JP2020178534A - Method for producing microbial metabolites and microbial metabolite production reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は微生物の代謝物の製造方法及び微生物の代謝物生産リアクターに関し、特に微生物燃料電池を用いた微生物の代謝物の製造方法及び微生物の代謝物生産リアクターに関する。 The present invention relates to a method for producing a microbial metabolite and a microbial metabolite production reactor, and more particularly to a method for producing a microbial metabolite using a microbial fuel cell and a microbial metabolite production reactor.
微生物は日常生活になくてはならない身近な存在である。これまでの長い歴史の中でも、例えば、環境浄化、食料品製造、医薬品製造等において、微生物によるバイオプロセスが広く活用されており、その力を借りずしては成し得ることが困難であった。微生物によるバイオプロセスの例としては、微生物が有機物を餌にすることを利用し、環境浄化では微生物を用いた活性汚泥法による水処理により生活排水を浄化している。他の例としては、微生物の代謝作用を利用して、食料品分野では多くの発酵食品（醤油、酒、味噌、ヨーグルトなど）を製造したり、医薬品分野では治療薬（糖尿病治療薬など）を製造している。また、微生物の代謝作用の違いにより独特の代謝物を生み出すことが知られており、例えば、食料品では同じ原材料を用いても微生物の代謝作用を用いることで独特の香りやうまみを生み出せることが知られている。現在でもまだなお微生物代謝の有用性は計り知れない。
一方、近年では微生物を用いた発電に注目した微生物燃料電池の開発が進められている。微生物燃料電池は、微生物が有機物を分解しながら同時に発電する仕組みのため、省エネルギーの水浄化方法としての検討が進んでいる（非特許文献１）。しかしながら、微生物燃料電池を用いた他の研究例はあまり見られない。
Microorganisms are familiar to us in our daily lives. In the long history so far, for example, in environmental purification, food manufacturing, pharmaceutical manufacturing, etc., bioprocesses by microorganisms have been widely used, and it was difficult to achieve without their help. .. As an example of bioprocess by microorganisms, the use of microorganisms feeding on organic matter is used, and in environmental purification, domestic wastewater is purified by water treatment by the activated sludge method using microorganisms. Other examples include the use of microbial metabolism to produce many fermented foods (soy sauce, liquor, miso, yogurt, etc.) in the food sector, and therapeutic agents (antidiabetic medications, etc.) in the pharmaceutical sector. Manufacture. In addition, it is known that unique metabolites are produced due to the difference in the metabolic action of microorganisms. For example, in food products, even if the same raw materials are used, it is possible to produce a unique aroma and umami by using the metabolic action of microorganisms. Are known. Even now, the usefulness of microbial metabolism is immeasurable.
On the other hand, in recent years, the development of microbial fuel cells focusing on power generation using microorganisms has been promoted. Microbial fuel cells are being studied as an energy-saving water purification method because they have a mechanism in which microorganisms decompose organic substances and generate electricity at the same time (Non-Patent Document 1). However, there are not many other studies using microbial fuel cells.
上述したように、微生物燃料電池は、微生物から電子を受け取ることができる。一方、微生物の代謝物は、微生物の代謝反応である複雑な酸化還元反応を経て産出される。微生物の代謝反応を制御することにより、生産する代謝物の量や種類を制御することができれば、産業的な利用価値としても大きい。また、代謝反応を制御するためには、培地や微生物の状態を簡易かつ精度よくモニタリングすることも必要である。本発明の目的は、微生物燃料電池を用いて微生物の代謝を制御する微生物の代謝物の製造方法に関し、さらには、培地や微生物の状態を精度よくモニタリングしながら微生物の代謝物を製造する方法を提供することである。 As mentioned above, microbial fuel cells can receive electrons from microorganisms. On the other hand, microbial metabolites are produced through a complex redox reaction, which is a microbial metabolic reaction. If the amount and type of metabolites produced can be controlled by controlling the metabolic reaction of microorganisms, it will have great industrial utility value. In addition, in order to control the metabolic reaction, it is also necessary to monitor the state of the medium and microorganisms easily and accurately. An object of the present invention is a method for producing a microbial metabolite that controls the metabolism of a microorganism using a microbial fuel cell, and further a method for producing a microbial metabolite while accurately monitoring the state of a medium or a microorganism. Is to provide.
本発明者らは、前記の諸問題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明に至った。本発明は、培地に配置された微生物燃料電池を備えた微生物の代謝物生産リアクターを用いて、微生物の代謝を制御することを特徴とする微生物の代謝物の製造方法に関する。 The present inventors have arrived at the present invention as a result of repeated diligent studies to solve the above-mentioned problems. The present invention relates to a method for producing a microbial metabolite, which comprises controlling the microbial metabolism using a microbial metamorphic product production reactor equipped with a microbial fuel cell arranged in a medium.
本発明により、微生物燃料電池を用いて微生物の代謝を制御する微生物の代謝物の製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a microbial metabolite that controls microbial metabolism using a microbial fuel cell.
＜微生物燃料電池の説明＞
まず、本発明で用いられる微生物燃料電池について、図１に示す模式図を用いて説明する。図１に示すように、微生物燃料電池１０は、カソード（正極）１１およびアノード（負極）１２を備える。カソード１１は、空気と触れることができる位置に配置されている。アノード１２は、培地１５の内部に埋設されている。すなわち、本実施の形態にかかる発明において培地１５とは、微生物が代謝反応を起こせることができる場所であればどのようなものであってもよい。
<Explanation of microbial fuel cell>
First, the microbial fuel cell used in the present invention will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG. As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell 10 includes a cathode (positive electrode) 11 and an anode (negative electrode) 12. The cathode 11 is arranged at a position where it can come into contact with air. The anode 12 is embedded inside the medium 15. That is, in the invention according to the present embodiment, the medium 15 may be any place as long as the microorganism can cause a metabolic reaction.
カソード１１は、例えばカーボンフェルト等のカーボン材料を用いて構成することができる。また、カソード１１は、基材（カーボンフェルト等のカーボン材料やステンレス等の金属材料）に、導電性カーボンや酸素還元触媒をコーティングしたものを用いてもよい。このとき使用する基材は、メッシュ状やパンチングメタル等の多孔性の材料が好ましい。 The cathode 11 can be constructed using a carbon material such as carbon felt. Further, as the cathode 11, a base material (carbon material such as carbon felt or metal material such as stainless steel) coated with conductive carbon or an oxygen reduction catalyst may be used. The base material used at this time is preferably a porous material such as a mesh or a punching metal.
また、アノード１２も同様に、例えばカーボンフェルト等のカーボン材料を用いて構成することができる。また、アノード１２は、基材（カーボンフェルト等のカーボン材料やステンレス等の金属材料）に、導電性カーボンや有機物酸化触媒をコーティングしたものを用いてもよい。このとき使用する基材は、メッシュ状やパンチングメタル等の多孔性の材料が好ましい。 Similarly, the anode 12 can also be configured by using a carbon material such as carbon felt. Further, as the anode 12, a base material (carbon material such as carbon felt or metal material such as stainless steel) coated with conductive carbon or an organic oxidation catalyst may be used. The base material used at this time is preferably a porous material such as a mesh or a punching metal.
