JP2020005599A - たんぱく質製造システムおよびたんぱく質の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有限の資源を使用せず、持続可能な状態でたんぱく質を製造することができるタンパク質製造システム等を提供する。【解決手段】水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解ユニット１０と、水素と二酸化炭素とを反応させメタンを製造するメタン製造ユニット２０と、メタン資化菌を利用し、メタンを基にたんぱく質を製造するたんぱく質製造ユニット３０と、電気分解手段により製造された酸素とメタン製造ユニット２０により製造されたメタンとをたんぱく質製造ユニット３０に供給するバブリング装置３３と、を有するたんぱく質製造システム１。【選択図】図１

Description

本発明は、たんぱく質製造システム等に関し、より詳しくは、再生可能エネルギー等から製造したメタンを活用し、たんぱく質を製造するたんぱく質製造システム等に関する。

たんぱく質源として、イワシ等の小魚などによる魚粉を使用することがある。しかし天然資源の小魚を使用することは、乱獲等により持続可能な漁業ではないと見なされる。そのため配合飼料や人工的な飼料を使用することで小魚の養殖を行ない、持続可能な漁業とすることが試みられている。

特許文献１には、地球温暖化ガスである低濃度メタンを効率よく除去するため、メタン濃度６０００ｐｐｍ以下の環境下でメタン資化菌を培養することにより、環境中に存在するメタンをメタン資化菌に資化させるメタン資化方法が開示されている。
また、特許文献２には、ＣＯ_２及びＨ_２を原料とするメタンの製造方法において、回収メタン中のメタン純度及びメタン収率を高めることができるとともに、回収メタン中から有毒なＣＯガスを除去するために、二酸化炭素及び水素を含むガスから触媒を用いてメタンを製造する方法であって、第一のメタネーション反応工程と、その後のシフト反応工程と、その後の第二のメタネーション反応工程と、を含むメタン製造方法が開示されている。

特開２００４−５７０９５号公報 特開２０１５−１２４２１７号公報

人工的な飼料を製造するのに、天然ガス中のメタンを基にメタン資化菌を用いてたんぱく質を製造する方法が、提案されている。ただしこの場合、有限の資源である天然ガスを使用するため、真の意味で持続可能な事業であると言うことはできない。
本発明の目的は、有限の資源を使用せず、持続可能な状態でたんぱく質を製造することを目的とする。

かくして本発明によれば、水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解手段と、水素と二酸化炭素とを反応させメタンを製造するメタン製造手段と、メタン資化菌を利用し、メタンを基にたんぱく質を製造するたんぱく質製造手段と、電気分解手段により製造された酸素とメタン製造手段により製造されたメタンとをたんぱく質製造手段に供給する供給手段と、を有するたんぱく質製造システムが提供される。

ここで、メタン製造手段において使用する二酸化炭素は、メタン資化菌により排出されたものを含むようにすることができる。
また、メタン製造手段は、メタンとともに水を製造し、製造された水は、メタンとの混合状態でたんぱく質製造手段に供給されるようにすることができる。
さらに、たんぱく質製造手段は、メタン製造手段で生成された熱を利用して予め定められた温度範囲に保持するようにすることができる。
またさらに、たんぱく質製造手段で製造されたたんぱく質を乾燥する乾燥手段をさらに有し、乾燥手段は、メタン製造手段で生成された熱を利用して乾燥を行なうようにすることができる。
そして、乾燥手段は、電気分解手段で製造された酸素を使用して生成された熱をさらに利用して乾燥を行なうことができる。
このとき、乾燥手段は、天然ガスを電気分解手段で製造された酸素を使用して燃焼させた熱を利用して乾燥を行なうようにすることができる。
また、電気分解手段は、再生可能エネルギー発電装置により発生した電力を使用して水の電気分解を行なうようにすることができる。
そして、たんぱく質製造手段において製造されるたんぱく質の量に合わせ、電気分解手段、メタン製造手段および供給手段を制御する制御手段をさらに有するようにすることができる。

また、本発明によれば、水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解工程と、水素と二酸化炭素とを反応させメタンを製造するメタン製造工程と、電気分解工程により製造された酸素とメタン製造工程により製造されたメタンとをメタン資化菌に供給し、たんぱく質を製造するたんぱく質製造工程と、を有するたんぱく質の製造方法が提供される。

