JP2017518063A - 生体物質を増殖および排出する微生物発酵システム - Google Patents

Abstract

指数増殖期を促進することによって、スターター物質の生物学的な増殖における誘導期の負の側面を克服するように設計された、生体物質を増殖および排出する微生物発酵システムを提供する。本システムは、細菌の指数増殖に関する理想的な条件を維持するように設計され、少なくとも一つの第一期タンクおよび第二期タンクを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、微生物発酵システムに関する。本システムは、スターター物質（ｓｔａｒｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）の生物学的な増殖における誘導期の負の側面を、指数増殖期を促進することによって克服する。

種々の用途のために細菌を増殖、供給、溶解、移動および分配する、入手可能な装置およびシステムがある。これらの微生物発酵システムは、所望の用途に応じて、様々なサイズで入手可能である。用途としては、例えば、食品加工またはレストランの排水管からの油脂の消化および除去、油脂トラップ、油脂分離器、食肉処理場、下水管、腐敗タンクおよび下水処理場が含まれる。微生物発酵システムは、しばしば、大量の活性な天然細菌を所望の用途（例えば、排水管）に送るように設計される。細菌は、有機廃棄物の自然分解を促進することに役立つ。

通常、工業施設および商業施設から出る廃水に対しては、厳しい純度要求が定められ、このような微生物発酵システムは、高度に汚染された廃水を、規制条件を満たす排水に変えるために、十分な細菌を生成できる。また、これらの微生物システムは、エネルギー消費も低く、オフサイトのスラッジの処分量を減少させるというさらなる利点も有する。廃棄物を処理するための細菌の使用を、有害な化学物質の使用と置換できる。

細菌の増殖は、以下の段階で発生する（細菌の増殖曲線としても知られる）：
１．誘導期：活動および増殖が観察される前の遅滞
２．増殖期：指数増殖期
３．定常期：数がほとんど一定
４．減退期：増加率で数が減少（死滅期としても知られる）
現行の装置は、休眠状態または低活性状態にある細菌を増殖させるため、全てのリサイクルは、誘導期を含む。指数増殖期は、処理条件に影響される。このことは、増殖サイクルの重要な部分が、非効率的であることを意味する。

本発明によれば、細菌を含む水性スラリーを生成するシステムを提供し、当該システムは、給水源と、制御システムと、少なくとも二つのタンク（少なくとも一つの第一のタンクは第一期タンクであり、第二のタンクは第二期タンクであり、前記第一期タンクは、前記第二期タンクと流体連結し、前記第二期タンクは、生成物の排出口をさらに有する）と、を有する。

第一期は、細菌の増殖曲線の第一段階であり、誘導期である。第二期は、細菌の増殖期の指数増殖期である。

本発明に係るシステムは、指数増殖期のために理想的な条件を準備し、維持する。誘導期を終え、増殖期を開始している細菌または細菌の集団は、第一期タンクから第二期タンクに移される。好ましくは、移動は、増殖を遅らせかねない移動の衝撃を最小限にする方法および時間で行われる。システムは、投入する細菌の指数増殖期の時間を延長してその量を増加させ、二次培養処理として作用しうる第二期タンク内に大規模な生成を提供するために、正確な処理条件を用いることを保証する。また、第二期は、必要に応じて、第三段階以上の段階にさらに延長される。第一期または第二期のいずれかに対する追加のタンクを、直列または並列に配置してもよい。生成物は、活性状態の細菌を含む液体またはスラリーであり、所望の用途に直ちに使用されうる。

システムは、好気性細菌、嫌気性細菌、または好気性細菌および嫌気性細菌の組み合わせと共に使用されうる。好気性細菌を使用する場合、システムは、細菌が増殖する液体を曝気する装置、またはシステムをさらに含みうる。嫌気性細菌を使用する場合、曝気工程は必要とされない。

細菌は、最終用途に必要とされる特定の菌株に適合するように調整された、任意の数の既存の装置内で予備培養されうる。システムの条件は、投入される細菌／菌株に必要とされる条件に一致するように、さらに、処理タスクに適合するように、調整されうる。

発酵処理の間に制御を必要とする多くの条件がある。（競合ストレスを回避するための）容量、曝気レベル（酸化度）、温度、ｐＨ、栄養度および混合物の均質性を制御することが望ましい。

処理の温度は、影響力がある物理的要因の一つである。温度範囲は、−１０℃〜９５℃の間であってもよいが、より一般的には、１０℃〜５０℃の間である。最適な温度範囲は、使用される細菌の特定種によって決定される。好冷菌は２０℃未満の温度で、中温菌は２０〜４５℃の範囲の温度で、好熱菌は４５℃より高い温度で最適な増殖を示す。極限微生物は、−１７℃および１３０℃の温度で生存できる。一般に使用される細菌培養物のほとんどは中温菌であり、タンクの温度は１０℃〜５０℃の間で制御される。

