专利名称：使用烧结金属膜好气培养的方法
技术领域：
本发明涉及一种在有用物质的好气发酵中，通过使用烧结金属膜供给氧，提高好气培养生产率的方法。
因而，为了提高对培养液的氧供给，已经检验了使用氧代替空气作为供给气体。然而，问题是需要产生氧的装置并维护它们，且排出了相对于空气具有较高氧浓度的气体，这是因为甚至是供给氧时，用常规的搅拌通气方法也不可能获得充足的氧供给。
此外，为了在通气搅拌器中微细地分散所供给的空气，可通过增加搅拌功率的方法提高供给氧的能力。然而，假如这样的话，当搅拌功率增加到超过限度时会发生空化作用(cavitation)，以致不能有效地利用所施加的功率来供给氧。
此外，通过增加通气或内部压力来提高氧供给的方法也是已知的，但是该方法伴有的问题是高的压力影响菌体的代谢，且需要大量的投资来提高压缩机的能力。
而且，通过使液体循环而提高氧供给的装置也已经开始实际应用了，如微细发泡泵(例如，JP-A-6-193600和JP-A-6-330888)，静态混合器(例如，JP-A-5-15753)，微细发泡喷嘴(例如，JP-A-9-201520)。然而，问题是液体在培养罐中的循环导致循环管道中的不充分清洗，其引起细菌污染，且由于工业规模培养的循环量大，需要大的装置作为循环泵。且，即使使用放置于内部的静态混合器或喷嘴，也会由于不充分的清洗而出现细菌污染问题，因为混合部分是密封在管道中的。
此外，在使用烧结金属元件的培养方法中(JP-A-61-56070)，当使用烧结金属元件将空气、富氧空气或氧气以微细气泡形式分散并供给到培养罐中时，观察到氧供给能力大大提高，但存在这样一个问题，即在培养过程中，固体物质粘附于该膜上，从而由于压力损耗增加而不能继续通气，甚至是当使用烧结金属元件代替常规使用的通气管道进行通气时也如此。
通常，在普通好气培养中，为了用搅拌叶片进行有效分散，用于供给氮源和控制pH值的氨气是通过扩散管供给到培养罐中来通气的(例如，Malcolm V.Bartow，《化学工程》，July，70(1999)，DanielI.C，Wang等，《发酵和酶技术》，230(1979)，和Joji Takahashi著《生物产业中的装置和器械》，10，版，日本生物产业协会(1987))。为了避免细菌污染和pH值不均匀，及由于氨气的高溶解性所导致的可能出现的培养液在非工作时间回流的问题，很少通过与用于通气的扩散管不同的其它管单独供给氨气。然而，当常规好气培养方法所用的扩散管变为烧结金属元件并供给氨，进行好气培养时，本发明人首次发现，由于膜表面粗糙而使固体物质粘附，且通气时的压力损耗增加，因而不可能在目前压缩机的排出压力条件下继续通气，且膜的使用应当在培养当中停止。
发明概述因此，本发明的一个目的是完善一种培养装置和培养方法，通过把烧结金属膜作为扩散管装备在目前的通气搅拌器上，能够使氧供给速率提高60％或更多，并同时供给氨，且能够在没有膜阻塞和细菌污染问题的情况下进行培养。
本发明此目的和其它目的已经通过同时供给氨和氧的好气培养方法而实现，该方法包括通过附着在扩散管末端的烧结金属膜将空气、氧或其混合气体分散并供给到培养罐中，且同时，通过不同于上述扩散管的其它扩散管将氨或氨与空气的混合气体分散并供给到培养罐中。
图2显示比较实施例1所用的培养装置图。
发明详述由于对膜阻塞原因的广泛研究，本发明人已经发现，由于供给氨所导致的固体物质对膜外表面的粘附引起烧结金属膜的阻塞。
为了在供给高氧浓度的条件下使用烧结金属膜继续培养，通过不同于用于供给氧或空气的扩散管的另一支扩散管供给氨，避免了烧结金属膜的阻塞。因而，本发明人已经实现了本发明。
更优选地，为了防止氨气在非工作时间回流，本发明涉及一种好气培养方法，其中通过扩散管持续供给微量的空气。
