逆さ円錐体の揚水現象を利用したバイオリアクターの開発と微生物培養シミュレーション

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○研究目的鋭端を下にした円錐体を液に浸けて高速回転させることにより, 液体がこの逆さ円錐体表面を液膜として吸い上げられるが, 回転数を制御することにより逆さ円錐体の上端から空中にミストや液滴が散布されるため, 発生する液滴表面は新たなガス交換の場として期待できる。本研究は, 回転逆さ円錐体の揚水現象を利用した新規バイオリアクターの開発を目的とする。新たに作成する培養装置を用いて種々の運転条件における培養槽内の酸素移動容量係数(k_La)を求め, 酸素供給能力を評価する, さらに実際に微生物の培養実験を行ってその挙動をモデル解析し, 推算される各種パラメータから逆さ円錐体を利用した通気撹拌型培養装置の性能を明らかにする。○研究方法1. 容量4Lの培養槽, ならびに逆さ円錐体を製作し, 培養槽内のk_Laを測定する。2. 気泡および液滴の界面からの酸素供給, 微生物による酸素消費, さらに微生物の増殖を表す数学モデルを構築し, 微生物培養シミュレーションプログラムを作成する。3. 従来型の撹拌翼, ならびに逆さ円錐体を用い微生物培養実験を行う。○研究成果制限基質としてグルコース, ならびに溶存酸素量に着目し, 微生物培養シミュレーションプログラムを作成した。開発言語として「十進BASIC」を用いた。容量4Lの培養槽を用いて従来型の撹拌翼, ならびに逆さ円錐体による大腸菌などの培養実験を行った。初期制限基質量やk_Laなどの培養条件を同一として培養した結果, 実験終了後の総菌体数は変わらなかったが, 総菌体数に対する生菌数の割合は逆さ円錐体の方が従来型の撹拌翼よりも多かった。これは, 撹拌翼の回転によるせん断力が高いのに対し, 逆さ円錐体による撹拌は穏やかで菌体に対して負荷が小さいためと考えられる。そこで, 菌体の死滅速度のみを変更して微生物培養シミュレーションを行ったところ, 微生物培養実験の結果とほぼ一致した。