処理のｐＨも、重要な要因である。ほとんどの細菌は、５〜９の範囲のｐＨを好み、最適なｐＨを７付近とする。嫌気性細菌は、好気性細菌より広範囲のｐＨに耐えうる。

多くの種類の細菌は、酸素がない場合のみ増殖できるが（嫌気性）、酸素の有無に関わらず増殖できる種類も多い。好気性生物は、酵素反応およびエネルギーを生成するために用いる電子輸送系に関して、酸素の存在に依存する。

増殖培地は、使用される細菌の種に対して特異的に形成されうる。これは、純粋な化合物を正確に規定された割合で混合して、明確に定義された合成増殖培地を得ることによって達成されうる。合成増殖培地は、容易に再生でき、低い発泡性を有し、透光性を示し、生成物の回収を容易にする傾向がある。合成増殖培地は、水性であってもよく、栄養添加物の選択された群を含む水を含んでもよい。あるいは、天然増殖培地（複合培地）が使用されうる。これらの種類の増殖培地は、糖蜜およびコーンスティープリカーを含み、天然増殖培地の化学組成は、複雑な性質により正確に定義されない場合がある。

細菌は、エネルギー源および炭素源に加え、必須元素および微量元素を含む追加の栄養物も必要とする場合がある。必要とされる栄養物は、細菌の種にもよるが、窒素源および硫黄源や、ミネラル源およびビタミン源を含む。追加の栄養物をシステムに加える場合、その目的は通常、増殖培地中に少量の特定の元素または成分を補うことである。

単一の細菌の株を使用でき、あるいは、細菌の集団も使用できる。細菌は、「スターター物質」の形態で提供される。このスターター物質は、細菌成分を含む粒状固体でありうる。スターター物質は、ペレット、プリル、錠剤または顆粒、および液状の形態で提供されうる。また、スターター物質は、栄養成分を含んでもよい。スターター物質が固形で提供される場合、重力供給機構を用いて、当該物質を一つ以上のタンクに添加することが好ましい。

供給流および生成流は、使用される細菌に関する最良の増殖条件に応じて、連続的または周期的でありうる。バッチ処理、周期的な処理または連続的な処理を使用するかどうかに影響する他の要因としては、プラントの種類、処理条件および処理状況が挙げられる。

二つ以上の第一期タンクを使用して、細菌を準備できる。細菌を含むスターター物質を第一期タンクに添加し、誘導期が完了するか、ほぼ完了するまで保持する。必要に応じて、第一期タンクは、加熱または冷却されうる。また、第一期タンクは、均一な混合物と良好な曝気レベルとを確保するために、混合装置を含んでもよい。誘導期が完了するか、ほぼ完了したら、増殖期に近づいている準備された細菌は、第二期タンクに移される。必要に応じて、第一期タンクまたは第二期タンクのいずれかに、栄養物を添加してもよい。

第一期タンクは、細菌を準備し、誘導期がほぼ完了するまで水性混合物またはスラッジを保持するための、任意の適切な容器でありうる。当該容器は、本願中ではタンクと記載されているが、ドラム缶、ボウル、バケツ、ボトル、汚水槽または液体を保持するために使用されうる任意の他の容器であってもよい。好ましくは、第一期タンクは、第二期タンクに供給する排出口を有する。

第二期タンクは、液体を保持するための任意の適切な容器でありうる。好ましくは、第二期タンクは、第一期タンクから細菌を含む液体を受け入れるための少なくとも一つの投入口と、所望の用途に生成物を供給するための少なくとも一つの排出口とを有する。第二期タンクは、例えばＷＯ２０１１／００５６０５に開示された種類の混合タンクであってもよく、その特徴が全体として本願に引用される。

第一期タンクおよび第二期タンクは、意図される用途に適した任意のサイズであってもよい。例えば、第一期タンクおよび第二期タンクは、２５０ｍｌ〜５０，０００リットルの範囲の液体容量を有してもよい。

タンクは、温度センサーと、タンクの内容物を所望の温度に加熱または冷却する手段とを備える。タンクの内容物の温度は、温かい給水、加熱ジャケット、タンク内の熱交換器、あるいは、再循環ラインまたは供給ラインの一つに配置された熱交換器を使用することによって、変更されうる。また、タンク内に吊るされた一つ以上の熱電加熱装置を使用することもできる。温度センサーとタンクを加熱／冷却する手段とは、全て制御システムに接続されうる。第一期タンクの温度を第二期タンクの温度と独立して制御するように、タンクを配置してもよい。あるいは、各タンクの温度を個別に制御してもよい。

