協和発酵バイオで未開拓の分野を切り開いていくのが私のグループのミッションです。目的の化合物を大量に生産にするために、まずは特許や文献情報を参考に適切な代謝経路を設計し、菌株や酵素活性を選択して育種戦略を立てることから始めます。その際、必要があれば協和発酵工業時代からのストックや新規で探索してきた菌株を用いてスクリーニングしたりもします。その後、遺伝子組換えや変異導入操作をすることで、目的の化合物を大量に生産する菌株を造りあげます。この後小スケールで培養を行い、条件検討を行った結果、目的の生産性や再現性を達成できた案件がバイオプロセス技術研究所で検討されることになります。

菌株の造成段階での培養評価は通常、試験管・フラスコ・ジャーファーメンターと呼ばれる培養装置を用いて行います。この段階では大きくても数Lスケールですが、私の仕事は育種・培養関連の基礎研究の担当者よりバトンを受け取り、その数十倍～数百倍ものスケールの発酵槽を用いて微生物培養を行うことです。培養スケールの違いによって撹拌速度や通気量など様々な違いがあり、ラボでの培養と全く同じ条件で培養を行っても同じ結果が出ないことが多いですが、分子生物学・化学工学の知識を駆使しながらラボから製造現場への製造プロセス導入の橋渡しを行っています。

小～大スケールでの培養で、目的化合物の高い生産性が再現できた後は培養液から目的の結晶を取り出すための精製工程に移ります。その精製工程の初段階が菌体分離です。以前は遠心分離とけい藻土ろ過を合わせて菌体を分離していましたが、現在では表面に微生物が通れないほどの微小の穴が空いている無機膜ろ過装置を用いての分離に移行してきています。このろ過装置の導入によって省力化ができ、廃棄物も大きく減少しました。ただし、品目により物性が異なるため、同じ装置で複数の品目の菌体分離を行う際にそれぞれに適した前処理条件を検討しなければならないという難しい工程でもあります。

培養液には菌体分離後も製品となる目的の化合物以外に、副産物や培養原料などの不純物がまだ多く含まれています。この工程では、樹脂への吸着によって不純物を除去し、培養液中の製品の純度を高めることが目的です。私は数種類のイオン交換樹脂を用いた精製研究を行っています。製品を工業生産する際には樹脂の性能とコストの両面が重要になりますので、その点に留意しつつラボスケールで樹脂の種類や培養液を通す樹脂の順番を検討します。数多くの樹脂から最適のものを選び、効率良く不純物除去を行えるプロセスを組み立てるためには、目的の化合物や不純物の特性を理解していることが大前提です。

イオン交換樹脂による吸着により不純物が除去された培養液は、脱色や濃縮工程を経た後、晶析工程で培養液中の化合物の溶解度を下げることによって目的の化合物を結晶として析出させます。この工程でも菌体分離やイオン交換の工程と同様に目的の化合物の特性に合わせて晶析方法や条件を検討します。求められる生産性やスピードを達成するだけでなく、晶析工程後の結晶分離工程の生産性も考慮した晶析条件を検討しています。次工程では結晶の状態によって分離性が変化しますが、その状態は品目によって異なります。品目ごとに最適な大きさや形の結晶を析出させるために、温度やpH、溶媒の種類や添加速度など様々な条件を組み合わせて検討を行っています。

これまでの工程の後、乾燥を経て製品は生産されますが、製品以外の不純物などを含んだ廃液を処理しなければなりません。各国には有機物・窒素・リンなどの排出に関する規制値が定められており、企業としてこの規制を守ることは必須です。増産などにより環境負荷の増加が見込まれる際は、ラボで排出される廃液の分析から始まり、徐々にスケールアップしながら試験を繰り返し、効率的な処理を目指します。廃液の処理能力を大きく超えそうな場合は、新たな廃液処理設備を検討・導入することもあります。どの工程からどのような廃液がどれだけ排出されるのかを知っておく必要があるため、全プロセスについて幅広く理解しておかなければできない仕事です。