JP2022076630A - 微生物反応の制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微生物反応の状況の変化の予兆を早めに検知可能な微生物反応の制御システム及び制御方法を提供する。【解決手段】微生物から産出される酵素による微生物反応の制御システムは、酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量装置と、定量装置で定量されたｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、ｍＲＮＡの量が範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節装置とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、微生物反応の制御システム及び制御方法に関する。

微生物反応を利用したプロセスの一例として、特許文献１には、有機性廃棄物をメタン発酵して少なくともメタンガスを含むバイオガスを生成する装置が開示されている。メタン発酵は、多くの微生物の共生により有機物を分解し、その過程で生成される有機酸等を還元することによってメタンを生成するものである。メタン発酵において、例えば有機酸の増加等により、微生物の活性が低下してメタン発酵の効率が低下してしまうことがある。これに対し、特許文献１には、メタン発酵の効率の低下に先駆けて又は同時に増幅する特定の微生物をそのＤＮＡ情報に基づいて検出及び定量することにより、メタン発酵の運転管理を行う発明が記載されている。

特開２０１２－２４９５５８号公報

特許文献１では、メタン発酵を妨げる微生物を定量しているが、本開示の発明者らは、メタンを生成する微生物を定量することによってもメタン発酵の運転管理が可能ではないかと考えている。しかし、本開示の発明者らの研究によると、メタン発酵においてメタンの生成に重要な役割を果たすメタン生成菌（古細菌）の量をそのＤＮＡ量に基づいて特定したものと、メタン生成量との相関が低いことが分かった。この原因としては、ＤＮＡ量に基づくメタン生成菌の量は、メタン生成に寄与するものだけではなく、活性低下や死滅等でメタン生成に寄与しないものも含むためであると考えらえる。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、微生物反応の状況の変化の予兆を早めに検知可能な微生物反応の制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る微生物反応の制御システムは、微生物から産出される酵素による微生物反応の制御システムであって、前記酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量装置と、前記定量装置で定量された前記ｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、前記ｍＲＮＡの量が前記範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節装置とを備える。

また、本開示に係る微生物反応の制御方法は、微生物から産出される酵素による微生物反応の制御方法であって、前記酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量ステップと、前記定量ステップで定量された前記ｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、前記ｍＲＮＡの量が前記範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節ステップとを含む。

本開示の微生物反応の制御システム及び制御方法によれば、微生物から産出される酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいて微生物反応の状況の変化を検知するので、微生物反応の状況の変化の予兆を早めに検知することができる。

本開示の実施形態１に係る微生物反応の制御システムを含む微生物反応プロセスの構成図である。 本開示の実施形態１に係る微生物反応の制御システムの動作（制御方法）のフローチャートである。 本開示の実施形態２に係る微生物反応の制御システムを含む微生物反応プロセスの構成図である。 本開示の実施形態２に係る微生物反応の制御システムの動作（制御方法）のフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態による微生物反応の制御システム及び制御方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜本開示の発明者らの考察＞
特許文献１に記載されるようなメタン発酵によるバイオガスの生成では、メタン生成菌（古細菌）が重要な役割をすることが知られている。このメタン生成菌が算出する酵素、すなわちメチル補酵素Ｍ還元酵素によって、酢酸のような有機酸等の低分子量物質がメタン等に転化される。このメチル補酵素Ｍ還元酵素は、メタン生成菌のメチル補酵素Ｍ還元酵素遺伝子（ｍｃｒＡ）の発現により、ＤＮＡ→ｍＲＮＡ→タンパク質（酵素）の流れで産出される。尚、ｍｃｒＡは、以下に示すように、その遺伝子配列が公知となっている。

バイオガスの生成量と酵素の量とは比例関係にあるはずである。そうすると、酵素産出のセントラルドグマによれば、メタン生成菌のＤＮＡ量及びメチル補酵素Ｍ還元酵素の遺伝子由来のｍＲＮＡの量もバイオガスの生成量と比例関係にあるものと考えられる。しかしながら、本開示の発明者らによる実験では、ＤＮＡ量とバイオガスの生成量との間に高い相関関係は得られなかった。この結果を裏付ける証拠が、B.Munkらの「Ａ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｑｕｏｔｉｅｎｔ ｆｏｒ ｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｃ Ａｒｃｈａｅａ」と題する論文（Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ６６．１１， ２０１２）に開示されている。この論文の図２には、ＤＮＡ量、ｍＲＮＡ量、バイオガスの生産性の推移が表されているが、ＤＮＡ量の推移とバイオガスの生産性の推移とはあまり一致していない。一方で、ｍＲＮＡ量の推移とバイオガスの生産性の推移との一致は良好である。厳密に言うと、バイオガスの生産性の変化に先んじてｍＲＮＡ量の変化が発生している。

バイオガスの生成量と酵素の量とは比例関係にあるはずであるが、ここで言うバイオガスの生成量とは今現在のバイオガスの生成量であり、同様に酵素の量とは、今現在の酵素の量である。すなわち、今現在のバイオガスの生成量が今現在の酵素の量と比例関係にあるはずである。バイオガスの生成量が低下するまでには、メタン生成菌の活性が低下して酵素の産出量が低下する現象が生じるはずである。すなわち、酵素産出のセントラルドグマによれば、バイオガスの生成量が低下し始める前に酵素の産出量が低下し、さらにその前にｍＲＮＡの量が低下するはずである。このため、ｍＲＮＡの推移とメタンの生産性の推移との一致は良好で、メタンの生産性の変化に先んじてｍＲＮＡ量の変化が発生すると考えられる。一方で、ＤＮＡの量は、あくまでもメタン生成菌の菌数に相当し、メタン生成菌の中には活性が低下したものや死滅したものも含まれている可能性があるので、ｍｃｒＡの発現量とは必ずしも一致しない。このため、ＤＮＡ量の推移とメタンの生産性の推移とは必ずしも一致しないと考えられる。

