逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）システムにおける液体の改良されたプロセスパラメータ制御のための方法およびシステム
少なくとも２つの逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックを含む逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）システムにおける液体組成物のプロセスパラメータの制御のための方法およびシステムであって、いずれか１つの膜スタックにおける電場の方向を、他の膜スタックの電流逆転に対して、非同時的な時間間隔でもって逆転させる、方法およびシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックを含む逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）システムにおいて、いずれか１つの膜スタック内の電場の方向を、他の膜スタックに対する電場の逆転に対して非同時性の時間間隔でもって逆転させる、液体組成物の改良されたプロセスパラメータ制御のための方法およびシステムに関する。さらに、本発明は、逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）システムにおいて、パラメータコントロールメカニズムが、ＤＣ電流調整および透析物溶液組成の調整の組み合わせによって誘発される、液体組成物の改良されたパラメータ制御のための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体組成物のｐＨ、導電率、および／または標的イオンレベルの制御は、金属精錬および発酵液からの有機物の精製のような幅広い技術分野において用いられる重要な工業プロセスである。
【０００３】
液体組成物のｐＨおよび／または標的イオンレベルを制御するために、多数の方法が導入されてきた。前記方法として、精密ろ過および限外ろ過法、イオン交換法、ならびに電気透析法が挙げられる。
【０００４】
例えば、バイオリアクタは、様々な有機化合物、医薬用タンパク質、アミノ酸、種菌（またはスターター培養物、ｓｔａｒｔｅｒ ｃｕｌｔｕｒｅ）、バイオ燃料等を製造するために、または生分解の目的のために、産業において幅広く使用されている。バイオリアクタは多くの場合、最適な機能性を保持するのに特定のｐＨレベルを必要とする微生物を含んでいる。
【０００５】
バイオリアクタにおけるｐＨ調節の標準的手段として、バイオリアクタ中にアルカリ性または酸性中和剤で直接滴定し、それにより、微生物が生成した酸性またはアルカリ性の代謝産物を中和することが挙げられる。しかし、これらの代謝産物の塩は特定の濃度に達するとしばしば成長を阻害する。
【０００６】
生物学的反応に対する阻害物質等のいくつかの塩および代謝産物の増加によって、正常な回分操作におけるバイオリアクタの生産性に制限が設けられる。阻害を最小限にするための可能な解決策として潅流システムが挙げられ、この潅流システムにおいて、阻害物質を含む発酵培養液がフィルタープロセス（例えば限外ろ過または精密ろ過）によって連続的に抽出され、その一方で微生物が保持され且つ新たな基質溶液が発酵槽に加えられる。潅流システムにおいては、中和剤滴定によるバイオリアクタのｐＨ調節が未だ必要であり、有用な基質成分が透過物と共に失われる。
【０００７】
電気透析およびいわゆるドナン（Ｄｏｎｎａｎ）透析法で利用される、イオン交換膜の使用は、限外ろ過および精密ろ過で通常用いられる膜と比較して、小さい荷電種（または荷電スピーシーズ）をより選択的に抽出し得る。しかし、常套的な電気透析は、バイオリアクタと直接組み合わせると膜の汚染を免れず、また、ｐＨ制御のために中和剤滴定が未だ必要である。
【０００８】
欧州特許第１２３７８２３号は、カチオン交換膜またはアニオン交換膜のいずれかを有する電気強化透析セルにおいて、イオン種を第１溶液から第２溶液へ移動させる装置および方法を開示している。
【０００９】
米国特許第５，１１４，５５４号はカソード電着浴から酸を除去する方法を開示しており、その方法において、導電性基板をカチオン樹脂でコーティングし、コーティング浴の少なくとも一部を限外ろ過に供し、限外ろ過液の少なくとも一部を、直流電流で操作されるアニオン交換膜を有する電気透析セルにおいて、特定の電気透析処理に供する。
【発明の概要】
【００１０】
液体組成物の改良されたプロセスパラメータ制御のための方法およびシステムであって、当該液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度、および／または導電率の制御、ならびに電場の逆転（電流逆転）により生じる濃度変化の減少を可能にするプロセスに対する要求がある。特に、ｐＨの変動は、微生物系に負の影響を有することがあり、したがって避ける必要がある。さらに、幾つかの生物系（例えば、タンパク質発現系）は、標的イオン濃度の変動に敏感である。
【００１１】
従って、第１の要旨において、本発明は、液体組成物のプロセスパラメータ制御の方法であって、前記液体を第１逆電気強化透析（Reverse Electro-Enhanced Dialysis；ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックに通過させる少なくとも１つの工程を含み、各スタックが、
ｉ）その間に第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）前記膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有し、
前記第１膜スタック内で電場の方向を反転させることを、第２膜スタック内で電場を反転させることに対して、非同時（または非同期）的な時間間隔をもって行う、
方法に関する。
【００１２】
第２の要旨において、本発明は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のためのシステムであって、少なくとも第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックを含み、各スタックが、
ｉ）その間に第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；および
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）いずれか１つの膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を含む、システムである。
【００１３】
本発明の第３の要旨は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のための本発明のシステムの使用である。
【００１４】
本発明の他の要旨は、下記の詳細な説明および実施例から当業者に明らかとなるであろう。
【００１５】
［定義］
本発明において、用語「（１または複数の）標的イオン」は、不要なイオン（例えば発酵プロセスにおける阻害物質）、および液体組成物から取り出される所望の生成物を構成するイオンの両方を包含することが意図される。標的イオンの限定的でない例として、乳酸イオンを挙げることができる。乳酸は乳酸菌（ＬＡＢ）培養物に対する、従って生きているＬＡＢ培養菌を有するバイオリアクタに対する公知の阻害物質であり、乳酸イオンはＲＥＥＤ法に対する標的イオンであり得る。用語「標的イオン」は水素イオンを包含しない。
【００１６】
本発明において、用語「逆電気強化透析」または「ＲＥＥＤ」はＡＸ−ＲＥＥＤおよびＣＸ−ＲＥＥＤの両方を含む。
【００１７】
本発明において、用語「ＡＸ−ＲＥＥＤ」は、アニオン交換膜がフィード溶液と透析液との間の障壁として用いられ、２つの液体間のアニオン交換が促進されるＲＥＥＤ配置を意味する。
【００１８】
本発明において、用語「ＣＸ−ＲＥＥＤ」は、カチオン交換膜がフィード溶液と透析液との間の障壁として用いられ、２つの液体間のカチオン交換が促進されるＲＥＥＤ配置を意味する。
【００１９】
本発明において、用語「電場の逆転」または「電流逆転」は、ＲＥＥＤ電極の極性の変化を意味し、それはＤＣ電流の方向の逆転をもたらし、それによりイオン交換膜を通過するイオンの移動が促進される。
【００２０】
本発明において、「電流逆転間隔」は、所定のＲＥＥＤスタックについての各電流逆転間の時間を意味する。
【００２１】
本発明において、「分散間隔」は、非同時性の電流逆転間隔を有する複数のＲＥＥＤスタックを備えたＲＥＥＤシステムにおける、第１ＲＥＥＤスタックの電流逆転と第２以上のＲＥＥＤスタックの連続する電流逆転との間の時間を意味する。
【００２２】
本発明において、用語「スタック」は、少なくとも２つのイオン交換膜の組み合わせの１つ又はそれより多くの繰り返しの組、一組の端部膜、および前記膜を囲む少なくとも２つの電極を含むＲＥＥＤシステムの単位を意味する。
