JP2007082438A

JP2007082438A - 微生物による有価物生産方法および有価物生産装置

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Publication number: JP2007082438A
Application number: JP2005273262A
Authority: JP
Inventors: Akiko Miya; 晶子宮; Osamu Futamura; 修二村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産する技術を提供する。
【解決手段】有価物生産装置１００には、供給気体１０１の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得るガス濃度・流量センサ１０９ａが設けられている。また、培養槽１０３内の培養液中から排出される排出気体１０６の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得るガス濃度・流量センサ１０９ｂが設けられている。さらに、基質供給量および基質排出量から求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養槽１０３内の培養液中への供給気体１０１の流量を調整するコントローラ１１０および流量調整バルブ１１１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、微生物による有価物生産方法および有価物生産装置に関する。

微生物を用いた有価物生産は、通常、水を媒体として、微生物の増殖あるいは生存に必要な栄養塩類等を溶解させた水溶液（培養液）中に微生物細胞を保持させた反応槽の中で、微生物に原料（基質）から生産物への物質変換を行わせるものである。基質の水に対する溶解度が高い場合は、微生物の物質変換速度そのものが反応律速となるが、基質の水に対する溶解度が低い場合は、基質の溶解速度が反応律速となる。

気体状物質を基質として、微生物を用いて有価物を生産する技術としては、空気中の二酸化炭素（ＣＯ₂）を利用して光合成を行う微細藻類を生産し、微細藻類の細胞そのものを水産生物の餌料として利用したり、あるいは微細藻類の生産するカロテノイドなどのような色素やドコサヘキサエン酸（ＤＨＡ）などのような不飽和脂肪酸を抽出して利用したりすることが古くから行われてきた。また、嫌気性の酢酸生産菌を利用して、ＣＯ₂を基質として酢酸を生産させる技術も開発されている。

一方、水素（Ｈ₂）やＣＯ₂から酢酸を生産する嫌気性細菌は１９７０年代後半から報告されており、１９８０年代初期には一酸化炭素（ＣＯ）から酢酸を生産する細菌が報告されている。しかしながら、Ｈ₂やＣＯは水に対する溶解度がＣＯ₂に比べて極めて低いため、Ｈ₂やＣＯから酢酸を生産する技術は実用化が見込める段階に至っていない。

この実用化の課題に対して、特許文献１では、一酸化炭素や水素などの水への溶解度が低い気体状物質を基質として、微生物による有価物生産効率を向上するために、例えば発酵槽内に設置した撹拌羽根の回転数を８００ｒｐｍ以上に上げて気体の溶解を促進する方法や、加圧型発酵槽を利用する方法などが提唱されている。しかし、撹拌羽根の回転数を大きくすると、剪断力により微生物細胞が破壊されやすい。一方、加圧型発酵槽は耐圧構造のため発酵槽のイニシャルコストが高くなりやすく、また高圧容器にあたるため法律上の資格を持った作業主任者の設置や法定点検等が必要である。

また、気体を液体に溶解する技術の一つとして、気体と液体の接触面積を大きくできる微小気泡として気体を供給する方法がある。しかし、微生物の培養への微小気泡の応用技術に関しては、好気性微生物が有機物を分解してエネルギーを得るための最終電子受容物質としての酸素供給に関する研究がもっぱら行われており、一酸化炭素や水素などの基質としての気体供給に関する報告例はみあたらない。

なお、好気性微生物にとっての酸素は、不足すると増殖が阻害されるのに対し、過剰量供給される場合については特に支障がない。そのため、非特許文献１では、酸素供給技術に関しては効率化すなわち消費エネルギー（コスト）削減という実用面から評価されている。これに対し、一酸化炭素や水素などの基質として利用する気体の供給技術においては、基質阻害という課題も解決しなければならないが、微小気泡の応用技術に関して基質阻害の観点からの報告例はみあたらない。

Ｈ₂やＣＯ₂あるいはＣＯから酢酸を生産する嫌気性細菌のなかには、酢酸と同時に微量のエタノールを生産するものがあることが知られていたが、近年、非特許文献２、３、４に示すように、培養条件によってはエタノールを多量に生産することができる細菌が報告されている。しかし、エタノールの生産においては、特許文献１、非特許文献５に示すように、基質、特にＨ₂による増殖阻害あるいはエタノール生産阻害が著しいことが報告されている。そのため、基質供給速度が高すぎても、菌体の増殖速度の低下あるいはエタノール生産活性の低下が起こりやすく、一旦増殖速度あるいは活性が低下した菌体の回復は極めて困難であるという課題があった。