このような研究により、本開示の発明者らは、微生物から産出される酵素による微生物反応を制御するに当たり、微生物から産出される酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいて、微生物反応の状況の変化の予兆を早めに検知することができるようになると結論づけた。この結論を、以下に記載するいくつかの実施形態に適用する。

（実施形態１）
＜本開示の実施形態１に係る微生物反応の制御システムの構成＞
本開示の実施形態１では、有機物を含む原料から少なくともメタンを含むバイオガスを生成するバイオガス生成反応を微生物反応として、このバイオガス生成反応の制御システム及び制御方法について説明する。このバイオガス生成反応では微生物はメタン生成菌であり、メタン生成菌から産出されたメチル補酵素Ｍ還元酵素によってバイオガス生成反応が進行する。

図１に示されるように、本開示の実施形態１に係る制御システム１０は、微生物反応プロセス１であるバイオガス生成反応プロセス１ａに含まれるバイオガス発酵槽３内のバイオガス生成反応を制御するためのものである。バイオガス発酵槽３に供給される原料については特に限定しないが、原料は少なくとも有機物を含むものであり、例えば、加水分解装置２に供給された有機性廃棄物（例えば、下水処理場の余剰汚泥、生ごみのような食品廃棄物、家畜の糞尿のような畜産廃棄物、紙ごみを含む都市ごみ等）を蒸気等の熱源によって加水分解した処理物であってもよい。この場合には、バイオガス生成反応プロセス１ａは、バイオガス発酵槽３の他に加水分解装置２を含むことになる。

制御システム１０は、定量装置２０と調節装置３０とを備えている。定量装置２０は、メチル補酵素Ｍ還元酵素の遺伝子由来のｍＲＮＡを定量するための装置である。具体的には定量装置２０としてＰＣＲ装置を用いることができ、ＰＣＲ装置は、バイオガス発酵槽３に常設されたＰＣＲ装置でもよいし、バイオガス発酵槽３内の内容物の一部を取り出して測定するハンディタイプのＰＣＲ装置でもよい。

調節装置３０は、定量装置２０で定量されたｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、ｍＲＮＡの量がその範囲内になるようにバイオガス生成反応の条件を調節するためのものである。実施形態１においてバイオガス生成反応プロセス１ａでは、調節装置３０は、原料をバイオガス発酵槽３へ供給するための原料供給装置３１と、バイオガス発酵槽３へメタン発酵汚泥（例えば、し尿処理／家畜糞尿処理設備由来の汚泥、下水汚泥処理設備由来の汚泥、生ごみ処理設備由来の汚泥等）を供給するためのメタン発酵汚泥供給装置３２と、バイオガス発酵槽３へメタン生成菌のための栄養剤（例えば、コバルトやニッケル等の微量金属を含む塩）を供給するための栄養剤供給装置３３とを備えている。

原料供給装置３１は、加水分解装置２からの処理物を貯蔵し水分等を調整する混合調整槽３１ａと、混合調整槽３１ａとバイオガス発酵槽３とを連通する原料供給ライン３１ｂと、原料供給ライン３１ｂに設けられた原料供給ポンプ３１ｃとを備えている。混合調整槽３１ａは処理物供給ライン９を介して加水分解装置２と連通している。メタン発酵汚泥供給装置３２は、加水分解装置２からの処理物とは別のメタン発酵汚泥を貯蔵するメタン発酵汚泥貯蔵槽３２ａと、メタン発酵汚泥貯蔵槽３２ａとバイオガス発酵槽３とを連通するメタン発酵汚泥供給ライン３２ｂと、メタン発酵汚泥供給ライン３２ｂに設けられたメタン発酵汚泥供給ポンプ３２ｃとを備えている。栄養剤供給装置３３は、栄養剤を貯蔵する栄養剤貯蔵槽３３ａと、栄養剤貯蔵槽３３ａとバイオガス発酵槽３とを連通する栄養剤供給ライン３３ｂと、栄養剤供給ライン３３ｂに設けられた栄養剤供給ポンプ３３ｃとを備えている。また、調節装置３０は、原料供給ポンプ３１ｃとメタン発酵汚泥供給ポンプ３２ｃと栄養剤供給ポンプ３３ｃとのそれぞれに電気的に接続された制御装置３４を備えてもよい。

尚、調節装置３０は、原料供給装置３１とメタン発酵汚泥供給装置３２と栄養剤供給装置３３との全てを備えていなくてもよく、これらのうちの少なくとも１つを備えていればよい。例えば、加水分解装置２からの処理物の全量をバイオガス発酵槽３に供給するように構成されている場合には、処理物の供給量を調節することはできないので、調節装置３０はメタン発酵汚泥供給装置３２と栄養剤供給装置３３との両方又はいずれか一方を備えることになる。また、調節装置３０は、原料供給装置３１のみを備えてもよいし、原料供給装置３１とメタン発酵汚泥供給装置３２又は栄養剤供給装置３３のいずれか一方とを備えてもよい。

