好気性パイロットバイオリアクターと嫌気性パイロットバイオリアクターでは、炭素利用と酸素要求量がどのように異なるのでしょうか？設計上の重要な洞察

好気性および嫌気性のパイロットバイオリアクター運転は、炭素配分とガス移動の要求の両面で異なります。 好気性運転では、基質炭素の約50%がバイオマスに取り込まれる可能性があり、残りは細胞エネルギーを供給するために酸化され、酸素が最終電子受容体として機能します。嫌気性運転では、バイオマスになるのは30%未満となる可能性があり、より多くの割合が還元された発酵産物に向けられますが、正確な分布は生物、基質、および経路によって異なります。

好気性プロセスは主に酸素移動によって制限され、多くの場合バイオマスの形成を優先します。一方、嫌気性プロセスは分子状酸素を排除し、通常、より多くの基質炭素を代謝産物に向けます。したがって、パイロットスケールの運用においては、酸素移動の最大化から、信頼性の高い無酸素状態の維持および生成物形成代謝の制御へとシフトする必要があります。

炭素はどのように配分されるか

好気性運転は酸化的増殖を優先する

好気性生物は酸素を使用して炭素基質の一部を酸化し、エネルギーを生成します。残りの炭素は新しい細胞材料に取り込むことができます。

基準となる一般的な運用上の推定として、好気性増殖中、基質炭素の約半分がバイオマスに入り、残りの半分はエネルギーのために酸化され、主に二酸化炭素として放出されます。

実際のバイオマス収率は、生物、基質、増殖速度、維持要求、および酸素の利用可能性によって大幅に異なる可能性があります。したがって、50%という数値は、普遍的なプロセス定数ではなく、有用な概念的ベンチマークです。

嫌気性運転は生成物形成を優先する

嫌気性生物は、分子状酸素なしで、一般的に電子を内部で生成された代謝中間体やその他の非酸素受容体に伝達することによってエネルギーを生成します。これは多くの場合、アルコール、有機酸、ガス、またはその他の還元生成物の形成につながります。

前述のパイロットプラントの比較では、嫌気性条件下で基質炭素の30%未満がバイオマスに変換されます。より大きな割合が目的の生成物および関連する副産物に向けられます。

これは、残りの炭素すべてが目的の生成物になるという意味ではありません。炭素は、二酸化炭素、代替生成物、残留基質、およびバイオマスの間でも分配される可能性があります。

炭素配分はプロセス変数である

炭素の分配は、生物の代謝経路と選択された運転条件に依存します。pH、温度、基質濃度、供給速度、酸化還元状態、および生成物阻害はすべて、増殖と生成物形成の間のバランスを変化させる可能性があります。

パイロット運転では、すべての発酵に固定された割合が適用されると想定するのではなく、炭素の投入量と排出量を測定する必要があります。

なぜ酸素要求量が変化するのか

好気性運転は継続的な酸素供給を必要とする

好気性培養は、溶存酸素が水性媒体にわずかにしか溶けないため、気体酸素の継続的な供給を必要とします。酸素は気相から液体へ移動し、その後細胞によって消費されなければなりません。

したがって、パイロットバイオリアクターは、培養物の酸素摂取速度（OUR）を満たすために十分な酸素移動速度（OTR）を提供する必要があります。オペレーターは通常、目標の溶存酸素レベルを維持するために、ガス流量、酸素富化、攪拌、圧力、およびスパージャーの性能を調整します。

嫌気性運転は酸素の排除を必要とする

嫌気性培養は、最終電子受容体としての酸素を必要としません。厳密な嫌気性菌は酸素にさらされると阻害されたり損傷を受けたりする可能性があるため、運転の目的は酸素の侵入を防ぎ、残留する溶存酸素やヘッドスペースの酸素を除去することです。

パイロットシステムでは、不活性ガスパージ、密閉容器、無酸素供給、および制御されたガス回収を使用する場合があります。ガスシステムは依然として重要ですが、その目的は酸素供給から無酸素保護および発生ガスの管理へと変化します。

