターゼ（アミラーゼ）を添加することが好ましい。
【００１９】
使用しうる蛋白源としては、食肉獣の解体屑、魚のあら（粗）などの外、前記古古米、生ゴミなどは蛋白質源としても使用することができる。また培養液の増量を可及的に少なくして蛋白質濃度を増加させたい場合には硝酸アンモニウムなどの窒素含有化合物を使用することができる。
【００２０】
培養液中の糖類と蛋白質との重量構成比（以下Ｃ／Ｎ比）は、一般に大凡１６／１であるとされる。しかしながら経験的には、古古米を用いる場合は大凡１０／１であるが、このままで培養液として十分使用でき、いわゆる生ゴミを使用し、糖類が不足する場合にはこんにゃく飛粉、パン屑等で補給し、蛋白質の補給には魚のあらなどを使用し、Ｃ／Ｎ比を大凡２０／１とすることが好ましい。
【００２１】
Ｃ／Ｎ比のＮの比率が大きくなると悪臭を発するアンモニアやメルカプタンが発生し易くなり、Ｃの比率が大きくなると微生物反応が阻害ないし停止する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照する一実施の形態により本発明を具体的に説明する。
〔装置の説明〕
図１に示す装置本発明の一実施の形態によるベンチスケール規模の乳酸生成装置１の要部である培養槽２の概要説明図である。図１において、培養槽２は、漏斗状に形成した底部に内容物を取り出す排出バルブ３と、培養液４を緩く攪拌する攪拌機５とを備えものを使用した。
【００２３】
培養液４の酸性度を中性付近に保つ制御は、ｐＨ計６、制御装置７および中和剤注入装置８により構成した。ｐＨ計６は、センサ部６ａを培養液４中に伸び出させ、検出したｐＨ値を制御装置７に与え、また中和装置８は、中和剤貯槽８ａおよびポンプ８ｂによって構成している。
【００２４】
制御装置７のｐＨ制御動作は、ｐＨ計６の検出酸性度が高くなり、ｐＨ値が６になるとポンプ・オン信号をポンプ８ｂに与え、中和液８ｃを培養液４中に一定割合で注入し、ｐＨの値が７になるとポンプ・オフ信号を出力する。
【００２５】
培養液の温度制御は、熱電式温度制御器９によってオン・オフ制御を行なうようにした。即ち温度制御器９の熱電対からなるセンサ部９ａが検出する温度信号が設定温度まで上昇すると交流電力調整器（以下ＡＰＲ）９ｃに電源オフ信号を出力すると共に、前記温度検出信号を制御装置７に与え、温度情報を表示器７ａに表示させるようにした。
【００２６】
なお本実施の形態の乳酸生成装置１に使用した前記制御装置７には、プログラマブルロジックコントローラ（以下ＰＬＣ）（富士統合コントローラＭＩＣＲＥＸ−ＳＸ　シリーズ　”ＳＰＨ”富士電機株式会社製）を使用し、前記ＡＰＲ９ｃには（ＭＸシリーズ　富士電機株式会社製）を使用し、表示器７ａには、富士プログラマブル操作表示器（ＰＯＤ　ＵＧシリーズ　　富士電機株式会社製）を使用し、表示器７ａのタッチパネルを操作して培養槽２の攪拌機５と排出バルブ３とを制御するようにした。なお図１に示す符号１０は攪拌機５を駆動する電動機であり、１１は電動機１０の回転速度制御用のインバータであり、１２は培養液および乳酸菌投与手段である。
〔実施例１〕
乳酸生成装置１を使用し、以下の態様により乳酸を製造した。
培養液：古古米を粉末にしたものにジアスターゼを加え水に分散させて培養液を調整した。
【００２７】
乳酸菌：ホモ乳酸菌（使用した乳酸菌の数は、測定の結果培養液１ｍｌ当り約４７００個であった）
培養液温度制御範囲：３０〜４５℃
培養液ｐＨ制御範囲：ｐＨ＝６〜７
分析：培養液中の菌数の定量：コロニーカウント法
糖類の定量：高速液体クロマトグラフ法
乳酸の定量：高速液体クロマトグラフ法