さらに、本発明によれば、水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解手段と、水素と二酸化炭素とを反応させメタンおよび水を製造するメタン製造手段と、メタン資化菌を利用し、メタン製造手段により製造されたメタンおよび水の混合物を基に、たんぱく質を製造するたんぱく質製造手段と、を有するたんぱく質製造システムが提供される。

ここで、たんぱく質製造手段は、メタン製造手段で生成された熱を保持した状態で混合物が供給されるようにすることができる。
また、メタン製造手段により製造されたメタンと水の混合比を調整する水を供給する水供給手段をさらに有するようにすることができる。

またさらに、本発明によれば、水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解工程と、水素と二酸化炭素とを反応させメタンおよび水を製造するメタン製造工程と、メタン資化菌を利用し、メタン製造工程により製造されたメタンおよび前水の混合物を基に、たんぱく質を製造するたんぱく質製造工程と、を有するたんぱく質の製造方法が提供される。

本発明によれば、有限の資源を使用せず、持続可能な状態でたんぱく質を製造することができる。

本実施の形態のたんぱく質製造システムの全体構成について説明した図である。 たんぱく質製造システムにおける物質および熱の流通について説明した図である。 本実施の形態のたんぱく質製造システムの動作について説明したフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するためのものであり、実際の大きさを表すものではない。
以下、図面に基づき、本実施の形態が適用される被処理水の処理装置について説明を行う。

＜たんぱく質製造システム全体の説明＞
図１は、本実施の形態のたんぱく質製造システム１の全体構成について説明した図である。また、図２は、たんぱく質製造システム１における物質および熱の流通について説明した図である。
図示するたんぱく質製造システム１は、水の電気分解を行なう電解ユニット１０と、メタンの製造を行なうメタン製造ユニット２０と、たんぱく質の製造を行なうたんぱく質製造ユニット３０と、たんぱく質の分離を行なう分離ユニット４０と、たんぱく質の乾燥を行なう乾燥ユニット５０とを有する。また、たんぱく質製造システム１は、さらにたんぱく質製造システム１全体の制御を行なう制御装置６０を有する。

電解ユニット１０は、電気分解手段の一例であり、水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する。
電解ユニット１０は、電解槽１１と、陽極１２および陰極１３とからなる２種類の電極と、仕切板１４とを備える。
電解槽１１には、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）等を溶解させた水からなる電解液Ｄが入れられる。そして電解液Ｄ中に陽極１２と陰極１３が配される。そして陽極１２と陰極１３の間に電力を供給すると、水が電気分解される。その結果、陽極１２側から酸素（Ｏ_２）が発生し、陰極１３側から水素（Ｈ_２）が発生する。酸素と水素とは、仕切板１４とにより混合せずに、それぞれ別々に回収することができる。なお、酸素および水素の発生量に応じて電解液Ｄが補充のために供給される。

このとき、電解ユニット１０は、再生可能エネルギー発電装置により発生した電力を使用して水の電気分解を行なうことが好ましい。この場合、「再生可能エネルギー発電装置」とは、再生可能エネルギーを基に発電を行なう装置である。また、「再生可能エネルギー」は、自然の力で定常的に補充されるエネルギーであり、太陽、地熱、潮汐等を源として補充される。具体的には、再生可能エネルギーは、太陽光、風力、波力、潮力、流水、地熱、バイオマス等のエネルギーである。

メタン製造ユニット２０は、メタン製造手段の一例であり、電解ユニット１０で製造した水素と、二酸化炭素（ＣＯ_２）とを反応させメタンを製造する。また、メタン製造ユニット２０は、メタンとともに水を製造する。
本実施の形態では、二酸化炭素は、例えば、火力発電所から発生した二酸化炭素を使用することができ、例えば、増進回収技術（ＥＯＲ：Enhanced Oil Recovery）に使用されるものを流用することができる。また、詳しくは後述するが、二酸化炭素として、たんぱく質製造ユニット３０において、メタン資化菌により排出されたものが利用できる。メタン資化菌により排出された二酸化炭素は、天然ガス等を原料とする場合、大気中に放出される。対して本実施の形態では、この二酸化炭素は、メタン製造ユニット２０で利用することができ、大気中に二酸化炭素を放出する必要がない。そのため本実施の形態のたんぱく質製造システム１では、地球温暖化の抑制に寄与することができる。