【００２３】
本発明において、用語「複数のＲＥＥＤ膜スタック」は、膜およびスペーサーから成る２つまたはそれより多くのスタックを意味し、各スタックは電極対の間に配置される。
【００２４】
本発明において、用語「制御」または「制御すること」は、ＲＥＥＤを用いて、手動で又は自動的に、所望のパラメータ、例えば、ｐＨ、標的イオン濃度、導電率を調節する能力を意味する。
【００２５】
図面を参照して本発明を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、類似のバイオリアクタシステムであって、単一のＲＥＥＤスタックにより制御される参照システム、および４つの並列のＲＥＥＤスタックにより制御される本発明のシステムについての２つのｐＨ曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［ＲＥＥＤ原理］
逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）法は、いわゆるドナン（Ｄｏｎｎａｎ）透析配置に類似したプレートアンドフレーム（または平板形；ｐｌａｔｅ−ａｎｄ−ｆｒａｍｅ）膜配置においてイオン交換膜を利用し、後者は化学ポテンシャルの差によってもたらされる拡散を推進力として利用している。尤も、ＲＥＥＤ法において、イオン交換は、膜配置を通る直流電流によって促進され且つ調節される。ＲＥＥＤ法は、大きすぎて膜を通過し得ない成分（例えばタンパク質）を伴うプロセス溶液における使用が意図され、前記成分はイオン交換膜表面に集まる傾向にある；この作用は膜汚染（または付着）として知られている。ＲＥＥＤ法の対称配置を利用することにより、分離プロセスを著しく妨げることなく電流の方向を一定間隔で逆転させることができる。
【００２８】
通常、プロセス溶液（フィード溶液）はＲＥＥＤシステムを通って流れ、そのＲＥＥＤシステムにおいて、負に帯電したイオン（アニオン）が他のアニオンと交換され（従ってアニオン交換ＲＥＥＤ配置（または構成）（ＡＸ−ＲＥＥＤ）と呼ばれる）、または正に帯電したイオン（カチオン）がカチオン交換ＲＥＥＤ配置（または構成）（ＣＸ−ＲＥＥＤ）において他のカチオンと交換される。透析液溶液はイオンを輸送し、そのイオンはフィード溶液中のイオンと交換される。プレートアンドフレーム配置において、いくつかの膜が積層され、フィード溶液および透析液溶液の各々を交互に容易に促進するフロースペーサーで隔てられている。
【００２９】
分離の間、各フィードスペーサー区画を囲む２つの膜は、フィード溶液からのイオン移動を促進し、または透析液からフィード溶液中へのイオン移動を促進する。
【００３０】
本発明の一の態様において、前記少なくとも２つの電極の極性を、間隔をおいて変更する。
【００３１】
各フィード区画を囲む２つの膜が機能を交換するので、電場／電流の方向の各々の逆転は、膜の表面および内部にて、影響を受けたイオンの極性のプロファイルの短時間での再構築をもたらす。膜プロファイルが再構築されるまでに予め除去されたイオンがフィード溶液中に押し戻されるので、このことは分離プロセスの短時間の逆転をもたらす。各々の逆転は短時間の分離の中断を引き起こし且つ僅かなプロセス不安定性を引き起こすので、いずれか１つのＲＥＥＤスタック内での電流逆転の間隔を、汚染（または付着）の増加（または蓄積）が許容する限り、長く保つことが好都合である。
【００３２】
本発明の一の態様において、制御されるプロセスパラメータは、前記液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度および／または導電率から選択される。ＲＥＥＤシステムがイオン（例えば、無機イオン、アミノ酸、アンモニウムイオン）の脱塩または塩分濃度の調節のために用いられる場合、プロセスストリームに関して、導電率は一般的には主たる制御プロセスパラメータである。さらに、いくつかの種またはシステムに関してオンラインで測定することが困難であり得る又は不可能であり得る、標的イオン濃度の調節に関して、導電率の測定値は、プロセス制御パラメータとして使用され得る。
【００３３】
本発明の一の態様において、前記液体組成物が、少なくとも１つの別のＲＥＥＤ膜スタックを通過させられる。
【００３４】
電気膜プロセス、例えば、電気透析およびＲＥＥＤは、プレートアンドフレーム膜配置を用いる。十分な膜分離領域（または面積）が得られるまで膜のシートが相互に（一般には膜スペーサーにより分離されて）積層されるので、プレートアンドフレーム膜配置は、膜領域（または面積）の容易でかつ小型のスタッキングを可能にする。実行できる取扱い、操作およびメンテナンスの目的のために、プレートアンドフレームシステムは一般的に、数個の分離した、実用的な寸法の膜スタックであって、各々がそれ自身の組のフロー接続および電極を有するが、同じ分離機能を有する膜スタックにおいて、操作される。これらのスタックは、並列もしくは直列で、またはそれらの組み合わせで、同じ分離システムの一部として一緒に操作される。小型のシステムのために、各スタックが技術的に実行できる限り大きい膜領域を有する、独立したプレートアンドフレームスタックの数を小さく保つことが好都合である。しかし、独立したスタックの各々が全体のプロセスパラメータの制御における変動を導入するＲＥＥＤシステムの最適化されたプロセス制御のために、１よりも多い組の電極が用いられるときには、複数のＲＥＥＤスタックを用いて、または複数のＲＥＥＤスタックのセクションを用いて、操作することが好都合である。したがって、スタックの数は、件のプロセスに応じて、２〜数百まで変化し得るが、一般的には２〜５０の範囲内にあり、より一般的には４〜２０スタックである。
【００３５】
ＲＥＥＤ法は、細胞の成長（連続発酵）の生産性および寿命を向上させるために、ならびに／または代謝産物（例えば組み替えタンパク質）の生成を調節するために、バイオリアクタ／生発酵プロセスから、有機酸イオンのような阻害物質を抽出するために用いてよい。ＲＥＥＤ法は、例えば、小さい（または少量の）酸性またはアルカリ性成分（例えば、乳酸塩（またはエステル）、酢酸塩（またはエステル）、アンモニア、硝酸塩（またはエステル））が連続的に生成される、生物学的、生物変換反応または触媒システムにおいて、ｐＨ制御のために用いてよい。生成した有機酸イオンをアルカリ透析液溶液からの水酸化物イオンと交換することにより（それはその後、付随する水素イオンを中和する）、全体的な結果は、一定のｐＨおよび有意に減少した有機酸レベルの蓄積である。アルカリ生成システムの場合も同様であり、そのアルカリ生成システムにおいて、アルカリイオンは酸性透析液からの水素イオンと交換され、その水素イオンがフィード溶液における水酸化物イオンを中和する。生成した酸またはアルカリが成長阻害物質としてはたらく生物学的システムにおいて、ＲＥＥＤシステムのｐＨ制御は、生物学的システム中への直接的な標準的ｐＨ滴定制御よりも好ましく、その標準的ｐＨ滴定制御はｐＨレベルを保持するのみであり、それ自体は中和された酸性またはアルカリ性代謝産物の増加（または蓄積）を抑制することができない。
【００３６】
本発明の一の態様において、前記少なくとも第１および第２ＲＥＥＤスタックが並列に操作される。そのような配置は、例えば、バイオリアクタにおける微生物への衝撃を最小にする。なぜならば、バイオリアクタ外での保持時間および設定ポイントからのｐＨずれが、直列操作と比較して減少するからである。
【００３７】
本発明のもう１つの態様において、少なくとも第１および第２ＲＥＥＤスタックを、直列またはカスケード式で操作する。そのような配置は、通過毎のより高度なイオン除去を可能にし、連続的な下流操作により適している。
【００３８】
各電流逆転に続く前記短時間の影響は、膜のイオンプロファイルが再構築されるまでに、短時間の悪影響を導入することにより、ＲＥＥＤシステムのｐＨ制御に影響を及ぼす。ＡＸ−ＲＥＥＤの場合において、酸性イオンは、各フィード区画において一のアニオン交換膜を通って抽出され、一方、水酸化物イオンは対向するアニオン交換膜を通って入る。電流の方向が逆転すると、最初に言及した膜の内側の抽出された酸性イオンは、水酸化物イオンがフィード溶液に入り始める前に、フィード溶液の中に押し戻される。従って、それまでは酸性イオンを抽出するのに用いられた膜によって水酸化物プロファイルが再構築されるまでの短時間に、ｐＨ制御は観察されない。各々の電流逆転の後、ｐＨ制御が再生されるまでの時相の長さは、種々のプロセス条件および膜特性に依存する；通常、プロセスが再び完全なｐＨ制御で操作されるまで１０〜９０秒かかる。このことはプロセスパラメータ、例えば、ｐＨの突然の変化として記録され、これはその後、調節して所望の設定値に戻さなければならない。１つより多くの膜スタックを有するシステムにおいて、不安定性の影響を分散させるため及び電流逆転の全体の影響を減少させるために、各々の独立したスタックにおいて非同期的に電流逆転を実施することが好都合である。各スタックについての電流逆転の間隔は一般的には同様の長さであるが、逆転のタイミングは、最良のプロセス安定性効果のために分散させられる。
