JP5563774B2 - Electric culture device - Google Patents

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Description

本発明は、気培養装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス状物質や揮発性物質を生産する微生物の培養に好適な電気培養装置、さらには、この電気培養装置を利用してガス状物質や揮発性物質を生産する方法、揮発性の有害物質を微生物により分解処理する方法に関する。 The present invention relates to electrical culture device. In more detail, the present invention is a gaseous substance or volatile substances suitable electrical culture apparatus for culturing the microorganism producing, further, produce gaseous material and volatiles using this electric culture apparatus And a method for decomposing volatile harmful substances by microorganisms.

微生物の新たな培養技術として、電気培養技術の研究が進められている。電気培養とは、培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御しながら微生物の培養を行う手法である(特許文献1参照)。培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御することによって、その微生物のみを選択的に活性化させて、増殖の促進や物質分解能等といった微生物の諸機能を向上させることができる。また、電気培養には、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う方法も含まれる(特許文献2及び特許文献3参照)。   As a new culturing technology for microorganisms, research on electroculturing technology is underway. Electric culture is a technique for culturing microorganisms while controlling the oxidation-reduction potential of the culture solution within the optimum range of the microorganisms to be cultured (see Patent Document 1). By controlling the oxidation-reduction potential of the culture solution to the optimum range of the microorganism to be cultured, only the microorganism can be selectively activated to improve various functions of the microorganism such as promotion of growth and substance resolution. it can. In addition, the electric culture includes a method of culturing while regenerating substances necessary for microorganisms by reducing substances oxidized by microorganisms or conversely reducing substances reduced (patents). Reference 2 and Patent Document 3).

電気培養手法を実施するための電気培養装置の具体例として、例えば図10に示す電気培養装置が知られている(特許文献1参照)。図10に示す電気培養装置101は、イオン交換膜106によって仕切られた二つの槽(培養槽107と対電極槽108)と、作用電極109及び対電極110と、作用電極109と対電極110との間に電位差を与える電源112とを有し、培養槽107には酸化還元物質103を含む培養液104が収容されると共に作用電極109が培養液104に浸され、対電極槽108には電解液104aが収容されると共に対電極110が電解液104aに浸され、培養液104に培養対象たる微生物102が添加されて、電源112により作用電極109と対電極110との間に電位差が与えられながら微生物102が培養される。尚、図10に示す電気培養装置101では、培養液104に参照電極111が浸され、作用電極109、対電極110及び参照電極111は3電極式の電位制御装置であるポテンシオスタット112に結線され、培養槽107内の培養液104の酸化還元電位を厳密に設定可能としている。   As a specific example of the electroculturing apparatus for carrying out the electroculturing technique, for example, an electroculturing apparatus shown in FIG. 10 is known (see Patent Document 1). An electroculture apparatus 101 shown in FIG. 10 includes two tanks (a culture tank 107 and a counter electrode tank 108) partitioned by an ion exchange membrane 106, a working electrode 109 and a counter electrode 110, a working electrode 109, and a counter electrode 110. The culture vessel 107 contains the culture solution 104 containing the redox substance 103 and the working electrode 109 is immersed in the culture solution 104, and the counter electrode vessel 108 is electrolyzed. The liquid 104a is accommodated, the counter electrode 110 is immersed in the electrolyte 104a, the microorganism 102 to be cultured is added to the culture liquid 104, and a potential difference is applied between the working electrode 109 and the counter electrode 110 by the power source 112. However, the microorganism 102 is cultured. 10, the reference electrode 111 is immersed in the culture solution 104, and the working electrode 109, the counter electrode 110, and the reference electrode 111 are connected to a potentiostat 112, which is a three-electrode type potential control device. Thus, the oxidation-reduction potential of the culture solution 104 in the culture tank 107 can be set strictly.

特開2008−54646号公報JP 2008-54646 A 特開2006−55134号公報JP 2006-55134 A 特開2007−89580号公報JP 2007-89580 A

しかしながら、従来の電気培養装置は密閉構造とはなっていなかったことから、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合、この微生物が生産するガス状物質が電気培養装置の外に揮散してしまい、この微生物が生産するガス状物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。   However, since the conventional electric culture apparatus has not a sealed structure, when an electric culture is performed on a microorganism that produces a gaseous substance, the gaseous substance produced by the microorganism is outside the electric culture apparatus. It was difficult to accurately analyze the amount of gaseous substances produced by the microorganisms and to recover without leakage.

また、揮発性物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合にも、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合と同様の問題が生じていた。即ち、この微生物が生産する揮発性物質が揮発して生じたガス成分が電気培養装置の外に揮散してしまう結果、この微生物が生産する揮発性物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。   In addition, when electroculturing is performed on microorganisms that produce volatile substances, the same problems as when electroculturing is performed on microorganisms that produce gaseous substances have occurred. That is, the gas component produced by volatilization of the volatile substance produced by this microorganism is volatilized out of the electric culture apparatus, so that the amount of the volatile substance produced by this microorganism can be accurately analyzed or leaked. It was difficult to recover.

さらに、揮発性の有害物質を分解する微生物を対象として電気培養を実施しながら、培養液に添加した揮発性の有害物質を分解処理する場合にも、分解対象物である揮発性の有害物質が電気培養装置の外に揮散してしまい、効率よく分解処理が行えないという問題があった。   In addition, when conducting culturing for microorganisms that decompose volatile harmful substances while decomposing volatile harmful substances added to the culture solution, volatile harmful substances that are decomposition targets are also present. There was a problem that it was volatilized out of the electroculture apparatus and the decomposition process could not be performed efficiently.

また、従来の電気培養装置は密閉構造とはなっていなかったことから、窒素ガス等を電気培養装置内に流してもガスが電気培養装置の外に揮散してしまい、微生物の培養環境を嫌気性に制御することが困難であった。そこで、従来は、例えばアクリル製の密閉構造の嫌気ボックスに電気培養装置を収容し、嫌気ボックスに窒素ガス等を流すことによって培養環境を嫌気性に制御していた。しかし、密閉構造の嫌気ボックス等に電気培養装置を収容してしまうと、電気培養装置そのものの管理、例えば培養液に物質を添加したりする処理が極めて煩雑になるという問題があった。また、電気培養終了後、再度培養を行う際には電気培養装置とともに嫌気ボックスも滅菌処理する必要が生じ、その手間が極めて煩雑なものとなっていた。   In addition, since the conventional electroculture apparatus did not have a sealed structure, even if nitrogen gas or the like was flowed into the electroculture apparatus, the gas was volatilized out of the electroculture apparatus, and the culture environment of microorganisms was anaerobic It was difficult to control the sex. Therefore, conventionally, the culture environment is controlled to be anaerobic by, for example, housing an electric culture device in an anaerobic box having an airtight structure made of acrylic and flowing nitrogen gas or the like through the anaerobic box. However, if the electroculturing apparatus is accommodated in an anaerobic box or the like having a closed structure, there is a problem that management of the electroculturing apparatus itself, for example, a process of adding a substance to the culture solution becomes extremely complicated. Further, when culturing again after the completion of the electroculture, it is necessary to sterilize the anaerobic box together with the electrocultivation apparatus, and the labor is extremely complicated.

そこで、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく微生物を培養することのできる電気培養装置を提供することを目的とする。 The present invention has an object to provide a can Ru electric culture apparatus culturing microorganisms without leaking gaseous substances and volatile substances produced by microorganisms outside the electric culture device.

また、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく効率よく回収することのできる物質生産方法を提供することを目的とする。   It is another object of the present invention to provide a substance production method capable of efficiently recovering gaseous substances and volatile substances produced by microorganisms without leaking out of the electric culture apparatus.

さらに、本発明は、揮発性の有害物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく微生物を利用して効率よく分解処理することのできる物質分解処理方法を提供することを目的とする。   Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for decomposing substances that can be efficiently decomposed using microorganisms without causing leakage of volatile harmful substances to the outside of the electric culture apparatus.

かかる課題を解決するため、本願発明者等は、従来の電気培養装置を密閉して微生物を培養することについて検討を行った。その結果、従来の電気培養装置を単に密閉構造とするだけでは、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることが判明した。本願発明者等はこの原因について検討を行った結果、電気培養装置の対電極槽から発生するガスが培養槽内の培養液に溶け込むことによって、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることを突き止めた。   In order to solve such a problem, the inventors of the present application have studied about culturing microorganisms by sealing a conventional electric culture apparatus. As a result, it has been found that simply having a conventional electroculture apparatus with a sealed structure may adversely affect the growth state of microorganisms. As a result of studying this cause, the inventors of the present application have found that the gas generated from the counter electrode tank of the electric culture apparatus dissolves in the culture solution in the culture tank, which may adversely affect the growth state of the microorganism. I found it.

そこで、本願発明者等はさらなる検討を行い、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく、しかも対電極から発生するガス成分が培養槽内の培養液に溶け込むことのない新たな電気培養装置の構成を着想し、本願発明を完成するに至った。 Therefore, the inventors of the present application have further studied, and the gaseous components generated from the counter electrode without causing leakage of gaseous substances and volatile substances produced by microorganisms to the outside of the electric culture apparatus, and the culture solution in the culture tank It conceived a configuration that no new electric culture device to blend into, and completed the present invention.