本发明的好气培养包括氨基酸发酵、核酸发酵、酵母发酵和霉菌发酵。氨基酸发酵的实例包括谷氨酸发酵、赖氨酸发酵、精氨酸发酵等。核酸发酵的实例包括肌苷发酵、鸟苷发酵等。此外，该培养还可以在普通方法的条件下进行。
对将被培养的菌体没有特别的限制，只要它们能够在好气条件下生长。实例包括细菌、酵母、细胞等。
为了将所供给的氨有效地分散到培养罐中，优选从具有大剪切力的较低叶片下部供给氨气。通过烧结金属膜供给的空气的通气量是根据所需氧量而变化的，但优选占总通气量的10-80％。空气的其余部分是与氨一起通过常规扩散管而供给的。在表1中列出一个实施例。
表1常规的 膜通气量(Nm3/min) 25 85氨的量(Nm3/min) 50本发明中使用的烧结金属膜具有多孔结构，是这样制造的，在压力条件下，使具有均匀粒径分布的金属粉末成形，并烧结它。对制造烧结金属膜的方法没有特别的限制，且该方法的条件可由普通技术人员用普通的方法轻松选择。金属粉末在高于6,000kg/cm2G的压力罐中加压，然后在真空烧结炉中1,200℃和10-3Torr下烧结。该烧结金属膜的热阻和强度比聚合物膜和陶瓷膜卓越，因而广泛地用作石油精炼和化学工业中的过滤器。
本发明所用烧结金属膜的材料可选自镍、不锈钢、铬镍铁合金、钛等。观察到各金属材料间的氧供给能力没有差异。考虑到机械强度、化学阻力、热冲击阻力和成本的原因，优选由不锈钢制造的膜。
对烧结金属膜的形状没有特别的限制，可以是二维结构或三维结构。该形状的实例包括扁平的、弯曲的、球形的、类似圆柱状的、圆锥状的、立方体的和多面体的形状等。
对烧结金属膜的厚度没有特别的限制，只要空气、氧或其混合气体能够穿透该烧结金属膜。考虑到膜的强度和由于通气的压力降，通常使用1.0至10mm的膜厚度。
优选烧结金属膜的孔径和通气的线速度分别为1至20μm和0.04至0.11m/s(15至400m/Hr)，如同微细发泡型通气器那样(JP-A-61-56070等)，更优选分别为约5μm和约0.04m/s。
常常将空气用作好气培养的气体，但是当需要较高的氧供给能力时，可使用通过氧发生装置等产生的富氧空气、纯氧等。
图1表示其中已经装有膜的培养装置，作为培养装置的一个实施例，用于使用本发明的烧结金属膜进行好气培养的高度需氧培养。下面将进一步解释图1。
图1是在进行下述实施例时的培养装置纵剖图。在培养罐1中装有培养液21，且用于扩散管的常规供气管2位于下部。另一方面，用于排出在培养罐1中形成的气泡3的排气管4位于上部。用于控制pH值的氨是通过管14供给的。为了防止氨回流，回流停止阀17位于供给氨的管14和与烧结金属膜18连接的管19之间。提供烧结金属膜18的位置最好是该膜完全浸在液体中，且该位置应尽可能的低。通过管15，将压缩空气供给到常规的扩散管2和与烧结膜连接的扩散管19中。用于灭菌的蒸汽管16与常规的扩散管2和烧结金属膜的扩散管19连接。排气管4与旋流器5连接，而旋流器5经由液体再循环管11与培养罐连接。而且，排气管10与旋流器7连接，而旋流器7经由再循环管12与培养罐连接。同时，液体再循环管11当然可以与再循环管12连接。6是排气管，8是搅拌叶片，9是搅拌发动机，13是消泡剂加入管，20是加入糖类的供给管。
从培养罐1的下部引入的空气是用搅拌叶片剪切的，且被分散成微细的气泡。另一方面，将烧结金属膜所供给的空气供给到微细分散状态的培养液中。在培养过程中，当由于菌体代谢或氨基酸形成等原因而使pH值降低时，可通过常规的气体入口管道供给氨，并用搅拌叶片剪切该气体而控制pH值。
依靠本发明的培养装置供给氧，能够满足菌体对氧的需求，还能够进行培养而不会有细菌污染的问题。且，通过在高菌体浓度下培养，可显著地提高有用成分的生产率。