【００３９】
本発明の一の態様において、任意の第１膜スタック内にて、任意の第２以上の膜スタックについての逆転に対して、実質的に規則的な分散間隔にて、電場の方向を逆転させる。
【００４０】
スタックに関する電流逆転の間隔の長さは通常、膜汚染の蓄積に関連して選択される。通常、任意の一のＲＥＥＤスタック内の前記間隔は５〜６０００秒、好ましくは８〜３０００秒、より好ましくは１０〜２０００秒、より一層好ましくは１００〜１５００秒の範囲であってよい。単一のＲＥＥＤスタックを有する先行技術のシステムにおいて、ＲＥＥＤシステムにより制御される接続されたバイオリアクタは、すべての逆転のときに、したがって、各電流逆転の間隔の終わりに、ｐＨ変動の完全な影響を蒙る。しかしながら、前記電流逆転の間に実質的に規則的な分散間隔を有する複数のスタックについては、蒙る変動は減少する。
【００４１】
本発明の別の態様において、任意の第１ＲＥＥＤ膜スタックと任意の第２以上のＲＥＥＤ膜スタックにおける電流逆転の間の間隔を同じプロセスにおいて最大にするために、任意の第１膜スタック内の電場の方向は、任意の第２以上の膜スタックについての逆転に対して、実質的に等しい長さの分散間隔で逆転させられる。電流逆転の間の分散間隔が同じである、即ち、これらの逆転が等しく分散させられる場合、接続されたバイオリアクタは、より減少した影響ではあるが、より多い頻度の影響を受ける。したがって、例えば、４つの並列のＲＥＥＤスタックを備えた、電流逆転の間隔が１２分のシステムにおいて、接続された、プロセスパラメータが制御されるバイオリアクタは、３分ごとにプロセスパラメータの変動に曝されるが、同じ電流逆転間隔長さ（１２分）にて作動するが、単一のＲＥＥＤスタック（または同期された電流逆転間隔を有する４つのスタック）で作動するシステムと比較して、フルＲＥＥＤシステムの約４分の１だけ、および制御設定ポイントから４分の１以下のずれである。
【００４２】
本発明の一の態様において、加えられる電場の強さは、前記液体組成物のｐＨ、標的イオン濃度、または導電率に応じて調節される。電場の強さを増加させることにより、ＲＥＥＤシステムにおけるイオン交換は増加し、逆もまた同様である。調節されるプロセスパラメータのオンライン、半オンライン（例えば時間遅延）または二次的（例えば、標的イオン濃度を推定するためにオンライン導電率または混濁度測定値を使用する）測定値は、制御調節機構、例えばＰＩＤ制御ソフトウェアに入力され、制御調節機構は次に、ＲＥＥＤの電極への電力供給源の出力を調節する。
【００４３】
ＲＥＥＤシステムは一般には（しかし常にというわけではない）は、ＲＥＥＤシステムが接続されるプロセスの１つの特定のプロセスパラメータを制御し、調節するために作動させられる。制御調節は、ＲＥＥＤシステム内部で起こるイオン交換を制御することにより実施される。このようにして制御されるプロセスパラメータには、ｐＨ、導電率、および標的イオン濃度が含まれるが、これらに限定されるものではない。独立したＲＥＥＤシステムを同じプロセス（例えば、ＡＸ−ＲＥＥＤおよびＣＸ−ＲＥＥＤ）に結合することは、ＲＥＥＤシステムの各々が本発明の方法によって制御され得る、複数のプロセスパラメータの制御を可能にする。
【００４４】
本発明の方法の一の態様において、前記方法は、加えられる電場の強さに対して、前記第２の液体の濃度および／または流量を調節する工程を更に含む。
【００４５】
電流逆転は、プロセス制御において、ずれを導入し得る唯一の影響ではない。プロセスパラメータの最適な制御のために、透析液の濃度および流量、ならびに温度および操作の形態（またはモード）を制御する必要がある。ＲＥＥＤにおけるイオン交換の速度は、プロセスパラメータを制御するものであるが、これは、電流および受動的な拡散の組み合わせに応じて決定される。拡散の速度は、透析液からリアクタ内へ移動すべきイオンの濃度に応じて決定される。透析液が高い濃度のｐＨ調節イオン、例えば、ＡＸ−ＲＥＥＤにより操作する場合には水酸化物イオンを有する場合、電場にかかわらず、リアクタ回路内への実質的な水酸化物イオンの拡散が生じる。したがって、ＲＥＥＤシステムにおける拡散速度が単独で、プロセスパラメータ制御に必要なイオン交換を決して越えないように、透析液の濃度を制御できるようにすることが重要である。これは、透析液の濃度および／または流速を、ＲＥＥＤスタックに出力される電流に関連づけることによって行われ、その結果、電流の増加が透析液の濃度を上昇させる。透析液濃度の制御は、例えば、水および高濃度の透析液溶液の、ＲＥＥＤシステムに入る前の透析液ストリームへの添加を調節して、実施することができる。透析液流量の制御は、例えば、透析液流ポンプを調節することにより、または流量調整弁を用いることにより実施することができる。
【００４６】
ＲＥＥＤシステムに関する透析液流（または流量）を、バイオリアクタにおける生成速度に応じて、シングルパスモード、回分モードまたはそれらの組み合わせにおいて、操作することができる。例えば細胞密度が低い発酵プロセスの初めにおいて、低容量が必要とされる場合、タンクに透析液を循環させることが好都合である。バイオリアクタの生産性が増大するにつれて、ＲＥＥＤスタックを出る透析液が廃棄される割合が増加する。プロセスを全能力（またはフル稼働）で運転する場合、全ての透析液はスタックを通るシングルパスの後に廃棄され、新たな透析液がスタックの中にポンプで送られる。説明したやり方で透析液流を操作することの利点は、水および高濃度の透析液溶液に関する透析液の向上した利用率および向上したプロセスパラメータ制御、特に、一般的なプロセスの間、独立した必要において、特にバイオリアクタシステムに関して、有意の変化に付される向上したプロセスプロセスパラメータ制御を包含する。
【００４７】
複数のスタックが用いられる場合、プロセス溶液と同じやり方で、スタックの間でブースターポンプを用いて又は用いずに、並列もしくは直列のモードのいずれかで、透析液の流量を設定することができる。
【００４８】
本発明の一の態様において、前記液体組成物は、固定化された若しくは懸濁した微生物培養物を含有する発酵混合物であり、または酵素含有混合物である。
【００４９】
本発明の一の態様において、前記微生物培養物は、バクテリア、酵母、菌類もしくは哺乳類細胞の増殖培養物または休止（もしくは静止；ｒｅｓｔｉｎｇ）培養物を含む。
【００５０】
本発明の別の態様は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のためのシステムであり、当該システムは少なくとも第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックを含み、各スタックが：
ｉ）それらの間で第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって膜に電場をかける手段；
ｖ）いずれか１つの膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有する、システムである。
【００５１】
前記システムの一態様において、かけられる電場の方向の逆転のための手段は、前記電場の極性を逆転させるようにされた電圧調節器を含む。電場の方向の逆転のための手段は、とりわけ１もしくは複数のリレー機能または１もしくは複数の調節された電源を含む。
【００５２】
本発明の別の態様は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のための上記システムの使用である。
【００５３】
有機酸で阻害される細胞株によって発酵するバイオリアクタに関して、アニオン交換ＲＥＥＤ（ＡＸ−ＲＥＥＤ）は、生成した有機酸を水酸化物イオンで置換するはたらきをし、従って、酸の生成によるｐＨの低下に対抗する。ＡＸ−ＲＥＥＤの調節により、水酸化物イオンの交換は、中和剤の添加を必要とすることなくバイオリアクタのｐＨを保持し得る。
【００５４】
同様に、塩基を生成する細胞株によって発酵するバイオリアクタに関して、カチオン交換ＲＥＥＤ（ＣＸ−ＲＥＥＤ）は、生成した塩基を水素イオンで置換するはたらきをし、塩基形成によるｐＨの上昇に対抗する。ＡＸ−ＲＥＥＤを用いる場合のように、ＣＸ−ＲＥＥＤの調節により、水素イオンの交換は、中和剤の添加を必要とすることなくバイオリアクタのｐＨを保持し得る。
【００５５】
本発明の一の態様において、複数のＡＸ−ＲＥＥＤスタックおよびＣＸ−ＲＥＥＤスタックの組み合わせであって、電場の方向を任意の第１および第２のＡＸ−ＲＥＥＤまたはＣＸ−ＲＥＥＤのいずれかで非同期的に逆転させる、本発明の方法が実施される組み合わせが使用される。ＡＸ−ＲＥＥＤおよびＣＸ−ＲＥＥＤの組み合わせの使用は、本出願人の「液体組成物のｐＨおよび標的イオンレベルの制御方法」と題する同日に出願された係属中の特許出願においてより詳細に説明されており、この特許出願は引用により本明細書に組み込まれる。前記配置は、ｐＨおよび標的イオンのレベルの最適な制御を可能にする。
【００５６】
