JP2008125456A - Method of continuous culture and device of continuous culture - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機酸等を製造するための連続発酵培養系において、培地及び培養系の滅菌環境を維持するために有効な連続培養方法及び連続培養装置に関する。 The present invention relates to a continuous culture method and a continuous culture apparatus effective for maintaining a sterilization environment of a culture medium and a culture system in a continuous fermentation culture system for producing an organic acid and the like.
細菌や菌類などの微生物や動物細胞などの培養細胞の培養を伴う物質生産方法もしくは菌体生産方法である発酵法は、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及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。 Fermentation methods, which are substance production methods or cell production methods that involve cultivation of microorganisms such as bacteria and fungi, and cultured cells such as animal cells, are largely divided into (1) batch fermentation methods (Batch fermentation methods) and fed-batch fermentation methods ( Fed-Batch fermentation method) and (2) continuous fermentation method. 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 time, and the productivity and yield decrease 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.
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長がある。しかし、(1)の方法とは異なり、連続発酵法では長期間にわたって連続的に培地を供給する必要があるため、滅菌を培養開始時だけでなく培養期間中も随時実施していく必要がある。 On the other hand, the continuous fermentation method (2) has a feature 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. However, unlike the method of (1), in the continuous fermentation method, it is necessary to continuously supply a medium over a long period of time, so sterilization needs to be performed not only at the start of culture but also during the culture period. .
培地や培養装置を滅菌する方法としては、高圧蒸気を用いて滅菌する方法が一般的にとられている。この高圧蒸気滅菌法は、高圧蒸気を製造し供給するために大量のボイラーを併設する必要があり、用役コストが非常に高く、滅菌対象容器および配管は耐圧容器とする必要があり、しかも、配管をもれなく滅菌するためには極めて繁雑な操作を必要とする。しかし、微生物培養においては雑菌の混入を防止することは必要不可欠であるため、滅菌を避けて通ることができず、より簡易で安価な滅菌方法の開発が求められている。 As a method for sterilizing a culture medium or a culture apparatus, a method of sterilization using high-pressure steam is generally used. In this high-pressure steam sterilization method, it is necessary to install a large amount of boilers in order to produce and supply high-pressure steam, the utility cost is very high, the sterilization target container and piping need to be pressure-resistant containers, In order to completely sterilize the piping, extremely complicated operations are required. However, since it is indispensable to prevent contamination with microorganisms in microbial culture, it is impossible to avoid sterilization and development of a simpler and cheaper sterilization method is required.
そこで、特許文献1には、連続培養中における雑菌汚染を防止するために、滅菌手段として除菌フィルターを配管途中に設ける方法が提案されている。しかし、この方法では、ユニット間の滅菌が不十分となり易く、培養系に悪影響を与える可能性があるほか、除菌フィルターを多く必要とするため、なおコスト面で問題があった。
本発明は、従来技術における上記問題点を受けてなされたものであって、その目的は、連続発酵法において、簡易かつ安価に滅菌することができる方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a method that can be sterilized easily and inexpensively in a continuous fermentation method.
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
(1)培地貯留槽から供給される培地を発酵反応槽内で連続培養する方法において、発酵反応槽内の培養液を中和処理するための中和剤を、発酵反応槽内に供給される前の培地に対して発酵反応槽の上流側で添加することを特徴とする連続培養方法。
(2) 中和剤を添加する位置が培地貯留槽であることを特徴とする請求項1記載の連続培養方法。
(3) 発酵反応槽内に供給される前の培地に対して発酵反応槽の上流側で添加される中和剤が、発酵反応槽内の培養液を中和処理するために要する中和剤の一部とし、かつ、発酵反応槽内の培養液のpHに応じて中和剤を直接発酵反応槽に添加してpH調整を行うことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の連続培養方法。
(4) 連続培養系が有機酸発酵連続培養系であり、中和剤がアルカリであることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の連続培養方法。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
(1) In the method of continuously culturing the medium supplied from the medium storage tank in the fermentation reaction tank, a neutralizing agent for neutralizing the culture solution in the fermentation reaction tank is supplied into the fermentation reaction tank. A continuous culture method characterized by adding to the previous medium upstream of the fermentation reaction tank.
(2) The continuous culture method according to claim 1, wherein the position where the neutralizing agent is added is a medium reservoir.
(3) Neutralizing agent added to neutralize the culture solution in the fermentation reaction tank by the neutralizing agent added upstream of the fermentation reaction tank with respect to the medium before being supplied into the fermentation reaction tank The pH is adjusted by adding a neutralizing agent directly to the fermentation reaction tank according to the pH of the culture solution in the fermentation reaction tank. Continuous culture method.
(4) The continuous culture method according to any one of (1) to (3), wherein the continuous culture system is an organic acid fermentation continuous culture system, and the neutralizing agent is an alkali.