バイオガス発酵槽３には、バイオガス発酵槽３の内容物を攪拌するための攪拌装置６が設けられている。また、バイオガス発酵槽３には、生成したバイオガスがバイオガス発酵槽３から流出するための流出管７が接続されている。流出管７には、流出管７を流通するバイオガスの流量を検知するための流量センサ８が設けられている。流量センサ８によって、バイオガスの生成量を測定することができる。このため、流量センサ８は、バイオガス生成量測定装置を構成する。

さらに、バイオガス発酵槽３には、バイオガス発酵槽３内の活性汚泥浮遊物質（ＭＬＳＳ）の濃度を検知するＭＬＳＳ計４を設けてもよい。ＭＬＳＳ計４として例えば、株式会社堀場製作所から市販されているＭＬＳＳ計（ＨＵ－２００ＳＳ）を使用することができる。また、バイオガス発酵槽３には、内容物の状態を検知するための少なくとも１つのセンサ５を設けてもよい。このようなセンサ５としては、内容物中の有機酸の濃度を検知するための有機酸センサ、内容物のｐＨを検知するためのｐＨセンサ、内容物中の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を検知するためのＣＯＤセンサ、内容物の温度を検知するための温度センサ、内容物中のアンモニアの濃度を検知するためのアンモニアセンサ等を挙げることができる。流量センサ８とＭＬＳＳ計４と少なくとも１つのセンサ５とはそれぞれ、制御装置３４に電気的に接続されている。

＜本開示の実施形態１に係る微生物反応の制御システムの動作（制御方法）＞
次に、本開示の実施形態１に係る微生物反応の制御システムの動作について説明する。尚、以下では、図１に示される構成に基づいて説明するが、必須ではない構成要件が設けられていない場合の動作については、適宜説明する。

加水分解装置２に有機性廃棄物を投入した後、加水分解装置２に蒸気を供給して有機性廃棄物を加水分解する。有機性廃棄物が加水分解されて生成した処理物は処理物供給ライン９を介して混合調整槽３１ａに供給されて貯留される。原料供給ポンプ３１ｃによって、混合調整槽３１ａ内の処理物が原料として原料供給ライン３１ｂを介してバイオガス発酵槽３に供給される。バイオガス発酵槽３への処理物の供給はバッチ式で行ってもよいし、ＭＬＳＳ計４が設けられている場合には、ＭＬＳＳ計４の検知結果に基づいて処理物を供給してもよい。バイオガス発酵槽３にメタン生成菌を含む微生物が供給されて、バイオガス生成反応に適切な条件に調整される。バイオガス生成反応によって生じたバイオガスは、流出管７を介して図示しないガスホルダに貯蔵されるか、ボイラやガスエンジン等の図示しない燃料消費設備に供給される。

バイオガス発酵槽３においてバイオガス生成反応が進行している間、制御システム１０は、バイオガス生成反応の状況の変化を検知し、バイオガス生成反応の状況が変化する場合には、バイオガス生成反応の条件を調節する。この動作について、図１とともに図２のフローチャートを参照しながら、以下に具体的に説明する。

バイオガス発酵槽３においてバイオガス生成反応が進行している間、定量装置２０は、バイオガス発酵槽３の内容物中のｍｃｒＡ由来のｍＲＮＡを定量する（ステップＳ１）。定量装置２０がバイオガス発酵槽３に常設されたＰＣＲ装置の場合には、連続的又は間欠的にｍＲＮＡの定量を行うことができる。定量装置２０がハンディタイプのＰＣＲ装置の場合には、バイオガス発酵槽３から内容物の一部を定期的にサンプリングし、抜き出したサンプルに対してｍＲＮＡの定量を行うことができる。ｍＲＮＡの定量は、制御装置３４に伝送される。

ｍＲＮＡの定量は、一般的な手法、すなわち、サンプルを前処理してｍＲＮＡを抽出し、ｍＲＮＡに基づいて相補的ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を作成し、ＰＣＲ法によりｃＤＮＡを増幅して行うことができる。ＰＣＲ法では、ｍｃｒＡに固有なプライマーを使用する必要があるが、例えば、フォワードプライマーとして、５’－ＣＴＧＧＴＣＣＴＧＣＡＧＧＴＣＧＴＡＴＣ－３’を使用し、リバースプライマーとして、５’－ＣＴＧＡＣＣＧＧＡＡＡＣＡＧＣＣＡＧＴＣ－３’を使用することができる。尚、ｍｃｒＡの上述した塩基配列の一部が異なっていると、ｍＲＮＡの塩基配列の一部も変わるため、このプライマーの組み合わせではｍＲＮＡを定量できない場合があるが、ｍｃｒＡに固有なプライマーとして使用可能なものは複数あるため、適切なプライマーを使用すればｍＲＮＡの定量は可能である。

バイオガス発酵槽３にＭＬＳＳ計４及びセンサ５が設けられている場合には、ステップＳ１では、ＭＬＳＳ計４及びセンサ５がそれぞれＭＬＳＳの濃度及び内容物の状態を検知し、その検知結果は、制御装置３４に伝送される。

次のステップＳ２では、ｍＲＮＡの定量結果、すなわちｍＲＮＡの量が予め決定された上限及び下限からなる所定範囲内か否かの判断を制御装置３４が行う。ｍＲＮＡの量が所定範囲内の場合には、バイオガス生成反応の状況に変化が生じていない（特に、ｍＲＮＡの量が下限未満となっておらず、バイオガス生成反応の効率が低下又は停止するおそれが生じていない）と制御装置３４が判断し、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ２においてｍＲＮＡの量が所定範囲から逸脱した場合、特に、下限未満となった場合には、制御装置３４は、バイオガス生成反応の効率が低下又は停止する予兆が発生したと判断する。このような予兆を検知した場合には、調節装置３０は、原料供給装置３１とメタン発酵汚泥供給装置３２と栄養剤供給装置３３とのいずれかによってバイオガス生成反応の条件を調節する（ステップＳ３）。バイオガス生成反応の条件を調節することにより、ｍＲＮＡの量を所定範囲内にすることができるので、バイオガス生成反応の効率が実際に低下又は停止してしまうおそれを抑制することができる。その後、ステップＳ１に戻る。

