JP2009142210A - Method for producing lactic acid by continuous fermentation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微生物を培養する発酵によって、乳酸を製造するための乳酸の製造法の改良に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、培養を行いながら、微生物の発酵培養液から、目詰まりが生じにくい多孔性膜を通して乳酸を含む液を効率よく濾過・回収すること、および未濾過液を発酵培養液に戻すことにより、発酵に関与する微生物濃度を向上させて高い生産性を得ることができる連続発酵において、発酵原料中の全アミノ酸濃度を2g/L以下にすることにより、更なる乳酸の生産性を向上させ、かつコスト削減できる乳酸の製造方法に関するものである。 The present invention relates to an improvement in a method for producing lactic acid for producing lactic acid by fermentation for culturing microorganisms. More specifically, the present invention efficiently filters and recovers a liquid containing lactic acid from a microorganism fermentation broth through a porous membrane that is less likely to be clogged while culturing, and removes the unfiltered liquid from the fermentation broth. In continuous fermentation in which the concentration of microorganisms involved in fermentation can be improved and high productivity can be obtained by returning to, the total amino acid concentration in the fermentation raw material is 2 g / L or less, thereby further increasing the productivity of lactic acid. It is related with the manufacturing method of lactic acid which can improve cost and can reduce cost.
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。 Fermentation, which is a material production method involving the cultivation of microorganisms and cultured cells, is largely divided into (1) batch fermentation (Batch fermentation) and fed-batch fermentation (Fed-Batch fermentation), and (2) continuous fermentation. Can be classified.
上記(1)のバッチ発酵法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利点がある。しかしながら、時間の経過とともに発酵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。そのため、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ことが困難である。 The batch fermentation method and fed-batch fermentation method of the above (1) are simple in terms of equipment, and have an advantage that culture is completed in a short time and damage caused by contamination with bacteria is small. However, the product concentration in the fermentation broth increases with the passage of time, and the productivity and yield decrease due to the influence of osmotic pressure or product inhibition. Therefore, it is difficult to stably maintain a high yield and high productivity over a long period of time.
一方、上記(2)の連続発酵法は、発酵反応槽内で目的物質が高濃度に蓄積されること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。具体的に、L−グルタミン酸やL−リジンの発酵の生産について、このような連続培養法が提案されている(非特許文献1参照。)。しかしながら、これらの例では、発酵培養液に原料の連続的な供給を行うと共に、微生物や培養細胞を含んだ発酵培養液が抜き出されるために、発酵培養液中の微生物や培養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。 On the other hand, the continuous fermentation method of the above (2) is characterized in that 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 fermentation reaction tank. . Specifically, such a continuous culture method has been proposed for the production of L-glutamic acid and L-lysine fermentation (see Non-Patent Document 1). However, in these examples, since the raw material is continuously supplied to the fermentation broth and the fermentation broth containing microorganisms and cultured cells is extracted, the microorganisms and cultured cells in the fermentation broth are diluted. Therefore, the improvement in production efficiency 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濾過し、濾液から生産物を回収すると同時に濾過された微生物や培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることにより、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持する方法が提案された。そのため、産業的に応用も可能で、簡単な操作で長時間にわたり安定して高い物質生産性を得ることができるように、分離膜に多孔性高分子膜を用いた連続発酵法および連続発酵装置が開発された(特許文献1参照。)。 Therefore, in a 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 fermentation broth. A method for maintaining high concentrations of microorganisms and cultured cells was proposed. Therefore, it can be applied industrially, and a continuous fermentation method and a continuous fermentation apparatus using a porous polymer membrane as a separation membrane so that high material productivity can be stably obtained over a long period of time with a simple operation. Has been developed (see Patent Document 1).
一方、微生物を用いた物質生産において、微生物を培養する培地として一般的に知られているYPAD培地(非特許文献2参照。)やYPADに含まれている酵母エキスおよびペプトンなどを、過剰に添加した培地で培養を行うことにより、即ち、アミノ酸やビタミンなどを多く添加することにより、物質生産量および生産収率が向上することは良く知られている。 On the other hand, in substance production using microorganisms, an excessively added YPAD medium (see Non-Patent Document 2) generally known as a medium for culturing microorganisms, yeast extract and peptone contained in YPAD, etc. It is well known that the amount of substance production and the production yield are improved by culturing in the above medium, that is, by adding a large amount of amino acids, vitamins and the like.
しかしながら、このような培地を用いた上記の連続発酵法は、優れた発酵法であっても、更なる乳酸生産の長期化には至っておらず、培地のコストが問題となった。従って、全体的にコストの削減と更なる長期発酵で効果的に乳酸の生産性を向上させる方法が望まれていた。
本発明は、微生物を用いた乳酸生産のための連続発酵法において、長期発酵にわたり全体的にコストの削減と更なる発酵時間を延長して効果的に乳酸の生産性を向上させることを課題とする。 In the continuous fermentation method for lactic acid production using microorganisms, the present invention has an object to effectively improve lactic acid productivity by reducing the overall cost and extending the fermentation time over a long period of fermentation. To do.
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、乳酸合成能力を持つ酵母を用いた乳酸発酵において、発酵培養液を多孔性高分子膜で濾過し、濾液から生産物を回収するとともに未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵により乳酸を製造する際、発酵原料中の全アミノ酸濃度を下げると共に天然バイオマスを用いることにより、安定した長期発酵にわたり全体的にコストの削減と更なる発酵時間を延長して効果的に乳酸の生産性を向上させることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above problems, in lactic acid fermentation using yeast having lactic acid synthesis ability, the fermentation broth is filtered through a porous polymer membrane, and the product is recovered from the filtrate. In addition, when producing lactic acid by continuous fermentation in which the unfiltered liquid is retained or refluxed in the fermentation broth and the fermentation raw material is added to the fermentation broth, the concentration of all amino acids in the fermentation raw material is lowered and natural. By using biomass, the present inventors have found that it is possible to effectively improve the productivity of lactic acid by effectively reducing the cost and further extending the fermentation time over stable long-term fermentation, thereby completing the present invention.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法は、乳酸を生産する能力を有する酵母の発酵培養液を分離膜で濾過処理し、濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵により乳酸を製造する方法であって、前記の分離膜として平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の多孔性膜を用い、膜間差圧を0.1以上20kPa未満の範囲にして濾過処理すると共に、発酵原料中の全アミノ酸濃度を2g/L以下にすることを特徴とする連続発酵による乳酸の製造方法である。 In the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, a yeast fermentation broth having the ability to produce lactic acid is filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, and an unfiltered liquid is used as the fermentation broth. A method for producing lactic acid by continuous fermentation by holding or refluxing and adding a fermentation raw material to the fermentation broth, wherein a porous membrane having an average pore size of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used as the separation membrane. A method for producing lactic acid by continuous fermentation, wherein the transmembrane pressure difference is 0.1 to less than 20 kPa and filtration is performed, and the total amino acid concentration in the fermentation raw material is 2 g / L or less. .
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の多孔性膜の純水透過係数は2×10−9m3/m2/s/pa以上6×10−7m3/m2/s/pa以下である。 According to a preferred aspect of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the porous water has a pure water permeability coefficient of 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 6 × 10 −7 m 3. / M 2 / s / pa or less.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の多孔性膜の平均細孔径は0.01μm以上0.2μm未満であり、かつ、その平均細孔径の標準偏差は0.1μm以下である。 According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the average pore diameter of the porous membrane is 0.01 μm or more and less than 0.2 μm, and the standard deviation of the average pore diameter is 0.8. 1 μm or less.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の多孔性膜の膜表面粗さは0.1μm以下であり、多孔性膜は多孔性樹脂層を含む多孔性膜である。 According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the membrane surface roughness of the porous membrane is 0.1 μm or less, and the porous membrane is a porous membrane including a porous resin layer. .
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の多孔性膜の膜素材にポリフッ化ビニリデン系樹脂を用いることができる。 According to a preferred aspect of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, a polyvinylidene fluoride resin can be used as the membrane material of the porous membrane.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の発酵原料は、スクロース、フラクトース、グルコース、ガラクトース、ラクトースおよびマルトースなどからなる群から得ばれた少なくとも1種類を含む培地である。 According to a preferred aspect of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the fermentation raw material is a medium containing at least one kind obtained from the group consisting of sucrose, fructose, glucose, galactose, lactose, maltose and the like. .
また、本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の発酵原料は、デンプン、デンプン加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ケーンジュース、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの抽出物または濃縮液、甜菜糖蜜またはケーンジュースの濾過液、シラップ(ハイテストモラセス)、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖および甜菜糖蜜またはケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖などからなる群から得ばれた少なくとも1種類を含む培地である。 Further, according to a preferred aspect of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the fermentation raw material is starch, starch hydrolyzate, sweet potato molasses, sugar beet molasses, cane juice, sugar beet molasses or cane juice extract. Or concentrate, sugar beet molasses or cane juice filtrate, syrup (high test molasses), purified or crystallized raw sugar from sugar beet molasses or cane juice and purified or crystallized refined from sugar beet molasses or cane juice It is a medium containing at least one kind obtained from the group consisting of sugar and the like.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の乳酸はL−乳酸であり、前記の酵母はサッカロミセス(Saccharomyces)属に属する酵母または乳酸合成酵素遺伝子を導入した酵母である。 According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the lactic acid is L-lactic acid, and the yeast is a yeast belonging to the genus Saccharomyces or a yeast into which a lactic acid synthase gene has been introduced. .
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法の好ましい様態によれば、前記の乳酸合成酵素遺伝子は、ゼノプス・レービス(Xenopus laevis)由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子であり、前記のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子は、配列番号1に示す核酸配列を有する遺伝子である。 According to a preferred embodiment of the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the lactic acid synthase gene is a gene encoding L-lactate dehydrogenase derived from Xenopus laevis, and the L -The gene encoding lactate dehydrogenase is a gene having the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.
本発明によれば、アミノ酸削減培地等を用い全アミノ酸濃度を下げることによって、特許文献1で提案されている従前の優れた連続乳酸発酵より、全体的に安定に発酵時間および乳酸生産を著しく向上させ生産効率を上げることができる。また、糖源として天然バイオマスを用いることにより、より安価な乳酸発酵が可能になる。
According to the present invention, by reducing the total amino acid concentration using an amino acid-reduced medium or the like, the fermentation time and lactic acid production can be improved significantly more stably than the conventional continuous lactic acid fermentation proposed in
上記のように、本発明によれば、長時間にわたり安定して高生産性を維持する連続発酵が可能となり、広く発酵工業において、発酵生産物である乳酸を低コストで安定に生産することが可能となる。 As described above, according to the present invention, continuous fermentation that stably maintains high productivity over a long period of time can be performed, and in the fermentation industry, lactic acid that is a fermentation product can be stably produced at low cost. It becomes possible.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法は、微生物の発酵培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると共に未濾過液を前記の発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を前記の発酵培養液に追加する連続発酵において、分離膜として平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜を用い、その膜間差圧を0.1から20kPaの範囲にして濾過処理すると共に、発酵原料中の全アミノ酸濃度が2g/L以下の発酵原料を用いることを特徴とするものである。 In the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the fermentation culture solution of microorganisms is filtered through a separation membrane, the product is recovered from the filtrate, and the unfiltered solution is retained or refluxed in the fermentation culture solution, and the fermentation is performed. In continuous fermentation in which the raw material is added to the fermentation broth, a porous membrane having pores with an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm is used as a separation membrane, and the transmembrane pressure difference is 0.1 to 20 kPa. The range is filtered and the fermentation raw material having a total amino acid concentration of 2 g / L or less in the fermentation raw material is used.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法において、発酵原料中の全アミノ酸濃度はより好ましくは1mg/L以上1.5g/L以下であり、さらに好ましくは2mg/L以上1g/L以下である。この全アミノ酸濃度は低いほど好ましい。 In the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the total amino acid concentration in the fermentation raw material is more preferably 1 mg / L or more and 1.5 g / L or less, and further preferably 2 mg / L or more and 1 g / L or less. The lower the total amino acid concentration, the better.
本発明において分離膜として用いられる多孔性膜は、発酵に使用される微生物や培養細胞による目詰まりが起こりにくく、そして、濾過性能が長期間安定に継続する性能を有するものである。そのため、本発明で使用される多孔性膜は、その平均細孔径が0.01μm以上1μm未満であることが重要である。 The porous membrane used as a separation membrane in the present invention is less likely to be clogged by microorganisms and cultured cells used for fermentation, and has a performance in which filtration performance continues stably for a long period of time. Therefore, it is important that the porous membrane used in the present invention has an average pore diameter of 0.01 μm or more and less than 1 μm.
本発明で分離膜として用いられる多孔性膜の構成について、具体的に説明する。本発明で用いられる多孔性膜は、被処理水の水質や用途に応じた分離性能と透水性能を有するものである。多孔性膜は、阻止性能および透水性能や耐汚れ性という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。このような多孔性膜は、多孔質基材の表面に、分離機能層として作用とする多孔質樹脂層を有している。多孔質基材は、多孔質樹脂層を支持して分離膜に強度を与えるものである。 The configuration of the porous membrane used as the separation membrane in the present invention will be specifically described. The porous membrane used in the present invention has separation performance and water permeability according to the quality of water to be treated and the application. The porous membrane is preferably a porous membrane including a porous resin layer from the viewpoint of separation performance such as blocking performance, water permeability performance, and dirt resistance. Such a porous membrane has a porous resin layer that acts as a separation functional layer on the surface of the porous substrate. The porous substrate supports the porous resin layer and gives strength to the separation membrane.
多孔質基材の材質は、有機材料および/または無機材料等からなり、なかでも有機繊維が望ましく用いられる。好ましい多孔質基材は、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および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等である。なかでも、密度の制御が比較的容易であり製造も容易で安価な不織布が好ましく用いられる。 The material of the porous substrate is made of an organic material and / or an inorganic material, and among them, an organic fiber is desirably used. Preferred porous substrates are woven fabrics and nonwoven fabrics made of organic fibers such as cellulose fibers, cellulose triacetate fibers, polyester fibers, polypropylene fibers and polyethylene fibers. Among these, non-woven fabrics that are relatively easy to control density, easy to manufacture, and inexpensive are preferably used.
また、多孔質樹脂層は、上述したように分離機能層として作用するものであり、有機高分子膜を好適に使用することができる。有機高分子膜の材質としては、例えば、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、セルロース系樹脂およびセルローストリアセテート系樹脂等が挙げられる。有機高分子膜は、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物からなるものであってもよい。ここで主成分とは、その成分が50重量%以上、好ましくは60重量%以上含有することをいう。なかでも、多孔質樹脂層を構成する膜素材としては、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およびポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく用いられる。膜素材には、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樹脂が最も好ましく用いられる。 Further, as described above, the porous resin layer functions as a separation functional layer, and an organic polymer membrane can be suitably used. Examples of the material of the organic polymer film include polyethylene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene fluoride resin, polysulfone resin, polyethersulfone resin, polyacrylonitrile resin, cellulose resin, and the like. Examples thereof include cellulose triacetate resins. The organic polymer film may be made of a mixture of resins mainly composed of these resins. Here, the main component means that the component is contained in an amount of 50% by weight or more, preferably 60% by weight or more. Among them, as a membrane material constituting the porous resin layer, a polyvinyl chloride resin, a polyvinylidene fluoride resin, a polysulfone resin, which is easy to form by a solution and has excellent physical durability and chemical resistance. Polyether sulfone resins and polyacrylonitrile resins are preferably used. For the film material, a polyvinylidene fluoride resin or a resin containing it as the main component is most preferably used.