(5) 培地を貯留する培地貯留槽と、該培地貯留槽から供給される培地を連続発酵する発酵反応槽とを備えた連続培養装置において、発酵反応槽に培地を供給する配管におよび/またはその上流側に中和剤を添加するための中和剤添加手段が配設されていることを特徴とする連続培養装置。
(6) 培地貯留槽に中和剤添加手段が付設されていることを特徴とする上記(5)記載の連続培養装置。
(7) 発酵反応槽に培地を供給する配管におよび/またはその上流側の培地貯留槽に中和剤を添加するための中和剤添加手段が配設される他に、発酵反応槽に中和剤を添加するための第2中和剤添加手段が配設され、発酵反応槽内の培養液のpHを測定するためのpHセンサーが配設され、かつ、該pHセンサーで測定されるpH値に応じて第2中和剤添加手段による中和剤添加量を調整する手段が配設されていることを特徴とする上記(5)又は(6)に記載の連続培養装置。
(5) In a continuous culture apparatus comprising a culture medium storage tank for storing a culture medium and a fermentation reaction tank for continuously fermenting a culture medium supplied from the culture medium storage tank, a pipe for supplying the culture medium to the fermentation reaction tank and / or A continuous culture apparatus characterized in that a neutralizing agent adding means for adding a neutralizing agent is disposed on the upstream side.
(6) The continuous culture apparatus according to (5), wherein a neutralizing agent addition means is attached to the culture medium storage tank.
(7) A neutralizing agent addition means for adding a neutralizing agent to the piping for supplying the medium to the fermentation reaction tank and / or to the medium storage tank on the upstream side of the pipe is provided. A second neutralizing agent adding means for adding a compatibilizer is arranged, a pH sensor for measuring the pH of the culture solution in the fermentation reaction tank is arranged, and the pH measured by the pH sensor The continuous culturing apparatus according to (5) or (6) above, wherein means for adjusting the amount of neutralizing agent added by the second neutralizing agent adding means according to the value is provided.
本発明によれば、連続発酵法において培地を継続的に供給する際に、培養液の中和用の中和剤を、予め、上流側で培地に添加しておくことにより滅菌を行うため、大きな用役コストや繁雑な作業を伴う高圧蒸気滅菌を頻繁に行うことなく滅菌した培地を供給することができる。 According to the present invention, when continuously supplying the medium in the continuous fermentation method, a neutralizing agent for neutralizing the culture solution is preliminarily added to the medium on the upstream side, thereby performing sterilization. A sterilized medium can be supplied without frequently performing high-pressure steam sterilization with large utility costs and complicated operations.
以下、本発明を具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described.
本発明法は、例えば、図1に示すような連続培養装置を用いて実施することができる。この連続培養装置には、培地を貯留する培地貯留槽1と、該培地貯留槽1から供給される培地を連続発酵する発酵反応槽2とが備えられている。培地貯留槽1には、中和剤添加用の第1中和剤添加手段4が付設されている。発酵反応槽2には、この発酵反応槽内の培養液のpHを一定条件に保持するためにpHセンサー3とこのpH測定結果に応じた量で中和剤を添加する第2中和剤添加手段5が付設されている。この第2中和剤添加手段5によって、最終的に発酵反応槽のpHが一定に保たれる。さらに、培地貯留槽1から発酵反応槽2へと培地を送給するための培地供給配管8と培地供給ポンプ7とが設けられ、発酵反応槽2から培養液を抜き出すための配管とポンプ9とが設けられている。また、発酵反応槽2内の液を攪拌するための攪拌手段6が設けられている。
The method of the present invention can be carried out, for example, using a continuous culture apparatus as shown in FIG. The continuous culture apparatus includes a medium storage tank 1 for storing a medium and a
この連続培養装置において、まず、滅菌環境維持を厳密に行う必要のある場合には、培地貯留槽1や培地供給ポンプ7や培地供給配管8を使用前に1度、蒸気滅菌などの手段によって滅菌を行ってもよいが、本発明においては、使用する培地や培養系によってはこれを省略することができる。発酵反応槽2や、それに付設する装置、発酵反応槽2へ供給するその他の溶液は必要に応じて別途滅菌を行う。
In this continuous culture apparatus, first, when it is necessary to strictly maintain the sterilization environment, the medium storage tank 1, the