本発明は、以下の限定的でない特定の実施例において、さらに詳細に説明される。
【実施例】
【００５７】
実施例１
向上したｐＨ安定性のための、非同時性の電流逆転間隔を有する複数のスタック
乳酸菌（ＬＡＢ）発酵を、ＡＸーＲＥＥＤシステムにチューブを介して接続されたバイオリアクタにおいて実施した。発酵培養液（または発酵ブロス）を連続的に、バイオリアクタとＡＸ−ＲＥＥＤとの間で循環させた。ＡＸ−ＲＥＥＤを、乳酸イオン（バイオリアクタで生成される乳酸から得られる乳酸イオン）を水酸化物イオンで置換することによる、バイオリアクタのｐＨプロセスパラメータの制御のために用い、ＡＸ−ＲＥＥＤはｐＨを最適な成長条件；ｐＨ６．０近くに維持した。イオン交換は次に、ＰＩＤ制御ユニットによって調節され、ＰＩＤ制御ユニットはＲＥＥＤ電極間でＤＣ電流の出力を調節し、乳酸の増加する生成速度に適合させた。乳酸の生成速度は試験の間増加し、同時にＬＡＢ培養物の数も増えた。
【００５８】
第１のトライアルにおいて、７リットルの生培養液を有する供給回分ＬＡＢ発酵を、ＡＸ−ＲＥＥＤシステムにおける単一の膜スタック（ＲＥＥＤ用に改変されたＥＵＲ６、Eurodia SA, France）に接続した。スタックは、７つのセルの組を保持し、各セルの組は、アニオン交換膜（Neosepta AXE-01、株式会社トクヤマ、日本）によって分離された、発酵培養液のための区画（シートフロースペーサ、Eurodia）およびアルカリ性透析液のための区画（シートフロースペーサ、Eurodia）を構成した。全体のスタックについて、合計０．３９２ｍ２（１リットルの培養液につき５６０ｃｍ２）の活性な膜の面積（または動作膜面積）を得るために、各セルの組は、５６０ｃｍ２の活性な膜の面積を有していた。
０．５ＭのＮａＯＨ溶液を、透析液溶液として用いた。
電流逆転間隔は１６分に設定した。このことは、各電極の極性が１６分ごとに変化したことを意味している。
ＬＡＢ培養物の初期の成長期間の後、ＲＥＥＤシステムが作動させられ、バイオリアクタのｐＨの制御を引き継いだ。ｐＨは、撹拌されたバイリアクター内部でｐＨプローブによって測定した。電流逆転が起こるときはいつでも、ＲＥＥＤスタックがイオン交換プロセスを再構築する短い時間が後に続き、この時間の間に、ＲＥＥＤシステムが再びプロセスパラメータの制御を示し、バイオリアクタのｐＨをその最適な値に調節するまで、バイオリアクタ内のｐＨが低下した。この試験における３０分間のバイオリアクタのｐＨの変化を図１に示す（単一のスタック）。
【００５９】
第２のトライアルにおいて、２００リットルの生培養液を有する供給回分ＬＡＢ発酵を、ＡＸ−ＲＥＥＤシステムにおける４つの並列の膜スタックに接続した。スタックは、先のトライアルで用いたものと同じタイプのものであり（ＲＥＥＤ用に改変されたＥＵＲ６、Eurodia SA, France）、各スタックが５０個のセルの組を有していたことを除いては、同じ配置を有していた。ＡＸ−ＲＥＥＤシステムは、合計１１．２ｍ２の活性な膜の面積（培養液１リットルあたり５６０ｃｍ２）を保持していた。
【００６０】
各スタックについて電流逆転を４００秒に設定したことを除いては、トライアルを同じ一般的な実験条件で実施した。電流逆転はさらに、制御されるプロセスパラメータ、即ちバイオリアクタのｐＨへの影響を減少させるために、等しい長さの規則的な分散間隔１００秒にて、非同時的に分散させた。
【００６１】
両方のトライアルを、発酵培養液の体積あたりの相対的な膜面積、酪酸生成、分離容量等に関して、同様の条件下にて実施し、プロセスパラメータであるバイオリアクタｐＨの変化を図１において比較した。
【００６２】
図１は、ＲＥＥＤに関するプロセスパラメータ制御における典型的な変動であって、電流逆転に関連して生じる変動を示している。分散した非同時性の電流逆転間隔でもって操作された複数のスタックを備えた類似の配置と比較して、単一のスタックを用いたトライアルに関して、変動は、設定ポイントからより著しくずれた。単一のスタックに関して、他の作用は、電流逆転の遷移が終わって、ｐＨをその設定ポイントに戻すようにプロセスパラメータの制御が見直されるまで、ｐＨの変動を安定化するのに役立たない。複数のスタックに関して、作動スタックは直ちに、電流逆転の状態になる一つのスタックの影響に応答して、一つのスタックが回復している間、それらの作用を増加させる。複数のスタックは有意により高い頻度のプロセスパラメータの変動を与えるが、ずれは有意により小さく、それは好ましく、特に微生物プロセス液体または連続プロセス溶液を用いて作動させる場合に好ましい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックを含む逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）システムにおいて、いずれか１つの膜スタック内の電場の方向を、他の膜スタックに対する電場の逆転に対して非同時性の時間間隔でもって逆転させる、液体組成物の改良されたプロセスパラメータ制御のための方法およびシステムに関する。さらに、本発明は、逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）システムにおいて、パラメータコントロールメカニズムが、ＤＣ電流調整および透析物溶液組成の調整の組み合わせによって誘発される、液体組成物の改良されたパラメータ制御のための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体組成物のｐＨ、導電率、および／または標的イオンレベルの制御は、金属精錬および発酵液からの有機物の精製のような幅広い技術分野において用いられる重要な工業プロセスである。
【０００３】
液体組成物のｐＨおよび／または標的イオンレベルを制御するために、多数の方法が導入されてきた。前記方法として、精密ろ過および限外ろ過法、イオン交換法、ならびに電気透析法が挙げられる。
【０００４】
例えば、バイオリアクタは、様々な有機化合物、医薬用タンパク質、アミノ酸、種菌（またはスターター培養物、ｓｔａｒｔｅｒ ｃｕｌｔｕｒｅ）、バイオ燃料等を製造するために、または生分解の目的のために、産業において幅広く使用されている。バイオリアクタは多くの場合、最適な機能性を保持するのに特定のｐＨレベルを必要とする微生物を含んでいる。
【０００５】
バイオリアクタにおけるｐＨ調節の標準的手段として、バイオリアクタ中にアルカリ性または酸性中和剤で直接滴定し、それにより、微生物が生成した酸性またはアルカリ性の代謝産物を中和することが挙げられる。しかし、これらの代謝産物の塩は特定の濃度に達するとしばしば成長を阻害する。
【０００６】
生物学的反応に対する阻害物質等のいくつかの塩および代謝産物の増加によって、正常な回分操作におけるバイオリアクタの生産性に制限が設けられる。阻害を最小限にするための可能な解決策として潅流システムが挙げられ、この潅流システムにおいて、阻害物質を含む発酵培養液がフィルタープロセス（例えば限外ろ過または精密ろ過）によって連続的に抽出され、その一方で微生物が保持され且つ新たな基質溶液が発酵槽に加えられる。潅流システムにおいては、中和剤滴定によるバイオリアクタのｐＨ調節が未だ必要であり、有用な基質成分が透過物と共に失われる。
【０００７】
電気透析およびいわゆるドナン（Ｄｏｎｎａｎ）透析法で利用される、イオン交換膜の使用は、限外ろ過および精密ろ過で通常用いられる膜と比較して、小さい荷電種（または荷電スピーシーズ）をより選択的に抽出し得る。しかし、常套的な電気透析は、バイオリアクタと直接組み合わせると膜の汚染を免れず、また、ｐＨ制御のために中和剤滴定が未だ必要である。
【０００８】
欧州特許第１２３７８２３号は、カチオン交換膜またはアニオン交換膜のいずれかを有する電気強化透析セルにおいて、イオン種を第１溶液から第２溶液へ移動させる装置および方法を開示している。
【０００９】
米国特許第５，１１４，５５４号はカソード電着浴から酸を除去する方法を開示しており、その方法において、導電性基板をカチオン樹脂でコーティングし、コーティング浴の少なくとも一部を限外ろ過に供し、限外ろ過液の少なくとも一部を、直流電流で操作されるアニオン交換膜を有する電気透析セルにおいて、特定の電気透析処理に供する。
【発明の概要】
【００１０】
液体組成物の改良されたプロセスパラメータ制御のための方法およびシステムであって、当該液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度、および／または導電率の制御、ならびに電場の逆転（電流逆転）により生じる濃度変化の減少を可能にするプロセスに対する要求がある。特に、ｐＨの変動は、微生物系に負の影響を有することがあり、したがって避ける必要がある。さらに、幾つかの生物系（例えば、タンパク質発現系）は、標的イオン濃度の変動に敏感である。
【００１１】