即ち、本発明の電気培養装置は、イオン交換膜によって仕切られた二つの槽と、作用電極及び対電極と、作用電極と対電極との間に電位差を与える電源とを有し、二つの槽のうちの一方の槽を培養槽として酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に作用電極が培養液に浸され、二つの槽のうちの他方の槽を対電極槽として電解液が収容されると共に対電極が電解液に浸され、培養液に培養対象たる微生物が添加されて、電源により作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養装置において、密閉構造の容器を培養槽とし、容器に収容可能な密閉構造の小容器を対電極槽とし、小容器は少なくとも一部にイオン交換膜を備えると共に対電極槽から発生するガスを容器の外に排出するガス排出管を備え、培養液がイオン交換膜を介して電解液と接触していること、培養液がイオン交換膜を介して対電極と接触していること、及び/又は、作用電極がイオン交換膜を介して電解液と接触していることにより、作用電極と対電極の間でのイオン電流の発生を可能としていることを特徴としている。ここで、多孔性の作用電極がイオン交換膜に接触し、作用電極とイオン交換膜との接触面にて培養液がイオン交換膜と接触し、培養液及び作用電極がイオン交換膜を介して電解液及び/又は対電極と接触しているようにしてもよい。また、多孔性の対電極がイオン交換膜に接触し、多孔性の対電極とイオン交換膜との接触面にて電解液がイオン交換膜と接触し、電解液及び対電極がイオン交換膜を介して培養液及び/又は作用電極と接触しているようにしてもよい。 That is, the electroculture apparatus of the present invention includes two tanks partitioned by an ion exchange membrane, a working electrode and a counter electrode, and a power source that provides a potential difference between the working electrode and the counter electrode. One of the two tanks is used as a culture tank, and a culture solution containing a redox substance is stored therein, and the working electrode is immersed in the culture solution, and the other of the two tanks is used as a counter electrode tank and an electrolyte solution is stored therein. In addition, the counter electrode is immersed in the electrolytic solution, the microorganism to be cultured is added to the culture solution, and the microorganism is cultured while applying a potential difference between the working electrode and the counter electrode by a power source. The container is a culture tank, and a small container with a sealed structure that can be accommodated in the container is a counter electrode tank. The small container is provided with an ion exchange membrane at least in part and discharges gas generated from the counter electrode tank to the outside a discharge tube, the culture solution Contact with electrolyte through on-exchange membrane, culture medium in contact with counter electrode through ion-exchange membrane, and / or working electrode in contact with electrolyte through ion-exchange membrane By doing so, it is possible to generate an ionic current between the working electrode and the counter electrode. Here, the porous working electrode contacts the ion exchange membrane, the culture solution contacts the ion exchange membrane at the contact surface between the working electrode and the ion exchange membrane, and the culture solution and the working electrode pass through the ion exchange membrane. You may make it contact with electrolyte solution and / or a counter electrode. In addition, the porous counter electrode contacts the ion exchange membrane, the electrolyte solution contacts the ion exchange membrane at the contact surface between the porous counter electrode and the ion exchange membrane, and the electrolyte solution and the counter electrode contact the ion exchange membrane. It may be in contact with the culture medium and / or the working electrode.

したがって、本発明の電気培養装置によると、培養槽を、対電極槽から発生するガスが培養槽へ侵入するのを防ぐ密閉構造としているので、培養槽内で発生したガス状物質(微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分)を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。 Therefore, according to the electric culture apparatus of the present invention, since the culture tank has a sealed structure that prevents the gas generated from the counter electrode tank from entering the culture tank, gaseous substances (microorganisms produced in the culture tank are produced). Gas components produced by volatilization of volatile substances produced by microorganisms and microorganisms), and the growth of microorganisms is adversely affected by the gas generated from the counter electrode tank without leaking out of the culture tank Nothing will happen.

次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養装置によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、ガス状物質または揮発性物質が揮発して発生したガス成分を培養槽内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを電気培養装置のガス回収手段で回収するようにしている。 Next, the substance production method of the present invention is caused by culturing microorganisms that produce gaseous substances or microorganisms that produce volatile substances using the electric culture apparatus of the present invention, and the gaseous substances or volatile substances are volatilized and generated. The gas component is retained in a space above the liquid level of the culture solution in the culture tank, and this is recovered by the gas recovery means of the electric culture apparatus .

上記の通り、本発明の電気培養装置によると、培養槽内で発生したガス状物質を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる培養対象微生物への悪影響を排除しながら、培養対象微生物により生産されたガス状物質や培養対象微生物により生産された揮発性物質が揮発して生じたガス成分を培養槽の外に漏洩させることなく培養槽の培養液の液面よりも上部の空間に滞留させて、効率よく回収することができる。 As described above, according to the electric culture apparatus of the present invention, the gaseous substance generated in the culture tank does not leak out of the culture tank, and the gas generated from the counter electrode tank does not adversely affect the growth state of the microorganism. It will not be done. Therefore, according to the substance production method of the present invention, while eliminating the adverse effect on the microorganism to be cultured due to the gas generated from the counter electrode, the gaseous substance produced by the microorganism to be cultured and the volatile substance produced by the microorganism to be cultured The gas component generated by volatilization can be efficiently collected by being retained in the space above the liquid level of the culture solution in the culture tank without leaking out of the culture tank.

次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養装置により揮発性物質を生産する微生物を培養し、微生物が生産する揮発性物質を電気培養装置の培養液採取手段から採取した培養液から回収するようにしている。 Then, substance production method of the present invention, culturing a microorganism producing volatiles by electrical cultivation apparatus of the invention, the culture solution was collected volatiles produced by microorganisms from the culture fluid collecting means electrically culture apparatus To recover from.

上記の通り、本発明の電気培養装置によると、培養槽内で発生したガス状物質を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる培養対象微生物への悪影響を排除しながら、培養対象微生物により生産された揮発性物質を培養槽の外に漏洩させることなく培養槽の培養液から効率よく回収することができる。 As described above, according to the electric culture apparatus of the present invention, the gaseous substance generated in the culture tank does not leak out of the culture tank, and the gas generated from the counter electrode tank does not adversely affect the growth state of the microorganism. It will not be done. Therefore, according to the substance production method of the present invention, the volatile substance produced by the culture target microorganism is cultured without leaking out of the culture tank while eliminating the adverse effect on the culture target microorganism due to the gas generated from the counter electrode. It can be efficiently recovered from the culture medium in the tank.

次に、本発明の物質分解処理方法は、本発明の電気培養装置により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、培養槽内の培養液に添加された揮発性の有害物質を分解処理するようにしている。 Next, in the material decomposition treatment method of the present invention, the microorganisms that decompose volatile harmful substances are cultured by the electroculture apparatus of the present invention, and the volatile harmful substances added to the culture solution in the culture tank are decomposed. Like to do.

本発明の電気培養装置によると、培養槽内のガス状物質を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。したがって、本発明の物質分解処理方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を培養槽の外へ漏洩させることなく効率よく分解処理することができる。 According to the electric culture apparatus of the present invention, gaseous substances in the culture tank do not leak out of the culture tank, and the gas generated from the counter electrode tank does not adversely affect the growth state of the microorganism. Therefore, according to the material decomposition treatment method of the present invention, the volatile harmful substance added to the culture solution is leaked out of the culture tank while eliminating the adverse effect on the growth state of the microorganisms caused by the gas generated from the counter electrode. It is possible to efficiently perform the decomposition process without any problem.

尚、本発明の電気培養装置において、対電極槽に電解液収容されずに多孔性の対電極イオン交換膜と接触しているようにしてもよい。この場合にも電気培養を実施することが可能である。 Incidentally, in the electric cultivation apparatus of the invention, the porous counter electrode without being electrolytic solution accommodated in the counter electrode reservoir may also be in contact with the ion-exchange membrane. In this case as well, it is possible to carry out electroculture.

ここで、本発明の電気培養装置において、培養槽内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備えるものとすることが好ましい。   Here, the electric culture apparatus of the present invention preferably includes a gas recovery means for recovering a gaseous substance staying in a space above the liquid level of the culture solution in the culture tank.

また、本発明の電気培養装置において、培養槽内の培養液を採取する培養液採取手段を備えるものとすることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the electroculture apparatus of the present invention includes a culture solution collecting means for collecting the culture solution in the culture tank.

本発明の電気培養装置によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養槽内で発生したガス状物質(微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分)を培養槽の外に漏洩することなく、微生物の電気培養を行うことが可能となる。したがって、培養時に与えられた電位と培養対象微生物によるガス状物質や揮発性物質の生産量との関係を正確に分析することが可能になる。 According to electric culture device of the present invention, while eliminating adverse effects on the state of growth of microorganisms due to gas generated from the counter electrode, the gaseous substances and microorganisms generated gaseous materials (microorganisms produced in the culture tank is It is possible to carry out the electro-culture of microorganisms without leaking the gas component produced by volatilization of the produced volatile substance) to the outside of the culture tank. Therefore, it is possible to accurately analyze the relationship between the potential applied during culture and the production amount of gaseous substances and volatile substances by the microorganisms to be cultured.

また、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養槽内で発生したガス状物質(微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分)を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。   Moreover, according to the electric culture apparatus of this invention provided with the gas collection | recovery means which collect | recovers the gaseous substance which retains in the space above the liquid level of the culture solution in a culture container, the gaseous substance generated in the culture tank ( Gaseous substances produced by microorganisms and gas components produced by volatilization of volatile substances produced by microorganisms can be collected without waste, and the collection efficiency can be improved.

さらに、培養容器内の培養液を採取する培養液採取手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養容器内で微生物が生産した揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。   Furthermore, according to the electric culture apparatus of the present invention equipped with the culture solution collecting means for collecting the culture solution in the culture vessel, the volatile substances produced by the microorganisms in the culture vessel can be recovered without waste and the recovery efficiency can be improved. It can be.

また、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養槽内で発生したガス状物質(微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分)を培養槽の外に漏洩することなく回収することができる。したがって、培養槽内で発生した微生物由来のガス状物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。   Further, according to the material production method of the present invention, while eliminating the adverse effect on the growth state of microorganisms caused by the gas generated from the counter electrode, gaseous substances generated in the culture tank (gaseous substances produced by microorganisms and microorganisms) Can be collected without leaking out of the culture tank. Therefore, the microorganism-derived gaseous substance generated in the culture tank can be recovered without waste and the recovery efficiency can be improved.

さらに、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養槽内で微生物が生産した揮発性物質を培養槽の外に漏洩することなく回収することができる。したがって、微生物により生産された揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。   Furthermore, according to the substance production method of the present invention, volatile substances produced by microorganisms in the culture tank are leaked out of the culture tank while eliminating adverse effects on the growth state of the microorganisms caused by the gas generated from the counter electrode. Can be recovered without any problems. Therefore, the volatile substances produced by the microorganisms can be recovered without waste and the recovery efficiency can be improved.

また、本発明の物質分解処理方法によれば、対電極槽から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を培養槽の外に漏洩することなく分解処理することができる。したがって、微生物による揮発性有害物質の分解処理効率を良好なものとすることができる。   In addition, according to the material decomposition treatment method of the present invention, the volatile harmful substances added to the culture solution are removed from the culture tank while eliminating the adverse effects on the growth state of the microorganisms caused by the gas generated from the counter electrode tank. It can be decomposed without leakage. Therefore, the decomposition efficiency of volatile harmful substances by microorganisms can be improved.

