JP5730668B2 - Alcohol production method and apparatus using microorganisms - Google Patents

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Description

本発明は、微生物を利用したアルコール生産方法及び装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、アセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物を利用してアルコール生産を行うのに好適なアルコール生産方法及び装置に関する。   The present invention relates to an alcohol production method and apparatus using microorganisms. More specifically, the present invention relates to an alcohol production method and apparatus suitable for producing alcohol using a microorganism belonging to the genus Clostridium that performs acetone-butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation).

微生物を利用した物質生産方法については古くから様々な研究が進められており、その代表的なものとして、サッカロミセス属の酵母等によるアルコール発酵を利用したアルコールの生産方法が知られている。また、近年では、次世代のバイオ燃料として期待されているブタノールを生産する方法として、クロストリジウム(Clostridium)属の微生物のアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を利用したアルコール(ブタノール、エタノール)の生産方法が注目されている。   Various researches have been conducted for a long time on substance production methods using microorganisms, and representative examples thereof include alcohol production methods using alcohol fermentation by Saccharomyces yeasts or the like. In recent years, as a method for producing butanol, which is expected as a next-generation biofuel, alcohol (butanol, ethanol) using acetone, butanol, ethanol fermentation (ABE fermentation) of microorganisms of the genus Clostridium (Clostridium) is used. Production methods are attracting attention.

ABE発酵の具体的な代謝経路として、クロストリジウム アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)のABE発酵の代謝経路を図22に示す。ABE発酵では、グルコース等の糖類等を消費して対数増殖期には主に酢酸や酪酸といった有機酸が生成され(有機酸生成期)、増殖の定常期には主にブタノール、アセトン及びエタノールが6:3:1の比で生成される(ソルベント生成期)。つまり、糖類等からアルコールとしてブタノールとエタノールを同時に生産することができ、特にブタノールを優占的に生産することが可能である(例えば、非特許文献1等参照)。   As a specific metabolic pathway of ABE fermentation, FIG. 22 shows the metabolic pathway of ABE fermentation of Clostridium acetobutylicum. In ABE fermentation, saccharides such as glucose are consumed, and organic acids such as acetic acid and butyric acid are mainly produced in the logarithmic growth phase (organic acid production phase). Butanol, acetone and ethanol are mainly produced in the stationary growth phase. It is produced at a ratio of 6: 3: 1 (solvent production phase). That is, butanol and ethanol can be produced simultaneously from saccharides or the like as alcohol, and butanol can be produced predominantly (see, for example, Non-Patent Document 1).

D.T.JONES.1981. Solvent Production and Morphological changes in Clostridium acetobutylicum. Applied and Environmental MicrobiologyD.T.JONES. 1981. Solvent Production and Morphological changes in Clostridium acetobutylicum. Applied and Environmental Microbiology

しかしながら、クロストリジウム属の微生物のABE発酵を利用したアルコールの生産方法は、投入した糖類等の有機物に対してアルコールの生産量(収率)が低く、その改善が望まれていた。   However, the alcohol production method utilizing ABE fermentation of microorganisms belonging to the genus Clostridium has a low alcohol production amount (yield) relative to the organic substances such as saccharides that have been added, and an improvement thereof has been desired.

そこで、本発明は、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を用いてアルコールを生産するに際し、アルコールの生産量(収率)を従来よりも大幅に向上させることのできる方法及び装置を提供することを目的とする。 Then , this invention provides the method and apparatus which can improve the production amount (yield) of alcohol significantly compared with the past, when producing alcohol using the microorganism of the genus Clostridium which performs ABE fermentation. Objective.

かかる課題を解決するため、本願発明者等が鋭意研究を行った結果、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物であるクロストリジウム アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)を利用してアルコールを生産する際に、培養液にメチルビオロゲンを添加することで、微生物の生育が阻害されるにもかかわらず、メチルビオロゲンを添加しない場合と比較して、投入した糖類等の基質に対するアルコールの生産量を向上できることを知見した。また、培養液に添加したメチルビオロゲンは培養過程において還元されていた。本願発明者等は、この知見から、メチルビオロゲンを培養液に添加することによって、メチルビオロゲンがABE発酵の代謝経路から電子を引き抜き、その結果としてメチルビオロゲンが還元されると共にアルコール生産性が向上しているものと推定した。   In order to solve this problem, the inventors of the present application have conducted extensive research. As a result, when alcohol is produced using Clostridium acetobutylicum, which is a microorganism belonging to the genus Clostridium that performs ABE fermentation, It was found that by adding viologen, although the growth of microorganisms is inhibited, the amount of alcohol produced with respect to the substrate such as saccharide added can be improved as compared with the case where methylviologen is not added. In addition, methyl viologen added to the culture solution was reduced during the culture process. From this finding, the inventors of the present application added methyl viologen to the culture solution, so that methyl viologen withdraws electrons from the metabolic pathway of ABE fermentation, and as a result, methyl viologen is reduced and alcohol productivity is improved. Estimated.

本願発明者等は、アルコールの生産性をさらに高めるべく、上記知見に基づいてさらなる検討を行った。その結果、培養液に電極を浸漬し、電極の電位をある範囲に制御して、還元されたメチルビオロゲンを電気的に酸化させながらクロストリジウム アセトブチリカムを培養することによって、アルコールの生産性が向上し、特にブタノールの生産性が大幅に向上することを知見するに至った。   The inventors of the present application conducted further studies based on the above findings in order to further increase the productivity of alcohol. As a result, alcohol productivity is improved by immersing the electrode in the culture medium, controlling the potential of the electrode within a certain range, and culturing Clostridium acetobutylicum while electrically oxidizing the reduced methylviologen, In particular, they have found that butanol productivity is greatly improved.

本願発明者等は、上記知見に基づき、クロストリジウム アセトブチリカムに限らず、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物全般について、代謝経路から電子を引き抜くことのできる電子媒体物質を電気的に酸化させて発酵経路から電子を引き抜き続けながら培養を行うことで、アルコール生産性を大幅に向上できる可能性が導かれることを知見し、さらに種々検討を重ねて本願発明を完成するに至った。 The present inventors have, based on the above findings, is not limited to Clostridium acetobutylicum, the microorganisms in general Clostridium performing ABE fermentation, fermentation pathway electrically oxidizing the electronic medium material capable of extracting electrons from metabolic pathway It has been found that the possibility of significantly improving alcohol productivity can be obtained by culturing while continuing to extract electrons from the present invention, and various studies have been made to complete the present invention.

本発明のアルコール生産方法は、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する方法において、アルコール生産微生物と有機物とを含む培養液に電子媒体物質を添加し、電子媒体物質はアルコール生産微生物が還元可能な物質とし、アルコール生産微生物により還元されて生じる電子媒体物質の還元体を培養液に浸漬した電極に電位を与えて酸化させながらアルコール生産微生物を培養してアルコールを生産するようにしている。   The alcohol production method of the present invention is a method of producing alcohol from an organic substance using an alcohol-producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation, and an electronic medium substance is added to a culture solution containing the alcohol-producing microorganism and the organic substance, The electronic medium substance is a substance that can be reduced by alcohol-producing microorganisms, and the alcohol-producing microorganisms are cultured while oxidizing by applying an electric potential to an electrode immersed in a culture solution of a reduced substance of the electronic medium substance that is reduced by the alcohol-producing microorganisms. I try to produce alcohol.

ここで、本発明のアルコール生産方法は、培養液にイオン交換膜を介して電解液を接触させ、培養液に浸漬した電極と対をなす電極を電解液に浸漬することが好ましい。   Here, in the alcohol production method of the present invention, it is preferable that the electrolyte solution is brought into contact with the culture solution via an ion exchange membrane, and the electrode paired with the electrode immersed in the culture solution is immersed in the electrolyte solution.

培養液にイオン交換膜を介して電解液を接触させ、培養液に浸漬した電極と対をなす電極を電解液に浸漬する本発明のアルコール生産方法は、具体的には以下のアルコール生産装置により実施され得る。即ち、本発明のアルコール生産装置は、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する装置であって、イオン交換膜によって仕切られた対電極槽及び密閉構造の培養槽と、培養槽に収容された培養液と、対電極槽に収容された電解液と、培養液に浸された作用電極と、電解液に浸された対電極と、作用電極と対電極とが結線された定電位設定装置と、培養槽にて生産されたアルコールを回収するアルコール回収手段とを有し、培養液にアルコール生産微生物と有機物とアルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質とを含ませて、アルコール生産微生物により還元されて生じる電子媒体物質の還元体を定電位設定装置で作用電極と対電極との間に電位差を与えて酸化させながらアルコール生産微生物を培養してアルコールを生産するものとしている。   The alcohol production method of the present invention in which an electrolyte solution is brought into contact with a culture solution via an ion exchange membrane, and an electrode paired with the electrode immersed in the culture solution is immersed in the electrolyte solution, specifically, by the following alcohol production apparatus Can be implemented. That is, the alcohol production apparatus of the present invention is an apparatus for producing alcohol from an organic substance using an alcohol-producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation, having a counter electrode tank and a sealed structure partitioned by an ion exchange membrane. A culture vessel, a culture solution contained in the culture vessel, an electrolyte solution contained in a counter electrode vessel, a working electrode immersed in the culture solution, a counter electrode immersed in the electrolytic solution, a working electrode and a counter electrode And an electric medium substance capable of reducing alcohol-producing microorganisms, organic substances, and alcohol-producing microorganisms in a culture solution. In addition, the reduced form of the electron medium substance produced by reduction by the alcohol-producing microorganism is oxidized by applying a potential difference between the working electrode and the counter electrode with a constant potential setting device. By culturing a reluctant alcohol-producing microorganism it is assumed that the production of alcohol.

また、本発明のアルコール生産装置は、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する装置であって、培養槽としての密閉構造の容器と、容器に収容可能な対電極槽としての密閉構造の小容器と、培養槽に収容された培養液と、対電極槽に収容された電解液と、培養液に浸された作用電極と、電解液に浸された対電極と、作用電極と対電極とが結線された定電位設定装置と、培養槽にて生産されたアルコールを回収するアルコール回収手段とを有し、小容器は培養液と接触する位置の少なくとも一部にイオン交換膜を備えるものとし、培養液にアルコール生産微生物と有機物とアルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質とを含ませて、アルコール生産微生物により還元されて生じる電子媒体物質の還元体を定電位設定装置で作用電極と対電極との間に電位差を与えて酸化させながらアルコール生産微生物を培養してアルコールを生産するものとしている。   The alcohol production apparatus of the present invention is an apparatus for producing alcohol from an organic substance using an alcohol-producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation, and can be accommodated in a sealed container as a culture tank and in the container A small container with a closed structure as a counter electrode tank, a culture solution stored in the culture tank, an electrolyte solution stored in the counter electrode tank, a working electrode immersed in the culture solution, and an electrolyte solution A constant potential setting device in which the counter electrode, the working electrode and the counter electrode are connected, and an alcohol recovery means for recovering alcohol produced in the culture tank, wherein the small container is at least at a position in contact with the culture solution. It is assumed that a part of it is equipped with an ion exchange membrane, and the culture medium contains alcohol-producing microorganisms, organic substances, and an electronic medium substance that can be reduced by alcohol-producing microorganisms, and is returned by alcohol-producing microorganisms. The reduced form of electronic medium occurring substance is being assumed that the produced while oxidized to give a potential difference culturing the alcohol-producing microorganism in an alcohol between the working electrode and the counter electrode at a constant potential setting device.

また、本発明のアルコール生産方法は、培養液にイオン交換膜を介して培養液に浸漬した電極と対をなす電極を接触させることが好ましい。   In the alcohol production method of the present invention, it is preferable that an electrode paired with an electrode immersed in the culture solution via an ion exchange membrane is brought into contact with the culture solution.

培養液にイオン交換膜を介して培養液に浸漬した電極と対をなす電極を接触させる本発明のアルコール生産方法は、具体的には以下のアルコール生産装置により実施され得る。即ち、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する装置であって、イオン交換膜を少なくとも一部に備える容器と、容器に収容された培養液と、培養液に浸された作用電極と、イオン交換膜の容器の外側の面の少なくとも一部に接触している対電極と、作用電極と対電極とが結線された定電位設定装置と、容器内で生産されたアルコールを回収するアルコール回収手段とを有し、イオン交換膜は容器の培養液と接触する位置に備えるものとし、培養液にアルコール生産微生物と有機物とアルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質とを含ませて、アルコール生産微生物により還元されて生じる電子媒体物質の還元体を定電位設定装置で作用電極と対電極との間に電位差を与えて酸化させながらアルコール生産微生物を培養してアルコールを生産するものとしている。   The alcohol production method of the present invention in which an electrode paired with an electrode immersed in a culture solution is brought into contact with the culture solution via an ion exchange membrane can be specifically carried out by the following alcohol production apparatus. That is, an apparatus for producing alcohol from an organic substance using an alcohol-producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation, a container provided with at least a part of an ion exchange membrane, a culture solution contained in the container, and a culture A working electrode immersed in the liquid, a counter electrode in contact with at least a part of the outer surface of the container of the ion exchange membrane, a constant potential setting device in which the working electrode and the counter electrode are connected, and An electronic medium having an alcohol recovery means for recovering the produced alcohol, wherein the ion exchange membrane is provided at a position in contact with the culture solution in the container, and the alcohol-producing microorganism, the organic substance, and the alcohol-producing microorganism can be reduced in the culture solution. The reductant of the electron medium material that is produced by reduction by the alcohol-producing microorganism is contained between the working electrode and the counter electrode with a constant potential setting device. While oxidizing giving by culturing alcohol-producing microorganism is intended to produce the alcohol.

ここで、本発明のアルコール生産方法及び装置において、アルコール生産微生物はアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物であることが好ましい。   Here, in the alcohol production method and apparatus of the present invention, the alcohol-producing microorganism is preferably a Clostridium microorganism that performs acetone-butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation).