従って、第１の要旨において、本発明は、液体組成物のプロセスパラメータ制御の方法であって、前記液体を第１逆電気強化透析（Reverse Electro-Enhanced Dialysis；ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックに通過させる少なくとも１つの工程を含み、各スタックが、
ｉ）その間に第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）前記膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有し、
前記第１膜スタック内で電場の方向を反転させることを、第２膜スタック内で電場を反転させることに対して、非同時（または非同期）的な時間間隔をもって行う、
方法に関する。
【００１２】
第２の要旨において、本発明は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のためのシステムであって、少なくとも第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックを含み、各スタックが、
ｉ）その間に第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；および
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）いずれか１つの膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を含む、システムである。
【００１３】
本発明の第３の要旨は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のための本発明のシステムの使用である。
【００１４】
本発明の他の要旨は、下記の詳細な説明および実施例から当業者に明らかとなるであろう。
【００１５】
［定義］
本発明において、用語「（１または複数の）標的イオン」は、不要なイオン（例えば発酵プロセスにおける阻害物質）、および液体組成物から取り出される所望の生成物を構成するイオンの両方を包含することが意図される。標的イオンの限定的でない例として、乳酸イオンを挙げることができる。乳酸は乳酸菌（ＬＡＢ）培養物に対する、従って生きているＬＡＢ培養菌を有するバイオリアクタに対する公知の阻害物質であり、乳酸イオンはＲＥＥＤ法に対する標的イオンであり得る。用語「標的イオン」は水素イオンを包含しない。
【００１６】
本発明において、用語「逆電気強化透析」または「ＲＥＥＤ」はＡＸ−ＲＥＥＤおよびＣＸ−ＲＥＥＤの両方を含む。
【００１７】
本発明において、用語「ＡＸ−ＲＥＥＤ」は、アニオン交換膜がフィード溶液と透析液との間の障壁として用いられ、２つの液体間のアニオン交換が促進されるＲＥＥＤ配置を意味する。
【００１８】
本発明において、用語「ＣＸ−ＲＥＥＤ」は、カチオン交換膜がフィード溶液と透析液との間の障壁として用いられ、２つの液体間のカチオン交換が促進されるＲＥＥＤ配置を意味する。
【００１９】
本発明において、用語「電場の逆転」または「電流逆転」は、ＲＥＥＤ電極の極性の変化を意味し、それはＤＣ電流の方向の逆転をもたらし、それによりイオン交換膜を通過するイオンの移動が促進される。
【００２０】
本発明において、「電流逆転間隔」は、所定のＲＥＥＤスタックについての各電流逆転間の時間を意味する。
【００２１】
本発明において、「分散間隔」は、非同時性の電流逆転間隔を有する複数のＲＥＥＤスタックを備えたＲＥＥＤシステムにおける、第１ＲＥＥＤスタックの電流逆転と第２以上のＲＥＥＤスタックの連続する電流逆転との間の時間を意味する。
【００２２】
本発明において、用語「スタック」は、少なくとも２つのイオン交換膜の組み合わせの１つ又はそれより多くの繰り返しの組、一組の端部膜、および前記膜を囲む少なくとも２つの電極を含むＲＥＥＤシステムの単位を意味する。
【００２３】
本発明において、用語「複数のＲＥＥＤ膜スタック」は、膜およびスペーサーから成る２つまたはそれより多くのスタックを意味し、各スタックは電極対の間に配置される。
【００２４】
本発明において、用語「制御」または「制御すること」は、ＲＥＥＤを用いて、手動で又は自動的に、所望のパラメータ、例えば、ｐＨ、標的イオン濃度、導電率を調節する能力を意味する。
【００２５】
図面を参照して本発明を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、類似のバイオリアクタシステムであって、単一のＲＥＥＤスタックにより制御される参照システム、および４つの並列のＲＥＥＤスタックにより制御される本発明のシステムについての２つのｐＨ曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［ＲＥＥＤ原理］
逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）法は、いわゆるドナン（Ｄｏｎｎａｎ）透析配置に類似したプレートアンドフレーム（または平板形；ｐｌａｔｅ−ａｎｄ−ｆｒａｍｅ）膜配置においてイオン交換膜を利用し、後者は化学ポテンシャルの差によってもたらされる拡散を推進力として利用している。尤も、ＲＥＥＤ法において、イオン交換は、膜配置を通る直流電流によって促進され且つ調節される。ＲＥＥＤ法は、大きすぎて膜を通過し得ない成分（例えばタンパク質）を伴うプロセス溶液における使用が意図され、前記成分はイオン交換膜表面に集まる傾向にある；この作用は膜汚染（または付着）として知られている。ＲＥＥＤ法の対称配置を利用することにより、分離プロセスを著しく妨げることなく電流の方向を一定間隔で逆転させることができる。
【００２８】
通常、プロセス溶液（フィード溶液）はＲＥＥＤシステムを通って流れ、そのＲＥＥＤシステムにおいて、負に帯電したイオン（アニオン）が他のアニオンと交換され（従ってアニオン交換ＲＥＥＤ配置（または構成）（ＡＸ−ＲＥＥＤ）と呼ばれる）、または正に帯電したイオン（カチオン）がカチオン交換ＲＥＥＤ配置（または構成）（ＣＸ−ＲＥＥＤ）において他のカチオンと交換される。透析液溶液はイオンを輸送し、そのイオンはフィード溶液中のイオンと交換される。プレートアンドフレーム配置において、いくつかの膜が積層され、フィード溶液および透析液溶液の各々を交互に容易に促進するフロースペーサーで隔てられている。
【００２９】
分離の間、各フィードスペーサー区画を囲む２つの膜は、フィード溶液からのイオン移動を促進し、または透析液からフィード溶液中へのイオン移動を促進する。
【００３０】
本発明の一の態様において、前記少なくとも２つの電極の極性を、間隔をおいて変更する。
【００３１】
各フィード区画を囲む２つの膜が機能を交換するので、電場／電流の方向の各々の逆転は、膜の表面および内部にて、影響を受けたイオンの極性のプロファイルの短時間での再構築をもたらす。膜プロファイルが再構築されるまでに予め除去されたイオンがフィード溶液中に押し戻されるので、このことは分離プロセスの短時間の逆転をもたらす。各々の逆転は短時間の分離の中断を引き起こし且つ僅かなプロセス不安定性を引き起こすので、いずれか１つのＲＥＥＤスタック内での電流逆転の間隔を、汚染（または付着）の増加（または蓄積）が許容する限り、長く保つことが好都合である。
【００３２】
本発明の一の態様において、制御されるプロセスパラメータは、前記液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度および／または導電率から選択される。ＲＥＥＤシステムがイオン（例えば、無機イオン、アミノ酸、アンモニウムイオン）の脱塩または塩分濃度の調節のために用いられる場合、プロセスストリームに関して、導電率は一般的には主たる制御プロセスパラメータである。さらに、いくつかの種またはシステムに関してオンラインで測定することが困難であり得る又は不可能であり得る、標的イオン濃度の調節に関して、導電率の測定値は、プロセス制御パラメータとして使用され得る。
【００３３】
本発明の一の態様において、前記液体組成物が、少なくとも１つの別のＲＥＥＤ膜スタックを通過させられる。
【００３４】
電気膜プロセス、例えば、電気透析およびＲＥＥＤは、プレートアンドフレーム膜配置を用いる。十分な膜分離領域（または面積）が得られるまで膜のシートが相互に（一般には膜スペーサーにより分離されて）積層されるので、プレートアンドフレーム膜配置は、膜領域（または面積）の容易でかつ小型のスタッキングを可能にする。実行できる取扱い、操作およびメンテナンスの目的のために、プレートアンドフレームシステムは一般的に、数個の分離した、実用的な寸法の膜スタックであって、各々がそれ自身の組のフロー接続および電極を有するが、同じ分離機能を有する膜スタックにおいて、操作される。これらのスタックは、並列もしくは直列で、またはそれらの組み合わせで、同じ分離システムの一部として一緒に操作される。小型のシステムのために、各スタックが技術的に実行できる限り大きい膜領域を有する、独立したプレートアンドフレームスタックの数を小さく保つことが好都合である。しかし、独立したスタックの各々が全体のプロセスパラメータの制御における変動を導入するＲＥＥＤシステムの最適化されたプロセス制御のために、１よりも多い組の電極が用いられるときには、複数のＲＥＥＤスタックを用いて、または複数のＲＥＥＤスタックのセクションを用いて、操作することが好都合である。したがって、スタックの数は、件のプロセスに応じて、２〜数百まで変化し得るが、一般的には２〜５０の範囲内にあり、より一般的には４〜２０スタックである。