培地１５には微生物と、有機物（炭水化物源、窒素源）などの栄養源と、ミネラル、ビタミンなどを適度に組み合わせたものが含まれており、微生物はアノード１２の表面に定着している。本実施の形態にかかる発明では、培地１５はイオン伝導性のあるものであればよい。ここで、培地１５とは、培養液などの液体状でもよいし、ペーストなどの半固体状であってもよいし、粒子やゲルなどの固体状でもよい。また、有機物を分解して電力を発生することができる微生物であれば、どのような微生物を用いてもよい。 The medium 15 contains a suitable combination of microorganisms, nutrient sources such as organic substances (carbohydrate source, nitrogen source), minerals, vitamins and the like, and the microorganisms are settled on the surface of the anode 12. In the invention according to the present embodiment, the medium 15 may be any medium having ionic conductivity. Here, the medium 15 may be in a liquid form such as a culture solution, in a semi-solid form such as a paste, or in a solid form such as particles or gel. Further, any microorganism may be used as long as it is a microorganism capable of decomposing organic matter to generate electric power.
また、有機物とは、一般的に有機化合物と呼ばれるものを示すが、具体例としては、炭水化物、タンパク質、有機酸、アミノ酸、糖類、脂質などが挙げられる。なお、例えば、培地１５に存在する微生物の数が少ない場合は、予め微生物をアノード１２に植種等してもよい。 The organic substance generally refers to an organic compound, and specific examples thereof include carbohydrates, proteins, organic acids, amino acids, sugars, and lipids. For example, when the number of microorganisms present in the medium 15 is small, the microorganisms may be planted in the anode 12 in advance.
また、カソード１１やアノード１２の反応を促進させるために、培地１５中にメディエーターを添加しても良い。 Further, a mediator may be added to the medium 15 in order to promote the reaction of the cathode 11 and the anode 12.
用いる微生物は、代謝物を生産する微生物であれば、どのような微生物でも良いが、発酵食品であれば、カビ、酵母、細菌が挙げられ、具体的には、麹カビ属、青カビ属、毛カビ属、クモノスカビ属、モナスクス属などのカビ、サッカロミセス属、キャンディダ属などの酵母、乳酸菌、酢酸菌、納豆菌、プロピオン酸菌などの細菌が挙げられる。 The microorganism used may be any microorganism as long as it is a microorganism that produces metabolites, but if it is a fermented food, mold, yeast, and bacteria can be mentioned. Specifically, the genus Koji mold, the genus Blue mold, and the hair Examples include molds such as molds, spiders, and monascus, yeasts such as saccharomyces and canida, and bacteria such as lactic acid bacteria, acetic acid bacteria, natto bacteria, and propionic acid bacteria.
微生物燃料電池の反応について、培地１５が酸性状態の場合の例を示す。図１に示すように、アノード１２では、微生物の代謝によって有機物が分解される。このとき、下記の式１に示す反応が生じる。 An example of the reaction of the microbial fuel cell when the medium 15 is in an acidic state is shown. As shown in FIG. 1, at the anode 12, organic matter is decomposed by the metabolism of microorganisms. At this time, the reaction represented by the following formula 1 occurs.
有機物＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・式１ Organics + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e - ··· Formula 1
式１の反応で発生した電子（ｅ−）はアノード１２に取り込まれてカソード１１側へと移動する。また、式１の反応で発生したプロトン（Ｈ＋）は、培地１５中を通過して、カソード１１側へと移動する。 The electrons (e − ) generated in the reaction of the formula 1 are taken into the anode 12 and move to the cathode 11 side. Further, the proton (H + ) generated in the reaction of the formula 1 passes through the medium 15 and moves to the cathode 11 side.
また、カソード１１では、アノード１２側から移動してきた電子とプロトン、及びカソード１１付近の酸素が下記の式２に示す反応をする。 Further, at the cathode 11, electrons and protons that have moved from the anode 12 side and oxygen near the cathode 11 undergo the reaction shown in the following formula 2.
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ ・・・式２ O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O ··· type 2
そして、上記の式１および式２に示す反応が繰り返されることで、カソード１１とアノード１２との間に起電力が発生する。このような動作により、微生物燃料電池において電力が生成される。 Then, by repeating the reactions shown in the above formulas 1 and 2, an electromotive force is generated between the cathode 11 and the anode 12. By such an operation, electric power is generated in the microbial fuel cell.
＜カソードおよびアノードの配置例＞
次に、カソード１１およびアノード１２の配置例について説明する。図２は、代謝物を製造する容器１６中に培地１５が収容されている。微生物燃料電池のカソードおよびアノードの配置例を説明するための断面図であり、容器１６中におけるカソードおよびアノードの配置例を示している。
<Cathode and anode arrangement example>
Next, an example of arranging the cathode 11 and the anode 12 will be described. In FIG. 2, the medium 15 is contained in a container 16 for producing a metabolite. It is sectional drawing for demonstrating the arrangement example of the cathode and the anode of the microbial fuel cell, and shows the arrangement example of the cathode and the anode in a container 16.
上述したように、カソード１１では上記式２に示した反応を生じさせる必要があるので、カソード１１は空気（酸素）と触れる位置に配置する必要がある。したがって、図２に示すカソード１１_１のように培地１５の表面に配置することが好ましい。また、カソード１１_２のように培地中に筒等の空気と培地とを隔てる壁を設けて形成した凹部の底（培地と空気の界面）に配置してもよい。また、カソード１１_３のように、容器の側部にカソードを配置してもよい。この場合はカソード１１_３の上端が空気と触れるように配置することが好ましい。また、カソード１１_４のように、容器１６の側部に形成された穴にカソード１１_４を配置してもよい。このように配置することで、カソード１１_４の一方の面が空気と他方の面が培地１５とそれぞれ触れるようにすることができる。また、カソード１１_５のように、容器１６の底面にカソード１１_５を配置してもよい。この場合は容器１６の底面に穴を開けてカソード１１_５の一方の面が空気と触れるようにする。また、カソード１１_６のように、容器１６の底部に形成された穴にカソード１１_６を配置してもよい。このように配置することで、カソード１１_６の一方の面が空気と他方の面が培地１５と触れるようにすることができる。なお、図２に示すカソード１１_１〜１１_６の配置は一例であり、カソード１１を配置する位置は、空気（酸素）と触れる位置であればどのような場所であってもよい。 As described above, since it is necessary for the cathode 11 to cause the reaction shown in the above formula 2, the cathode 11 needs to be arranged at a position where it comes into contact with air (oxygen). Therefore, it is preferable to arrange it on the surface of the medium 15 as shown in FIG. 2 of the cathode 11_1. Further, it may be arranged at the bottom of a recess (the interface between the medium and the air) formed by providing a wall such as a cylinder in the medium that separates the air from the medium, such as the cathode 11_2. Further, the cathode may be arranged on the side of the container as in the cathode 11_3. In this case, it is preferable to arrange so that the upper end of the cathode 11_3 comes into contact with air. Further, the cathode 11_4 may be arranged in a hole formed in the side portion of the container 16 as in the cathode 11_4. By arranging in this way, one surface of the cathode 11_4 can come into contact with the air and the other surface can come into contact with the medium 15. Further, the cathode 11_5 may be arranged on the bottom surface of the container 16 as in the cathode 11_5. In this case, a hole is made in the bottom surface of the container 16 so that one surface of the cathode 11_5 comes into contact with air. Further, the cathode 11_6 may be arranged in a hole formed in the bottom of the container 16 as in the cathode 11_6. By arranging in this way, one surface of the cathode 11_6 can come into contact with the air and the other surface can come into contact with the medium 15. The arrangement of the cathodes 11_1 to 11_6 shown in FIG. 2 is an example, and the position where the cathode 11 is arranged may be any position as long as it comes into contact with air (oxygen).
