微生物発酵の運転方式とは？回分・流加（フェドバッチ）・連続の使い分け

運転方式は大きく、回分（バッチ）・流加（フェドバッチ）・連続（ケモスタット）・灌流（パーフュージョン培養液を連続的に入れ替えながら細胞を高密度に保ち、長期間生産を続ける培養方式です。細胞を装置で保持し、老廃物を除きつつ栄養を補給します。詳しく →）の四つに整理できます。違いの本質は、基質（炭素源微生物発酵でエネルギー源となる糖類などの炭素源と、目的遺伝子の発現を促す誘導物質のことです。詳しく →などの栄養）をどのタイミングで、どれだけの速さで供給し、培養液をどう出し入れするか、という一点にあります。そしてこの供給の仕方こそが、菌の増殖速度、酸素の消費、副産物の生成を決めていきます。

つまり運転方式を選ぶことは、時間軸に沿って基質供給をどう設計するかを選ぶことにほかなりません。工業的な微生物発酵大腸菌などの微生物を培養槽で増やし、目的タンパク質などを作らせて回収する製造工程です。詳しく →で流加が主流になっているのにも、汚染や遺伝的安定性が連続培養の課題として繰り返し語られるのにも、この供給設計の視点から見ると理由がはっきり見えてきます。本稿では四つの方式を、基質供給と菌体密度・生産性の関係を軸に整理します。

四つの運転方式：基質の出し入れで分ける

運転方式の違いは、発酵槽に対して「基質を足すか」「培養液を抜くか」の組み合わせで整理すると分かりやすくなります。

回分は栄養を最初に全部入れて回収まで手を加えない方式、流加は途中から基質を足していく方式、連続は入れながら同じ速さで抜く方式、灌流は連続方式に「細胞を槽内に残す」仕組みを加えた方式です。それぞれ基質の供給パターンが違うため、菌が置かれる栄養環境も、到達できる密度も変わってきます。発酵槽そのものの構成は微生物発酵の製造解説で扱っています。

回分培養（バッチ）：シンプルさとその限界

回分培養は、培地細胞を体外で生存・増殖させるために必要な栄養・エネルギー源・成長因子などを含む液体または固体の環境基盤。に必要な栄養をすべて仕込み、種菌を植えたあとは基本的に栄養を追加せず、培養が終わったら全量を回収する方式です。最も古典的で、操作がシンプルなのが利点です。

菌は植菌後、誘導期を経て対数増殖期に入り、やがて基質の枯渇や副産物の蓄積で定常期に達します。栄養を継ぎ足さないため、増殖に伴って基質は減り続け、環境は刻々と変わります。汚染のリスクは、外部から連続的に何かを加えない分だけ相対的に低く、運転管理も比較的容易です。

一方で、回分には到達菌体密度と生産性の面で明確な限界があります。最大の問題は、増殖に必要な基質を最初にすべて入れておかなければならない点です。炭素源を高濃度で仕込むと、菌はそれを一気に取り込み、呼吸鎖の処理能力を超えた炭素がオーバーフロー代謝グルコースが潤沢なとき解糖が過剰になり、余った分を乳酸として排出する余剰代謝。に流れます。大腸菌なら酢酸、酵母ならエタノールが溜まり、これらがかえって増殖と発現を阻害します（オーバーフロー代謝と酢酸）。基質を増やして密度を稼ごうとすると副産物で頭打ちになる——このジレンマが回分の本質的な限界です。

流加培養（フェドバッチ）：なぜ工業発酵の主流なのか

流加培養培養の途中で栄養（フィード）を追加しながら細胞を高密度まで育てる培養方式。（フェドバッチ）は、低めの基質で培養を始め、増殖の進み具合に合わせて基質を少しずつ供給していく方式です。工業的な微生物発酵の大半がこの方式を採るのには、はっきりした理由があります。

鍵は、基質を律速にして与えることで、菌の比増殖速度 μ を制御できる点にあります。回分では避けられなかった「初期の基質過剰」を、流加なら回避できます。菌が処理できる速さに合わせて炭素源を供給すれば、呼吸鎖の容量を超えず、オーバーフロー代謝に傾きにくくなります。結果として酢酸やエタノールの蓄積を抑えながら、回分では届かない高い菌体密度まで増やせます。高菌体密度発酵菌体を高い密度まで増やして体積生産性を高める発酵。大腸菌の強み。（HCDF菌体を高い密度まで増やして体積生産性を高める発酵。大腸菌の強み。）が流加を前提にするのはこのためです。

供給の具体的な制御には、目標 μ に合わせて供給量を指数関数的に増やす指数供給、溶存酸素培養液に溶けている酸素の濃度。細胞の呼吸を支えるため一定に保つ制御対象。の跳ね上がりを検出する DO-stat、pH 変化を利用する pH-stat などがあります。いずれも狙いは共通で、μ を酸素供給と副産物生成が破綻しない安全域に保つことです。この供給戦略の詳細は発酵培地とフィード設計で整理しています。

流加のもう一つの利点は、増殖と生産を時間的に分けられることです。まず基質を供給して菌体を十分に増やし、目標密度に達してから発現を誘導する、といった二段構えが組めます。増やすフェーズと作らせるフェーズを別々に最適化できるため、生産性を引き上げやすいのです。基質を足していくぶん培養体積は増えますが、槽容量に余裕をもたせておけば問題になりません。