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いが、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。フッ化ビニリデンと共重合可能な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および三塩化フッ化エチレンなどが例示される。 Here, as the polyvinylidene fluoride resin, a homopolymer of vinylidene fluoride is preferable, but a copolymer of a vinyl monomer copolymerizable with vinylidene fluoride is also preferably used. Examples of vinyl monomers copolymerizable with vinylidene fluoride include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and ethylene trichloride fluoride.
本発明で用いられる多孔性膜は、平膜であっても中空糸膜であっても良い。多孔性膜が平膜の場合、その平均厚みは用途に応じて選択されるが、好ましくは20μm以上5000μm以下であり、より好ましくは50μm以上2000μm以下の範囲で選択される。 The porous membrane used in the present invention may be a flat membrane or a hollow fiber membrane. When the porous membrane is a flat membrane, the average thickness is selected according to the use, but is preferably 20 μm or more and 5000 μm or less, more preferably 50 μm or more and 2000 μm or less.
上述のように、本発明で用いられる分離膜は、多孔質基材と多孔質樹脂層とから形成されている多孔性膜を用いることが望ましい。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。多孔質基材の平均厚みは、好ましくは50μm以上3000μm以下の範囲で選択される。また、多孔性膜が中空糸膜の場合、中空糸の内径は好ましくは200μm以上5000μm以下の範囲で選択され、膜厚は好ましくは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物を中空糸の内部に含んでいても良い。 As described above, the separation membrane used in the present invention is desirably a porous membrane 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 average thickness of the porous substrate is preferably selected in the range of 50 μm to 3000 μm. When the porous membrane is a hollow fiber membrane, the inner diameter of the hollow fiber is preferably selected in the range of 200 μm to 5000 μm, and the film thickness is preferably selected in the range of 20 μm to 2000 μm. Further, a woven fabric or a knitted fabric in which organic fibers or inorganic fibers are formed in a cylindrical shape may be included in the hollow fiber.
まず、多孔性膜のうち、平膜の作成法の概要の一例を説明する。 First, an example of an outline of a method for producing a flat film among the porous films will be described.
多孔質基材の表面に、樹脂と溶媒とを含む原液の被膜を形成すると共に、その原液を多孔質基材に含浸させる。その後、被膜を有する多孔質基材の被膜側表面のみを、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させると共に、多孔質基材の表面に多孔質樹脂層を形成する。 A film of a stock solution containing a resin and a solvent is formed on the surface of the porous base material, and the porous base material is impregnated with the stock solution. Thereafter, only the coating-side surface of the porous substrate having a coating is brought into contact with a coagulation bath containing a non-solvent to solidify the resin, and a porous resin layer is formed on the surface of the porous substrate.
原液は、樹脂を溶媒に溶解させて調整することができる。原液の温度は、製膜性の観点から、通常、5〜120℃の範囲内で選定することが好ましい。溶媒は、樹脂を溶解するものであり、樹脂に作用してそれらが多孔質樹脂層を形成するのを促すものである。溶媒としては、N−メチルピロリジノン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチル−2− ピロリドン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、リン酸トリメチル、シクロヘキサノン、イソホロン、γ−ブチロラクトン、メチルイソアミルケトン、フタル酸ジメチル、プロピレングリコールメチルエーテール、プロピレンカーボネート、ジアセトンアルコール、グリセロールトリアセテート、アセトンおよびメチルエチルケトンなどを用いることができる。なかでも、樹脂の溶解性の高いN−メチルピロリジノン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)およびジメチルスルホキシド(DMSO)が好ましく用いられる。これらの溶媒は、単独で用いても良いし2種類以上を混合して用いても良い。原液は、先述の樹脂を好ましくは5重量%以上60重量%以下の濃度で上述の溶媒に溶解させることにより調製することができる。 The stock solution can be prepared by dissolving the resin in a solvent. The temperature of the stock solution is usually preferably selected within the range of 5 to 120 ° C. from the viewpoint of film forming properties. The solvent dissolves the resin and acts on the resin to encourage them to form a porous resin layer. As the solvent, N-methylpyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, Tetramethylurea, trimethyl phosphate, cyclohexanone, isophorone, γ-butyrolactone, methyl isoamyl ketone, dimethyl phthalate, propylene glycol methyl ether, propylene carbonate, diacetone alcohol, glycerol triacetate, acetone and methyl ethyl ketone can be used. Of these, N-methylpyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF) and dimethylsulfoxide (DMSO), which have high resin solubility, are preferably used. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The stock solution can be prepared by dissolving the above-mentioned resin in the above-mentioned solvent at a concentration of preferably 5 wt% or more and 60 wt% or less.
また、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンおよびグリセリンなどの溶媒以外の成分を溶媒に添加しても良い。溶媒に非溶媒を添加することもできる。非溶媒は、樹脂を溶解しない液体である。非溶媒は、樹脂の凝固の速度を制御して細孔の大きさを制御するように作用する。非溶媒としては、水や、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類を用いることができる。なかでも、非溶媒として、価格の点から水やメタノールが好ましく用いられる。溶媒以外の成分および非溶媒は、混合物であってもよい。 Further, for example, components other than the solvent such as polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone and glycerin may be added to the solvent. Non-solvents can also be added to the solvent. The non-solvent is a liquid that does not dissolve the resin. The non-solvent acts to control the pore size by controlling the rate of solidification of the resin. As the non-solvent, water and alcohols such as methanol and ethanol can be used. Of these, water or methanol is preferably used as the non-solvent from the viewpoint of cost. Components other than the solvent and the non-solvent may be a mixture.
原液には、開孔剤を添加することもできる。開孔剤は、凝固浴に浸漬された際に抽出されて、樹脂層を多孔質にする作用を持つものである。開孔剤を添加することにより、平均細孔径の大きさを制御することができる。開孔剤は、凝固浴への溶解性の高いものであることが好ましい。開孔剤としては、例えば、塩化カルシウムや炭酸カルシウムなどの無機塩を用いることができる。また、開孔剤として、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどのポリオキシアルキレン類や、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールおよびポリアクリル酸などの水溶性高分子化合物や、グリセリン等を用いることができる。 A pore opening agent may be added to the stock solution. The pore-opening agent is extracted when immersed in the coagulation bath, and has a function of making the resin layer porous. By adding a pore opening agent, the average pore size can be controlled. The pore-opening agent is preferably one having high solubility in the coagulation bath. As the pore opening agent, for example, an inorganic salt such as calcium chloride or calcium carbonate can be used. As the pore opening agent, polyoxyalkylenes such as polyethylene glycol and polypropylene glycol, water-soluble polymer compounds such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and polyacrylic acid, glycerin, and the like can be used.
次に、多孔性膜のうち、中空糸膜の作成法の概要の一例を説明する。 Next, an example of an outline of a method for producing a hollow fiber membrane among the porous membranes will be described.
中空糸膜は、樹脂と溶媒からなる原液を二重管式口金の外側の管から吐出すると共に、中空部形成用流体を二重管式口金の内側の管から吐出して、冷却浴中で冷却固化して作製することができる。 The hollow fiber membrane discharges a stock solution composed of a resin and a solvent from the outer tube of the double-tube base, and discharges a hollow portion forming fluid from the inner tube of the double-tube base in a cooling bath. It can be produced by cooling and solidifying.
原液は、上述の平膜の作成法で述べた樹脂を好ましくは20重量%以上60重量%以下の濃度で、上述の平膜の生成法で述べた溶媒に溶解させることにより調整することができる。また、中空部形成用流体には、通常気体もしくは液体を用いることができる。また、得られた中空糸膜の外表面に、新たな多孔性樹脂層をコーティング(積層)することもできる。積層は中空糸膜の性質、例えば、親水・疎水性あるいは細孔径等を所望の性質に変化させるために行うことができる。積層される新たな多孔性樹脂層は、樹脂を溶媒に溶解させた原液を、非溶媒を含む凝固浴と接触させて樹脂を凝固させることによって作製することができる。その樹脂の材質は、例えば、上述有機高分子膜の材質と同様のものが好ましく用いられる。また、積層方法としては、原液に中空糸膜を浸漬してもよいし、中空糸膜の表面に原液を塗布してもよく、積層後、付着した原液の一部を掻き取ったり、エアナイフを用いて吹き飛ばしすることにより積層量を調整することもできる。 The stock solution can be prepared by dissolving the resin described in the above-described method for producing a flat film, preferably in a concentration of 20% by weight or more and 60% by weight or less, in the solvent described in the above-described method for forming a flat film. . Moreover, a gas or a liquid can be normally used for the hollow portion forming fluid. In addition, a new porous resin layer can be coated (laminated) on the outer surface of the obtained hollow fiber membrane. Lamination can be performed in order to change the properties of the hollow fiber membrane, such as hydrophilicity / hydrophobicity or pore diameter, to desired properties. A new porous resin layer to be laminated can be produced by bringing a stock solution obtained by dissolving a resin in a solvent into contact with a coagulation bath containing a non-solvent to coagulate the resin. As the material of the resin, for example, the same material as that of the organic polymer film is preferably used. As a lamination method, the hollow fiber membrane may be immersed in the stock solution, or the stock solution may be applied to the surface of the hollow fiber membrane. After the lamination, a part of the attached stock solution is scraped off or an air knife is used. It is also possible to adjust the stacking amount by blowing it away.
本発明で用いられる多孔性膜は、支持体と組み合わせることによって分離膜エレメントとすることができる。支持体として支持板を用い、その支持板の少なくとも片面に、本発明で用いられる多孔性膜を配した分離膜エレメントは、本発明で用いられる多孔性膜を有する分離膜エレメントの好適な形態の一つである。この形態で、膜面積を大きくすることが困難な場合には、透水量を大きくするために、支持板の両面に多孔性膜を配することが好ましい態様である。 The porous membrane used in the present invention can be made into a separation membrane element by combining with a support. A separation membrane element in which a support plate is used as a support and the porous membrane used in the present invention is disposed on at least one side of the support plate is a preferred embodiment of the separation membrane element having a porous membrane used in the present invention. One. In this form, when it is difficult to increase the membrane area, it is a preferable aspect to dispose a porous membrane on both surfaces of the support plate in order to increase the water permeability.
分離膜の平均細孔径が上記のように0.01μm以上1μm未満の範囲内にあると、菌体や汚泥などがリークすることのない高い排除率と、高い透水性を両立させることができ、さらに目詰まりをしにくく、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。微生物として細菌類を用いた場合、多孔性膜の平均細孔径は好ましくは0.4μm以下であり、平均細孔径は0.2μm未満であればなお好適に実施することが可能である。平均細孔径は、小さすぎると透水量が低下することがあるので、本発明では、平均細孔径は0.01μm以上であり、好ましくは0.02μm以上であり、さらに好ましくは0.04μm以上である。 When the average pore diameter of the separation membrane is within the range of 0.01 μm or more and less than 1 μm as described above, it is possible to achieve both a high exclusion rate without leaking bacterial cells or sludge and high water permeability, Further, clogging is less likely to occur and the water permeability can be maintained for a long time with higher accuracy and reproducibility. When bacteria are used as the microorganism, the average pore diameter of the porous membrane is preferably 0.4 μm or less, and the average pore diameter is preferably less than 0.2 μm. If the average pore diameter is too small, the water permeation rate may decrease. Therefore, in the present invention, the average pore diameter is 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.04 μm or more. is there.
ここで、平均細孔径は、倍率10,000倍の走査型電子顕微鏡観察における、9.2μm×10.4μmの範囲内で観察できる細孔すべての直径を測定し、平均することにより求めることができる。 Here, the average pore diameter can be obtained by measuring and averaging the diameters of all pores that can be observed within a range of 9.2 μm × 10.4 μm in a scanning electron microscope observation at a magnification of 10,000 times. it can.
上記の平均細孔径の標準偏差σは、0.1μm以下であることが好ましい。更に、平均細孔径の標準偏差が小さい、すなわち細孔径の大きさが揃っている方が均一な透過液を得ることができる。発酵運転管理が容易になることから、平均細孔径の標準偏差は小さければ小さい方が望ましい。 The standard deviation σ of the average pore diameter is preferably 0.1 μm or less. Further, a uniform permeate can be obtained when the standard deviation of the average pore diameter is smaller, that is, when the pore diameters are uniform. Since fermentation operation management becomes easy, the smaller the standard deviation of the average pore diameter, the better.
平均細孔径の標準偏差σは、上述の9.2μm×10.4μmの範囲内で観察できる細孔数をNとして、測定した各々の直径をXkとし、細孔直径の平均をX(ave)とした下記の(式1)により算出される。 The standard deviation σ of the average pore diameter is N (the number of pores that can be observed within the above-mentioned range of 9.2 μm × 10.4 μm), each measured diameter is Xk, and the average pore diameter is X (ave) It is calculated by the following (Formula 1).
本発明で用いられる多孔性膜においては、発酵培養液の透過性が重要点の一つであり、透過性の指標として、使用前の多孔性膜の純水透過係数を用いることができる。本発明において、多孔性膜の純水透過係数は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで透水量を測定し算出したとき、2×10−9m3/m2/s/pa以上であることが好ましい。純水透過係数が2×10−9m3/m2/s/pa以上6×10−7m3/m2/s/pa以下であれば、実用的に十分な透過水量が得られる。より好ましい純水透過係数は、2×10−9m3/m2/s/pa以上1×10−7m3/m2/s/pa以下である。 In the porous membrane used in the present invention, the permeability of the fermentation broth is one of the important points, and the pure water permeability coefficient of the porous membrane before use can be used as the permeability index. In the present invention, the pure water permeation coefficient of the porous membrane is 2 × 10 −9 m 3 / when the water permeability is measured at a head height of 1 m using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane. It is preferably m 2 / s / pa or more. If the pure water permeability coefficient is 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 6 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less, a practically sufficient amount of permeated water can be obtained. A more preferable pure water permeability coefficient is 2 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa or more and 1 × 10 −7 m 3 / m 2 / s / pa or less.
本発明で用いられる多孔性膜の膜表面粗さは、分離膜の目詰まりに影響を与える因子である。膜表面粗さが好ましくは0.1μm以下のときに、分離膜の剥離係数や膜抵抗を好適に低下させることができ、より低い膜間差圧で連続発酵が実施可能である。従って、目詰まりを抑えることにより、安定した連続発酵が可能になることから、表面粗さは小さければ小さいほど好ましい。 The membrane surface roughness of the porous membrane used in the present invention is a factor that affects the clogging of the separation membrane. When the membrane surface roughness is preferably 0.1 μm or less, the separation coefficient and membrane resistance of the separation membrane can be suitably reduced, and continuous fermentation can be carried out with a lower transmembrane pressure difference. Therefore, since stable continuous fermentation becomes possible by suppressing clogging, the smaller the surface roughness, the better.
また、多孔性膜の膜表面粗さを低くすることにより、微生物や培養細胞の濾過において、膜表面で発生する剪断力を低下させることが期待でき、微生物や培養細胞の破壊が抑制され、多孔性膜の目詰まりも抑制されることにより、長期間安定な濾過が可能になると考えられる。 In addition, by reducing the membrane surface roughness of the porous membrane, it can be expected that the shearing force generated on the membrane surface will be reduced during filtration of microorganisms and cultured cells. It is considered that stable filtration is possible for a long time by suppressing clogging of the conductive film.