また、上述したように、アノード１２では、上記式１に示した反応を生じさせる必要があるので、微生物および有機物と接触するようにアノード１２を配置する必要がある。したがって、図２に示すアノード１２_１、１２_２のように培地１５の内部に埋設することが好ましい。なお、図２に示すアノード１２_１、１２_２の配置は一例であり、アノード１２を配置する位置は、微生物および有機物と接触する位置であればどのような場所であってもよい。 Further, as described above, since it is necessary for the anode 12 to cause the reaction shown in the above formula 1, it is necessary to arrange the anode 12 so as to come into contact with microorganisms and organic substances. Therefore, it is preferable to bury it inside the medium 15 as shown in the anodes 12_1 and 12_2 shown in FIG. The arrangement of the anodes 12_1 and 12_2 shown in FIG. 2 is an example, and the position where the anode 12 is arranged may be any position as long as it comes into contact with microorganisms and organic substances.
なお、図２では複数のカソード１１_１〜１１_２、及び複数のアノード１２_１、１２_２の配置例を示しているが、本実施の形態において微生物燃料電池を配置する際は、カソードとアノードとが対になるように配置することができる。例えば、カソード１１_１とアノード１２_１とを用いて１つの微生物燃料電池を構成することができる。また、本実施の形態では、複数の微生物燃料電池（すなわち、２対以上のカソードとアノードの組み合わせ）を培地１５に配置してもよい。また、カソードとアノードの個数が対にならないように配置してもよい。例えば、カソード１つに対してアノードが複数個となるように配置してもよい。なお、カソード及びアノードを配置する位置は、微生物燃料電池から取得するデータ（電力）に応じて適宜決定することができる。 Although FIG. 2 shows an arrangement example of a plurality of cathodes 11_1 to 11_2 and a plurality of anodes 12_1 and 12_2, when the microbial fuel cell is arranged in the present embodiment, the cathode and the anode are paired. Can be arranged as follows. For example, one microbial fuel cell can be constructed using the cathode 11_1 and the anode 12_1. Further, in the present embodiment, a plurality of microbial fuel cells (that is, a combination of two or more pairs of cathodes and anodes) may be arranged on the medium 15. Further, the number of cathodes and anodes may be arranged so as not to be paired. For example, a plurality of anodes may be arranged for one cathode. The positions where the cathode and the anode are arranged can be appropriately determined according to the data (electric power) acquired from the microbial fuel cell.
また、図２に示すように、本実施の形態では、カソード１１、アノード１２、及び電解質１３が一体となった微生物燃料電池セル１０_１を培地１５中に配置してもよい。この場合は、カソード１１が空気取り入れ孔１４を通して空気と触れるようにする必要がある。例えば、空気取り入れ孔１４は、容器の外部とカソード１１とを空間的に繋ぐホースを用いて構成してもよい。また、電解質１３は、イオンを伝導することができる材料を用いて構成することができる。また、微生物燃料電池セル１０_２を容器１６の底部に配置してもよい。この場合は、容器１６に形成された穴を通じて微生物燃料電池セル１０_２のカソードが空気と触れるようにする必要がある。また、微生物燃料電池セル１０_３はカソード１１、アノード１２、及び電解質１３が一体となったものをカソード１１が内側となるようにして空気と触れるようにし、アノード１２が外側となって培地と触れるようにして、筒型のような構成でもよいし、２つ以上の組み合わせの構成にして培地１５中に配置してもよい。 Further, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, the microbial fuel cell 10_1 in which the cathode 11, the anode 12, and the electrolyte 13 are integrated may be arranged in the medium 15. In this case, it is necessary to make the cathode 11 come into contact with air through the air intake hole 14. For example, the air intake hole 14 may be configured by using a hose that spatially connects the outside of the container and the cathode 11. Further, the electrolyte 13 can be constructed by using a material capable of conducting ions. Further, the microbial fuel cell 10_2 may be arranged at the bottom of the container 16. In this case, it is necessary to make the cathode of the microbial fuel cell 10_2 come into contact with air through the hole formed in the container 16. Further, in the microbial fuel cell 10_3, the cathode 11, the anode 12, and the electrolyte 13 are integrated so as to come into contact with air so that the cathode 11 is on the inside, and the anode 12 is on the outside and come into contact with the medium. Therefore, it may have a tubular shape or a combination of two or more and may be arranged in the medium 15.
なお、図２に示したカソード１１およびアノード１２の配置は一例であり、本実施の形態では、図２に示した位置以外にカソード１１およびアノード１２を配置してもよい。 The arrangement of the cathode 11 and the anode 12 shown in FIG. 2 is an example, and in the present embodiment, the cathode 11 and the anode 12 may be arranged in addition to the positions shown in FIG.
＜代謝物＞
次に、微生物の代謝物について説明する。本発明の代謝物とは、微生物が生体外部から取り入れた栄養源（有機物、無機物など）と体内の酵素などによる化学反応により生成される、新たな一次代謝物および二次代謝物を含む化合物のことをいう。微生物の代謝経路は、反応経路として生体内で全てつながっており、一つの代謝経路が変動することにより、他の代謝経路も影響を受け変動する。本発明では、微生物から電子を取り出して代謝経路を制御することで、微生物の代謝物の製造を制御する。代謝物は、微生物が代謝するものであれば、どのようなものでも製造することが可能であり、例えば、発酵食品、医薬品などが挙げられる。発酵食品であれば、微生物の代謝が変化することにより代謝物が変化し、通常の発酵により得られる食品と比べて、食品の栄養価が上がったり、独特の香りやうまみが生まれる。
<Biotransforms>
Next, the metabolites of microorganisms will be described. The biotransformer of the present invention is a compound containing new primary and secondary biotransformers produced by a chemical reaction between a nutrient source (organic substance, inorganic substance, etc.) taken from outside the living body by a microorganism and an enzyme in the body. Say that. The metabolic pathways of microorganisms are all connected in the living body as reaction pathways, and when one metabolic pathway fluctuates, the other metabolic pathways are also affected and fluctuate. In the present invention, the production of metabolites of microorganisms is controlled by extracting electrons from microorganisms and controlling metabolic pathways. The metabolite can be produced as long as it is metabolized by a microorganism, and examples thereof include fermented foods and pharmaceuticals. In the case of fermented foods, the metabolites change due to changes in the metabolism of microorganisms, and the nutritional value of the foods is increased and a unique aroma and taste are produced compared to foods obtained by normal fermentation.
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について説明する。図３は、実施の形態１にかかる微生物の代謝物製造リアクター１である。微生物燃料電池は、微生物を培養する培養液（培地１５）が添加された容器１６中に配置されている。なお、微生物燃料電池が備えるカソード１１およびアノード１２の配置は、図２に示した場合と同様に配置することができる。
<Embodiment 1>
Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 3 is a microbial metabolite production reactor 1 according to the first embodiment. The microbial fuel cell is arranged in a container 16 to which a culture solution (medium 15) for culturing microorganisms is added. The arrangement of the cathode 11 and the anode 12 included in the microbial fuel cell can be arranged in the same manner as in the case shown in FIG.
