JP2008199948A - Method for producing continuously fermented product - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微生物または培養細胞による発酵を行いながら、発酵槽から生産物を分離膜で回収し、未ろ過物を発酵槽に戻すことで発酵に関与する微生物または培養細胞濃度を向上させて高い生産性を得る連続発酵において、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜に供給して分離膜のファウリングを洗浄または抑制することを特徴とした連続発酵生産物の製造方法に関する。 The present invention improves the concentration of microorganisms or cultured cells involved in fermentation by recovering the product from the fermenter with a separation membrane while performing fermentation with microorganisms or cultured cells, and returning the unfiltered product to the fermentor. The present invention relates to a method for producing a continuous fermentation product characterized in that, in continuous fermentation for obtaining productivity, a solution containing a polyol having 4 carbon atoms is supplied to a separation membrane to wash or suppress fouling of the separation membrane.
大量消費、大量廃棄の20世紀は終わり、環境調和型社会の構築が求められる21世紀にあっては、循環型資源であるバイオマス資源の活用促進が期待されている。 The end of the 20th century, when mass consumption and mass disposal are over, and in the 21st century, where the creation of an environmentally harmonious society is required, it is expected to promote the utilization of biomass resources, which are recyclable resources.
そこで、微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法に注目が集まっている。発酵法は、大きく(1)バッチ発酵法(Batch発酵法)および流加発酵法(Fed−Batch発酵法)と(2)連続発酵法に分類することができる。(1)のバッチおよび流加発酵法は、設備的には簡素であり、短時間で培養が終了し、雑菌汚染による被害が少ないというメリットがある。しかし、時間経過とともに培養液中の生産物濃度が高くなり、浸透圧あるいは生産物阻害等の影響により生産性および収率が低下してくる。このため、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持するのが困難である。一方、(2)の連続発酵法は、発酵槽内で目的物質が高濃度に蓄積するのを回避することによって、長時間にわたって高収率かつ高生産性を維持できるという特徴がある。アミノ酸発酵においても、L−グルタミン酸(特許文献1)やL−リジン(非特許文献1)の発酵について連続培養法が開示されている。しかし、これらの例では、培養液へ原料の連続的な供給を行うとともに、微生物や細胞を含んだ培養液を抜き出すために、培養液中の微生物や細胞が希釈されることから、生産効率の向上は限定されたものであった。 Therefore, attention has been focused on the fermentation method, which is a material production method involving cultivation of microorganisms and cultured cells. Fermentation methods can be broadly classified into (1) batch fermentation methods (Batch fermentation methods) and fed-batch fermentation methods (Fed-Batch fermentation methods) and (2) continuous fermentation methods. The batch and fed-batch fermentation method of (1) is simple in terms of equipment, and has an advantage that culture is completed in a short time and there is little damage due to contamination with various bacteria. However, the product concentration in the culture solution increases with the passage of time, and the productivity and yield are reduced due to the influence of osmotic pressure or product inhibition. For this reason, it is difficult to stably maintain a high yield and high productivity over a long period of time. On the other hand, the continuous fermentation method (2) is characterized in that a high yield and high productivity can be maintained over a long period of time by avoiding accumulation of the target substance at a high concentration in the fermenter. Also in amino acid fermentation, the continuous culture method is disclosed about fermentation of L-glutamic acid (patent document 1) and L-lysine (non-patent document 1). However, in these examples, since the raw material is continuously supplied to the culture solution and the culture solution containing microorganisms and cells is extracted, the microorganisms and cells in the culture solution are diluted. The improvement was limited.
このことから、連続発酵法において、微生物や培養細胞を分離膜でろ過し、ろ液から生産物を回収すると同時にろ過された微生物や培養細胞を培養液に保持または還流させることで、培養液中の微生物や細胞濃度を高く維持する方法が提案されている。例えば、乳酸菌(ビフィズス菌)を培養するに際し、培地の糖濃度を1〜1.5重量%に調整し、培養により培地中に生成した菌の阻害物質を培養槽に連通して配設したろ過膜を介して除去し、該阻害物質を除去した培養液を培養槽へ循環させると共に、上記ろ過膜を介して除去された部分に相当する液量の新鮮な培地を培養槽へ補給する方法が提案されており、菌体の増殖に応じて培地供給速度を高める必要があることが記載されている(特許文献2)。 Therefore, in the continuous fermentation method, microorganisms and cultured cells are filtered through a separation membrane, and the product is recovered from the filtrate, and at the same time, the filtered microorganisms and cultured cells are retained or refluxed in the culture solution. A method for maintaining high microorganism and cell concentrations has been proposed. For example, when culturing lactic acid bacteria (Bifidobacteria), the sugar concentration of the medium is adjusted to 1 to 1.5% by weight, and the bacterial inhibitor produced in the medium by culture is placed in communication with the culture tank. A method of circulating a culture solution that has been removed through a membrane and removing the inhibitor to a culture tank, and replenishing the culture tank with a fresh amount of liquid corresponding to the portion removed through the filtration membrane. It has been proposed that it is necessary to increase the medium supply rate according to the growth of bacterial cells (Patent Document 2).