また、本発明のアルコール生産方法及び装置において、電子媒体物質がビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかであり、イオン交換膜が陰イオン交換膜であり、アルコール生産微生物はアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物であり、電極(作用電極)の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.9Vとしてクロストリジウム属の微生物を高密度培養することが好ましい。この場合、クロストリジウム属の微生物を高密度培養することにより生産されるブタノールの生産性が顕著に向上し、且つエタノールの生産性も向上する。   In the alcohol production method and apparatus of the present invention, the electronic medium substance is at least one of a viologen and a viologen derivative, the ion exchange membrane is an anion exchange membrane, and the alcohol producing microorganism is acetone / butanol / ethanol fermentation (ABE). Preferably, the microorganism of the genus Clostridium is cultured at a high density by setting the potential of the electrode (working electrode) to +0.3 V to +0.9 V on the basis of the silver / silver chloride electrode potential. In this case, the productivity of butanol produced by high-density culture of Clostridium microorganisms is significantly improved, and the productivity of ethanol is also improved.

さらに、本発明のアルコール生産方法及び装置において、電子媒体物質としてビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかを用い、イオン交換膜として陰イオン交換膜を用い、アルコール生産微生物としてアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物を用い、クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で培養液に含ませ、電極(作用電極)の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+1.2Vとしてクロストリジウム属の微生物を生育段階を定常期に移行させた後、電極(作用電極)の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.9Vとしてクロストリジウム属の微生物を高密度培養することが好ましい。この場合、クロストリジウム属の微生物を早期に定常期に移行させて高密度化させることができ、且つ有機酸の蓄積が抑えられてアルコール生産に適した状態が形成される。そして、電極(作用電極)の電位を+0.3V〜+0.9Vとして高密度培養を行うことで、ブタノールの生産性が顕著に向上し、且つエタノールの生産性も向上する。   Furthermore, in the alcohol production method and apparatus of the present invention, at least one of viologen and a viologen derivative is used as the electronic medium material, an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane, and acetone / butanol / ethanol fermentation (ABE) is used as the alcohol producing microorganism. Fermentation) Clostridium microorganisms are used, and the Clostridium microorganisms are included in the culture solution at the cell density before entering the logarithmic growth phase. The potential of the electrode (working electrode) is based on the potential of the silver / silver chloride electrode. After shifting the growth stage of the microorganism of the genus Clostridium to +0.3 V to +1.2 V to the stationary phase, the potential of the electrode (working electrode) is set to +0.3 V to +0.9 V on the basis of the silver / silver chloride electrode potential reference. It is preferable to culture the microorganisms at high density. In this case, microorganisms belonging to the genus Clostridium can be transferred to the stationary phase at an early stage to increase the density, and the accumulation of organic acid is suppressed, so that a state suitable for alcohol production is formed. Then, by performing high-density culture with the potential of the electrode (working electrode) being +0.3 V to +0.9 V, butanol productivity is remarkably improved and ethanol productivity is also improved.

ここで、本発明のアルコール生産方法及び装置において、電子媒体物質としてビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかを用い、イオン交換膜として陰イオン交換膜を用い、アルコール生産微生物としてアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物を用い、クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で培養液に含ませ、電極(作用電極)の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.9V〜+1.2Vとしてクロストリジウム属の微生物を生育段階を定常期に移行させた後、電極(作用電極)の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.6Vとしてクロストリジウム属の微生物を高密度培養することが特に好ましい。この場合、クロストリジウム属の微生物をより早期に定常期に移行させて高密度化させることができ、しかも最終到達菌体密度も高いものとでき、且つ有機酸の蓄積が抑えられてアルコール生産に適した状態が形成される。そして、電極(作用電極)の電位を+0.3V〜+0.6Vとして高密度培養を行うことで、ブタノールの生産性が極めて顕著に向上し、且つエタノールの生産性も向上する。   Here, in the alcohol production method and apparatus of the present invention, at least one of viologen and a viologen derivative is used as the electronic medium substance, an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane, and acetone, butanol, ethanol fermentation ( A microorganism of the genus Clostridium performing ABE fermentation) is included in the culture solution at the cell density before entering the logarithmic growth phase, and the potential of the electrode (working electrode) is based on the silver / silver chloride electrode potential standard. After moving the growth stage of the microorganism belonging to the genus Clostridium to +0.9 V to +1.2 V in the stationary phase, the potential of the electrode (working electrode) is set to +0.3 V to +0.6 V on the basis of the silver / silver chloride electrode potential reference. It is particularly preferred to culture the microorganisms of the genus at high density. In this case, microorganisms belonging to the genus Clostridium can be transferred to the stationary phase earlier to increase the density, the final cell density can be increased, and the accumulation of organic acids is suppressed, making it suitable for alcohol production. A state is formed. Then, by performing high-density culture with the potential of the electrode (working electrode) being +0.3 V to +0.6 V, butanol productivity is significantly improved and ethanol productivity is also improved.

因みに、クロストリジウム属の微生物は偏性嫌気性菌であるため、酸化雰囲気(+0.04V以上)では、生育が阻害され、その増殖およびアルコール(ブタノール)生産には還元環境が好適との報告例がある(Mutharasan, G.R.a.R., Altered electron flow in a reducing environment inClostridium acetobutylicum Biotechnology Letters 1988. 10(2): p. 129-132)。これに対し、本発明では、電子媒体物質の還元体を電気的に酸化させるために酸化電位を印加して酸化雰囲気を形成している。このように酸化雰囲気下にてアルコール(ブタノール)生産が促進されたことを示す例は今までに全く報告されていない。また、酸化電位への制御によって、増殖過程において有機酸蓄積が抑制されてアルコール(ブタノール)生産に適した状態が形成されることや、定常期への早期移行が起こることは全く報告されていない。したがって、本発明は従来にない新規な知見に基づく発明である。   Incidentally, since Clostridium microorganisms are obligately anaerobic bacteria, there are reports that growth is inhibited in an oxidizing atmosphere (+0.04 V or more), and that a reducing environment is suitable for growth and alcohol (butanol) production. (Mutharasan, GRaR, Altered electron flow in a reducing environment in Clostridium acetobutylicum Biotechnology Letters 1988. 10 (2): p. 129-132). On the other hand, in the present invention, an oxidizing potential is applied to form an oxidizing atmosphere in order to electrically oxidize the reductant of the electronic medium substance. Thus far, no example has been reported that shows that alcohol (butanol) production has been promoted under an oxidizing atmosphere. In addition, it has not been reported at all that the control to the oxidation potential suppresses the accumulation of organic acids during the growth process and forms a state suitable for alcohol (butanol) production, and the early transition to the stationary phase occurs. . Therefore, the present invention is based on a novel finding that has not existed before.

発明のアルコール生産方法及びアルコール生産装置によれば、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を用いてアルコールを生産するに際し、投入した有機物に対するアルコールの生産量(収率)を従来よりも大幅に向上させることが可能となり、特に次世代バイオ燃料としての期待が高まりつつあるブタノールの生産量(収率)を従来よりも極めて顕著に向上させることが可能となる。したがって、投入した有機物のアルコールへの変換率、特にブタノールへの変換率を従来よりも高めて、アルコール生産にかかるコストを低減することが可能となる。 According to the alcohol production method and the alcohol production apparatus of the present invention, when alcohol is produced using a microorganism of the genus Clostridium that performs ABE fermentation, the production amount (yield) of alcohol with respect to the input organic matter is greatly improved compared to the conventional method. In particular, the production amount (yield) of butanol, which is expected to increase as a next-generation biofuel, can be significantly improved as compared with the prior art. Therefore, it is possible to increase the conversion rate of the input organic substance into alcohol, particularly the conversion rate into butanol, and reduce the cost for alcohol production.

本発明のアルコール生産方法の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the alcohol production method of this invention. 第一の実施形態Aにかかるアルコール生産装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the alcohol production apparatus concerning 1st Embodiment A. 第一の実施形態Bにかかるアルコール生産装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the alcohol production apparatus concerning 1st Embodiment B. 第一の実施形態Cにかかるアルコール生産装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the alcohol production apparatus concerning 1st Embodiment C. 第一の実施形態Dにかかるアルコール生産装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the alcohol production apparatus concerning 1st Embodiment D. 第二の実施形態にかかるアルコール生産装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the alcohol production apparatus concerning 2nd embodiment. 本発明のアルコール生産方法を実施するためのアルコール生産装置の他の構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the other structure of the alcohol production apparatus for enforcing the alcohol production method of this invention. 各種電子媒体の添加によるクロストリジウム属細菌の増殖への影響を検討した結果を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the result of having examined the influence on the proliferation of the Clostridium bacteria by addition of various electronic media (Example 1). 電子媒体添加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、グルコース濃度の経時変化を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the time-dependent change of glucose concentration about the influence on the metabolism of the Clostridium bacterium by addition of an electronic medium (Example 1). 電子媒体添加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、培養終了後の培養液の酢酸濃度、酪酸濃度、エタノール濃度及びブタノール濃度を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the acetic acid concentration of a culture solution after completion | finish of culture | cultivation, butyric acid concentration, ethanol concentration, and butanol concentration about the influence on the metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium (Example 1). 電子媒体添加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、培養終了後のバイアル瓶気相部の水素量と二酸化炭素量を示す図である(実施例1)。(Example 1) which is a figure which shows the amount of hydrogen and the amount of carbon dioxide of the vapor phase part of a vial container after completion | finish of culture | cultivation about the influence on the metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium. 実施例4で使用した装置の概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram of an apparatus used in Example 4. 実施例2で使用した装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the apparatus used in Example 2. メチルビオロゲン(MV)の酸化還元特性を示す図である。It is a figure which shows the oxidation-reduction characteristic of methyl viologen (MV). 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、グルコース濃度の経時変化を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the time-dependent change of glucose concentration about the influence on metabolism of the Clostridium bacterium by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、pHの経時変化を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the time-dependent change of pH about the influence on the metabolism of the Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、酪酸濃度の経時変化を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the time-dependent change of a butyric acid density | concentration about the influence on the metabolism of the Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、酢酸濃度の経時変化を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the time-dependent change of an acetic acid density | concentration about the influence on the metabolism of the Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、ブタノール濃度の経時変化を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the time-dependent change of a butanol density | concentration about the influence on the metabolism of the Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の代謝への影響について、エタノール濃度の経時変化を示す図である(実施例2)。(Example 2) which is a figure which shows the time-dependent change of ethanol concentration about the influence on metabolism of the Clostridium bacterium by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖への影響について、検討した結果を示す図である(実施例3)。It is a figure which shows the result examined about the influence on the proliferation of the Clostridium bacterium by addition of an electronic medium and electric potential application (Example 3). クロストリジウム アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)のABE発酵の代謝経路を示す図である。It is a figure which shows the metabolic pathway of ABE fermentation of Clostridium acetobutylicum (Clostridium acetobutylicum). 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖への影響について、検討した結果を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the result examined about the influence on the proliferation of the Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖及び代謝への影響について、グルコース濃度の経時変化を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the time-dependent change of glucose concentration about the influence on the proliferation and metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖及び代謝への影響について、酢酸濃度の経時変化を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the time-dependent change of an acetic acid density | concentration about the influence on the proliferation and metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖及び代謝への影響について、酪酸濃度の経時変化を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the time-dependent change of a butyric acid density | concentration about the influence on the proliferation and metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖及び代謝への影響について、ブタノール濃度の経時変化を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the time-dependent change of a butanol density | concentration about the influence on the proliferation and metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. 電子媒体添加と電位印加によるクロストリジウム属細菌の増殖及び代謝への影響について、ガスパックに回収された水素量と二酸化炭素量を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the amount of hydrogen and the amount of carbon dioxide which were collect | recovered by the gas pack about the influence on the proliferation and metabolism of Clostridium bacteria by addition of an electronic medium and electric potential application. ブタノール生産量のMV濃度依存性を示す図である(実施例5)。It is a figure which shows the MV density | concentration dependence of butanol production (Example 5). 実施例4の培養試験における培養液の自然電位変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in natural potential of a culture solution in the culture test of Example 4. 実施例4の培養試験における電流値変化を示す図である。FIG. 6 is a graph showing changes in current value in the culture test of Example 4. 実施例2の培養試験における培養液の自然電位変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in natural potential of a culture solution in the culture test of Example 2. 実施例2の培養試験における電流値変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in current value in the culture test of Example 2.

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.

図1に、本発明のアルコール生産方法の実施形態の一例を概念的に示す。本発明のアルコール生産方法は、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物2を用いて有機物からアルコールを生産する方法において、アルコール生産微生物2と有機物とを含む培養液に電子媒体物質を添加し、電子媒体物質はアルコール生産微生物2が還元可能な物質とし、アルコール生産微生物2により還元されて生じる電子媒体物質の還元体を培養液に浸漬した電極9(作用電極9)に電位を与えて酸化させながらアルコール生産微生物2を培養してアルコールを生産するようにしている。   In FIG. 1, an example of embodiment of the alcohol production method of this invention is shown notionally. The alcohol production method of the present invention is a method for producing alcohol from an organic substance using an alcohol producing microorganism 2 that produces alcohol as a metabolite in fermentation, wherein an electronic medium substance is added to a culture solution containing the alcohol producing microorganism 2 and the organic substance. The electron medium substance is a substance that can be reduced by the alcohol-producing microorganism 2, and a potential is applied to the electrode 9 (working electrode 9) in which a reduced form of the electron medium substance generated by reduction by the alcohol-producing microorganism 2 is immersed in the culture solution. The alcohol-producing microorganism 2 is cultured while being oxidized to produce alcohol.

アルコール生産微生物2としては、アルコール発酵を行うサッカロミセス等の各種酵母等、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物等が挙げられ、特にABE発酵を行うクロストリジウム アセトブチリカム等のクロストリジウム属の微生物等を用いることが好適であるが、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物であれば特に限定されるものではない。また、微生物は天然物に限らず、遺伝子組換え等の人為的操作が加えられた人工物としてもよい。   Examples of the alcohol-producing microorganism 2 include various yeasts such as Saccharomyces that perform alcohol fermentation, Clostridium microorganisms that perform ABE fermentation, etc. In particular, it is preferable to use Clostridium microorganisms such as Clostridium acetobutylicum that perform ABE fermentation. However, it is not particularly limited as long as it is an alcohol-producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation. The microorganism is not limited to a natural product, and may be an artificial product to which an artificial operation such as gene recombination is added.

