Способ получения химического вещества

Способ получения химического вещества

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения химического продукта посредством непрерывной ферментации (культивирования) с использованием исходного материала для ферментации, содержащего гексозу и пентозу.

Предпосылки создания изобретения

Ввиду актуализации проблемы выброса углекислого газа в атмосферу и энергетической проблемы, получаемые из биомассы химические продукты, представленные биологически разлагаемыми полимерными материалами, такими как молочная кислота и биотопливо, такое как этанол, привлекли большее внимание в качестве продуктов, обладающих устойчивостью, и с возможностью оценки жизненного цикла (LCA). Эти биологически разлагаемые полимерные материалы и биотопливо обычно создаются в виде продуктов ферментации микроорганизмами, с использованием в качестве исходного материала для ферментации глюкозы, которая является гексозой, очищаемой из годной в пищу биомассы, такой как кукуруза. Однако использование годной в пищу биомассы может быть причиной повышения ее цены из-за конкуренции с продовольствием, приводя к нестабильной поставке исходного материала. В связи с этим предпринимаются попытки использовать сахара, получаемые из не годной в пищу биомассы, такой как стебли риса, в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмами (смотрите патентный документ 1).

В тех случаях, когда получаемый из не годной в пищу биомассы сахар используют в качестве исходного материалами для ферментации, целлюлозу, гемицеллюлозу и т.п., содержащуюся в не годной в пищу биомассе, разлагают на сахара с помощью осахаривающего фермента. В этом процессе получают не только гексозы, такие как глюкоза, но также пентозы, такие как ксилоза, и в результате смешанные сахара, содержащие гексозу и пентозу, используют в качестве исходного материала для ферментации, если получаемый из не годной в пищу биомассы сахар используют в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмами (смотрите патентный документ 1).

В качестве способа ферментации, в котором получаемый из не годной в пищу биомассы сахар, который является смешанным сахаром, содержащим гексозу и пентозу, используется в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмами, может использоваться непрерывная ферментация, но выход продуктов ферментации, фактически достигаемый при непрерывной ферментации, не был исследован (смотрите патентный документ 1). С другой стороны, как это известно в данной области техники, среда для культивирования постоянно используется для ферментации в случае непрерывной ферментации с использованием смешанного сахара, содержащего гексозу и пентозу в качестве исходного материала для ферментации, и по этой причине выход продуктов ферментации при непрерывной ферментации намного ниже, чем при периодической ферментации, поскольку микроорганизм постоянно подвергается подавлению катаболитами в отличие от периодической ферментации (смотрите непатентный документ 1). Таким образом, в соответствии с известным уровнем техники, считалось, что микроорганизм, который не подвергается подавлению катаболитами, должен использоваться для ферментации для увеличения эффективности непрерывной ферментации с использованием смешанного сахара, содержащего гексозу и пентозу в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмом.

ДОКУМЕНТЫ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ

Патентный документ 1: WO 2010/067785

НЕПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ

Непатентный документ 1: Do Yun Kim, Seong Chun Yim, Pyung Cheon Lee, Woo Gi Lee, Sang Yup Lee, Ho Nam Chang, Batch and continuous fermentation of succinic acid from wood hydrolysate by Mannheimia succiniciproducens MBEL55E, Enzyme and Microbial Technology, 35, (2004), 648-653.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ.

Множество микроорганизмов, которые подвергаются подавлению катаболитами, известно в качестве микроорганизмов, способных к ферментативной продукции биологически разлагаемых полимерных материалов и биотоплива. С другой стороны, известно, что непрерывная ферментация с использованием смешанного сахара, содержащего гексозу и пентозу, в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмом, приводит к весьма уменьшенному выходу продуктов ферментации вследствие подавления катаболитами. В связи с этим настоящее изобретение нацелено на увеличение выхода продуктов ферментации при непрерывной ферментации с использованием смешанного сахара, содержащего гексозу и пентозу, в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмом, который подвергается подавлению катаболитами.

СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

В результате глубокого изучения для разрешения описанной выше проблемы авторы настоящего изобретения установили, что проблему можно решить с помощью способа получения химического продукта посредством непрерывной ферментации с использованием смешанного сахара, содержащего гексозу и пентозу, в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмом, причем микроорганизм, который подвергается подавлению катаболитами, используют для непрерывной ферментации при условии использования разделительной мембраны, в силу чего достигается настоящее изобретение.

Т.е. настоящее изобретение является изобретением, описанным ниже в (1)-(5).

(1) Способ получения химического продукта посредством непрерывной ферментации, включающий фильтрование суспензионной культуры микроорганизма(ов) (культуральной жидкости) через разделительную мембрану; сохранение не подвергнутой фильтрованию жидкости, или возращение не подвергнутой фильтрованию жидкости, в культуральной(ую) жидкости(ь); добавление в культуральную жидкость исходного материала для ферментации и выделение продукта в фильтрате, причем указанный(ые) микроорганизм(ы) является(ются) микроорганизмом(ами), который(ые) подвергается(ются) подавлению катаболитами, а указанный исходный материал для ферментации включает гексозу и пентозу.

(2) Способ получения химического продукта в соответствии с (1), в котором концентрация пентозы в общем количестве фильтрата составляет не более чем 5 г/л.

(3) Способ получения химического продукта в соответствии с (1) или (2), в котором весовое соотношение между гексозой и пентозой, содержащимися в исходном материале для ферментации, составляет от 1:9 до 9:1.

(4) Способ получения химического продукта в соответствии с (1) или (2), в котором исходный материал для ферментации включает сахарный сироп, получаемый из биомассы.

(5) Способ получения химического продукта в соответствии с любым из (1)-(4), в котором указанной пентозой является ксилоза.

ЭФФЕКТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

С помощью настоящего изобретения можно получать химический продукт с высоким выходом несмотря на тот факт, что смешанный сахар, содержащий гексозу и пентозу, используется в качестве исходного материала для ферментации микроорганизмом(ами), который подвергается подавлению катаболитами.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящим изобретением является способ ферментативной получения химического продукта посредством культивирования микроорганизма(ов) с использованием исходного материала для ферментации, который включает фильтрование культуральной жидкости через разделительную мембрану; сохранение не подвергнутой фильтрованию жидкости, или возращение не подвергнутой фильтрованию жидкости в культуральной(ую) жидкости(ь); добавление в культуральную жидкость исходного материала для ферментации и выделение продукта в фильтрате, осуществляя тем самым непрерывную ферментацию, причем используемым микроорганизмом(ами) является микроорганизм(ы), который(ые) подвергается(ются) подавлению катаболитами, а указанный исходный материал для ферментации включает гексозу и пентозу.

В способе получения химического продукта настоящего изобретения источник углерода в исходном материале для ферментации включает смешанный сахар, содержащий пентозу и гексозу. Пятиуглеродный сахар, также называемой пентозой, содержит 5 атомов углерода, создающих сахар. Пентозу можно отнести к альфопептозе, которая содержит альдегидную группу в 1-положении, и к кетопентозе, которая содержит кетонную группу во 2-положении. Примеры альдопептозы включают ксилозу, арабинозу, рибозу и ликсозу, а примеры кетопентозы включают рибулозу и ксилозу. Используемая в настоящем изобретении пентоза может быть любой пентозой при условии, что она может метаболизироваться микроорганизмом, и в связи с большим количеством в природе, доступностью и т.п. предпочтительными являются ксилоза и арабиноза, а более предпочтительной является ксилоза.

Шестиуглеродный сахар, также называемой гексозой, содержит 6 атомов углерода, создающих сахар. Гексозу можно отнести к альдозе, которая содержит альдегидную группу в 1-положении, и к кетозе, которая содержит кетонную группу во 2-положении. Примеры альдозы включают глюкозу, маннозу, галактозу, аллозу, гулозу и талозу, а примеры кетозы включают фруктозу, псикозу и сорбозу. Используемая в настоящем изобретении гексоза может быть любой гексозой при условии, что она может метаболизироваться микроорганизмом, и в связи с большим количеством в природе, доступностью и т.п. предпочтительными являются глюкоза, манноза и галактоза, а более предпочтительной является глюкоза.