次に、立ち上げ時のバッチ培養を行った後、連続発酵を開始するにあたり、培地貯留槽1から培地供給ポンプ7によって培地を発酵反応槽2に連続的もしくは断続的に投入する。ここで培地貯留槽1内に貯留されている培地に、中和剤を第1中和剤添加手段4により予め添加する。つまり、培地が発酵反応槽2に投入される際、中和剤も同時に添加されることになる。培地に予め中和剤を添加することにより、貯留された培地は通常微生物などが生育可能なpH条件から大きく逸脱したpH条件となるので、培地の腐敗や、培地反応槽1から発酵反応槽2に至る系内の雑菌繁殖の可能性を抑えることができる。さらに、培地貯留槽1から下流の培地供給配管8の雑菌繁殖も抑制することができる。また、中和剤を予め培地に添加して滞留させておくことによる付随的効果として、培地や発酵の種類によっては、培地中の原料成分の加水分解が一部進行し、後段の発酵反応槽での微生物による利用性が向上する効果が奏される場合もある。
Next, after performing batch culture at the time of start-up, when starting continuous fermentation, a medium is continuously or intermittently charged from the medium storage tank 1 to the
培地貯留槽1への中和剤の添加量は、貯留した培地を発酵反応槽2内に投入する間に発酵反応槽内で必要となる中和剤の量(事前検討により算出される)を上回らない量とする。好ましくは、発酵反応槽内で必要となる中和剤の量よりも若干少ない量とし、培養液の最終的なpH調整は、発酵反応槽に設けたpHセンサーと第2中和剤添加手段により行うことが好ましい。これにより、培地の腐敗防止に必要な中和剤添加を行いながらも、培養液のpHを所定水準に維持することができ再中和の無駄なく所期の目標を達成することができるのである。
The amount of the neutralizing agent added to the culture medium storage tank 1 is the amount of neutralizing agent required in the fermentation reaction tank (calculated by preliminary examination) while the stored medium is introduced into the
実施する発酵生産の発酵条件が、発酵の進展によって変化していく液性側(酸性側もしくはアルカリ性側)に偏っている場合、中和剤としては、発酵条件の液性とは逆の液性となるように作用する薬剤を使用する。この中和剤を培地に添加することによりアルカリ側もしくは酸側となり、培地の腐敗や雑菌繁殖が与える発酵生産へ悪影響が及ぶ可能性を減らすことができる。例えば、有機酸発酵の一種であるピルビン酸発酵を行う場合には、ピルビン酸発酵の進展によってpHは酸性側に変化しようとするため、中和剤はアルカリを用いることになる。ここでピルビン酸発酵の発酵条件は酸性側に偏っておりpH5.5であるが、アルカリを培地に予め供給しておくため培地は発酵条件とは逆のアルカリ性を呈する。万が一、耐アルカリ性の雑菌による汚染が培地貯留槽や培地供給配管で生じた場合でも、弱酸性である発酵反応槽ではこの雑菌は生育しにくいため、発酵生産への悪影響は限定されたものとなる。このことは、その他の有機酸発酵でも同様である。 When the fermentation conditions of the fermentation production to be carried out are biased toward the liquid side (acid side or alkaline side) that changes with the progress of fermentation, the neutrality of the liquid is the opposite of the liquidity of the fermentation conditions. Use drugs that act as follows. By adding this neutralizing agent to the medium, it becomes an alkali side or an acid side, and the possibility of adversely affecting the fermentation production caused by the spoilage of the medium or the propagation of various bacteria can be reduced. For example, when pyruvic acid fermentation, which is a kind of organic acid fermentation, is performed, the pH tends to change to the acidic side as the pyruvic acid fermentation progresses, so an alkali is used as the neutralizing agent. Here, the fermentation conditions of pyruvic acid fermentation are biased toward the acidic side and have a pH of 5.5. However, since the alkali is supplied to the medium in advance, the medium exhibits alkalinity opposite to the fermentation conditions. In the unlikely event that contamination with alkali-resistant bacteria occurs in the culture medium storage tank or culture medium supply pipe, the adverse effects on fermentation production are limited because the bacteria are difficult to grow in the fermentation tank that is weakly acidic. . The same applies to other organic acid fermentations.
なお、培地と中和剤との反応によって、不溶成分が生じたり、成分変化が生じたりするなど培養に悪影響を与える成分が含まれることになる場合には、その成分を個別に滅菌し別途発酵反応槽に添加することができる。また、不溶成分を生じる成分を分けることができない場合は、スクリーンなどで不溶物を取り除いた上で培地を発酵反応槽へと送液するとよい。 If the reaction between the medium and the neutralizing agent results in an insoluble component or a component that adversely affects the culture, such as a component change, the component is individually sterilized and fermented separately. Can be added to the reaction vessel. Moreover, when the component which produces | generates an insoluble component cannot be divided, after removing an insoluble matter with a screen etc., it is good to send a culture medium to a fermentation reaction tank.