ここで、膜表面粗さは、下記の原子間力顕微鏡装置(AFM)を使用して、下記の装置と条件で測定することができる。
・装置:原子間力顕微鏡装置(Digital Instruments(株)製Nanoscope IIIa)
・条件:探針 SiNカンチレバー(Digital Instruments(株)製)
:走査モード コンタクトモード(気中測定)
水中タッピングモード(水中測定)
:走査範囲 10μm、25μm 四方(気中測定)
5μm、10μm 四方(水中測定)
:走査解像度 512×512
・試料調製 測定に際し膜サンプルは、常温でエタノールに15分浸漬後、RO水中に24時間浸漬し洗浄した後、風乾し用いた。RO水とは、濾過膜の一種である逆浸透膜(RO膜)を用いて濾過し、イオンや塩類などの不純物を排除した水を指す。RO膜の孔の大きさは、概ね2nm以下である。
Here, film | membrane surface roughness can be measured on the following apparatus and conditions using the following atomic force microscope apparatus (AFM).
・ Device: Atomic force microscope device (Nanoscope IIIa manufactured by Digital Instruments)
・ Conditions: Probe SiN cantilever (manufactured by Digital Instruments)
: Scanning mode Contact mode (in-air measurement)
Underwater tapping mode (underwater measurement)
: Scanning range 10μm, 25μm square (measurement in air)
5μm, 10μm square (underwater measurement)
: Scanning resolution 512 × 512
-Sample preparation The membrane sample was immersed in ethanol at room temperature for 15 minutes, then immersed in RO water for 24 hours, washed, and then air-dried. The RO water refers to water that has been filtered using a reverse osmosis membrane (RO membrane), which is a type of filtration membrane, to exclude impurities such as ions and salts. The pore size of the RO membrane is approximately 2 nm or less.
膜表面粗さdroughは、上記AFMにより各ポイントのZ軸方向の高さから、下記の(式2)により算出する。 Membrane surface roughness d rough from the Z-axis direction of the height of each point by the AFM, is calculated by the following equation (2).
本発明で使用される微生物の発酵原料は、発酵培養する微生物の生育を促し、目的とする発酵生産物である乳酸を良好に生産させ得るものである。発酵原料としては、例えば、炭素源、窒素源、および必要に応じてアミノ酸、無機塩類、および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等が好ましく用いられる。 The fermentation raw material for microorganisms used in the present invention can promote the growth of microorganisms for fermentation and culture, and can satisfactorily produce lactic acid, which is a target fermentation product. As a fermentation raw material, for example, a normal liquid medium that appropriately contains a carbon source, a nitrogen source, and, if necessary, organic micronutrients such as amino acids, inorganic salts, and vitamins is preferably used.
上記の炭素源としては、例えば、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉、澱粉加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ケーンジュース、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの抽出物または濃縮液、甜菜糖蜜またはケーンジュースの濾過液、シラップ(ハイテストモラセス)、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖、甜菜糖蜜またはケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖、更には酢酸やフマル酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなどが使用される。ここで糖類とは、多価アルコールの最初の酸化生成物であり、アルデヒド基またはケトン基をひとつ持ち、アルデヒド基を持つ糖をアルドース、ケトン基を持つ糖をケトースと分類される炭水化物のことを指す。 Examples of the carbon source include sugars such as glucose, sucrose, fructose, galactose and lactose, starch containing these sugars, starch hydrolysates, sugarcane molasses, sugar beet molasses, cane juice, sugar beet molasses or cane juice. Extract or concentrate, sugar beet molasses or cane juice filtrate, syrup (high test molasses), refined or crystallized raw sugar from sugar beet molasses or cane juice, refined or crystallized from sugar beet molasses or cane juice Purified sugars, organic acids such as acetic acid and fumaric acid, alcohols such as ethanol, glycerin and the like are used. Sugars are the first oxidation products of polyhydric alcohols, and are carbohydrates that have one aldehyde group or ketone group, sugars with aldehyde groups are classified as aldoses, and sugars with ketone groups are classified as ketoses. Point to.
また、原料糖としては、ケーンジュースまたはケーン粕に石灰または石灰乳などを加え、加熱して不純物を取り除くまたは連続沈殿させ不純物を除く。その後、濃縮させて真空結晶化し、糖蜜と結晶に分離する。そのときに結晶として分けられたものを原料糖とする。石灰または石灰乳は、不純物を取り除くときに加熱しながら添加しても良い。連続沈殿時および濃縮時には、加熱しても良い。真空結晶化して分離された結晶を乾燥してもよい。 In addition, as raw material sugar, lime or lime milk or the like is added to cane juice or cane koji, and the impurities are removed by heating or are continuously precipitated to remove impurities. Then, it is concentrated and vacuum crystallized to separate molasses and crystals. The raw material sugars are then separated as crystals. Lime or lime milk may be added while heating to remove impurities. You may heat at the time of continuous precipitation and concentration. Crystals separated by vacuum crystallization may be dried.
また、上記の窒素源としては、例えば、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、ペ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。 Examples of the nitrogen source include ammonia gas, aqueous ammonia, ammonium salts, urea, nitrates, and other auxiliary organic nitrogen sources such as oil cakes, soybean hydrolysates, casein decomposition products, Other amino acids, vitamins, corn steep liquor, yeast or yeast extract, meat extract, peptides such as peptone, various fermented cells and hydrolysates thereof are used.
また、上記のアミノ酸としては、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物などが使用される。 Examples of the amino acids include alanine, arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamic acid, glutamine, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, proline, serine, threonine, tryptophan, tyrosine, valine, or These hydrates are used.
また、上記のアミノ酸が、遊離アミノ酸であって発酵培養する微生物の生育を促し、目的とする発酵生産物である乳酸を良好に生産させ得ることができれば、少なくとも1種類以上を含むアミノ酸の組合せを適宜添加使用することができる。 Further, if the above amino acid is a free amino acid and promotes the growth of microorganisms to be fermented and cultured, and can successfully produce lactic acid, which is the target fermentation product, a combination of amino acids containing at least one or more types Appropriate additions can be used.
アミノ酸は、補助的窒素源としてタンパクあるいはペプチド含有物として培地に加えても良い。タンパクあるいはペプチド含有物として、例えば、油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸重合体、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、ペプトン等のペプチド類、各種生体由来のタンパク質およびペプチド含有物が挙げられる。前記の補助的窒素源由来のアミノ酸の濃度は、上記の1mg/L以上2g/L以下の濃度範囲であることが好ましい。 Amino acids may be added to the medium as protein or peptide containing as an auxiliary nitrogen source. Examples of protein or peptide-containing materials include oil cakes, soybean hydrolysates, casein degradation products, other amino acid polymers, corn steep liquor, yeast or yeast extract, meat extract, peptides such as peptone, and various biological proteins And peptide-containing materials. The concentration of the amino acid derived from the auxiliary nitrogen source is preferably in the concentration range of 1 mg / L to 2 g / L.
また、上記の無機塩類としては、例えば、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等を適宜添加使用することができる。 Moreover, as said inorganic salt, a phosphate, magnesium salt, calcium salt, iron salt, manganese salt etc. can be added and used suitably, for example.
本発明で使用される微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加することができる。また、消泡剤も必要に応じて添加使用することができる。 When the microorganism used in the present invention requires a specific nutrient for growth, the nutrient can be added as a preparation or a natural product containing it. An antifoaming agent can be added and used as necessary.
本発明において、発酵培養液とは、発酵原料に微生物が増殖した結果得られる液のことを言う。追加する発酵原料の組成は、目的とする乳酸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することができる。 In the present invention, the fermentation culture liquid refers to a liquid obtained as a result of the growth of microorganisms on the fermentation raw material. The composition of the fermented raw material to be added can be appropriately changed from the fermented raw material composition at the start of the culture so that the target lactic acid productivity is increased.
本発明では、発酵培養液中の糖類濃度は5g/L以下に保持されるようにすることが好ましい。その理由は、発酵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。そのため、糖類の濃度は可能な限り小さいことが望ましい。 In the present invention, the sugar concentration in the fermentation broth is preferably maintained at 5 g / L or less. The reason is to minimize the loss of sugar due to withdrawal of the fermentation broth. Therefore, it is desirable that the saccharide concentration be as small as possible.
微生物の発酵培養は、通常、pHが4〜8で温度が20〜40℃の範囲で行われることが多い。発酵培養液のpHは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウム、水酸化カルシウムおよびアンモニアガスなどによって、上記範囲内のあらかじめ定められた値に調節される。 In many cases, the fermentation culture of microorganisms is usually performed at a pH of 4 to 8 and a temperature of 20 to 40 ° C. The pH of the fermentation broth is adjusted to a predetermined value within the above range with an inorganic acid or an organic acid, an alkaline substance, urea, calcium carbonate, calcium hydroxide, ammonia gas, or the like.
発酵培養において、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好適には21%(v/v%)以上に保つ、発酵培養液を加圧する、攪拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。逆に、酸素の供給速度を下げる必要があれば、炭酸ガス、窒素およびアルゴンなど酸素を含まないガスを空気に混合して供給することも可能である。 In the fermentation culture, if it is necessary to increase the oxygen supply rate, oxygen is added to the air to keep the oxygen concentration preferably at 21% (v / v%) or higher, the fermentation culture solution is pressurized, and the stirring rate is increased. Alternatively, a means such as increasing the air flow rate can be used. Conversely, if it is necessary to reduce the oxygen supply rate, it is also possible to supply a gas containing no oxygen such as carbon dioxide, nitrogen and argon mixed with air.
本発明においては、培養初期に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培養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培養を行っても良い。適当な時期から発酵原料の供給および濾過を行うことが可能である。発酵原料供給および濾過の開始時期は、必ずしも同じである必要はない。また、発酵原料の供給および濾過は連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。発酵原料には、上記に示したような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。 In the present invention, batch culture or fed-batch culture may be performed in the initial stage of culture to increase the microorganism concentration, and then continuous culture may be started, or high-concentration cells are seeded, and continuous culture is performed at the start of culture. May be. It is possible to supply and filter the fermentation raw material from an appropriate time. The fermentation raw material supply and the start time of filtration do not necessarily need to be the same. Moreover, supply and filtration of fermentation raw material may be continuous, and may be intermittent. Nutrients necessary for cell growth as described above may be added to the fermentation raw material so that the cell growth is continuously performed.
本発明においては、発酵培養液を平均細孔径が0.01μm以上1μm未満の細孔を有する多孔性膜を用いて濾過処理する。 In the present invention, the fermentation broth is filtered using a porous membrane having pores having an average pore size of 0.01 μm or more and less than 1 μm.
発酵生産能力のあるフレッシュな菌体を増殖させつつ行う連続培養操作は、培養管理上、通常、単一の発酵反応槽で行うことが好ましい。しかしながら、菌体を増殖しつつ生産物を生成する連続発酵培養法であれば、発酵反応槽の数は問わない。発酵反応槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵反応槽を用いることもあり得る。その場合、複数の発酵反応槽を配管で並列または直列に接続して連続培養を行っても、発酵生産物の高生産性は得られる。 The continuous culture operation performed while growing fresh cells having fermentation production ability is usually preferably performed in a single fermentation reaction tank in terms of culture management. However, the number of fermentation reaction tanks is not limited as long as it is a continuous fermentation culture method that produces products while growing cells. A plurality of fermentation reaction tanks may be used because the capacity of the fermentation reaction tank is small. In that case, high productivity of the fermentation product can be obtained even if continuous fermentation is performed by connecting a plurality of fermentation reaction tanks in parallel or in series by piping.
本発明においては、微生物を発酵反応槽に維持したままで、発酵反応槽からの発酵培養液の連続的かつ効率的な濾過が可能である。そのため、微生物を連続的に発酵培養し、十分な増殖を確保した後に発酵原料液組成を変更し、目的とする乳酸を効率よく製造することも可能である。 In the present invention, continuous and efficient filtration of the fermentation broth from the fermentation reaction tank is possible while maintaining the microorganisms in the fermentation reaction tank. Therefore, it is also possible to efficiently produce the target lactic acid by continuously fermenting and culturing microorganisms and changing the composition of the fermentation raw material solution after ensuring sufficient growth.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で得られる乳酸は、上記の微生物が発酵培養液中に生産する物質である。 Lactic acid obtained by the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention is a substance produced by the above-mentioned microorganism in the fermentation broth.
本発明において、微生物の発酵培養液を分離膜で濾過処理する際の膜間差圧は、微生物および培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよいが、膜間差圧を0.1kPa以上20kPa以下の範囲にして濾過処理することが重要である。膜間差圧は、好ましくは0.1kPa以上10kPa以下の範囲であり、さらに好ましくは0.1kPa以上5kPaの範囲である。上記膜間差圧の範囲を外れた場合、微生物および培地成分の目詰まりが急速に発生し、透過水量の低下を招き、連続発酵運転に不具合を生じることがある。 In the present invention, the transmembrane pressure difference during filtration of the fermentation broth of microorganisms with a separation membrane may be any condition as long as the microorganisms and medium components are not easily clogged, but the transmembrane pressure difference is 0.1 kPa or more. It is important to perform the filtration treatment in the range of 20 kPa or less. The transmembrane pressure difference is preferably in the range of 0.1 kPa to 10 kPa, and more preferably in the range of 0.1 kPa to 5 kPa. If the range of the transmembrane pressure difference is exceeded, clogging of microorganisms and medium components may occur rapidly, leading to a decrease in the amount of permeated water, which may cause problems in continuous fermentation operation.
濾過の駆動力としては、発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差(水頭差)を利用したサイホンにより多孔性膜に膜間差圧を発生させることができる。また、濾過の駆動力として多孔性膜処理水側に吸引ポンプを設置してもよいし、多孔性膜の発酵培養液側に加圧ポンプを設置することも可能である。上記の範囲に膜間差圧を制御する手段としては、上記のように発酵培養液と多孔性膜処理水の液位差を変化させることにより制御することができる、また、膜間差圧を発生させるためにポンプを使用する場合には、吸引圧力により膜間差圧を制御することができる。更に、発酵培養液側の圧力を導入する気体または液体の圧力によっても膜間差圧を制御することができる。これら圧力制御を行う場合には、発酵培養液側の圧力と多孔性膜処理水側の圧力差をもって膜間差圧とし、膜間差圧の制御に用いることができる。 As a driving force for filtration, a transmembrane pressure difference can be generated in the porous membrane by a siphon utilizing the liquid level difference (water head difference) of the fermentation broth and the porous membrane treated water. Moreover, a suction pump may be installed on the porous membrane treated water side as a driving force for filtration, or a pressure pump may be installed on the fermentation culture solution side of the porous membrane. As a means for controlling the transmembrane pressure difference within the above range, it can be controlled by changing the liquid level difference between the fermentation broth and the porous membrane treated water as described above. When a pump is used to generate the pressure, the transmembrane pressure can be controlled by the suction pressure. Furthermore, the transmembrane pressure difference can be controlled by the pressure of the gas or liquid that introduces the pressure on the fermentation broth side. When these pressure controls are performed, the pressure difference between the pressure on the fermentation broth side and the pressure on the porous membrane treated water side can be used as the transmembrane pressure difference, which can be used to control the transmembrane pressure difference.
また、本発明において使用される多孔性膜は、濾過処理する膜間差圧として、0.1kPa以上20kPa以下の範囲で濾過処理することができる性能を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the porous membrane used in this invention has the performance which can be filtered in the range of 0.1 kPa or more and 20 kPa or less as a transmembrane differential pressure to filter.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置のうち、分離エレメントが発酵反応槽の内部に設置された代表的な一例を、図1の概要図に示す。図1は、本発明で用いられる連続発酵装置の一つの実施の形態を説明するための概略側面図である。 Among the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, a typical example in which the separation element is installed inside the fermentation reaction tank is shown in the schematic diagram of FIG. FIG. 1 is a schematic side view for explaining one embodiment of a continuous fermentation apparatus used in the present invention.