特表２００４−５０４０５８号公報 R.M. Worden, et al.; Engineering issues in synthesis-gas fermentations, ACS Symp. Ser. (Am. Chem. Soc.), No.666, 320-335, 1997 J. l. Vega, et al.; The biological production of ethanol from synthesis gas, Appl. Biochem. & Biothecnol., 20/21, 781-797, 1989 J. Abrini, et al.; Clostridium autoethanogenum, sp. Nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol carbon monoxide, Arch. Microbiol, 161, 345-351, 1994 S.Rajagopalan, et al.; Formation of ethanol from carbon monoxide via a new microbial catalyst, Biomass & Bioenergy, 23, 487-493, 2002 R.P. Datar, et al.; Fermentation of biomass-generated producer gas to ethanol, Biotechnol. & Bioeng., 86, 587-594, 2004

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産する技術を提供することを目的とする。

本発明によれば、培養槽内の培養液中の微生物により気体状の基質から有価物を生産する方法であって、基質を含む供給気体を微細気泡として培養液中に供給する工程と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る工程と、培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る工程と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養液中への供給気体の流量を調整する工程と、を含むことを特徴とする有価物生産方法が提供される。

この方法によれば、培養液中へ基質を含む供給気体が微細気泡として供給されるため、培養液中への基質の溶解速度が向上する。また、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量を、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、供給気体に含まれる基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。

本発明によれば、微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、培養槽に付属して設けられており、気体を微細気泡化する微細気泡発生部と、微細気泡発生部に基質を含む供給気体を供給する気体供給部と、培養槽内から気体を排出する気体排出部と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養液中への供給気体の流量を調整する供給量調整部と、を備えることを特徴とする有価物生産装置が提供される。

この構成によれば、培養液中へ基質を含む供給気体が微細気泡として供給されるため、培養液中への基質の溶解速度が向上する。また、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量が、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、供給気体に含まれる基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。

本発明によれば、微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、培養槽外に設けられており、気体を培養液中に供給させる気体供給槽と、気体供給槽に付属して設けられており、気体を微細気泡化する微細気泡発生部と、微細気泡発生部に基質を含む供給気体を供給する気体供給部と、培養槽内から気体を排出する気体排出部と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養液中への供給気体の流量を調整する供給量調整部と、を備えることを特徴とする有価物生産装が提供される。

本発明によれば、微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、培養槽外に設けられており、気体を培養液中に供給させる気体供給槽と、気体供給槽に付属して設けられており、気体を微細気泡化する微細気泡発生部と、気体供給槽内の培養液および培養槽内の培養液を互いに循環させる培養液循環部と、微細気泡発生部に基質を含む供給気体を供給する気体供給部と、培養槽内から気体を排出する気体排出部と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、培養槽内の培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養槽内から気体供給槽内への前記培養液の流量を調整する供給量調整部と、を備えることを特徴とする有価物生産装置が提供される。

本発明によれば、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。

本発明において、供給気体を培養液中に供給する工程は、培養槽の外部に設けられている気体供給槽内で、供給気体を微細気泡として気体供給槽内の培養液中に供給する工程を含んでもよい。

この方法によれば、培養槽の外部に設けられている気体供給槽内で供給気体を微細気泡として培養液中に供給するので、培養槽の内部構造などにかかわらず、容易に培養液中に微細気泡として供給気体を供給することができる。

本発明において、供給気体を培養液中に供給する工程は、気体供給槽内の培養液および培養槽内の培養液を互いに循環させ、供給気体を培養槽内の培養液中に供給する工程を含んでもよい。

この方法によれば、気体供給槽内で供給気体を供給された培養液と培養槽内の培養液とを循環させることができるので、培養槽の内部構造などにかかわらず、容易に培養液中に供給気体を供給することができる。

本発明において、供給気体の単位時間あたりの供給量を調整する工程は、培養槽内から気体供給槽内への培養液の供給量を調整する工程を含んでもよい。

この方法によれば、培養槽内から気体供給槽内への培養液の供給量を調整することにより、培養槽内の培養液への供給気体の単位時間あたりの供給量を容易に調整することができる。