制御システムは、プログラマブルロジックコントローラー（ＰＬＣ）またはマイクロプロセッサーを含みうる。例えば、制御システムは、第二期タンクへの水の流量を制御するために、電磁弁に接続されたマイクロプロセッサーを含んでもよい。制御システムは、予め調整された所定の間隔で、指定時間に動作するようにプログラムされうる。あるいは、制御システムは、センサーからの読み取りに応答して、所定の条件を維持するように設計されうる。また、制御システムは、第一期タンクへの「スターター物質」の供給と、第一期タンクおよび第二期タンクへの水の流れとを活性化させ、第一期タンクから第二期タンクへの準備された細菌培養物の流れを制御するために使用されうる。さらに、制御システムは、任意の再循環流の流速および容量、任意の混合装置および任意の曝気装置を制御できる。以下に記載する例では、再循環の速度が、第二期タンク内の液体の曝気に影響するため、再循環流の流速を制御することによって、液体の曝気が制御される。任意の使用可能な電力源が使用されうる。

システムにおいて使用される弁は、一般的に制御弁であり、制御システムによって制御可能であったり、フィードバックループに接続可能であったりする。グローブ弁またはダイヤフラム弁は、制御弁としての使用に最適であり、弁は、（ダイアフラムを使用して、流れの全範囲にわたってスムーズな制御を提供する）電磁弁であってもよい。給水流に使用される弁は、清浄な給水の汚染を回避するために、一般的に逆止弁である。給水の質や地域の規制によっては、逆止弁または空気遮断器を給水流に備える必要はない。代わりのバルブの種類としては、ゲート弁、バタフライ弁、ボール弁およびプラグ弁が挙げられる。使用される弁の数、弁の種類、およびこれらの弁の配置は、システムごとに変化しうる。弁の位置は、例えば、二つ以上の第一期タンクまたは第二期タンクを使用するか、別の栄養タンクから栄養物を添加するか、曝気法を使用するか、使用する場合にはどの種類を使用するか、に依存しうる。また、使用されるポンプの種類は、例えば、再循環ループおよび生成流の固形分に応じて変化しうる。必要に応じて、水中ポンプも使用されうる。あるいは、ポンプの代わりに、重力供給システムが使用されてもよい。

タンク内の液体の水位は、制御システムによって制御されうる。制御システムは、タンク内の水位センサーまたは水位検出器を含みうる。適切な水位センサーの一例としては、フロートスイッチが挙げられる。あるいは、流量計を使用して、第一期タンクまたは第二期タンク内の水位を算出できる。

好気性細菌を使用するシステムの一例について、図１〜３を参照して以下で説明する。この例は、第二期タンクへの再循環液体流に位置する、エダクターの使用を含む。エダクターは、液体流の曝気を改善するために使用されうる。エダクターは、処理の他の位置で液体流内に空気の泡を同伴可能な、任意の他の装置と交換されうる。エダクターは、実際上、エジェクター装置またはインジェクター装置であり、移動する流体のエネルギーを使用して、吸引する流体（この例では空気）を吸引して同伴する低圧領域を生成する、ベンチュリ効果に依存する。空気の同伴は、曝気された移動液体流をもたらす。液体を同伴するための他の代わりの方法としては、曝気タービン、微細気泡ディフューザー、粗大気泡ディフューザー、リニア曝気管が挙げられ、または、噴水、カスケード、パドルホイールもしくはコーンの手段によって、液体を空気に通過させることが挙げられる。より小さな気泡は、より多くの気体を液体に晒す（接触面を増加させる）ため、気体の移動効率を増加させる。また、ディフューザーまたはスパージャーは、乱流を発生させたり、混合を促進させたりするために、システム内に設計されうる。

本発明の実施例を、添付の概略図を参照して、以下に一例として記載する。

一つの第一期タンクおよび一つの第二期タンクを使用する、生体物質を増殖および排出するシステムの一例のフロー図である。 旋回渦を生成するための接線流ノズルの配置の使用を示す、第二期タンクの斜視図である。 ノズルの接線方向の配置によって第二期タンクに誘導される循環を示す、第二期タンクの平面図である。