バイオガス発酵槽３にＭＬＳＳ計４が設けられていれば、バイオガス発酵槽３内のＭＬＳＳの濃度に応じて、制御装置３４は、調節装置３０によるバイオガス生成反応の条件の調節動作を選択することができる。ＭＬＳＳ計４によって検知されたＭＬＳＳの濃度が正常の範囲内である場合には、メタン生成菌の活動が低下していると判断できるため、制御装置３４は、栄養剤供給ポンプ３３ｃを起動し、所定量の栄養剤をバイオガス発酵槽３に供給する。その後、ステップＳ１に戻る。

ＭＬＳＳ計４によって検知されたＭＬＳＳの濃度が正常の範囲よりも上昇している場合には、バイオガス発酵槽３に供給された原料の量がメタン生成菌の許容量を超えているためにメタン生成菌の活動が低下していると判断できるため、制御装置３４は、原料供給ポンプ３１ｃの稼働条件を調節し、バイオガス発酵槽３への原料の供給量を低下又は一時的に停止する。その後、ステップＳ１に戻る。

ＭＬＳＳ計４によって検知されたＭＬＳＳの濃度が正常の範囲よりも下降している場合には、バイオガス発酵槽３内の内容物中に、バイオガス生成反応に適した成分が低下していると判断できるため、制御装置３４は、メタン発酵汚泥供給ポンプ３２ｃ起動し、所定量のメタン発酵汚泥をバイオガス発酵槽３に供給する。その後、ステップＳ１に戻る。

少なくとも１つのセンサ５が設けられている場合、ステップＳ２では、ｍＲＮＡの定量結果とセンサ５による検出結果とに基づいて、バイオガス生成反応の効率が低下又は停止する予兆の有無を判断できる。この判断結果に基づいて、ステップＳ３において調節装置３０がバイオガス生成反応の条件を調節することもできる。センサ５がバイオガス発酵槽３内の内容物中の有機酸の濃度を検知するセンサである場合を例にすると、ｍＲＮＡの定量結果と有機酸の濃度の検出値との組み合わせでどのような調節を調節装置３０がとればよいかのいくつかの例を、下記表１に例示する。

このように、本開示の実施形態１に係る制御システム１０によれば、メタン生成菌から産出されるメチル補酵素Ｍ還元酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいてバイオガス生成反応の状況の変化を検知するので、バイオガス生成反応の効率の低下の予兆を早めに検知することができる。また、バイオガス生成反応の効率の低下の予兆を早めに検知して、調節装置３０がバイオガス生成反応の効率の低下を適切に抑制できる。

＜本開示の実施形態１に係る微生物反応の制御システムの変形例＞
実施形態１において、ｍＲＮＡの範囲（上限及び下限）は予め決められた一定値であったが、この形態に限定するものではない。バイオガス発酵槽３内におけるメタン発酵が中温メタン発酵か高温メタン発酵かによりその範囲は異なり、又、バイオガス発酵槽３に供給される原料の由来物である有機性廃棄物の種類に応じてもその範囲は異なる。そこで、制御装置３４は、バイオガス生成反応の条件（メタン発酵の種類や原料の種類等）ごとに、ｍＲＮＡの定量結果と、バイオガスの生成量との関係を機械学習により作成し、作成された関係に基づいて、バイオガス生成反応の条件ごとにｍＲＮＡの範囲を決定してもよい。これにより、さらに適切にバイオガス生成反応の効率の低下を抑制できる。尚、この場合でも、ステップＳ２の判断を行う際には、ｍＲＮＡの範囲は既に設定されていることになる。

実施形態１において、調節装置３０は制御装置３４を備え、ｍＲＮＡの定量結果に基づいて制御装置３４が原料供給装置３１とメタン発酵汚泥供給装置３２と栄養剤供給装置３３とのいずれかを作動させていたが、この形態に限定するものではない。制御装置３４がなくても、ｍＲＮＡの定量結果に基づいて、バイオガス生成反応プロセス１ａのオペレーターが手動で調節装置３０を作動させてもよい。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る微生物反応の制御システム及び制御方法について説明する。実施形態２に係る微生物反応の制御システム及び制御方法は、実施形態１に対して、脱硫塔内の硫黄酸化細菌が増殖するのを抑制し、脱硫塔内の吸収液のＣＯＤの上昇を抑制するようにしたものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本開示の実施形態２では、任意のプラントに設けられた脱硫塔内で硫黄を酸化する硫黄酸化反応を微生物反応として、この硫黄酸化反応の制御システム及び制御方法について説明する。この硫黄酸化反応では、微生物は複数種類の硫黄酸化細菌（例えば、サーミチオバチルス テピダリウス ＤＳＭ３１３４等）であり、硫黄酸化細菌から産出された硫黄酸化酵素によって硫黄酸化反応が進行する。この硫黄酸化酵素は、硫黄酸化細菌のｓｏｘＢ遺伝子の発現により、ＤＮＡ→ｍＲＮＡ→タンパク質（酵素）の流れで産出される。硫黄酸化細菌のｓｏｘＢ遺伝子は、以下に示すように、その遺伝子配列が公知となっている。