本発明において、微細気泡の気泡径は１０μｍ以上７０μｍ以下であってもよい。

この方法によれば、培養液中へ基質を含む供給気体が適度な大きさの微細気泡として供給されるため、培養液中への基質の溶解速度が向上する。

本発明において、上記基質は、一酸化炭素および／または水素を含んでもよい。

この方法によれば、水への溶解速度の小さい一酸化炭素および／または水素を基質として用いる場合であっても、培養液中へ基質を含む供給気体が微細気泡として供給されるため、培養液中への基質の溶解速度が向上する。また、培養液中への一酸化炭素および／または水素の単位時間あたりの供給量を、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、一酸化炭素および／または水素の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、一酸化炭素および／または水素を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

＜第一の装置の構成＞
図１は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の一例を示すプロセスフローである。有価物生産装置１００は、微生物により気体状の基質（一酸化炭素および／または水素など）から有価物（酢酸またはエタノールなど）を生産する装置である。

有価物生産装置１００は、微生物を培養する培養液を入れる培養槽１０３を備える。培養槽１０３内には、図示されない撹拌機構が設けられている。また、培養槽１０３に付属して、供給気体を微細気泡化する微細気泡発生装置１０４が設けられている。なお、この有価物生産装置１００における培養槽１０３は、いわゆる発酵槽に相当する。

有価物生産装置１００は、微細気泡発生装置１０４に基質を含む供給気体１０１を供給する気体供給部（図中の基質を含む供給気体１０１を導入する配管として示される、気体を導入する機構）を備える。さらに、有価物生産装置１００は、培養槽１０３内から気体（排出気体１０６）を排出する気体排出部（図中の培養槽１０３の排出気体１０６を外部に導く配管として示される、気体を排出する機構）を備える。

有価物生産装置１００は、微細気泡発生装置１０４を介して培養槽１０３内に培養液１０２を導入する配管（培養液を導入する機構）と、培養槽１０３から排出液１０５を抜き出す配管（培養液を排出する機構）と、を備える。

有価物生産装置１００は、供給気体１０１の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部（ガス濃度・流量センサ１０９ａ）を備える。すなわち、このガス濃度・流量センサ１０９ａは、供給気体１０１中の基質の濃度にくわえて、供給気体１０１の流量を測定して供給流量測定値を得ることもできる。また、有価物生産装置１００は、培養槽１０３内の培養液中から排出される排出気体１０６の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部（ガス濃度・流量センサ１０９ｂ）を備える。すなわち、このガス濃度・流量センサ１０９ｂも、排出気体１０６中の基質の濃度にくわえて、排出気体１０６の流量を測定して供給流量測定値を得ることもできる。

有価物生産装置１００は、基質供給量および基質排出量から求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養槽１０３内の培養液中への供給気体１０１の流量を調整する供給量調整部（コントローラ１１０および流量調整バルブ１１１）を備える。

図１の有価物生産装置１００では、培養槽１０３に付属する微細気泡発生装置１０４から、培養槽１０３内の培養液中に微細気泡が供給される。そして、微細気泡を含む培養液が攪拌機構により攪拌されて、微細気泡が培養槽１０３内に拡散する。よって、この構成によれば、微細気泡を培養槽１０３内全体に均一に行き渡らせることができる。

また、一酸化炭素および／または水素などを含む供給気体１０１は、図中の配管で示される気体供給部を通って、微細気泡発生装置１０４に供給され、微細気泡化されて培養槽１０３内の培養液中に供給される。培養槽１０３内の培養液中に供給された気体は、培養槽１０３の上部から外部に排出気体１０６として排出される。

また、上記の配管は、バッチ発酵プロセスの場合には、バッチ発酵プロセス前に微細気泡発生装置１０４を介して培養槽１０３内に培養液１０２を供給し、バッチ発酵プロセス後に培養槽１０３内から排出液１０５を抜き出すのに用いる。一方、これらの配管は、連続発酵プロセスの場合には、連続的または間欠的に微細気泡発生装置１０４を介して培養槽１０３内に培養液１０２を供給し、培養槽１０３内から排出液１０５を抜き出すのに用いる。

さらに、供給気体１０１は、流量調整バルブ１１１の手前の配管中において、ガス濃度・流量センサ１０９ａにより一酸化炭素および／または水素などの濃度および流量を測定される。一方、培養槽１０３内の培養液中から排出される排出気体１０６は、培養槽１０３の上部の配管中でガス濃度・流量センサ１０９ｂにより一酸化炭素および／または水素などの濃度および流量を測定される。