Используемый в настоящем изобретении смешанный сахар не ограничивается, и смешанным сахаром является предпочтительно сахарный сироп, получаемый из содержащей целлюлозу биомассы, которая, как известно, содержит и гексозу, и пентозу. Примеры содержащей целлюлозу биомассы включают травяные биомассы, такие как багасса, просо прутьевидное, кукурузная солома, стебли риса и пшеничная солома, и древесные биомассы, такие как деревья и отходы строительства. Содержащие целлюлозу биомассы содержат целлюлозу или гемицеллюлозу, которые являются полисахаридами, создаваемыми при конденсации сахаров с дегидратацией. В результате гидролиза таких полисахаридов образуются сахарные сиропы, которые могут использоваться в качестве исходных материалов для ферментации. Способом приготовления сахарного сиропа, получаемого из содержащей целлюлозу биомассы, может быть любой способ, и примеры раскрытых способов получения такого сахара включают способ, в котором сахарный сироп получают посредством гидролиза в кислой среде биомассы с использованием концентрированной серной кислоты (JP H11-506934 A, JP 2005-229821 A), и способ, в котором биомассу подвергают обработке - гидролизу с использованием разбавленной серной кислоты, а затем обрабатывают ферментативно с использованием целлюлазы и/или т.п. для получения сахарного сиропа (A. Aden et al., “Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover” NREL Technical Report (2002)). Кроме того, примеры раскрытых способов, в которых кислоты не используются, включают способ, в котором биомассу гидролизуют с использованием субкритической воды при приблизительно 250-500°С для получения сахарного сиропа (JP 2003-212888 A), способ, в котором биомассу подвергают обработке субкритической водой, а затем обрабатывают ферментативно для получения сахарного сиропа (JP 2001-95597 A), и способ, в котором биомассу подвергают обработке - гидролизу с использованием находящейся под давлением горячей воды при 240-280°С, а затем обрабатывают ферментативно для получения сахарного сиропа (JP 3041380 В). За этими обработками может следовать очистка полученного сахарного сиропа. Пример способа описан в WO2010/067785.

Весовое соотношение между пентозой и гексозой, содержащимися в смешанном сахаре, не ограничивается и предпочтительно составляет от 1:9 до 9:1 в виде отношения (пентоза):(гексоза) при выражении весового соотношения между пентозой и гексозой в смешанном сахаре. Это соотношение является соотношением сахаров в тех случаях, когда смешанный сахар, как предполагается, является сахарным сиропом, получаемым из содержащей целлюлозу биомассы.

Общая концентрация сахара в исходном материале для ферментации, используемом в настоящем изобретении, не ограничивается и предпочтительно является максимально возможной в пределах диапазона, в котором получение химического продукта микроорганизмом(ами) не ограничивается. Конкретнее, концентрация источника углерода в среде для культивирования составляет предпочтительно 15-500 г/л, более предпочтительно 20-300 г/л. В тех случаях, когда общая концентрация составляет не более чем 15 г/л, эффект увеличения выхода, исходя из пентозы, может уменьшаться. Кроме того, в тех случаях, когда общая концентрация сахара является низкой, эффективность получения химического продукта также уменьшается.

Концентрация гексозы в исходном материале для ферментации, используемом в настоящем изобретении, не ограничивается при условии, что общая концентрация сахара и соотношении между пентозой и гексозой находятся в пределах диапазонов, описанных выше. При использовании способа получения химического продукта настоящего изобретения хороший выход может быть получен даже при использовании смешанного сахарного сиропа, содержащего гексозу в концентрации, составляющей не менее чем 5 г/л.

Используемым в настоящем изобретении исходным материалом для ферментации может предпочтительно быть обычная жидкая среда, содержащая источник углерода, источник азота, неорганическую соль и, в необходимых случаях, органический питательный микроэлемент(ы), такой как аминокислота(ы) и витамин(ы).