しかしながら、菌体が増殖すればするほど、ろ過膜の目詰まりが生じ易くなり、その結果としてろ過量が少なくなって培地供給も滞る。つまり、この方法にあるように、菌体の増殖に応じて培地供給速度を高めるという手法を実現するには、膜面積を極度に広くしておく必要があり、膜の導入コストを考慮すると必ずしも実用的な方法とはいえない。また、特許文献3においては、ろ過膜の目詰まりを回避する方法として、ヨーグルトスターター乳酸菌を連続培養する方法において、培地中の酵母エキス濃度を0.5〜2.0%とし、培養液量に対する1時間当たりの濾過液量の比(希釈率)を1.0以上の一定値を維持するように培養することを特徴とする乳酸菌の高濃度培養方法を開示しているが、培地組成の厳密な管理が必要であり、また、適用可能な微生物が限定されることから、ろ過膜の目詰まりを本質的に解決できる技術とはいえない。
However, the more the cells grow, the more easily the filter membrane is clogged. As a result, the amount of filtration is reduced and the supply of the medium is delayed. That is, as in this method, in order to realize a method of increasing the medium supply rate according to the growth of bacterial cells, the membrane area needs to be extremely wide. It is not a practical method. In
これらの方法において、分離膜には、一般に多孔性分離膜が用いられるが、該膜の目詰りによるろ過流量やろ過効率の低下が大きな問題となっており、このことが本方法の普及の大きな障害となっている。微生物や培養細胞の目詰まりの抑制方法については、分離膜の洗浄やろ過条件の設定などに関する技術が、いくつか提案されているがいずれも十分なものとは言えない。例えば、目詰り防止機能を備えた多孔質膜細管、すなわち、切換弁によって相互に切換えられるろ液取出管と送気管とが連結された多孔質膜細管が内部に配設された培養器又はバイオリアクターを用い、多孔質分離膜の培養液と接触している側と反対の側(多孔質膜細管の内部)から間欠的に通気し、細孔中に沈積する目詰り原因物質を除去することにより、培養を行いながら、微生物又は細胞の培養液より、多孔質分離膜が目詰りを起こすことなく該膜を通して生成物を含む液を効率よく回収する方法(特許文献4)や、微生物を培養するための培養槽中に内蔵させた逆洗可能なフィルターで基質交換させて、培養により生成した代謝物の濃度を低減する方法(特許文献5)、培養液を筒状のフィルター内に通過させて代謝物と菌を分離し、菌体を含む培養液を培養槽へ循環させて連続的に培養を行うための装置(特許文献6)等が知られている。しかし、これらの方法による分離膜の洗浄でも、ろ過時間が長くなると徐々に目詰まりによるファウリングが進行し、遂には通常の洗浄では剥離できないバイオフィルムと呼ばれる不溶性フィルムを形成するに至る。 In these methods, a porous separation membrane is generally used as the separation membrane. However, a decrease in filtration flow rate and filtration efficiency due to clogging of the membrane is a big problem, and this is a big spread of this method. It is an obstacle. As a method for suppressing clogging of microorganisms and cultured cells, several techniques relating to separation membrane cleaning and setting of filtration conditions have been proposed, but none of them is sufficient. For example, an incubator or a bioreactor in which a porous membrane tubule having a clogging prevention function, that is, a porous membrane tubule in which a filtrate extraction tube and an air supply tube that are switched with each other by a switching valve are connected is disposed Using a reactor, intermittently ventilate from the side of the porous separation membrane that is in contact with the culture solution (inside the porous membrane tubule) to remove clogging substances that deposit in the pores. Thus, while culturing, a method for efficiently recovering a liquid containing a product through the membrane without causing clogging of the porous separation membrane from the microorganism or cell culture solution (Patent Document 4) or culturing the microorganism A method of reducing the concentration of metabolites produced by culturing by changing the substrate with a back-washable filter built in the culture tank (Patent Document 5), passing the culture solution through a cylindrical filter Separating metabolites and bacteria Apparatus for carrying out the cultivation solution is allowed continuously cultured circulated to the culture tank containing bacteria (Patent Document 6) are known. However, even when the separation membrane is washed by these methods, fouling due to clogging gradually proceeds as the filtration time becomes longer, and finally an insoluble film called a biofilm that cannot be peeled off by ordinary washing is formed.
このバイオフィルムの形成過程は、コンディションフィルムの形成、コンディションフィルムへの細菌細胞付着、付着した細胞の増殖とそれに伴う細胞外ポリマーの生産、他の細菌、微生物も含めた共同体としてのバイオフィルムの成長を経ることが明らかにされている(非特許文献3)。このようにして形成したバイオフィルムは、「細胞外多糖類マトリックス内に閉じこめられた細菌のミクロコロニーが点在し、その間を水が比較的自由に動けるウオーターチャンネルを含む密度の低いポリマーマトリックスが埋めている」という不均一な構造をしている。しかし、このようなバイオフィルムの形成過程や形成されたバイオフィルムの構造に基づくファウリングの洗浄または抑制方法は開発されておらず、依然として分離膜のファウリングの問題を解決するための技術革新が望まれていた。
本発明は、従来の技術の上述した問題点に鑑み、分離膜を用いた連続発酵において、分離膜のファウリングを洗浄または抑制する方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for washing or suppressing fouling of a separation membrane in continuous fermentation using the separation membrane in view of the above-described problems of the conventional technology.
上記課題を解決するための本発明は、下記(1)〜(5)の構成によって達成される。
(1)連続発酵によって得られる生産物を分離膜でろ過する連続発酵生産物の製造方法において、炭素数4のポリオールを0.1重量%以上50重量%以下で含有する溶液を分離膜に供給する工程を有することを特徴とする連続発酵生産物の製造方法。
(2)0.1重量%以上10重量%以下で炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜の1次側から供給する(1)に記載の連続発酵生産物の製造方法。
(3)炭素数4のポリオールを培地に混入させて導入する(2)に記載の連続発酵生産物の製造方法。
(4)1重量%以上50重量%以下で炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜の2次側から供給する(1)に記載の連続発酵生産物の製造方法。
(5)炭素数4のポリオールがエリスリトールである(1)〜(4)のいずれかに記載の連続発酵生産物の製造方法。
The present invention for solving the above problems is achieved by the following configurations (1) to (5).