次に、微生物の代謝物の製造について説明する。代謝物の製造手順は、培養液中で微生物を培養した後、微生物の代謝反応により得られる代謝物を回収する一般的な代謝物の製造手順と同様に行うことが出来るが、本発明では微生物が代謝物を製造する際に、培養液中にカソード１１およびアノード１２が配置されているため、微生物から電子を取り出すことができる。すなわち、微生物の代謝反応中に微生物から電子を取り出して代謝反応を変化させることができるため、微生物が代謝する代謝物の量や種類も変化させることができる。また、微生物から取り出す電子の量や、電子を取り出すタイミングによっても微生物の代謝反応を変化させることができる。従って、目的とする代謝物に応じて、微生物燃料電池を作動させて微生物から電子を取り出し、微生物の代謝を制御することができる。 Next, the production of microbial metabolites will be described. The biotransformation production procedure can be carried out in the same manner as a general biotransformation production procedure for recovering the biotransformation obtained by the metabolic reaction of the microorganism after culturing the microorganism in the culture solution. Since the cathode 11 and the anode 12 are arranged in the culture medium when the biotransformate is produced, electrons can be extracted from the microorganism. That is, since electrons can be extracted from the microorganism during the metabolic reaction of the microorganism to change the metabolic reaction, the amount and type of the metabolite metabolized by the microorganism can also be changed. In addition, the metabolic reaction of the microorganism can be changed depending on the amount of electrons taken out from the microorganism and the timing of taking out the electrons. Therefore, it is possible to control the metabolism of the microorganism by operating the microbial fuel cell to extract electrons from the microorganism according to the target metabolite.
また、微生物の種類に応じて培養に適した培養条件で行うことが好ましく、微生物が活発に活動しやすい環境を整えることが重要である。培養温度は、微生物の種類に応じて培養に適した温度が好ましい。また、培地が培養液ではなく、ペースト状の半固体や固形物の混合物の場合は、培養に適した湿度で行うことが好ましい。 In addition, it is preferable to carry out under culture conditions suitable for culturing according to the type of microorganism, and it is important to prepare an environment in which microorganisms can easily act actively. The culture temperature is preferably a temperature suitable for culturing according to the type of microorganism. When the medium is not a culture solution but a paste-like semi-solid or a mixture of solids, it is preferable to carry out the culture at a humidity suitable for culture.
培養中の培養液を均一にするために、図３の撹拌羽１７を用いて培養液中を撹拌しても良いし、不要であれば撹拌をしなくても良い。また、微生物が呼吸などの好気的な環境が必要であれば、空気導入部１８により空気を培養液中に導入して曝気などをしてもよいし、曝気をしながら培養液を撹拌することで培養液全体に空気を行き渡らせるようにしてもよい。 In order to make the culture solution uniform during the culture, the culture solution may be stirred using the stirring blade 17 of FIG. 3, or may not be stirred if unnecessary. If the microorganism requires an aerobic environment such as respiration, air may be introduced into the culture solution by the air introduction unit 18 to aerate the culture solution, or the culture solution is agitated while being aerated. This may allow air to be distributed throughout the culture solution.
また、培養方法については、容器中の培養液を用いて微生物に代謝物を製造させた後に回収するバッチ式の回分培養法であっても良いし、培養液を連続的ないしは間欠的に容器に供給して代謝物を製造し続ける連続式の流加培養法であっても良い。 The culture method may be a batch-type batch culture method in which microorganisms are made to produce biotransforms using the culture solution in the container and then collected, or the culture solution is continuously or intermittently placed in the container. It may be a continuous fed-batch culture method in which the metabolite is continuously produced by feeding.
＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２にかかる代謝物製造リアクターを示すブロック図である。図４に示すように、代謝物製造リアクター２は、微生物燃料電池１０、解析部２１を備える。代謝物製造リアクター２は、培地中の有機物や微生物の活性度をモニタし、代謝物製造の状態を把握しながら代謝物を製造することができる。
<Embodiment 2>
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described. FIG. 4 is a block diagram showing a metabolite production reactor according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the metabolite production reactor 2 includes a microbial fuel cell 10 and an analysis unit 21. The biotransformation production reactor 2 can monitor the activity of organic substances and microorganisms in the medium and produce the biotransformation while grasping the state of the biotransformation production.
微生物燃料電池１０は、培地１５に配置されている。なお、微生物燃料電池１０が備えるカソード１１およびアノード１２の配置は、図２に示した場合と同様に配置することができる。なお、図４では微生物燃料電池１０を機能ブロックで示している。 The microbial fuel cell 10 is arranged on the medium 15. The arrangement of the cathode 11 and the anode 12 included in the microbial fuel cell 10 can be arranged in the same manner as in the case shown in FIG. In FIG. 4, the microbial fuel cell 10 is shown as a functional block.
解析部２１は、微生物燃料電池１０で発電された電力を解析する機能を有する。例えば、解析部２１は、コンピュータ等を用いて構成することができる。すなわち、解析用のプログラムをコンピュータ等で実行することで、解析処理を実施することができる。本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、解析部２１において微生物燃料電池１０で発電された電力を解析することで、培地１５の状態や微生物の活性度をモニタする。すなわち、微生物燃料電池１０で生成される電力と培地１５の状態や微生物の活性度とは互いに関連性を有しているので、微生物燃料電池１０で発電された電力を解析することで、培地１５の状態や微生物の活性度をモニタすることができる。 The analysis unit 21 has a function of analyzing the electric power generated by the microbial fuel cell 10. For example, the analysis unit 21 can be configured by using a computer or the like. That is, the analysis process can be executed by executing the analysis program on a computer or the like. In the biotransformation production reactor 2 according to the present embodiment, the analysis unit 21 analyzes the electric power generated by the microbial fuel cell 10 to monitor the state of the medium 15 and the activity of the microorganism. That is, since the power generated by the microbial fuel cell 10 and the state of the medium 15 and the activity of the microorganism are related to each other, the power generated by the microbial fuel cell 10 can be analyzed to analyze the medium 15. And the activity of microorganisms can be monitored.
本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２は、図４に示すように、さらに表示部を備えていてもよい。表示部２２は、解析部２１における解析結果を表示する。例えば、表示部２２は、液晶ディスプレイ等を用いて構成することができる。 As shown in FIG. 4, the metabolite production reactor 2 according to the present embodiment may further include a display unit. The display unit 22 displays the analysis result of the analysis unit 21. For example, the display unit 22 can be configured by using a liquid crystal display or the like.
本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、微生物燃料電池１０で発電された電力を解析することで培地１５の状態や微生物の活性度をモニタしている。ここで、微生物燃料電池１０で発電された電力とは、微生物燃料電池１０で発電された電力の電圧値（起電力）および電流値を含んでいる。つまり、解析部２１は、微生物燃料電池１０で発電された電力の電圧値および電流値の少なくとも一方を解析することで、培地１５の状態や微生物の活性度をモニタすることができる。 In the biotransformation production reactor 2 according to the present embodiment, the state of the medium 15 and the activity of the microorganism are monitored by analyzing the electric power generated by the microbial fuel cell 10. Here, the electric power generated by the microbial fuel cell 10 includes a voltage value (electromotive force) and a current value of the electric power generated by the microbial fuel cell 10. That is, the analysis unit 21 can monitor the state of the medium 15 and the activity of the microorganism by analyzing at least one of the voltage value and the current value of the electric power generated by the microbial fuel cell 10.
図５は、微生物燃料電池の電圧変化の一例を示す図である。図５に示す例は、微生物燃料電池１０を設置した時点でアノード１２に微生物が付着していない場合を示している。図５に示すように、微生物燃料電池１０を設置した時点（タイミングｔ１）では、アノード１２に微生物がほとんど付着していないので、分解される有機物の量が少ない。このためタイミングｔ１における微生物燃料電池１０の電圧値は低い値となる。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a voltage change of a microbial fuel cell. The example shown in FIG. 5 shows a case where microorganisms are not attached to the anode 12 at the time when the microbial fuel cell 10 is installed. As shown in FIG. 5, at the time when the microbial fuel cell 10 is installed (timing t1), since the microbial fuel hardly adheres to the anode 12, the amount of organic matter decomposed is small. Therefore, the voltage value of the microbial fuel cell 10 at the timing t1 becomes a low value.