二酸化炭素は、図示しない二酸化炭素分離装置によって、二酸化炭素が予め他の成分から分離されていることが好ましい。二酸化炭素分離装置は、例えば、物理吸収法、化学吸収法、固体吸着法、膜分離法等を利用した装置である。

物理吸収法は、二酸化炭素を液体中に溶解させることで、他の成分から分離する。液体としては、例えば、メタノールやエタノールなどの低級アルコールや、ポリエチレングリコールジメチルエーテル等の高分子化合物が使用できる。
化学吸収法は、二酸化炭素を液体中の反応成分と反応させることで、他の成分から分離する。例えば、アミンが含まれる溶液を使用し、二酸化炭素をアミンとを結合させ分離する。
化学吸収法は、物理吸着法に比較して、二酸化炭素の分圧が低くても二酸化炭素を分離しやすい。一方、二酸化炭素の分圧が高い場合は、化学吸収法よりも物理吸着法の方が、分離効率が高くなる。

固体吸着法は、二酸化炭素を固体の吸着剤に吸着させることで、他の成分から分離する。固体の吸着剤としては、例えば、多孔質担体にアミン吸着剤を含有させたものが使用できる。また、例えば、二酸化炭素を吸着する水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）をペレット化したものが使用できる。

膜分離法は、二酸化炭素と他の成分とを分離する分離膜を使用して、二酸化炭素を他の成分から分離する。この場合、分離膜中に取り込まれた二酸化炭素が膜材料間に疑似架橋を形成し、他のガスの透過を遮断する分子ゲート膜が使用できる。

メタン製造ユニット２０は、図示するように逆シフト反応を行なう逆シフト反応装置２１と、メタネーション反応を行なうメタネーション反応装置２２とを備える。そして、この両反応装置による２段階反応によりメタンを製造する。
逆シフト反応装置２１は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を水素（Ｈ_２）で還元し、一酸化炭素（ＣＯ）および水（Ｈ_２Ｏ）を生成する（逆シフト反応）。この反応は、下記式（１）で表すことができる。

ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ → ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ …（１）

式（１）の反応は、吸熱反応である。また、可逆反応であり、二酸化炭素、水素、一酸化炭素、水の組成比は化学平衡の状態にある。そして、高温であるほど一酸化炭素が生成する側（右側）に化学平衡が偏るため、例えば、逆シフト反応は、７００℃〜１１００℃の温度範囲で行なう。また、この反応は、触媒の存在下で行なってもよい。触媒としては、例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）等のニッケル系触媒が用いられる。また、ルテニウム（Ｒｕ）等のルテニウム系触媒が用いられる。さらに具体的には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化チタン（ＴｉＯ_３）等の担持体に酸化ニッケルやルテニウムを担持させた触媒を用いることができる。触媒を用いることで、反応温度を低下させることができる場合がある。

メタネーション反応装置２２は、一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ_２）からメタン（ＣＨ_４）と水（Ｈ_２Ｏ）を生成する（メタネーション反応）。この反応は、下記式（２）で表すことができる。

ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ → ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ …（２）

式（２）の反応は、発熱反応であり、一酸化炭素、水素、メタン、水の組成比は化学平衡の状態にある。そして、低温であるほどメタンが生成する側（右側）に化学平衡が偏るため、メタネーション反応は、より低温の温度範囲で行なうことが好ましい。また、この反応は、触媒の存在下で行なってもよい。触媒としては、上述したニッケル系触媒やルテニウム系触媒が用いられる。

上記式（１）で示す逆シフト反応の反応エンタルピーは、Δ_ｒＨ＝４０．１ｋＪである。また、上記式（２）で示すメタネーション反応の反応エンタルピーは、Δ_ｒＨ＝−２０５．６ｋＪである。よって全体では、発熱反応となる。そのため逆シフト反応で吸熱される熱源として、メタネーション反応で発熱する熱を利用することができる。さらに、余剰となった熱は、図示しない熱交換装置により回収し、後述するたんぱく質製造ユニット３０や乾燥ユニット５０で利用することができる。