＜本開示の実施形態２に係る微生物反応の制御システムの構成＞
図３に示されるように、本開示の実施形態２に係る制御システム５０は、限定はしないがボイラ等で発生する排ガスから硫黄酸化物（ＳＯｘ）を除去する脱硫プロセス１ｂの脱硫塔６０内に貯留された吸収液中に生存する硫黄酸化細菌の増殖及びそれに起因する吸収液のＣＯＤの上昇を抑制するためのものである。ここで、脱硫プロセス１ｂは、実施形態２に係る微生物反応プロセス１に相当する。

脱硫塔６０は、排ガス流通ライン６１を介して、排ガスを発生するボイラ等の図示しない排ガス発生源と連通している。脱硫塔６０には、吸収液が循環する吸収液循環ライン６２が設けられている。吸収液循環ライン６２の一端は脱硫塔６０の塔底に接続され、他端は、排ガス流通ライン６１が脱硫塔６０に接続される位置よりも上方で脱硫塔６０に接続されている。吸収液循環ライン６２には、吸収液循環ポンプ６３が設けられている。脱硫塔６０内には、吸収液循環ライン６２を流通した吸収液を脱硫塔６０内で噴霧するスプレー６８が設けられている。吸収液循環ライン６２には、吸収液循環ライン６２を流通する吸収液の一部を抜き出すための抜き出しライン６４が接続されている。脱硫塔６０の塔頂には、排ガスが脱硫塔６０から流出するための排気ライン６５が接続されている。

制御システム５０は、定量装置７０と調節装置８０とを備えている。定量装置７０は、硫黄酸化酵素の遺伝子（ｓｏｘＢ遺伝子）由来のｍＲＮＡを定量するための装置である。定量装置７０は、実施形態１の定量装置２０と同じように、脱硫塔６０に常設されたＰＣＲ装置でもよいし、脱硫塔６０内の吸収液の一部を取り出して測定するハンディタイプのＰＣＲ装置でもよい。

調節装置８０は、定量装置７０で定量されたｍＲＮＡの量が、予め設定された範囲から逸脱した場合に、ｍＲＮＡの量がその範囲内になるように硫黄酸化反応の条件を調節するためのものである。実施形態２において脱硫プロセス１ｂでは、調節装置８０は、脱硫塔６０内に硫黄酸化細菌を死滅させる殺菌剤（例えば、次亜塩素酸ナトリウム水溶液）を供給するための殺菌剤供給装置８１を備えている。殺菌剤供給装置８１は、殺菌剤を貯蔵する殺菌剤貯蔵槽８１ａと、殺菌剤貯蔵槽８１ａと脱硫塔６０とを連通する殺菌剤供給ライン８１ｂと、殺菌剤供給ライン８１ｂに設けられた殺菌剤供給ポンプ８１ｃとを備えている。また、調節装置８０は、殺菌剤供給ポンプ８１ｃに電気的に接続された制御装置８４を備えてもよい。

脱硫塔６０には、吸収液のＣＯＤを検知するためのＣＯＤ検知装置であるＣＯＤセンサ６６が設けられている。また、脱硫塔６０には、吸収液の状態を検知するための少なくとも１つのセンサ６７を設けてもよい。このようなセンサ６７としては、吸収液中の糖の濃度を検知するための糖センサ、吸収液中のアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）を検知するためのＡＴＰセンサ、吸収液のｐＨを検知するためのｐＨセンサ、吸収液の温度を検知するための温度センサ等を挙げることができる。ＣＯＤセンサ６６と少なくとも１つのセンサ６７とはそれぞれ、制御装置８４に電気的に接続されている。

＜本開示の実施形態２に係る微生物反応の制御システムの動作（制御方法）＞
次に、本開示の実施形態２に係る微生物反応の制御システムの動作について説明する。吸収液循環ポンプ６３によって、脱硫塔６０内の吸収液の一部が脱硫塔６０から流出して吸収液循環ライン６２を流通し、スプレー６８から吸収液が脱硫塔６０内に噴霧されて脱硫塔６０内を落下する。ボイラ等の排ガスは、排ガス流通ライン６１を介して脱硫塔６０内に流入する。脱硫塔６０内に流入した排ガスは、脱硫塔６０内を上昇する際に、脱硫塔６０内を落下する吸収液と気液接触することで、排ガス中のＳＯｘ等が吸収液に吸収される、すなわち排ガスが脱硫される。ＳＯｘ等が除去された排ガスは、排気ライン６５を介して脱硫塔６０から流出する。

脱硫塔６０において排ガスが脱硫されると、吸収液中の硫黄化合物濃度が上昇する。吸収液中には硫黄酸化細菌が生存しており、硫黄酸化細菌が産出する硫黄酸化酵素によって吸収液中の硫黄化合物が酸化される（硫黄酸化反応が生じる）ことで、吸収液のＣＯＤが上昇する。排ガスの脱硫動作が継続すると、吸収液中の硫黄化合物濃度が上昇するので、吸収液の一部を抜き出しライン６４を介して抜き出すとともに新たな吸収液を追加するが、吸収液のＣＯＤが高いと吸収液の放流ができなくなるおそれがある。このため、排ガスが脱硫される間、すなわち硫黄酸化反応が進行している間、制御システム５０は、硫黄酸化反応の状況の変化を検知し、硫黄酸化反応の状況が変化する場合には、硫黄酸化反応の条件を調節する。この動作について、図３とともに図４のフローチャートを参照しながら、以下に具体的に説明する。