このため、コントローラ１１０により流量調整バルブ１１１の開閉を調節することにより、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量を、微生物による酢酸またはエタノールなどの有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、供給気体１０１に含まれる一酸化炭素および／または水素などの基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、一酸化炭素および／または水素などの気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に酢酸またはエタノールなどの有価物を生産することができる。

＜第二の装置の構成＞
図２は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の別の一例を示すプロセスフローである。なお、有価物生産装置２００は、基本的には、有価物生産装置１００と同様の構成である。そのため、以下、有価物生産装置２００に特有の点を中心に説明する。

有価物生産装置２００は、微生物を培養する培養液を入れる発酵槽２０３を備える。発酵槽２０３内には、図示されない撹拌機構が設けられている。なお、この有価物生産装置２００の発酵槽２０３は、いわゆる培養槽に相当する。また、発酵槽２０３に付属して、供給気体を微細気泡化する微細気泡発生装置２０４および微細気泡化した供給気体を培養液中に溶解させる気体溶解装置２０７が設けられている。なお、微細気泡発生装置２０４は、微細気泡発生部に相当する。また、気体溶解装置２０７は、気体供給槽に相当する。

有価物生産装置２００は、微細気泡発生装置２０４に基質を含む供給気体２０１を供給する気体供給部（図中の基質を含む供給気体２０１を導入する配管として示される、気体を導入する機構）を備える。すなわち、気体供給部は、微細気泡発生部に前記基質を含む供給気体を供給する。

さらに、有価物生産装置２００は、発酵槽２０３内および気体溶解装置２０７内から気体（排出気体２０６ａ）を排出する気体排出部（図中の発酵槽２０３および気体溶解装置２０７の排出気体２０６ａを外部に導く配管として示される、気体を排出する機構）を備える。

また、有価物生産装置２００は、気体溶解装置２０７を介して発酵槽２０３内に培養液２０２を導入する配管（培養液を導入する機構）と、発酵槽２０３から排出液２０５を抜き出す配管（培養液を排出する機構）と、を備える。

図２の有価物生産装置２００では、微細気泡発生装置２０４から、気体溶解装置２０７内の培養液中に微細気泡が供給される。そして、気体溶解装置２０７内で微細気泡中の基質が培養液中に溶解する。続いて、基質が溶解した培養液は、発酵槽２０３内に移行し、発酵槽２０３内で攪拌機構により攪拌されて、溶解した基質が発酵槽２０３内に拡散する。よって、この構成によれば、基質を発酵槽２０３内全体に均一に行き渡らせることができる。

このため、一酸化炭素および／または水素などを含む供給気体２０１は、図中の配管で示される気体供給部を通って、微細気泡発生装置２０４に供給され、微細気泡化されて気体溶解装置２０７内の培養液中に供給される。気体溶解装置２０７内で培養液中に溶解しなかった気体の一部は、気体溶解装置２０７の上部から外部に排出気体２０６ｂとして排出される。なお、図２では、排出気体２０６ｂの基質濃度および流量は測定されていないが、より正確な基質消費量を求めるためには、排出気体２０６ｂの基質濃度および流量を測定してもよい。

一方、気体溶解装置２０７内で微細気泡内から培養液中に溶解した基質および微細気泡の一部は、発酵槽２０３内に供給される。発酵槽２０３内の培養液中に供給された基質は、発酵槽２０３の上部から外部に排出気体２０６ａとして排出される。

また、上記の配管は、バッチ発酵プロセスの場合には、バッチ発酵プロセス前に発酵槽２０３内に培養液２０２を供給し、バッチ発酵プロセス後に発酵槽２０３内から排出液２０５を抜き出すのに用いる。一方、これらの配管は、連続発酵プロセスの場合には、連続的または間欠的に発酵槽２０３内に培養液２０２を供給し、発酵槽２０３内から排出液２０５を抜き出すのに用いる。

また、有価物生産装置２００では、気体溶解装置２０７内で微細気泡中の基質が培養液中に溶解するため、培養液中への基質の溶解が促進される。また、不要な大きな気泡からなる気体が培養液中に混入して発酵槽２０３に供給されることを抑制できる。そのため、発酵槽２０３に供給される培養液中の基質の溶解濃度および気泡のサイズを、適切な範囲に調節することができる。