逆シフト反応装置２１およびメタネーション反応装置２２は、例えば、多管式反応器である。多管式反応器は、複数の反応管を備え、それぞれの反応管の中に触媒が充填されている。図１では、逆シフト反応装置２１の反応管を管２１１として、メタネーション反応装置２２の反応管を管２２１として図示している。そして、管２１１、２２１の中を、上述した二酸化炭素、水素、一酸化炭素を流通させることで反応が進行する。

また、逆シフト反応装置２１およびメタネーション反応装置２２は、図１では、それぞれ１つずつであるが、複数設け、多段階式としてもよい。これにより未反応ガスが減少し、一酸化炭素やメタンの濃度が上昇する。

たんぱく質製造ユニット３０は、たんぱく質製造手段の一例であり、メタン資化菌を利用し、メタン製造ユニット２０で製造されたメタンを基にたんぱく質を製造する。
たんぱく質製造ユニット３０は、反応槽３１と、撹拌翼３２とを備える。

反応槽３１には、メタン資化菌を培養する培養液Ｂが充填される。培養液Ｂは、水中にメタン、酸素、アンモニアが溶解したものである。培養液Ｂは、メタン資化菌を培養するのに適したｐＨおよび温度に保たれる。本実施の形態では、ｐＨは、例えば、６以上８以下のほぼ中性であることが好ましい。また、温度は、例えば、３０℃以上５０℃以下であることが好ましい。この場合、培養液Ｂは、メタン製造ユニット２０で生成された熱を利用して予め定められた温度範囲に保持される。即ち、メタン製造ユニット２０のメタネーション反応装置２２に配される、図示しない熱交換器で熱を回収し、その熱を同様に熱交換器を利用して、反応槽３１に供給する。また、メタン製造ユニット２０から供給される熱では、不足が生じるため、不足分は、他の方法で供給を行なう。例えば、ヒートポンプで得た熱を使用したり、天然ガスの燃焼熱を使用する。
なお、他に溶存酸素測定器等を用いて、培養液Ｂ中の溶存酸素量を予め定められた範囲とするようにしてもよい。

メタン資化菌は、メタンを栄養源として生育する好気性菌であれば特に限定されない。メタン資化菌としては、例えば、Methylosinus trichosporium（メチロサイナス・トリコスポリウム）（OB3b）、Methylococcus capsulatus（メチロコッカス・カプスラタス）、Methylococcus thermophilus（メチロコッカス・サーモフィルス）、Methylosinus trichosporium（メチロサイナス・トリコスポリウム）、Methylosinus sporium（メチロサイナス・スポリウム）、Methylocystis parvus（メチロシスティス・ パルバス）、Methylocystis echinoides（メチロシスティス・エキノイデス）、Methylocystis pyriformis（メチロシスティス・ピリホルミス）、Methylocystis minimus（メチロシスティス・ミニムス）などが挙げられる。

たんぱく質製造ユニット３０には、メタン製造ユニット２０にて製造されたメタンおよび水が、混合状態で供給される。本実施の形態では、メタンおよび水を混合物として、メタン製造ユニット２０からたんぱく質製造ユニット３０にそのまま供給できるため、分離等の処理が必要ない。また、たんぱく質製造ユニット３０は、メタン製造ユニット２０で生成された熱を保持した状態で混合物が供給される。これにより、反応槽３１内の温度を維持するための熱として利用することができる。

さらにこのとき、たんぱく質製造ユニット３０は、メタンと水の混合比を調整する水を供給する水供給手段を備えてもよい。これによりメタンと水の混合比をより好ましい状態とするとともに、メタンと水の混合物の温度を下げ、反応槽３１に供給するのに適した温度とすることができる。

また、たんぱく質製造ユニット３０には、電解ユニット１０で製造された酸素が供給される。これによりメタン資化菌が生育するのに必要な酸素が供給される。さらに、たんぱく質製造ユニット３０には、メタン資化菌の栄養源として、アンモニア（ＮＨ_３）が供給される。これによりメタン資化菌により、たんぱく質を製造する上で必要な窒素分を供給する。