(1) In a method for producing a continuous fermentation product in which a product obtained by continuous fermentation is filtered through a separation membrane, a solution containing 0.1 to 50% by weight of a C4 polyol is supplied to the separation membrane. The manufacturing method of the continuous fermentation product characterized by having the process to do.
(2) The method for producing a continuous fermentation product according to (1), wherein a solution containing 0.1 to 10% by weight of a polyol having 4 carbon atoms is supplied from the primary side of the separation membrane.
(3) The method for producing a continuous fermentation product according to (2), wherein a polyol having 4 carbon atoms is introduced in a medium.
(4) The method for producing a continuous fermentation product according to (1), wherein a solution containing a polyol having a carbon number of 1 to 50% by weight is supplied from the secondary side of the separation membrane.
(5) The method for producing a continuous fermentation product according to any one of (1) to (4), wherein the polyol having 4 carbon atoms is erythritol.
本発明によれば、分離膜を用いた連続発酵において、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜に供給することにより分離膜のファウリングが洗浄または抑制され、高い生産性を示す連続発酵生産物の製造方法が提供される。炭素数4のポリオールは、分離膜表面やファウリング物質に吸着してファウリング物質と分離膜との相互作用、特に凝集を防止することによりファウリングの進行を抑制し、さらに分離膜に吸着または/および凝集したファウリング物質の内部にまで浸透してファウリング物質を剥離させやすくする。 According to the present invention, in continuous fermentation using a separation membrane, fouling of the separation membrane is washed or suppressed by supplying a solution containing a polyol having 4 carbon atoms to the separation membrane, and continuous fermentation showing high productivity. A method of manufacturing a product is provided. The polyol having 4 carbon atoms is adsorbed on the surface of the separation membrane and the fouling substance to suppress the interaction between the fouling substance and the separation membrane, in particular, aggregation, thereby suppressing the progress of fouling, and is further adsorbed on the separation membrane. / And penetrates into the inside of the agglomerated fouling material to facilitate separation of the fouling material.
また、炭素数4のポリオールは、バイオフィルム外部の浸透圧を高めることで、バイオフィルム中のウオーターチャンネルを遮断して内部構造を崩壊させ、バイオフィルムを除去させやすくする。さらに、炭素数4のポリオールは、それ自身が微生物や培養細胞によって代謝されにくいため、培養槽の環境を大きく変化させることなくファウリングの洗浄または抑制を行うことができる。従って、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜に供給することにより、長期間安定して連続発酵生産物の製造を行うことが可能になる。 In addition, the polyol having 4 carbon atoms increases the osmotic pressure outside the biofilm, thereby blocking the water channel in the biofilm, causing the internal structure to collapse and facilitating removal of the biofilm. Furthermore, since the polyol having 4 carbon atoms is not easily metabolized by microorganisms or cultured cells, fouling can be washed or suppressed without greatly changing the environment of the culture tank. Therefore, by supplying a solution containing a polyol having 4 carbon atoms to the separation membrane, it is possible to stably produce a continuous fermentation product for a long period of time.
本発明では、長期間の連続発酵によって生産物の製造を行う際に生じる分離膜のファウリングの洗浄や抑制のために、炭素数4のポリオールを含有する溶液を使用する。 In the present invention, a solution containing a polyol having 4 carbon atoms is used for cleaning and suppressing fouling of a separation membrane that occurs when a product is produced by long-term continuous fermentation.
本発明における連続発酵とは、発酵原料を発酵槽に添加しながら、発酵槽中の微生物や培養細胞などで発酵を行い、生じる発酵生産物を分離膜によって回収する一連の操作を並行して実施する方法である。各操作条件は、生産効率が最大になるように予め最適値に設定されるが、装置や設備の保全、生産効率の改善などを目的に運転中に変更されることもあり得る。なお、各操作はそれぞれ独立に制御することが可能であり、例えばろ過操作のみを一定期間停止する一方で発酵原料の添加や発酵を行うこともできる。また、発酵原料の添加や分離膜によるろ過を連続的あるいは断続的に実施しても良い。本発明の連続発酵では、原料培養液に後述する菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。従って、各操作条件の変更、不連続性は、発酵原料、微生物や培養細胞、発酵装置、設備および発酵生産物などに応じて自由に選択されるものであり、連続発酵の態様を損なうものではない。 In the present invention, continuous fermentation is performed in parallel with a series of operations for performing fermentation with microorganisms or cultured cells in the fermenter while collecting the fermentation raw material in the fermenter, and collecting the resulting fermentation product with a separation membrane. It is a method to do. Each operation condition is set to an optimum value in advance so that the production efficiency is maximized, but may be changed during operation for the purpose of maintenance of equipment and facilities, improvement of production efficiency, and the like. Each operation can be controlled independently. For example, while only the filtration operation is stopped for a certain period, the fermentation raw material can be added or fermented. Moreover, you may implement the addition of a fermentation raw material, and filtration with a separation membrane continuously or intermittently. In the continuous fermentation of the present invention, nutrients necessary for cell growth described later may be added to the raw material culture solution so that the cell growth is continuously performed. Therefore, the change of each operation condition and discontinuity are freely selected according to the fermentation raw material, microorganisms and cultured cells, fermentation apparatus, equipment, fermentation product, etc., and do not impair the mode of continuous fermentation. Absent.
本発明における炭素数4のポリオールとは、分子を構成する炭素原子が4つであり、分子中に複数個の水酸基を有するものであれば特に限定されない。ただし、発酵を司る微生物や培養細胞、得られる発酵生産物などと強く相互作用して、連続発酵を継続できなくしてしまうものは不都合であり、予備実験等で予め使用する炭素数4のポリオールを決定しておくと良い。 The polyol having 4 carbon atoms in the present invention is not particularly limited as long as it has 4 carbon atoms constituting the molecule and has a plurality of hydroxyl groups in the molecule. However, it is inconvenient if it interacts strongly with the microorganisms and culture cells that control fermentation, the fermentation products obtained, etc., and the continuous fermentation cannot be continued. It is good to decide.