嫌気性とはガス制御が不要という意味ではない

嫌気性発酵は、プロセスに応じて、二酸化炭素、水素、メタン、または揮発性生成物を生成する可能性があります。これらのガスは、安全に排出、回収、測定、または処理されなければなりません。

したがって、嫌気性リアクターは酸素移動の要求量は低いですが、ガス圧力、流量、組成、および滞留時間の正確な制御が必要になる場合があります。

基質の種類が好気性酸素需要に与える影響

還元された基質はより多くの酸素を必要とする

n-アルカンやメタンなどの高度に還元された基質は、グルコースなどの部分的に酸化された基質よりも、炭素単位あたりの利用可能な電子を多く含んでいます。したがって、それらの完全な好気的酸化にはより多くの酸素が必要です。

これにより、培養物の比酸素消費量が増加し、パイロットバイオリアクターに必要なkLaおよびOTR容量が上昇する可能性があります。

高い酸素需要は酸素ベースの収率を低下させる可能性がある

還元された基質は、基質1グラムあたりの理論上のバイオマス収率を高く提供できますが、一般的に消費された酸素単位あたりのバイオマスは少なくなります。実際には、プロセスに十分な炭素があっても、リアクターの酸素供給能力によって制限される可能性があります。

これが、基質の選択と酸素移動の設計を一緒に検討しなければならない理由です。

酸素需要は熱も発生させる

好気的酸化は電子を酸素に伝達し、代謝エネルギーを熱として放出します。したがって、より還元された基質は、生成されるバイオマス単位あたりにより大きな熱負荷を生み出す可能性があります。

パイロット設備では、安定した培養温度を維持するために、より大きな伝熱面積、より高い冷却水流量、または追加の冷却能力が必要になる場合があります。

パイロットスケールの設備で制御すべきこと

好気性設備は多相物質移動を優先する

好気性パイロットバイオリアクターは、気液固混合、スパージャー性能、気泡分散、攪拌、および溶存酸素測定を管理する必要があります。これらの要因は、目的の増殖速度をサポートするために酸素が十分に速く細胞に到達するかどうかを決定します。

一般的な制御シーケンスは、まず攪拌を増やし、次に必要に応じてガス流量や酸素富化を増やすことで溶存酸素を維持することです。正確なシーケンスは、設備の制限とプロセスの目的に依存します。

嫌気性設備は無酸素の完全性を優先する

嫌気性システムは、酸素の排除、信頼性の高い密閉、不活性ガスパージ、および温度とpHの一貫した制御に重点を置いています。容器全体で均一な条件を維持するために、完全混合構成が一般的に使用されます。

プロセスが可燃性、有毒、または腐食性のガスを生成する場合、ガスの回収と監視も重要になります。

どちらの構成も基本的な強力な制御が必要

どちらの運転モードも、温度、pH、混合、供給、サンプリング、および圧力の堅牢な制御の必要性を排除するものではありません。違いは、どの輸送制限が支配的かという点です。

好気性運転は通常、酸素移動と除熱によって制限されます。嫌気性運転は通常、酸素の侵入、酸化還元制御、生成物の蓄積、およびガス処理によって制限されます。

トレードオフの理解

バイオマス収率は生成物収率と同じではない

好気性運転は、炭素のより大きな割合をバイオマスに向ける可能性があります。これは、細胞生産や増殖に関連する合成が目的の場合に有用です。しかし、酸素の利用可能性が高いからといって、自動的に目的の生成物が最大化されるわけではありません。

嫌気性運転は生成物により多くの炭素を向ける可能性があるが、生成物の混合物、低い増殖速度、および生理学的堅牢性の低下が下流工程を複雑にする可能性がある。

酸素制限は意図した代謝を変化させる可能性がある

十分な酸素を移動できない好気性プロセスは、代謝を変化させ、増殖を減少させ、不要な副産物を増加させ、または一貫性のない結果を生み出す可能性があります。攪拌、スパージャー容量、圧力、または冷却が制限されている場合、空気流量を増やすだけでは問題が解決しない可能性があります。