撹拌翼３２は、培養液Ｂを撹拌する。これにより沈殿物の沈殿を防止し、培養液Ｂ中に、より均一にメタン資化菌、メタン、酸素およびアンモニアを分布させる。

メタン、水および酸素は、バブリング装置３３から供給される。バブリング装置３３は、反応槽３１の底部に設けられる。バブリング装置３３により、気体成分であるメタンおよび酸素は、マイクロバブル化し、培養液Ｂ中を下方から上方へ向けて上昇する。この過程において、メタンおよび酸素が、メタン資化菌に供給される。また、水は、培養液Ｂの一部となる。よってバブリング装置３３は、電解ユニット１０により製造された酸素とメタン製造ユニット２０により製造されたメタンとをたんぱく質製造ユニットに供給する供給手段であると捉えることができる。

また、メタン資化菌がたんぱく質を製造する際には、二酸化炭素が排出される。この二酸化炭素は、前述したように、メタン製造ユニット２０の逆シフト反応装置２１に供給され、原料として活用される。

たんぱく質製造ユニット３０は、原料の供給、反応、生成物の排出の一連の工程を１サイクルとして繰り返すバッチ方式で行なうことができる。ただしこれに限られるものではなく、一定周期で培養液Ｂの半量を取り出すとともに培養液Ｂの半量を同時に供給する半連続方式や、反応槽３１の一方より培養液Ｂの一定量を連続的に取り出しながら、反応槽３１の他方に培養液Ｂの一定量を新たに連続的に供給する連続方式によっても実現することができる。

分離ユニット４０は、たんぱく質を他の成分から分離する。分離ユニット４０は、例えば、遠心分離機であり、回転による遠心力を利用して固体と液体を分離させる。よって分離ユニット４０は、固液分離装置（固液分離手段）であると捉えることもできる。分離ユニット４０で分離される固形分は、たんぱく質である。一方、分離ユニット４０で分離される液分は、培養液Ｂやメタン資化菌であり、たんぱく質製造ユニット３０に戻される。

乾燥ユニット５０は、乾燥手段の一例であり、たんぱく質製造ユニット３０で製造され、分離ユニット４０で分離されたたんぱく質を乾燥する。乾燥ユニット５０は、加熱により、分離ユニット４０で分離された固形分中の水分を蒸発させ、乾燥を行なう。乾燥ユニット５０は、例えば、通常の乾燥機である。乾燥機としては、特に限られるものではないが、例えば、熱風乾燥機を使用することができる。つまり空気を加熱し、加熱した空気をファンにより熱風とし、この熱風によりたんぱく質を乾燥させる。熱風乾燥機としては、バンド型、トンネル型、箱型等を挙げることができる。またこのとき、単に乾燥させるだけでなく、ペレット化を行なってもよい。

乾燥ユニット５０は、たんぱく質製造ユニット３０と同様に、メタン製造ユニット２０で生成された熱を利用することで、乾燥を行なう。ただしメタン製造ユニット２０から供給される熱では、不足が生じるため、不足分は、例えば、ヒートポンプで得た熱を使用したり、天然ガスの燃焼熱を使用する。

また、乾燥ユニット５０は、電解ユニット１０で製造された酸素を使用して生成された熱をさらに利用して乾燥を行なうこともできる。つまり天然ガスを利用する場合、天然ガスを燃焼させる際に、酸素を供給すると、これにより燃焼温度が上昇する。その結果、天然ガスの必要量を削減できる。

制御装置６０は、制御手段の一例であり、上述した電解ユニット１０、メタン製造ユニット２０、たんぱく質製造ユニット３０、分離ユニット４０、および乾燥ユニット５０の少なくとも一部の制御を行なうコンピュータ装置である。そして、制御装置６０は、ソフトウェアとハードウェア資源とを協働させ各ユニットの制御を行なう。即ち、制御装置６０に設けられた制御用コンピュータ内部のＣＰＵ（Central Processing Unit）が、各ユニットの制御を実現するプログラムを、例えばハードディスク等の外部記憶装置からメインメモリに読み込み、このプログラムを実行することで、各ユニットの制御を行なう。