以上の条件で培養した結果を図２に示す。図２において培養開始時点で乳酸菌数が約３０００個／ｍｌであったものが、１０日後には糖類濃度がゼロとなると共に、菌数がほぼ６．　４億個／ｍｌに増殖した。この間、菌の増加割合は糖類が消費されると共に徐々に低下するため、最大数に達するまでの菌数の増加曲線は、僅かに上に凸状となる。
【００２８】
この間培養液のｐＨは乳酸の生成と共に低下する。したがって制御装置７は中和剤注入装置８を作動させて中和操作を開始する。その中和操作によるｐＨの変化の一例を図３に示す。図３において、培養開始時の培養液のｐＨは７（中性）であり、菌の増殖と共に乳酸の生成によるｐＨの低下が起こる。そしてｐＨが６となった時点で中和制御が開始され、ほぼ６時間でｐＨが７に回復し中和制御が停止する。
【００２９】
すると再びｐＨは低下し始めるが、前記図２による説明のとおり、菌の増加割合は徐々に低下するため、ｐＨの上昇及び低下割合は前回より減少し、より緩い勾配の曲線となる。この傾向は中和回数が進む毎に中和に要する時間Ｔが延び、Ｔ１　＜Ｔ２　＜Ｔ３　の関係が得られる。
【００３０】
糖類が消費された状態で更に培養を続けると菌数が急速に減少　（共食いによる）し、培養開始後１５日後にほぼ５０００個／ｍｌに低下した。この間、乳酸濃度は増え続け、１５日目には１４％に達した。この時点で未だ培養液中には培養開始当初の菌数に匹敵する乳酸菌が残存するが、共食いによる乳酸の増加は急速に低下するので、この時点で培養を停止した。
【００３１】
以上の菌数変遷、特に培養当初の菌数変化は菌の状態により一定しない。例えば休眠（胞子）状態の菌が多い場合には乳酸の生成量の立ち上がりが後れるようになる。但し最終的乳酸は、適正なＣ／Ｎ比の下に適正に管理して培養を行う限り、添加した糖類量に依存した量の乳酸を生産することができる。
【００３２】
培養液中の乳酸菌数が最小になった時点で、表示器７ａのタッチパネルを操作してヒーター９ｂおよび攪拌機５の電源を切り培養を終了させ、タッチパネルを操作して排出バルブ３から培養液４を別の容器に移し、生成した乳酸の回収を行った。
〔反応管理〕
以上の説明から理解されるように、本発明による乳酸菌による乳酸生産は、種菌を取り出すために糖類が消費され菌の増殖による最大数となる時点と、共食いにより菌数が減少し、乳酸（本実施例では乳酸）生成量が最大値となる時点とを掴むことが重要となる。
【００３３】
これに対し菌数の計数はもとより、糖類および乳酸の定量にも一定の時間が必要である。これに対し図２および３から予想されるように、前記各時点での分析値・測定値から菌数が最大となる時点や培養終了時点を推定することが可能である。
【００３４】
乳酸菌を取り除いた培養液を中性にする調整と、温度調整とを行い、細目フィルターで微細固形分を除去した後、強陰イオン交換樹脂で塩酸を吸着し、次いで弱陰イオン交換樹脂で乳酸を吸着して水を分離したのち、水酸化ナトリウムにより高い濃度で乳酸を離脱させ、陽イオン交換樹脂により濃縮した遊離乳酸を取得し、加熱濃縮して乳酸を回収する方法を用いることができる。但し本発明はこの方法に限定されない。なおヘテロ乳酸菌による乳酸の製造の場合には、乳酸回収の前にエタノールを蒸留により分離する必要がある。
〔実施例２〕
図２に示す実施例と同様に培養を実施し、菌数が最大域に達した時点（培養開始後ほぼ１０日目）で、培養液の１／２量を取り出し、粗大固形分をフィルターで除いた後、ペーパースラッジ灰を主成分とする凝集剤を使用して乳酸菌（固形分）を凝集沈殿させ、遠心分離機により濃縮した乳酸菌を回収した。
【００３５】