図1において、連続発酵装置は、分離膜エレメント2を備えた発酵反応槽1と水頭差制御装置3で基本的に構成されている。発酵反応槽1内の分離膜エレメント2には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜としては、例えば、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを使用することができる。分離膜エレメントに関しては、追って詳述する。
In FIG. 1, the continuous fermentation apparatus basically includes a
次に、図1の連続発酵装置による連続発酵の形態について説明する。 Next, the form of continuous fermentation by the continuous fermentation apparatus of FIG. 1 will be described.
培地供給ポンプ7によって、培地を、発酵反応槽1に連続的もしくは断続的に投入する。培地については、発酵反応槽1への投入前に必要に応じて加熱殺菌、あるいはフィルターを用いた滅菌を行うことができる。発酵生産時には、必要に応じて攪拌機5で発酵反応槽1内の発酵培養液を攪拌し、また必要に応じて気体供給装置4によって必要とする気体を供給し、また必要に応じてpHセンサ・制御装置9およびpH調整溶液供給ポンプ8によって発酵培養液のpHを調整し、また必要に応じて温度調節器10によって発酵培養液の温度を調節することにより生産性の高い発酵生産を行うことができる。
The medium is continuously or intermittently charged into the
ここでは、計装・制御装置による発酵培養液の物理化学的条件の調節に、pHおよび温度を例示したが、必要に応じて溶存酸素やORPの制御、更にはオンラインケミカルセンサーなどの分析装置により発酵培養液中の乳酸の濃度を測定し、それを指標とした物理化学的条件の制御を行うことができる。また、培地の連続的もしくは断続的投入の形態に関しては、上記計装装置による発酵培養液の物理化学的環境の測定値を指標として、培地投入量および速度を適宜調節することができる。 Here, the pH and temperature are exemplified for the adjustment of the physicochemical conditions of the fermentation broth by the instrumentation / control device. However, if necessary, the dissolved oxygen and ORP can be controlled, and an analytical device such as an online chemical sensor can be used. The concentration of lactic acid in the fermentation broth can be measured, and physicochemical conditions can be controlled using the concentration as an index. Moreover, regarding the form of continuous or intermittent input of the medium, the amount and speed of the medium input can be appropriately adjusted using the measured value of the physicochemical environment of the fermentation broth by the instrumentation device as an index.
発酵培養液は、発酵反応槽1内に設置された分離膜エレメント2によって微生物と発酵生産物に濾過・分離され、発酵生産物は装置系から取り出される。また、濾過・分離された微生物は、装置系内にとどまることで装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。ここで、分離膜エレメント2による濾過・分離には発酵反応槽1の水面との水頭差圧によって行い、特別な動力は必要ない。また、必要に応じてレベルセンサ6および水頭差圧制御装置3によって分離膜エレメント2の濾過・分離速度および発酵反応槽内の発酵培養液量を適当に調節することができる。上記、分離膜エレメントによる濾過・分離には水頭差圧によって行うことを例示したが、必要に応じてポンプ等による吸引濾過あるいは装置系内を加圧することにより濾過・分離することもできる。
The fermentation broth is filtered and separated into microorganisms and fermentation products by the
図2は、本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる他の連続発酵装置の例を説明するための概要側面図である。図2は、分離膜エレメントが、発酵反応槽の外部に設置された連続発酵装置の代表的な例である。 FIG. 2 is a schematic side view for explaining an example of another continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention. FIG. 2 is a typical example of a continuous fermentation apparatus in which the separation membrane element is installed outside the fermentation reaction tank.
図2において、連続発酵装置は、発酵反応槽1と、膜分離膜エレメント2を備えた膜分離槽12と、水頭差制御装置3とで基本的に構成されている。ここで、分離膜エレメント2には、多孔性膜が組み込まれている。この多孔性膜と分離膜エレメントには、例えば、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを使用することが好適である。また、膜分離槽12は、発酵培養液循環ポンプ11を介して発酵反応槽1に接続されており、発酵培養液の流通を可能にしている。
In FIG. 2, the continuous fermentation apparatus basically includes a
図2において、培地供給ポンプ7によって、培地を発酵反応槽1に投入し、必要に応じて、攪拌機5で発酵反応槽1内の発酵培養液を攪拌し、また必要に応じて、気体供給装置4によって必要とする気体を供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置4で供給することができる。また必要に応じて、pHセンサ・制御装置9およびよびpH調整溶液供給ポンプ8によって発酵培養液のpHを調整し、また必要に応じて、温度調節器10によって発酵培養液の温度を調節することにより、生産性の高い発酵生産を行うことができる。さらに、装置内の発酵培養液は、発酵培養液循環ポンプ11によって発酵反応槽1と膜分離槽12の間を循環する。
In FIG. 2, the culture medium is fed into the
発酵生産物を含む発酵培養液は、分離膜エレメント2によって微生物と発酵生産物に濾過・分離され、発酵生産物を装置系から取り出すことができる。また、濾過・分離された微生物は、装置系内にとどまることにより装置系内の微生物濃度を高く維持することができ、生産性の高い発酵生産を可能としている。
The fermentation broth containing the fermentation product is filtered and separated into the microorganism and the fermentation product by the
ここで、分離膜エレメント2による濾過・分離は、膜分離槽12の水面との水頭差圧によって行うことができ、特別な動力を必要としない。必要に応じて、レベルセンサ6および水頭差圧制御装置3によって、分離膜エレメント2の濾過・分離速度および装置系内の培養液量を適当に調節することができる。必要に応じて、気体供給装置4によって必要とする気体を膜分離槽12内に供給することができる。このとき、供給された気体を回収リサイクルして再び気体供給装置4で膜分離槽12内に供給することができる。
Here, the filtration / separation by the
分離膜エレメント2による濾過・分離は、必要に応じて、ポンプ等による吸引濾過あるいは装置系内を加圧することにより、濾過・分離することもできる。また、別の培養槽(図示せず)で連続発酵に微生物または培養細胞を培養し、それを必要に応じて発酵反応槽内に供給することができる。別の培養槽で連続発酵に微生物または培養細胞を培養し、得られた培養液を必要に応じて発酵槽内に供給することにより、常にフレッシュで乳酸の生産能力の高い微生物による連続発酵が可能となり、高い生産性能を長期間維持した連続発酵が可能となる。
Filtration / separation by the
次に、本発明の乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置で、好ましく用いられる分離膜エレメントについて説明する。 Next, the separation membrane element preferably used in the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid according to the present invention will be described.
図3に示す分離膜エレメントについて説明する。図3は、本発明で用いられる分離膜エレメントを例示説明するための概略斜視図である。本発明の乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、好ましくは、国際公開第2002/064240号パンフレットに開示されている分離膜および分離膜エレメントを用いることができる。分離膜エレメントは、図3に示されるように、剛性を有する支持板13の両面に、流路材14と前記の分離膜15(多孔性膜)をこの順序で配し構成されている。支持板13は、両面に凹部16を有している。分離膜15は、培養液を濾過する。流路材14は、分離膜15で濾過された濾液を効率よく支持板13に流すためのものである。支持板13に流れた濾液は、支持板13の凹部16を通り、集水パイプ17を介して連続発酵装置外部に取り出される。濾液を取り出すための動力として、水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を用いることができる。
The separation membrane element shown in FIG. 3 will be described. FIG. 3 is a schematic perspective view for illustrating the separation membrane element used in the present invention. In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid according to the present invention, the separation membrane and the separation membrane element disclosed in International Publication No. 2002/064240 can be preferably used. As shown in FIG. 3, the separation membrane element is configured by arranging a
図4に示す分離膜エレメントについて説明する。図4は、本発明で用いられる別の分離膜エレメントを例示説明するための概略斜視図である。分離膜エレメントは、図4に示すように、中空糸膜(多孔性膜)で構成された分離膜束18と上部樹脂封止層19と下部樹脂封止層20によって主に構成される。分離膜束18は、上部樹脂封止層19および下部樹脂封止層20よって束状に接着・固定化されている。下部樹脂封止層20による接着・固定化は、分離膜束18の中空糸膜(多孔性膜)の中空部を封止しており、発酵培養液の漏出を防ぐ構造になっている。一方、上部樹脂封止層19は、分離膜束18の中空糸膜(多孔性膜)の内孔を封止しておらず、集水パイプ22に濾液が流れる構造となっている。この分離膜エレメントは、支持フレーム21を介して連続発酵装置内に設置することが可能である。分離膜束18によって濾過された濾液は、中空糸膜の中空部を通り、集水パイプ22を介して連続発酵装置外部に取り出される。濾液を取り出すための動力として、水頭差圧、ポンプ、液体や気体等による吸引濾過、あるいは装置系内を加圧するなどの方法を用いることができる。
The separation membrane element shown in FIG. 4 will be described. FIG. 4 is a schematic perspective view for illustrating another separation membrane element used in the present invention. As shown in FIG. 4, the separation membrane element is mainly composed of a
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置の分離膜エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作に耐性の部材であることが好ましい。連続発酵装置内が滅菌可能であれば、連続発酵時に好ましくない微生物による汚染の危険を回避することができ、より安定した連続発酵が可能となる。分離膜エレメントを構成する部材は、高圧蒸気滅菌操作の条件である、121℃の温度で15分間の状態下に耐性であることが好ましい。分離膜エレメント部材は、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、PVDF、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂およびポリサルホン系樹脂等の樹脂を好ましく選定することができる。 The member constituting the separation membrane element of the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention is preferably a member resistant to high-pressure steam sterilization operation. If the inside of the continuous fermentation apparatus can be sterilized, it is possible to avoid the risk of contamination by undesirable microorganisms during continuous fermentation, and more stable continuous fermentation is possible. The member constituting the separation membrane element is preferably resistant under the condition of high-pressure steam sterilization operation at a temperature of 121 ° C. for 15 minutes. Separation membrane element members include, for example, metals such as stainless steel and aluminum, polyamide resins, fluorine resins, polycarbonate resins, polyacetal resins, polybutylene terephthalate resins, PVDF, modified polyphenylene ether resins, and polysulfone resins. The resin can be preferably selected.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、分離膜エレメントは、図1のように発酵反応槽内に設置しても良いし、図2のように発酵反応槽外に設置しても良い。分離膜エレメントを発酵反応槽外に設置する場合には、別途、膜分離槽を設けてその内部に分離膜エレメントを設置することができ、発酵反応槽と膜分離槽の間を培養液を循環させながら、分離膜エレメントにより培養液を連続的に濾過することができる。 In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, the separation membrane element may be installed in the fermentation reaction tank as shown in FIG. 1 or outside the fermentation reaction tank as shown in FIG. May be installed. When the separation membrane element is installed outside the fermentation reaction tank, a separate membrane separation tank can be provided and the separation membrane element can be installed inside it, and the culture fluid is circulated between the fermentation reaction tank and the membrane separation tank. The culture solution can be continuously filtered by the separation membrane element.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法で用いられる連続発酵装置では、膜分離槽は、高圧蒸気滅菌可能であることが望ましい。膜分離槽が高圧蒸気滅菌可能であると、雑菌による汚染回避が容易である。 In the continuous fermentation apparatus used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, the membrane separation tank is preferably capable of high-pressure steam sterilization. If the membrane separation tank can be autoclaved, it is easy to avoid contamination with germs.
本発明に従って連続発酵を行った場合、従来の連続発酵と比較して、より長期的な乳酸生産や高い体積生産速度が得られ、極めて効率のよい発酵生産が可能となる。ここで、連続発酵培養における生産速度は、下記(式3)により計算される。 When continuous fermentation is performed according to the present invention, longer-term lactic acid production and a higher volumetric production rate can be obtained as compared with conventional continuous fermentation, and extremely efficient fermentation production becomes possible. Here, the production rate in continuous fermentation culture is calculated by the following (formula 3).
次に、本発明の乳酸の製造方法に用いることができる乳酸を生産する能力を有する栄養非要求性酵母について、具体的に例示しながら説明する。 Next, the nutritionally non-requiring yeast having the ability to produce lactic acid that can be used in the method for producing lactic acid of the present invention will be described with specific examples.
本発明で用いることができる酵母としては、パン酵母などの酵母を挙げることができる。酵母は、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。 Examples of yeast that can be used in the present invention include yeast such as baker's yeast. Yeast may be isolated from the natural environment, or may be partially modified in nature by mutation or genetic recombination.
本発明で使用される酵母は、乳酸を生産する能力を持つ酵母である。本発明で使用される酵母は、乳酸の生産能力が高いものが好ましい。本発明で使用される酵母は、元来乳酸の生産能力が高い酵母を自然界から分離してもよいし、人為的に生産能力を高めた酵母であってもよい。具体的には、本発明で使用される酵母は、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酵母であってもよい。 The yeast used in the present invention is a yeast having the ability to produce lactic acid. The yeast used in the present invention preferably has a high lactic acid production capacity. The yeast used in the present invention may be a yeast that originally has a high lactic acid production capacity, may be isolated from the natural world, or may be an artificially enhanced yeast. Specifically, the yeast used in the present invention may be a yeast whose properties are partially modified by mutation or gene recombination.
本発明において好適に用いられる酵母としては、例えば、サッカロミセス(Saccharomyces)属、シゾサッカロミセス(Schizosaccharomyces)属またはクリベロミセス(Kluyveromyces)属に属する酵母が挙げられる。なかでも、サッカロミセス(Saccharomyces)属に属する酵母がより好ましく、さらに好ましくは、サッカロミセス・セレビセ(Saccharomyces cerevisiae)である。本発明で特に好ましく使用される酵母は、具体的には、NBRC10505株およびNBRC10506株である。 Examples of the yeast suitably used in the present invention include yeast belonging to the genus Saccharomyces, the genus Schizosaccharomyces, or the genus Kluyveromyces. Among them, yeast belonging to the genus Saccharomyces is more preferable, and Saccharomyces cerevisiae is more preferable. Specifically, yeasts particularly preferably used in the present invention are NBRC10505 strain and NBRC10506 strain.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法では、酵母が、乳酸合成酵素遺伝子を導入した酵母であることが好ましい。本発明において、乳酸合成酵素遺伝子(ldh遺伝子)とは、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)とピルビン酸を乳酸と酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)に変換する活性を持つ乳酸脱水素酵素をコードしている遺伝子である。本発明においては、乳酸合成酵素遺伝子(ldh遺伝子)は、乳酸脱水素酵素(ldh)遺伝子である。 In the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the yeast is preferably a yeast into which a lactic acid synthase gene has been introduced. In the present invention, the lactic acid synthase gene (ldh gene) means lactate dehydrogenation having an activity of converting reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and pyruvate into lactic acid and oxidized nicotinamide adenine dinucleotide (NAD +). A gene encoding an enzyme. In the present invention, the lactate synthase gene (ldh gene) is a lactate dehydrogenase (ldh) gene.
乳酸脱水素酵素遺伝子は、生物の種類に応じてもしくは生体内においても各種同族体が存在する。本発明における乳酸脱水素酵素遺伝子としては、天然由来の乳酸合成酵素遺伝子の他、化学合成的あるいは遺伝子工学的手法で人工的に合成された乳酸脱水素酵素遺伝子でもよい。 The lactate dehydrogenase gene has various homologues depending on the type of organism or in vivo. The lactate dehydrogenase gene in the present invention may be a lactate dehydrogenase gene artificially synthesized by chemical synthesis or genetic engineering techniques, in addition to a naturally occurring lactate synthase gene.