タイミングｔ１以降、アノード１２に付着する微生物の量や分解される有機物の量が増えるにしたがって、微生物燃料電池１０の電圧値は上昇する（初期挙動）。 After the timing t1, the voltage value of the microbial fuel cell 10 increases as the amount of microorganisms adhering to the anode 12 and the amount of organic substances decomposed increase (initial behavior).
その後、タイミングｔ２では電圧上昇の変曲点となっており、タイミングｔ２〜ｔ３では微生物燃料電池１０の電圧が急激に上昇している。これは培地１５中の微生物の活性度が高まり、微生物の代謝状態が変化していることを示している。 After that, at timing t2, the voltage rise is an inflection point, and at timings t2 to t3, the voltage of the microbial fuel cell 10 rises sharply. This indicates that the activity of the microorganisms in the medium 15 is increased and the metabolic state of the microorganisms is changed.
タイミングｔ３〜ｔ４では微生物燃料電池１０の電圧値が略一定となり、定常状態となる。そして、タイミングｔ４からタイミングｔ５にかけて微生物燃料電池１０の電圧値が徐々に低下している。これは培地１５中に存在する有機物の量または微生物の量や活性度が減少したことを示している。 At the timings t3 to t4, the voltage value of the microbial fuel cell 10 becomes substantially constant, and the state becomes steady. Then, the voltage value of the microbial fuel cell 10 gradually decreases from the timing t4 to the timing t5. This indicates that the amount of organic matter or microorganisms present in the medium 15 and the activity were reduced.
このように、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、微生物燃料電池１０で発電された電力（電圧値）を解析することで培地１５の状態や微生物の活性度をモニタすることができる。 As described above, in the biotransformation production reactor 2 according to the present embodiment, the state of the medium 15 and the activity of the microorganism can be monitored by analyzing the electric power (voltage value) generated by the microbial fuel cell 10. ..
また、解析部２１は、微生物燃料電池１０で発電された電圧値の単位時間当たりの変化量の基準値をあらかじめ決定してメモリ等に格納しておき、取得したデータとの比較により解析してもよい。 Further, the analysis unit 21 determines in advance a reference value of the amount of change in the voltage value generated by the microbial fuel cell 10 per unit time, stores it in a memory or the like, and analyzes it by comparing it with the acquired data. May be good.
なお、上記では、図５のタイミングｔ４〜ｔ５において微生物燃料電池１０の電圧値が急激に低下する原因として培地１５中の有機物の量や微生物の量や活性度の低下を挙げたが、例えば、培地１５中へのコンタミなどにより微生物にとって有毒な成分が流入した場合にも、微生物燃料電池１０の電圧値が急激に低下する。 In the above, the decrease in the amount of organic substances, the amount of microorganisms, and the activity in the medium 15 was mentioned as the cause of the sudden decrease in the voltage value of the microbial fuel cell 10 at the timings t4 to t5 in FIG. Even when a component toxic to microorganisms flows into the medium 15 due to contamination or the like, the voltage value of the microbial fuel cell 10 drops sharply.
図６は、微生物燃料電池の電圧変化の他の例を示す図である。図６に示す例は、微生物燃料電池１０を設置した時点でアノード１２に微生物が付着している場合を示している。図６に示すように、微生物燃料電池１０を設置した時点でアノード１２に微生物が付着している場合は、設置した当初（タイミングｔ１）から微生物燃料電池１０の電圧値は高い値となる。図６に示す例では、タイミングｔ１からｔ２にかけて微生物燃料電池１０の電圧値が徐々に低下している。これは培地１５中に存在する有機物が減少したことを示している。その後、タイミングｔ２からｔ３にかけて微生物燃料電池１０の電圧値が上昇している。これは培地１５中の微生物の代謝状態が変化するなどして活性度が高まっていることを示している。 FIG. 6 is a diagram showing another example of voltage change of the microbial fuel cell. The example shown in FIG. 6 shows a case where microorganisms are attached to the anode 12 when the microbial fuel cell 10 is installed. As shown in FIG. 6, if microorganisms are attached to the anode 12 when the microbial fuel cell 10 is installed, the voltage value of the microbial fuel cell 10 becomes a high value from the initial stage of installation (timing t1). In the example shown in FIG. 6, the voltage value of the microbial fuel cell 10 gradually decreases from the timing t1 to t2. This indicates that the amount of organic matter present in the medium 15 has decreased. After that, the voltage value of the microbial fuel cell 10 increases from timing t2 to t3. This indicates that the activity is increased due to changes in the metabolic state of the microorganisms in the medium 15.
本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２における解析例について、更に詳細に説明する。 An analysis example in the metabolite production reactor 2 according to the present embodiment will be described in more detail.
図１に示したように、微生物燃料電池１０は微生物の代謝によって有機物が分解されることで発電される。このため、微生物燃料電池１０で発電される電力は、次の要素に応じて変化する。 As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell 10 generates electricity by decomposing organic substances by metabolism of microorganisms. Therefore, the electric power generated by the microbial fuel cell 10 changes according to the following factors.
（１）微生物の量、及び活性度
培地１５における微生物の量が多いほど発電量が増加する。また、微生物の活性度が高いほど、発電量が増加する。一方、培地１５における微生物の量が少ないほど発電量が減少する。また、微生物の活性度が低いほど、発電量が減少する。
(1) Amount of microorganisms and activity The larger the amount of microorganisms in the medium 15, the greater the amount of power generation. In addition, the higher the activity of microorganisms, the greater the amount of power generation. On the other hand, the smaller the amount of microorganisms in the medium 15, the smaller the amount of power generation. In addition, the lower the activity of microorganisms, the lower the amount of power generation.
（２）有機物の量、及び分解性
培地１５における有機物の量が多いほど発電量が増加する。また、有機物が分解されやすいほど、発電量が増加する。一方、培地１５における有機物の量が少ないほど発電量が減少する。また、有機物が分解されにくいほど、発電量が減少する。
(2) Amount of organic matter and degradability The larger the amount of organic matter in the medium 15, the greater the amount of power generation. Moreover, the more easily the organic matter is decomposed, the more the amount of power generation increases. On the other hand, the smaller the amount of organic matter in the medium 15, the smaller the amount of power generation. In addition, the less organic matter is decomposed, the less power is generated.
（３）プロトンの伝導度
培地１５におけるプロトンの伝導度が高いほど発電量が増加する。一方、培地１５におけるプロトンの伝導度が低いほど発電量が減少する。例えば、培地１５中に溶解しているイオン成分が多い場合はプロトンの伝導度が高くなる。また、培地１５が液体状ではなく、半固体状、固体状であれば、培地１５における水分量が多い場合はプロトン伝導度が高くなる。培地１５中に溶解しているイオン成分が少ない場合はプロトンの伝導度が低くなる。また、培地１５が液体状ではなく、半固体状、固体状であれば、培地１５における水分量が少ない場合はプロトン伝導度が低くなる。
(3) Proton conductivity The higher the proton conductivity in the medium 15, the greater the amount of power generation. On the other hand, the lower the conductivity of protons in the medium 15, the lower the amount of power generation. For example, when there are many ionic components dissolved in the medium 15, the conductivity of protons becomes high. Further, if the medium 15 is not in a liquid state but in a semi-solid state or a solid state, the proton conductivity becomes high when the amount of water in the medium 15 is large. When the amount of ionic components dissolved in the medium 15 is small, the conductivity of protons is low. Further, if the medium 15 is not in a liquid state but in a semi-solid state or a solid state, the proton conductivity becomes low when the water content in the medium 15 is small.
また、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、以下に示すデータに基づいて、培地の状態や微生物の活性度などをモニタ（推定）することができる。 Further, in the metabolite production reactor 2 according to the present embodiment, the state of the medium and the activity of microorganisms can be monitored (estimated) based on the data shown below.