脱硫塔６０において排ガスが脱硫される間、定量装置７０は、脱硫塔６０内の吸収液中のｓｏｘＢ遺伝子由来のｍＲＮＡを定量する（ステップＳ１１）。定量装置７０が脱硫塔６０に常設されたＰＣＲ装置の場合には、連続的又は間欠的にｍＲＮＡの定量を行う。定量装置７０がハンディタイプのＰＣＲ装置の場合には、脱硫塔６０から吸収液の一部を定期的にサンプリングし、抜き出したサンプルに対してｍＲＮＡの定量を行う。ｍＲＮＡの定量は、制御装置８４に伝送される。ステップＳ１１では、ＣＯＤセンサ６６によって吸収液のＣＯＤが検知され、その検知結果も制御装置８４に伝送される。また、センサ６７が設けられている場合には、センサ６７によって検知された吸収液の状態も制御装置８４に伝送される。

ｍＲＮＡの定量は、実施形態１と同様に、サンプルを前処理してｍＲＮＡを抽出し、ｍＲＮＡに基づいて相補的ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を作成し、ＰＣＲ法によりｃＤＮＡを増幅して行うことができる。ＰＣＲ法では、ｓｏｘＢに固有なプライマーを使用する必要があるが、例えば、フォワードプライマーとして、５’－ＧＧＡＴＡＴＧＡＡＡＡＡＣＧＣＣＧＡＧＧ－３’を使用し、リバースプライマーとして、５’－ＴＣＧＧＧＡＴＴＧＡＡＧＡＧＧＴＴＧＴＣ－３’を使用することができる。尚、ｓｏｘＢの上述した塩基配列の一部が異なっていると、ｍＲＮＡの塩基配列の一部も変わるため、このプライマーの組み合わせではｍＲＮＡを定量できない場合があるが、ｓｏｘＢに固有なプライマーとして使用可能なものは複数あるため、適切なプライマーを使用すればｍＲＮＡの定量は可能である。

次のステップＳ１２では、ｍＲＮＡの定量結果、すなわちｍＲＮＡの量が予め決定された上限及び下限からなる所定範囲内か否かの判断を制御装置８４が行う。ｍＲＮＡの量が所定範囲内の場合には、硫黄酸化反応の状況に変化が生じるおそれはない（特に、ｍＲＮＡの量が上限を超えておらず、吸収液のＣＯＤの上昇につながる硫黄酸化反応が促進するおそれがない）と制御装置８４が判断し、ステップＳ１１に戻る。

一方、ステップＳ１２においてｍＲＮＡの量がその範囲から逸脱した場合、特に、上限を超えた場合には、制御装置８４は、吸収液のＣＯＤが上昇する予兆が発生したと判断する。このような予兆を検知した場合には、調節装置８０が硫黄酸化反応の条件を調節する（ステップＳ１３）。具体的には、制御装置８４が殺菌剤供給ポンプ８１ｃを起動することで、殺菌剤貯蔵槽８１ａ内の殺菌剤を、殺菌剤供給ライン８１ｂを介して脱硫層６０内に供給する。殺菌剤の供給量は、ｍＲＮＡの定量結果に基づいて適宜調節することもできる。これにより、吸収液中の硫黄酸化細菌の少なくとも一部が死滅することでｓｏｘＢ遺伝子の発現量が減少するので、ｍＲＮＡの量を所定範囲内にすることができる。その結果、硫黄酸化反応に起因して吸収液のＣＯＤが上昇するおそれを抑制することができる。その後、ステップＳ１１に戻る。

少なくとも１つのセンサ６７が設けられている場合、ステップＳ１２では、ｍＲＮＡの定量結果とセンサ６７による検出結果とに基づいて、吸収液のＣＯＤが上昇する予兆の有無を判断できる。ステップＳ１３では、この判断結果に基づいて、調節装置８０が硫黄酸化反応の条件を調節する（殺菌剤を脱硫塔６０に供給するか否かを判断する）こともできる。センサ６７が吸収液の糖の濃度を検知するセンサである場合を例にすると、ステップＳ１２においてｍＲＮＡの量が上限を超え、かつ、糖の濃度が上昇したと判断された場合には、硫黄酸化細菌の活動（又は数）が上昇したことに伴いＣＯＤが上昇すると判断できるので、調節装置８０は殺菌剤を脱硫塔６０に供給する。一方、ステップＳ１２においてｍＲＮＡの量が上限を超え、かつ、糖の濃度の上昇が検知されない場合には、現状では硫黄酸化細菌の活動（又は数）が上昇していないと判断できるが、いずれはＣＯＤが上昇することが見込まれるので、糖の濃度の検知タイミングを短くして、迅速にＣＯＤ上昇の予兆を検知できるようにしたり、殺菌剤を供給する準備を進めたりする。尚、センサ６７がＡＴＰの濃度を検知するセンサである場合も、糖の濃度の場合と同様にして殺菌剤を脱硫塔６０に供給するか否かを判断することができる。

このように、本開示の実施形態２に係る制御システム５０によれば、硫黄酸化細菌から産出される硫黄酸化酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいて硫黄酸化反応の状況の変化を検知するので、脱硫塔６０内の吸収液のＣＯＤの上昇の予兆を早めに検知することができる。また、脱硫塔６０内の吸収液のＣＯＤの上昇の予兆を早めに検知して、調節装置８０が脱硫塔６０内の吸収液のＣＯＤの上昇を適切に抑制できる。