本発明の電気培養装置の第一の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st embodiment of the electroculture apparatus of this invention. 本発明の電気培養装置の第一の実施形態の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of 1st embodiment of the electroculture apparatus of this invention. 本発明の電気培養装置の第二の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd embodiment of the electroculture apparatus of this invention. 本発明の電気培養装置の第三の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 3rd embodiment of the electroculture apparatus of this invention. 本発明の電気培養装置の第四の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 4th embodiment of the electroculture apparatus of this invention. 実施例において使用した電気培養装置を示す図である。It is a figure which shows the electroculture apparatus used in the Example. 対電極槽としての小容器の形態を示す図である。It is a figure which shows the form of the small container as a counter electrode tank. 培養時間に対するセル密度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the cell density with respect to culture | cultivation time. 培養時間に対する培養液のエタノール濃度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the ethanol concentration of the culture solution with respect to culture | cultivation time. 従来の電気培養装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional electroculture apparatus.

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の電気培養方法は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽のうち、一方の槽を培養槽として酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に培養液に作用電極を浸し、他方の槽を対電極槽として電解液を収容すると共に電解液に対電極を浸し、培養槽に培養対象たる微生物を添加して、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養方法において、培養槽を密閉し、対電極槽から発生するガスが培養槽に侵入するのを防ぎながら微生物を培養するようにしている。   The electrocultivation method of the present invention contains a culture solution containing a redox substance with one of the two chambers partitioned and opened by an ion exchange membrane as a culture vessel and immersing the working electrode in the culture solution. The other tank is used as a counter electrode tank to store the electrolyte solution, and the counter electrode is immersed in the electrolyte solution, the microorganism to be cultured is added to the culture tank, and the microorganism is removed while applying a potential difference between the working electrode and the counter electrode. In an electroculturing method for culturing, a culture vessel is sealed, and microorganisms are cultured while preventing gas generated from the counter electrode vessel from entering the culture vessel.

本発明の電気培養方法は、具体的には以下の図1〜図4に示す電気培養装置により実施することができる。本発明の電気培養装置1は、イオン交換膜6によって仕切られ且つ開放された二つの槽(培養槽7と対電極槽8)と、作用電極9及び対電極10と、作用電極9と対電極10との間に電位差を与える電源12とを有し、培養槽7には酸化還元物質3を含む培養液4が収容されると共に作用電極9が培養液4に浸され、対電極槽8には電解液4aが収容されると共に対電極10が電解液4aに浸され、培養液4に培養対象たる微生物2が添加されて、電源12により作用電極9と対電極10との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養装置において、培養槽7を、対電極槽8から発生するガスが培養槽7へ侵入するのを防ぐ密閉構造としているものである。   Specifically, the electroculture method of the present invention can be carried out by the electroculture apparatus shown in FIGS. The electric culture apparatus 1 of the present invention includes two tanks (a culture tank 7 and a counter electrode tank 8) partitioned and opened by an ion exchange membrane 6, a working electrode 9, a counter electrode 10, and a working electrode 9 and a counter electrode. 10 and a power source 12 for providing a potential difference between them, a culture solution 4 containing the redox substance 3 is accommodated in the culture tank 7, and a working electrode 9 is immersed in the culture solution 4. The electrolytic solution 4a is accommodated, the counter electrode 10 is immersed in the electrolytic solution 4a, the microorganism 2 to be cultured is added to the culture solution 4, and a potential difference is generated between the working electrode 9 and the counter electrode 10 by the power source 12. In the electric culture apparatus for culturing microorganisms while being applied, the culture tank 7 has a sealed structure that prevents gas generated from the counter electrode tank 8 from entering the culture tank 7.

本発明の電気培養装置1は、特開2008−54646号公報に開示されている従来の電気培養装置(図10)を改良したものであり、イオン交換膜6によって仕切られ且つ開放された二つの槽(培養槽7と対電極槽8)と、作用電極9及び対電極10と、作用電極9と対電極10との間に電位差を与える電源12とを有し、培養槽7には酸化還元物質3を含む培養液4が収容されると共に作用電極9が培養液4に浸され、対電極槽8には電解液4aが収容されると共に対電極10が電解液4aに浸され、培養液4に培養対象たる微生物2が添加されて、電源12により作用電極9と対電極10との間に電位差が与えられながら微生物2が培養される電気培養装置である点においては、従来の電気培養装置と共通するものである。   The electroculture apparatus 1 of the present invention is an improvement over the conventional electroculture apparatus (FIG. 10) disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-54646, and is divided into two pieces separated and opened by an ion exchange membrane 6. It has a tank (the culture tank 7 and the counter electrode tank 8), the working electrode 9 and the counter electrode 10, and a power source 12 for applying a potential difference between the working electrode 9 and the counter electrode 10. The culture solution 4 containing the substance 3 is accommodated and the working electrode 9 is immersed in the culture solution 4. The counter electrode tank 8 is accommodated with the electrolyte solution 4 a and the counter electrode 10 is immersed in the electrolyte solution 4 a. 4 is a conventional electroculture apparatus in which the microorganism 2 to be cultured is added and the microorganism 2 is cultured while a potential difference is applied between the working electrode 9 and the counter electrode 10 by the power source 12. It is the same as the device.

図10に示す従来の電気培養装置と本発明の電気培養装置との違いは、培養槽7を密閉構造としている点にある。これにより、対電極10から発生するガスが培養槽7内の培養液4に溶け込むことがなくなる。したがって、対電極10から発生するガスによる微生物2の生育状態への悪影響を排除しながら、培養対象微生物2が生産するガス状物質や揮発性物質、または培養槽7内への添加物(ガス状物質や揮発性物質)を培養槽7の外に漏洩することなく、培養対象微生物2の電気培養を行うことが可能となる。   The difference between the conventional electric culture apparatus shown in FIG. 10 and the electric culture apparatus of the present invention is that the culture tank 7 has a sealed structure. Thereby, the gas generated from the counter electrode 10 does not dissolve in the culture solution 4 in the culture tank 7. Therefore, while eliminating the adverse effect of the gas generated from the counter electrode 10 on the growth state of the microorganism 2, the gaseous substance or volatile substance produced by the microorganism 2 to be cultured, or the additive (gaseous state) in the culture tank 7 It becomes possible to perform the electric culture of the culture target microorganism 2 without leaking substances or volatile substances) out of the culture tank 7.

以下、本発明の電気培養装置の実施形態について、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, the embodiment of the electroculture apparatus of the present invention will be described in more detail.

本発明の電気培養装置の第一の実施形態を図1に示す。図1に示す電気培養装置1は、密閉構造の容器20を培養槽7とし、容器20に収容可能な密閉構造の小容器21を対電極槽8とし、小容器21は少なくとも一部にイオン交換膜6を備えると共にガス(対電極槽から発生するガス)を容器20の外に排出するガス排出管22を備えるものとしている。   A first embodiment of the electroculture apparatus of the present invention is shown in FIG. In the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 1, a sealed container 20 is used as a culture tank 7, a sealed small container 21 that can be accommodated in the container 20 is used as a counter electrode tank 8, and the small container 21 is at least partially ion-exchanged. In addition to the membrane 6, a gas discharge pipe 22 that discharges gas (gas generated from the counter electrode tank) to the outside of the container 20 is provided.

また、図1に示す電気培養装置1は、培養槽7内の培養液4の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段15と、培養槽7の培養液4を採取する培養液採取手段16とを備えるものとしている。   Moreover, the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 1 has the gas collection | recovery means 15 which collect | recovers the gaseous substance which retains in the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7, and the culture solution 4 of the culture tank 7 And a culture solution collecting means 16 for collecting the sample.

培養槽7としての密閉構造の容器20は、対電極槽8としての密閉構造の小容器21を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を培養槽7として用いるようにしてもよい。   The sealed container 20 as the culture tank 7 is a container having a size capable of accommodating the small container 21 with the sealed structure as the counter electrode tank 8, and the shape is not particularly limited. Examples of the material of the container include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. Moreover, you may make it use the container which formed the gas impermeable membrane material in the bag shape by the heat seal etc. as the culture tank 7. FIG.

対電極槽8としての密閉構造の小容器21は、培養槽7としての容器20に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜6を備えるものとしている。ここで、本実施形態では、小容器21全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としているが、小容器21はこの形態に限定されるものではない。例えば、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜6で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜6のみで構成してもよい。部分的にイオン交換膜6を用いる場合には、その他の部分は容器20と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜6以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器21からのガス(対電極槽8から発生するガス)が容器20の内部に漏洩しないようにしてもよい。   The small container 21 having a sealed structure as the counter electrode tank 8 is a container of a size that can be accommodated in the container 20 as the culture tank 7, and includes the ion exchange membrane 6 at least partially. Here, in the present embodiment, the entire small container 21 is a bag-shaped container formed by the ion exchange membrane 6, but the small container 21 is not limited to this form. For example, only one surface of the bag-like container may be constituted by the ion exchange membrane 6, or a part of one surface may be constituted by only the ion exchange membrane 6. When the ion exchange membrane 6 is partially used, other portions may be made of the same material as that of the container 20, or may be made of a membrane material other than the ion exchange membrane 6, such as a gas-impermeable membrane material. It may be configured so that gas from the small container 21 (gas generated from the counter electrode tank 8) does not leak into the container 20.

容器20に小容器21を収容することで、容器20に収容されている培養液4に小容器21が浸され、小容器21の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜6と培養液4とが接触する。したがって、培養液4に浸されている作用電極9と、電解液4aに浸されている対電極10との間に電位差を与えた際に、作用電極9と対電極10との間でイオン電流が発生し、培養液4の酸化還元電位を制御することが可能となる。   By accommodating the small container 21 in the container 20, the small container 21 is immersed in the culture solution 4 accommodated in the container 20, and the ion exchange membrane 6 and the culture solution 4 provided in at least a part of the small container 21. And contact. Therefore, when a potential difference is applied between the working electrode 9 immersed in the culture solution 4 and the counter electrode 10 immersed in the electrolytic solution 4a, an ionic current is generated between the working electrode 9 and the counter electrode 10. And the oxidation-reduction potential of the culture solution 4 can be controlled.

尚、本発明において使用する作用電極9は、従来の電気培養装置と同様、培養液4に浸され、酸化還元物質3の酸化還元反応を可逆的に進行させるものである。本実施形態において、作用電極9は板状の炭素電極としているが、作用電極9の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、培養液4中の酸化還元物質3の酸化還元反応を可逆的に進行させ得る電極とすればよい。   In addition, the working electrode 9 used in the present invention is immersed in the culture solution 4 and reversibly advances the oxidation-reduction reaction of the oxidation-reduction substance 3 as in the conventional electroculture apparatus. In the present embodiment, the working electrode 9 is a plate-like carbon electrode, but the shape and material of the working electrode 9 are not limited to this, and the point is that the redox substance 3 in the culture solution 4 is redox. What is necessary is just to set it as the electrode which can advance reaction reversibly.