例えば、初期の電圧上昇（グラフの傾き）を解析することで、培地１５の嫌気性度、微生物の状態、有機物の分解性を把握することができる。例えば、電圧上昇率が高い場合（グラフの傾きが急峻な場合）は、微生物燃料電池１０における発電量が多いため、微生物の量が多く、微生物が活性であり、有機物が多く存在し、培地１５のプロトン伝導度が高いと推定することができる。一方、電圧上昇率が低い場合（グラフの傾きが緩やかな場合）は、微生物燃料電池１０における発電量が少ないため、微生物の量が少なく、微生物が不活性であり、有機物が少なく、培地１５のプロトン伝導度が低いと推定することができる。
また、電圧上昇および電圧下降の際に変曲点を有して急激に上昇および下降するような場合は、微生物の代謝状態が変化したと推定することができる。
For example, by analyzing the initial voltage rise (slope of the graph), the anaerobic degree of the medium 15, the state of microorganisms, and the decomposability of organic substances can be grasped. For example, when the voltage rise rate is high (when the slope of the graph is steep), the amount of power generated by the microbial fuel cell 10 is large, so that the amount of microorganisms is large, the microorganisms are active, a large amount of organic substances are present, and the medium 15 It can be estimated that the proton conductivity of is high. On the other hand, when the voltage rise rate is low (when the slope of the graph is gentle), the amount of power generated by the microbial fuel cell 10 is small, so that the amount of microorganisms is small, the microorganisms are inactive, the amount of organic substances is small, and the medium 15 It can be estimated that the proton conductivity is low.
In addition, when the voltage rises and falls with an inflection point and suddenly rises and falls, it can be estimated that the metabolic state of the microorganism has changed.
また、電圧上昇後の電圧変動を解析することで、培地の状態（有機物の増減、プロトン伝導度の変化、温度、湿度）、微生物の状態（微生物の量と活性度、代謝状態の変化）などを把握することができる。 In addition, by analyzing the voltage fluctuation after the voltage rise, the state of the medium (increase / decrease in organic matter, change in proton conductivity, temperature, humidity), state of microorganisms (change in amount and activity of microorganisms, change in metabolic state), etc. Can be grasped.
例えば、微生物燃料電池１０における電圧値が増加した場合は、培地中の有機物が増加し、微生物の量が多く、微生物の活性度も高いと推定することができる。一方、微生物燃料電池１０における電圧値が減少した場合は、培地中の有機物が減少し、微生物の量が減少し、微生物の活性度も低いと推定することができる。 For example, when the voltage value in the microbial fuel cell 10 increases, it can be estimated that the amount of organic matter in the medium increases, the amount of microorganisms is large, and the activity of microorganisms is also high. On the other hand, when the voltage value in the microbial fuel cell 10 decreases, it can be estimated that the organic matter in the medium decreases, the amount of microorganisms decreases, and the activity of the microorganisms also decreases.
また、微生物燃料電池１０における電圧値の維持率（電圧値の安定度）を用いることで、培地１５の安定度、つまり、有機物の供給と消費のバランスや微生物の数の安定性をモニタすることができる。 Further, by using the maintenance rate of the voltage value (stability of the voltage value) in the microbial fuel cell 10, the stability of the medium 15, that is, the balance between the supply and consumption of organic matter and the stability of the number of microorganisms can be monitored. Can be done.
また、微生物燃料電池１０の電圧値が所定の閾値よりも高い場合は、培地１５の有機物の量が多く、微生物の量も多いため、微生物が活発であると判定することができる。 When the voltage value of the microbial fuel cell 10 is higher than a predetermined threshold value, it can be determined that the microorganisms are active because the amount of organic matter in the medium 15 is large and the amount of microorganisms is also large.
また、微生物燃料電池１０の電流値は、有機物の分解スピードと関連している。したがって、微生物燃料電池１０の電流量を用いることで、微生物の量や活性度、有機物の種類（分解されやすさ）をモニタすることができる。 Further, the current value of the microbial fuel cell 10 is related to the decomposition speed of organic matter. Therefore, by using the amount of current of the microbial fuel cell 10, it is possible to monitor the amount and activity of microorganisms and the type of organic matter (easiness of decomposition).
また、微生物燃料電池１０の電流量（電流値×時間）は、有機物の分解量と関連している。したがって、微生物燃料電池１０の電流量を用いることで、培地１５で消費された有機物の量を把握することができる。したがって、新たに追加する基質（有機物）の量を算出することができる。 Further, the amount of current (current value × time) of the microbial fuel cell 10 is related to the amount of decomposition of organic matter. Therefore, by using the amount of current of the microbial fuel cell 10, the amount of organic matter consumed in the medium 15 can be grasped. Therefore, the amount of the newly added substrate (organic matter) can be calculated.
また、微生物燃料電池１０の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を用いることで、微生物の種類や量および活性度、有機物の種類および量をモニタすることができる。そのため、図９のようにはじめ（タイミングｔ１〜ｔ２）は開回路電圧で電圧値をモニタリングしておき、電圧上昇が急上昇して極大点に達する前まで（タイミングｔ２〜ｔ３）の所で微生物燃料電池１０を閉回路にして、微生物の代謝をさらに変化させるよう解析結果を活用してもよい。 Further, by using the open circuit voltage (OCV) of the microbial fuel cell 10, it is possible to monitor the type, amount and activity of microorganisms, and the type and amount of organic matter. Therefore, as shown in FIG. 9, the voltage value is monitored by the open circuit voltage at the beginning (timing t1 to t2), and the microbial fuel is used until the voltage rise suddenly rises and reaches the maximum point (timing t2 to t3). The battery 10 may be closed and the analysis results may be utilized to further change the metabolism of microorganisms.
また、微生物燃料電池１０のＩＲドロップ（つまり、ＯＣＶと電流を流した直後の電圧との差）や微生物燃料電池１０の内部抵抗値を用いることで、培地１５中の有機物の量や微生物の活性度をモニタすることができる。 Further, by using the IR drop of the microbial fuel cell 10 (that is, the difference between the OCV and the voltage immediately after the current is applied) and the internal resistance value of the microbial fuel cell 10, the amount of organic substances in the medium 15 and the activity of the microorganisms are used. The degree can be monitored.
また、微生物燃料電池１０の緩和速度（電流遮断後の電圧変化）を用いることで、培地１５中の有機物の量や微生物の活性度をモニタすることができる。 Further, by using the relaxation rate (voltage change after current interruption) of the microbial fuel cell 10, the amount of organic matter in the medium 15 and the activity of microorganisms can be monitored.
また、上述した微生物燃料電池１０の開回路電圧、ＩＲドロップ、内部抵抗値、緩和速度を組み合わせることで、プロトン抵抗、活性化過電圧、ガス拡散性等をモニタすることができる。 Further, by combining the above-mentioned open circuit voltage, IR drop, internal resistance value, relaxation rate, and the like of the microbial fuel cell 10, it is possible to monitor proton resistance, activation overvoltage, gas diffusivity, and the like.
また、図７に示すような微生物燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を求めることでも、微生物の種類、有機物の種類を特定することができる。Ｉ−Ｖ特性は、微生物燃料電池１０に接続された外部抵抗を変化させることで測定することができる。または、ＬＳＶ（Linear Sweep Voltammetry）測定を用いて測定することができる。 Further, the type of microorganism and the type of organic substance can also be specified by obtaining the IV characteristics of the microbial fuel cell 10 as shown in FIG. The IV characteristic can be measured by changing the external resistance connected to the microbial fuel cell 10. Alternatively, it can be measured using LSV (Linear Sweep Voltammetry) measurement.