Примеры источника азота, используемого в настоящем изобретении, включают газообразный аммиак, водный раствор аммиака, соли аммония, мочевину и соли азотной кислоты, и другие органические источники азота, используемые дополнительно, такие как жмыхи, полученные в результате гидролиза сои жидкости, продукты расщепления казеина, другие аминокислоты, витамины, кукурузный сироп, дрожжи или дрожжевые экстракты, мясные экстракты, пептиды, такие как пептоны, и клетки различных ферментирующих микроорганизмов и их гидролизаты. Примеры неорганических солей, которые могут быть добавлены в соответствующих случаях, включают соли фосфорной кислоты, соли магния, соли кальция, соли железа и соли марганца.

В тех случаях, когда для используемого в настоящем изобретении микроорганизма(ов) требуется специфическое питательное вещество для его роста, питательное вещество добавляют в виде препарата или в виде природного продукта, содержащего питательное вещество. Если необходимо добавляют противовспениватель. В настоящем изобретении культуральная жидкость (суспензионная культура) означает жидкость, полученную в результате выращивания микроорганизма(ов) в исходном материале для ферментации. Состав добавляемого исходного материала для ферментации может изменяться в соответствующих случаях относительно состава исходного материала для ферментации, используемого в начале культивирования, так что выработка представляющего интерес химического продукта увеличивается.

Ниже дается объяснение пористой мембраны, используемой в качестве разделительной мембраны в настоящем изобретении.

Пористая мембрана, используемая в настоящем изобретении, не ограничивается при условии, что ее функцией является отделение культуральной жидкости, полученной в результате культивирования микроорганизма(ов) в сосуде для культивирования с мешалкой или биореакторе с мешалкой, от микроорганизма(ов) с помощью фильтрации. Примеры пористых мембран, которые могут использоваться, включают пористые керамические мембраны, пористые стеклянные мембраны, пористые мембраны из органических полимеров, металлические волокнистые структуры и нетканые материалы. Среди них, пористые мембраны из органических полимеров и керамические мембраны являются особенно предпочтительными.

Ниже дается объяснение устройства пористой мембраны, используемой в качестве разделительной мембраны в настоящем изобретении. Используемая в настоящем изобретении пористая мембрана имеет показатели разделения и проницаемость, подходящие для свойств и применения жидкости, подвергаемой обработке.

Пористой мембраной является предпочтительно пористая мембрана, включающая пористый слой смолы, в связи с блокирующими характеристиками, проницаемостью и показателями разделения, например, грязеотталкиванием.

Пористая мембрана, включающая пористый слой смолы, предпочтительно имеет пористый слой смолы, который функционирует в качестве разделительного функционального слоя на поверхности пористого материала основы. Пористый материал основы поддерживает пористый слой смолы для усиления разделительной мембраны.

В тех случаях, когда используемая в настоящем изобретении пористая мембрана имеет пористый слой смолы на поверхности пористого материала основы, в пористый материал основы может быть внедрен или может не быть внедрен пористый слой смолы, что может быть выбрано в зависимости от использования мембраны.

Средняя толщина пористого материала основы составляет предпочтительно от 50 мкм до 3000 мкм.

Пористый материал основы состоит из органического материала и/или неорганического материала и т.д., и предпочтительно используют органическое волокно. Предпочтительные примеры пористого материала основы включают тканые материалы и нетканые материалы, состоящие из органических волокон, таких как целлюлозные волокна, волокна из триацетата целлюлозы, полиэфирные волокна, полипропиленовые волокна и полиэтиленовые волокна. Более предпочтительно используется нетканый материал, поскольку его плотность можно относительно легко контролировать, его можно просто создать, и он является недорогим.

В качестве пористого слоя смолы может предпочтительно использоваться органическая полимерная мембрана. Примеры материала органической полимерной мембраны включают полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, поливинилиденфторид, полисульфон, полиэфирсульфон, полиакрилонитрил, целлюлозу и триацетат целлюлозы. Органическая полимерная мембрана может представлять собой смесь полимеров, содержащую один или более этих полимеров в качестве основного компонента. Основной компонент здесь означает, что компонент содержится в количестве, составляющем не менее 50% в весовом отношении, предпочтительно не менее 60% в весовом отношении. Предпочтительные примеры материала органической полимерной мембраны включают те, которые можно легко создать с помощью технологий и являются превосходными по физической прочности и химической устойчивости, такие как поливинилхлорид, поливинилиденфторид, полисульфон, полиэфирсульфон и полиакрилонитрил. Поливинилиденфторид или содержащая его смола в качестве основного компонента используется предпочтительно.