連続培養（ケモスタット）：定常状態の魅力と課題

連続培養は、新鮮な培地を一定速度で供給しながら、同じ速度で培養液を抜き取り、槽内の体積を一定に保つ方式です。代表的なのがケモスタットで、供給する培地中の特定の栄養（炭素源など）を律速にして増殖速度を制御します。

ケモスタットの特徴は、定常状態を作れることです。単位時間あたりに入れ替わる培養液の割合を希釈率 D（＝供給流量／槽体積）と呼び、定常状態では菌の比増殖速度細胞集団が増える速さの指標。高浸透圧で大きく低下し、比生産性とトレードオフになる。 μ が希釈率 D と釣り合います。つまり供給速度を変えるだけで、菌を望みの μ に保ち続けられます。増殖速度・基質濃度・菌体密度が時間的に一定になるため、生理状態をそろえた研究や、一定品質の産物を長時間作り続ける用途に向きます。ただし希釈率を菌の最大比増殖速度 μmax より上げると、菌が増える前に抜き出されてしまい、培養が流し出される「ウォッシュアウト」に陥ります。

魅力がある一方で、連続培養には工業応用を難しくする二つの課題があります。一つは汚染です。長期間にわたって培地を供給し続ける以上、無菌性を保ち続けなければならず、雑菌が一度入れば増殖して系を占拠します。運転が長引くほど汚染の機会は増えます。もう一つが遺伝的安定性です。長時間の連続培養では世代数が積み重なり、変異が蓄積します。組換えタンパク質遺伝子組換えで微生物や細胞に作らせた目的タンパク質。宿主により折りたたみやコスト、糖鎖が異なる。の生産はしばしば菌にとって代謝的な負担になるため、生産をやめた変異株やプラスミド大腸菌の中で複製・増幅させる環状DNA。核酸医薬やベクター製造の伝統的な出発材料。を失った株のほうが速く増え、選択の結果として集団を占拠していきます。長く回すほど、生産性の高い株が生産性の低い株に置き換わっていくわけです。

灌流培養（パーフュージョン）：細胞を残して高密度を保つ

灌流培養（パーフュージョン）は、連続的に新鮮培地を供給しながら使用済みの上清を抜き取る点は連続培養と同じですが、フィルターや膜などの細胞保持装置灌流培養で使用済みの培地を入れ替えつつ、細胞は培養槽に残すための装置です。中空糸膜などで細胞と液をより分けます。詳しく →を使って、菌体は槽内に残す方式です。

細胞を抜き出さずに培地だけ入れ替えられるため、菌が槽内にとどまる時間（滞留時間抗体が標的に結合し続ける時間。解離の遅さ（小さいkd）で長くなり、効き続けやすさに関わる。）と、培養液が入れ替わる時間を切り離せます。これにより、阻害性の副産物を洗い流しながら細胞を溜め込み、通常の連続培養より高い密度を維持できます。もともと灌流は、増殖が遅くせん断に弱い動物細胞培養で発達した考え方ですが、細胞保持によって高密度を狙うという発想自体は微生物発酵にも通じます。ただし装置が複雑になり、細胞保持装置の目詰まり微粒子や凝集体、タンパク層が膜の孔を塞いでろ過が落ちる現象。プレフィルターでの前段保護が効く。や、長期運転に伴う汚染・遺伝的安定性といった連続系に共通の課題も抱えます。

方式選択の判断軸

どの運転方式を選ぶかは、作りたいものと運転の制約から逆算します。判断軸を整理すると次のようになります。

実際の原薬製造では、回分または流加が基本線になります。ロット単位で管理でき、汚染や遺伝的安定性の面でも扱いやすいためです。とりわけ流加は、高密度と高生産を両立しつつロット管理にもなじむため、微生物発酵の標準的な選択肢になっています。連続や灌流は、定常状態や超高密度という明確な利点がある一方、汚染と遺伝的安定性、そして連続製造としての管理体系という課題を伴います。スケールアップ小型培養で確立した条件を、より大きなバイオリアクターへ拡大する取り組みです。酸素供給の指標kLaなどを揃え、性能を再現します。詳しく →まで見据えた酸素供給や発熱の制約は微生物発酵のスケールアップ、宿主側の作り込みは宿主・発現系の選び方で扱っています。

まとめ

微生物発酵の運転方式は、回分・流加・連続・灌流の四つに整理でき、違いの本質は基質をいつ・どれだけ供給し、培養液をどう出し入れするかにあります。回分はシンプルですが初期一括供給ゆえにオーバーフロー代謝で頭打ちになり、流加は基質を律速供給して μ を制御することでこの限界を越え、高密度・高生産と時間軸に沿った最適化を可能にします。だからこそ工業発酵では流加が主流です。連続（ケモスタット）は定常状態という魅力を持ちながら、汚染と遺伝的安定性が工業応用の壁になり、灌流は細胞保持で高密度を狙える一方で装置と運転が複雑になります。方式選択は、求める密度・品質・無菌性・遺伝的安定性・規制対応の兼ね合いで決まり、数値や臨界条件は菌株・装置・目的物に強く依存するため、自社の系での実測を前提に判断することをおすすめします。

参考文献

教科書

• Stanbury PF, Whitaker A, Hall SJ. Principles of Fermentation Technology. Butterworth-Heinemann.
• Doran PM. Bioprocess Engineering Principles. Academic Press.
• Shuler ML, Kargi F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts. Prentice Hall.

主な文献

• Novick A, Szilard L. Description of the chemostat. Science. 1950;112(2920):715-716.
• Lee SY. High cell-density culture of Escherichia coli. Trends Biotechnol. 1996;14(3):98-105. PMID: 8867291. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8867291/