アルコール生産微生物2の培養液中の菌体密度は、増殖の定常期の菌体密度あるいはそれに近いものとすることが好適である。本発明のアルコール生産方法では、アルコール生産微生物2の1菌体当たりのアルコール生産量を向上させることができる。したがって、培養槽にて培養可能な最大限の菌数ないしはそれに近い菌数を培養液に添加することで、本発明によるアルコール生産量の向上効果を最大限に発揮させることができる。また、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を用いた場合、ABE発酵では、増殖の定常期においてソルベント(アセトン、ブタノール、エタノール)が生産されるので、培養液の菌体密度を増殖の定常期に相当する菌体密度とすることで、培養(高密度培養)開始直後から微生物にアルコールを生産させることができる。   The cell density in the culture solution of the alcohol-producing microorganism 2 is preferably set to a cell density in the stationary growth phase or close to it. In the alcohol production method of the present invention, the amount of alcohol produced per cell of the alcohol-producing microorganism 2 can be improved. Therefore, by adding the maximum number of bacteria that can be cultured in the culture tank or a number close to that to the culture solution, the effect of improving the alcohol production amount according to the present invention can be maximized. In addition, when a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation is used, solvent (acetone, butanol, ethanol) is produced in the stationary growth phase in ABE fermentation. Therefore, the cell density of the culture solution is set to the stationary growth phase. By setting the corresponding cell density, alcohol can be produced by the microorganism immediately after the start of culture (high-density culture).

但し、アルコール生産微生物2の培養液中の菌体密度を、増殖の定常期の菌体密度あるいはそれに近いものとすることは必須条件ではなく、初期菌体密度を増殖の定常期未満、例えば対数増殖期未満として本発明のアルコール生産方法を実施するようにしてもよい。本発明のアルコール生産方法によれば、アルコール生産微生物の増殖を促進することもできるので、生育段階を早期に定常期に移行させることができる。また、生育段階にて蓄積される有機酸等の副産物の生成が抑えられることによって、アルコール生産に適した状態が形成される効果も相俟って、アルコール生産量の向上効果を最大限に発揮させることができる。例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を用いた場合、培養液の菌体密度を定常期に移行する前の生育段階に相当する菌体密度、例えば対数増殖期に移行する前の生育段階に相当する菌体密度としたとしても、生育段階をソルベント生成期である定常期に早期に到達させ、且つ有機酸の蓄積を抑えてアルコールの生産に適した状態が形成されることによって、クロストリジウム属の微生物のアルコールの生産性を最大限に向上させてアルコール生産を実施することができる。本発明のアルコール生産方法では、このような実施の形態も含まれる。   However, it is not an essential condition that the cell density in the culture solution of the alcohol-producing microorganism 2 is equal to or close to the cell density in the stationary stationary phase, and the initial cell density is less than the stationary stationary phase, for example, logarithm. You may make it implement the alcohol production method of this invention as less than a growth phase. According to the alcohol production method of the present invention, the growth of alcohol-producing microorganisms can be promoted, so that the growth stage can be shifted to the stationary phase at an early stage. In addition, by suppressing the production of organic acids and other by-products accumulated at the growth stage, the effect of improving the alcohol production is maximized, combined with the effect of forming a state suitable for alcohol production. Can be made. For example, when a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation is used, the cell density of the culture solution corresponds to the growth stage before the transition to the stationary phase, for example, the growth stage before the transition to the logarithmic growth phase. Even if the cell density is equivalent, the growth stage reaches the stationary phase, which is the solvent generation phase, at an early stage, and the organic acid accumulation is suppressed and a state suitable for alcohol production is formed. Alcohol production can be carried out by maximizing the productivity of alcohol of microorganisms. Such an embodiment is also included in the alcohol production method of the present invention.

有機物は、アルコール生産微生物2の発酵における代謝産物であるアルコールを得るための基質(アルコール生成源物質)であり、使用するアルコール生産微生物2に応じて適宜決定される。例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を使用する場合には、グルコース等の単糖、デンプン・セルロース・キシラン等の多糖類を基質として使用できるのは勿論のこと、紙・小麦わら・稲わら等の植物繊維質、生ごみ、農産廃棄物、焼酎蒸留廃液、余剰汚泥(活性汚泥)の生ごみの混合物、デンプン廃液、廃パーム繊維などといった各種バイオマス系廃棄物を幅広く基質として使用することができる。このようなバイオマス系廃棄物を用いることで、アルコール生産にかかるコストをさらに低減することができる。   The organic substance is a substrate (alcohol production source material) for obtaining alcohol which is a metabolite in fermentation of the alcohol-producing microorganism 2, and is appropriately determined according to the alcohol-producing microorganism 2 to be used. For example, when using a microorganism belonging to the genus Clostridium that performs ABE fermentation, it is possible to use monosaccharides such as glucose and polysaccharides such as starch, cellulose, and xylan as substrates, as well as paper, wheat straw, and rice straw. Various types of biomass waste such as plant fiber such as food waste, agricultural waste, shochu distillation waste liquid, mixture of surplus sludge (activated sludge) garbage, starch waste liquid, waste palm fiber, etc. can be widely used as substrates it can. By using such biomass waste, the cost for alcohol production can be further reduced.

培養液への有機物の添加量は特に限定されるものではない。例えばABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を用いる場合、グルコースを10〜100mM、好適には50mM程度添加すればよいが、必ずしもこの添加量に限定されるわけではない。また、有機物の添加は、アルコールの生産開始前(アルコール生産微生物の開始前)に行ってもよいし、アルコールの生産中に行ってもよい。いずれの場合においても、アルコール生産微生物2に有機物が消費されてアルコールの生産が起こると共に、有機物のアルコールへの変換量の増大を図ることができる。   The amount of organic matter added to the culture solution is not particularly limited. For example, when using a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation, glucose may be added in an amount of 10 to 100 mM, preferably about 50 mM, but the amount is not necessarily limited. The organic substance may be added before the start of alcohol production (before the start of alcohol-producing microorganisms) or during the production of alcohol. In either case, the organic substance is consumed by the alcohol-producing microorganism 2 to produce alcohol, and the conversion amount of the organic substance into alcohol can be increased.

電子媒体物質は、アルコール生産微生物2の生育を阻害することなくアルコール生産微生物2が還元可能な物質であれば特に限定されるものではなく、使用するアルコール生産微生物2に応じて適宜決定されるが、アルコール生産微生物2の生育を阻害するものであっても、アルコール生産微生物2が還元可能な物質であれば使用できる場合もある。   The electronic medium material is not particularly limited as long as the alcohol-producing microorganism 2 can be reduced without inhibiting the growth of the alcohol-producing microorganism 2, and is appropriately determined according to the alcohol-producing microorganism 2 to be used. Even if it inhibits the growth of the alcohol-producing microorganism 2, it may be used as long as the alcohol-producing microorganism 2 can be reduced.

例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を使用する場合、電子媒体物質としてはビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかを用いることが好適である。ビオロゲン誘導体としては、メチルビオロゲン、エチルビオロゲン、ベンジルビオロゲン等を用いることができ、メチルビオロゲンを用いることが好適である。尚、これらの物質を用いることで、培養過程にてこれらの物質が還元されると共に、クロストリジウム属の微生物の生育は阻害されるが、生育阻害による悪影響以上に、アルコール生産性が顕著に向上する効果が奏され得る。また、生育の阻害(対数増殖期への移行の遅延)については、後述する増殖過程における酸化電位への制御によってキャンセルすることができる。したがって、増殖過程における酸化電位への制御によって、これらの物質を電子媒体物質として用いることによるアルコール生産性の顕著な向上効果のみを発揮させることができる。   For example, when a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation is used, it is preferable to use at least one of a viologen and a viologen derivative as the electron medium substance. As the viologen derivative, methyl viologen, ethyl viologen, benzyl viologen and the like can be used, and it is preferable to use methyl viologen. By using these substances, these substances are reduced during the culture process and the growth of Clostridium microorganisms is inhibited, but the alcohol productivity is significantly improved over the adverse effects of the growth inhibition. An effect can be produced. Further, growth inhibition (delay of transition to the logarithmic growth phase) can be canceled by controlling the oxidation potential in the growth process described later. Therefore, by controlling to the oxidation potential in the growth process, only the remarkable improvement effect of alcohol productivity by using these substances as the electron medium substance can be exhibited.

また、アルコール発酵(エタノールを生産)を行うサッカロミセス属の酵母等について、ニュートラルレッドやメナジオン等の電子媒体物質を添加することで、グルコースを基質としたエタノールの生産性が変化することが報告されている(Analytica Chimica Acta 597(2007)67-74, Zhao et al, The defferent behaviors if three oxidative mediator in probing the redox activities of the yeast Saccharomyces cerevisiae)。したがって、アルコール発酵(エタノールを生産)を行うサッカロミセス属の酵母等を使用する場合、電子媒体物質としてニュートラルレッドやメナジオン等を用いることができる。   In addition, it has been reported that the productivity of ethanol using glucose as a substrate is changed by adding an electronic medium such as neutral red and menadione for yeasts of the genus Saccharomyces that perform alcoholic fermentation (produce ethanol). (Analytica Chimica Acta 597 (2007) 67-74, Zhao et al, The defferent behaviors if three oxidative mediators in probing the redox activities of the yeast Saccharomyces cerevisiae). Therefore, when using yeast of the genus Saccharomyces that performs alcoholic fermentation (production of ethanol), neutral red, menadione, or the like can be used as the electronic medium material.

培養液への電子媒体物質の添加量は、電子媒体物質の種類、微生物の発酵反応効率、菌体密度等に応じてその最適量が適宜変化するが、。概ね0.5〜10mMまたは1〜10mM、好適には0.5〜5mM、より好適には0.5〜2mM、さらに好適には数mMとすればよい。電子媒体物質の濃度が低すぎると、アルコール生産性の向上効果が得られにくくなる。また、電子媒体物質の濃度が高すぎると、電子媒体物質の種類によっては生育が阻害され過ぎて、アルコール生産性の向上効果が得られにくくなる。例えば、電子媒体物質をビオロゲン誘導体とし、その濃度を0.5〜2mM、特に1〜2mMとすることで、クロストリジウム属の微生物が極めて顕著なアルコール(ブタノール)生産性向上効果を奏し得る。   The optimum amount of the electron medium substance added to the culture medium varies appropriately depending on the type of the electron medium substance, the fermentation reaction efficiency of the microorganism, the cell density, and the like. It may be about 0.5 to 10 mM or 1 to 10 mM, preferably 0.5 to 5 mM, more preferably 0.5 to 2 mM, and even more preferably several mM. If the concentration of the electronic medium substance is too low, it is difficult to obtain the effect of improving alcohol productivity. On the other hand, if the concentration of the electronic medium substance is too high, the growth is excessively inhibited depending on the type of the electronic medium substance, and it becomes difficult to obtain the effect of improving the alcohol productivity. For example, when the electron medium substance is a viologen derivative and the concentration thereof is 0.5 to 2 mM, particularly 1 to 2 mM, the microorganisms belonging to the genus Clostridium can exhibit an extremely remarkable alcohol (butanol) productivity improvement effect.

尚、電子媒体物質は、酸化体の形態、あるいは酸化体を含む形態(つまり酸化体と還元体とが併存している形態)のいずれかの形態で培養液に添加することが好適であるが、還元体の形態で培養液に添加しても構わない。即ち、還元体の形態で添加したとしても、培養液に浸漬している電極9によって当該還元体を酸化させることによって、酸化体が次々と生成され、アルコール生産微生物の発酵における代謝経路からの電子の引き抜きを生じさせることができる。   The electron medium substance is preferably added to the culture solution in the form of an oxidant or a form containing an oxidant (that is, a form in which an oxidant and a reductant coexist). Alternatively, it may be added to the culture solution in the form of a reduced form. That is, even when added in the form of a reductant, the reductant is oxidized one after another by oxidizing the electrode 9 immersed in the culture solution, and electrons from the metabolic pathway in the fermentation of alcohol-producing microorganisms. Can be pulled out.

培養液の組成は、使用するアルコール生産微生物に応じて適宜決定されるが、上記電子媒体物質のように、電気的に酸化または還元反応を生じ得る物質が実質的に含まれていない培養液を使用することが好適である。例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を使用する場合には、チオグリコレート培地やTYA培地等を用いればよい。例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を増殖させて早期に定常期に移行させることを目的とする場合には、チオグリコレート培地を用いることが好適であり、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を定常期または定常期に近い菌体密度として直ちにアルコール生産を行わせることを目的とする場合には酢酸を含むTYA培地を用いることが好適であるが、これらに限定されるものではない。   The composition of the culture solution is appropriately determined according to the alcohol-producing microorganism to be used, but a culture solution that does not substantially contain a substance that can cause an oxidation or reduction reaction electrically, such as the above-mentioned electronic medium substance. It is preferred to use. For example, when a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation is used, a thioglycolate medium, a TYA medium, or the like may be used. For example, when it is intended to grow a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation and shift it to a stationary phase at an early stage, it is preferable to use a thioglycolate medium, and a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation. Is preferably used in a stationary phase or a cell density close to the stationary phase, and a TYA medium containing acetic acid is preferably used, but is not limited thereto.