В качестве поливинилиденфторида предпочтительно используют гомополимер винилиденфторида. Кроме того, в качестве поливинилиденфторида также предпочтительно используется сополимер с виловыми мономерами, способными к сополимеризации с винилиденфторидом. Примеры виниловых мономеров, способных к сополимеризации с винилиденфторидом, включают тетрафторэтилен, гексафторпропилен и этиленфторид трихлорид.

Пористая мембрана, которая может использоваться в качестве разделительной мембраны в настоящем изобретении, не ограничивается при условии, что микроорганизм(ы), используемый(ые) для ферментации, не может (могут) проходить через мембрану, и предпочтительно мембрану выбирают в пределах диапазона, в котором секреции из микроорганизма(ов), используемого для ферментации, или частицы в исходном материале для ферментации не вызывают закупоривание, и показатели фильтрации устойчиво сохраняются в течение длительного времени. По этой причине средний размер пор пористой разделительной мембраны предпочтительно находится между не менее чем 0,01 мкм и не менее чем 5 мкм. Более предпочтительно средний размер пор находится между не менее чем 0,01 мкм и не менее чем 1 мкм, поскольку в этом диапазоне можно достичь и высокие блокирующие характеристики, которые не допускают просачивание микроорганизмов, и высокую проницаемость, и проницаемость может сохраняться с высокой точностью и воспроизводимостью в течение длительного периода времени.

В тех случаях, когда размер пор близок к размеру микроорганизма(ов), поры могут блокироваться микроорганизмом(ами). По этой причине средний размер пор пористой мембраны составляет предпочтительно менее чем 1 мкм. Для предотвращения просачивания микроорганизма(ов), т.е. уменьшения скорости удаления микроорганизма(ов), средний размер пор пористой мембраны является предпочтительно не слишком большим по сравнению с размером микроорганизма(ов). В тех случаях, когда используется микроорганизм с небольшим размером клетки, такой как бактерия, средний размер пор составляет предпочтительно не более чем 0,4 мкм, более предпочтительно менее чем 0,2 мкм.

В некоторых случаях микроорганизм(ы) может (могут) продуцировать вещества, отличные от представляющего интерес химического продукта, например, вещества, которые, по-видимому, агрегируют, такие как белки и полисахариды. Кроме того, в некоторых случаях гибель части микроорганизма(ов) в ферментационной культуральной жидкости может служить причиной клеточного дебриса. Для предотвращения закупоривания пористой мембраны из-за этих веществ, средний размер пор составляет еще более предпочтительно не более чем 0,1 мкм.

В тех случаях, когда средний размер пор является слишком маленьким, проницаемость пористой мембраны уменьшается, и таким образом невозможно выполнить эффективный процесс даже с использованием чистой мембраны. По этой причине средний размер пор пористой мембраны в настоящем изобретении предпочтительно составляет не менее чем 0,01 мкм, более предпочтительно не менее чем 0,02 мкм, еще более предпочтительно не менее чем 0,04 мкм.

Средний размер пор можно определить посредством измерения диаметров всех пор, которые можно наблюдать на площади 9,2 мкм × 10,4 мкм под сканирующим электронным микроскопом при увеличении 10000Х, а затем усреднения измеренных значений. Альтернативно, средний размер пор можно определить посредством фотографирования поверхности мембраны под сканирующим электронным микроскопом при увеличении 10000Х, и выбора наугад не менее 10 пор, предпочтительно не менее 20 пор, с последующим измерением диаметров этих пор и расчетом среднечислового. В тех случаях, когда пора не является круглой, ее размер можно определить с помощью способа, в котором определяют круг, площадь которого равна площади поры (эквивалентной кругу), используя устройство для обработки изображений или т.п., и затем диметр эквивалентного круга рассматривается в качестве диаметра поры.