培養液の排出は、発酵反応槽2内の液量がある一定範囲内に維持できるように行う。例えば、培養液排出ポンプ9により、発酵反応槽2に流入した培地の液量だけ排出すると良い。培養液の排出は、図1に示すように培養液をそのまま排出しても良いし、図2に示すように、発酵反応槽から取り出した培養液を、膜分離装置10によって濾液と未濾過液に分離し、濾液を所望の発酵生産物の回収用に外部へ取り出すとともに、微生物などを含む未濾過液を発酵反応槽に還流させる方法でもよいし、また、図3に示すように、発酵反応槽2内に膜分離装置10を浸漬し、膜分離装置の分離膜を透過した濾液を排出することにしてもよい。
The culture solution is discharged so that the amount of the solution in the
図2および図3に示す膜分離型連続培養装置は、発酵反応槽2から取り出される培養液の扱いが上記のとおり異なる以外は、図1の場合と同様な装置である。この際の膜分離装置10で用いる分離膜としては、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できる多孔性膜を用いることが望ましい。例えば、平均細孔径が0.01μm以上1μm未満である多孔性膜を使用することができる。平均孔径がこの範囲内にあると、菌体など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、より高い精度と再現性を持って実施することができる。
The membrane-separated continuous culture apparatus shown in FIGS. 2 and 3 is the same apparatus as in FIG. 1 except that the handling of the culture solution taken out from the
本発明は、コンタミが全く許されない厳密な生産品質が求められる医薬品などの生産に適用することもできるが、蒸気滅菌などの従来の方法と比べて本発明の方法は滅菌の信頼性がやや劣る場合もあり得る。そのため、多少の雑菌がコンタミしても生産品質上問題とならない場合や、培養液中の生産物濃度やpHなど培養液環境の理由から雑菌の優占リスクが低い場合など、厳密な純粋培養維持が求められない発酵生産の場合に、好適に適用することができる。例えば、厳密な生産品質が求められない例としてバイオリファイナリーと呼ばれる1000トン/年を超えるような工業品の大規模発酵生産を挙げることができる。また、雑菌の優占リスクが低い例としては、ピルビン酸発酵などの有機酸発酵を挙げることができる。高濃度の有機酸塩が培養液中に存在しており培養液pHも低いため、雑菌の優占リスクが低く、本発明を好適に用いることができる。 The present invention can also be applied to the production of pharmaceuticals that require strict production quality where no contamination is allowed, but the method of the present invention is somewhat inferior in sterilization compared to conventional methods such as steam sterilization. There may be cases. For this reason, strict maintenance of pure culture is required, such as when there is no problem in production quality even if some bacteria are contaminated, or when the dominant risk of bacteria is low due to the culture solution environment such as product concentration and pH in the culture solution. Can be suitably applied in the case of fermentation production in which no is required. For example, as an example where strict production quality is not required, there can be mentioned large-scale fermentation production of industrial products called biorefinery exceeding 1000 tons / year. Moreover, organic acid fermentations, such as pyruvic acid fermentation, can be mentioned as an example with the low predominance risk of various bacteria. Since a high concentration of organic acid salt is present in the culture solution and the culture solution pH is low, the dominant risk of various bacteria is low, and the present invention can be suitably used.
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2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. 2 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 tested in a test tube with 5 ml of pyruvate fermentation medium (glucose 100 g / L, ammonium sulfate 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 1 g / L, magnesium sulfate heptahydrate 0.5 g / L as main components. And shaking culture overnight. 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、図2に示した膜分離型連続培養装置の1.5Lのピルビン酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽2を付属の攪拌機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、発酵反応槽ごと高圧蒸気滅菌(121℃、15分)で滅菌した。膜分離装置の分離膜としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜を用いた。培養液のpH調整は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1.5L/日の流量で発酵反応槽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。発酵反応槽2内の培養液の最終的なpH制御は、発酵反応槽2に直接添加する4N NaOH水溶液により行った。このようにして連続発酵試験を350時間継続して行っても、本膜分離型連続発酵装置は安定してピルビン酸の連続発酵による製造を行うことができ、顕微鏡で培養液を観察しても特にコンタミは確認されなかった。
The obtained culture broth was inoculated into a 1.5 L pyruvic acid fermentation medium of the membrane separation type continuous culture apparatus shown in FIG. 2, and the
1:培地貯留槽
2:発酵反応槽
3:pHセンサー
4:中和剤添加手段
5:第2中和剤添加手段
6:攪拌手段
7:培地供給ポンプ
8:培地供給配管
9:培養液排出ポンプ
9′:濾液排出ポンプ
10:膜分離装置
11:環流ポンプ
1: Medium storage tank 2: Fermentation reaction tank 3: pH sensor 4: Neutralizing agent addition means 5: Second neutralizing agent addition means 6: Stirring means 7: Medium supply pump 8: Medium supply pipe 9: Culture medium discharge pump 9 ': Filtrate discharge pump 10: Membrane separator 11: Circulation pump
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