培養液中の電子媒体物質は、アルコール生産微生物2の発酵における代謝経路から電子を引き抜く作用を有している。したがって、電子媒体物質の酸化体は、アルコール生産微生物2の培養の過程(アルコール生産過程)で全て還元体に変換(還元)されて枯渇することになる。本発明では、培養液に浸した電極9(作用電極9)に電位を与えることにより、アルコール生産微生物2の培養の過程(アルコール生産過程)で電子媒体物質の酸化体が変換(還元)されて生じた電子媒体物質の還元体を酸化させ、酸化体に再生させることによって、アルコール生産微生物2に電子媒体物質の酸化体を供給し続けるようにしている。これにより、アルコール生産微生物2の培養の過程(アルコール生産過程)において、アルコール生産微生物2の発酵における代謝経路から電子を引き抜き続けて、代謝反応に何らかの影響を与えることにより、アルコール生産性を向上させることができる。   The electronic medium substance in the culture solution has an action of extracting electrons from the metabolic pathway in the fermentation of the alcohol-producing microorganism 2. Therefore, the oxidant of the electron medium substance is completely converted (reduced) into a reduced form in the process of culturing the alcohol-producing microorganism 2 (alcohol production process) and depleted. In the present invention, the oxidant of the electron medium substance is converted (reduced) in the process of culturing the alcohol-producing microorganism 2 (alcohol production process) by applying a potential to the electrode 9 (working electrode 9) immersed in the culture solution. The reduced form of the generated electronic medium substance is oxidized and regenerated to an oxidized form, thereby continuously supplying the oxidized form of the electronic medium substance to the alcohol-producing microorganism 2. Thereby, in the process of culturing the alcohol-producing microorganism 2 (alcohol production process), the alcohol productivity is improved by continuously extracting electrons from the metabolic pathway in the fermentation of the alcohol-producing microorganism 2 and affecting the metabolic reaction in some way. be able to.

電極9には、電子媒体物質の還元体を酸化することが可能な電極が適宜用いられる。具体的には、炭素板やグラッシーカーボン等の炭素電極、白金電極等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。   As the electrode 9, an electrode capable of oxidizing a reduced form of the electron medium substance is appropriately used. Specifically, a carbon electrode such as a carbon plate or glassy carbon, a platinum electrode, or the like can be used, but is not limited thereto.

電極9に与える電位は、アルコール生産微生物の種類、アルコール生産微生物の菌体密度(生育段階)、電子媒体物質の種類、電極9の材質等により変化し得るため、一概には規定できないが、例えば以下の手順により電極9の最小電位と最大電位を導き出すことができる。即ち、アルコール生産微生物を増殖の定常期に相当する菌体密度で含む培養液に電子媒体物質を添加すると共に電極9を接触させて、電子媒体物質の還元体が酸化される範囲の各種電位で高密度培養試験を行う。また、比較試験として、培養液に電子媒体物質を添加して電極9を接触させずに(電位を印加せずに)高密度培養試験を行う。そうすると、比較試験よりもアルコール生産量が増大する電位の範囲が明らかとなる。この電位の範囲の最小値がアルコール生産量を増大させるための最小電位であり、最大値がアルコール生産量を増大させるための最大電位である。また、アルコール生産微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で含む培養液に電子媒体物質を添加すると共に電極9を接触させて、電子媒体物質の還元体が酸化される範囲の各種電位で培養試験を行う。また、比較試験として、培養液に電子媒体物質を添加して電極9を接触させずに(電位を印加せずに)培養試験を行う。そうすると、比較試験よりも増殖促進(対数増殖期への早期移行による定常期への早期移行)が起こる電位の範囲が明らかとなる。この電位の範囲の最小値がアルコール生産微生物の増殖が促進される最小電位であり、最大値がアルコール生産微生物の増殖が促進される最大電位である。   The potential applied to the electrode 9 can vary depending on the type of alcohol-producing microorganism, the cell density (growth stage) of the alcohol-producing microorganism, the type of the electronic medium material, the material of the electrode 9, etc. The minimum potential and the maximum potential of the electrode 9 can be derived by the following procedure. That is, an electron medium substance is added to a culture solution containing alcohol-producing microorganisms at a cell density corresponding to the stationary phase of growth, and the electrode 9 is brought into contact with each other at various potentials within a range where the reductant of the electron medium substance is oxidized. Perform high-density culture test. In addition, as a comparative test, a high-density culture test is performed without adding an electron medium substance to the culture solution and without contacting the electrode 9 (without applying a potential). Then, the range of the potential at which the alcohol production increases is more apparent than in the comparative test. The minimum value in this potential range is the minimum potential for increasing the alcohol production amount, and the maximum value is the maximum potential for increasing the alcohol production amount. In addition, various potentials within a range in which the reductant of the electron medium substance is oxidized by adding the electron medium substance to the culture solution containing the alcohol-producing microorganisms at the cell density before entering the logarithmic growth phase and contacting the electrode 9 Perform the culture test at In addition, as a comparative test, the culture test is performed without adding an electron medium substance to the culture solution and without contacting the electrode 9 (without applying a potential). Then, the range of potentials at which growth promotion (early transition to the stationary phase due to early transition to the logarithmic growth phase) occurs becomes clearer than the comparative test. The minimum value in this potential range is the minimum potential at which the growth of the alcohol-producing microorganism is promoted, and the maximum value is the maximum potential at which the growth of the alcohol-producing microorganism is promoted.

本発明者等の実験によると、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物について、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用い、クロストリジウム属の微生物を定常期の菌体密度で培養液に含ませ、電極9として炭素電極を用いた場合には、+0.3V以上とすることでエタノール生産量の増大効果が得られること、及び+0.6V以上とすることでブタノール生産量の顕著な増大効果とエタノール生産量の増大効果が得られることが確認されている。このことから、+0.3V超〜+0.6Vの間にブタノール生産量が比較試験よりも増大する最小電位が存在しているものと考えられる。したがって、この場合には、電極9の電位を+0.3V以上とすればよく、+0.3V超とすることが好ましく、+0.6V以上とすることがより好適である。   According to the experiments of the present inventors, for microorganisms belonging to the genus Clostridium that perform ABE fermentation, a viologen derivative is used as the electronic medium material, the microorganisms belonging to the genus Clostridium are included in the culture solution at a stationary cell density, and carbon is used as the electrode 9. When an electrode is used, an effect of increasing ethanol production is obtained by setting it to +0.3 V or more, and a significant effect of increasing butanol production and an increase in ethanol production by setting it to +0.6 V or more. It has been confirmed that an effect can be obtained. From this, it is considered that there is a minimum potential between +0.3 V and +0.6 V where the butanol production amount is higher than that in the comparative test. Therefore, in this case, the potential of the electrode 9 may be +0.3 V or higher, preferably higher than +0.3 V, more preferably +0.6 V or higher.

また、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物について、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用い、クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で培養液に含ませ、電極9として炭素電極を用いた場合には、+0.3V〜+1.2Vでクロストリジウム属の微生物の増殖促進効果(対数増殖期への早期移行による定常期への早期移行効果)が見られることが確認されている。具体的には、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用いることによる生育阻害効果(対数増殖期への移行の遅延)を、電極9の電位を+0.3V〜+1.2Vに制御しながら培養することで、キャンセルすることができ、対数増殖期への移行時期が、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用いずに通電することなく培養した場合と同程度となる。特に+0.9V〜+1.2Vとすることで、ビオロゲン誘導体を用いずに通電することなく培養した場合よりも優れた増殖促進効果が得られ、さらにはビオロゲン誘導体を用いずに通電することなく培養した場合と同程度の最終菌体密度とすることができる。さらに着目すべきは、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用い、電極の電位を+0.3V〜+1.2Vに制御しながら培養することによって、増殖の過程で蓄積する有機酸の生成が抑えられることである。このことによって、アルコール(ブタノール)の生産に極めて適した状態が形成される。換言すれば、定常期(ソルベント生成期)においてアルコール生産性を向上させることができる前駆状態が形成されることになる。以上、クロストリジウム属の微生物の増殖過程においては、電極9の電位を+0.3V〜+1.2Vとすることが好ましく、+0.6V〜+1.2Vとすることがより好ましく、+0.9V〜+1.2Vとすることがさらに好ましい。   For clostridium microorganisms that perform ABE fermentation, a viologen derivative is used as an electronic medium substance, and the clostridium microorganisms are included in the culture solution at a cell density before entering the logarithmic growth phase. When it is used, it has been confirmed that the effect of promoting the growth of microorganisms belonging to the genus Clostridium is observed at +0.3 V to +1.2 V (the early transition effect to the stationary phase due to the early transition to the logarithmic growth phase). Specifically, the growth inhibitory effect (delay of transition to the logarithmic growth phase) by using a viologen derivative as an electronic medium substance is cultured while controlling the potential of the electrode 9 to + 0.3V to + 1.2V. The period of transition to the logarithmic growth phase can be canceled, and is comparable to the case of culturing without energization without using a viologen derivative as an electronic medium substance. In particular, by setting it to +0.9 V to +1.2 V, it is possible to obtain a growth promoting effect that is superior to that of culturing without energization without using a viologen derivative, and further culturing without energization without using a viologen derivative. The final cell density can be set to the same level as that of the case. It should also be noted that by using a viologen derivative as the electron medium material and culturing while controlling the potential of the electrode between +0.3 V and +1.2 V, the generation of organic acids accumulated during the growth process can be suppressed. is there. This creates a very suitable state for the production of alcohol (butanol). In other words, a precursor state capable of improving alcohol productivity in the stationary phase (solvent generation phase) is formed. As described above, in the growth process of Clostridium microorganisms, the potential of the electrode 9 is preferably +0.3 V to +1.2 V, more preferably +0.6 V to +1.2 V, and +0.9 V to +1. More preferably, it is 2V.

そして、電極9の電位を制御してクロストリジウム属の微生物の増殖を促進させて定常期に移行させた後は、+0.3〜+0.9Vとすることでブタノール生産量を増大でき、+0.3V〜+0.6Vとすることでブタノール生産量を特に増大できることが確認されている。したがって、電極9の電位を制御してクロストリジウム属の微生物の増殖を促進させて定常期に移行させた後は、電極9の電位を+0.3〜+0.9Vとすればよく、+0.3V〜+0.6Vとすることが好ましい。尚、対数増殖期よりも菌体密度の低い状態から増殖過程を経て高密度状態に至るまで上記酸化電位を印加して培養を行うと、定常期(ソルベント生成期)において、+0.3Vにおいてもブタノール生産性の顕著な向上効果が得られる。つまり、より低い電位に制御して投入電気エネルギーを減らしつつ、ブタノール生産性の向上効果を得ることができるというメリットが得られることになる。   And after controlling the electric potential of the electrode 9 to promote the growth of microorganisms belonging to the genus Clostridium and shifting to the stationary phase, the butanol production can be increased by setting to +0.3 to +0.9 V, and +0.3 V It has been confirmed that the amount of butanol produced can be increased particularly by setting it to ~ + 0.6V. Therefore, after controlling the potential of the electrode 9 to promote the growth of Clostridium microorganisms and shifting to the stationary phase, the potential of the electrode 9 may be +0.3 to +0.9 V, and +0.3 V to It is preferably + 0.6V. In addition, when the above-described oxidation potential is applied from a state in which the cell density is lower than that in the logarithmic growth phase to a high density state through the growth process, in the stationary phase (solvent generation phase), even at +0.3 V A significant improvement in butanol productivity can be obtained. That is, it is possible to obtain the merit that the effect of improving butanol productivity can be obtained while the input electric energy is reduced by controlling to a lower potential.

尚、定常期(ソルベント生成期)において、電極9の電位を+1.2Vとすると、電位を印加しない場合よりもブタノールの生産性が若干低下する傾向が見られた。その一方で、+0.9Vでは電位を印加しない場合よりもブタノールの生産性を向上させることができることから、+0.9V〜+1.2V未満の間に電位を印加しない場合よりもブタノールの生産性が向上する境界となる電位が存在し得るものと考えられる。しかしながら、アルコール生産を行う上では、印加電位は低くした方がエネルギー的には有利であること、さらには、+0.9Vよりも低い電位(例えば、+0.6V)とした方がより顕著なブタノール生産性の向上効果が奏されることを考慮すれば、定常期における電極9の電位は+0.9V以下とすることが望ましいと言える。   In the stationary phase (solvent generation phase), when the potential of the electrode 9 was +1.2 V, the butanol productivity tended to be slightly lower than when no potential was applied. On the other hand, since the productivity of butanol can be improved at +0.9 V as compared with the case where no potential is applied, the productivity of butanol is higher than when no potential is applied between +0.9 V and less than +1.2 V. It is considered that there may be a potential that becomes an improved boundary. However, in alcohol production, it is advantageous in terms of energy to lower the applied potential, and more significant butanol is obtained when the potential is lower than +0.9 V (for example, +0.6 V). Considering that the productivity improvement effect is achieved, it can be said that the potential of the electrode 9 in the stationary phase is desirably +0.9 V or less.

以上のことを纏めると、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物について、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用い、クロストリジウム属の微生物を高密度培養してアルコール生産を行う場合には、電極9の電位を、+0.3V〜+0.9Vとすればよいが、ブタノールの生産性を顕著に向上させる観点からは、0.3V超〜+0.9Vとすることが好ましく、+0.6V〜+0.9Vとすることがより好ましく、+0.6Vとすることがさらに好ましいと言える。   In summary, for the microorganisms of the genus Clostridium that perform ABE fermentation, when the viologen derivative is used as an electronic medium material and alcohol production is performed by culturing the microorganisms of the genus Clostridium at high density, the potential of the electrode 9 is + 0.3V to + 0.9V, but from the viewpoint of significantly improving butanol productivity, it is preferably more than 0.3V to + 0.9V, more preferably + 0.6V to + 0.9V. Is more preferable, and it can be said that + 0.6V is more preferable.