図１は、一つの第一期タンク１と一つの第二期タンク１２とを使用する、細菌を含む水性スラリーを生成するシステムの一例を示す。給水２を、逆止弁３を介して第一期タンク１に供給する。細菌を含むスターター物質源４を、投入口５を介して第一期タンク１に添加する。本実施例では、スターター物質は固形のペレット状である。また、さらなる栄養物および増殖培地を追加してもよい。本実施例では示していないが、給水を、第一期タンク１に供給する前に加熱してもよい。本実施例では、加熱ジャケット６を使用して、第一期タンク１を加熱する。第一期タンク１の内容物の温度およびｐＨを、細菌の増殖を促進するように慎重に制御する。このように、第一期タンク１は、細菌の初期の培養段階として作用する。

第一期タンク１内の細菌が誘導期の終わりに近づき、増殖を示し始めたら、細菌を含む液体を、排出口７を介して第二期タンク１２に移しうる。第一期タンク１からの出力流を、第二期タンク１２に供給し、２０℃〜３０℃の温度に予熱された水と混合する。給水２は、逆止弁８を通過し、熱交換器または加熱器９で加熱される。そして、温水は、第二期タンク１２に入る前に、電磁弁１０および空気分離／遮断器１１を通過する。空気遮断器１１の目的は、逆流を防止し、（一般に地方自治体によって課されるような）水の規制に従うことである。

第二期タンク１２内の液体の水位は、プログラマブル制御システム１３と第二期タンク１２内の多数の水位検出器と共に、電磁弁であってもよい複数の弁を使用して、制御されうる。制御システムは、水位検出器、例えばフロートスイッチ１４、１５、１６を使用することによって、タンク内の液体の水位の変動に反応できるように設計されてもよい。

栄養物１７を、ポンプ１９を使用して、栄養タンク１８から第二期タンク１２に供給する。あるいは、重力供給システムを使用して、栄養物を第二期タンク１２に供給してもよい。供給される栄養物は、固形物質、液体またはスラッジであってもよい。第二期タンク１２に添加される栄養物の量に関する制御を可能にするために、ポンプ１９または入口弁（図示なし）は、制御システムに接続されうる。

本実施例では、混合物の均質性を改善し、曝気レベルを改善するために、第二期タンク１２の液体を、タンクから再循環させる。第二期タンク１２がある程度一杯になると、ポンプ２０を始動する。ポンプ２０は、三方調節弁２１を介して、第二期タンク１２の底部から液体を抜き、第二期タンク内の液体の水位を制御できる。ポンプに代えて、重力供給システムを使用してもよい。液体は、第二期タンク１２から抜かれ、フィルター２３を通った空気を吸気するエダクター２２を通過する。空気の流量は、制御弁２５を備える流量計２４を使用して制御されうる。液体流に入る空気の量を制御することにより、第二期タンク１２内の溶存酸素量の最適化が可能になる（したがって、処理パラメーターの一つである、曝気の制御が可能になる）。酸素富化液を、ノズル２６および２７を介して、第二期タンク１２の内部で循環する液体に注入する。二つのノズル２６および２７を、第二期タンク内で接線方向に配置する。曝気された液体を、特定の細菌または細菌集団に関する指数増殖曲線の頂点に達するまで再循環する。この配置の使用によって、曝気および混合の性質および品質を改善できる。

第二期タンク１２内の接線方向のノズル２６およびノズル２７の効果を、図２および図３に示す。接線方向のノズルを通す液体注入の方法は、第二期タンク１２の内部に旋回渦を生成し、懸濁した微細な気泡を液体内に維持し、液体との接触時間を延長する。このことは、液体中への酸素の移動を最大化するのに役立ち、溶存酸素量を、細菌培養物の最大増殖のために理想的な量に維持する。

タンク内の温度を、細菌の増殖に最適な温度に維持する。この最適温度を維持するために、加熱ジャケット２８を使用できる。あるいは、任意の適切な熱交換器の配置、例えば、熱電加熱／冷却システムを使用してもよい。

指数増殖が達成されたら、三方調節弁２１を使用して、高活性細菌培養物である生成物２９を、処理または所望の用途に排出できる。ポンプ２０を使用して、第二期タンクからの生成物２９の回収を補助できる。

第二期タンク１２は、第一期タンク１から第二期タンク１２への細菌の連続的な供給を可能にするために配置されうる。増殖率の平衡は、第二期タンク１２への細菌の供給の速度を制御することによって、第二期タンク１２内で達成されうる。適切な量の栄養物１７が、第二期タンク１２内に保持される。二次培養された細菌の相当量が、生成物２９として弁２１を通して排出される。