Среднеквадратическое отклонение σ среднего размера пор пористой мембраны, используемой в настоящем изобретении, составляет предпочтительно не более чем 0,1 мкм. Среднеквадратическое отклонение σ среднего размера пор является предпочтительно минимально возможным. Среднеквадратическое отклонение σ среднего размера пор рассчитывают согласно уравнению 1, представленному ниже, где N представляет собой число пор, наблюдаемых на вышеотмеченной площади 9,2 мкм × 10,4 мкм, X_k представляет собой соответствующие измеренные диаметры, и X(ave) представляет собой среднее значение для диметра пор.

Уравнение 1

В пористой мембране, используемой в настоящем изобретении, проницаемость для ферментационной культуральной жидкости является одной из важных характеристик. В качестве показателя проницаемости может использоваться коэффициент проницаемости пористой мембраны для чистой воды. В настоящем изобретении коэффициент проницаемости пористой мембраны для чистой воды составляет предпочтительно не менее чем 5,6×10^-10 м³/м²/сек/Па при расчете посредством измерения количества просачивания воды c высотой столба = 1 м, используя очищенную воду при температуре, равной 20°С, приготовленную с использованием обратноосмотической мембраны. В тех случаях, когда коэффициент проницаемости для чистой воды составляет от 5,6×10^-10 м³/м²/сек/Па до 6×10^-7 м³/м²/сек/Па, можно достичь количества просачивания, которое является с практической точки зрения достаточным.

В пористой мембране, используемой в настоящем изобретении, шероховатость поверхности является средним значением высоты в вертикальном относительно поверхности направлении. Шероховатость поверхности мембраны является фактором, который оказывает влияние на то, насколько легко микроорганизм, прикрепленный к поверхности разделительной мембраны, отсоединяется под действием промывки поверхности мембраны движущейся жидкостью, порожденной перемешиванием или циркуляционным насосом. Шероховатость поверхности пористой мембраны не ограничивается при условии, что она находится в пределах диапазона, в котором микроорганизм(ы) и другие твердые частицы, прикрепленные к мембране, могут отсоединиться. Шероховатость поверхности составляет предпочтительно не более чем 0,1 мкм. В тех случаях, когда шероховатость поверхности составляет не более чем 0,1 мкм, микроорганизм(ы) и другие твердые частицы, прикрепленные к мембране, могут легко отсоединиться.

Было установлено, что процесс, в случае которого не требуется чрезмерная сила для промывки поверхности мембраны, можно выполнить более легко посредством использования, более предпочтительно, пористой мембраны с шероховатостью поверхности мембраны, составляющей не более чем 0,1 мкм, средним размером пор, находящимся между не менее чем 0,01 мкм и менее чем 1 мкм, и коэффициентом проницаемости для чистой воды, составляющим не менее чем 2×10^-9 м³/м²/сек/Па. В тех случаях, когда шероховатость поверхности пористой мембраны составляет не более чем 0,1 мкм, поперечная сила, порождаемая на поверхности мембраны во временя фильтрации микроорганизма(ов), может быть уменьшенной, и поэтому разрушение микроорганизма(ов) может быть сдержано, и может быть также сдержано закупоривание пористой мембраны. Таким образом, можно более легко выполнять долговременную неизменную фильтрацию. Кроме того, в тех случаях, когда шероховатость поверхности пористой мембраны составляет не более чем 0,1 мкм, непрерывную ферментацию можно осуществлять с использованием меньшего перепада давлений между сторонами мембраны. Следовательно, даже в тех случаях, когда произошло закупоривание пористой мембраны, можно достичь лучших показателей восстановления с использованием промывки по сравнению со случаями, когда процесс выполняют с использованием большего перепада давлений между сторонами мембраны. Поскольку сдерживание закупоривания пористой мембраны делает возможной неизменную постоянную ферментацию, шероховатость поверхности пористой мембраны является предпочтительно минимально возможной.

Шероховатость поверхности пористой мембраны здесь определяют с использованием следующего атомно-силового микроскопа (AFM) в следующих условиях.

- Устройство

Атомно-силовой микроскоп («Nanoscope IIIa», производства Digital Instruments, Inc.)

- Условия

Зонд:

SiN кантилевер (производства Digital Instruments, Inc.)