本発明において使用する対電極10は、従来の電気培養装置と同様、作用電極9における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させるものである。本実施形態において、対電極10は板状の炭素電極としているが、対電極10の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、作用電極9における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させ得る電極とすればよい。   The counter electrode 10 used in the present invention proceeds with a reaction that complements the exchange of electrons with respect to the oxidation-reduction reaction at the working electrode 9 as in the case of a conventional electroculture device. In the present embodiment, the counter electrode 10 is a plate-like carbon electrode. However, the shape and material of the counter electrode 10 are not limited to this, and the point is that the electron is reduced with respect to the redox reaction in the working electrode 9. What is necessary is just to set it as the electrode which can advance the reaction which complements giving / receiving.

尚、本実施形態では、培養槽7の内部に参照電極11(例えば銀・塩化銀参照電極)を配置して、参照電極11を培養液4に浸し、従来の電気培養装置と同様に、作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の電位制御装置(ポテンシオスタット)に結線して、培養液4の電位を厳密に制御可能としているが、図2に示すように、参照電極11を備えることなく、作用電極9と対電極10との間に電源12により電位差を与えさえすれば、培養液4の電位の制御は可能である。   In the present embodiment, a reference electrode 11 (for example, a silver / silver chloride reference electrode) is disposed inside the culture tank 7, and the reference electrode 11 is immersed in the culture solution 4, so that the operation is similar to that of a conventional electroculture device. The electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 are connected to a three-electrode potential control device (potentiostat) so that the potential of the culture solution 4 can be strictly controlled. As shown in FIG. The potential of the culture solution 4 can be controlled as long as a potential difference is applied between the working electrode 9 and the counter electrode 10 by the power source 12 without providing the reference electrode 11.

本発明において使用するイオン交換膜6は、従来の電気培養装置と同様、培養液4に含まれる酸化還元物質3を対電極10側に透過させることなく培養液4中に留まらせ、且つ培養液4に含まれるイオンを対電極10側に透過させるものである。具体的には、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜等が挙げられるがこれに限定されるものではない。尚、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、例えば酸化還元物質3として鉄イオンを用いる場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンは透過しないことから、酸化還元物質3を対電極10側へ透過させることなく、培養液4中に留まらせることができる。また、培養液4には通常、水素イオン、ナトリウムイオン(Na)、カリウムイオン(K)などの一価の陽イオンが含まれていることから、これらの陽イオンが対電極10側へ透過し、作用電極9と対電極10との間でイオン電流が生じる。その結果、作用電極9において生じる反応における電子の授受を補完する反応が対電極10で生じ、培養液4の酸化還元電位が一定に制御される。例えば、作用電極9で酸化反応が生じた場合には、対電極10で還元反応が生じ、培養液4の酸化還元電位が一定に制御される。 The ion exchange membrane 6 used in the present invention allows the oxidation-reduction substance 3 contained in the culture solution 4 to remain in the culture solution 4 without permeating the counter electrode 10 side, as in the case of the conventional electric culture apparatus, and the culture solution. 4 to transmit the ions contained in 4 to the counter electrode 10 side. Specific examples include a Nafion membrane that is a membrane that transmits only monovalent cations, but is not limited thereto. In addition, by using a Nafion membrane that is a membrane that transmits only monovalent cations, for example, when iron ions are used as the redox material 3, divalent iron ions and trivalent iron ions do not permeate. The redox material 3 can remain in the culture solution 4 without permeating the counter electrode 10 side. In addition, since the culture solution 4 normally contains monovalent cations such as hydrogen ions, sodium ions (Na + ), and potassium ions (K + ), these cations are transferred to the counter electrode 10 side. The ionic current is generated between the working electrode 9 and the counter electrode 10. As a result, a reaction that complements the transfer of electrons in the reaction that occurs at the working electrode 9 occurs at the counter electrode 10, and the redox potential of the culture solution 4 is controlled to be constant. For example, when an oxidation reaction occurs at the working electrode 9, a reduction reaction occurs at the counter electrode 10, and the oxidation-reduction potential of the culture solution 4 is controlled to be constant.

対電極槽8に収容される電解液4aは、作用電極9と対電極10との間におけるイオン電流の発生を可能なものとできる組成のもの、例えばナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むことが好ましい。尚、通常、培養液4にはナトリウムイオンやカリウムイオンが含まれていることから、電解液4aとしてこれらのイオンを含む培養液4を用いるようにしてもよい。   The electrolyte solution 4a accommodated in the counter electrode tank 8 preferably contains a composition that can generate an ionic current between the working electrode 9 and the counter electrode 10, for example, sodium ions or potassium ions. . In addition, since the culture solution 4 normally contains sodium ions and potassium ions, the culture solution 4 containing these ions may be used as the electrolyte solution 4a.

本発明において使用する酸化還元物質3は、従来の電気培養装置と同様、培養液4に浸されている作用電極9と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つ、培養対象たる微生物2に対して毒性を呈さない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンを培養液中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させて培養液中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、テトラエチレントリアミン(TET)、エチレンジアミン(EDA)、ジエチレントリアミン(DETA)、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものを培養液に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質3により培養液の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質3は上記した物質に限定されるものではない。   The oxidation-reduction substance 3 used in the present invention is a substance that can reversibly cause an oxidation-reduction reaction with the working electrode 9 immersed in the culture solution 4 as in the case of a conventional electric culture apparatus, and is a microorganism to be cultured. A substance that is not toxic to 2 can be used. For example, a general iron ion is mentioned as a soil component as mentioned above. Here, in order to allow iron ions to stably exist in the culture solution, it is preferable that iron ions be coordinated with the chelating agent and added to the culture solution. As the chelating agent, any chelating agent capable of coordinating iron ions can be used. For example, diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tetraethylenetriamine (TET), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), citric acid, oxalic acid, crown ether, nitrilotetraacetic acid, disodium edetate, sodium edetate, trisodium edetate, penicillamine, trisodium pentetate calcium, pentetate, succil and edet Mention may be made of acid trientine. In addition to iron ions, quinone compounds such as potassium ferrocyanide and sodium anthraquinone disulfonate, and methyl viologen can be used. These substances also reversibly change into an oxidized form and a reduced form by an oxidation-reduction reaction. In particular, a quinone compound is a substance known as one of the soil components and is preferable. That is, by adding the soil itself to the culture solution, the oxidation-reduction potential of the culture solution may be controlled by the redox substance 3 contained in the soil. However, the oxidation-reduction substance 3 is not limited to the above-described substances.

酸化還元物質3の培養液4への添加量は、培養液4の酸化還元電位を制御できる量であれば特に限定されないが、培養液4中の酸化還元物質濃度を0.1〜100mmol/Lとすることが好適である。酸化還元物質濃度が低すぎると酸化還元電位の制御を十分に行うことができない可能性があり、酸化還元物質濃度が高すぎると酸化還元物質3が培養液4に完全に溶解できなかったり、微生物2の生育阻害を生じる可能性がある。   The amount of the redox substance 3 added to the culture solution 4 is not particularly limited as long as the redox potential of the culture solution 4 can be controlled, but the concentration of the redox substance in the culture solution 4 is 0.1 to 100 mmol / L. Is preferable. If the redox substance concentration is too low, the redox potential may not be sufficiently controlled. If the redox substance concentration is too high, the redox substance 3 cannot be completely dissolved in the culture solution 4 or microorganisms 2 may cause growth inhibition.

尚、培養液4の酸化還元電位は、数式1に示すネルンストの式により表される。
[数式1] E=E+RT/nF×ln(Cox/Cred
The oxidation-reduction potential of the culture solution 4 is expressed by the Nernst equation shown in Equation 1.
[Formula 1] E = E 0 + RT / nF × ln (C ox / C red )

数式1において、Eは溶液の酸化還元電位、Eは酸化還元物質の標準酸化還元電位、Rは気体定数、Tは絶対温度、nは反応電子数、Fはファラデー定数、Coxは酸化体の濃度、Credは還元体の濃度であり、培養液4中に含まれる酸化還元物質3の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液4自体の酸化還元電位を制御することができる。つまり、酸化還元物質3が培養液4の酸化還元電位を決定する要素であり、培養液4の組成は酸化還元電位にほとんど影響を与えることがない。 In Equation 1, E is the redox potential of the solution, E 0 is the standard redox potential of the redox material, R is the gas constant, T is the absolute temperature, n is the number of reaction electrons, F is the Faraday constant, and C ox is the oxidant. And C red is the concentration of the reductant. By controlling the ratio of the oxidant concentration of the redox substance 3 and the reductant concentration contained in the culture solution 4 to be constant, the oxidation of the culture solution 4 itself The reduction potential can be controlled. That is, the redox material 3 is an element that determines the redox potential of the culture solution 4, and the composition of the culture solution 4 hardly affects the redox potential.

3極式の電位制御装置12では、作用電極9と参照電極11間の電位差を測定し、測定した電位差が設定電位に達するように作用電極9と対電極10との間に電流を流し、基準となる参照電極11には一切電流が流れないようにしている。このようにして作用電極の電位9を一定の電位に制御し、酸化還元物質3の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液4自体の酸化還元電位を一定に制御している。ここで、培養液4の酸化還元電位は、作用電極9の電位に相当する。したがって、設定電位、つまり、参照電極11に対する作用電極9の電位が培養液4の酸化還元電位に相当することとなる。但し、培養液4の酸化還元電位を設定するために必要な作用電極9と対電極10との間の電流量が予め分かっている場合には、図2に示すように、参照電極11を設けることなく、培養液4の酸化還元電位を制御することができる。また、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う場合には、培養液4の酸化還元電位を制御する必要はなく、微生物により酸化または還元された物質を還元または酸化して再生するために必要な電位差を作用電極9と対電極10との間に与えればよい。   The tripolar potential control device 12 measures a potential difference between the working electrode 9 and the reference electrode 11, and passes a current between the working electrode 9 and the counter electrode 10 so that the measured potential difference reaches a set potential. Thus, no current flows through the reference electrode 11. In this way, the potential 9 of the working electrode 4 is controlled to a constant potential, and the ratio of the oxidant concentration to the reductant concentration of the redox substance 3 is controlled to be constant. Control is constant. Here, the oxidation-reduction potential of the culture solution 4 corresponds to the potential of the working electrode 9. Therefore, the set potential, that is, the potential of the working electrode 9 with respect to the reference electrode 11 corresponds to the oxidation-reduction potential of the culture solution 4. However, when the amount of current between the working electrode 9 and the counter electrode 10 necessary for setting the oxidation-reduction potential of the culture solution 4 is known in advance, a reference electrode 11 is provided as shown in FIG. The oxidation-reduction potential of the culture solution 4 can be controlled without any problem. In addition, when culturing while continuing to regenerate a substance necessary for the microorganism by reducing the substance oxidized by the microorganism or conversely reducing the reduced substance, the redox potential of the culture solution 4 There is no need to control, and a potential difference required to regenerate by reducing or oxidizing a substance oxidized or reduced by a microorganism may be provided between the working electrode 9 and the counter electrode 10.