炭素数4のポリオールの中で、エリスリトールは広範囲のpHにおいて安定で、水に対する溶解性が高く、溶解した後も溶液の粘度が低いため特に好ましく用いられる。ここで、水に対する溶解性が高いと、バイオフィルム外部の浸透圧を高めやすく、バイオフィルム中のウオーターチャンネルの遮断効果が高い。そして、溶液の粘度が低いと、分離膜におけるろ過抵抗を低く抑えることができるため、ろ過効率が高くなる。エリスリトールには、L体、D体およびメソ体の3種類の異性体が存在するが、本発明ではいずれのものも好ましく用いられ、それらは単独で使用されても混合物で使用されても良い。 Among the polyols having 4 carbon atoms, erythritol is particularly preferably used because it is stable in a wide range of pH, has high solubility in water, and has a low viscosity after being dissolved. Here, when the solubility in water is high, the osmotic pressure outside the biofilm is easily increased, and the water channel blocking effect in the biofilm is high. And when the viscosity of a solution is low, since the filtration resistance in a separation membrane can be restrained low, filtration efficiency becomes high. Erythritol has three types of isomers, L-form, D-form and meso-form, and any of them is preferably used in the present invention, and these may be used alone or in a mixture.
炭素数4のポリオールは、水などの媒体に溶解させて溶液とすることが取り扱いの簡便さの観点から好ましい。このような炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜に供給することによりファウリングの洗浄や抑制を簡便に行える。 The polyol having 4 carbon atoms is preferably dissolved in a medium such as water to form a solution from the viewpoint of easy handling. By supplying such a solution containing a polyol having 4 carbon atoms to the separation membrane, fouling can be easily washed and suppressed.
炭素数4のポリオールを含有する溶液は、分離膜の1次側(原水側)から供給されても、2次側(透過側)から供給されてもファウリングの洗浄または抑制効果を発現する。溶液中の炭素数4のポリオール濃度が高くなるほど、ファウリングの洗浄または抑制効果が高くなるが、発酵槽中の発酵原料が凝集沈殿するなどして濃度が低下し、発酵速度が低下する傾向にある。このため、発酵速度を低下させることなく、ファウリングの洗浄または抑制効果を発現させるために、炭素数4のポリオールを0.1重量%以上50重量%以下で含有する溶液を用いる。 The solution containing a polyol having 4 carbon atoms exhibits a fouling cleaning or suppressing effect whether supplied from the primary side (raw water side) or the secondary side (permeation side) of the separation membrane. The higher the C4 polyol concentration in the solution, the higher the fouling washing or suppression effect, but the concentration decreases as the fermentation raw material in the fermenter aggregates and precipitates, and the fermentation rate tends to decrease. is there. For this reason, in order to express the effect of washing or suppressing fouling without reducing the fermentation rate, a solution containing 0.1 to 50% by weight of a C4 polyol is used.
ここで、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜の1次側から供給する場合には、連続的、断続的または一定間隔毎に実施することができる。連続的に供給するなど、長期間にわたって供給する場合には、炭素数4のポリオールが分離膜近傍に滞留し、分離膜やファウリング物質と吸脱着を繰り返し、ファウリング物質と分離膜との相互作用を低減するため分離膜のファウリングの進行を抑制することができる。この場合、ファウリングの進行によって生成するバイオフィルムを予防する効果があるため、バイオフィルムの洗浄を目的とした場合に比べて炭素数4のポリオールの濃度を低くすることができる。また、1次側から供給する場合は発酵槽中の発酵液と混和するため、系投入時に比べて分離膜に到達する溶液中の炭素数4のポリオールの濃度は低下する。系投入時に高濃度の炭素数4のポリオールを含有する溶液を使用すると、発酵槽中に沈殿を生じる、発酵原料と吸着して発酵を阻害するなどの懸念があるので、ファウリングの抑制効果が現れる範囲でできるだけ炭素数4のポリオールを低濃度とすることが好ましい。この観点から、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜の1次側から供給する場合には、炭素数4のポリオールを0.1重量%以上10重量%以下とすることが好ましく、さらには0.1重量%以上5重量%以下とすることが好ましい。ファウリング抑制効果を高めるためには、1重量%以上5重量%以下とすることが好ましい。 Here, when the solution containing the polyol having 4 carbon atoms is supplied from the primary side of the separation membrane, it can be carried out continuously, intermittently or at regular intervals. When supplying continuously over a long period of time, such as continuously supplying, the polyol having 4 carbon atoms stays in the vicinity of the separation membrane, and repeats adsorption / desorption with the separation membrane and the fouling material, so that the fouling material and the separation membrane interact with each other. In order to reduce the action, the progress of fouling of the separation membrane can be suppressed. In this case, since there is an effect of preventing the biofilm generated by the progress of fouling, the concentration of the polyol having 4 carbon atoms can be lowered as compared with the case of cleaning the biofilm. Moreover, since it mixes with the fermented liquor in a fermenter when supplying from a primary side, the density | concentration of the C4 polyol in the solution which reaches | attains a separation membrane falls compared with the time of system | strain introduction. When a solution containing a high-concentration C4 polyol is used at the time of charging the system, there is a concern that precipitation occurs in the fermentor, adsorbing with the fermentation raw material and inhibiting fermentation, etc. It is preferable to make the polyol having a carbon number as low as possible within the range where it appears. From this viewpoint, when a solution containing a polyol having 4 carbon atoms is supplied from the primary side of the separation membrane, the polyol having 4 carbon atoms is preferably 0.1% by weight or more and 10% by weight or less. Is preferably 0.1 wt% or more and 5 wt% or less. In order to enhance the fouling suppressing effect, the content is preferably 1% by weight or more and 5% by weight or less.