例えば、図７（ａ）に示すＩ−Ｖ特性は、電流と電圧とが直線的な関係にあるのに対して、図７（ｂ）に示すＩ−Ｖ特性は、電流と電圧とが曲線的（下側に凸）な関係にあり、図７（ｃ）に示すＩ−Ｖ特性は、電流と電圧とが曲線的（上側に凸）な関係にある。このように、微生物燃料電池１０のＩ−Ｖ特性は、微生物の種類や活性度、有機物の種類や量によって形状が異なるので、このようなＩ−Ｖ特性の違いから培地１５中の微生物の種類や活性度、有機物の種類や量を把握することができる。 For example, in the IV characteristic shown in FIG. 7A, the current and the voltage have a linear relationship, whereas in the IV characteristic shown in FIG. 7B, the current and the voltage are curved. There is a target (convex downward) relationship, and the IV characteristic shown in FIG. 7 (c) has a curvilinear (convex upward) relationship between the current and the voltage. As described above, the shape of the IV characteristic of the microbial fuel cell 10 differs depending on the type and activity of the microorganism and the type and amount of the organic substance. Therefore, due to the difference in the IV characteristic, the type of microorganism in the medium 15 It is possible to grasp the activity, the type and amount of organic substances.
また、図８に示すような微生物燃料電池１０の電流と電力の関係を求めることで、微生物の種類や活性度、有機物の種類や量を特定することができる。例えば、図８（ａ）に示すグラフでは、電流に対する電力のピークが中央よりも左側にあるのに対して、図８（ｂ）に示すグラフでは、電流に対する電力のピークが中央よりも右側にある。このように、微生物燃料電池１０の電流と電力の関係は、微生物の種類や活性度、有機物の種類や量によって形状が異なるので、このような電流と電力の関係の違いから微生物の種類や活性度、有機物の種類や量を特定することができる。 Further, by obtaining the relationship between the current and the electric power of the microbial fuel cell 10 as shown in FIG. 8, the type and activity of the microorganism and the type and amount of the organic substance can be specified. For example, in the graph shown in FIG. 8 (a), the peak of power with respect to current is on the left side of the center, whereas in the graph shown in FIG. 8 (b), the peak of power with respect to current is on the right side of the center. is there. As described above, the relationship between the current and the electric power of the microbial fuel cell 10 differs in shape depending on the type and activity of the microorganism and the type and amount of the organic substance. The type and amount of organic matter can be specified.
本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、上述のようにして求めたデータを、単位当たりのデータに置き換えて解析してもよい。具体的には、上述のようにして求めたデータを、電極（カソード、アノード）の単位面積、単位体積、単位重量等当たりの値に換算して解析を行ってもよい。 In the metabolite production reactor 2 according to the present embodiment, the data obtained as described above may be replaced with the data per unit for analysis. Specifically, the data obtained as described above may be converted into values per unit area, unit volume, unit weight, etc. of the electrodes (cathodes, anodes) for analysis.
また、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、モデルケース（基準）のデータ（図７、図８に示したようなグラフのデータや基準値など）を予め格納しておき、微生物燃料電池１０から取得したデータ（電圧値等）をモデルケースのデータと比較（照合）することで、微生物の種類や量および活性度、有機物の種類および量等を解析してもよい。 Further, in the biotransformation production reactor 2 according to the present embodiment, model case (reference) data (graph data, reference values, etc. as shown in FIGS. 7 and 8) are stored in advance, and the microbial fuel is stored. By comparing (collating) the data (voltage value, etc.) acquired from the battery 10 with the data of the model case, the type, amount and activity of microorganisms, the type and amount of organic matter, etc. may be analyzed.
以上で説明したように、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター２では、微生物燃料電池１０で発電された電力を解析することで、培地１５の状態や微生物の活性度をモニタしている。すなわち、微生物燃料電池１０で生成される電力と培地１５の状態とは互いに関連性を有している。したがって、微生物燃料電池１０で発電された電力を解析することで、培地１５の状態や微生物の活性度を精度よくモニタすることができる。 As described above, in the biotransformation production reactor 2 according to the present embodiment, the state of the medium 15 and the activity of the microorganisms are monitored by analyzing the electric power generated by the microbial fuel cell 10. That is, the electric power generated by the microbial fuel cell 10 and the state of the medium 15 are related to each other. Therefore, by analyzing the electric power generated by the microbial fuel cell 10, the state of the medium 15 and the activity of the microorganism can be accurately monitored.
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、微生物燃料電池を用いて培地の状態を精度よくモニタすることが可能な代謝物製造リアクター２により、微生物の代謝を制御できる代謝物の製造方法を提供することができる。 According to the invention according to the present embodiment described above, a method for producing a metabolite capable of controlling the metabolism of a microorganism by a metabolite production reactor 2 capable of accurately monitoring the state of a medium using a microbial fuel cell is provided. Can be provided.
＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１０は、実施の形態３にかかる代謝物製造リアクター３を示すブロック図である。図１０に示す代謝物製造リアクター３は、実施の形態２で説明した代謝物製造リアクター２と比べて、制御部２３を備える点が異なる。これ以外の構成及び動作については、実施の形態２で説明した代謝物製造リアクター２と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して重複した説明は省略する。なお、本実施の形態においても上述の実施の形態１〜２の内容を適宜組み合わせてもよい。
<Embodiment 3>
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described. FIG. 10 is a block diagram showing the metabolite production reactor 3 according to the third embodiment. The metabolite production reactor 3 shown in FIG. 10 is different from the metabolite production reactor 2 described in the second embodiment in that it includes a control unit 23. Since the other configurations and operations are the same as those of the metabolite production reactor 2 described in the second embodiment, the same components are designated by the same reference numerals and duplicated description will be omitted. In this embodiment as well, the contents of the above-described first and second embodiments may be combined as appropriate.
図１０に示すように、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター３は、微生物燃料電池１０、解析部２１、制御部２３を備え、必要に応じて表示部２２を備える。 As shown in FIG. 10, the metabolite production reactor 3 according to the present embodiment includes a microbial fuel cell 10, an analysis unit 21, a control unit 23, and a display unit 22 as needed.
制御部２３は、微生物燃料電池１０の発電量を制御して培地１５の微生物代謝を制御するための手段である。本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター３において、制御部２３は、解析部２１における解析結果に応じて微生物燃料電池１０を制御する。 The control unit 23 is a means for controlling the amount of power generated by the microbial fuel cell 10 to control the microbial metabolism of the medium 15. In the metabolite production reactor 3 according to the present embodiment, the control unit 23 controls the microbial fuel cell 10 according to the analysis result in the analysis unit 21.
例えば、制御部２３は、解析部２１における解析結果に応じて微生物燃料電池における発電量を制御することで培地１５中の微生物の代謝を制御する。 For example, the control unit 23 controls the metabolism of microorganisms in the medium 15 by controlling the amount of power generation in the microbial fuel cell according to the analysis result in the analysis unit 21.
例えば、制御部２３により、微生物燃料電池における発電をオン・オフするスイッチが接続されている。制御部２３は、このスイッチをオン・オフすることで、微生物燃料電池における発電のオン・オフを制御する。このように微生物燃料電池における発電量（オン・オフ）を制御することで微生物の代謝を制御することができる。 For example, the control unit 23 is connected to a switch for turning on / off the power generation in the microbial fuel cell. The control unit 23 controls the on / off of power generation in the microbial fuel cell by turning this switch on / off. By controlling the amount of power generation (on / off) in the microbial fuel cell in this way, the metabolism of microorganisms can be controlled.