培養槽7内の培養液4の酸化還元電位を制御しながら微生物2を培養することで、微生物2が活性化される。即ち、微生物の増殖が促進されることにより微生物群の機能が高まったり、機能している微生物の割合が増えることにより微生物群の機能が高まったりする。また、微生物の代謝機構そのものが変化した結果として代謝物が増加する場合もある。   The microorganism 2 is activated by culturing the microorganism 2 while controlling the oxidation-reduction potential of the culture solution 4 in the culture tank 7. That is, the function of the microorganism group is enhanced by promoting the growth of the microorganism, and the function of the microorganism group is enhanced by increasing the proportion of the functioning microorganisms. In addition, metabolites may increase as a result of changes in the metabolic mechanism of microorganisms.

したがって、本発明の電気培養方法及び電気培養装置により微生物2を培養することで、微生物2の活性化を促すことができる。そして、培養槽7を密閉構造とすることによって、対電極10から発生するガス成分が培養液4に溶け込むことがなくなり、微生物2の生育状態を良好なものとすることができる。   Therefore, activation of the microorganism 2 can be promoted by culturing the microorganism 2 by the electric culture method and the electric culture apparatus of the present invention. And by making the culture tank 7 into the sealed structure, the gas component generated from the counter electrode 10 is not dissolved in the culture solution 4, and the growth state of the microorganism 2 can be improved.

例えばガス状物質を生産する微生物を培養対象微生物2とした場合、この微生物2を活性化させることによりガス状物質生産量(生産速度)を高めながらも、生産されたガス状物質を培養槽7の外部に漏洩させることがなくなる。そして、ガス状物質は、培養槽7内の培養液4が存在しない空間、例えば図1における培養槽7の培養液4の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留するので、このヘッドスペースからガス状物質を回収することができる。したがって、微生物2により生産される物質を効率よく回収することができる。   For example, when a microorganism that produces a gaseous substance is used as the culture target microorganism 2, the produced gaseous substance is added to the culture tank 7 while activating the microorganism 2 while increasing the production amount (production rate) of the gaseous substance. No leakage to the outside. The gaseous substance stays in a space in the culture tank 7 where the culture solution 4 does not exist, for example, a space (head space) above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7 in FIG. Gaseous material can be recovered from the space. Therefore, the substance produced by the microorganism 2 can be efficiently recovered.

ガス状物質を生産する微生物としては、例えば、水素と二酸化炭素からメタンガスを生産するメタン酸化菌が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。   Examples of microorganisms that produce gaseous substances include methane-oxidizing bacteria that produce methane gas from hydrogen and carbon dioxide, but the microorganisms to be cultured in the present invention are not limited thereto.

また、例えば揮発性物質を生産する微生物を培養対象微生物2とした場合、この微生物2を活性化させることにより揮発性物質の生産量(生産速度)を高めながらも、生産された揮発性物質を培養槽7の外部に漏洩させることがなくなる。そして、揮発性物質は培養液4に溶け込むと共に、一部は揮発して培養槽7内の培養液4が存在しない空間、例えば図1における培養槽7の培養液4の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留する。したがって、培養液4を回収し、培養液4から例えば蒸留等により揮発性物質のみを分離して回収することにより、あるいは揮発してガス状物質としてヘッドスペースに滞留する揮発性物質を回収することにより、微生物2により生産される物質を効率よく回収することができる。   Further, for example, when a microorganism that produces a volatile substance is the microorganism 2 to be cultured, the produced volatile substance is increased while increasing the production amount (production rate) of the volatile substance by activating the microorganism 2. Leakage to the outside of the culture tank 7 is eliminated. And a volatile substance melt | dissolves in the culture solution 4, and a part is volatilized, for example, the space above the liquid level of the culture solution 4 of the culture tank 7 in FIG. Stay in space (headspace). Therefore, the culture solution 4 is collected, and only the volatile substance is separated and collected from the culture solution 4 by, for example, distillation, or the volatile substance that is volatilized and stays in the head space as a gaseous substance is collected. Thus, the substance produced by the microorganism 2 can be efficiently recovered.

揮発性物質を生産する微生物としては、例えばグルコースからエタノールやブタノール、アセトンを生産するClostridium acetobutylicumが挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。   Examples of microorganisms that produce volatile substances include Clostridium acetobutylicum that produces ethanol, butanol, and acetone from glucose, but the microorganisms that are the subject of culture in the present invention are not limited thereto.

さらに、本発明の電気培養装置は、微生物により物質を生産させる場合以外にも用いることができる。例えば、環境汚染物質等の有害物質を微生物により分解処理を行う場合、この有害物質が揮発性を有すると、微生物を培養しながら有害物質を分解処理する際に、有害物質が培養槽7の外に揮散してしまう。そこで、培養槽7を密閉構造としている本発明の電気培養方法及び電気培養装置により、培養液4に揮発性の有害物質を添加して微生物2を培養することで、揮発性の有害物質を培養槽7の外部に漏洩させることなく、微生物2により分解処理することが可能になる。   Furthermore, the electro-cultivation apparatus of the present invention can be used for cases other than the production of substances by microorganisms. For example, when a harmful substance such as an environmental pollutant is decomposed by a microorganism, if the harmful substance has volatility, the harmful substance is removed from the culture tank 7 when the harmful substance is decomposed while culturing the microorganism. Volatilizes. Therefore, by culturing the microorganism 2 by adding a volatile harmful substance to the culture solution 4 by the electrocultivation method and the electroculture apparatus of the present invention in which the culture tank 7 has a sealed structure, the volatile harmful substance is cultured. The microorganism 2 can be decomposed without leaking to the outside of the tank 7.

揮発性の有害物質を分解する微生物としては、揮発性を有する有機塩素化合物を分解する微生物、例えばテトラクロロエチレン(PCE)脱塩素微生物(例えばDesulfitobacterium, Dehalococcoides, Dehalobacter, Geobacter等)、ジクロロエチレン(DCE)脱塩素微生物(例えばDehalococcoides等)、ビニルクロライド(VC)脱塩素微生物等(例えばDehalococcoides等)が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物及び分解対象とする有害物質はこれに限定されるものではない。   Microorganisms that decompose volatile harmful substances include microorganisms that decompose volatile organochlorine compounds, such as tetrachlorethylene (PCE) dechlorination microorganisms (eg, Desulfitobacterium, Dehalococcoides, Dehalobacter, Geobacter, etc.), dichloroethylene (DCE) dechlorination Examples include microorganisms (such as Dehalococcoides) and vinyl chloride (VC) dechlorinated microorganisms (such as Dehalococcoides), but the microorganisms to be cultured and harmful substances to be decomposed in the present invention are not limited thereto. .

尚、揮発性物質を培養槽7内で揮発させることなく、その全量を培養液4から回収したい場合や、揮発性の有害物質を分解処理する場合には、培養槽7内にガス状物質が滞留する空間を形成することなく、容器20内を培養液4で完全に満たすようにしてもよい。   In the case where it is desired to recover the entire amount from the culture solution 4 without volatilizing the volatile substance in the culture tank 7 or when the volatile harmful substance is decomposed, the gaseous substance is contained in the culture tank 7. The inside of the container 20 may be completely filled with the culture solution 4 without forming a staying space.

また、本実施形態では、培養槽7内の培養液の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留するガス状物質を培養槽の外(電気培養装置の外)へ導くガス排出管15aを備え、このガス排出管15aをバルブ15bにより開閉可能としたガス回収手段15により、培養槽7内のガス状物質を回収するようにしている。しかしながら、ガスの回収方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養槽7の上部に開口部を設けて合成ゴム等(例えばシリコーンゴム)の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからガス状物質を回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がるので、ガス状物質の回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、培養槽7の密閉状態が維持される。   Moreover, in this embodiment, the gas exhaust pipe 15a which guide | induces the gaseous substance which retains in the space (head space) above the liquid level of the culture solution in the culture tank 7 out of a culture tank (outside of an electric culture apparatus). The gas discharge pipe 15a can be opened and closed by a valve 15b, and the gaseous substance in the culture tank 7 is recovered by the gas recovery means 15. However, the gas recovery method is not limited to this method. For example, an opening is provided in the upper part of the culture tank 7 and the opening is closed with an elastic material such as a synthetic rubber (eg, silicone rubber). The substance may be recovered. An elastic material such as synthetic rubber closes the hole when the injection needle is pulled out, so that when the gaseous substance is not collected, the sealed state of the culture tank 7 is maintained even if the injection needle is pulled out.

さらに、本実施形態では、培養槽7内の培養液4の液面よりも下部に、培養槽7内の培養液4を培養槽7の外に導く培養液排出管16aを備え、この培養液排出管16aをバルブ16bにより開閉可能とした培養液採取手段16により、培養槽7内から培養液4を採取するようにしている。しかしながら、培養液4の採取方法は、この方法に限定されるものではなく、上記と同様、培養槽7に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺して培養液4を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管をの一端の注射器に接続し、他端を培養液4に浸けて、管を介して培養液4を採取するようにしてもよい。   Furthermore, in the present embodiment, a culture solution discharge pipe 16 a that guides the culture solution 4 in the culture vessel 7 to the outside of the culture vessel 7 is provided below the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7. The culture solution 4 is collected from the inside of the culture tank 7 by the culture solution collection means 16 that allows the discharge pipe 16a to be opened and closed by a valve 16b. However, the method for collecting the culture solution 4 is not limited to this method, and similarly to the above, the culture tank 7 is provided with an opening, closed with an elastic material such as synthetic rubber, and stabbed with a syringe needle and cultured. The liquid 4 may be collected. Alternatively, a tube having both ends opened may be connected to a syringe at one end, and the other end may be immersed in the culture solution 4 to collect the culture solution 4 through the tube.