【００３５】
ＲＥＥＤ法は、細胞の成長（連続発酵）の生産性および寿命を向上させるために、ならびに／または代謝産物（例えば組み替えタンパク質）の生成を調節するために、バイオリアクタ／生発酵プロセスから、有機酸イオンのような阻害物質を抽出するために用いてよい。ＲＥＥＤ法は、例えば、小さい（または少量の）酸性またはアルカリ性成分（例えば、乳酸塩（またはエステル）、酢酸塩（またはエステル）、アンモニア、硝酸塩（またはエステル））が連続的に生成される、生物学的、生物変換反応または触媒システムにおいて、ｐＨ制御のために用いてよい。生成した有機酸イオンをアルカリ透析液溶液からの水酸化物イオンと交換することにより（それはその後、付随する水素イオンを中和する）、全体的な結果は、一定のｐＨおよび有意に減少した有機酸レベルの蓄積である。アルカリ生成システムの場合も同様であり、そのアルカリ生成システムにおいて、アルカリイオンは酸性透析液からの水素イオンと交換され、その水素イオンがフィード溶液における水酸化物イオンを中和する。生成した酸またはアルカリが成長阻害物質としてはたらく生物学的システムにおいて、ＲＥＥＤシステムのｐＨ制御は、生物学的システム中への直接的な標準的ｐＨ滴定制御よりも好ましく、その標準的ｐＨ滴定制御はｐＨレベルを保持するのみであり、それ自体は中和された酸性またはアルカリ性代謝産物の増加（または蓄積）を抑制することができない。
【００３６】
本発明の一の態様において、前記少なくとも第１および第２ＲＥＥＤスタックが並列に操作される。そのような配置は、例えば、バイオリアクタにおける微生物への衝撃を最小にする。なぜならば、バイオリアクタ外での保持時間および設定ポイントからのｐＨずれが、直列操作と比較して減少するからである。
【００３７】
本発明のもう１つの態様において、少なくとも第１および第２ＲＥＥＤスタックを、直列またはカスケード式で操作する。そのような配置は、通過毎のより高度なイオン除去を可能にし、連続的な下流操作により適している。
【００３８】
各電流逆転に続く前記短時間の影響は、膜のイオンプロファイルが再構築されるまでに、短時間の悪影響を導入することにより、ＲＥＥＤシステムのｐＨ制御に影響を及ぼす。ＡＸ−ＲＥＥＤの場合において、酸性イオンは、各フィード区画において一のアニオン交換膜を通って抽出され、一方、水酸化物イオンは対向するアニオン交換膜を通って入る。電流の方向が逆転すると、最初に言及した膜の内側の抽出された酸性イオンは、水酸化物イオンがフィード溶液に入り始める前に、フィード溶液の中に押し戻される。従って、それまでは酸性イオンを抽出するのに用いられた膜によって水酸化物プロファイルが再構築されるまでの短時間に、ｐＨ制御は観察されない。各々の電流逆転の後、ｐＨ制御が再生されるまでの時相の長さは、種々のプロセス条件および膜特性に依存する；通常、プロセスが再び完全なｐＨ制御で操作されるまで１０〜９０秒かかる。このことはプロセスパラメータ、例えば、ｐＨの突然の変化として記録され、これはその後、調節して所望の設定値に戻さなければならない。１つより多くの膜スタックを有するシステムにおいて、不安定性の影響を分散させるため及び電流逆転の全体の影響を減少させるために、各々の独立したスタックにおいて非同期的に電流逆転を実施することが好都合である。各スタックについての電流逆転の間隔は一般的には同様の長さであるが、逆転のタイミングは、最良のプロセス安定性効果のために分散させられる。
【００３９】
本発明の一の態様において、任意の第１膜スタック内にて、任意の第２以上の膜スタックについての逆転に対して、実質的に規則的な分散間隔にて、電場の方向を逆転させる。
【００４０】
スタックに関する電流逆転の間隔の長さは通常、膜汚染の蓄積に関連して選択される。通常、任意の一のＲＥＥＤスタック内の前記間隔は５〜６０００秒、好ましくは８〜３０００秒、より好ましくは１０〜２０００秒、より一層好ましくは１００〜１５００秒の範囲であってよい。単一のＲＥＥＤスタックを有する先行技術のシステムにおいて、ＲＥＥＤシステムにより制御される接続されたバイオリアクタは、すべての逆転のときに、したがって、各電流逆転の間隔の終わりに、ｐＨ変動の完全な影響を蒙る。しかしながら、前記電流逆転の間に実質的に規則的な分散間隔を有する複数のスタックについては、蒙る変動は減少する。
【００４１】
本発明の別の態様において、任意の第１ＲＥＥＤ膜スタックと任意の第２以上のＲＥＥＤ膜スタックにおける電流逆転の間の間隔を同じプロセスにおいて最大にするために、任意の第１膜スタック内の電場の方向は、任意の第２以上の膜スタックについての逆転に対して、実質的に等しい長さの分散間隔で逆転させられる。電流逆転の間の分散間隔が同じである、即ち、これらの逆転が等しく分散させられる場合、接続されたバイオリアクタは、より減少した影響ではあるが、より多い頻度の影響を受ける。したがって、例えば、４つの並列のＲＥＥＤスタックを備えた、電流逆転の間隔が１２分のシステムにおいて、接続された、プロセスパラメータが制御されるバイオリアクタは、３分ごとにプロセスパラメータの変動に曝されるが、同じ電流逆転間隔長さ（１２分）にて作動するが、単一のＲＥＥＤスタック（または同期された電流逆転間隔を有する４つのスタック）で作動するシステムと比較して、フルＲＥＥＤシステムの約４分の１だけ、および制御設定ポイントから４分の１以下のずれである。
【００４２】
本発明の一の態様において、加えられる電場の強さは、前記液体組成物のｐＨ、標的イオン濃度、または導電率に応じて調節される。電場の強さを増加させることにより、ＲＥＥＤシステムにおけるイオン交換は増加し、逆もまた同様である。調節されるプロセスパラメータのオンライン、半オンライン（例えば時間遅延）または二次的（例えば、標的イオン濃度を推定するためにオンライン導電率または混濁度測定値を使用する）測定値は、制御調節機構、例えばＰＩＤ制御ソフトウェアに入力され、制御調節機構は次に、ＲＥＥＤの電極への電力供給源の出力を調節する。
【００４３】
ＲＥＥＤシステムは一般には（しかし常にというわけではない）は、ＲＥＥＤシステムが接続されるプロセスの１つの特定のプロセスパラメータを制御し、調節するために作動させられる。制御調節は、ＲＥＥＤシステム内部で起こるイオン交換を制御することにより実施される。このようにして制御されるプロセスパラメータには、ｐＨ、導電率、および標的イオン濃度が含まれるが、これらに限定されるものではない。独立したＲＥＥＤシステムを同じプロセス（例えば、ＡＸ−ＲＥＥＤおよびＣＸ−ＲＥＥＤ）に結合することは、ＲＥＥＤシステムの各々が本発明の方法によって制御され得る、複数のプロセスパラメータの制御を可能にする。
【００４４】
本発明の方法の一の態様において、前記方法は、加えられる電場の強さに対して、前記第２の液体の濃度および／または流量を調節する工程を更に含む。
【００４５】
電流逆転は、プロセス制御において、ずれを導入し得る唯一の影響ではない。プロセスパラメータの最適な制御のために、透析液の濃度および流量、ならびに温度および操作の形態（またはモード）を制御する必要がある。ＲＥＥＤにおけるイオン交換の速度は、プロセスパラメータを制御するものであるが、これは、電流および受動的な拡散の組み合わせに応じて決定される。拡散の速度は、透析液からリアクタ内へ移動すべきイオンの濃度に応じて決定される。透析液が高い濃度のｐＨ調節イオン、例えば、ＡＸ−ＲＥＥＤにより操作する場合には水酸化物イオンを有する場合、電場にかかわらず、リアクタ回路内への実質的な水酸化物イオンの拡散が生じる。したがって、ＲＥＥＤシステムにおける拡散速度が単独で、プロセスパラメータ制御に必要なイオン交換を決して越えないように、透析液の濃度を制御できるようにすることが重要である。これは、透析液の濃度および／または流速を、ＲＥＥＤスタックに出力される電流に関連づけることによって行われ、その結果、電流の増加が透析液の濃度を上昇させる。透析液濃度の制御は、例えば、水および高濃度の透析液溶液の、ＲＥＥＤシステムに入る前の透析液ストリームへの添加を調節して、実施することができる。透析液流量の制御は、例えば、透析液流ポンプを調節することにより、または流量調整弁を用いることにより実施することができる。
【００４６】