＜第三の装置の構成＞
図３は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の別の一例を示すプロセスフローである。なお、有価物生産装置３００は、基本的には、有価物生産装置２００と同様の構成である。そのため、以下、有価物生産装置３００に特有の点を中心に説明する。

有価物生産装置３００は、気体供給槽（気体溶解装置３０７）内の培養液および発酵槽３０３内の培養液を互いに循環させる培養液循環部（循環培養液３０８を通過させる配管として示される）を備える。すなわち、発酵槽３０３内の培養液の一部を気体溶解装置へ導入する配管を備えていてもよい。

このため、気体溶解装置３０７内の培養液および発酵槽３０３内の培養液の組成などが互いに均一化されるので、供給気体３０１の微細気泡を気体溶解装置３０７内で培養液中に供給しても、供給気体３０１に含まれる基質を培養槽３０３内の全体に均一に行き渡らせることができる。

＜第四の装置の構成＞
図４は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の別の一例を示すプロセスフローである。なお、有価物生産装置４００は、基本的には、有価物生産装置３００と同様の構成である。そのため、以下、有価物生産装置４００に特有の点を中心に説明する。

有価物生産装置４００は、２つの流量調節バルブ４１１ａ、４１１ｂを備える。２つのガス濃度・流量センサ４０９ａ、４０９ｂが測定する供給気体４０１および気体溶解装置４０７からの排出気体４０６ｂの基質濃度および流量に基づいて、コントローラ４１０が２つの流量調節バルブ４１１ａ、４１１ｂを制御する。流量調節バルブ４１１ａは、供給気体４０１を微細気泡発生装置４０４に供給するための配管に設けられている。

一方、流量調節バルブ４１１ｂは、発酵槽４０３内の培養液の一部を気体溶解装置４０７へ循環する配管に設けられている。すなわち、供給気体４０１および発酵槽４０３からの排出気体４０６ａ中の基質濃度によって制御された流量調節バルブ４１１ｂを備えた発酵槽４０３内の培養液の一部を気体溶解装置４０７へ導入する配管を有する装置である。

このため、コントローラ４１０により、供給気体４０１を微細気泡発生装置４０４に供給するための配管に設けられている流量調節バルブ４１１を開閉するので、供給気体４０１の微細気泡発生装置４０４への供給量を調整することができる。また、コントローラ４１０により、循環培養液４０８の流量を調節する流量調節バルブ４１１ｂを開閉するので、気体溶解装置４０７内から発酵槽４０３内への培養液の供給量を調整することができる。その結果、発酵槽４０３内の培養液への基質の単位時間あたりの供給量を容易に調整することができる。

＜微細気泡発生装置＞
本実施形態において、基質を含む気体が微細気泡として供給される際に利用される微細気泡発生装置としては、微細気泡を形成し得る装置であればよく、特に限定するものではないが、例えば、気液二相流を形成し、この気液二相流を吐出口から発酵槽周壁に沿って槽内を旋回する旋回流となる噴射方向で拡散噴射して、気泡を剪断して微細気泡として発酵槽内の培養液中に供給する装置を利用できる。

また、微細気泡発生装置としては、気液二相流を突起物や衝突体に衝突させて、気泡を剪断して微細気泡として発酵槽内の培養液中に供給する装置も用いることができる。さらに、微細気泡発生装置としては、基質を含む気体を加圧溶解した水を減圧して、微細気泡を発生させて発酵槽内の培養液中に供給する装置も用いることができる。あるいは、微細気泡発生装置としては、気液二相流に超音波を印加して、気泡を剪断して微細気泡として発酵槽内の培養液中に供給する装置など、いずれの装置も用いることができる。

なお、微細気泡の気泡径は１０μｍ〜７０μｍであることが好ましく、１０μｍ〜５０μｍであることが特に好ましい。この範囲内の気泡径であれば、培養液中へ基質を含む供給気体が適度な大きさの微細気泡として供給されるため、培養液中への基質の溶解速度が向上する。

このように基質を含む気体が微細気泡として供給されることにより、気体の溶解のために加圧型発酵槽を利用したり、撹拌羽根の回転数を大きくしたりする必要が少なくなるため、簡易な装置により、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。

＜気体溶解装置＞
また、本実施形態においては、上述のように、発酵槽の前段に、基質を含む気体が好ましくは気泡径１０μｍ〜７０μｍである微細気泡として供給される気体溶解装置を設け、気体溶解装置を経て微細気泡を含んだ培養液を発酵槽に供給することができる。