具体的には、各ユニットの温度、ｐＨ、ガスの流量等の情報を取得し、この情報に応じて温度、ｐＨ、ガスの流量等を調整して、各ユニットが、より適した条件で動作するように制御する。また、各ユニットが協調して動作するように制御する。

またこのとき、たんぱく質製造ユニット３０において製造されるたんぱく質の量に合わせ、電気分解手段、メタン製造手段および供給手段を制御することが好ましい。つまりたんぱく質製造ユニット３０は、メタン資化菌の種類や量により処理量が定まり、処理量を制御するのが比較的困難である。対して、他の電解ユニット１０、メタン製造ユニット２０、分離ユニット４０および乾燥ユニット５０は、処理量の制御が比較的容易である。そのためたんぱく質製造ユニット３０に合わせ、他のユニットを制御することが好ましい。

＜たんぱく質製造システムの動作の説明＞
図３は、本実施の形態のたんぱく質製造システム１の動作について説明したフローチャートである。また、以下に説明するたんぱく質製造システム１の動作は、たんぱく質の製造方法であると捉えることもできる。
まず電解液を入れた電解ユニット１０に、電力を供給し、水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する（ステップ１０１：電気分解工程）。

本実施の形態では、上述したように再生可能エネルギー発電装置により発生した電力を使用することができる。本実施の形態では、このうち太陽光や風力を基に発電を行なう。即ち、ソーラーパネル等に例示される太陽電池で太陽光を受け、直接電力に変換する太陽光発電（ＰＶ：Photovoltaics）や、風の力により羽を回転させ、羽の回転エネルギーを電力に変換する風力発電を行なう。また、電気分解工程では、制御装置６０が、電解ユニット１０を制御し、電力量や電解液の供給量を制御する。

次に、メタン製造ユニット２０の逆シフト反応装置２１により、二酸化炭素を水素で還元し、一酸化炭素および水を生成する逆シフト反応を行なう（ステップ１０２：逆シフト反応工程）。使用する二酸化炭素の一部は、後述するたんぱく質製造工程において、メタン資化菌により排出されたものを利用する。また、水素は、電解ユニット１０で電気分解工程により製造された水素を使用することで、全量を賄うことができる。逆シフト反応工程では、制御装置６０が、逆シフト反応装置２１を制御し、二酸化炭素や水素の供給量を制御する。

さらに、メタン製造ユニット２０のメタネーション反応装置２２により、一酸化炭素と水素からメタンと水を生成する（ステップ１０３：メタネーション反応工程）。一酸化炭素は、逆シフト反応装置２１で行なう逆シフト反応工程により得られる。また、水素は、電解ユニット１０で行なう電気分解工程で製造された水素を使用する。このメタネーション反応工程では、制御装置６０が、メタネーション反応装置２２を制御し、一酸化炭素や水素の供給量を制御する。

逆シフト反応工程とメタネーション反応工程は、まとめて水素と二酸化炭素とを反応させメタンを製造するメタン製造工程であるとして捉えることができる。

次に、たんぱく質製造ユニット３０により、電気分解工程により製造された酸素とメタン製造工程により製造されたメタンとをメタン資化菌に供給し、たんぱく質を製造する（ステップ１０４：たんぱく質製造工程）。たんぱく質製造ユニット３０には、メタン製造工程にて製造されたメタンおよび水が、混合状態で供給される。さらにこの際に、電解ユニット１０で行なう電気分解工程で製造された酸素が供給される。メタン資化菌は、メタンを栄養源としてたんぱく質を製造する。さらに、たんぱく質製造ユニット３０には、アンモニアが供給され、メタン資化菌の栄養源となる。

さらに、たんぱく質製造ユニット３０では、熱が供給され、反応槽３１内の温度を、メタン資化菌の生育に適した一定の温度に保持する。本実施の形態では、温度を約４０℃とする。この熱の一部として、メタン製造工程で発生した熱を使用することができる。また、天然ガスの燃焼熱を使用することができ、この際には、電気分解工程により製造された酸素を供給することで燃焼温度を上昇させる。