Способ сканирования:

Контактный режим (измерение в воздухе)

Подводный полуконтактный способ (измерение под водой)

Площадь сканирования:

10 мкм × 25 мкм (измерение в воздухе)

5 мкм × 10 мкм (измерение под водой)

Разрешающая способность при сканировании

512×512

- Приготовление образца

Когда осуществляли измерение, образец мембраны замачивали в этаноле при комнатной температуре в течение 15 минут, а затем замачивали в воде RO-воде в течение 24 часов для ее помывки, с последующей сушкой на воздухе. RO-вода означает воду, приготовленную посредством фильтрации через обратноосмотическую мембрану (RO-мембрану), которая является типом фильтрующей мембраны для удаления примесей, таких как ионы и соли. Размер пор RO-мембраны составляет не более чем приблизительно 2 нм.

Шероховатость поверхности мембраны d_rough рассчитывают согласно уравнению 2, представленному ниже, на основе высоты каждой точки в направлении Z-оси, определяемой с использованием атомно-силового микроскопа (AFM).

Уравнение 2

d_rough: средняя шероховатость поверхности (мкм)

Z_n: высота в направлении Z-оси (мкм)

Z: средняя высота на подвергнутой сканированию площади (мкм)

Формой пористой мембраны, используемой в настоящем изобретении, является предпочтительно плоская мембрана. В тех случаях, когда формой пористой мембраны является плоская мембрана, ее среднюю толщину выбирают в зависимости от ее применения. Средняя толщина в тех случаях, когда формой пористой мембраны является плоская мембрана, находится предпочтительно между 20 мкм и 5000 мкм, более предпочтительно между 50 мкм и 2000 мкм. Кроме того, формой пористой мембраны, используемой в настоящем изобретении, является предпочтительно мембрана из полых волокон. В тех случаях, когда пористой мембраной является мембрана из полых волокон, внутренний диметр полого волокна составляет предпочтительно от 200 мкм до 5000 мкм, а толщина мембраны составляет предпочтительно от 20 мкм до 2000 мкм. В полом волокне может содержаться материал или переплетение, образованный(ое) при превращении органических волокон или неорганических волокон в цилиндрическую форму.

Пористую мембрану, описанную выше, можно создать, например, с использованием способа производства, описанного в WO2007/097260.

В другом предпочтительном варианте осуществления разделительной мембраной в настоящем изобретении может быть мембрана, содержащая по крайней мере керамический материал. Керамический материал в настоящем изобретении означает вещество, которое содержит оксид металла и было подвергнуто спеканию в результате термической обработке при высокой температуре. Примеры оксида металла включают оксид алюминия, оксид магния, диоксид титана и двуокись циркония. Разделительная мембрана может быть образована не только оксидом(ами) металла или может содержать диоксид кремния и/или карбид кремния, и/или муллит и/или кордиерит, которые являются компонентами кремнезема и оксида(ов) металла.

Компоненты, образующие разделительную мембрану, отличные от керамического материала, не ограничиваются при условии, что компоненты могут образовывать пористое тело в качестве разделительной мембраны.

Даже в тех случаях, когда разделительная мембрана содержит керамический материал, форма разделительной мембраны не ограничивается и может быть любой из монолитной мембраны, плоской мембраны, трубчатой мембраны и т.п. В связи с эффективностью упаковки в контейнер разделительная мембрана предпочтительно имеет колоннообразную форму, в которой отверстие(я) для проникновения образовано(ы) в продольном направлении. В связи с увеличением эффективности упаковки, разделительная мембрана является предпочтительно монолитной мембраной.

Причина, по которой разделительная мембрана предпочтительно имеет отверстие(я) для проникновения в продольном направлении, является следующей. В тех случаях, когда разделительную мембрану, имеющую колоннообразную форму, помещают в модульный контейнер для его использования в качестве модуля с разделительной мембраной, модуляризация разделительной мембраны возможна при выборе предпочтительного образа действия из типа внешнего нажимного действия и внутреннего нажимного действия, и с использованием этого модуля может выполняться фильтрация. В настоящем изобретении сторону, на которой разделительная мембрана контактирует с ферментационной культуральной жидкостью, называют в дальнейшем первичной стороной, а сторону, на которой получают фильтрат, содержащий химический продукт, в результате фильтрации, называют в дальнейшем вторичной стороной.