本発明の乳酸の製造方法でL−乳酸を製造する場合、L−乳酸生産能力を付与あるいは増強した酵母を用いることができる。L−乳酸生産能力の付与あるいは増強は、L−乳酸合成酵素遺伝子を導入することで行うことができる。L−乳酸合成酵素をコードする遺伝子は、好ましくは、酵素活性の強いL−乳酸合成酵素遺伝子である。天然由来の乳酸合成酵素遺伝子としては、例えば、乳酸菌などの原核生物もしくはカビなどの真核微生物由来のもの、さらにウシや人などの哺乳類を含む高等真核生物由来の乳酸合成酵素遺伝子を挙げることができる。 When L-lactic acid is produced by the method for producing lactic acid according to the present invention, yeast imparted or enhanced with L-lactic acid production ability can be used. L-lactic acid production ability can be imparted or enhanced by introducing an L-lactic acid synthase gene. The gene encoding L-lactic acid synthase is preferably an L-lactic acid synthase gene having strong enzyme activity. Examples of naturally-occurring lactic acid synthase genes include prokaryotic organisms such as lactic acid bacteria or those derived from eukaryotic microorganisms such as mold, and lactate synthase genes derived from higher eukaryotes including mammals such as cattle and humans. Can do.
本発明で好ましく使用されるL−乳酸脱水素酵素遺伝子として、例えば、カエル由来のものでは、アオガエル科(Rhacophoridae)、アカガエル科(Ranidae)、アマガエル科(Hylidae)、ジムグリガエル科(Microhylidae)、ヒキガエル科(Bufonidae)、クサガエル科(Hyperoliidae)、スキアシガエル科(Pelobatinae)、スズガエル科(Discoglossidae)、およびコモリガエル科(Pipidae)に属するL−乳酸脱水素酵素遺伝子が挙げられる。これらの中でも、コモリガエル科(Pipidae)に属するL−乳酸脱水素酵素遺伝子を用いることが好ましく、コモリガエル科に属するカエルの中でも、ゼノプス・レービス由来のL−乳酸脱水素酵素遺伝子が好ましく用いられる。 Examples of L-lactate dehydrogenase genes preferably used in the present invention include those derived from frogs such as Rhocophoridae, Ranaidae, Hyridae, Microhylidae, Toad. Examples include the L-lactate dehydrogenase genes belonging to the family Buphonidae, Hyperoliidae, Pelobatinae, Discoglossidae, and Pipidae. Among these, it is preferable to use an L-lactate dehydrogenase gene belonging to the family Pipidae, and among the frogs belonging to the family Comidae, the L-lactate dehydrogenase gene derived from Xenopus laevis is preferably used.
本発明で好ましく使用されるL−乳酸脱水素酵素遺伝子は、ゼノプス・レービス(Xenopus laevis)由来のL−乳酸脱水素酵素遺伝子である。より好ましく使用されるL−乳酸脱水素酵素遺伝子は、配列番号1に示す核酸配列を有する乳酸脱水素酵素遺伝子であり、さらに好ましく使用されるL−乳酸脱水素酵素遺伝子は、カエル由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子であって、配列番号1に示す核酸配列を有する遺伝子である。 The L-lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention is an L-lactate dehydrogenase gene derived from Xenopus laevis. The L-lactate dehydrogenase gene used more preferably is a lactate dehydrogenase gene having the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, and the L-lactate dehydrogenase gene used more preferably is frog-derived L- A gene encoding lactate dehydrogenase, which has the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法では、乳酸脱水素酵素遺伝子は、L−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が好ましく、L−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子は、L−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子の発現を可能とするプロモーターの下流に導入されていることが好ましい。さらに、本発明の連続発酵による乳酸の製造方法では、L−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子は、染色体上のピルビン酸脱炭酸酵素1遺伝子のプロモーターの下流に発現可能な状態で導入されていることが好ましい。
In the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, the lactate dehydrogenase gene is preferably a gene encoding L-lactate dehydrogenase, and the gene encoding L-lactate dehydrogenase is L-lactate dehydrogenase. It is preferably introduced downstream of a promoter that enables expression of the gene encoding. Furthermore, in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention, the gene encoding L-lactate dehydrogenase is introduced in a state that can be expressed downstream of the promoter of
本発明で好ましく使用される乳酸脱水素酵素遺伝子には、遺伝的多型性や変異誘発などによる変異型の遺伝子も含まれる。ここでいう遺伝的多型性とは、遺伝子上の自然突然変異により遺伝子の塩基配列が一部変化しているものである。また、変異誘発とは、人工的に遺伝子に変異を導入することをいい、例えば、部位特異的変異導入用キット(Mutant−K(タカラバイオ社製))を用いる方法や、ランダム変異導入用キット(BD Diversify PCR Random Mutagenesis(CLONTECH社製))を用いる方法などが挙げられる。 Lactic acid dehydrogenase genes preferably used in the present invention include genetic polymorphisms and mutant genes caused by mutagenesis. Here, the genetic polymorphism means that the base sequence of a gene is partially changed due to a natural mutation on the gene. Mutagenesis refers to artificially introducing a mutation into a gene. For example, a method using a site-specific mutagenesis kit (Mutant-K (manufactured by Takara Bio Inc.)) or a random mutagenesis kit. And a method using (BD Diversity PCR Random Mutagenesis (manufactured by CLONTECH)).
さらに、酵素活性が強化された乳酸合成酵素をコードするDNAとしては、例えば、部位特異的変異導入法を用いた変異手法によって得られる酵素活性が強い乳酸合成酵素をコードするDNAや、強力なプロモーターの支配下に乳酸合成酵素をコードするDNAを連結したDNAなどを挙げることができる。 Furthermore, as DNA encoding lactic acid synthase with enhanced enzyme activity, for example, DNA encoding lactic acid synthase with strong enzyme activity obtained by a mutation technique using site-directed mutagenesis or a strong promoter And the like can be exemplified by DNA linked with a DNA encoding lactic acid synthase under the control of
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法に用いられる酵母は、好ましくは、乳酸合成酵素(乳酸脱水素酵素、Lactate dehydrogenase)をコードする遺伝子を遺伝子組み換え等の手法を用いて導入することにより製造することができる。また、酵母が、既に目的とする乳酸合成酵素をコードする遺伝子を有している場合は、必ずしも該遺伝子を導入する必要はない。 The yeast used in the method for producing lactic acid by continuous fermentation of the present invention is preferably produced by introducing a gene encoding lactic acid synthase (lactate dehydrogenase) using a technique such as genetic recombination. be able to. In addition, when yeast already has a gene encoding a target lactic acid synthase, it is not always necessary to introduce the gene.
本発明で使用される酵母は、1倍体で良いが、倍数体でもよい。染色体が1組であることが1倍体、複数組を倍数体である。例えば、染色体が2組あれば2倍体と呼ぶ。 The yeast used in the present invention may be haploid but may be polyploid. It is haploid that one set of chromosomes is a polyploid. For example, if there are two pairs of chromosomes, it is called a diploid.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法では、乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を酵母に導入する方法としては、例えば、乳酸脱水素酵素遺伝子をクローニングし、クローニングした該遺伝子を組み込んだ発現ベクターを酵母に形質転換する方法、クローニングした該遺伝子を染色体上の目的箇所に相同組換えで挿入する方法等が挙げられるが、これらに限られるものではない。 In the method for producing lactic acid by continuous fermentation according to the present invention, as a method for introducing a gene encoding lactate dehydrogenase into yeast, for example, a lactate dehydrogenase gene is cloned, and an expression vector incorporating the cloned gene is used. Examples include, but are not limited to, a method of transforming into yeast and a method of inserting the cloned gene into a target site on a chromosome by homologous recombination.
本発明で好ましく使用される乳酸脱水素酵素遺伝子をクローニングする方法としては、特に制限はなく、既知の手法を用いることができる。例えば、既知の遺伝子情報に基づき、PCR(Polymerase Chain Reaction)法を用いて必要な遺伝領域を増幅取得する方法や、ゲノムライブラリーやcDNAライブラリーより相同性や酵素活性を指標としてクローニングする方法などが挙げられる。また、既知のタンパク質情報に基づき化学合成的又は遺伝子工学的に合成する方法も可能である。 There is no restriction | limiting in particular as a method of cloning the lactate dehydrogenase gene preferably used by this invention, A known method can be used. For example, based on known gene information, a method of amplifying and acquiring a necessary genetic region using PCR (Polymerase Chain Reaction) method, a method of cloning from a genomic library or cDNA library using homology or enzyme activity as an index, etc. Is mentioned. A method of chemical synthesis or genetic engineering based on known protein information is also possible.
クローニングした乳酸脱水素酵素遺伝子を組み込む発現ベクターとしては、酵母で汎用的に利用される発現ベクターを用いることができる。酵母で汎用的に利用される発現ベクターとは、酵母細胞内での自立的複製に必要な配列、大腸菌細胞内での自立的複製に必要な配列、酵母選択マーカーおよび大腸菌選択マーカーを有している。また、組み込んだ乳酸脱水素酵素遺伝子を発現させるために、その発現を調節するオペレーター、プロモーター、ターミネーターまたはエンハンサー等のいわゆる調節配列をも有していることが望ましい。 As an expression vector into which the cloned lactate dehydrogenase gene is incorporated, an expression vector generally used in yeast can be used. An expression vector widely used in yeast has a sequence necessary for autonomous replication in yeast cells, a sequence necessary for autonomous replication in E. coli cells, a yeast selection marker, and an E. coli selection marker. Yes. Further, in order to express the incorporated lactate dehydrogenase gene, it is desirable to have a so-called regulatory sequence such as an operator, promoter, terminator or enhancer that regulates the expression.
ここで、酵母細胞内での自立的複製に必要な配列とは、例えば、酵母の自立複製開始点(ARS1)とセントロメア配列の対もしくは酵母の2μmプラスミドの複製開始点であり、大腸菌内での自立的複製に必要な配列とは、例えば、大腸菌のColE1複製開始点である。また、酵母選択マーカーとしては、URA3またはTRP1等の栄養要求性相補的遺伝子、G418耐性遺伝子およびネオマイシン耐性遺伝子等の薬剤耐性遺伝子が挙げられ、大腸菌の選択マーカーとしては、アンピシリン耐性遺伝およびカナマイシン耐性遺伝子等の抗生物質耐性遺伝子が挙げられる。調節配列としては、GAPDH(グリセルアルデヒド−3−リン酸デヒドロゲナーゼ)プロモーター、ADH(アルコールデヒドロゲナーゼ)プロモーターおよびGAPDHターミネーターが挙げられる。しかしながら、発現ベクターはこれらに限定されるものではない。
Here, the sequence necessary for autonomous replication in yeast cells is, for example, a yeast autonomous replication origin (ARS1) and a centromere sequence pair or the replication origin of a
上記発現ベクターのプロモーター下流に乳酸脱水素酵素遺伝子を導入することにより、該遺伝子を発現可能なベクターが得られる。得られた乳酸脱水素酵素遺伝子発現ベクターを、後述する方法により酵母に形質転換することにより、乳酸脱水素酵素遺伝子を酵母に導入することができる。 By introducing a lactate dehydrogenase gene downstream of the expression vector promoter, a vector capable of expressing the gene can be obtained. By transforming the obtained lactate dehydrogenase gene expression vector into yeast by the method described later, the lactate dehydrogenase gene can be introduced into yeast.
乳酸脱水素酵素遺伝子を染色体上の目的箇所に、好ましくは、pdc1遺伝子のプロモーターの下流に相同組み換えで挿入する方法としては、乳酸脱水素酵素遺伝子の上流および下流に、導入目的箇所に相同的な部分を付加するようにデザインしたプライマーを用いてPCRを行い、得られたPCR断片を後述する方法により酵母に形質転換する方法が挙げられる。また、形質転換株の選択を容易にするために、上記PCR断片には酵母選択マーカーが含まれることが好ましい。 As a method of inserting the lactate dehydrogenase gene into the target site on the chromosome, preferably downstream of the promoter of the pdc1 gene by homologous recombination, homologous recombination is possible upstream and downstream of the lactate dehydrogenase gene. Examples include a method in which PCR is performed using a primer designed to add a portion, and the obtained PCR fragment is transformed into yeast by the method described later. In order to facilitate selection of transformants, the PCR fragment preferably contains a yeast selection marker.
ここで用いられるPCR断片を調整する方法は、例えば、下記(1)〜(3)のステップ1〜3の工程により行うことができる。その概略図を図5に示す。図5は、pdc1遺伝子プロモーター下流に、乳酸脱水素酵素遺伝子(ldh遺伝子)を導入する方法を説明するための概略図である。
The method of adjusting the PCR fragment used here can be performed, for example, by the
(1)ステップ1:乳酸脱水素酵素遺伝子の下流にターミネーターがつながったプラスミドを鋳型とし、プライマー1とプライマー2をセットとして、乳酸脱水素酵素遺伝子およびターミネーターを含む断片をPCRで増幅する。プライマー1は、導入目的箇所の上流側に相同的な配列40bp以上を付加するようデザインし、プライマー2は、ターミネーターより下流のプラスミド由来の配列をもとにデザインする。好ましくは、プライマー1に付加する導入目的箇所の上流側に相同的な配列は、ピルビン酸脱炭酸酵素1遺伝子(pdc1遺伝子)の上流に相同的な配列である。
(1) Step 1: Using a plasmid having a terminator connected downstream of a lactate dehydrogenase gene as a template and using
(2)ステップ2:酵母選択マーカーを持つプラスミド、例えば、pRS424やpRS426等を鋳型として、プライマー3とプライマー4をセットとして、酵母選択マーカーを含む断片をPCRで増幅する。プライマー3は、上記のステップ1のPCR断片のターミネーターより下流の配列と相同性のある配列が30bp以上を付加するようにデザインし、プライマー4には、導入目的箇所の下流側に相同的な配列40bp以上を付加するようデザインする。好ましくは、プライマー4に付加する導入目的箇所の下流側に相同的な配列は、pdc1遺伝子の下流に相同的な配列である。
(2) Step 2: A plasmid containing a yeast selection marker is amplified by PCR using a plasmid having a yeast selection marker, for example, pRS424 or pRS426 as a template,
(3)ステップ3:上記のステップ1とステップ2で得られたPCR断片を混合したものを鋳型とし、プライマー1とプライマー4をセットとしてPCRを行うことにより、両末端に導入目的箇所の上流側および下流側に相同的な配列が付加された、乳酸脱水素酵素遺伝子、ターミネーター及び酵母選択マーカーを含むPCR断片が得られる。好ましくは、前記のPCR断片は、両末端にpdc1遺伝子の上流および下流に相同的な配列が付加された、ldh遺伝子、ターミネーターおよびマーカー遺伝子を含むPCR断片である。
(3) Step 3: Perform PCR using a mixture of the PCR fragments obtained in
上記で得られた乳酸脱水素酵素遺伝子発現ベクターまたはPCR断片を酵母に導入するには、形質転換、形質導入、トランスフェクション、コトランスフェクションおよびエレクトロポレーション等の方法を用いることができる。具体的には、例えば、酢酸リチウムを用いる方法やプロトプラスト法等が用いられる。 In order to introduce the lactate dehydrogenase gene expression vector or PCR fragment obtained above into yeast, methods such as transformation, transduction, transfection, cotransfection and electroporation can be used. Specifically, for example, a method using lithium acetate or a protoplast method is used.