＜本開示の実施形態２に係る微生物反応の制御システムの変形例＞
実施形態２においても実施形態１と同様に、調節装置８０は制御装置８４を備えていなくてもよい。制御装置８４がなくても、ｍＲＮＡの定量結果に基づいて、脱硫プロセス１ｂのオペレーターが手動で調節装置８０を作動させてもよい。

実施形態２において、ｍＲＮＡの範囲（上限及び下限）は予め決められた一定値であったが、この形態に限定するものではない。脱硫塔６０が設けられるプラントごとに、ｍＲＮＡの範囲が異なる可能性がある。そこで、制御装置８４は、ｍＲＮＡの定量結果と、ＣＯＤセンサ６６の検知結果との関係を機械学習により作成し、作成された関係に基づいてｍＲＮＡの範囲を決定してもよい。これにより、さらに適切に脱硫塔６０内の吸収液のＣＯＤの上昇を抑制できる。尚、この場合でも、ステップＳ１２の判断を行う際には、ｍＲＮＡの範囲は既に設定されていることになる。

本開示の微生物反応の制御システム及び制御方法は、実施形態１のメタン発酵によるバイオガスの生成の制御や実施形態２の脱硫塔の吸収液のＣＯＤの上昇の制御のみに限定するものではない。実施形態１のメタン発酵における制御のように、微生物反応の効率の低下の予兆を早めに検知して対処する必要のあるプロセスであれば、どのようなプロセスにも本開示の微生物反応の制御システム及び制御方法を適用可能である。また、実施形態２の脱硫塔における制御のように、好ましくない微生物反応が促進されてその微生物反応に起因した指標が悪化する予兆を早めに検知して対処する必要のあるプロセスであれば、どのようなプロセスにも本開示の微生物反応の制御システム及び制御方法を適用可能である。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］一の態様に係る微生物反応の制御システムは、
微生物から産出される酵素による微生物反応の制御システム（１０／５０）であって、
前記酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量装置（２０／７０）と、
前記定量装置（２０／７０）で定量された前記ｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、前記ｍＲＮＡの量が前記範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節装置（３０／８０）と
を備える。

本開示の微生物反応の制御システムによれば、微生物から産出される酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいて微生物反応の状況の変化を検知するので、微生物反応の状況の変化の予兆を早めに検知することができる。

［２］別の態様に係る微生物反応の制御システムは、［１］の微生物反応の制御システムであって、
前記微生物反応は、少なくともメタンを含むバイオガスが生成されるバイオガス発酵槽（３）において、前記微生物であるメタン生成菌から産出されたメチル補酵素Ｍ還元酵素によって原料から前記バイオガスを生成するバイオガス生成反応であり、
前記定量装置（２０）は、前記メチル補酵素Ｍ還元酵素の遺伝子由来のｍＲＮＡを定量する。

このような構成によれば、メタン生成菌から産出されるメチル補酵素Ｍ還元酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいてバイオガス生成反応の効率の変化を検知するので、バイオガス生成反応の効率の低下の予兆を早めに検知することができる。

［３］さらに別の態様に係る微生物反応の制御システムは、［２］の微生物反応の制御システムであって、
前記調節装置（３０）は、
前記原料を前記バイオガス発酵槽（３）へ供給するための原料供給装置（３１）と
前記バイオガス発酵槽（３）へメタン発酵汚泥を供給するためのメタン発酵汚泥供給装置（３２）と、
前記バイオガス発酵槽（３）へ前記メタン生成菌のための栄養剤を供給するための栄養剤供給装置（３３）と
の少なくとも１つを含み、
前記調節装置（３０）は、前記ｍＲＮＡの定量結果に基づいて、前記原料と、前記メタン発酵汚泥と、前記栄養剤とのうちの少なくとも１つの供給量を調節する。

このような構成によれば、バイオガス生成反応の効率の低下の予兆を早めに検知して、調節装置がバイオガス生成反応の効率の低下を適切に抑制できる。

［４］さらに別の態様に係る微生物反応の制御システムは、［２］または［３］のいずれかの微生物反応の制御システムであって、
前記調節装置（３０）は、前記バイオガス生成反応の条件ごとに、前記ｍＲＮＡの定量結果と、前記バイオガスの生成量との関係を機械学習により作成し、作成された前記関係に基づいて、前記バイオガス生成反応の条件ごとに前記範囲を決定する。

温度や原料の性質等のバイオガス生成反応の条件ごとに、ｍＲＮＡの量についての範囲は異なる。これに対し、上記［４］の構成によれば、バイオガス生成反応の条件ごとに、ｍＲＮＡの定量結果と、バイオガスの生成量との関係を機械学習により作成し、作成された関係に基づいて、バイオガス生成反応の条件ごとに範囲を決定するので、さらに適切にバイオガス生成反応の効率の低下を抑制できる。

［５］さらに別の態様に係る微生物反応の制御システムは、［１］の微生物反応の制御システムであって、
前記微生物反応は、脱硫塔（６０）において、前記微生物である硫黄酸化細菌から産出された硫黄酸化酵素による硫黄酸化反応であり、
前記定量装置（７０）は、前記硫黄酸化酵素の遺伝子由来のｍＲＮＡを定量する。

このような構成によれば、硫黄酸化細菌から産出される硫黄酸化酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいて硫黄酸化反応の状況の変化を検知するので、脱硫塔内の吸収液のＣＯＤの上昇の予兆を早めに検知することができる。