炭素数4のポリオールを含有する溶液の分離膜の1次側への供給方法としては、炭素数4のポリオールを培地に混入させて発酵槽中に導入する方法が簡便なため好ましい。培地に混入させた炭素数4のポリオールは、発酵槽中で他の発酵液により希釈されることを予め勘案して濃度を調製すれば良い。上述した懸念を考慮すると、最終的に分離膜に供給される時の炭素数4のポリオール濃度が、0.1重量%以上10重量%以下となるように培地を調製することが好ましい。 As a method for supplying a solution containing a polyol having 4 carbon atoms to the primary side of the separation membrane, a method in which a polyol having 4 carbon atoms is mixed into a culture medium and introduced into a fermenter is preferable. The concentration of the polyol having 4 carbon atoms mixed in the medium may be adjusted in advance considering that it is diluted with another fermentation broth in the fermenter. In consideration of the above-mentioned concerns, it is preferable to prepare the medium so that the concentration of the polyol having 4 carbon atoms when finally supplied to the separation membrane is 0.1 wt% or more and 10 wt% or less.
また、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜の2次側から供給する場合には、連続的に実施することは難しいが、断続的または一定間隔毎には実施することができる。2次側から供給する場合は、炭素数4のポリオールを含有する溶液を圧送して供給することによる物理力でもバイオフィルムの除去あるいは除去促進が期待できる。ここで、炭素数4のポリオールの濃度を高くすれば、該溶液の供給時間や頻度を低減することができるため、ろ過工程への負荷が小さく、回収率を高くすることができる。このため、炭素数4のポリオールを含有する溶液を分離膜の2次側から供給する場合には、炭素数4のポリオールを1重量%以上50重量%以下とすることが好ましく、5重量%以上50重量%以下とすることがさらに好ましい。ろ過工程への負荷を下げるには40重量%以下とすることがより好ましく、30重量%以下とすることがさらに好ましい。 Further, when a solution containing a polyol having 4 carbon atoms is supplied from the secondary side of the separation membrane, it is difficult to carry out continuously, but it can be carried out intermittently or at regular intervals. In the case of supplying from the secondary side, removal or promotion of removal of the biofilm can be expected even by physical force by feeding and supplying a solution containing a polyol having 4 carbon atoms. Here, if the concentration of the polyol having 4 carbon atoms is increased, the supply time and frequency of the solution can be reduced, so that the load on the filtration step is small and the recovery rate can be increased. For this reason, when a solution containing a polyol having 4 carbon atoms is supplied from the secondary side of the separation membrane, the polyol having 4 carbon atoms is preferably 1% by weight or more and 50% by weight or less, preferably 5% by weight or more. More preferably, it is 50% by weight or less. In order to reduce the load on the filtration step, the content is more preferably 40% by weight or less, and further preferably 30% by weight or less.
本発明で使用する発酵原料としては、微生物や培養細胞の生育を促進し、目的の連続発酵生産物を生産するものであれば良いが、炭素源、窒素源、無機塩類および必要に応じてアミノ酸、ビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する通常の液体培地が良い。炭素源としては、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトースなどの炭素数6または12の糖類、これら糖類を主成分とする澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、さらには酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンなども使用される。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ヘプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩等を適宜添加することができる。なお、本発明で使用する微生物や発酵細胞が生育のために特定の栄養素を必要とする場合にはその栄養素を標品もしくはそれを含有する天然物として添加する。また、消泡剤も必要に応じて使用する。本発明において、培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液のことを言い、追加する発酵原料の組成は、目的とする連続発酵生産物の生産性が高くなるように、培養開始時の発酵原料組成から適宜変更しても良い。 The fermentation raw material used in the present invention may be any material that promotes the growth of microorganisms and cultured cells and produces the desired continuous fermentation product, but includes a carbon source, a nitrogen source, inorganic salts, and, if necessary, an amino acid. Ordinary liquid medium containing organic micronutrients such as vitamins as appropriate is preferable. Examples of the carbon source include saccharides having 6 or 12 carbon atoms such as glucose, sucrose, fructose, galactose, and lactose, starch saccharified solution containing these saccharides as a main component, sweet potato molasses, sugar beet molasses, and organic acids such as acetic acid, ethanol Alcohols such as glycerin are also used. Nitrogen sources include ammonia gas, aqueous ammonia, ammonium salts, urea, nitrates, and other supplementary organic nitrogen sources such as oil cakes, soybean hydrolysates, casein degradation products, other amino acids, vitamins, Corn steep liquor, yeast or yeast extract, meat extract, peptides such as hepton, various fermented cells and hydrolysates thereof are used. As inorganic salts, phosphates, magnesium salts, calcium salts, iron salts, manganese salts, and the like can be appropriately added. In addition, when the microorganisms or fermented cells used in the present invention require specific nutrients for growth, the nutrients are added as preparations or natural products containing them. An antifoaming agent is also used as necessary. In the present invention, the culture liquid refers to a liquid obtained as a result of growth of microorganisms or cultured cells on the fermentation raw material, and the composition of the added fermentation raw material increases the productivity of the intended continuous fermentation product. Moreover, you may change suitably from the fermentation raw material composition at the time of a culture | cultivation start.