得られた形質転換株の培養方法としては、例えば、「M.D. Rose et al.,"Methods In Yeast Genetics", Cold Spring Harbor Laboratory Press (1990)」等に記載されている既知の方法を用いることができる。乳酸脱水素酵素遺伝子発現ベクター又はPCR断片が導入された酵母は、発現ベクターまたはPCR断片が有する酵母選択マーカーによって、栄養非添加培地または薬剤添加培地で培養することにより選択することができる。 As a method for culturing the obtained transformant, for example, a known method described in “MD Rose et al.,“ Methods In Yeast Genetics ”, Cold Spring Harbor Laboratory Press (1990)” is used. Can be used. Yeast into which a lactate dehydrogenase gene expression vector or PCR fragment has been introduced can be selected by culturing in a nutrient-free medium or a drug-added medium according to the yeast selection marker possessed by the expression vector or PCR fragment.
本発明で好ましく用いられる乳酸脱水素酵素遺伝子が導入された酵母を培養することにより、培地中に乳酸を製造することができる。 Lactic acid can be produced in the medium by culturing the yeast introduced with the lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention.
得られた乳酸の測定法に特に制限はないが、例えば、HPLCを用いる方法や、F-キット(ロシュ社製)を用いる方法などがある。 The method for measuring the obtained lactic acid is not particularly limited, and examples include a method using HPLC and a method using F-kit (Roche).
本発明において、乳酸脱水素酵素活性とは、ピルビン酸とNADHを乳酸とNAD+に変換する活性を示す。また限定されるわけではないが、乳酸脱水素酵素活性は比活性を指標として比較することができる。すなわち、ldh遺伝子導入方法および遺伝的バックグラウンドが同じ酵母を同条件で培養し、培養菌体から抽出したタンパク質を用いてNADHの減少に伴う340nmにおける吸光度の変化を測定する。その際に、常温において1分間当たりに1μmolのNADHを減少させる酵素量を1単位(Unit)と定義することにより、乳酸脱水素酵素の比活性は下記(式4)であらわされる。ここで、Δ340は、1分間あたりの340nmの吸光度の減少量であり、6.22は、NADHのミリモル分子吸光係数である。 In the present invention, lactate dehydrogenase activity indicates the activity of converting pyruvate and NADH into lactic acid and NAD +. Although not limited, lactate dehydrogenase activity can be compared using specific activity as an index. That is, yeast having the same ldh gene introduction method and the same genetic background are cultured under the same conditions, and the change in absorbance at 340 nm due to the decrease in NADH is measured using a protein extracted from the cultured cells. At that time, the specific activity of lactate dehydrogenase is expressed by the following (formula 4) by defining the amount of enzyme that decreases 1 μmol of NADH per minute at room temperature as 1 unit (Unit). Here, Δ340 is the amount of decrease in absorbance at 340 nm per minute, and 6.22 is the mmol molecular extinction coefficient of NADH.
得られた発酵培養液中の乳酸は、従来から知られている方法によって、精製することができる。例えば、微生物を遠心分離した発酵培養液をpH1以下にしてから、ジエチルエーテルや酢酸エチル等で抽出する方法、イオン交換樹脂に吸着、洗浄した後、溶出する方法、酸触媒の存在下でアルコールと反応させてエステルとしてから蒸留する方法、およびカルシウム塩やリチウム塩として晶析する方法などで精製することができる。
Lactic acid in the obtained fermentation broth can be purified by a conventionally known method. For example, the fermentation broth obtained by centrifuging microorganisms is adjusted to
本発明において、発酵原料中の全アミノ酸濃度が2g/L以下であることは、本発明で使用される乳酸発酵用培地の中に含まれるアミノ酸の濃度が総計2g/L以下であることである。その発酵原料中の全アミノ酸濃度が2g/L以下である乳酸発酵用培地の好ましい具体的な例として、次の表1に示される全アミノ酸濃度が0.9g/L含まれる組成の培地(以下、合成培地1と略すことがある。)、同表2に示される全アミノ酸濃度が45mg/L含まれる組成の培地(以下、天然培地1と略すことがある。)、および同表3に示される全アミノ酸濃度が1.5g/L含まれる組成の培地(以下、天然培地2と略すことがある。)等が挙げられる。
In the present invention, the fact that the total amino acid concentration in the fermentation raw material is 2 g / L or less means that the concentration of amino acids contained in the lactic acid fermentation medium used in the present invention is 2 g / L or less in total. . As a preferable specific example of the medium for lactic acid fermentation in which the total amino acid concentration in the fermentation raw material is 2 g / L or less, a medium having a composition containing 0.9 g / L of the total amino acid concentration shown in the following Table 1 (hereinafter referred to as the following) , Sometimes abbreviated as Synthetic Medium 1), a medium having a composition containing 45 mg / L of the total amino acid concentration shown in Table 2 (hereinafter sometimes abbreviated as Natural Medium 1), and Table 3 And a medium having a composition containing 1.5 g / L of the total amino acid concentration (hereinafter sometimes abbreviated as “
上記の合成培地1は、次のようにして調製することができる。例えば、表1に示された栄養素のうち、ビタミン類と金属塩についてはそれぞれフィルター処理により滅菌し、それ以外の栄養素については、糖、アミノ酸、核酸および無機塩類のグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表1に示す濃度となるように調製する。表1に示したアミノ酸は、各アミノ酸を表1に示された濃度になるように作製し培地に添加する、または10倍濃度の各アミノ酸溶液を作製し、それを希釈して表1に示された濃度になるように添加することができる。また、各アミノ酸、例えば、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物などの群から選ばれた1種類以上のアミノ酸を使い、培地の全アミノ酸濃度が0.9g/Lの濃度になるように必要量を添加しても良い。
The above
また、上記の天然培地1は、次のように調製することができる。例えば、表2に示された栄養素のうち、原料糖、アミノ酸および無機塩類である硫酸アンモニウムをグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表2に示す濃度となるように調製する。その中のアミノ酸は、表2に示された濃度になるように各アミノ酸溶液を作製し、培地に添加することができる。各アミノ酸溶液は、10倍濃度に作製し、それを希釈して表2に示された濃度になるように添加することができる。各アミノ酸としては、例えば、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、およびこれらの水和物などを使用することができる。培地の全アミノ酸濃度は、各アミノ酸群から選ばれた1種類以上のアミノ酸を使い、培地の全アミノ酸濃度が45mg/Lの濃度になるように必要量を添加しても良い。
Moreover, said
また、上記の天然培地2は、次のように調製することができる。例えば、表3に示された栄養素のうち、原料糖、アミノ酸および無機塩類である硫酸アンモニウムをグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表3に示す濃度となるように調製する。その中のアミノ酸は、表3に示された濃度になるように各アミノ酸溶液を作製し、培地に添加することができる。各アミノ酸溶液は、10倍濃度に作製し、それを希釈して表3に示された濃度になるように添加することができる。各アミノ酸としては、例えば、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、およびこれらの水和物などを使用することができる。培地の全アミノ酸濃度は、各アミノ酸群から選ばれた1種類以上のアミノ酸を使い、培地の全アミノ酸濃度が1.5g/Lの濃度になるように必要量を添加しても良い。
Moreover, said
発酵原料中の全アミノ酸濃度を2g/L以下にすることにより、乳酸発酵開始から発酵終了までの乳酸を生産する能力を有する酵母の生育速度を遅らせて長時間にわたり高密度化することができ、乳酸生産性を向上させることができる。また、酵母の死滅周期を遅らせ、死滅時に発生する副産物の濃度を少なめにすることにより、発酵培養液の分離膜として使用する多孔質膜の閉塞を抑えることができ、乳酸発酵の更なる長期化が可能になって、乳酸発酵の生産効率を上げることができる。 By making the total amino acid concentration in the fermentation raw material 2 g / L or less, the growth rate of yeast having the ability to produce lactic acid from the start of lactic acid fermentation to the end of fermentation can be delayed and densified over a long period of time, Lactic acid productivity can be improved. In addition, by delaying the death cycle of yeast and reducing the concentration of by-products generated at the time of death, the clogging of the porous membrane used as a separation membrane for fermentation broth can be suppressed, and the lactic acid fermentation can be further prolonged. It is possible to increase the production efficiency of lactic acid fermentation.
本発明において、発酵原料の中または乳酸発酵用培地の中のアミノ酸濃度の測定は、例えば、次に示す条件で次のアミノ酸分析計を用いて測定することができる。
・アミノ酸分析計:L−8800A形(株式会社日立製作所製)
・カラム:日立カスタムイオン交換樹脂 #2622(株式会社日立製作所製)6mm×25mm×2本
・アンモニアフィルタカラム:日立カスタムイオン交換樹脂#2650(株式会社日立製作所製)4.6mm×60mm
・移動相:L−8500緩衝液PF−1、PF−2、PF−3、PF−4、L−8500カラム再生液PF(L−8500形日立高速アミノ酸分析計用、和光純薬工業株式会社製)
・反応溶液:ニンヒドリン試液ワコーニンヒドリン試液−L8500セット(ニンヒドリン溶液、緩衝液)(L−8500形日立高速アミノ酸分析計用、和光純薬工業株式会社製)
・化学反応槽温度:135°C
・検出波長:570nm,440nm
・試料注入量:25μl。
In the present invention, the amino acid concentration in the fermentation raw material or the medium for lactic acid fermentation can be measured, for example, using the following amino acid analyzer under the following conditions.
Amino acid analyzer: L-8800A type (manufactured by Hitachi, Ltd.)
Column: Hitachi custom ion exchange resin # 2622 (manufactured by Hitachi, Ltd.) 6 mm × 25 mm × 2 Ammonia filter column: Hitachi custom ion exchange resin # 2650 (manufactured by Hitachi, Ltd.) 4.6 mm × 60 mm
Mobile phase: L-8500 buffer solution PF-1, PF-2, PF-3, PF-4, L-8500 column regeneration solution PF (for L-8500 type Hitachi high-speed amino acid analyzer, Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Made)
-Reaction solution: ninhydrin test solution Wakonin hydrin test solution-L8500 set (ninhydrin solution, buffer) (for L-8500 type Hitachi high-speed amino acid analyzer, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ Chemical reactor temperature: 135 ° C
・ Detection wavelength: 570 nm, 440 nm
Sample injection volume: 25 μl.
本発明において、全アミノ酸濃度を2g/L以下にする発酵原料は、乳酸発酵を立ち上げるときから発酵終了までの投入される全ての培地の発酵原料あり、また、新規に発酵培養液に追加される発酵原料も全アミノ酸濃度が2g/L以下のものである。 In the present invention, the fermentation raw material having a total amino acid concentration of 2 g / L or less is a fermentation raw material for all the media introduced from the start of lactic acid fermentation to the end of the fermentation, and is newly added to the fermentation broth. The fermentation raw material also has a total amino acid concentration of 2 g / L or less.
本発明の連続発酵による乳酸の製造方法について、実施例に基づいて具体的に説明する。 The production method of lactic acid by continuous fermentation of the present invention will be specifically described based on examples.
本発明の実施例では、乳酸脱水素酵素遺伝子の例としてカエルの乳酸脱水素酵素遺伝子を選定し、酵母の例として参考例1で作出したサッカロミセス・セレビセ(Saccharomyces cerevisiae)を選定し、図1および図2に示した連続発酵装置を用いて乳酸の連続発酵を行った。また、分離膜として、参考例2と参考例3で作製した分離膜による図3と図4に示した分離膜エレメントを用いた。 In the examples of the present invention, a frog lactate dehydrogenase gene was selected as an example of a lactate dehydrogenase gene, and Saccharomyces cerevisiae produced in Reference Example 1 was selected as an example of yeast. Continuous fermentation of lactic acid was performed using the continuous fermentation apparatus shown in FIG. As the separation membrane, the separation membrane elements shown in FIGS. 3 and 4 using the separation membranes prepared in Reference Example 2 and Reference Example 3 were used.
(参考例1)(乳酸合成能力を持つ酵母の造成)
乳酸脱水素酵素(ldh)遺伝子として、配列番号1に示す核酸配列を有するゼノプス・レービス(Xenopus laevis)由来の乳酸脱水素酵素遺伝子を使用した。乳酸脱水素酵素遺伝子のクローニングは、PCR法により行った。PCRには、ゼノプス・レービスの腎臓由来cDNAライブラリー(STRATAGENE社製)より付属のプロトコールに従い調製したファージミドDNAを鋳型として用いた。
(Reference Example 1) (Generation of yeast having lactic acid synthesis ability)
As the lactate dehydrogenase (ldh) gene, a lactate dehydrogenase gene derived from Xenopus laevis having the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 was used. The lactate dehydrogenase gene was cloned by the PCR method. For PCR, phagemid DNA prepared from a Xenopus laevis kidney-derived cDNA library (Stratagene) according to the attached protocol was used as a template.
PCR増幅反応には、KOD−Plus polymerase(東洋紡社製)を用い、反応バッファーおよびdNTPmixなどは付属のものを使用した。上記のように、付属のプロトコールに従い調整したファージミドDNAを50ng/サンプル、プライマーを50pmol/サンプル、およびKOD−Plus polymeraseを1ユニット/サンプルになるように50μlの反応系に調製した。調製した反応溶液を、PCR増幅装置iCycler(BIO−RAD社製)により94℃の温度で5分熱変成させた後、94℃(熱変成):30秒、55℃(プライマーのアニール):30秒、68℃(相補鎖の伸張):1分を1サイクルとして30サイクル行い、その後4℃の温度に冷却した。なお、遺伝子増幅用プライマー(配列番号2,3)には、5末端側にはSalI認識配列、3末端側にはNotI認識配列がそれぞれ付加されるようにして作製した。 For the PCR amplification reaction, KOD-Plus polymerase (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was used, and the attached reaction buffer and dNTPmix were used. As described above, a 50 μl reaction system was prepared so that the phagemid DNA prepared according to the attached protocol was 50 ng / sample, the primer was 50 pmol / sample, and the KOD-Plus polymerase was 1 unit / sample. The prepared reaction solution was thermally denatured at 94 ° C. for 5 minutes with a PCR amplification device iCycler (manufactured by BIO-RAD), then 94 ° C. (thermal denature): 30 seconds, 55 ° C. (primer annealing): 30 Second, 68 ° C. (extension of complementary strand): 1 cycle was performed for 30 cycles, and then cooled to a temperature of 4 ° C. The gene amplification primer (SEQ ID NO: 2 and 3) was prepared such that a SalI recognition sequence was added to the 5 terminal side and a NotI recognition sequence was added to the 3 terminal side.
PCR増幅断片を精製し、末端をT4 polynucleotide Kinase(タカラバイオ社製)によりリン酸化後、pUC118ベクター(制限酵素HincIIで切断し、切断面を脱リン酸化処理したもの)にライゲーションした。ライゲーションは、DNA Ligation Kit Ver.2(タカラバイオ社製)を用いて行った。ライゲーション溶液を、大腸菌DH5αのコンピテント細胞(タカラバイオ社製)に形質転換し、抗生物質アンピシリンを50μg/mLを含むLBプレートに蒔いて一晩培養した。生育したコロニーについて、ミニプレップでプラスミドDNAを回収し、制限酵素SalIおよびNotIで切断し、ldh遺伝子が挿入されているプラスミドを選抜した。これら一連の操作は、全て付属のプロトコールに従い行った。 The PCR amplified fragment was purified, and the end was phosphorylated with T4 polynucleotide Kinase (manufactured by Takara Bio Inc.), and then ligated to the pUC118 vector (which was cleaved with the restriction enzyme HincII and the cut surface was dephosphorylated). Ligation was performed using DNA Ligation Kit Ver. 2 (manufactured by Takara Bio Inc.). The ligation solution was transformed into E. coli DH5α competent cells (Takara Bio Inc.), plated on an LB plate containing 50 μg / mL of antibiotic ampicillin, and cultured overnight. For the grown colonies, plasmid DNA was collected with a miniprep, cut with restriction enzymes SalI and NotI, and a plasmid into which the ldh gene was inserted was selected. All of these series of operations were performed according to the attached protocol.