［６］さらに別の態様に係る微生物反応の制御システムは、［５］の微生物反応の制御システムであって、
前記調節装置（８０）は、前記硫黄酸化細菌を死滅させる殺菌剤を前記脱硫塔（６０）へ供給するための殺菌剤供給装置（８１）を含み、
前記調節装置（８０）は、前記ｍＲＮＡの定量結果に基づいて、前記殺菌剤の供給量を調節する。

このような構成によれば、脱硫塔内の吸収液のＣＯＤの上昇の予兆を早めに検知して、調節装置が脱硫塔内の吸収液のＣＯＤの上昇を適切に抑制できる。

［７］さらに別の態様に係る微生物反応の制御システムは、［５］または［６］のいずれかの微生物反応の制御システムであって、
前記脱硫塔（６０）内のＣＯＤを検知するためのＣＯＤ検知装置（ＣＯＤセンサ６６）を備え、
前記調節装置（８０）は、前記ｍＲＮＡの定量結果と、前記ＣＯＤ検知装置（６６）の検知結果との関係を機械学習により作成し、作成された前記関係に基づいて前記範囲を決定する。

脱硫塔が設けられるプラントごとに、ｍＲＮＡの量についての範囲は異なる可能性がある。これに対し、上記［７］の構成によれば、ｍＲＮＡの定量結果と、ＣＯＤ検知装置の検知結果との関係を機械学習により作成し、作成された関係に基づいてｍＲＮＡの範囲を決定するので、さらに適切に脱硫塔内の吸収液のＣＯＤの上昇を抑制できる。

［８］一の態様に係る微生物反応の制御方法は、
微生物から産出される酵素による微生物反応の制御方法であって、
前記酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量ステップと、
前記定量ステップで定量された前記ｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、前記ｍＲＮＡの量が前記範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節ステップと
を含む。

本開示の微生物反応の制御方法によれば、微生物から産出される酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡの量に基づいて微生物反応の状況の変化を検知するので、微生物反応の状況の変化の予兆を早めに検知することができる。

３ バイオガス発酵槽
１０ 制御システム
２０ 定量装置
３０ 調節装置
３１ 原料供給装置
３２ メタン発酵汚泥供給装置
３３ 栄養剤供給装置
５０ 制御システム
６０ 脱硫塔
６６ ＣＯＤセンサ（ＣＯＤ検知装置）
７０ 定量装置
８０ 調節装置
８１ 殺菌剤供給装置

Claims (8)

1. 微生物から産出される酵素による微生物反応の制御システムであって、
   前記酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量装置と、
   前記定量装置で定量された前記ｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、前記ｍＲＮＡの量が前記範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節装置と
   を備える微生物反応の制御システム。
2. 前記微生物反応は、少なくともメタンを含むバイオガスが生成されるバイオガス発酵槽において、前記微生物であるメタン生成菌から産出されたメチル補酵素Ｍ還元酵素によって原料から前記バイオガスを生成するバイオガス生成反応であり、
   前記定量装置は、前記メチル補酵素Ｍ還元酵素の遺伝子由来のｍＲＮＡを定量する、請求項１に記載の微生物反応の制御システム。
3. 前記調節装置は、
   前記原料を前記バイオガス発酵槽へ供給するための原料供給装置と
   前記バイオガス発酵槽へメタン発酵汚泥を供給するためのメタン発酵汚泥供給装置と、
   前記バイオガス発酵槽へ前記メタン生成菌のための栄養剤を供給するための栄養剤供給装置と
   の少なくとも１つを含み、
   前記調節装置は、前記ｍＲＮＡの定量結果に基づいて、前記原料と、前記メタン発酵汚泥と、前記栄養剤とのうちの少なくとも１つの供給量を調節する、請求項２に記載の微生物反応の制御システム。
4. 前記調節装置は、前記バイオガス生成反応の条件ごとに、前記ｍＲＮＡの定量結果と、前記バイオガスの生成量との関係を機械学習により作成し、作成された前記関係に基づいて、前記バイオガス生成反応の条件ごとに前記範囲を決定する、請求項２または３に記載の微生物反応の制御システム。
5. 前記微生物反応は、脱硫塔において、前記微生物である硫黄酸化細菌から産出された硫黄酸化酵素による硫黄酸化反応であり、
   前記定量装置は、前記硫黄酸化酵素の遺伝子由来のｍＲＮＡを定量する、請求項１に記載の微生物反応の制御システム。
6. 前記調節装置は、前記硫黄酸化細菌を死滅させる殺菌剤を前記脱硫塔へ供給するための殺菌剤供給装置を含み、
   前記調節装置は、前記ｍＲＮＡの定量結果に基づいて、前記殺菌剤の供給量を調節する、請求項５に記載の微生物反応の制御システム。
7. 前記脱硫塔内のＣＯＤを検知するためのＣＯＤ検知装置を備え、
   前記調節装置は、前記ｍＲＮＡの定量結果と、前記ＣＯＤ検知装置の検知結果との関係を機械学習により作成し、作成された前記関係に基づいて前記範囲を決定する、請求項５または６に記載の微生物反応の制御システム。
8. 微生物から産出される酵素による微生物反応の制御方法であって、
   前記酵素のアミノ酸配列の少なくとも一部をコードするｍＲＮＡを定量する定量ステップと、
   前記定量ステップで定量された前記ｍＲＮＡの量が、設定された範囲から逸脱した場合に、前記ｍＲＮＡの量が前記範囲内になるように前記微生物反応の条件を調節する調節ステップと
   を含む微生物反応の制御方法。

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