また、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物について、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用い、クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で培養液に含ませて定常期に移行させる場合には、電極9の電位を、+0.3〜+1.2Vとすればよいが、+0.6V〜+1.2Vとすることが好ましく、+0.9〜+1.2Vとすることがより好ましいと言える。そして、定常期に移行させた後の高密度培養によってアルコール生産を行う場合には、電極9の電位を、+0.3V〜+0.9Vとすることが好ましく、+0.3V〜+0.6Vとすることがより好ましいと言える。最も好ましくは、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物について、電子媒体物質としてビオロゲン誘導体を用い、クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で培養液に含ませて定常期に移行させる場合には、電極9の電位を、+0.9V〜+1.2Vとし、定常期に移行させた後の高密度培養によってアルコール生産を行う場合には、+0.3V〜+0.6Vとすることである。この場合には、対数増殖期の早期化、最終到達菌体密度の向上及び有機酸の蓄積抑制の全ての効果が奏されてアルコール生産に極めて適した状態が形成され、その後の電位制御によってクロストリジウム属の微生物のアルコール生産性が向上し、これらの効果が相俟って、極めて顕著なアルコール生産性の向上効果が奏されることになる。   In addition, for clostridium microorganisms that perform ABE fermentation, a viologen derivative is used as an electronic medium material, and the microorganisms of the genus clostridium are included in the culture solution at a cell density before transitioning to the logarithmic growth phase and shifted to the stationary phase. In this case, the potential of the electrode 9 may be +0.3 to +1.2 V, preferably +0.6 V to +1.2 V, and more preferably +0.9 to +1.2 V. . When alcohol production is performed by high-density culture after shifting to the stationary phase, the potential of the electrode 9 is preferably +0.3 V to +0.9 V, and is preferably +0.3 V to +0.6 V. Is more preferable. Most preferably, for clostridium microorganisms that undergo ABE fermentation, a viologen derivative is used as the electron medium material, and the clostridium microorganisms are contained in the culture solution at the cell density before transitioning to the logarithmic growth phase and shifted to the stationary phase. When the alcohol is produced by high-density culture after shifting to the stationary phase, the potential of the electrode 9 should be + 0.3V to + 0.6V. It is. In this case, all of the effects of the early growth of the logarithmic phase, the improvement of the final cell density and the suppression of the accumulation of organic acids are achieved, and a state that is extremely suitable for alcohol production is formed. Alcohol productivity of microorganisms of the genus is improved, and these effects are combined to produce an extremely remarkable alcohol productivity improvement effect.

したがって、クロストリジウム属の微生物を利用し、流加培養等の連続的な培養によってアルコール(ブタノール)生産を極めて効率的に実施することが可能となる。   Therefore, the production of alcohol (butanol) can be carried out very efficiently by continuous culture such as fed-batch culture using Clostridium microorganisms.

尚、電極9の材質による最小電位及び最大電位の変化は僅かと考えられることから、本発明におけるブタノール生産量の顕著な増大効果は、炭素電極以外の電極を用いた場合にも奏されるものと考えられる。   In addition, since the change of the minimum electric potential and the maximum electric potential by the material of the electrode 9 is thought to be slight, the remarkable increase effect of the butanol production amount in the present invention is also exhibited when an electrode other than the carbon electrode is used. it is conceivable that.

本発明のアルコール生産方法は、例えば図2〜6に示すアルコール生産装置を用いて実施される。以下、本発明のアルコール生産装置の第一の実施形態を図2〜図5に基づいて説明し、本発明のアルコール生産装置の第二の実施形態を図6に基づいて説明する。   The alcohol production method of the present invention is carried out using, for example, an alcohol production apparatus shown in FIGS. Hereinafter, the first embodiment of the alcohol production apparatus of the present invention will be described based on FIGS. 2 to 5, and the second embodiment of the alcohol production apparatus of the present invention will be described based on FIG. 6.

<第一の実施形態>
第一の実施形態にかかるアルコール生産方法は、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物2を用いて有機物3からアルコールを生産する方法において、アルコール生産微生物2と有機物3とを含む培養液4に電子媒体物質5を添加し、電子媒体物質5はアルコール生産微生物2が還元可能な物質とし、アルコール生産微生物2により還元されて生じる電子媒体物質5の還元体を培養液4に浸漬した電極9(作用電極9)に電位を与えて酸化させながらアルコール生産微生物2を培養してアルコールを生産するようにしている。本実施形態では、培養液4にイオン交換膜6を介して電解液4aを接触させ、作用電極9と対をなす電極10(対電極10)を電解液4aに浸すようにしている。
<First embodiment>
The alcohol production method according to the first embodiment is a method of producing alcohol from an organic substance 3 using an alcohol producing microorganism 2 that produces alcohol as a metabolite in fermentation, and a culture solution containing the alcohol producing microorganism 2 and the organic substance 3 Electrode medium material 5 is added to 4, and the electron medium material 5 is a substance that can be reduced by the alcohol-producing microorganism 2, and an electrode obtained by immersing the reductant of the electron medium substance 5 generated by reduction by the alcohol-producing microorganism 2 in the culture solution 4 9 (working electrode 9) is applied with an electric potential to oxidize the alcohol-producing microorganism 2 to produce alcohol. In the present embodiment, the electrolyte solution 4a is brought into contact with the culture solution 4 via the ion exchange membrane 6, and the electrode 10 (counter electrode 10) paired with the working electrode 9 is immersed in the electrolyte solution 4a.

第一の実施形態にかかるアルコール生産方法は、例えば図2〜図5に示すアルコール生産装置1により実施される。即ち、図2〜図5に示すアルコール生産装置1は、イオン交換膜6によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を培養槽7とし、他方の槽を対電極槽8とし、培養槽7には培養液4が収容されると共に作用電極9と参照電極11が浸され、対電極槽8には電解液4aが収容されると共に対電極10が浸され、作用電極9と対電極10と参照電極11は定電位設定装置12に結線されている。そして、培養液4にアルコール生産微生物2と有機物3とアルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質5とを含ませて、定電位設定装置12で作用電極の電位を3電極方式で制御することによりアルコール生産微生物2により還元されて生じる電子媒体物質5の還元体を酸化させながらアルコール生産微生物2を培養してアルコールを生産するものとしている。   The alcohol production method according to the first embodiment is performed by, for example, the alcohol production apparatus 1 shown in FIGS. That is, the alcohol production apparatus 1 shown in FIGS. 2 to 5 has one of the two tanks partitioned by the ion exchange membrane 6 as a culture tank 7 and the other tank as a counter electrode tank 8. 7 contains the culture solution 4 and is immersed in the working electrode 9 and the reference electrode 11, and the counter electrode tank 8 is filled with the electrolyte solution 4 a and the counter electrode 10 is immersed in the working electrode 9 and the counter electrode 10. The reference electrode 11 is connected to the constant potential setting device 12. Then, the culture medium 4 contains the alcohol-producing microorganism 2, the organic substance 3, and the electronic medium substance 5 that can be reduced by the alcohol-producing microorganism, and the potential of the working electrode is controlled by the constant potential setting device 12 in a three-electrode system. The alcohol-producing microorganism 2 is cultured to produce alcohol while oxidizing the reduced form of the electron medium material 5 generated by reduction by the alcohol-producing microorganism 2.

このように、3電極方式で作用電極9の電位を制御することで、作用電極9の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置(ポテンシオスタット)12により、作用電極9と参照電極11との間の電位差を測定し、この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。尚、3電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法(上)、技報動出版株式会社、第1版15刷、2004年6月発行の6〜9ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極9と対電極10の極間電圧のみで作用電極9の電位を制御できる場合には、3電極方式とせずともよい。   In this way, by controlling the potential of the working electrode 9 by the three-electrode method, the potential of the working electrode 9 can be strictly controlled to the set potential. Specifically, a potential difference between the working electrode 9 and the reference electrode 11 is measured by a constant potential setting device (potentiostat) 12, and the working electrode 9 and the counter electrode 10 are adjusted so that the potential difference reaches the set potential. A current is passed between them so that no current flows through the reference electrode 11 serving as a reference. The details of the potential control by the three-electrode method are described in, for example, pages 6 to 9 of Electrochemical Measurement Method (above), Technical Bulletin Publishing Co., Ltd., 1st edition 15 printing, published in June 2004. ing. However, when the potential of the working electrode 9 can be controlled only by the voltage between the working electrode 9 and the counter electrode 10, the three-electrode system may not be used.

また、イオン交換膜6は、培養液4に含まれる微生物2、電子媒体物質5、有機物3を対電極槽8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に含まれるイオンまたは電解液4aに含まれるイオンを透過させてイオン電流を生じさせ、作用電極9において生じる酸化反応を補完する還元反応を対電極10で生じさせるものである。これにより、電子媒体物質5の還元体が長期に亘って安定に酸化され易くなる。イオン交換膜6としては、電子媒体物質5(酸化体と還元体)を透過させることの無いものを適宜選択して用いる。   In addition, the ion exchange membrane 6 allows the microorganism 2, the electronic medium material 5, and the organic substance 3 contained in the culture solution 4 to remain in the culture solution 4 without passing through the counter electrode tank 8, and is included in the culture solution 4. Ions or ions contained in the electrolyte solution 4 a are transmitted to generate an ionic current, and a reduction reaction that complements the oxidation reaction that occurs at the working electrode 9 is generated at the counter electrode 10. Thereby, the reductant of the electronic medium material 5 is easily oxidized stably over a long period of time. As the ion exchange membrane 6, a material that does not transmit the electron medium material 5 (oxidant and reductant) is appropriately selected and used.

ここで、ABE発酵を行うクロストリジウム属の微生物を用いてアルコール生産を行う場合、電子媒体物質としてビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかを用いることが好適であることは上記に述べた通りであるが、この場合には、イオン交換膜6として陰イオン交換膜を用いることが好ましい。プロトン交換膜や陽イオン交換膜を用いると、ビオロゲン及びビオロゲン誘導体がイオン交換膜6に吸着され、作用電極9上での酸化反応を行うことができなくなるが、陰イオン交換膜を用いた場合には、ビオロゲン及びビオロゲン誘導体がイオン交換膜6に吸着されることなく、イオン交換膜6に必要とされる上記機能が維持される。   Here, as described above, when alcohol production is performed using a Clostridium microorganism that performs ABE fermentation, it is preferable to use at least one of viologen and a viologen derivative as an electronic medium substance, In this case, it is preferable to use an anion exchange membrane as the ion exchange membrane 6. When a proton exchange membrane or a cation exchange membrane is used, viologen and viologen derivatives are adsorbed on the ion exchange membrane 6 and cannot oxidize on the working electrode 9, but when an anion exchange membrane is used. The viologen and the viologen derivative are not adsorbed on the ion exchange membrane 6, and the above functions required for the ion exchange membrane 6 are maintained.

尚、電子媒体物質5の種類によっては、印加する電位によっては、対電極10での還元反応が生じない場合があるので、対電極10での還元反応が生じない範囲で電位を印加する場合には、イオン交換膜6を省略しても良い。また、対電極10での還元反応が生じたとしても、作用電極9側での酸化反応が生じ続ける限り、本発明の効果が奏され得るので、イオン交換膜6の設置は必須ではない。   Depending on the type of the electron medium material 5, depending on the applied potential, the reduction reaction at the counter electrode 10 may not occur. Therefore, when the potential is applied within a range where the reduction reaction at the counter electrode 10 does not occur. May omit the ion exchange membrane 6. Even if a reduction reaction occurs at the counter electrode 10, the effect of the present invention can be obtained as long as an oxidation reaction on the working electrode 9 side continues to occur. Therefore, the installation of the ion exchange membrane 6 is not essential.

また、図2〜図5に示すアルコール生産装置1では、培養槽7を密閉構造としている。これにより、培養槽7にて生産されるアルコールが揮発して容器外に拡散するのを防ぐことができる。また、培養槽7を密閉構造とすることで、培養液4の嫌気性雰囲気を制御し易いという利点もある。即ち、培養槽7を密閉構造とすることで、培養を開始する前に培養槽7の遊離酸素を実質的に無くせば、培養槽7への遊離酸素の進入が起こらないので、培養期間中は培養槽7内の嫌気雰囲気を維持し続けて発酵が良好に進行する。特にクロストリジウム属の微生物は嫌気環境下にてABE発酵を行う微生物であることから、このように培養槽7を密閉構造とすることで、クロストリジウム属の微生物にABE発酵を行わせる上で極めて有利な構成となる。   Moreover, in the alcohol production apparatus 1 shown in FIGS. 2 to 5, the culture tank 7 has a sealed structure. Thereby, it is possible to prevent the alcohol produced in the culture tank 7 from volatilizing and diffusing outside the container. Moreover, there exists an advantage that it is easy to control the anaerobic atmosphere of the culture solution 4 by making the culture tank 7 into a sealed structure. That is, by making the culture tank 7 a sealed structure, if the free oxygen in the culture tank 7 is substantially eliminated before the culture is started, no entry of free oxygen into the culture tank 7 occurs. Fermentation proceeds satisfactorily while maintaining the anaerobic atmosphere in the culture tank 7. In particular, since microorganisms belonging to the genus Clostridium are microorganisms that perform ABE fermentation in an anaerobic environment, it is extremely advantageous to cause the microorganisms belonging to the genus Clostridium to perform ABE fermentation by making the culture tank 7 closed in this way. It becomes composition.

さらに、図2〜図5に示すアルコール生産装置1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回収手段16により、培養槽7内からアルコールを含む培養液4を採取するようにしている。培養液4に含まれるアルコールは蒸留等により適宜精製することで回収することができる。但し、培養液の回収方法は、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アルコールを含む培養液4を回収するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端を培養液4に浸けて、管を介してアルコールを含む培養液4を回収するようにしてもよい。   Furthermore, in the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 2 to FIG. 5, the culture solution discharge that guides the culture solution 4 in the culture vessel 7 to the outside of the culture vessel 7 below the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7. A culture solution 4 containing alcohol is collected from the inside of the culture tank 7 by a culture solution recovery means 16 provided with a tube 16a and opening and closing the culture solution discharge tube 16a by a valve 16b. The alcohol contained in the culture solution 4 can be recovered by appropriate purification by distillation or the like. However, the method for collecting the culture solution is not limited to this method. For example, the culture tank 7 may be provided with an opening and closed with an elastic material such as synthetic rubber, and the culture solution 4 containing alcohol may be collected by inserting a syringe needle. Alternatively, it may be connected to a syringe at one end of a tube having both ends opened, and the other end may be immersed in the culture solution 4 to collect the culture solution 4 containing alcohol through the tube.