上記の乳酸脱水素酵素遺伝子が挿入されたpUC118ベクターを、制限酵素SalIおよびNotIで切断し、DNA断片を1%アガロースゲル電気泳動により分離し、定法に従い、乳酸脱水素酵素遺伝子を含む断片を精製した。得られた乳酸脱水素酵素遺伝子を含む断片を、図6に示す酵母発現ベクターpTRS11のXhoI/NotI切断部位にライゲーションし、上記と同様な方法でプラスミドDNAを回収し、制限酵素XhoI及びNotIで切断することにより、乳酸脱水素酵素遺伝子が挿入された発現ベクターを選抜した。以後、このようにして作成した乳酸脱水素酵素遺伝子を組み込んだ発現ベクターをpTRS102とした。 The pUC118 vector in which the lactate dehydrogenase gene is inserted is cleaved with the restriction enzymes SalI and NotI, the DNA fragments are separated by 1% agarose gel electrophoresis, and the fragment containing the lactate dehydrogenase gene is purified according to a conventional method. did. The fragment containing the obtained lactate dehydrogenase gene was ligated to the XhoI / NotI cleavage site of the yeast expression vector pTRS11 shown in FIG. 6, and the plasmid DNA was recovered in the same manner as described above, and digested with the restriction enzymes XhoI and NotI. By doing so, an expression vector into which the lactate dehydrogenase gene was inserted was selected. Hereinafter, an expression vector incorporating the lactate dehydrogenase gene prepared in this manner was designated as pTRS102.
得られた発現ベクターpTS102を増幅鋳型とし、オリゴヌクレオチド(配列番号4,5)をプライマーセットとしたPCRにより、乳酸脱水素酵素遺伝子およびGAPDHターミネーター配列を含む1.3kbのDNA断片を増幅した(図5のステップ1に相当する。)。ここで、配列番号4は、pdc1遺伝子の上流65bpに相同性のある配列が付加されるようにデザインした。 A 1.3 kb DNA fragment containing a lactate dehydrogenase gene and a GAPDH terminator sequence was amplified by PCR using the obtained expression vector pTS102 as an amplification template and oligonucleotides (SEQ ID NOs: 4 and 5) as primer sets (FIG. 5 corresponds to step 1). Here, SEQ ID NO: 4 was designed such that a sequence having homology was added to 65 bp upstream of the pdc1 gene.
次に、プラスミド酵母選択用マーカーを持つプラスミドpRS424を増幅鋳型として、オリゴヌクレオチド(配列番号6,7)をプライマーセットとしたPCRにより、酵母選択マーカーであるTRP1遺伝子を含む1.2kbのDNA断片を増幅した。ここで、配列番号7は、pdc1遺伝子の下流65bpに相同性のある配列が付加されるようにデザインした。 Next, a 1.2 kb DNA fragment containing the TRP1 gene as a yeast selection marker was obtained by PCR using plasmid pRS424 having a plasmid yeast selection marker as an amplification template and oligonucleotides (SEQ ID NOs: 6 and 7) as primer sets. Amplified. Here, SEQ ID NO: 7 was designed so that a sequence having homology was added to 65 bp downstream of the pdc1 gene.
それぞれのDNA断片を1.5%アガロースゲル電気泳動により分離し、常法に従い精製した。ここで得られた各1.3kb断片と1.2kb断片を混合したものを増幅鋳型とし、オリゴヌクレオチド(配列番号:4,7)をプライマーセットとしたPCR法によって、乳酸脱水素酵素遺伝子、GAPDHターミネーターおよびTRP1遺伝子が連結された約2.5kbのDNA断片を増幅した。 Each DNA fragment was separated by 1.5% agarose gel electrophoresis and purified according to a conventional method. A mixture of each 1.3 kb fragment and 1.2 kb fragment obtained here was used as an amplification template, and a PCR method using oligonucleotides (SEQ ID NOs: 4 and 7) as a primer set was used for the lactate dehydrogenase gene, GAPDH. A DNA fragment of about 2.5 kb to which the terminator and TRP1 gene were linked was amplified.
上記のDNA断片を1.5%アガロースゲル電気泳動により分離し、常法に従い精製後、酵母サッカロミセス・セレビセNBRC10505株に形質転換し、トリプトファン非添加培地で培養することにより、ldh遺伝子が染色体上のpdc1遺伝子プロモーターの下流に導入されている形質転換株を選択した。 The above DNA fragments are separated by 1.5% agarose gel electrophoresis, purified according to a conventional method, transformed into yeast Saccharomyces cerevisiae NBRC10505, and cultured in a medium without tryptophan, whereby the ldh gene is chromosomally A transformant introduced downstream of the pdc1 gene promoter was selected.
上記のようにして得られた形質転換株が、乳酸脱水素酵素遺伝子が染色体上のpdc1遺伝子プロモーターの下流に導入されている酵母であることの確認は、下記のようにして行った。まず、形質転換株のゲノムDNAをゲノムDNA抽出キット“Genとるくん”(登録商標)(タカラバイオ社製)により調製し、これを増幅鋳型とし、オリゴヌクレオチド(配列番号7,8)をプライマーセットとしたPCRにより、約2.8kbの増幅DNA断片が得られることで確認した。非形質転換株では、上記PCRによって約2.1kbの増幅DNA断片が得られる。以下、上記乳酸脱水素酵素遺伝子が染色体上のpdc1遺伝子プロモーターの下流に導入された形質転換株を、B2株として、後の実施例で用いた。 Confirmation that the transformant obtained as described above was a yeast in which the lactate dehydrogenase gene was introduced downstream of the pdc1 gene promoter on the chromosome was performed as follows. First, the genomic DNA of the transformant was prepared using a genomic DNA extraction kit “Gentori-kun” (registered trademark) (manufactured by Takara Bio Inc.), which was used as an amplification template, and oligonucleotides (SEQ ID NOs: 7 and 8) were used as primer sets. As a result of PCR, it was confirmed that an amplified DNA fragment of about 2.8 kb was obtained. In the non-transformed strain, an amplified DNA fragment of about 2.1 kb is obtained by the PCR. Hereinafter, the transformed strain in which the lactate dehydrogenase gene was introduced downstream of the pdc1 gene promoter on the chromosome was used as a B2 strain in the subsequent examples.
(参考例2)多孔性膜の作製(その1)
樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)樹脂を、また溶媒としてN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)をそれぞれ用い、これらを90℃の温度下に十分に攪拌し、下記組成を有する原液を得た。
[原液]
・PVDF:13.0重量%
・DMAc:87.0重量%
次に、上記の原液を25℃の温度に冷却した後、あらかじめガラス板上に貼り付けて置いた、密度が0.48g/cm3で、厚みが220μmのポリエステル繊維製不織布(多孔質基材)に塗布し、直ちに下記組成を有する25℃の温度の凝固浴中に5分間浸漬して、多孔質基材に多孔質樹脂層が形成された多孔性膜を得た。
[凝固浴]
・水 :30.0重量%
・DMAc:70.0重量%
この多孔性膜をガラス板から剥がした後、80℃の温度の熱水に3回浸漬してDMAcを洗い出し、分離膜を得た。多孔質樹脂層表面の9.2μm×10.4μmの範囲内を、倍率10,000倍で走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、観察できる細孔すべての直径の平均は0.1μmであった。次に、上記分離膜について純水透水透過係数を評価したところ、50×10-9m3/m2/s/Paであった。純水透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで行った。また、平均細孔径の標準偏差は0.035μmで、膜表面粗さは0.06μmであった。
(Reference Example 2) Production of porous membrane (Part 1)
Polyvinylidene fluoride (PVDF) resin was used as the resin and N, N-dimethylacetamide (DMAc) was used as the solvent, and these were sufficiently stirred at a temperature of 90 ° C. to obtain a stock solution having the following composition.
[Undiluted solution]
・ PVDF: 13.0% by weight
DMAc: 87.0% by weight
Next, after cooling the above stock solution to a temperature of 25 ° C., a polyester fiber non-woven fabric (porous substrate) having a density of 0.48 g / cm 3 and a thickness of 220 μm, which was previously pasted on a glass plate. And immediately immersed in a coagulation bath at 25 ° C. having the following composition for 5 minutes to obtain a porous film having a porous resin layer formed on a porous substrate.
[Coagulation bath]
-Water: 30.0% by weight
DMAc: 70.0% by weight
After peeling this porous membrane from the glass plate, it was immersed in hot water at a temperature of 80 ° C. three times to wash out DMAc to obtain a separation membrane. When the surface of the porous resin layer was observed with a scanning electron microscope at a magnification of 10,000 within the range of 9.2 μm × 10.4 μm, the average diameter of all observable pores was 0.1 μm. . Next, when the pure water permeability coefficient was evaluated about the said separation membrane, it was 50 * 10 < -9 > m < 3 > / m < 2 > / s / Pa. The pure water permeation amount was measured using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane at a head height of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.035 μm, and the membrane surface roughness was 0.06 μm.
(参考例3)多孔性膜の作製(その2)
重量平均分子量41.7万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ−ブチロラクトンとを、それぞれ38重量%と62重量%の割合で170℃の温度で溶解し原液を作製した。この原液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随拌させながら口金から吐出し、温度20℃のγ−ブチロラクトン80重量%水溶液からなる冷却浴中で固化して、中空糸膜を作製した。
(Reference Example 3) Production of porous membrane (part 2)
A vinylidene fluoride homopolymer having a weight average molecular weight of 41,000 and γ-butyrolactone were dissolved at a temperature of 170 ° C. at a ratio of 38% by weight and 62% by weight, respectively, to prepare a stock solution. This stock solution was discharged from the base while stirring γ-butyrolactone as a hollow portion forming liquid, and solidified in a cooling bath composed of an 80% by weight aqueous solution of γ-butyrolactone at a temperature of 20 ° C. to produce a hollow fiber membrane.
次いで、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテートプロピオネート(イーストマンケミカル社、CAP482−0.5)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、および水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して原液を調整した。この原液を、上記で得られた中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させた本発明で用いる中空糸多孔性膜を製作した。得られた中空糸多孔性膜の被処理水側表面の平均細孔径は、0.05μmであった。次に、上記の分離膜である中空糸多孔性膜について純水透水量を評価したところ、5.5×10-9m3/m2・s・Paであった。透水量の測定は、逆浸透膜による25℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ1mで行った。また、平均細孔径の標準偏差 は0.006μmであった。 Next, 14% by weight of vinylidene fluoride homopolymer having a weight average molecular weight of 284,000, 1% by weight of cellulose acetate propionate (Eastman Chemical Co., CAP482-0.5), and N-methyl-2-pyrrolidone 77% by weight, polyoxyethylene coconut oil fatty acid sorbitan (manufactured by Sanyo Kasei Co., Ltd., trade name Ionette T-20C) at 5% by weight, and 3% by weight of water are mixed and dissolved at a temperature of 95 ° C. It was adjusted. This undiluted solution was uniformly applied to the surface of the hollow fiber membrane obtained above, and a hollow fiber porous membrane used in the present invention was immediately solidified in a water bath. The average pore diameter of the treated water side surface of the obtained hollow fiber porous membrane was 0.05 μm. Next, the pure water permeation rate of the hollow fiber porous membrane as the separation membrane was evaluated and found to be 5.5 × 10 −9 m 3 / m 2 · s · Pa. The amount of water permeation was measured using purified water at a temperature of 25 ° C. by a reverse osmosis membrane at a head height of 1 m. The standard deviation of the average pore diameter was 0.006 μm.
(実施例1)連続発酵によるL−乳酸の製造(その1)
図1に示す連続発酵装置を稼働させることにより、乳酸が連続発酵で得られるかどうかを調べるため、同装置を用いた連続発酵試験を行った。培地には、全アミノ酸濃度が0.9g/Lになるように調節した上述の表1に示す乳酸発酵用の合成培地1を、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。
(Example 1) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 1)
In order to investigate whether lactic acid is obtained by continuous fermentation by operating the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 1, a continuous fermentation test using the apparatus was performed. As the medium, the
上記の合成培地1は、次のように調製した。表1に示された栄養素のうち、ビタミン類と金属塩についてはそれぞれフィルター処理により滅菌し、それ以外の栄養素については、糖、アミノ酸、核酸および無機塩類のグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表1に示す全アミノ酸濃度が0.9g/Lとなるように調製した。表1に示したアミノ酸は、10倍濃度の各アミノ酸溶液を作製し、それを希釈して表1に示された濃度になるように添加した。また、各アミノ酸には、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物を使用した。
The above
分離膜エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。分離膜には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする、前述の参考例2で作製した多孔性膜を用いた。この多孔性膜の特性を調べたところ、平均細孔径は0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9m3/m2/s/paであった。この実施例1における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:120平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:200(mL/分)
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・滅菌:分離膜エレメントを含む培養槽、および使用培地は総て121℃、20分のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌。
・pH調整:8N NaOHによりpH5に調整
・膜透過水量制御:膜分離槽水頭差により流量を制御(水頭差は2m以内で制御)
発酵培養液に含まれる乳酸は、下記に示す条件でHPLC法により乳酸量を測定することで確認した。
・カラム:Shim−Pack SPR−H(島津社製)
・移動相:5mM p−トルエンスルホン酸(流速0.8mL/分)
・反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、および0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/分)
・検出方法:電気伝導度
・温度:45(℃)。
For the separation membrane element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. As the separation membrane, the porous membrane produced in the above-mentioned Reference Example 2 containing polyvinylidene fluoride (PVDF) as a main component was used. When the characteristics of the porous membrane were examined, the average pore diameter was 0.1 μm, and the pure water permeability coefficient was 50 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa. The operating conditions in Example 1 are as follows unless otherwise specified.
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 120 square cm
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
・ Aeration volume of fermentation reaction tank: 200 (mL / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 800 (rpm)
Sterilization: All the culture tanks containing the separation membrane element and the working medium were autoclaved at 121 ° C. for 20 minutes under high pressure steam sterilization.
・ PH adjustment: Adjust pH to 5 with 8N NaOH ・ Membrane permeate flow control: Flow rate is controlled by the water separation of the membrane separation tank (the water head difference is controlled within 2m)
The lactic acid contained in the fermentation broth was confirmed by measuring the amount of lactic acid by the HPLC method under the conditions shown below.
Column: Shim-Pack SPR-H (manufactured by Shimadzu Corporation)
-Mobile phase: 5 mM p-toluenesulfonic acid (flow rate 0.8 mL / min)
Reaction solution: 5 mM p-toluenesulfonic acid, 20 mM Bistris, and 0.1 mM EDTA · 2Na (flow rate 0.8 mL / min)
-Detection method: electrical conductivity-Temperature: 45 (° C).
また、L−乳酸の光学純度測定は、下記の条件でHPLC法により測定した。
・カラム:TSK−gel Enantio L1(東ソー社製)
・移動相 :1mM 硫酸銅水溶液
・流速:1.0ml/分
・検出方法 :UV254nm
・温度 :30℃。
The optical purity of L-lactic acid was measured by the HPLC method under the following conditions.
Column: TSK-gel Enantio L1 (manufactured by Tosoh Corporation)
-Mobile phase: 1 mM copper sulfate aqueous solution-Flow rate: 1.0 ml / min-Detection method: UV254 nm
-Temperature: 30 degreeC.
また、L−乳酸の光学純度は、次式で計算される。
・光学純度(%)=100×(L−D)/(L+D)
ここで、LはL−乳酸の濃度を表し、DはD−乳酸の濃度を表す。また、グルコース濃度の測定には、“グルコーステストワコーC”(登録商標)(和光純薬社製)を用いた。
Moreover, the optical purity of L-lactic acid is calculated by the following formula.