培養液から分離回収した乳酸菌を、前記と同様に調整した培養液（したがって培養開始時の糖類濃度は実施例１と同じ）に１ｍｌ当りの菌数がほぼ４．３億個／ｍｌとなるように添加し、実施例１と同様に培養した。その結果糖類濃度が実施例１と同じであるから、最大菌数も実施例１と同じ数になるが、最大数に達する日数はほぼ４日であった（この結果を図２に点線グラフで示す）。したがって、このまま培養を継続すると実施例１と同様量の乳酸を得るのにほぼ８日に短縮することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の乳酸菌の培養制御方法およびその装置は、乳酸菌による乳酸の製造を効率よく制御する手段を提供することにより、化学工業的生産手段による乳酸の工業薬品価格に対抗可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置実施の形態による乳酸生産装置の要部概要説明図である。
【図２】図１の装置を用いて乳酸菌を培養した場合の、培養液中の糖類濃度の変化と、培養による菌数の変化および乳酸生成量の変化、並びに培養開始時の単位容積あたりの菌数と培養時間との関係を説明するためのグラフ図である。
【図３】図２に示す曲線を描く培養工程において、中和剤を一定割合で注入した際のｐＨの変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１　乳酸生成装置
２　培養槽
３　培養液排出手段
４　培養液
５　攪拌機
６　ｐＨ計
７　制御装置
８　中和剤注入装置
９　熱電式温度制御器
９ｂ　ヒーター（培養液温度保持手段）
１２　培養液および乳酸菌投与手段

Claims (6)

1. 糖類および蛋白質を栄養源として含有する培養液中で乳酸菌を培養する培養制御方法において、前記乳酸菌を培養する培養液温度を所定温度範囲に保持する制御と、生成する乳酸によるｐＨの低下を中和剤により中性点と所定ｐＨ値との間に保持する制御とを行い、前記乳酸菌の計数、糖類の定量および生成する前記乳酸の定量の少なくともいずれか１種以上を検出し、前記培養による前記乳酸菌の数が一旦最大値に達し、次いで減少する状態の監視および制御と培養終了時期の決定を行うようにした乳酸菌の培制御養方法。
2. 前記培養液中の前記乳酸菌数と、前記培養液中に残存する糖類量との少なくともいずれかを検出し、前記乳酸菌の数が増大した時点で前記培養液の一部を取り出し、残部の培養液について培養を継続し、次回以降の培養に使用する種菌として前記取り出した培養液から乳酸菌を回収するようにした請求項１記載の乳酸菌の培養制御方法。
3. 前記乳酸菌の菌数の測定方法が、生物発光法、段階希釈法、染色法およびコロニーカウント法から選ばれたいずれかの方法からなる請求項１または２に記載の乳酸菌の培養制御方法。
4. 前記糖類および乳酸の検出方法が、液体クロマトグラフおよびガスクロマトグラフのいずれかの方法である請求項１〜３のいずれかに記載の乳酸菌の培養制御方法。
5. 糖類および蛋白質を栄養源として含有する培養液で乳酸菌を培養する制御装置において、培養槽に、少なくとも攪拌機、培養液温度保持手段、前記培養液および乳酸菌投与手段、培養液排出手段、中和剤注入手段、温度検出手段およびｐＨ検出手段を取り付け、前記温度検知手段の検出信号により前記培養液温度保持手段を制御し、前記ｐＨ検出手段のｐＨ検出信号により前記中和剤注入手段を制御し、少なくとも前記攪拌機、培養液および乳酸菌投与手段並びに培養液排出手段を前記制御装置によって遠隔操作できるようにした乳酸菌の培養制御装置。
6. 前記培養槽に、培養液サンプリング手段並びに前記乳酸菌の菌数測定手段、前記乳酸測定手段および前記糖類測定手段の少なくとも１種以上の測定手段を設け、前記制御装置からの信号により前記培養槽中の前記培養液をサンプリングおよび所定の測定を行い、測定結果を前記制御装置に出力するようにした請求項５記載の乳酸菌の培養制御装置。

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