また、例えば、制御部２３には、微生物燃料電池の電流量を調整することができる。電流量の制御は、一般的な電流電圧制御機能が内蔵されていればよく、例えば制御部２３に可変抵抗を内蔵していて、必要な電流量が取り出せるように制御する。このように微生物燃料電池における電流量（発電量）を制御することで微生物の代謝を制御することができる。 Further, for example, the control unit 23 can adjust the amount of current of the microbial fuel cell. The current amount may be controlled as long as a general current / voltage control function is built in. For example, the control unit 23 has a built-in variable resistor and controls so that a required current amount can be taken out. By controlling the amount of current (power generation amount) in the microbial fuel cell in this way, the metabolism of microorganisms can be controlled.
また、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター３では、上述したスイッチ、及び可変抵抗を組み合わせて、微生物燃料電池の発電量を制御してもよい。この場合、制御部２３は、スイッチ及び可変抵抗の各々を制御することで、微生物燃料電池の発電量を制御することができる。 Further, in the biotransformation production reactor 3 according to the present embodiment, the power generation amount of the microbial fuel cell may be controlled by combining the above-mentioned switch and variable resistance. In this case, the control unit 23 can control the amount of power generated by the microbial fuel cell by controlling each of the switch and the variable resistor.
例えば、培養を開始してから微生物燃料電池１０の電圧値の傾きが急上昇をはじめた場合、制御部２３は、微生物燃料電池１０で発電される電力量が多くなるように微生物燃料電池１０を制御する。すなわち、微生物燃料電池１０の電圧値の傾きが急上昇をはじめた場合は、培地１５における微生物の活性度が高まっているタイミングであると推定される。このような場合、制御部２３は、微生物燃料電池で発電される電力量が多くなるようにすることで、培地１５中の微生物の活性度をさらに増加させたり、微生物の代謝状態を変化させることができる。 For example, when the inclination of the voltage value of the microbial fuel cell 10 begins to rise sharply after the start of culturing, the control unit 23 controls the microbial fuel cell 10 so that the amount of power generated by the microbial fuel cell 10 increases. To do. That is, when the slope of the voltage value of the microbial fuel cell 10 begins to rise sharply, it is presumed that it is the timing when the activity of the microorganism in the medium 15 is increasing. In such a case, the control unit 23 further increases the activity of the microorganisms in the medium 15 or changes the metabolic state of the microorganisms by increasing the amount of electric power generated by the microbial fuel cell. Can be done.
逆に、微生物燃料電池１０の電圧値があらかじめ決めておいた閾値を下回った場合、制御部２３は、微生物燃料電池１０で発電される電力量が少なくなるように微生物燃料電池１０を制御する。すなわち、微生物燃料電池１０の電圧値が閾値を下回った場合は、培地１５における有機物の分解量が多く、また微生物が活性状態であると推定される。このような場合、制御部２３は、微生物燃料電池で発電される電力量が少なくなるようにすることで、培地１５中の有機物分解量や微生物の活性度を抑制させ、微生物の代謝状態を安定にさせることができる。また、微生物燃料電池１０の電圧値が閾値を下回った場合に、培地１５中に有機物を添加するなどして引き続き微生物の活性度を保つように解析結果を活用することもできる。一方、微生物燃料電池１０の電圧値が下降状態の場合であっても、新たな代謝変化をさせる目的の場合は、微生物燃料電池１０の発電量が多くなるように制御しても良い。 On the contrary, when the voltage value of the microbial fuel cell 10 falls below a predetermined threshold value, the control unit 23 controls the microbial fuel cell 10 so that the amount of electric power generated by the microbial fuel cell 10 is reduced. That is, when the voltage value of the microbial fuel cell 10 falls below the threshold value, it is estimated that the amount of decomposition of organic substances in the medium 15 is large and the microorganisms are in an active state. In such a case, the control unit 23 suppresses the amount of organic matter decomposed in the medium 15 and the activity of the microorganism by reducing the amount of electric power generated by the microbial fuel cell, thereby stabilizing the metabolic state of the microorganism. Can be made to. Further, when the voltage value of the microbial fuel cell 10 falls below the threshold value, the analysis result can be utilized so as to continue to maintain the activity of the microorganism by adding an organic substance to the medium 15. On the other hand, even when the voltage value of the microbial fuel cell 10 is in a falling state, it may be controlled so that the amount of power generated by the microbial fuel cell 10 is increased for the purpose of causing a new metabolic change.
以上で説明したように、本実施の形態にかかる代謝物製造リアクター３により、解析部２１における解析結果に応じて制御部２３が微生物燃料電池１０の電流量（発電量）を制御することで、微生物の代謝を制御できる代謝物の製造方法を提供することができる。したがって、培地１５中の状態や微生物の状態を精度よくモニタしながら微生物燃料電池１０の発電量を制御することで、微生物の代謝物を制御することができる。 As described above, the metabolite production reactor 3 according to the present embodiment allows the control unit 23 to control the current amount (power generation amount) of the microbial fuel cell 10 according to the analysis result in the analysis unit 21. It is possible to provide a method for producing a biotransformate capable of controlling the metabolism of a microorganism. Therefore, by controlling the amount of power generated by the microbial fuel cell 10 while accurately monitoring the state in the medium 15 and the state of the microorganism, it is possible to control the biotransforms of the microorganism.
以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。 Although the present invention has been described above in accordance with the above-described embodiment, the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and those skilled in the art within the scope of the claims of the present invention. Of course, it includes various modifications, corrections, and combinations that can be made.
１、２、３ 代謝物製造リアクター
１０、１０_１〜１０_３ 微生物燃料電池
１１、１１_１〜１１_６ カソード
１２、１２_１〜１２_２ アノード
１３ 電解質
１４ 空気取り入れ孔
１５ 培地
１６ 容器
１７ 撹拌羽
１８ 空気導入部
２１ 解析部
２２ 表示部
２３ 制御部
1, 2, 3 Biotransformation Reactor 10, 10_1 to 10_3 Microbial fuel cell 11, 11_1 to 11_6 Cathode 12, 12_1 to 12_2 Anode 13 Electrolyte 14 Air intake hole 15 Medium 16 Container 17 Stirring blade 18 Air introduction unit 21 Analysis unit 22 Display unit 23 Control unit
Claims (6)
請求項２に記載の微生物の代謝物の製造方法。 By controlling the amount of power generated by the microbial fuel cell according to the analysis result of the electric power generated by the microbial fuel cell, the metabolism of the microorganism is controlled.
The method for producing a metabolite of a microorganism according to claim 2.
前記微生物燃料電池により微生物の代謝を制御する、微生物の代謝物生産リアクター。 A medium and a microbial fuel cell arranged in the medium are provided.
A microbial metabolite production reactor that controls the metabolism of microorganisms by the microbial fuel cell.
前記解析部は、前記微生物燃料電池で発電された電力を解析することで、前記培地の状態をモニタする、
請求項４に記載の微生物の代謝物生産リアクター。 Further equipped with an analysis unit that analyzes the electric power generated by the microbial fuel cell.
The analysis unit monitors the state of the medium by analyzing the electric power generated by the microbial fuel cell.
The microbial metabolite production reactor according to claim 4.
前記制御部は、前記解析部における解析結果に応じて前記微生物燃料電池における発電量を制御することで、微生物の代謝を制御する、
請求項５に記載の微生物の代謝物生産リアクター。
A control unit for controlling the amount of power generated in the microbial fuel cell is further provided.
The control unit controls the metabolism of microorganisms by controlling the amount of power generation in the microbial fuel cell according to the analysis result in the analysis unit.
The microbial metabolite production reactor according to claim 5.
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