Optical purity (%) = 100 × (LD) / (L + D)
Here, L represents the concentration of L-lactic acid, and D represents the concentration of D-lactic acid. For measurement of glucose concentration, “Glucose Test Wako C” (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.
まず、B2株を、試験管で表1に示す5mlの窒素ガスでパージした乳酸発酵用の合成培地で24時間、30℃の温度で静置培養した(前々々培養)。得られた培養液を窒素ガスでパージした新鮮な乳酸発酵用の合成培地50mlに植菌し、24時間、30℃の温度で静置培養した(前々培養)。前々培養液を、図1に示す連続発酵装置の窒素ガスでパージした1Lの乳酸発酵培地に植菌し、発酵反応槽1を付属の攪拌機5によって800rpmで攪拌し、発酵反応槽1の通気量の調整と30℃の温度に温度調整を行い、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵培養液量を1.5Lとなるように膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵による乳酸の製造を行った。このとき、気体供給装置から窒素ガスを発酵反応槽1内に供給し、排出されたガスを回収して再度発酵反応槽1に供給した。すなわち、窒素ガスを含む気体のリサイクル供給を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、水頭差制御装置3により、発酵反応槽水頭を最大2m以内、すなわち膜間差圧が20kPa以内となるように適宜水頭差を変化させることにより行った。適宜、膜透過発酵液中の生産された乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。また、乳酸およびグルコース濃度から算出された投入グルコースから算出された乳酸生産速度を、後述の実施例2から実施例8および比較例1の結果と共にまとめて表4に示した。680時間の発酵試験を行った結果、この乳酸発酵用の合成培地と連続発酵装置を用いることにより、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
First, the B2 strain was statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours in a synthetic medium for lactic acid fermentation purged with 5 ml of nitrogen gas shown in Table 1 in a test tube (cultured in advance). The obtained culture solution was inoculated into 50 ml of a synthetic medium for fresh lactic acid fermentation purged with nitrogen gas, and statically cultured at a temperature of 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). The culture broth was inoculated into 1 L of lactic acid fermentation medium purged with nitrogen gas from the continuous fermentation apparatus shown in FIG. The amount was adjusted and the temperature was adjusted to a temperature of 30 ° C., and cultured for 24 hours (pre-culture). Immediately after the completion of the pre-culture, the lactic acid fermentation medium is continuously supplied, and the continuous culture is performed while controlling the amount of permeated water so that the fermentation broth of the continuous fermentation apparatus is 1.5 L. went. At this time, nitrogen gas was supplied into the
(実施例2)連続発酵によるL−乳酸の製造(その2)
前記の参考例2で作製した多孔性膜を用い、培地が、全アミノ酸濃度が0.9g/Lになるように調節した乳酸発酵用の合成培地1から、上述の表2に示す全アミノ酸濃度45mg/Lを含む天然培地1に換えたこと以外には、実施例1と同様にしてL−乳酸連続発酵を行った。
(Example 2) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 2)
From the
上記の天然培地1は、次のように調製した。表2に示された栄養素のうち、原料糖、アミノ酸および無機塩類である硫酸アンモニウムをグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表2に示す全アミノ酸濃度が45mg/Lとなるように調製した。表2に示したアミノ酸は、アミノ酸分析計により原料糖に含まれたアミノ酸成分およびアミノ酸濃度を測り、その不足分のアミノ酸を、作製した10倍濃度の各アミノ酸溶液を希釈して表2に示された全アミノ酸の濃度になるように添加した。また、各アミノ酸には、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物を使用した。原料糖の中に含まれた全アミノ酸の濃度が表2に示された濃度より多い場合は、原料糖を希釈して全アミノ酸濃度を減らし、表2に示された濃度になるようにし、またそこに不足する糖の濃度はスクロースを添加して糖濃度を調節した。
The
1120時間の発酵試験を行った結果、表4に示したようにこの天然培地1と図1に示す連続発酵装置を用いることにより、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より、長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
As a result of performing a fermentation test for 1120 hours, as shown in Table 4, by using this
(実施例3)連続発酵によるL−乳酸の製造(その3)
図2に示す連続発酵装置を稼働させることにより、乳酸がで得られるかどうかを調べるため、同装置を用いた連続発酵試験を行った。微生物として前述の参考例1で造成した酵母B2株を用い、培地には、全アミノ酸濃度が0.9g/Lになるように調節した実施例1と同じ表1に示す乳酸発酵用の合成培地1を用い、121℃の温度で15分間高圧蒸気滅菌処理して用いた。分離膜エレメント部材には、ステンレスおよびポリサルホン樹脂の成形品を用いた。また分離膜には、実施例1と同じ多孔性膜を用いた。この多孔質膜の特性を調べたところ、平均細孔径は0.1μmであり、純水透過係数は50×10-9m3/m2/s/paであった。この実施例3における運転条件は、特に断らない限り下記のとおりである。
・発酵反応槽容量:1.5(L)
・膜分離槽容量:0.5(L)
・使用分離膜:PVDF濾過膜
・膜分離エレメント有効濾過面積:120平方cm
・温度調整:30(℃)
・発酵反応槽通気量:200(mL/分)
・発酵反応槽攪拌速度:800(rpm)
・pH調整:8N NaOHによりpH5.0に調整
・滅菌:分離膜エレメントを含む培養槽、および使用培地は総て121℃、20分のオートクレーブにより高圧蒸気滅菌。
・膜透過水量制御:膜分離槽水頭差により流量を制御(水頭差は2m以内で制御)
生産物であるL−乳酸の濃度の評価には、前記の実施例1に示したHPLCでの乳酸測定法と同様である。
(Example 3) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 3)
In order to investigate whether or not lactic acid can be obtained by operating the continuous fermentation apparatus shown in FIG. 2, a continuous fermentation test using the same apparatus was performed. Synthetic medium for lactic acid fermentation shown in Table 1 as in Example 1 wherein the yeast B2 strain prepared in Reference Example 1 described above was used as the microorganism, and the total amino acid concentration was adjusted to 0.9 g / L. 1 was used after high-pressure steam sterilization at a temperature of 121 ° C. for 15 minutes. For the separation membrane element member, a molded product of stainless steel and polysulfone resin was used. Moreover, the same porous membrane as Example 1 was used for the separation membrane. When the characteristics of the porous membrane were examined, the average pore diameter was 0.1 μm, and the pure water permeability coefficient was 50 × 10 −9 m 3 / m 2 / s / pa. The operating conditions in Example 3 are as follows unless otherwise specified.
・ Fermentation reactor capacity: 1.5 (L)
・ Membrane separation tank capacity: 0.5 (L)
-Separation membrane used: PVDF filtration membrane-Membrane separation element Effective filtration area: 120 square cm
・ Temperature adjustment: 30 (℃)
・ Aeration volume of fermentation reaction tank: 200 (mL / min)
・ Fermentation reactor stirring speed: 800 (rpm)
-PH adjustment: pH 5.0 adjusted with 8N NaOH-Sterilization: All the culture tanks containing the separation membrane element and the used medium were autoclaved at 121 ° C for 20 minutes under high pressure steam sterilization.
・ Membrane permeate control: Flow rate is controlled by the difference in the water head of the membrane separation tank (the head difference is controlled within 2m)
Evaluation of the concentration of L-lactic acid as a product is the same as the method for measuring lactic acid by HPLC shown in Example 1 above.
前記の参考例2で作製した多孔性膜を用い、実施例1と同様の培地と培養環境下でにL−乳酸連続発酵を行った。640時間の発酵試験を行った結果、表4に示したようにこの乳酸発酵用の合成培地1と図2に示す連続発酵装置を用いることにより、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より、長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
Using the porous membrane prepared in Reference Example 2, L-lactic acid continuous fermentation was performed in the same medium and culture environment as in Example 1. As a result of conducting a 640 hour fermentation test, as shown in Table 4, by using this
(実施例4)連続発酵によるL−乳酸の製造(その4)
前記の参考例2で作製した多孔性膜と、実施例2のと同じ表2に示す天然培地1を用い、実施例3と同様にL−乳酸連続発酵を行った。1050時間の発酵試験を行った結果、表4に示したようにこの天然培地1と連続発酵装置を用いることにより、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 4) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 4)
L-lactic acid continuous fermentation was performed in the same manner as in Example 3, using the porous membrane prepared in Reference Example 2 and the
(実施例5)連続発酵によるL−乳酸の製造(その5)
参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜の代わりに、分離膜として参考例3で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いた他は、実施例1と同様にして、連続発酵試験を行った。表4に示したように、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 5) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 5)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 3 as a separation membrane A continuous fermentation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the membrane) was used. As shown in Table 4, it was confirmed that production of stable lactic acid for a long time and high productivity by continuous fermentation was possible compared to the previous excellent lactic acid continuous fermentation (Comparative Example 1).
(実施例6)連続発酵によるL−乳酸の製造(その6)
参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜の代わりに、分離膜として参考例3で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いた他は、実施例2と同様にして、連続発酵試験を行った。表4に示したように、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 6) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 6)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 3 as a separation membrane A continuous fermentation test was conducted in the same manner as in Example 2 except that the membrane) was used. As shown in Table 4, it was confirmed that production of stable lactic acid for a long time and high productivity by continuous fermentation was possible compared to the previous excellent lactic acid continuous fermentation (Comparative Example 1).
(実施例7)連続発酵によるL−乳酸の製造(その7)
参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜の代わりに、分離膜として参考例3で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いた他は、実施例3と同様にして、連続発酵試験を行った。表4に示したように、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 7) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 7)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 3 as a separation membrane A continuous fermentation test was conducted in the same manner as in Example 3 except that the membrane) was used. As shown in Table 4, it was confirmed that production of stable lactic acid for a long time and high productivity by continuous fermentation was possible compared to the previous excellent lactic acid continuous fermentation (Comparative Example 1).
(実施例8)連続発酵によるL−乳酸の製造(その8)
参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜の代わりに、分離膜として参考例3で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いた他は、実施例4と同様にして、連続発酵試験を行った。表4に示したように、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。
(Example 8) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 8)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 3 as a separation membrane A continuous fermentation test was conducted in the same manner as in Example 4 except that the membrane) was used. As shown in Table 4, it was confirmed that production of stable lactic acid for a long time and high productivity by continuous fermentation was possible compared to the previous excellent lactic acid continuous fermentation (Comparative Example 1).
(実施例9)連続発酵によるL−乳酸の製造(その9)
参考例2で作成したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜の代わりに、分離膜として参考例3で作製したポリフッ化ビニリデン(PVDF)を主成分とする多孔性膜(中空糸膜)を用いることと共に、培地は全アミノ酸濃度が1.5g/Lになるように調節した上述の表3に示す乳酸発酵用の天然培地2を用いた他は、実施例8と同様にして、連続発酵試験を行った。
(Example 9) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 9)
Instead of the porous membrane mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 2, a porous membrane (hollow fiber) mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) prepared in Reference Example 3 as a separation membrane In the same manner as in Example 8, except that the medium was adjusted so that the total amino acid concentration was 1.5 g / L and the
上記の表3の天然培地2は、次のように調製した。表3に示された栄養素のうち、原料糖、アミノ酸および無機塩類である硫酸アンモニウムをグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表3に示す全アミノ酸濃度が1.5g/Lとなるように調製した。表3に示したアミノ酸は、アミノ酸分析計により原料糖に含まれたアミノ酸成分およびアミノ酸濃度を測り、その不足分のアミノ酸を、作製した10倍濃度の各アミノ酸溶液を希釈して表3に示された全アミノ酸の濃度になるように添加した。また、各アミノ酸には、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物を使用した。原料糖の中に含まれた全アミノ酸の濃度が表3に示された濃度より多い場合は、原料糖を希釈して全アミノ酸濃度を減らし、表3に示された濃度になるようにし、またそこに不足する糖の濃度はスクロースを添加して糖濃度を調節した。
The
表4に示したように、以前の優れた乳酸連続発酵(比較例1)より長時間および高生産性の安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であることを確認することができた。 As shown in Table 4, it was confirmed that production of stable lactic acid for a long time and high productivity by continuous fermentation was possible compared to the previous excellent lactic acid continuous fermentation (Comparative Example 1).
(比較例1)連続発酵によるL−乳酸の製造(その10)
培地が、次の表5に示す全アミノ酸濃度が3.6g/Lになるように調節した乳酸発酵用の合成培地であること以外は、実施例3と同様にしてL−乳酸連続発酵を行った。
(Comparative Example 1) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 10)
L-lactic acid continuous fermentation was carried out in the same manner as in Example 3 except that the medium was a synthetic medium for lactic acid fermentation adjusted so that the total amino acid concentration shown in the following Table 5 was 3.6 g / L. It was.
上記の表5の合成培地2は、次のように調製した。表5に示された栄養素のうち、ビタミン類と金属塩についてはそれぞれフィルター処理により滅菌し、それ以外の栄養素については、糖、アミノ酸、核酸および無機塩類のグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表5に示す全アミノ酸濃度が3.6g/Lとなるように調製した。表5に示したアミノ酸は、10倍濃度の各アミノ酸溶液を作製し、それを希釈して表5に示された各アミノ酸の濃度になるように添加した。また、核アミノ酸には、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物を使用した。
300時間の発酵試験を行った結果、この乳酸発酵用の合成培地2と連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であった。しかしながら、表4に示したように、乳酸の生産量と収率および生産速度において、本発明の実施例より劣っていた。
As a result of performing a 300-hour fermentation test, stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this
(比較例2)連続発酵によるL−乳酸の製造(その11)
培地が、次の表6に示す全アミノ酸濃度が2.3g/Lになるように調節した乳酸発酵用の合成培地3であること以外は、実施例3と同様にしてL−乳酸連続発酵を行った。
(Comparative Example 2) Production of L-lactic acid by continuous fermentation (part 11)
L-lactic acid continuous fermentation was carried out in the same manner as in Example 3 except that the medium was
上記の表6の合成培地3は、次のように調製した。表6に示された栄養素のうち、ビタミン類と金属塩についてはそれぞれフィルター処理により滅菌し、それ以外の栄養素については、糖、アミノ酸、核酸および無機塩類のグループに分け、グループごとにオートクレーブ処理により滅菌し、常温以下の温度まで冷却した後、表6に示す全アミノ酸濃度が2.3g/Lとなるように調製した。表6に示したアミノ酸は、10倍濃度の各アミノ酸溶液を作製し、それを希釈して表6に示された各アミノ酸の濃度になるように添加した。また、核アミノ酸には、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、またはこれらの水和物を使用した。
The above
300時間の発酵試験を行った結果、この乳酸発酵用の合成培地3と連続発酵装置を用いることにより、安定した乳酸の連続発酵による製造が可能であった。しかしながら、表4に示したように、乳酸の生産量と収率および生産速度において、本発明の実施例より劣っていた。
As a result of performing a 300-hour fermentation test, stable production of lactic acid by continuous fermentation was possible by using this
1 発酵反応槽
2 分離膜エレメント
3 水頭差制御装置
4 気体供給装置
5 攪拌機
6 レベルセンサ
7 培地供給ポンプ
8 pH調整溶液供給ポンプ
9 pHセンサ・制御装置
10 温度調節器
11 発酵液循環ポンプ
12 膜分離槽
13 支持板
14 流路材
15 分離膜
16 凹部
17 集水パイプ
18 分離膜束
19 上部樹脂封止層
20 下部樹脂封止層
21 支持フレーム
22 集水パイプ
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