根据本发明，可在不降低用于实际生产的培养罐产量的条件下，大大提高生产率。该培养可在没有细菌污染发生的情况下，以较短的培养周期进行。因而，带来了每个单位时间靶物质的生产增加，且从而提高了生产率的优点。
下面将基于实施例对本发明进行详细的解释。
表2磷酸二氢钾3g/L脲4g/L七水合硫酸镁 0.5g/L七水合硫酸铁(II) 20mg/L四水合硫酸锰 20mg/L盐酸硫胺素200μg/L大豆蛋白水解物5mL/L(总氮含量40g/L)生物素30μg/L依靠附着有由SUS 316L制成的烧结金属膜的培养装置进行培养。使用孔径为5μm的烧结金属膜，设置其表面积以保持供给空气的线速度为0.04m/s。通过控制阀控制通气分布，以得到常规管道∶烧结金属膜管道＝2∶8的比例。菌体所需的氧在培养开始后立即增加，开始后5小时，所溶解氧的浓度迅速降低。随着降低，通过常规管道供给用于控制pH值的氨。约10小时后，最初加入的糖被消耗，糖浓度降低至3％或更小，所以开始加入糖。约12小时后，菌体消耗的氧达到最大值，然后观察到其逐渐降低的趋势。培养24小时后，当培养液的量达到培养罐容积的76-80％时，终止培养。在培养过程中，加入糖的速度未赶上消耗的速度，因而所溶解氧的浓度总是3ppm或更多。培养液最终的量达到240kL，并得到86g/L的谷氨酸。在培养过程中，观察到系统外的发泡现象，但该发泡可用常规的消泡方法来抑制，以至于能够进行培养，培养液不会从置于培养罐排出口的旋流器中流出。此外，不需要通过搅拌叶片剪切所供给的气体，因此，仅为常规方法所需的约60％的搅拌功率就可进行培养。比较实施例1为了与实施例1进行比较，使用图2所示没有安装烧结金属膜的培养装置进行培养。所有通气均是通过常规管道进行的。用相同浓度的糖蜜，在与实施例1相同的培养条件下进行乳发酵短杆菌(Brevibacterium lactofermentum)ATCC 13869的培养。同实施例1一样，大约在培养开始后5小时，所溶解的氧迅速减少。培养10小时后，开始加入糖。为了将所溶解氧的浓度控制在1.6ppm，糖的加入速度低于实施例1的速度。约12小时之后，氧的需求达到最大值，但其值是实施例1值的60％。培养40小时后，当培养液的量达到培养罐容积的78％时，终止培养。培养液的最终量达到240kL，并得到84g/L的谷氨酸。
表3表示在实施例1和比较实施例1中所得结果的概述。
表3
本申请基于2000年12月26日提交的日本申请No.2000-396200，其全部内容均引用在此作为参考。
已经详细地并参考其具体的实施方案对本发明进行了描述，在不背离本发明精神和范围的情况下，其中各种变化和修改对于本领域的技术人员来说均是显而易见的。在这里引证的所有参考文献均是全文引用的。
权利要求
1.一种同时供给氨和氧的好气培养方法，包括通过附着在扩散管末端的烧结金属膜将空气、氧或其混合气体分散并供给到培养罐中，且同时，通过不同于上述扩散管的扩散管将氨或氨与空气的混合气体分散并供给到培养罐中。
2.根据权利要求1的方法，其中烧结金属膜是选自镍、不锈钢、铬镍铁合金和钛的金属烧结膜。
全文摘要
一种同时供给氨和氧的好气培养方法,包括:通过附着在扩散管末端的烧结金属膜将空气、氧或其混合气体分散并供给到培养罐中,且同时,通过不同于上述扩散管的扩散管将氨或氨和空气的混合气体分散并供给到培养罐中。
文档编号C12N1/20GK1362512SQ0114475
公开日2002年8月7日 申请日期2001年12月26日 优先权日2000年12月26日
发明者冈田笃, 寺谷贵孝, 门田尚洋, 伊藤寿夫, 佐藤一博 申请人:味之素株式会社