本発明では、培養液中の糖類濃度は5g/L以下に保持される様にするのが好ましい。その理由は、培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。微生物の培養は通常pH4−8、温度20−40℃の範囲で行われる。培養液のpHは無機あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウム、アンモニアガスなどによって上記範囲内の予め定められた値に調節する。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を21%以上に保つ、あるいは培養を加圧する、攪拌速度を上げる、通気量を上げるなどの手段を用いることができる。 In the present invention, the saccharide concentration in the culture solution is preferably maintained at 5 g / L or less. The reason is to minimize the loss of saccharide due to withdrawal of the culture solution. Microorganisms are usually cultured in the range of pH 4-8 and temperature 20-40 ° C. The pH of the culture solution is adjusted to a predetermined value within the above range with an inorganic or organic acid, an alkaline substance, urea, calcium carbonate, ammonia gas, or the like. If it is necessary to increase the oxygen supply rate, means such as adding oxygen to the air to keep the oxygen concentration at 21% or higher, pressurizing the culture, increasing the stirring rate, or increasing the aeration rate can be used.
本発明の発酵初期にBatch培養またはFed−Batch培養を行って微生物濃度を高くした後に連続発酵を開始しても良いし、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続発酵を行っても良い。適当な時期から原料培養液の供給及び発酵生産物の引き抜きを行うことが可能である。培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、培養液の環境が微生物または培養細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが効率よい生産性を得るのに好ましく、一例として、乾燥重量として5g/L以上に維持することで良好な生産効率が得られる。 Continuous fermentation may be started after microbial concentration is increased by performing Batch culture or Fed-Batch culture in the early stage of fermentation of the present invention, or high concentration bacterial cells may be seeded and continuous fermentation may be performed at the start of culture. good. It is possible to supply the raw material culture solution and extract the fermentation product from an appropriate time. The concentration of microorganisms or cultured cells in the culture solution should be maintained at a high level so that the environment of the culture solution is not suitable for the growth of microorganisms or cultured cells and the rate of death does not increase. As an example, good production efficiency can be obtained by maintaining the dry weight at 5 g / L or more.
本発明で使用される微生物や培養細胞については特に限定されないが、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞、昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。 The microorganisms and cultured cells used in the present invention are not particularly limited. For example, yeasts such as baker's yeast often used in the fermentation industry, bacteria such as Escherichia coli and coryneform bacteria, filamentous fungi, actinomycetes, animal cells, Examples include insect cells. The microorganisms and cells used may be those isolated from the natural environment, or may be those whose properties have been partially modified by mutation or genetic recombination.
本発明では、炭素数4のポリオールを分離膜のファウリングの洗浄または抑制に使用する。このため、微生物や培養細胞は、炭素数4のポリオールを炭素源として利用しにくいことが望ましく、全く利用しないことが最良である。さらに、微生物や培養細胞が、炭素数4のポリオールと相互作用して連続発酵が阻害される場合は不都合であるため、予め使用する微生物や培養細胞を実験的に決定しておくと良い。 In the present invention, a polyol having 4 carbon atoms is used for cleaning or suppressing fouling of the separation membrane. For this reason, it is desirable that microorganisms and cultured cells are difficult to use polyols having 4 carbon atoms as a carbon source, and it is best not to use them at all. Furthermore, since it is inconvenient if microorganisms and cultured cells interact with a polyol having 4 carbon atoms to inhibit continuous fermentation, it is preferable to experimentally determine microorganisms and cultured cells to be used in advance.
本発明における連続発酵生産物としては、上記微生物や細胞が培養液中に生産する物質であれば特に限定されないが、アルコール、有機酸、アミノ酸、核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。また、本発明は、酵素、抗生物質、組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。例えば、アルコールとしては、エタノール、1,4−ブタンジオールなど、有機酸としては、酢酸、乳酸、コハク酸、リンゴ酸などを挙げることができる。 The continuous fermentation product in the present invention is not particularly limited as long as it is a substance produced by the microorganism or cell in the culture solution, but examples include substances that are mass-produced in the fermentation industry, such as alcohols, organic acids, amino acids, and nucleic acids. be able to. The present invention can also be applied to the production of substances such as enzymes, antibiotics, and recombinant proteins. For example, examples of the alcohol include ethanol and 1,4-butanediol, and examples of the organic acid include acetic acid, lactic acid, succinic acid, and malic acid.
本発明で用いられる分離膜は、発酵に使用する微生物および培養細胞による目詰まりが起こりにくく、かつ濾過性能が長期間安定に継続することが望ましい。このため、本発明で使用される分離膜は、培養液や発酵生産物の性状などを考慮して選択すれば良いが、表面細孔径が0.01μm以上1μm以下のものが好ましく用いられる。多孔質樹脂層が多孔性膜の両面に存在する場合、少なくとも一方の多孔質樹脂層が、この条件を満たしていれば良い。表面細孔径がこの範囲内にあると、菌体がリークすることのない高い排除率と、高い透水性を両立でき、さらに目詰まりしにくく、透水性を長時間保持することができる。また、平均細孔径がこの範囲内にあれば、動物細胞、酵母、糸状菌などを用いた場合、目詰まりが少なく、また、細胞のろ液への漏れもなく安定に連続発酵が実施可能である。 It is desirable that the separation membrane used in the present invention is less likely to be clogged by microorganisms and cultured cells used for fermentation, and that the filtration performance continues stably for a long period of time. For this reason, the separation membrane used in the present invention may be selected in consideration of the properties of the culture solution and the fermentation product, but those having a surface pore diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less are preferably used. When the porous resin layer is present on both surfaces of the porous membrane, it is sufficient that at least one of the porous resin layers satisfies this condition. When the surface pore diameter is within this range, it is possible to achieve both a high exclusion rate at which bacterial cells do not leak and a high water permeability, and it is difficult to clog, and the water permeability can be maintained for a long time. Also, if the average pore diameter is within this range, when animal cells, yeast, filamentous fungi, etc. are used, there is little clogging and stable continuous fermentation can be performed without leakage of the cells into the filtrate. is there.