ＲＥＥＤシステムに関する透析液流（または流量）を、バイオリアクタにおける生成速度に応じて、シングルパスモード、回分モードまたはそれらの組み合わせにおいて、操作することができる。例えば細胞密度が低い発酵プロセスの初めにおいて、低容量が必要とされる場合、タンクに透析液を循環させることが好都合である。バイオリアクタの生産性が増大するにつれて、ＲＥＥＤスタックを出る透析液が廃棄される割合が増加する。プロセスを全能力（またはフル稼働）で運転する場合、全ての透析液はスタックを通るシングルパスの後に廃棄され、新たな透析液がスタックの中にポンプで送られる。説明したやり方で透析液流を操作することの利点は、水および高濃度の透析液溶液に関する透析液の向上した利用率および向上したプロセスパラメータ制御、特に、一般的なプロセスの間、独立した必要において、特にバイオリアクタシステムに関して、有意の変化に付される向上したプロセスプロセスパラメータ制御を包含する。
【００４７】
複数のスタックが用いられる場合、プロセス溶液と同じやり方で、スタックの間でブースターポンプを用いて又は用いずに、並列もしくは直列のモードのいずれかで、透析液の流量を設定することができる。
【００４８】
本発明の一の態様において、前記液体組成物は、固定化された若しくは懸濁した微生物培養物を含有する発酵混合物であり、または酵素含有混合物である。
【００４９】
本発明の一の態様において、前記微生物培養物は、バクテリア、酵母、菌類もしくは哺乳類細胞の増殖培養物または休止（もしくは静止；ｒｅｓｔｉｎｇ）培養物を含む。
【００５０】
本発明の別の態様は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のためのシステムであり、当該システムは少なくとも第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックを含み、各スタックが：
ｉ）それらの間で第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって膜に電場をかける手段；
ｖ）いずれか１つの膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有する、システムである。
【００５１】
前記システムの一態様において、かけられる電場の方向の逆転のための手段は、前記電場の極性を逆転させるようにされた電圧調節器を含む。電場の方向の逆転のための手段は、とりわけ１もしくは複数のリレー機能または１もしくは複数の調節された電源を含む。
【００５２】
本発明の別の態様は、液体組成物のプロセスパラメータ制御のための上記システムの使用である。
【００５３】
有機酸で阻害される細胞株によって発酵するバイオリアクタに関して、アニオン交換ＲＥＥＤ（ＡＸ−ＲＥＥＤ）は、生成した有機酸を水酸化物イオンで置換するはたらきをし、従って、酸の生成によるｐＨの低下に対抗する。ＡＸ−ＲＥＥＤの調節により、水酸化物イオンの交換は、中和剤の添加を必要とすることなくバイオリアクタのｐＨを保持し得る。
【００５４】
同様に、塩基を生成する細胞株によって発酵するバイオリアクタに関して、カチオン交換ＲＥＥＤ（ＣＸ−ＲＥＥＤ）は、生成した塩基を水素イオンで置換するはたらきをし、塩基形成によるｐＨの上昇に対抗する。ＡＸ−ＲＥＥＤを用いる場合のように、ＣＸ−ＲＥＥＤの調節により、水素イオンの交換は、中和剤の添加を必要とすることなくバイオリアクタのｐＨを保持し得る。
【００５５】
本発明の一の態様において、複数のＡＸ−ＲＥＥＤスタックおよびＣＸ−ＲＥＥＤスタックの組み合わせであって、電場の方向を任意の第１および第２のＡＸ−ＲＥＥＤまたはＣＸ−ＲＥＥＤのいずれかで非同期的に逆転させる、本発明の方法が実施される組み合わせが使用される。ＡＸ−ＲＥＥＤおよびＣＸ−ＲＥＥＤの組み合わせの使用は、本出願人の「液体組成物のｐＨおよび標的イオンレベルの制御方法」と題する同日に出願された係属中の特許出願においてより詳細に説明されており、この特許出願は引用により本明細書に組み込まれる。前記配置は、ｐＨおよび標的イオンのレベルの最適な制御を可能にする。
【００５６】
本発明は、以下の限定的でない特定の実施例において、さらに詳細に説明される。
【実施例】
【００５７】
実施例１
向上したｐＨ安定性のための、非同時性の電流逆転間隔を有する複数のスタック
乳酸菌（ＬＡＢ）発酵を、ＡＸーＲＥＥＤシステムにチューブを介して接続されたバイオリアクタにおいて実施した。発酵培養液（または発酵ブロス）を連続的に、バイオリアクタとＡＸ−ＲＥＥＤとの間で循環させた。ＡＸ−ＲＥＥＤを、乳酸イオン（バイオリアクタで生成される乳酸から得られる乳酸イオン）を水酸化物イオンで置換することによる、バイオリアクタのｐＨプロセスパラメータの制御のために用い、ＡＸ−ＲＥＥＤはｐＨを最適な成長条件；ｐＨ６．０近くに維持した。イオン交換は次に、ＰＩＤ制御ユニットによって調節され、ＰＩＤ制御ユニットはＲＥＥＤ電極間でＤＣ電流の出力を調節し、乳酸の増加する生成速度に適合させた。乳酸の生成速度は試験の間増加し、同時にＬＡＢ培養物の数も増えた。
【００５８】
第１のトライアルにおいて、７リットルの生培養液を有する供給回分ＬＡＢ発酵を、ＡＸ−ＲＥＥＤシステムにおける単一の膜スタック（ＲＥＥＤ用に改変されたＥＵＲ６、Eurodia SA, France）に接続した。スタックは、７つのセルの組を保持し、各セルの組は、アニオン交換膜（Neosepta AXE-01、株式会社トクヤマ、日本）によって分離された、発酵培養液のための区画（シートフロースペーサ、Eurodia）およびアルカリ性透析液のための区画（シートフロースペーサ、Eurodia）を構成した。全体のスタックについて、合計０．３９２ｍ２（１リットルの培養液につき５６０ｃｍ２）の活性な膜の面積（または動作膜面積）を得るために、各セルの組は、５６０ｃｍ２の活性な膜の面積を有していた。
０．５ＭのＮａＯＨ溶液を、透析液溶液として用いた。
電流逆転間隔は１６分に設定した。このことは、各電極の極性が１６分ごとに変化したことを意味している。
ＬＡＢ培養物の初期の成長期間の後、ＲＥＥＤシステムが作動させられ、バイオリアクタのｐＨの制御を引き継いだ。ｐＨは、撹拌されたバイリアクター内部でｐＨプローブによって測定した。電流逆転が起こるときはいつでも、ＲＥＥＤスタックがイオン交換プロセスを再構築する短い時間が後に続き、この時間の間に、ＲＥＥＤシステムが再びプロセスパラメータの制御を示し、バイオリアクタのｐＨをその最適な値に調節するまで、バイオリアクタ内のｐＨが低下した。この試験における３０分間のバイオリアクタのｐＨの変化を図１に示す（単一のスタック）。
【００５９】
第２のトライアルにおいて、２００リットルの生培養液を有する供給回分ＬＡＢ発酵を、ＡＸ−ＲＥＥＤシステムにおける４つの並列の膜スタックに接続した。スタックは、先のトライアルで用いたものと同じタイプのものであり（ＲＥＥＤ用に改変されたＥＵＲ６、Eurodia SA, France）、各スタックが５０個のセルの組を有していたことを除いては、同じ配置を有していた。ＡＸ−ＲＥＥＤシステムは、合計１１．２ｍ２の活性な膜の面積（培養液１リットルあたり５６０ｃｍ２）を保持していた。
【００６０】
各スタックについて電流逆転を４００秒に設定したことを除いては、トライアルを同じ一般的な実験条件で実施した。電流逆転はさらに、制御されるプロセスパラメータ、即ちバイオリアクタのｐＨへの影響を減少させるために、等しい長さの規則的な分散間隔１００秒にて、非同時的に分散させた。
【００６１】
両方のトライアルを、発酵培養液の体積あたりの相対的な膜面積、酪酸生成、分離容量等に関して、同様の条件下にて実施し、プロセスパラメータであるバイオリアクタｐＨの変化を図１において比較した。
【００６２】
図１は、ＲＥＥＤに関するプロセスパラメータ制御における典型的な変動であって、電流逆転に関連して生じる変動を示している。分散した非同時性の電流逆転間隔でもって操作された複数のスタックを備えた類似の配置と比較して、単一のスタックを用いたトライアルに関して、変動は、設定ポイントからより著しくずれた。単一のスタックに関して、他の作用は、電流逆転の遷移が終わって、ｐＨをその設定ポイントに戻すようにプロセスパラメータの制御が見直されるまで、ｐＨの変動を安定化するのに役立たない。複数のスタックに関して、作動スタックは直ちに、電流逆転の状態になる一つのスタックの影響に応答して、一つのスタックが回復している間、それらの作用を増加させる。複数のスタックは有意により高い頻度のプロセスパラメータの変動を与えるが、ずれは有意により小さく、それは好ましく、特に微生物プロセス液体または連続プロセス溶液を用いて作動させる場合に好ましい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体組成物のプロセスパラメータの制御の方法であって、前記液体を第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックに通過させる少なくとも１つの工程を含み、各スタックが、
ｉ）その間に第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）前記膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有し、
前記第１膜スタック内で電場の方向を反転させることを、前記第２膜スタック内で電場を反転させることに対して、非同時的な時間間隔をもって行う、