気体溶解装置において基質を含む気体を微細気泡として供給するための方法としては、前述のいずれの微細気泡発生装置も用いることができる。また気体溶解装置の構造としては、気泡塔、機械式撹拌槽等の、気体溶解のために一般的に用いられる構造の装置であれば、いずれの装置も用いることができる。

＜基質、微生物、有価物＞
本実施形態における有価物生産工程で用いる基質は、特に限定するものではないが、例えば、一酸化炭素、水素、二酸化炭素などを挙げることができる。これらの中でも、水に対する溶解性が小さい、一酸化炭素および／または水素に対して、本実施形態は特に有効である。

本実施形態における有価物生産工程で生産される有価物は、微生物の菌体そのもの、あるいは微生物の菌体内に生産される有価物、あるいは微生物の菌体外に生産される有価物のいずれでもよいが、微生物の菌体外に生産される有価物であることが好ましい。特に好ましい有価物としては、酢酸、酪酸、エタノール、ブタノールなどが挙げられる。

本実施形態において利用される微生物は、気体状の基質を利用して有価物を発酵生産する微生物であればいずれの微生物も利用することができるが、気体状の基質を利用して有価物を発酵生産する通性あるいは偏性嫌気性細菌が好ましい。例えば、Acetobacterium carbinolicum、Acetobacterium woodii、Acetobacterium weiringae、Acetogenium kivui、Butyribacterium methylotrophicum、Eubacterium limosum、Clostridium aceticum、Clostridium autoethanogenum、Clostridium formicaceticum、Clostridium ljungdahlii、Clostridium thermaceticam、Clostridium thermautotrophicum、Peptostreptococcus productus、Sporomusa acidovorans、Sporomusa ovata、Sporomusa spheroidesなどが挙げられる。

＜運転制御条件＞
本実施形態においては、基質を含む供給気体の基質濃度および流量と培養槽１０３、２０３、３０３、４０３からの排出気体１０６、２０６ａ、３０６ａ、４０６ａの基質濃度および流量とをモニタリングすることによって、供給気体１０１、２０１、３０１、４０１の流量を制御することが好ましい。

特に連続培養運転において、発酵槽１０３、２０３、３０３、４０３内の微生物濃度が定常状態になった後は、基質の除去速度（消費速度）が予め測定した最大比基質吸収速度（ｍｇ−基質／ｇ−細胞／日）から計算した最大基質除去速度の９５％以下、より好ましくは９５〜７５％となるように供給気体１０１、２０１、３０１、４０１の流量を制御することが好ましい。この範囲内の供給気体１０１、２０１、３０１、４０１の流量であれば、一酸化炭素および／または水素などの基質の供給不足または供給過剰を抑制することができるので、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。

なお、基質の除去速度（消費速度）は、供給気体１０１、２０１、３０１、４０１の基質濃度および流量に基づいた基質供給量と排出気体１０６、２０６ａ、３０６ａ、４０６ａの基質濃度および流量に基づいた基質排出量とから単純な算術計算により求めることができる指標である。最大比基質吸収速度（ｍｇ−基質／ｇ−細胞／日）とは、一日あたりに１ｇの細胞が何ｍｇの基質を吸収・消費するかを示す指標であり、予め測定した結果から基質の除去速度（消費速度）と同様の計算により求められる。

また、本実施形態においては、第二の装置の構成、第三の装置の構成および第四の装置の構成の場合には、気体溶解装置２０７、３０７、４０７内で微細気泡中の基質が培養液中に溶解するため、培養液中への基質の溶解が促進される。また、不要な大きな気泡からなる気体が培養液中に混入して発酵槽２０３、３０３、４０３に供給されることを抑制できる。そのため、発酵槽２０３、３０３、４０３に供給される培養液中の基質の溶解濃度および気泡のサイズを、適切な範囲に調節することができる。

また、本実施形態においては、第三の装置の構成および第四の装置の構成の場合には、発酵槽３０３、４０３の外部に、微細気泡発生装置３０４、４０４が付属する気体溶解装置３０７、４０７を設け、培養液の一部を気体溶解装置３０７、４０７と発酵槽３０３、４０３の間を循環させることができる。

このため、気体溶解装置３０７、４０７内の培養液および発酵槽３０３、４０３内の培養液の組成などが互いに均一化されるので、供給気体３０１、４０１の微細気泡を気体溶解装置３０７、４０７内で培養液中に供給しても、供給気体３０１、４０１に含まれる基質を培養槽３０３、４０３内の全体に均一に行き渡らせることができる。