また、固形または液状の細菌培養物は、予備培養せずに第二期タンク１２に直接供給されてもよい。添加速度は、第二期タンク１２内の最適な増殖を維持するために、慎重に制御されうる。適切な量の栄養物１７が、第二期タンク１２内に保持される。第二期タンク１２は、特定の細菌、菌株または細菌の集団の理想的な増殖平衡を維持するために、処理に対する入力流（供給物）および出力流（生成物）の両方を慎重に制御する、連続的な混合タンクであってもよい。このように、供給流および生成流は、意図される用途に応じて、連続的または周期的でありうる。

Claims (30)

1. 細菌を含む水性スラリーを生成するシステムであって、
   給水源と、
   少なくとも一つの温度制御システムと、
   少なくとも二つのタンク（少なくとも一つの第一のタンクは、加熱手段を有する第一期タンクであり、第二のタンクは第二期タンクであり、前記第一期タンクは、前記第二期タンクと流体連結し、前記第二期タンクは、生成物の排出口および加熱手段をさらに有する）と、
   を有するシステム。
2. 前記加熱手段は、前記温度制御システムに接続されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記加熱手段は、熱交換器、加熱ジャケット、または、熱電対装置などの発熱体を有する請求項１または請求項２に記載のシステム。
4. 前記第一期タンクに対する前記温度制御は、前記第二期タンクに対する前記温度制御システムから独立している請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 水を前記第一期タンクまたは前記第二期タンクに供給する前に、前記給水源を加熱するように配置された熱交換器をさらに有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 二つ以上の第一期タンクをさらに有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 二つ以上の第二期タンクを有する請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 複数の直列のタンクを有する請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 各タンクは独立した温度制御を備える請求項６〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 少なくとも一つの前記第一期タンクは、細菌を含む物質の投入口を含む請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 少なくとも一つの前記第二期タンクは、混合装置を含む請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 少なくとも一つの前記第一期タンクは、混合装置を含む請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記スラリーを曝気する手段をさらに有する請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記スラリーを曝気する手段は、再循環ループ内に配置される請求項１３に記載のシステム。
15. 前記スラリーを曝気する手段は、エダクターである請求項１３または請求項１４に記載のシステム。
16. 前記少なくとも一つの第二期タンクに対する再循環ループをさらに含む請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記第二期タンクに対する前記水の投入口は、空気遮断器を備える請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記第一期タンクまたは前記第二期タンクに対する前記水の投入口は、逆止弁を備える請求項１〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記タンクのいずれかまたは全てに対する前記液体の投入口は、前記タンク内の接線方向に配置された一対のノズルを有する請求項１〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 少なくとも一つの弁、ポンプ、ならびに前記タンク内の液体の水位を測定し制御可能なセンサーおよびマイクロプロセッサーを含む流量制御システムをさらに有する請求項１〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
21. 前記流量制御システムは、前記システム内での前記液体の流速、前記液体の温度および／または前記液体のｐＨを制御可能である請求項２０に記載のシステム。
22. 栄養源をさらに備える請求項１〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
23. 給水源と、
    細菌源と、
    少なくとも一つの第一期タンクと、
    第二期タンクと、
    前記第二期タンクに対する投入口に接続された前記第一期タンクからの排出口と、
    前記第二期タンクからの生成物の排出口と、
    を有する請求項１〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 前記第二期タンク内に液体を再循環させる再循環ループと、
    前記第一期タンクおよび前記第二期タンク内での流速、温度、ｐＨおよび液体量を制御するための、センサー、弁およびプログラマブルロジックコントローラーを有する制御システムと、
    前記液体を加熱する手段と、
    前記第一期タンクおよび／または前記第二期タンク内で前記液体を混合する手段と、
    前記液体を曝気する手段と、
    をさらに有する請求項２３に記載のシステム。
25. 細菌を含む水性スラリーを生成する方法であって、
    細菌源を第一期タンクに供給するステップと、
    液体の増殖培地を前記第一期タンクに供給するステップと、
    前記第一期タンク内の前記細菌を制御された温度で所定時間保持するステップと、
    前記細菌を含む液体を第二期タンクに移すステップと、
    前記第二期タンク内の処理パラメーターを監視および制御して、細菌の増殖を最適化するステップと、
    生成物を前記第二期タンクから排出するステップと、
    を含む方法。
26. 前記第二期タンクから前記細菌を含む液体を再循環させるステップをさらに含む請求項２５に記載の方法。
27. 前記第二期タンク内で、または、前記第二期タンクへの再循環の間、前記液体を曝気するステップをさらに含む請求項２５または請求項２６に記載の方法。
28. 前記タンクのいずれかまたは全てにおいて、前記細菌を含む液体を混合するステップをさらに含む請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記システムが、半連続的な処理として動作する請求項２３〜２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 前記システムが、連続的な処理として動作する請求項２３〜２９のいずれか一項に記載の方法。