また、図2〜図5に示すアルコール生産装置1では、培養槽7を密閉構造とし、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)に滞留するガスを培養槽7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を有している。このガス回収手段15により、ヘッドスペースに滞留し得るアルコールの揮発分を回収するようにしている。但し、ガス排出管15aのみでヘッドスペースに滞留するアルコールの揮発分を培養槽7の外へ導くようにしてもよいし、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アルコールの揮発分を回収するようにしてもよい。   In addition, in the alcohol production apparatus 1 shown in FIGS. 2 to 5, the culture tank 7 has a sealed structure, and the gas staying in the space (head space) above the liquid level of the culture liquid 4 in the culture tank 7 is stored in the culture tank 7. A gas recovery means 15 is provided which includes a gas exhaust pipe 15a leading to the outside of the gas exhaust pipe 15a, and the gas exhaust pipe 15a can be opened and closed by a valve 15b. This gas recovery means 15 recovers the volatile matter of alcohol that can stay in the head space. However, the volatile component of the alcohol staying in the head space may be guided to the outside of the culture tank 7 only by the gas discharge pipe 15a, or an opening is provided in the upper part of the culture tank 7, and synthetic rubber or the like (for example, silicone rubber) This elastic material may be used to close the opening, and the elastic material that closes the opening may be stabbed with a syringe needle to recover the volatile content of alcohol from the headspace.

本発明のアルコール生産装置では、培養液回収手段16とガス回収手段15を併せて、アルコール回収手段としているが、ヘッドスペースにアルコールが滞留しない場合には、ガス回収手段15を省略し、培養液回収手段16のみをアルコール回収手段としてもよい。逆に、培養液回収手段16を省略し、ヘッドスペースに滞留するアルコールの揮発分のみを回収するようにしてもよい。   In the alcohol production apparatus of the present invention, the culture medium recovery means 16 and the gas recovery means 15 are combined to form an alcohol recovery means. However, when no alcohol stays in the head space, the gas recovery means 15 is omitted, Only the recovery means 16 may be alcohol recovery means. Conversely, the culture medium recovery means 16 may be omitted, and only the volatile content of the alcohol remaining in the head space may be recovered.

また、アルコール回収手段とは別に、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、培養液4に栄養源、中和剤、物質生産に必要な物質等を必要に応じて添加することができる。勿論、微生物2をこの導入管から供給することもできるし、有機物3を導入することもできる。また、嫌気条件とするためのガス(窒素ガス等)を供給することもできる。但し、培養液4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、アルコール回収手段を培養液4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。また、電解液4aに物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。   In addition to the alcohol recovery means, means for adding and supplying substances to the culture solution 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, nutrient sources, neutralizing agents, substances necessary for substance production, and the like can be added to the culture solution 4 as necessary. Of course, the microorganism 2 can be supplied from the introduction tube, or the organic substance 3 can be introduced. Moreover, gas (nitrogen gas etc.) for making it anaerobic conditions can also be supplied. However, the means for adding and supplying the substance to the culture solution 4 is not necessarily provided, and the alcohol recovery means may be used in combination as the means for adding and supplying the substance to the culture solution 4. 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. Further, a means for adding and supplying a substance to the electrolytic solution 4a may be provided.

また、図2〜図5に示すアルコール生産装置1では、対電極槽8を密閉構造とし、対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留するガスを対電極槽8の外へ導くガス排出管17aを備え、このガス排出管17aをバルブ17bにより開閉可能としたガス放出手段17により、対電極10から発生したガスを培養槽7に漏洩させることなく放出するようにしている。但し、対電極槽8におけるガス発生量が少ない場合には、ガス放出手段17を設けずともよい。また、バルブ17bを省略して、ガス排出管17aから常時ガスが放出される構成としても勿論よい。また、対電極槽8を密閉構造とすることは必須条件ではなく、培養槽7の密閉性を阻害しない範囲で開放構造としても構わない。   Moreover, in the alcohol production apparatus 1 shown in FIGS. 2-5, the counter electrode tank 8 is made into a sealed structure, and the gas which stays in the space (head space) above the liquid level of the electrolyte solution 4a of the counter electrode tank 8 is countered. A gas discharge pipe 17a that leads to the outside of the electrode tank 8 is provided, and the gas discharge means 17 that can be opened and closed by a valve 17b releases the gas generated from the counter electrode 10 without leaking to the culture tank 7. Like to do. However, when the amount of gas generated in the counter electrode tank 8 is small, the gas discharge means 17 may not be provided. Of course, the valve 17b may be omitted and gas may be constantly discharged from the gas discharge pipe 17a. Moreover, it is not essential that the counter electrode tank 8 has a sealed structure, and an open structure may be used as long as the sealing property of the culture tank 7 is not impaired.

以下、図2に示すアルコール生産装置を用いた場合を第一の実施形態Aとして説明し、図3に示すアルコール生産装置を用いた場合を第一の実施形態Bとして説明し、図4に示すアルコール生産装置を用いた場合を第一の実施形態Cとして説明し、図5に示すアルコール生産装置を用いた場合を第一の実施形態Dとして説明する。   Hereinafter, the case where the alcohol production apparatus shown in FIG. 2 is used will be described as a first embodiment A, and the case where the alcohol production apparatus shown in FIG. 3 is used will be described as a first embodiment B, which is shown in FIG. A case where an alcohol production apparatus is used will be described as a first embodiment C, and a case where an alcohol production apparatus shown in FIG.

(第一の実施形態A)
図2に示すアルコール生産装置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、培養槽7にはアルコール回収手段(ガス回収手段15、培養液採取手段16)を備えるものとしている。
(First embodiment A)
In the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 2, the sealed container 20 is used as the culture tank 7, the sealed container 21 that can be accommodated in the container 20 is used as the counter electrode tank 8, and the small container 21 is at least partially ion-exchanged. The membrane 6 is provided, and the culture tank 7 is provided with alcohol recovery means (gas recovery means 15 and culture solution collection means 16).

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は培養液4と接触する。換言すれば、培養液4はイオン交換膜6を介して電解液4aと接触する。   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 provided in at least a part of the small container 21 is the culture solution 4. Contact with. In other words, the culture solution 4 comes into contact with the electrolyte solution 4 a through the ion exchange membrane 6.

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、小容器21はその全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜6で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜6のみで構成するようにしてもよい。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で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, the small container 21 may be a bag-like container formed entirely by the ion-exchange membrane 6, but only one side of the bag-like container may be constituted by the ion-exchange membrane 6, or a part of one surface may be further formed. You may make it comprise only the ion exchange membrane 6. FIG. 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. The gas generated in the small container 21 may be configured not to leak into the container 20.

対電極10としては、作用電極9における酸化反応を補完する還元反応が生じ得る材質の電極、例えば炭素電極等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 counter electrode 10, an electrode made of a material capable of causing a reduction reaction that complements the oxidation reaction in the working electrode 9, such as a carbon electrode, can be used, but is not limited thereto.

図2に示すアルコール生産装置1によれば、アルコール生産微生物2によるアルコール生産量を増大させつつも、培養槽7にて生産されるアルコールを容器外に漏洩させることなくその全量を回収することができる。   According to the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 2, it is possible to recover the entire amount of alcohol produced in the culture tank 7 without leaking out of the container while increasing the amount of alcohol produced by the alcohol producing microorganism 2. it can.

(第一の実施形態B)
図3に示すアルコール生産装置1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。同様に、対電極槽8としての他方の槽の上方開放部もガス不透過膜またはガス不透過性部材24により塞がれているものとしている。培養槽7にはアルコール回収手段(ガス回収手段15、培養液採取手段16)を備えるものとしている。尚、図3に示すアルコール生産装置1においては、容器23の密閉性が確保されていれば、培養槽7のヘッドスペースと対電極槽8のヘッドスペースとを完全に仕切る必要はない。
(First embodiment B)
In the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 3, two tanks opened by partitioning a container 23 whose upper side is opened by an ion exchange membrane 6 are formed, and an upper open part of one tank as the culture tank 7 is formed. The gas impervious film or the gas impervious member 24 is used. Similarly, the upper open portion of the other tank as the counter electrode tank 8 is also closed by the gas impermeable film or the gas impermeable member 24. The culture tank 7 is provided with alcohol recovery means (gas recovery means 15 and culture fluid collection means 16). In the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 3, it is not necessary to completely partition the head space of the culture tank 7 and the head space of the counter electrode tank 8 as long as the container 23 is sealed.

ガス不透過膜またはガス不透過部材24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 the gas impermeable member 24, 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.

図3に示すアルコール生産装置1によれば、図2に示すアルコール生産装置1と同様、アルコール生産微生物2によるアルコール生産量を増大させつつも、培養槽7にて生産されるアルコールを容器外に漏洩させることなくその全量を回収することができる。   According to the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 3, as with the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 2, the alcohol produced in the culture tank 7 is removed from the container while increasing the amount of alcohol produced by the alcohol production microorganism 2. The entire amount can be recovered without leakage.

(第一の実施形態C)
図4に示すアルコール生産装置1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も密閉して対電極槽8としている。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。図4に示すアルコール生産装置1によれば、図2に示すアルコール生産装置1と同様、アルコール生産微生物2によるアルコール生産量を増大させつつも、培養槽7にて生産されるアルコールを容器外に漏洩させることなくその全量を回収することができる。
(First embodiment C)
The alcohol production apparatus 1 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 to each other through the opening via the ion exchange membrane 6. 25, one vessel 25a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other vessel 25b is also used as a counter electrode vessel 8. 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. According to the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 4, the alcohol produced in the culture tank 7 is removed from the container while increasing the amount of alcohol produced by the alcohol production microorganism 2 as in the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 2. The entire amount can be recovered without leakage.

(第一の実施形態D)
図5に示すアルコール生産装置1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も密閉して対電極槽8としている。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。図5に示すアルコール生産装置1によれば、図2に示すアルコール生産装置1と同様、アルコール生産微生物2によるアルコール生産量を増大させつつも、培養槽7にて生産されるアルコールを容器外に漏洩させることなくその全量を回収することができる。
(First embodiment D)
The alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 5 has 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 via the opening through the ion exchange membrane 6. 26 is formed, and one vessel 26 a is used as a culture tank 7 with a closed structure, and the other vessel 26 b is also used as a counter electrode vessel 8. 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. According to the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 5, the alcohol produced in the culture tank 7 is placed outside the container while increasing the amount of alcohol produced by the alcohol production microorganism 2 as in the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 2. The entire amount can be recovered without leakage.

<第二の実施形態>
第二の実施形態にかかるアルコール生産方法は、発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物2を用いて有機物3からアルコールを生産する方法において、アルコール生産微生物2と有機物3とを含む培養液4に電子媒体物質5を添加し、電子媒体物質5はアルコール生産微生物2が還元可能な物質とし、アルコール生産微生物2により還元されて生じる電子媒体物質5の還元体を培養液4に浸漬した電極9(作用電極9)に電位を与えて酸化させながらアルコール生産微生物2を培養してアルコールを生産するようにしている。本実施形態では、培養液4にイオン交換膜6を介して対電極9を接触させるようにしている。つまり、第二の実施形態におけるアルコール生産方法とは、電解液4aを用いることなく対電極10を直接イオン交換膜6に接触させている点が異なっている。しかしながら、第一の実施形態のように電解液4aを用いずとも、作用電極9と対電極10との間でイオン交換膜6を介してイオン電流は流れるので、第二の実施形態にかかるアルコール生産方法によれば、第一の実施形態と同様に作用電極9の電位を制御して、同様の効果を得ることが可能である。
<Second Embodiment>
The alcohol production method according to the second embodiment is a method of producing alcohol from an organic substance 3 using an alcohol producing microorganism 2 that produces alcohol as a metabolite in fermentation, and a culture solution containing the alcohol producing microorganism 2 and the organic substance 3 Electrode medium material 5 is added to 4, and the electron medium material 5 is a substance that can be reduced by the alcohol-producing microorganism 2, and an electrode obtained by immersing the reductant of the electron medium substance 5 generated by reduction by the alcohol-producing microorganism 2 in the culture solution 4 9 (working electrode 9) is applied with an electric potential to oxidize the alcohol-producing microorganism 2 to produce alcohol. In this embodiment, the counter electrode 9 is brought into contact with the culture solution 4 via the ion exchange membrane 6. That is, it differs from the alcohol production method in the second embodiment in that the counter electrode 10 is brought into direct contact with the ion exchange membrane 6 without using the electrolytic solution 4a. However, since the ionic current flows through the ion exchange membrane 6 between the working electrode 9 and the counter electrode 10 without using the electrolytic solution 4a as in the first embodiment, the alcohol according to the second embodiment. According to the production method, the same effect can be obtained by controlling the potential of the working electrode 9 as in the first embodiment.

第二の実施形態にかかるアルコール生産方法は、例えば図6に示すアルコール生産装置により実施される。図6に示すアルコール生産装置1は、イオン交換膜6を少なくとも一部に備える密閉構造の容器50内に作用電極9と参照電極11が配置され、容器50の外側に対電極10が配置され、容器50に培養液4が収容されると共に作用電極9と参照電極11が培養液4に浸され、容器50のイオン交換膜6は容器50に培養液4が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜6と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜6の培養液4の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極10が接触して配置されているものとしている。図6に示すアルコール生産装置1では、容器50の培養液4の液面よりも下部に開口部50aが設けられ、開口部50aがイオン交換膜6で塞がれ、容器50の外側のイオン交換膜6の表面の少なくとも一部に対電極10が接触して配置されているものとしている。つまり、図6に示すアルコール生産装置1では、容器50全体が培養槽7として機能することとなる。   The alcohol production method according to the second embodiment is performed by, for example, an alcohol production apparatus shown in FIG. In the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 6, the working electrode 9 and the reference electrode 11 are arranged in a sealed container 50 having at least a part of the ion exchange membrane 6, and the counter electrode 10 is arranged outside the container 50, The culture solution 4 is accommodated in the container 50 and the working electrode 9 and the reference electrode 11 are immersed in the culture solution 4, and the ion exchange membrane 6 of the container 50 is at least a part when the culture solution 4 is accommodated in the container 50. Is provided at a position where it can come into contact with the ion exchange membrane 6, and the counter electrode 10 is arranged in contact with at least a part of the surface of the ion exchange membrane 6 opposite to the contact surface of the culture solution 4. . In the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 6, an opening 50 a is provided below the liquid level of the culture solution 4 in the container 50, the opening 50 a is closed with the ion exchange membrane 6, and ion exchange outside the container 50 is performed. It is assumed that the counter electrode 10 is disposed in contact with at least a part of the surface of the film 6. That is, in the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 6, the entire container 50 functions as the culture tank 7.