В тех случаях, когда используют модуль внутреннего нажимного действия, канал на первичной стороне является узким. По этой причине можно сберечь мощность циркуляционного насоса во время поперечнопроточной фильтрации. Кроме того, механизм действия, способствующий освобождению от суспендированного вещества, собранного на поверхности разделительной мембраны, является сильным, и по этой причине поверхность разделительной мембраны, по-видимому, остается чистой, что является предпочтительным. Однако для получения этого эффекта необходимо, чтобы разделительная мембрана внутреннего нажимного действия имела входное отверстие и выходное отверстие для ферментационной культуральной жидкости. Предпочтительно входное отверстие и выходное отверстие находятся в положении, когда они расположены на прямой линии с образованием отверстия для проникновения, поскольку сопротивление потоку является небольшим в таком случае. Коме того, в тех случаях, когда разделительная мембрана имеет колоннообразную форму, а отверстие(я) для проникновения открыты в продольном направлении, можно изготовить тонкий контейнер, содержащий разделительную мембрану. Тонкий модуль с разделительной мембраной является предпочтительным ввиду производительности и манипулирования.

Пористость разделительной мембраны не ограничивается, но в тех случаях, когда пористость является слишком низкой, эффективность фильтрации является низкой, а в тех случаях, когда пористость является слишком высокой, прочность является низкой. Для достижения и высокой эффективности фильтрации, и высокой прочности разделительной мембраны, а также устойчивости к повторной стерилизации паром, пористость составляет предпочтительно от 20% до 60%

Пористость определяют согласно следующему уравнению.

Пористость [%] = 100 × (вес мембраны во влажном состоянии [г] - вес мембраны в сухом состоянии [г])/плотность воды [г/см³]/(объем мембраны [см³])

Средний размер пор разделительной мембраны составляет предпочтительно от 0,01 мкм до 1 мкм, и мембрана со средним размером пор в пределах этого диапазона с меньшей вероятностью подергается закупориванию и характеризуется превосходной эффективностью фильтрации. Кроме того, при использовании среднего размера пор в пределах диапазона от 0,02 мкм до 0,2 мкм вещества, которые легко вызывают закупоривание разделительной мембраны, такие как побочные продукты ферментации микроорганизмом или подвергнутыми культивированию клетками, включая белки и полисахариды, и клеточный дебрис, образуемый в результате гибели микроорганизма/подвергнутых культивированию клеток в культуральной жидкости, становятся менее подходящими для вызова закупоривания, что является особенно предпочтительным.

В разделительной мембране, имеющей отверстие(я) для проникновения и колоннообразную структуру, внешняя поверхность находится на вторичной стороне. Следовательно, предпочтительно, когда обеспечивается модульный контейнер для сбора фильтрата, и когда разделительная мембрана упаковывается в контейнер с образованием модуля, который будет использоваться. Одна или более разделительных мембран упаковываются в один модуль.

Модульный контейнер предпочтительно состоит из материала, устойчивого к повторной стерилизации паром. Примеры материала, устойчивого к повторной стерилизации паром, включают нержавеющую сталь и керамические материалы с низкой средней пористостью.

Такой керамический мембранный модуль можно создать, например, с помощью способа производства, описанного в WO2012/086763, или можно использовать имеющийся в продаже модуль. Конкретные примеры имеющегося в продаже модуля включают мембрану для микрофильтрации MEMBRALOX (Pall Corporation) и керамический мембранный фильтр Cefilt MF Membrane (NGK Insulators, Ltd.).

Далее ниже дается объяснение непрерывной ферментации.

В способе получения химического продукта настоящего изобретения перепад давлений между сторонами мембраны во время фильтрации не ограничивается при условии, что ферментационную культуральную жидкость можно подвергнуть фильтрации. Однако в тех случаях, когда обработку - фильтрацию выполняют для фильтрации культуральной жидкости через органическую полимерную мембрану с использованием перепада давлений между сторонами мембраны, составляющего более чем 150 кПа, структура органической полимерной мембраны с высокой долей вероятности будет разрушаться, и по