SDGsの取り組みにおけるバイオリアクターの基礎と設計・スケールアップ

持続可能な目標 (SDGs) の取り組みにおいて、バイオリアクターの最適な設計・スケールアップが要求されます。グリーンで省エネルギーなバイオリアクターは設計の強化により達成されます。そのためには、バイオリアクターの中で起こっている現象を正確に定量化する必要があります。その基礎となるバイオリアクターの基礎を、具体例を使って分かり易く解説致します。

1. バイオリアクターの基礎
   1. バイオリアクターの種類
   2. バイオリアクターの実例
   3. バイオリアクターの設計とスケールアップの考え方
      1. 撹拌槽型バイオリアクターの設計とスケールアップの戦略
      2. 気泡塔型バイオリアクターの設計とスケールアップの戦略
2. 微生物の反応速度の基礎
   1. 酵素反応の反応速度
      • ミハエリス・メンテン式
   2. 微生物反応の反応速度
      • モノー式
      • ダブリングタイム
   3. 阻害反応
      • 基質阻害など
   4. 酸素消費速度
      • 呼吸速度
   5. 固定化酵素、固定化微生物の反応速度
      • 拡散と反応
      • 有効係数
   6. 反応温度の影響
   7. 発酵熱 (反応熱) の計算
   8. 反応速度定数の決定法
3. バイオリアクターの操作
   1. 回分操作:培養時間とバイオリアクター容積の計算
   2. 反復回分操作
   3. 流加培養 (半回分操作)
      • 定速流加培養バイオリアクター容積の計算
   4. 連続操作
      • ケモスタット
      • タービドスタット
      • ウォッシュアウト
        • バイオリアクター容積の計算
        • ウォシュアウト
4. バイオリアクターの設計
   1. 設計のスペック
      • バイオリアクターの物質収支と熱収支
   2. バイオリアクターの混合状態と収率
      • 完全混合
      • ピストン流
      • 実際の混合状態
      • バイパス
      • デッドスペース
   3. 撹拌槽型バイオリアクターの設計計算
      1. 撹拌槽型バイオリアクターの設計
         • 撹拌翼の選定
      2. ガス吹き込み
         • 酸素供給速度
         • 完全気体分散状態とフラッディング
      3. 発酵熱を除去するための伝熱面積の計算
      4. 設計計算例
         • 撹拌槽の大きさ
         • 撹拌速度
         • 酸素吹き込み速度
   4. 気泡塔型バイオリアクターの設計計算
      1. 気泡塔バイオリアクターの設計
         • ガス吹き込み速度の計算
      2. エアリフトバイオリアクターの設計
         • エアリフトの構造
         • ガス吹き込み速度の計算
   5. 固定化酵素・微生物バイオリアクターの設計計算
   6. 膜バイオリアクター (MBR) の設計計算
5. バイオリアクターのスケールアップ
   1. 撹拌槽型バイオリアクターのスケールアップ例
      1. スケールアップのパラメーター
         • 撹拌所要動力
         • 混合時間
         • 気体分散
         • 剪断損傷
      2. 幾何学的相似と流動解析
   2. 気泡塔型バイオリアクターのスケールアップ例
      1. スケールアップのパラメーター
         • ガス吹き込み速度
         • 混合時間
         • 気体分散
      2. 幾何学的相似と流動解析
      3. エアリフトバイオリアクターのスケールアップ
6. まとめ:バイオリアクターで技術力を誇る
   1. バイオリアクターの設計とスケールアップに失敗しない戦略
   2. バイオリアクターのトラブルを解決する戦略
7. 質疑応答