方法。
【請求項２】
前記プロセスパラメータが、前記液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度、および／または導電率から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記液体組成物を、少なくとも１つの別のＲＥＥＤ膜スタックに通過させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＲＥＥＤ膜スタックが、アニオン交換逆電気強化透析（ＡＸ−ＲＥＥＤ）膜スタックである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ＲＥＥＤ膜スタックが、カチオン交換逆電気強化透析（ＣＸ−ＲＥＥＤ）膜スタックである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ＲＥＥＤ膜スタックを並列に操作する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ＲＥＥＤ膜スタックを直列に操作する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
電場の方向を、任意の第１膜スタック内で、任意の第２以上の膜スタックに関する逆転に対して、実質的に規則的な分散間隔で逆転させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
電場の方向を、任意の第１膜スタック内で、任意の第２以上の膜スタックに関する逆転に対して、実質的に等しい長さの分散間隔で逆転させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
かけられる電場の強さを、前記液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度、および／または導電率に応じて調節する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２液体の濃度および／または流量を、かけられる電場の強さに対して調節する工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記液体組成物が、固定化された若しくは懸濁した微生物培養物を含有する発酵混合物であり、または酵素含有混合物である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記微生物培養物が、バクテリア、酵母、菌類もしくは哺乳類細胞の増殖培養物または休止培養物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
液体組成物のプロセスパラメータ制御のためのシステムであり、当該システムは少なくとも第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックを含み、各スタックが：
ｉ）それらの間で第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）いずれか１つの膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有する、システム。
【請求項１５】
液体組成物のプロセスパラメータ制御のための請求項１４に記載のシステムの使用。
【請求項１】
液体組成物のプロセスパラメータの制御の方法であって、前記液体を第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックに通過させる少なくとも１つの工程を含み、各スタックが、
ｉ）その間に第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）前記膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有し、
前記第１膜スタック内で電場の方向を反転させることを、前記第２膜スタック内で電場を反転させることに対して、非同時的な時間間隔をもって行う、
方法。
【請求項２】
前記プロセスパラメータが、前記液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度、および／または導電率から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記液体組成物を、少なくとも１つの別のＲＥＥＤ膜スタックに通過させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＲＥＥＤ膜スタックが、アニオン交換逆電気強化透析（ＡＸ−ＲＥＥＤ）膜スタックである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ＲＥＥＤ膜スタックが、カチオン交換逆電気強化透析（ＣＸ−ＲＥＥＤ）膜スタックである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ＲＥＥＤ膜スタックを並列に操作する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ＲＥＥＤ膜スタックを直列に操作する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
電場の方向を、任意の第１膜スタック内で、任意の第２以上の膜スタックに関する逆転に対して、実質的に規則的な分散間隔で逆転させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
電場の方向を、任意の第１膜スタック内で、任意の第２以上の膜スタックに関する逆転に対して、実質的に等しい長さの分散間隔で逆転させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
かけられる電場の強さを、前記液体組成物のｐＨ、標的イオンの濃度、および／または導電率に応じて調節する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２液体の濃度および／または流量を、かけられる電場の強さに対して調節する工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記液体組成物が、固定化された若しくは懸濁した微生物培養物を含有する発酵混合物であり、または酵素含有混合物である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記微生物培養物が、バクテリア、酵母、菌類もしくは哺乳類細胞の増殖培養物または休止培養物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
液体組成物のプロセスパラメータ制御のためのシステムであり、当該システムは少なくとも第１逆電気強化透析（ＲＥＥＤ）膜スタックおよび第２ＲＥＥＤ膜スタックを含み、各スタックが：
ｉ）それらの間で第１液体のための第１チャンバーを規定する、少なくとも２つのイオン交換膜；
ii）第２液体のための少なくとも２つの別のチャンバーであって、当該別の各チャンバーは、少なくとも１つの第１チャンバーに近接して配置される、チャンバー；
iii）１組の端部膜；
iv）各膜スタックに、少なくとも２つの電極によって電場をかける手段；
ｖ）いずれか１つの膜スタック内で電場の方向を逆転させる手段
を有する、システム。
【請求項１５】
液体組成物のプロセスパラメータ制御のための請求項１４に記載のシステムの使用。
【図１】
【公表番号】特表２０１２−５０１６３２（Ｐ２０１２−５０１６３２Ａ）
【公表日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２５４６６（Ｐ２０１１−５２５４６６）
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／００６４３８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２５９３３
【国際公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（５０３２１４２４３）ユラク セパレーション アクティーゼルスカブ (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／００６４３８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２５９３３
【国際公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（５０３２１４２４３）ユラク セパレーション アクティーゼルスカブ (2)
【Ｆターム（参考）】
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