なお、メタン資化菌がたんぱく質を製造する際に排出する二酸化炭素は、逆シフト反応装置２１で行なう逆シフト反応工程で消費される。

このたんぱく質製造工程では、制御装置６０が、水とメタンの混合物の供給量を制御する。また、制御装置６０は、酸素の供給量を制御する。さらに、制御装置６０は、熱交換器や天然ガスの燃焼を制御し、反応槽３１内の温度を、予め定められた温度範囲に保持する。また、天然ガスによる燃焼熱を使用せず、ヒートポンプを使用する場合は、ヒートポンプを制御する。さらに、制御装置６０は、反応槽３１内の培養液ＢのｐＨをモニタリングし、酸溶液やアルカリ溶液を供給することで、ｐＨを制御することもできる。またさらに、制御装置６０は、培養液Ｂ中の溶存酸素量を管理する場合は、これに応じて酸素の供給量を制御することもできる。

次に、分離ユニット４０により、たんぱく質を他の成分から分離する（ステップ１０５：分離工程）。分離工程により培養液Ｂは、固形分と液分に分離され、液分は、反応槽３１に戻される。一方、固形分は、たんぱく質である。

この分離工程では、制御装置６０が、分離ユニット４０である遠心分離機等の運転を制御することもできる。

そして、乾燥ユニット５０により、分離ユニット４０で分離されたたんぱく質を乾燥する（ステップ１０５：乾燥工程）。乾燥されたたんぱく質は、製品であり、例えば、袋詰めされ、出荷される。

乾燥工程は、たんぱく質製造工程と同様に、乾燥を行なう熱の一部として、メタン製造工程で発生した熱を使用することができる。また、天然ガスの燃焼熱を使用することができ、この際には、電気分解工程により製造された酸素を供給することで燃焼温度を上昇させる。

この乾燥工程では、制御装置６０が、乾燥ユニット５０である熱風乾燥機等の運転を制御することもできる。即ち、制御装置６０は、熱交換器や天然ガスの燃焼を制御し、熱風の温度を、予め定められた温度範囲に保持する。

以上説明したたんぱく質製造システム１によれば、原料として天然ガスを使用せず、メタン製造ユニット２０により製造されたメタンを利用する。そのため有限な資源である天然ガスを使用しない形態とすることが可能である。そのため持続的なたんぱく質の製造が可能となる。また、このメタンは、再生可能エネルギーにより製造される場合、ＣＯ_２ニュートラルなメタンである。よって地球温暖化ガスの排出を抑制し、環境負荷が小さい。

以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明は、その要旨を越えない限りこれらの実施例により限定されるものではない。

本実施例では、図１に示すたんぱく質製造システム１を用いて、たんぱく質を１ｔ製造した。
このとき、電解ユニット１０では、電解液Ｄに使用する水として、５．４ｔの水を供給した。また、水の電気分解に使用する電力として、２７，２００ｋＷｈの電力を供給した。この電力として、太陽光発電および風力発電により発生した電力を使用した。この結果、電解ユニット１０では、３，４００Ｎｍ^３（ノルマルリューベ）の酸素と、６，８００Ｎｍ^３の水素が発生した。

次に、メタン製造ユニット２０によりメタンを製造した。メタン製造ユニット２０で使用する水素として、電解ユニット１０で発生した水素を全量供給した。また同様に、メタン製造ユニット２０で使用する二酸化炭素としては、１，２７５Ｎｍ^３を火力発電所から供給される二酸化炭素を利用し、８５０Ｎｍ^３をたんぱく質製造ユニット３０でメタン資化菌から排出される二酸化炭素を利用した。これにより１，７００Ｎｍ^３のメタンと２．７ｔの水を製造した。

さらに、たんぱく質製造ユニット３０によりたんぱく質を製造した。このとき、メタン製造ユニット２０により製造されたメタンと水とを混合状態で全量供給した。また、濃度調整のため、反応槽３１に１６．１ｔの水を供給した。さらに、電解ユニット１０で製造した酸素のうち２，１２０Ｎｍ^３の酸素を供給するとともに、１３８ｋｇのアンモニアを供給した。そして、メタン製造工程で発生した熱を使用し、反応槽３１内の温度を約４０℃に保持した。

次に、分離ユニット４０により、固形分と液分とに分離し、液分は、反応槽３１に戻すとともに、固形分は、乾燥ユニット５０に送った。この固形分は、水分を含んだ１ｔのたんぱく質からなる。