さらに、本実施形態においては、第四の装置の構成の場合には、基質を含む供給気体４０１中の基質濃度と発酵槽４０３からの排出気体４０６ａ中の基質濃度とをモニタリングすることによって、該気体溶解装置４０７に循環される循環培養液４０８の流量を制御することが好ましい。培養液の循環率を制御することにより、培養液の発酵槽内滞留時間（ＨＲＴ）を変化させずに、基質の供給量を変化させることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

例えば、上記のいずれの実施形態においても、排出気体を回収して供給気体に戻して再利用することは有効である。この構成によれば、排出気体中に含まれる基質を再利用できるため、基質から有価物を生産する効率が向上する。

また、排出気体を回収して再利用する場合には、排出気体中の水蒸気、二酸化炭素を除去する装置を付加することが有効である。この構成によれば、排出気体中に含まれる水蒸気、二酸化炭素を除去できるため、再利用された排出気体を含む供給気体の品質を向上することができる。その結果、基質から有価物を生産する効率が向上する。

以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例＞
集積培養体の作成
容積２５０ｍＬのバイアル瓶に表１に示す培地を１５０ｍＬ入れ、生ゴミを処理しているメタン発酵槽より採取した汚泥１０ｍＬを添加し、気相部を６４％ＣＯ、１４％ＣＯ₂、２２％Ｈ₂の組成のガスで置換し、３７℃、ｐＨ６．０で振とう培養した。

気相部のガス組成を定期的に分析し、ＣＯ濃度が初期濃度の２０％以下に低下したバイアル瓶から培養液を１ｍＬ採取し、新しい培地を入れたバイアル瓶に添加し、同様に培養した。同様の操作を繰り返し、安定的にＣＯ除去が認められた集積培養体を以下の実験に用いた。なお、本集積培養体の主たる生成物は酢酸及びＣＯ₂であった。

回分培養試験
気泡径が１０〜２０μｍである微細気泡発生装置及び撹拌装置を備えた有効容積１５００ｍＬのジャーファーメンターに表１の培地を１０００ｍＬ入れ、前記集積培養体を２０ｍＬ添加した。６４％ＣＯ、１４％ＣＯ₂、２２％Ｈ₂の組成のガスを１００ｍＬ／分の速度で供給し、ｐＨ６．０、３７℃、撹拌速度２００ｒｐｍで培養をした。

菌体濃度を定期的に測定し、３日後に３００ｍｇ／Ｌになった後、供給気体のＣＯ濃度および流量とジャーファーメンターからの排出気体のＣＯ濃度および流量とから算出されるＣＯ除去速度（ｍｇ−ＣＯ／Ｌ／日）が、最大比ＣＯ吸収速度（ｍｇ−ＣＯ／ｇ−細胞／日）と菌体濃度（ｍｇ／Ｌ）の積から計算した最大ＣＯ除去速度（ｍｇ−ＣＯ／Ｌ／日）の９５〜８０％となるように供給気体の流量を制御しながら、供給気体流量を徐々に上げていった。

回分培養の培養開始から１０日には菌体濃度が１２００ｍｇ／Ｌで安定し、そのときの供給気体流量は２００ｍＬ／分、酢酸濃度は４．８ｇ／Ｌとなった。

＜対照例＞
実施例の対照として、基本的に実施例と同様の回分培養を行い、菌体濃度が３００ｍｇ／Ｌになった後、供給気体の流量を１８０ｍＬ／分に上げて運転した系列では、供給気体の流量を上げてから２日後に菌体増殖が停止した。そのときの酢酸濃度は３．２ｇ／Ｌであった。

＜比較例＞
回分培養の際に、通常の散気装置及び撹拌装置を備えた有効容積１５００ｍＬのジャーファーメンターに表１の培地を１０００ｍＬ入れ、前記集積培養体を２０ｍＬ添加した。６４％ＣＯ、１４％ＣＯ２、２２％Ｈ２の組成のガスを１００ｍＬ／分の速度で供給し、ｐＨ６．０、３７℃、撹拌速度２００ｒｐｍで培養をした。

菌体濃度と酢酸濃度を定期的に測定した。菌体濃度１９０ｍｇ／Ｌで増殖が停止し、そのときの酢酸濃度は１．３ｇ／Ｌであった。

以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

以上のように、本発明にかかる有価物生産方法は、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができるという効果を有し、微生物による有価物生産方法および有価物生産装置等として有用である。