したがって、図6に示すアルコール生産装置1によれば、容器50を密閉構造としているので、第一の実施形態と同様、培養槽7にて生産されるアルコールが揮発して容器外に拡散するのを防ぐことができる。また、培養液4の嫌気性雰囲気を制御し易いという利点もある。   Therefore, according to the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 6, since the container 50 has a sealed structure, the alcohol produced in the culture tank 7 volatilizes and diffuses outside the container as in the first embodiment. Can be prevented. In addition, there is an advantage that the anaerobic atmosphere of the culture solution 4 can be easily controlled.

尚、図6に示すアルコール生産装置1では、第一の実施形態と同様に、アルコール回収手段として、ガス回収手段15、培養液回収手段16を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、培養液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、ガス回収手段15、培養液回収手段16のいずれか一方を省略してもよい。さらに、第一の実施形態と同様、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。   In the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 6, as in the first embodiment, the gas recovery means 15 and the culture solution recovery means 16 are provided as the alcohol recovery means. The method and the culture solution collecting method are not limited to those using these means. Further, either the gas recovery means 15 or the culture medium recovery means 16 may be omitted. Furthermore, as in the first embodiment, means for adding and supplying substances to the culture solution 4 may be provided.

以下、図6に示すアルコール生産装置1の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。   Hereinafter, the details of the alcohol production apparatus 1 shown in FIG. 6 will be described. However, configurations other than those described below are substantially the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

容器50は、イオン交換膜6を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器50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。尚、図6では、密閉構造の容器50の培養液4の液面よりも下部に設けられた開口部50aをイオン交換膜6により塞ぐようにしているが、容器50の形態や構造は特に限定されない。例えば容器50全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としてもよいし、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のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜6を用いる場合には、その他の部分はガラス等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、例えば培養液4と培養液4中の成分の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器50に収容される培養液4が容器50の少なくとも一部を構成するイオン交換膜6と接触しうる構造の容器とすればよい。   The container 50 has a sealed structure including at least a part of the ion exchange membrane 6. Examples of the material of the container 50 include, but are not limited to, glass, plastic, metal subjected to insulation treatment, concrete, and the like. In FIG. 6, the opening 50 a provided below the liquid level of the culture solution 4 in the sealed container 50 is closed by the ion exchange membrane 6, but the form and structure of the container 50 are particularly limited. Not. For example, the entire container 50 may be a bag-shaped container formed of the ion exchange membrane 6, or only one surface of the bag-shaped container may be formed of the ion-exchange membrane 6, or a part of one surface may be ion-exchanged. You may make it comprise only with the film | membrane 6. FIG. When the ion exchange membrane 6 is partially used, the other portions may be made of the above-mentioned material such as glass, or other membrane materials other than the ion exchange membrane 6, such as the culture solution 4 and the components in the culture solution 4. You may comprise by the film | membrane material which does not permeate | transmit both. In short, the culture solution 4 contained in the container 50 may be a container having a structure that can come into contact with the ion exchange membrane 6 constituting at least a part of the container 50.

対電極10は、イオン交換膜6の培養液4との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。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、イオン交換膜6との接触が可能な形状であり、且つ作用電極9における酸化反応に対して電子の授受を補完する還元反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。また、本実施形態では、対電極10の面積をイオン交換膜6の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うようにし、イオン交換膜6と対電極10とを接触させるようにしているが、イオン交換膜6の培養液4との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極10を接触させればよく、必ずしもイオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うようにしてイオン交換膜6と対電極10とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うことで、対電極10をイオン交換膜6の保護材としても機能させることができると共に、培養液4からのイオンの伝達面が増大する結果として、培養液4の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆う方法としては、例えば、容器50の開口部50aの周囲に接着剤を塗布して対電極10を接着することにより、開口部50aを塞ぐイオン交換膜6全体と対電極10とを接触させるようにしてもよいし、容器50の開口部50aの周囲に接着剤を塗布して対電極10の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜6を接着することにより、開口部50aをイオン交換膜6で塞ぎつつ、開口部50aを塞ぐイオン交換膜6全体と対電極10とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜6を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極10の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜6を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜6の対電極10の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。   The counter electrode 10 is brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 6 with the culture solution 4. In the present embodiment, the counter electrode 10 is a plate-like carbon electrode, but the shape and material of the counter electrode 10 are not limited to this, and the shape is that the contact with the ion exchange membrane 6 is essential. The electrode may be made of a material capable of causing a reduction reaction that complements the exchange of electrons with respect to the oxidation reaction at the working electrode 9. In the present embodiment, the counter electrode 10 has a larger area than the ion exchange membrane 6 so that the entire ion exchange membrane 6 is completely covered with the counter electrode 10, and the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are covered. The counter electrode 10 may be brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 6 with the culture solution 4, and the entire ion exchange membrane 6 is not necessarily in contact with the counter electrode. The ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 do not have to be in contact with each other so as to be completely covered with 10. However, by completely covering the entire ion exchange membrane 6 with the counter electrode 10, the counter electrode 10 can function as a protective material for the ion exchange membrane 6, and the ion transmission surface from the culture solution 4 increases. As a result, there is an advantage that the potential controllability of the culture solution 4 can be improved, which is preferable. As a method of completely covering the entire ion exchange membrane 6 with the counter electrode 10, for example, an ion exchange is applied to block the opening 50 a by applying an adhesive around the opening 50 a of the container 50 and bonding the counter electrode 10. The entire membrane 6 and the counter electrode 10 may be brought into contact with each other, or an ion exchange membrane formed by applying an adhesive around the opening 50a of the container 50 and applying it to at least a part of the surface of the counter electrode 10 6 may be adhered, while the opening 50a is closed with the ion exchange membrane 6, and the entire ion exchange membrane 6 closing the opening 50a and the counter electrode 10 may be brought into contact with each other. Examples of the agent for coating and forming the ion exchange membrane 6 include a Nafion dispersion, but are not limited thereto. Alternatively, a Nafion dispersion may be applied to the surface of the counter electrode 10 and the ion exchange membrane 6 may be attached before the Nafion dispersion is dried. In this case, the adhesion and contact properties of the ion exchange membrane 6 to the surface of the counter electrode 10 can be made sufficient.

ここで、対電極10は多孔質体とすることが好適である。この場合には、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接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極10を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜6を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜6と対電極10との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。   Here, the counter electrode 10 is preferably a porous body. In this case, the gas generated at the contact surface between the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 can easily pass through the surface opposite to the contact surface. In addition, the counter electrode 10 is made a porous body, and the ion exchange membrane 6 is attached using a Nafion dispersion liquid, whereby the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are separated by the penetration of the Nafion dispersion liquid into the pores of the porous body. The contact area can be increased to facilitate the progress of the electrochemical reaction, which is preferable.

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。   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.

例えば、図7に示すように、培養液4と電解質4aをイオン交換膜6ではなく、イオンや微生物を一切透過させることのない不透過部材40で隔て、あるいは培養槽7と対電極槽8を別の容器で形成し、塩橋41(寒天等にKCl等の飽和電解質溶液を入れたもの)を介して培養液4と電解質4aを接触(液絡)させるようにしてもよい。この場合にも、塩橋41によってイオン電流の流れが許容されると共に、電子媒体物質5の対電極槽8への透過を防ぐことができるので、上述の実施形態と同様の効果が得られる。   For example, as shown in FIG. 7, the culture solution 4 and the electrolyte 4a are separated not by the ion exchange membrane 6 but by the impervious member 40 that does not allow any permeation of ions or microorganisms, or the culture vessel 7 and the counter electrode vessel 8 are separated. It may be formed in a separate container, and the culture solution 4 and the electrolyte 4a may be brought into contact (liquid junction) via the salt bridge 41 (agar or the like containing a saturated electrolyte solution such as KCl). Also in this case, the flow of ion current is allowed by the salt bridge 41 and the permeation of the electron medium material 5 to the counter electrode tank 8 can be prevented, so that the same effect as in the above embodiment can be obtained.

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.

尚、本実施例における電極電位は、全て銀・塩化銀電極電位を基準とするものである。   The electrode potentials in this example are all based on the silver / silver chloride electrode potential.

(実施例1)
クロストリジウム属の微生物の増殖に対する電子媒体物質の影響について検討した。
Example 1
The effects of electronic media materials on the growth of Clostridium microorganisms were investigated.

100mL容のガラスバイアル瓶に液状チオグリコレート培地を30mL収容し、これにクロストリジウム アセトブチリカム NBCR13948(Clostridium acetobutylicum NBCR13948)を初期菌体密度1.0×10cells/mLになるように添加した。以降の説明では、クロストリジウム アセトブチリカム NBCR13948をクロストリジウム属細菌と呼ぶこととする。また、チオグリコレート培地には、グルコースが27.8mM(5g/L)含まれている。使用したチオグリコレート培地の組成を以下に示す。
[チオグリコレート培地組成(g/L)]
・L−システイン :0.5
・塩化ナトリウム :2.5
・グルコース :5.0
・酵母エキス :5.0
・カゼインペプトン:15.0
・チオグリコール酸:0.5
・pH 7.0
30 mL of a liquid thioglycolate medium was accommodated in a 100 mL glass vial, and Clostridium acetobutylicum NBCR13948 (Clostridium acetobutylicum NBCR13948) was added thereto so as to have an initial cell density of 1.0 × 10 7 cells / mL. In the following description, Clostridium acetobutylicum NBCR13948 will be referred to as a Clostridium bacterium. The thioglycolate medium contains 27.8 mM (5 g / L) glucose. The composition of the thioglycolate medium used is shown below.
[Thioglycolate medium composition (g / L)]
L-cysteine: 0.5
・ Sodium chloride: 2.5
・ Glucose: 5.0
・ Yeast extract: 5.0
Casein peptone: 15.0
・ Thioglycolic acid: 0.5
・ PH 7.0

そして、培地に以下の電子媒体物質2mMを添加したときのクロストリジウム属細菌の増殖に対する影響について検討した。
・メチルビオロゲン(MV)
・アントラキノン−2,6−ジスルホン酸二ナトリウム(AQDS)
・チオニン
・Fe(III)−EDTA
・ニュートラルレッド
・2−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン
・2,6−ジクロロフェノールインドフェノール
And the influence with respect to the proliferation of Clostridium bacteria when the following electronic media substance 2mM was added to the culture medium was examined.
・ Methylviologen (MV)
・ Anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt (AQDS)
・ Thionine ・ Fe (III) -EDTA
・ Neutral red ・ 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone ・ 2,6-dichlorophenolindophenol

ガラスバイアル瓶内は窒素置換し、試験期間中はガラスバイアル瓶内を密閉して窒素雰囲気を維持した。また、試験は30℃で実施した。尚、比較試験として電子媒体物質を添加せずに同様の試験を実施した。   The inside of the glass vial was replaced with nitrogen, and the inside of the glass vial was sealed to maintain a nitrogen atmosphere during the test period. Moreover, the test was implemented at 30 degreeC. As a comparative test, a similar test was performed without adding an electronic medium substance.

試験結果を図8に示す。菌体密度は、培養過程において培養液を分取し、分光光度計U−3010(Hitachi)もしくは顕微鏡観察による計測値から算出した。電子媒体物質として、AQDS、Fe(III)−EDTAを用いた場合には、電子媒体物質を添加しなかった場合とほぼ同様の増殖傾向が得られた。これに対し、電子媒体物質としてニュートラルレッド、2−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン、2,6−ジクロロフェノールインドフェノールを用いた場合には、増殖が全く見られなかった(データ不図示)。電子媒体物質としてMVを添加した場合には、増殖開始時期が大きく遅延し、最終的な到達菌体密度も電子媒体非添加時の37%に低下した。   The test results are shown in FIG. The cell density was calculated from the measured value obtained by separating the culture solution during the culturing process and using a spectrophotometer U-3010 (Hitachi) or microscopic observation. When AQDS or Fe (III) -EDTA was used as the electronic medium material, the same growth tendency was obtained as when no electronic medium material was added. In contrast, no growth was observed when neutral red, 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, or 2,6-dichlorophenolindophenol was used as the electronic medium material (data not shown). When MV was added as an electronic medium substance, the growth start time was greatly delayed, and the final cell density reached 37% when no electronic medium was added.

また、電子媒体物質を添加せずに試験を実施した場合、試験前は薄茶色だった培地が試験後には菌体の高密度化に伴って黄色に変化した。一方、電子媒体物質としてMVを添加して試験を実施した場合には、試験前は薄茶色だった培地が試験後には緑色に変化した。ここで、MVは、酸化型の形態においては無色であるが、還元型の形態においては青色となることから、試験後の培地の緑色への変化は、MVの還元体による青色と菌体の高密度化に伴う黄色とが混合した結果として生じたものであると考えられた。このことから、電子媒体物質としてMVを添加してクロストリジウム属細菌を培養することで、クロストリジウム属細菌によりMVが還元されることがわかった。   In addition, when the test was carried out without adding the electronic medium substance, the medium that was light brown before the test turned yellow after the test as the cell density increased. On the other hand, when MV was added as an electronic medium substance and the test was performed, the medium that was light brown before the test changed to green after the test. Here, although MV is colorless in the oxidized form, but becomes blue in the reduced form, the change of the culture medium to green after the test is due to the blue and fungal cells caused by the reduced form of MV. It was thought that it was produced as a result of mixing yellow with the increase in density. From this, it was found that MV was reduced by Clostridium bacteria by culturing Clostridium bacteria by adding MV as an electron medium substance.