また、ガス回収手段15や培養液採取手段16とは別に、培養液4に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、培養槽7の外部から培養液4に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、微生物2に必要な栄養源や、微生物2が目的の物質を生産するのに必要な物質、微生物2の増殖や代謝に伴い変動する培養液4の状態を一定の状態に維持するための中和剤、培養液4そのもの等を必要に応じて添加することができる。また、培養環境を嫌気性や好気性に維持するためにガスを供給することもできる。しかしながら、培養液に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段15や培養液採取手段16を培養液に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んで培養液4に物質を添加・供給するようにしてもよい。   In addition to the gas recovery means 15 and the culture medium collection means 16, means for adding and supplying substances to the culture medium 4 may be provided. Specifically, an openable and closable substance introduction tube that can add and supply substances to the culture solution 4 from the outside of the culture tank 7 may be provided. In this case, the nutrient source necessary for the microorganism 2, the substance necessary for the microorganism 2 to produce the target substance, and the state of the culture solution 4 that fluctuates with the growth and metabolism of the microorganism 2 are maintained in a constant state. In order to do so, a neutralizing agent, the culture solution 4 itself, and the like can be added as necessary. In addition, gas can be supplied to maintain the culture environment anaerobic or aerobic. However, the means for adding and supplying the substance to the culture solution is not necessarily provided, and the gas recovery means 15 and the culture solution collecting means 16 may be used together as means for adding and supplying the substance to the culture solution. Further, as described above, the injection needle of the syringe may be inserted into the elastic material, and the substance may be added to and supplied to the culture solution 4.

本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、培養槽7を密閉構造としていることから、培養槽7内に供給したガス等が培養槽7の外に漏洩することが無い。したがって、培養環境を嫌気性や好気性に制御しやすく、従来のように電気培養装置自体をボックスに収容することなく、培養槽7内の培養液4の培養環境をそのまま管理することができる。したがって、電気培養装置自体をボックスに収容していた従来法と比較して培養環境の管理が容易になると共に、再度培養を行う際にボックスを滅菌する手間を省くこともできる。   According to the electric culture method and the electric culture apparatus of the present invention, since the culture tank 7 has a sealed structure, the gas supplied into the culture tank 7 does not leak out of the culture tank 7. Therefore, the culture environment can be easily controlled to be anaerobic or aerobic, and the culture environment of the culture solution 4 in the culture tank 7 can be managed as it is without housing the electric culture apparatus itself in a box as in the prior art. Therefore, the culture environment can be easily managed as compared with the conventional method in which the electric culture apparatus itself is accommodated in the box, and the time and labor for sterilizing the box when culturing again can be omitted.

次に、本発明の電気培養装置の第二の実施形態について説明する。尚、以降の実施形態では、参照電極11は省略しているが、参照電極11を用いて培養液4の酸化還元電位を厳密に制御可能としてもよい。図3に示す電気培養装置1aは、上方が開放されている容器23をイオン交換膜6で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、培養槽7としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材24により塞がれているものとしている。この場合には、従来の電気培養装置に若干の改変を加えるだけで、対電極槽8から発生するガスが培養槽7に侵入するのを防ぎながら、培養槽7から発生する微生物由来のガス状物質が培養槽7から漏洩するのを防ぐことができる。   Next, a second embodiment of the electroculture apparatus of the present invention will be described. In the following embodiments, the reference electrode 11 is omitted, but the reference electrode 11 may be used to strictly control the oxidation-reduction potential of the culture solution 4. The electric culture apparatus 1a shown in FIG. 3 has two tanks opened by partitioning a container 23 whose upper side is opened by an ion exchange membrane 6, and the upper open part of one tank as the culture tank 7 is The gas impervious film or the gas impervious member 24 is used. In this case, the gas derived from the microorganisms generated from the culture tank 7 while preventing the gas generated from the counter electrode tank 8 from entering the culture tank 7 by only slightly modifying the conventional electric culture apparatus. The substance can be prevented from leaking from the culture tank 7.

ガス不透過膜またはガス不透過部材としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜6を用いることができるがこれに限定されるものではない。   As the gas-impermeable film or gas-impermeable member, those generally used in various fields can be appropriately used. For example, examples of the gas impermeable member include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. Further, as the gas impermeable membrane, for example, an ion exchange membrane 6 can be used, but is not limited thereto.

尚、対電極槽8については、開放したままでもよいが、培養槽7と同様に密閉構造とし、対電極槽8において発生するガスを対電極槽8の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽8から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用することが可能となる。   The counter electrode tank 8 may be left open, but has a sealed structure like the culture tank 7 and includes a gas discharge pipe for discharging the gas generated in the counter electrode tank 8 to the outside of the counter electrode tank 8. It may be. In this case, since the gas generated from the counter electrode tank 8 can be discharged from a desired position, it can be recovered and reused.

次に、本発明の電気培養装置の第三の実施形態について説明する。図4に示す電気培養装置1bは、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器25aと25bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてU字型の容器25が形成され、一方の容器25aを密閉構造として培養槽7とし、他方の容器25bを開放して対電極槽8としている。   Next, a third embodiment of the electroculture apparatus of the present invention will be described. The electroculture apparatus 1b shown in FIG. 4 is a U-shaped container in which two containers 25a and 25b each having an opening below the liquid level of the liquid to be accommodated are connected through the ion exchange membrane 6 at the opening. 25, one container 25a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other container 25b is opened as a counter electrode tank 8.

この場合、培養液4と電解液4aがイオン交換膜6を介して接触すると共に、培養槽7の培養液4の液面よりも上部の空間と対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間とが容器25自体のU字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器25aが密閉構造とされていることから、対電極槽8から発生するガスが培養槽7に侵入するのを防ぎながら、培養槽7から発生する微生物由来のガス状物質が培養槽7から漏洩するのを防ぐことができる。   In this case, the culture solution 4 and the electrolyte solution 4a are in contact with each other through the ion exchange membrane 6, and the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7 and the liquid level of the electrolyte solution 4a in the counter electrode tank 8 are used. Also, the upper space is spaced apart by the U-shaped structure of the container 25 itself. And since one container 25a is made into the airtight structure, the gaseous substance derived from the microorganisms which generate | occur | produces from the culture tank 7 is culture | cultivating, preventing the gas generated from the counter electrode tank 8 invading into the culture tank 7. Leakage from the tank 7 can be prevented.

尚、本実施形態における他方の容器25bの開放とは、例えば他方の容器25bの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器25aと同様に密閉構造としつつ、対電極槽8において発生するガスを対電極槽8の外の排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽8から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。   Note that the opening of the other container 25b in the present embodiment refers to, for example, a case where the end of the other container 25b is completely opened, as well as a sealed structure similar to the one container 25a, while the counter electrode tank 8 is open. This also includes the case where a gas discharge pipe for discharging the gas generated in the above is discharged outside the counter electrode tank 8. When the gas discharge pipe is provided, the gas generated from the counter electrode tank 8 can be discharged from a desired position, so that it can be easily recovered and reused.

次に、本発明の電気培養装置の第四の実施形態について説明する。図5に示す電気培養装置1cは、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器26aと26bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてH字型の容器26が形成され、一方の容器26aを密閉構造として培養槽7とし、他方の容器26bを開放して対電極槽8としている。   Next, a fourth embodiment of the electroculture apparatus of the present invention will be described. The electroculture apparatus 1c shown in FIG. 5 is an H-shaped container in which two containers 26a and 26b each having an opening below the liquid level of the liquid to be accommodated are connected through the ion exchange membrane 6 at the opening. 26 is formed, one container 26a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other container 26b is opened as a counter electrode tank 8.

この場合にも、培養液4と電解液4aがイオン交換膜6を介して接触すると共に、培養槽7の培養液4の液面よりも上部の空間と対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間とが容器26自体のH字型構造によって隔てて配置される。そして、H字型容器26の一方の容器26aが密閉構造とされていることから、培養槽7は密閉構造となる。したがって、対電極槽8から発生するガスが培養槽7に侵入するのを防ぎながら、培養槽7から発生する微生物由来のガス状物質が培養槽7から漏洩するのを防ぐことができる。   Also in this case, the culture solution 4 and the electrolyte solution 4a are in contact with each other through the ion exchange membrane 6, and the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7 and the solution of the electrolyte solution 4a in the counter electrode vessel 8 are also shown. The space above the surface is separated by the H-shaped structure of the container 26 itself. And since one container 26a of the H-shaped container 26 is made into the sealed structure, the culture tank 7 becomes a sealed structure. Therefore, it is possible to prevent the gaseous substance derived from the microorganisms generated from the culture tank 7 from leaking from the culture tank 7 while preventing the gas generated from the counter electrode tank 8 from entering the culture tank 7.

尚、本実施形態における他方の容器26bの開放とは、容器26を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器26aと同様に密閉構造としつつ、対電極槽8において発生するガスを対電極槽8の外の排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽8から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。   In the present embodiment, the opening of the other container 26b is not limited to the case where the container 26 is completely opened. This also includes the case where a gas discharge pipe for discharging outside the electrode tank 8 is provided. When the gas discharge pipe is provided, the gas generated from the counter electrode tank 8 can be discharged from a desired position, so that it can be easily recovered and reused.

上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図1〜図5に示す電気培養装置においては、作用電極9と対電極10とをイオン交換膜6から離して配置しているが、作用電極9と対電極10のイオン交換膜6に対する位置は、特に限定されるものではない。例えば、作用電極9と対電極10のいずれか一方あるいは双方をイオン交換膜6に接触させて電気培養を行うようにしてもよい。例えば、イオン交換膜6を作用電極9と対電極10とで挟持するようにしても、培養液4の電位制御を行うことが可能である。尚、作用電極9と対電極10をイオン交換膜6に接触させる場合には、作用電極9とイオン交換膜6と培養液4との接触面積、対電極10とイオン交換膜6と電解液4aとの接触面積を増大させて電気化学反応の進行状態を良好なものとするために、電極を多孔質体とすることが好適である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the electroculture apparatus shown in FIGS. 1 to 5, the working electrode 9 and the counter electrode 10 are arranged apart from the ion exchange membrane 6, but the working electrode 9 and the counter electrode 10 with respect to the ion exchange membrane 6 are arranged. The position is not particularly limited. For example, electroculturing may be performed by bringing either one or both of the working electrode 9 and the counter electrode 10 into contact with the ion exchange membrane 6. For example, even if the ion exchange membrane 6 is sandwiched between the working electrode 9 and the counter electrode 10, the potential of the culture solution 4 can be controlled. When the working electrode 9 and the counter electrode 10 are brought into contact with the ion exchange membrane 6, the contact area between the working electrode 9, the ion exchange membrane 6 and the culture solution 4, the counter electrode 10, the ion exchange membrane 6 and the electrolytic solution 4a. In order to increase the contact area with the electrode and improve the progress of the electrochemical reaction, it is preferable that the electrode be a porous body.