本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の一例を示すプロセスフローである。本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の別の一例を示すプロセスフローである。本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の別の一例を示すプロセスフローである。本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の別の一例を示すプロセスフローである。

符号の説明

１００有価物生産装置
１０１供給気体
１０２培養液
１０３発酵槽
１０４微細気泡発生装置
１０５排出液
１０６排出気体
１０９ガス濃度・流量センサ
１１０コントローラ
１１１流量調整バルブ
２００有価物生産装置
２０１供給気体
２０２培養液
２０３発酵槽
２０４微細気泡発生装置
２０５排出液
２０６排出気体
２０７気体溶解装置
２０９ガス濃度・流量センサ
２１０コントローラ
２１１流量調整バルブ
３００有価物生産装置
３０１供給気体
３０２培養液
３０３発酵槽
３０４微細気泡発生装置
３０５排出液
３０６排出気体
３０７気体溶解装置
３０８循環培養液
３０９ガス濃度・流量センサ
３１０コントローラ
３１１流量調整バルブ
４００有価物生産装置
４０１供給気体
４０２培養液
４０３発酵槽
４０４微細気泡発生装置
４０５排出液
４０６排出気体
４０７気体溶解装置
４０８循環培養液
４０９ガス濃度・流量センサ
４１０コントローラ
４１１流量調整バルブ

Claims

培養槽内の培養液中の微生物により気体状の基質から有価物を生産する方法であって、
前記基質を含む供給気体を微細気泡として前記培養液中に供給する工程と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る工程と、
前記培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る工程と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記培養液中への前記供給気体の流量を調整する工程と、
を含むことを特徴とする有価物生産方法。
請求項１記載の有価物生産方法において、
前記供給気体を前記培養液中に供給する工程は、
前記培養槽の外側に設けられている気体供給層内で、前記供給気体を前記微細気泡として前記培養液に供給する工程を含むことを特徴とする有価物生産方法。
請求項２記載の有価物生産方法において、
前記供給気体を前記培養液中に供給する工程は、
前記気体供給槽内の培養液および前記培養槽内の培養液を互いに循環させ、前記供給気体を前記培養槽内の培養液中に供給する工程を含むことを特徴とする有価物生産方法。
請求項３記載の有価物生産方法において、
前記供給気体の流量を調整する工程は、
前記培養槽内から前記気体供給槽内への前記培養液の供給量を調整する工程を含むことを特徴とする有価物生産方法。
請求項１乃至４いずれかに記載の有価物生産方法において、
前記微細気泡の気泡径が１０μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とする有価物生産方法。
請求項１乃至５いずれかに記載の有価物生産方法において、
前記基質は、一酸化炭素および／または水素を含むことを特徴とする有価物生産方法。
微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、
前記微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、
前記培養槽に付属して設けられており、気体を微細気泡化する微細気泡発生部と、
前記微細気泡発生部に前記基質を含む供給気体を供給する気体供給部と、
前記培養槽内から気体を排出する気体排出部と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、
前記培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記培養液中への前記供給気体の流量を調整する供給量調整部と、
を備えることを特徴とする有価物生産装置。
微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、
前記微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、
前記培養槽外に設けられており、気体を前記培養液中に供給させる気体供給槽と、
前記気体供給槽に付属して設けられており、気体を微細気泡化する微細気泡発生部と、
前記微細気泡発生部に前記基質を含む供給気体を供給する気体供給部と、
前記培養槽内から気体を排出する気体排出部と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、
前記培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記培養液中への前記供給気体の流量を調整する供給量調整部と、
を備えることを特徴とする有価物生産装置。
微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、
前記微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、
前記培養槽外に設けられており、気体を前記培養液中に供給させる気体供給槽と、
前記気体供給槽に付属して設けられており、気体を微細気泡化する微細気泡発生部と、
前記気体供給槽内の培養液および前記培養槽内の培養液を互いに循環させる培養液循環部と、
前記微細気泡発生部に前記基質を含む供給気体を供給する気体供給部と、
前記培養槽内から気体を排出する気体排出部と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、
前記培養槽内の培養液中から排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記培養槽内から前記気体供給槽内への前記培養液の流量を調整する供給量調整部と、
を備えることを特徴とする有価物生産装置。