そして、乾燥ユニット５０により、固形分を乾燥させたところ、１ｔの乾燥したたんぱく質を製造することができた。この際に、電解ユニット１０で製造し、たんぱく質製造ユニット３０で使用した分を除く１，２８０Ｎｍ^３の酸素を使用して、天然ガスを燃焼させ、この燃焼熱を乾燥させる際の熱源とした。

１…たんぱく質製造システム、１０…電解ユニット、２０…メタン製造ユニット、２１…逆シフト反応装置、２２…メタネーション反応装置、３０…たんぱく質製造ユニット、３１…反応槽、３２…撹拌翼、３３…バブリング装置、４０…分離ユニット、５０…乾燥ユニット、６０…制御装置

Claims (14)

1. 水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解手段と、
   前記水素と二酸化炭素とを反応させメタンを製造するメタン製造手段と、
   メタン資化菌を利用し、前記メタンを基にたんぱく質を製造するたんぱく質製造手段と、
   前記電気分解手段により製造された酸素と前記メタン製造手段により製造されたメタンとを前記たんぱく質製造手段に供給する供給手段と、
   を有するたんぱく質製造システム。
2. 前記メタン製造手段において使用する二酸化炭素は、前記メタン資化菌により排出されたものを含むことを特徴とする請求項１に記載のたんぱく質製造システム。
3. 前記メタン製造手段は、前記メタンとともに水を製造し、製造された水は、当該メタンとの混合状態で前記たんぱく質製造手段に供給されることを特徴とする請求項１に記載のたんぱく質製造システム。
4. 前記たんぱく質製造手段は、前記メタン製造手段で生成された熱を利用して予め定められた温度範囲に保持することを特徴とする請求項１に記載のたんぱく質製造システム。
5. 前記たんぱく質製造手段で製造されたたんぱく質を乾燥する乾燥手段をさらに有し、
   前記乾燥手段は、前記メタン製造手段で生成された熱を利用して乾燥を行なうことを特徴とする請求項１に記載のたんぱく質製造システム。
6. 前記乾燥手段は、前記電気分解手段で製造された酸素を使用して生成された熱をさらに利用して乾燥を行なうことを特徴とする請求項５に記載のたんぱく質製造システム。
7. 前記乾燥手段は、天然ガスを前記電気分解手段で製造された酸素を使用して燃焼させた熱を利用して乾燥を行なうことを特徴とする請求項６に記載のたんぱく質製造システム。
8. 前記電気分解手段は、再生可能エネルギー発電装置により発生した電力を使用して水の電気分解を行なうことを特徴とする請求項１に記載のたんぱく質製造システム。
9. 前記たんぱく質製造手段において製造されるたんぱく質の量に合わせ、前記電気分解手段、前記メタン製造手段および前記供給手段を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のたんぱく質製造システム。
10. 水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解工程と、
    前記水素と二酸化炭素とを反応させメタンを製造するメタン製造工程と、
    前記電気分解工程により製造された酸素と前記メタン製造工程により製造されたメタンとをメタン資化菌に供給し、たんぱく質を製造するたんぱく質製造工程と、
    を有するたんぱく質の製造方法。
11. 水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解手段と、
    前記水素と二酸化炭素とを反応させメタンおよび水を製造するメタン製造手段と、
    メタン資化菌を利用し、前記メタン製造手段により製造された前記メタンおよび前記水の混合物を基に、たんぱく質を製造するたんぱく質製造手段と、
    を有するたんぱく質製造システム。
12. 前記たんぱく質製造手段は、前記メタン製造手段で生成された熱を保持した状態で前記混合物が供給されることを特徴とする請求項１１に記載のたんぱく質製造システム。
13. 前記メタン製造手段により製造された前記メタンと前記水の混合比を調整する水を供給する水供給手段をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載のたんぱく質製造システム。
14. 水の電気分解を行ない、水素と酸素とを製造する電気分解工程と、
    前記水素と二酸化炭素とを反応させメタンおよび水を製造するメタン製造工程と、
    メタン資化菌を利用し、前記メタン製造工程により製造された前記メタンおよび前記水の混合物を基に、たんぱく質を製造するたんぱく質製造工程と、
    を有するたんぱく質の製造方法。

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