また、イオン交換膜6と対電極10とを接触させる場合には、電解液4aを用いずとも電気化学反応を進行させることができる。したがって、この場合には電解液4aを用いることなく電気培養を行うようにしてもよい。尚、電解液4aを用いずに電気培養を実施する場合には、対電極10を多孔質体として、イオン交換膜6と対電極10との接触面で発生したガスを対電極10の反対側の面に通過しやすくすることが好適である。   Further, when the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are brought into contact with each other, the electrochemical reaction can proceed without using the electrolytic solution 4a. Therefore, in this case, electroculturing may be performed without using the electrolyte solution 4a. In addition, when electroculturing is performed without using the electrolyte solution 4a, the counter electrode 10 is used as a porous body, and the gas generated at the contact surface between the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 is opposite to the counter electrode 10. It is preferable to make it easy to pass through the surface.

さらに、微生物2を通過させないメンブレンフィルタを培養液採取手段16の培養液排出管16の途中に設け、培養槽7内の微生物2を培養槽7外に排出することなく、培養液4のみを培養槽7外に排出するようにしてもよい。この場合には、培養槽7内の微生物2を長期間保持しつつ、培養液4中に含まれる揮発性物質、即ち微生物2が生産した揮発性物質を回収することが可能になる。また、培養槽7内の微生物2を長期間保持することができるので、微生物2の物質の分解処理能力を長期間発揮させて、揮発性物質の分解を長期にわたり効率よく実施することが可能となる。   Further, a membrane filter that does not allow the microorganism 2 to pass is provided in the middle of the culture solution discharge pipe 16 of the culture solution collecting means 16, and only the culture solution 4 is cultured without discharging the microorganism 2 in the culture vessel 7 to the outside of the culture vessel 7. You may make it discharge | emit out of the tank 7. FIG. In this case, it is possible to recover the volatile substance contained in the culture solution 4, that is, the volatile substance produced by the microorganism 2, while holding the microorganism 2 in the culture tank 7 for a long period of time. In addition, since the microorganism 2 in the culture tank 7 can be retained for a long period of time, the ability to decompose the substance of the microorganism 2 can be demonstrated for a long period of time, and the volatile substance can be efficiently decomposed over a long period of time. Become.

また、本発明の電気培養装置において培養しうる微生物は、上述の微生物には限定されない。例えば、ガス資化性細菌である水素細菌、光合成細菌等の培養が可能である。本発明の電気培養装置は、培養対象微生物を収容する培養槽を密閉構造としているので、生育の際にガス状物質や揮発性物質を必要とする微生物を培養する際にも、これらの物質を培養槽の外へ漏洩させることなく、無駄なく微生物に供給することができるという優れた利点を有する。尚、水素細菌は、好気条件下において水素を酸化し、その反応によって生じるエネルギーを用いて二酸化炭素を固定しながら生育する微生物であり、二酸化炭素からの有用物質生産に利用することができる。また、光合成細菌は、硫化水素やメルカプタン(悪臭の原因)を電子供与体とし、二酸化炭素を炭素源として生育する微生物である。尚、光合成細菌は有機物(廃棄物)を炭素源として水素生産を行うことも可能である。さらに、揮発性有害物質分解菌として、メタン、エタン、プロパンといったガス状アルカンを分解する微生物や、メタン、メタノール、シックハウス症候群の原因物質であるホルムアルデヒドのようなC1化合物を分解する微生物も、本発明の電気培養装置において培養することが可能である。   Moreover, the microorganisms that can be cultured in the electric culture apparatus of the present invention are not limited to the above-mentioned microorganisms. For example, hydrogen bacteria and photosynthetic bacteria that are gas-assimilating bacteria can be cultured. The electric culture apparatus of the present invention has a closed structure in which a culture tank that accommodates microorganisms to be cultured is sealed. Therefore, when cultivating microorganisms that require gaseous substances or volatile substances during growth, these substances can be used. It has an excellent advantage that it can be supplied to microorganisms without waste without leaking out of the culture tank. The hydrogen bacterium is a microorganism that grows while oxidizing carbon under aerobic conditions and fixing carbon dioxide using energy generated by the reaction, and can be used for producing useful substances from carbon dioxide. The photosynthetic bacterium is a microorganism that grows using hydrogen sulfide or mercaptan (cause of malodor) as an electron donor and carbon dioxide as a carbon source. The photosynthetic bacteria can also produce hydrogen using organic matter (waste) as a carbon source. Furthermore, microorganisms that decompose gaseous alkanes such as methane, ethane, and propane, and microorganisms that decompose C1 compounds such as methane, methanol, and formaldehyde that is a causative substance of sick house syndrome are also included in the present invention. It is possible to cultivate in an electrocultivation apparatus.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

(実験装置)
図6に示す電気培養装置1により実験を行った。培養槽7としての容器20は250mL容のガラスバイアル瓶(Duran製)とした。培養液4は容器20の八分目程度まで入れた。容器20には蓋30をした。蓋30の上面30aにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管と通した際の密閉性を確保した。また、シリコーンゴム栓を設けることにより注射針の突き刺しを可能とし、且つ注射針の差し込みにより生じた孔が注射針を抜いた際に塞がるようにした。
(Experimental device)
Experiments were performed using the electroculture apparatus 1 shown in FIG. The container 20 as the culture tank 7 was a 250 mL glass vial (manufactured by Duran). The culture solution 4 was put up to about the eighth minute of the container 20. The container 20 has a lid 30. A silicone rubber stopper was provided on the upper surface 30a of the lid 30 to ensure hermeticity when it was passed through wiring, electrodes, and tubes. In addition, a silicone rubber stopper is provided so that the injection needle can be pierced, and a hole generated by inserting the injection needle is closed when the injection needle is removed.

対電極槽8としての小容器21は、イオン交換膜6を成型して袋状(以下、袋21と呼ぶ)とした。実験で用いた小容器21の形態を図7に示す。具体的には、陽イオン交換膜(ナフィオンK)をヒートシーラーで熱圧着により加工して上部が開口した袋状の容器21とし、袋21の内部には電解液4aを収容すると共に炭素電極(対電極10)を収容して電解液4aに浸した。そして、対電極10と電位制御装置12を結線するための配線31をガス排出管22に通した。ガス排出管22は両端が開口されており、一端を小容器21の内部に、他端を容器20の外側に配置するようにして、小容器21内で発生するガスが容器20の外側に排出されるようにした。袋状の小容器21の上部の開口部は、シリコン接着剤32で塞いだ。   The small container 21 as the counter electrode tank 8 was formed into a bag shape (hereinafter referred to as a bag 21) by molding the ion exchange membrane 6. The form of the small container 21 used in the experiment is shown in FIG. Specifically, a cation exchange membrane (Nafion K) is processed by thermocompression bonding with a heat sealer to form a bag-like container 21 having an upper opening, and the electrolytic solution 4a is accommodated in the bag 21 and a carbon electrode ( The counter electrode 10) was accommodated and immersed in the electrolyte solution 4a. Then, a wiring 31 for connecting the counter electrode 10 and the potential control device 12 was passed through the gas exhaust pipe 22. Both ends of the gas discharge pipe 22 are open, and one end is disposed inside the small container 21 and the other end is disposed outside the container 20, so that gas generated in the small container 21 is discharged outside the container 20. It was made to be. The opening at the top of the bag-like small container 21 was closed with a silicon adhesive 32.

小容器21と作用電極9(板状の炭素電極)とを培養液4に浸漬し、小容器21のガス排出管22と作用電極4の配線は蓋30に設けたシリコーンゴム栓に通して容器20の外側に引き出した。参照電極11(RE-1B, ビー・エー・エス株式会社)は容器20の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことにより培養液4と接触させた。培養液採取管16は容器20の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことによりその一端を培養液4と接触させた。作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の電位制御装置(ポテンシオスタット)12に結線して、培養液4の電位を厳密に制御可能とした。培養液採取管16の他端は注射器と接続して培養液を採取可能とした。   The small container 21 and the working electrode 9 (plate-like carbon electrode) are immersed in the culture solution 4, and the gas discharge pipe 22 of the small container 21 and the wiring of the working electrode 4 are passed through a silicone rubber stopper provided on the lid 30. Pulled out 20 outside. The reference electrode 11 (RE-1B, BSS Co., Ltd.) was brought into contact with the culture solution 4 by being inserted from the outside of the container 20 through a silicone rubber stopper. The culture solution collection tube 16 was inserted from the outside of the container 20 through a silicone rubber stopper, so that one end thereof was brought into contact with the culture solution 4. The working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 were connected to a three-electrode potential controller (potentiostat) 12 so that the potential of the culture solution 4 could be strictly controlled. The other end of the culture solution collection tube 16 was connected to a syringe so that the culture solution could be collected.

(実施例1)
微生物2として、Clostridium acetobutylicum NBRC13948(以下、単にクロストリジウムと呼ぶ)を用いた。この微生物は、無酸素条件下でグルコースからエタノール、ブタノール、アセトン、酢酸、酪酸を生成することのできる偏性嫌気性微生物である。培養温度は30℃とした。また、酸化還元物質3としてFe(III)−EDTAを用い、培養液4の酸化還元物質濃度は2mMとした。実験に使用した培養液4の構成成分を表1に示す。また、電解液4aの組成は、表1の組成からFe(III)−EDTAを除いたものとした。尚、培養液4は攪拌子34で攪拌し、蓋30に備えられたシリコーンゴム栓に注射針を2本刺し、一方の注射針からNガスを1時間通気することにより、ヘッドスペースをNガスで置換した。
Example 1
As the microorganism 2, Clostridium acetobutylicum NBRC13948 (hereinafter simply referred to as Clostridium) was used. This microorganism is an obligate anaerobic microorganism capable of producing ethanol, butanol, acetone, acetic acid and butyric acid from glucose under anoxic conditions. The culture temperature was 30 ° C. In addition, Fe (III) -EDTA was used as the redox material 3 and the concentration of the redox material in the culture solution 4 was 2 mM. Table 1 shows the components of the culture solution 4 used in the experiment. The composition of the electrolytic solution 4a was obtained by removing Fe (III) -EDTA from the composition shown in Table 1. The culture solution 4 is agitated with a stirrer 34, two injection needles are inserted into a silicone rubber stopper provided on the lid 30, and N 2 gas is aerated for one hour from one of the injection needles, thereby reducing the head space to N. Replaced with 2 gases.