ここで、動物細胞、酵母、糸状菌より小さな細菌類を用いた場合は、0.4μm以下の表面細孔径であることが好ましく、0.2μm以下の表面細孔径であればさらに好ましい。表面細孔径は、小さすぎると透水性が低下する傾向にあるため、通常は0.02μm以上が好ましく、より好ましくは0.04μm以上である。ここで、表面細孔径は、走査型電子顕微鏡を用いて倍率30,000倍で写真撮影し、10個以上、好ましくは20個以上の任意の細孔の直径を測定し、数平均して求める。細孔が円状でない場合、画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円(等価円)を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求められる。 Here, when bacteria smaller than animal cells, yeast and filamentous fungi are used, the surface pore diameter is preferably 0.4 μm or less, and more preferably 0.2 μm or less. If the surface pore diameter is too small, the water permeability tends to decrease. Therefore, it is usually preferably 0.02 μm or more, and more preferably 0.04 μm or more. Here, the surface pore diameter is obtained by taking a photograph with a scanning electron microscope at a magnification of 30,000, measuring the diameters of arbitrary pores of 10 or more, preferably 20 or more, and averaging the numbers. . When the pores are not circular, a circle having an area equal to the area of the pores (equivalent circle) is obtained by an image processing device or the like, and the equivalent circle diameter is obtained by the method of setting the diameter of the pores.
本発明で用いられる分離膜の材質は、被処理水の水質や用途に応じた分離性と透水性が得られれば特に限定されないが、阻止性、透水性や耐汚れ性といった分離性能の点からは多孔質樹脂層を含む多孔性膜であることが好ましい。また、セルロース繊維、セルローストリアセテート繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維を用いてなる織布や不織布や、無機材料からなる多孔質基材と多孔質樹脂層とから形成されたものでも良い。また、有機高分子膜を使用することもできるが、有機高分子膜は、基本的に有機ポリマー材料から構成される分離膜のことであり、例えば、有機繊維の不織布やマクロポア構造多孔質有機基材と当該多孔質有機基材の孔径より小さな孔径を有する多孔質樹脂層が複合化された構造を持つ場合も多い。ただし、本発明は、この膜の構造に限定されるものではない。 The material of the separation membrane used in the present invention is not particularly limited as long as separability and water permeability according to the quality of water to be treated and the use can be obtained, but from the viewpoint of separation performance such as blocking performance, water permeability and dirt resistance. Is preferably a porous film including a porous resin layer. In addition, woven fabrics and non-woven fabrics made of organic fibers such as cellulose fibers, cellulose triacetate fibers, polyester fibers, polypropylene fibers, and polyethylene fibers, and porous substrates and inorganic resin layers made of inorganic materials But it ’s okay. An organic polymer membrane can also be used, but the organic polymer membrane is a separation membrane basically composed of an organic polymer material, such as a nonwoven fabric of organic fibers or a porous organic group having a macropore structure. In many cases, a material and a porous resin layer having a pore diameter smaller than that of the porous organic base material are combined. However, the present invention is not limited to this film structure.
ここで、多孔質樹脂層の材質としては、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂、セルローストリアセテート系樹脂などが例示できるが、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物であっても良い。中でも、溶液による製膜が容易で、物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂が好ましい。特に、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはそれを主成分とするものが最も好ましい。ここで、ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体が好ましく用いられるが、フッ化ビニリデンの単独重合体の他、フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体との共重合体も好ましく用いられる。かかるビニル系単量体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、三塩化フッ化エチレンなどが挙げられる。 Here, the material of the porous resin layer includes polyethylene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene fluoride resin, polysulfone resin, polyethersulfone resin, polyacrylonitrile resin, and cellulose resin. Cellulose triacetate resins can be exemplified, but a mixture of resins mainly composed of these resins may be used. Among these, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene fluoride resin, polysulfone resin, polyethersulfone resin, and polyacrylonitrile resin, which are easy to form in solution and have excellent physical durability and chemical resistance, are available. preferable. In particular, a polyvinylidene fluoride resin or a resin containing the same as a main component is most preferable. Here, as the polyvinylidene fluoride-based resin, a homopolymer of vinylidene fluoride is preferably used. In addition to a homopolymer of vinylidene fluoride, a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride is used. A polymer is also preferably used. Examples of such vinyl monomers include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and trichlorofluoroethylene.
本発明の分離膜は、平膜であっても中空糸膜であっても良い。平膜の場合、その厚みは用途に応じて適宜選択されるが、例えば、20μm以上5000μm以下、好ましくは50μm以上2000μm以下の範囲で選択される。上述したように、多孔質基材と多孔質樹脂層とから形成されていても良い。その際、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していても、多孔質基材に多孔質樹脂層が浸透していなくてもどちらでも良く、用途に応じて選択される。多孔質基材の厚みは、50μm以上3000μm以下の範囲で選択される。中空糸膜の場合、内径は200μm以上5000μm以下の範囲で選択され、膜厚は20μm以上2000μm以下の範囲で選択される。また、有機繊維または無機繊維を筒状にした織物や編み物を含んでいても良い。 The separation membrane of the present invention may be a flat membrane or a hollow fiber membrane. In the case of a flat membrane, the thickness is appropriately selected depending on the application, but for example, it is selected in the range of 20 μm to 5000 μm, preferably 50 μm to 2000 μm. As described above, it may be formed of a porous substrate and a porous resin layer. At that time, either the porous resin layer permeates the porous base material or the porous resin layer does not permeate the porous base material, and it is selected according to the application. The thickness of the porous substrate is selected in the range of 50 μm to 3000 μm. In the case of a hollow fiber membrane, the inner diameter is selected in the range of 200 μm to 5000 μm, and the film thickness is selected in the range of 20 μm to 2000 μm. Moreover, the woven fabric and knitting which made the organic fiber or the inorganic fiber the cylinder shape may be included.