関連する設計チェックは、リアクターシステム全体が、温度と許容可能なせん断条件を維持しながらピークのOURを満たすことができるかどうかです。

パイロットスケールでの酸素排除は困難な場合がある

嫌気性運転は、単に曝気を停止するだけでは達成されません。酸素は、供給物、シール、サンプリングポート、漏れ、および不十分にパージされた設備を通じて侵入する可能性があります。

パイロットプロトコルでは、パージ条件、酸素監視ポイント、移送手順、および無酸素状態の障害への対応を定義する必要があります。

炭素の割合を設計保証として使用すべきではない

約50%の好気性バイオマス配分と30%未満の嫌気性バイオマス配分は、対比を説明するには有用ですが、測定された収率の代わりにはなりません。

設計とスケールアップには、バイオマス収率、生成物収率、酸素摂取量、二酸化炭素発生量、熱発生量、および維持要求に関する生物固有の値を使用する必要があります。

目標に適した選択をする

運転モードは、目的の炭素の行き先とパイロットプラントの制御能力に応じて選択する必要があります。

主な焦点がバイオマス生産である場合： 持続的な酸化的増殖をサポートするために、適切なスパージング、攪拌、溶存酸素制御、および冷却能力を備えた好気性構成を優先してください。
主な焦点が嫌気性生成物形成である場合： 酸素を排除しつつ、正確な温度、pH、供給、および生成ガス制御を提供する、密閉された、または効果的にパージされたシステムを使用してください。
主な焦点が高度に還元された基質である場合： 高い酸素需要と代謝熱発生のために、好気性ガス移動および冷却システムをサイズ設定してください。
主な焦点がパイロットスケールの比較可能性である場合： 一般的な配分率に頼るのではなく、各運転の炭素バランス、バイオマス収率、生成物収率、OUR、ガス組成、および熱負荷を追跡してください。

中心となるエンジニアリング上の決定は、プロセスが酸化的バイオマス形成を最大化する必要があるか、それとも酸素フリーの生成物形成を最大化する必要があるかを判断し、その目的に一致するガス移動および制御インフラストラクチャを提供することです。

要約表：

側面	好気性運転	嫌気性運転
典型的な炭素配分	約50%がバイオマスをサポートする可能性があり、残りの多くはエネルギーのために酸化される	30%未満がバイオマスになる可能性があり、通常より多くの炭素が生成物や副産物を形成する
ガス要求量	酸素摂取速度（OUR）を満たすための継続的な酸素供給	パージ、密閉、および無酸素供給による酸素の排除
主な設計焦点	酸素移動速度（OTR）、kLa、攪拌、スパージング、および冷却	無酸素の完全性、酸化還元制御、ガス回収、および安全な排出
一般的な代謝結果	酸化的増殖とバイオマス形成への重点	発酵産物、ガス、および還元化合物への重点
主なリスク	酸素制限、不要な副産物、および熱の蓄積	酸素の侵入、生成物阻害、および制御不能なガス発生
推奨測定項目	バイオマス収率、OUR、OTR、二酸化炭素、温度、および熱負荷	炭素バランス、生成物収率、溶存酸素、ガス組成、および酸素の侵入

プロセスに適したパイロットバイオリアクターを選択する

好気性バイオマス生産、嫌気性生成物形成、または高度に還元された基質の発酵をスケールアップする必要がありますか？適切な教育・職業訓練用ユニットオペレーションパイロットプラントの選択と構成に関する実践的なガイダンスについては、LABPARKにお問い合わせください。LABPARKは、化学工学、バイオプロセスおよびバイオテクノロジー、環境および水処理アプリケーション向けのパイロットバイオリアクターで、大学、研究機関、企業をサポートしています。リアクターの容積、混合、スパージング、酸素移動能力、不活性ガス処理、温度およびpH制御、サンプリング、ガス回収、およびプロセス監視を、お客様の炭素バランスとスケールアップの目標に合わせて調整するお手伝いをします。生物、基質、目的の生成物、およびパイロットトレーニングや研究の要件について、当社のチームにご相談ください。