培養液4の通電電位、即ち酸化還元電位は、+0.4V、+0.1V、−0.2V、−0.5V、−0.8Vとした。また、対照実験として、通電を行わない場合についても実験を行った。   The energization potential of the culture solution 4, that is, the oxidation-reduction potential, was set to + 0.4V, + 0.1V, −0.2V, −0.5V, and −0.8V. In addition, as a control experiment, an experiment was also performed when no energization was performed.

培養を60時間行った際のセル密度の経時変化を図8に示す。図8において、◆が通電なしの実験結果を示し、■が+0.4Vの実験結果を示し、▲が+0.1Vの実験結果を示し、×が−0.2Vの実験結果を示し、*が−0.5Vの実験結果を示し、●が−0.8Vの実験結果を示している。図8に示す結果から、培養液の電位を制御することでC. acetobutylicumの増殖をコントロールできることが明らかとなった。   FIG. 8 shows changes with time in cell density when culturing was performed for 60 hours. In FIG. 8, ◆ indicates the experimental result without current supply, ■ indicates the experimental result of + 0.4V, ▲ indicates the experimental result of + 0.1V, × indicates the experimental result of −0.2V, * indicates The experimental result of -0.5V is shown, and ● indicates the experimental result of -0.8V. From the results shown in FIG. 8, it was revealed that the growth of C. acetobutylicum can be controlled by controlling the potential of the culture solution.

次に、培養液のエタノール濃度を装置名:液体クロマトグラフィー(HITACHI, ELITE Lachrome)で測定した。結果を図9に示す。図9に示す結果から、特に+0.4Vの場合には、通電を行わない場合と比較して、エタノール生産量を向上できることが確認された。そして、図8に示す増殖結果と図9に示すエタノール生産量の測定結果とを総合的に判断すると、+0.4Vでは、クロストリジウムの細胞内の代謝をコントロールして細胞当たりのエタノール生産量を向上できることが明らかとなった。以上、本発明の電気培養装置を用いることで、揮発性物質であるエタノールの生産量と、培養液の酸化還元電位との関係を十分に分析可能であることが確認された。   Next, the ethanol concentration of the culture solution was measured by apparatus name: liquid chromatography (HITACHI, ELITE Lachrome). The results are shown in FIG. From the results shown in FIG. 9, it was confirmed that the ethanol production amount can be improved particularly in the case of +0.4 V compared to the case where no energization is performed. When the growth results shown in FIG. 8 and the measurement results of ethanol production shown in FIG. 9 are comprehensively determined, + 0.4V controls the intracellular metabolism of clostridium to improve the ethanol production per cell. It became clear that we could do it. As described above, it was confirmed that the relationship between the production amount of ethanol, which is a volatile substance, and the oxidation-reduction potential of the culture solution can be sufficiently analyzed by using the electroculture apparatus of the present invention.

以上の結果から、本発明の電気培養装置が、密閉性を有しながらも酸化還元電位を制御しながら微生物を培養できるものであることが確認された。
From the above results, it was confirmed that the electroculture apparatus of the present invention can culture microorganisms while controlling the oxidation-reduction potential while having sealing properties.

1,1a,1b,1c 電気培養装置
2 培養対象微生物
3 酸化還元物質
4 培養液
4a 電解液
6 イオン交換膜
7 培養槽
8 対電極槽
9 作用電極
10 対電極
12 電源(電位制御装置)
15 ガス回収手段
16 培養液採取手段
20 容器
21 小容器
22 ガス排出管
23 容器
24 ガス不透過膜、ガス不透過部材
25 U字型構造の容器
25a U字型構造の容器を構成する一方の容器
25b U字型構造の容器を構成する他方の容器
26 H字型構造の容器
26a H字型構造の容器を構成する一方の容器
26b H字型構造の容器を構成する他方の容器
1, 1a, 1b, 1c Electrical culture apparatus 2 Culture target microorganism 3 Redox material 4 Culture liquid 4a Electrolytic solution 6 Ion exchange membrane 7 Culture tank 8 Counter electrode tank 9 Working electrode 10 Counter electrode 12 Power supply (potential control device)
15 Gas recovery means 16 Culture fluid collection means 20 Container 21 Small container 22 Gas exhaust pipe 23 Container 24 Gas impermeable membrane, gas impermeable member 25 U-shaped structure container 25a One container constituting a U-shaped structure container 25b The other container 26 constituting the U-shaped structure container 26a The H-shaped structure container 26a The one container 26b constituting the H-shaped structure container The other container constituting the H-shaped structure container

Claims (10)

イオン交換膜によって仕切られた二つの槽と、作用電極及び対電極と、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与える電源とを有し、前記二つの槽のうちの一方の槽を培養槽として酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に前記作用電極が前記培養液に浸され、前記二つの槽のうちの他方の槽を対電極槽として電解液が収容されると共に前記対電極が前記電解液に浸され、前記培養液に培養対象たる微生物が添加されて、前記電源により前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養する電気培養装置において、前記培養槽を密閉構造の容器とし、前記容器に収容可能な密閉構造の小容器を前記対電極槽とし、前記小容器は少なくとも一部に前記イオン交換膜を備えると共に前記対電極槽から発生するガスを前記容器の外に排出するガス排出管を備え、前記培養液が前記イオン交換膜を介して前記電解液と接触していること、前記培養液が前記イオン交換膜を介して前記対電極と接触していること、及び/又は、前記作用電極が前記イオン交換膜を介して前記電解液と接触していることにより、前記作用電極と前記対電極の間でのイオン電流の発生を可能としていることを特徴とする電気培養装置。 Two tanks partitioned by an ion exchange membrane, a working electrode and a counter electrode, and a power source for providing a potential difference between the working electrode and the counter electrode, and one tank of the two tanks A culture medium containing a redox substance is accommodated as a culture tank, the working electrode is immersed in the culture liquid, an electrolyte is accommodated while the other tank of the two tanks is used as a counter electrode tank, and the pair In an electric culture apparatus in which an electrode is immersed in the electrolytic solution, a microorganism to be cultured is added to the culture solution, and the microorganism is cultured while applying a potential difference between the working electrode and the counter electrode by the power source. The culture tank is a sealed container, and a small container having a sealed structure that can be accommodated in the container is used as the counter electrode tank. The small container includes at least a part of the ion exchange membrane and is generated from the counter electrode tank. gas And a gas discharge pipe for discharging to the outside of said container, said culture liquid is in contact with the electrolyte through the ion-exchange membrane, in contact with the counter electrode wherein the culture solution through the ion exchange membrane And / or that the working electrode is in contact with the electrolyte solution through the ion exchange membrane, thereby enabling generation of an ionic current between the working electrode and the counter electrode. An electroculture apparatus characterized by the above. 多孔性の前記作用電極が前記イオン交換膜に接触し、前記作用電極と前記イオン交換膜との接触面にて前記培養液が前記イオン交換膜と接触し、前記培養液及び前記作用電極が前記イオン交換膜を介して前記電解液及び/又は前記対電極と接触している請求項1に記載の電気培養装置。The porous working electrode is in contact with the ion exchange membrane, the culture fluid is in contact with the ion exchange membrane at the contact surface between the working electrode and the ion exchange membrane, and the culture fluid and the working electrode are in contact with the ion exchange membrane. The electroculture apparatus according to claim 1, which is in contact with the electrolytic solution and / or the counter electrode via an ion exchange membrane. 多孔性の前記対電極が前記イオン交換膜に接触し、多孔性の前記対電極と前記イオン交換膜との接触面にて前記電解液が前記イオン交換膜と接触し、前記電解液及び前記対電極が前記イオン交換膜を介して前記培養液及び/又は前記作用電極と接触している請求項1または2に記載の電気培養装置。The porous counter electrode is in contact with the ion exchange membrane, the electrolyte solution is in contact with the ion exchange membrane at the contact surface between the porous counter electrode and the ion exchange membrane, and the electrolyte solution and the counter electrode are in contact with each other. The electroculture apparatus according to claim 1 or 2, wherein an electrode is in contact with the culture solution and / or the working electrode via the ion exchange membrane. 前記対電極槽に前記電解液収容されずに多孔性の前記対電極が前記イオン交換膜と接触している請求項1または2に記載の電気培養装置。 The electroculture apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the electrolyte solution is not accommodated in the counter electrode tank and the porous counter electrode is in contact with the ion exchange membrane. 前記小容器は、その全体が前記イオン交換膜で形成された袋状の容器である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気培養装置。 The electroculture apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the small container is a bag-shaped container entirely formed of the ion exchange membrane. 前記培養槽に収容されている前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える請求項1〜のいずれか1項に記載の電気培養装置。 The electric culture apparatus according to any one of claims 1 to 5 , further comprising gas recovery means for recovering a gaseous substance staying in a space above the liquid level of the culture solution accommodated in the culture tank. 前記培養槽に収容されている前記培養液を採取する培養液採取手段を備える請求項1〜のいずれか1項に記載の電気培養装置。 The electroculture apparatus according to any one of claims 1 to 6 , further comprising a culture solution collecting unit that collects the culture solution contained in the culture tank. 請求項に記載の電気培養装置によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記ガス状物質または前記揮発性物質が揮発して発生したガス成分を前記培養槽内の前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを前記電気培養装置のガス回収手段で回収することを特徴とする物質生産方法。 A microorganism that produces a gaseous substance or a microorganism that produces a volatile substance is cultured by the electric culture apparatus according to claim 6 , and a gas component generated by volatilization of the gaseous substance or the volatile substance is removed from the culture tank. A substance production method characterized in that the material is retained in a space above the liquid level of the culture solution, and is collected by the gas recovery means of the electric culture device. 請求項に記載の電気培養装置により揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記微生物が生産する前記揮発性物質を前記電気培養装置の培養液採取手段から採取した前記培養液から回収することを特徴とする物質生産方法。 A microorganism that produces a volatile substance is cultured by the electric culture apparatus according to claim 7, and the volatile substance produced by the microorganism is recovered from the culture solution collected from the culture medium collecting means of the electric culture apparatus. A material production method characterized by 請求項1〜のいずれか1項に記載の電気培養装置により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、前記培養槽内の前記培養液に添加された前記有害物質を分解処理することを特徴とする物質分解処理方法。 A microorganism that decomposes volatile harmful substances is cultured by the electric culture apparatus according to any one of claims 1 to 7 , and the harmful substances added to the culture solution in the culture tank are decomposed. A material decomposition treatment method characterized by the above.
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