以下、本発明をさらに詳細に説明するために、連続的なピルビン酸の発酵生産工程に本発明を適用した実施例を挙げて説明する。図1に示す装置を用い、ピルビン酸を生産させる微生物として酵母トルロプシス・グラブラータ(Torulopsis glabrata)のうち、トルロプシス・グラブラータP120−5a株(FERM P−16745)を用いた。 Hereinafter, in order to describe the present invention in more detail, an example in which the present invention is applied to a continuous production process of pyruvic acid will be described. The apparatus shown in FIG. 1 was used, and among the yeast Torulopsis glabrata, Torulopsis glabrata strain P120-5a (FERM P-16745) was used as a microorganism for producing pyruvic acid.
まず、上記P120−5a株を試験管内で5mlのピルビン酸発酵培地(グルコース100g/L、硫酸アンモニウム5g/L、リン酸二水素カリウム1g/L、硫酸マグネシウム7水和物0.5g/Lを主成分とする)で一晩振とう培養した。得られた培養液を新鮮なピルビン酸発酵培地100mlに植菌し、500ml容坂口フラスコで24時間、30℃で振とう培養した。 First, the above P120-5a strain was added mainly to 5 ml of pyruvic acid fermentation medium (glucose 100 g / L, ammonium sulfate 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 1 g / L, magnesium sulfate heptahydrate 0.5 g / L in a test tube. Ingredients) and cultured overnight with shaking. The obtained culture solution was inoculated into 100 ml of a fresh pyruvate fermentation medium, and cultured with shaking in a 500 ml Sakaguchi flask at 30 ° C. for 24 hours.
得られた培養液を、1.5Lのピルビン酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽2に加え、付属の攪拌手段6によって800rpmで攪拌し、発酵反応槽2の通気量の調整、温度調整を行い、48時間回分培養を行った。培地の滅菌については、培養立ち上げ時についてのみ、発酵反応槽2ごと高圧蒸気滅菌(121℃、15分)で滅菌した。膜分離装置10の分離膜としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性平膜を用いた。培養液のpH調整はpHセンサー3を用い、4N NaOH水溶液を発酵反応槽2に直接添加することでpH5.5に調整した。この後、培地貯留槽1内に、ビタミンなどの微量成分や硫酸アンモニウムを除いたピルビン酸発酵培地を調製した。これに水酸化ナトリウムを添加し、水酸化ナトリウム濃度5g/Lのピルビン酸発酵培地を準備した。これを培地供給ポンプ7を用いて、4.5L/日の流量で発酵反応槽2に連続供給するとともに、別途滅菌したビタミンなどの微量成分や硫酸アンモニウムも連続供給した。発酵反応槽2での発酵液量が1.5Lとなるように、膜分離装置10での膜透過液量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるピルビン酸の製造を行った。膜分離装置10の膜面積は120cm2であり、膜ろ過流束は0.375m3/m2・日であった。発酵開始から、徐々に膜間差圧が上昇し、発酵開始2日後には膜間差圧が5kPaを超えたため、膜ろ過運転が継続できなくなった。
The obtained culture solution is inoculated into a 1.5 L pyruvic acid fermentation medium, added to the
そこで、炭素数4のポリオール12として30重量%エリスリトール水溶液10Lを、膜分離装置10の2次側から添加手段4を用いて5kPaで圧送することにより逆流洗浄を実施した。その後、膜ろ過運転を再開した結果、膜間差圧0.3kPaでろ過を開始することができた。すなわち、エリスリトールを含む溶液で逆流洗浄することにより、分離膜のファウリングを洗浄して除去することができることが分かった。
Therefore, backwashing was performed by feeding 10 L of 30 wt% erythritol aqueous solution as a
次に、上述した培地に炭素数4のポリオール12としてエリスリトールを第2添加手段5を用いて添加し、連続発酵を行っている間の発酵槽中のエリスリトールが5重量%となるように調製した。このエリスリトールを添加した培地を用いた以外は上述した方法と同様にして連続発酵を行った。5日間の連続発酵を膜ろ過流束は0.375m3/m2・日の条件下で行ったが、膜間差圧は0.3〜0.5kPaと安定に推移した。すなわち、エリスリトールを含む培地を発酵槽、ひいては分離膜に供給することにより、分離膜のファウリングを抑制することができることが分かった。
Next, erythritol was added as a
最後に、エリスリトールを添加しない培地を用いて、再度同様の連続発酵を試みたが、発酵開始2日後には膜間差圧が5kPaを超え、膜ろ過運転が継続できなくなった。 Finally, the same continuous fermentation was tried again using a medium to which erythritol was not added. However, after 2 days from the start of fermentation, the transmembrane pressure difference exceeded 5 kPa, and the membrane filtration operation could not be continued.
1:培地貯留槽
2:発酵反応槽
3:pHセンサー
4:添加手段
5:第2添加手段
6:攪拌手段
7:培地供給ポンプ
8:培地供給配管
9:濾液排出ポンプ
10:膜分離装置
11:環流ポンプ
12:炭素数4のポリオール
1: Medium storage tank 2: Fermentation reaction tank 3: pH sensor 4: Addition means 5: Second addition means 6: Stirring means 7: Medium supply pump 8: Medium supply pipe 9: Filtrate discharge pump 10: Membrane separator 11: Circulation pump 12: C4 polyol
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| JP2007038970A Pending JP2008199948A (en) | 2007-02-20 | 2007-02-20 | Method for producing continuously fermented product |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008199948A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012036003A1 (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-22 | 東レ株式会社 | Production method for chemicals by continuous fermentation |
-
2007
- 2007-02-20 JP JP2007038970A patent/JP2008199948A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012036003A1 (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-22 | 東レ株式会社 | Production method for chemicals by continuous fermentation |
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