次に、電子媒体物質を添加した場合と、電子媒体物質を添加しなかった場合について、上記試験中における培地のグルコース濃度、上記試験後における培地の酢酸濃度、酪酸濃度、エタノール濃度、ブタノール濃度の経時変化を液体クロマトグラフィー(Elite Lachrome、日立製)にて測定した。グルコース濃度変化を図9に示し、酢酸濃度、酪酸濃度、エタノール濃度及びブタノール濃度を図10に示す。図10のグラフは、左から順に、酢酸濃度、酪酸濃度、エタノール濃度、ブタノール濃度を表している。また、各条件における代謝産物の対糖収率(%、mol−C/mol/C)を表1に示す。   Next, for the case where the electron medium substance was added and the case where the electron medium substance was not added, the glucose concentration of the medium during the test, the acetic acid concentration of the medium after the test, the butyric acid concentration, the ethanol concentration, and the butanol concentration The change with time was measured by liquid chromatography (Elite Lachrome, manufactured by Hitachi). The glucose concentration change is shown in FIG. 9, and the acetic acid concentration, butyric acid concentration, ethanol concentration, and butanol concentration are shown in FIG. The graph of FIG. 10 represents the acetic acid concentration, butyric acid concentration, ethanol concentration, and butanol concentration sequentially from the left. Moreover, Table 1 shows the sugar yield (%, mol-C / mol / C) of the metabolite under each condition.

図9に示される結果から、電子媒体物質として、AQDS、Fe(III)−EDTAを用いた場合には、電子媒体物質を添加しなかった場合とほぼ同様のグルコース消費傾向が見られることがわかった。これに対し、電子媒体物質としてMVを用いた場合には、電子媒体物質を添加しなかった場合と比較して、グルコースの消費開始時期に大きな遅延が見られることがわかった。   From the results shown in FIG. 9, it is understood that when AQDS, Fe (III) -EDTA is used as the electronic medium material, the same glucose consumption tendency as in the case where the electronic medium material is not added is observed. It was. On the other hand, when MV was used as the electronic medium substance, it was found that there was a large delay in the start of glucose consumption compared to the case where the electronic medium substance was not added.

図10に示される結果から、電子媒体物質とてMVを用いた場合には、電子媒体物質を添加しなかった場合と比較して、酢酸の生成量を0.5倍に抑えることができると共に、ブタノールの生成量を1.5倍に増加させることができることがわかった。また、酪酸の生成量も抑えられていた。尚、MV添加により最終到達菌体密度は低下したため、菌体あたりのブタノール生産量はMV非添加時に対して4.6倍高いことになる。電子媒体物質として、AQDS、Fe(III)−EDTAを用いた場合には、電子媒体物質を添加しなかった場合と比較して、ブタノール生産量が増大する傾向は見られなかった。   From the results shown in FIG. 10, when MV is used as the electronic medium material, the amount of acetic acid produced can be reduced to 0.5 times compared to the case where the electronic medium material is not added. It was found that the amount of butanol produced can be increased 1.5 times. Also, the amount of butyric acid produced was suppressed. In addition, since the final reached cell density was reduced by the addition of MV, the amount of butanol produced per cell was 4.6 times higher than when MV was not added. When AQDS or Fe (III) -EDTA was used as the electronic medium substance, there was no tendency for the butanol production to increase as compared with the case where no electronic medium substance was added.

以上の結果から、クロストリジウム属細菌を用いたアルコール生産において、培地に電子媒体物質としてMVを添加することで、電子媒体物質を添加しない場合と比較して、クロストリジウム属細菌のABE発酵における代謝産物である酪酸及び酢酸の蓄積量の抑制効果及びブタノールの生産量の増大効果が得られることが明らかとなった。   From the above results, in the alcohol production using Clostridium bacteria, by adding MV as an electron medium substance to the culture medium, compared with the case where no electron medium substance is added, it is a metabolite in ABE fermentation of Clostridium bacteria. It has been clarified that a certain butyric acid and acetic acid accumulation amount can be suppressed and a butanol production amount can be increased.

また、培養試験終了後、バイアル瓶内の気相部分のガスを回収し、ガスクロマトグラフィーCR4900(VARIAN)、TCD検出器にて水素と二酸化炭素の定量分析を行った。結果を図11に示す。気相部分のガスの成分分析の結果、発生したガスは主に水素と二酸化炭素であった。二酸化炭素の発生量は、電子媒体の添加の有無及び種類によって大きな変化は見られなかった。一方、水素発生量は、AQDS及びMVを添加した条件下では非添加時と比較して大きく低下する傾向が見られた。   In addition, after completion of the culture test, the gas in the gas phase portion in the vial was collected, and quantitative analysis of hydrogen and carbon dioxide was performed using a gas chromatography CR4900 (VARIAN) and a TCD detector. The results are shown in FIG. As a result of component analysis of the gas in the gas phase portion, the generated gas was mainly hydrogen and carbon dioxide. The amount of carbon dioxide generated did not change greatly depending on whether or not an electronic medium was added. On the other hand, the hydrogen generation amount tended to greatly decrease under the conditions where AQDS and MV were added as compared with the case where no hydrogen was added.

ここで、本実施例で使用したクロストリジウム属細菌においては、ブタノール生産経路において発生した還元力 (電子) は増殖期において主に水素生産に使用され、この水素生産への電子の流れを抑制することでブタノールの生産性を向上できることが報告されている(Carolis J. Paredes, S.W.J., Ryan S. Senger, Jacob R. Borden, Ryan Sillers, and Eleftherios T. Papoutsakis, Molecular Aspects of Butanol Fermentation. Bioenergy, 2008.)。MV添加による菌体密度の低下、酢酸及び酪酸の収率低下、水素生産量の低下という3つの結果から、MV添加条件におけるブタノール生産量の増加は菌体構成成分合成や酢酸・酪酸合成に使われていたグルコース由来の炭素および電子がブタノール生産へシフトしたためと推定された。以上より、MVは生育阻害効果を示すが、電子の流れの調整に基づいて代謝を制御できる可能性を持つことが明らかとなった。   Here, in the Clostridium bacteria used in this example, the reducing power (electrons) generated in the butanol production pathway is mainly used for hydrogen production in the growth phase, and the flow of electrons to this hydrogen production is suppressed. Can improve the productivity of butanol (Carolis J. Paredes, SWJ, Ryan S. Senger, Jacob R. Borden, Ryan Sillers, and Eleftherios T. Papoutsakis, Molecular Aspects of Butanol Fermentation. Bioenergy, 2008. ). From the three results of the decrease in cell density, the decrease in acetic acid and butyric acid yields, and the decrease in hydrogen production due to the addition of MV, the increase in butanol production under MV addition conditions was used for cell component synthesis and acetic acid / butyric acid synthesis. It was assumed that the carbon and electrons derived from glucose had shifted to butanol production. From the above, it has been clarified that MV has a growth inhibitory effect but can control metabolism based on adjustment of electron flow.

(実施例2)
実施例1において、クロストリジウム属細菌の代謝の過程におけるMVからの電子の引き抜きがアルコール(ブタノール)の生産性の向上に寄与しているものと考えられた。そこで、還元されたMVを電気的に酸化し、枯渇した酸化型MVを再生して連続的に供給することにより、クロストリジウム属細菌のアルコール生産性にどのような影響が及ぼされるか検討した。
(Example 2)
In Example 1, it was considered that extraction of electrons from MV in the process of metabolism of Clostridium bacteria contributed to the improvement of alcohol (butanol) productivity. Then, it examined what kind of influence was exerted on the alcohol productivity of Clostridium bacteria by electrically oxidizing the reduced MV and regenerating and continuously supplying the depleted oxidized MV.

本実施例において使用した実験装置の断面図を図13に示す。250mL容の2つのガラスバイアル瓶(Duran製)を下部開口部で陰イオン交換膜((株)アストム製、型番ネオセプタAMX)を介して連結してH字型の容器26とした。そして、ガラスバイアル瓶の一方を培養槽26aとし、他方を対電極槽26bとした。培養槽26a及び対電極槽26bには蓋をし、蓋の上面にシリコーンゴム栓を設けて、電極(作用電極9、対電極10)と定電位設定装置12とを結線する配線を貫通させた際の容器内の密閉性を確保した。また、培養槽26aには培養液4を採取するための培養液採取部52を設け、試験期間中に適宜培養液4を採取可能とした。   FIG. 13 shows a sectional view of the experimental apparatus used in this example. Two 250 mL glass vials (manufactured by Duran) were connected via an anion exchange membrane (manufactured by Astom Co., Ltd., model No. Neocepta AMX) at the lower opening to form an H-shaped container 26. One of the glass vials was a culture tank 26a, and the other was a counter electrode tank 26b. The culture tank 26a and the counter electrode tank 26b are covered, and a silicone rubber stopper is provided on the upper surface of the cover so that the wiring connecting the electrodes (working electrode 9, counter electrode 10) and the constant potential setting device 12 is penetrated. The sealing inside the container was ensured. In addition, the culture tank 26a is provided with a culture solution collecting unit 52 for collecting the culture solution 4 so that the culture solution 4 can be appropriately collected during the test period.

培養槽26aには、グルコースを50mM、MVを2mM添加したTYA培地(自然電位+0.1V)を200mL収容し、作用電極9を浸漬させた。TYA培地の組成は、以下の通りとした。
[TYA培地の組成(g/L)]
・グルコース :10.0
・トリプトン :6.0
・酵母エキス :2.0
・酢酸アンモニウム :3.0
・リン酸二水素カリウム :0.5
・硫酸マグネシウム七水和物:0.3
・硫酸鉄七水和物 :0.01
・pH 7.0
In the culture tank 26a, 200 mL of TYA medium (natural potential +0.1 V) supplemented with 50 mM glucose and 2 mM MV was accommodated, and the working electrode 9 was immersed therein. The composition of the TYA medium was as follows.
[Composition of TYA medium (g / L)]
・ Glucose: 10.0
・ Tryptone: 6.0
-Yeast extract: 2.0
-Ammonium acetate: 3.0
-Potassium dihydrogen phosphate: 0.5
Magnesium sulfate heptahydrate: 0.3
・ Iron sulfate heptahydrate: 0.01
・ PH 7.0

対電極槽26bには、電解液(NaCl溶液:0.58g/L)を200mL収容し、対電極10を浸漬させた。   200 mL of electrolyte solution (NaCl solution: 0.58 g / L) was accommodated in the counter electrode tank 26b, and the counter electrode 10 was immersed therein.

培養槽26aの作用電極9からの配線と対電極槽26bの対電極9からの配線は、シリコーンゴム栓を通して容器26の外側に引き出し、それぞれ定電位設定装置12に結線した。参照電極11(RE-1B, BAS株式会社)は、培養槽26aの電極差し込み部51に差し込んで培養液4と接触させ、配線を定電位設定装置12に結線した。このように、作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット)12に結線することで、作用電極9の電位を厳密に制御可能とした。   The wiring from the working electrode 9 in the culture tank 26a and the wiring from the counter electrode 9 in the counter electrode tank 26b were drawn to the outside of the container 26 through a silicone rubber plug and connected to the constant potential setting device 12, respectively. The reference electrode 11 (RE-1B, BAS Co., Ltd.) was inserted into the electrode insertion part 51 of the culture tank 26a and brought into contact with the culture solution 4, and the wiring was connected to the constant potential setting device 12. Thus, the potential of the working electrode 9 can be controlled strictly by connecting the working electrode 9, the counter electrode 10 and the reference electrode 11 to the three-electrode type constant potential setting device (potentiostat) 12.

まず、作用電極9を炭素電極(BAS社製)とし、対電極10を白金棒電極(自作)として、上記実験装置を用いてサイクリックボルタンメトリーによりMVの酸化還元特性を測定した。結果を図14に示す。図14に示される結果から、作用電極の電位を−0.6Vよりもプラス側に大きく制御することで、還元されたMVを酸化できることが明らかとなった。   First, the working electrode 9 was a carbon electrode (manufactured by BAS), the counter electrode 10 was a platinum rod electrode (self-made), and the redox characteristics of MV were measured by cyclic voltammetry using the above experimental apparatus. The results are shown in FIG. From the results shown in FIG. 14, it was found that the reduced MV can be oxidized by controlling the potential of the working electrode to be larger than −0.6 V to the plus side.

次に、作用電極9と対電極10を炭素電極とし、培養液4にクロストリジウム属細菌(Clostridium acetobutylicum NBCR13948)を増殖の定常期の菌体密度に相当する6.0×10cells/mLになるように添加し、高密度培養試験を行った。培養条件は以下の通りとした。
・pH : 6.5
・培養温度: 30℃
・培養期間: 114時間
・窒素雰囲気下
・静止菌実験
Next, the working electrode 9 and the counter electrode 10 are used as carbon electrodes, and Clostridium acetobutylicum NBCR13948 in the culture solution 4 becomes 6.0 × 10 8 cells / mL corresponding to the cell density in the stationary phase of growth. And a high density culture test was conducted. The culture conditions were as follows.
・ PH: 6.5
・ Culture temperature: 30 ℃
・ Culture period: 114 hours ・ Nitrogen atmosphere ・ Static bacteria test

印加電位条件は以下の通りとした。
・通電無し(MV無し)
・通電無し(MV有り)
・+0.6V(MV有り)
・+0.3V(MV有り)
・−0.3V(MV有り)
・−0.5V(MV有り)
The applied potential conditions were as follows.
・ No energization (no MV)
・ No energization (with MV)
・ + 0.6V (with MV)
・ + 0.3V (with MV)
-0.3V (with MV)
-0.5V (with MV)

上記高密度培養試験中における培地のグルコース濃度、pH、酪酸濃度、酢酸濃度、ブタノール濃度、エタノール濃度の経時変化を液体クロマトグラフィー(Elite Lachrome、日立製)にて測定した。グルコース濃度変化を図15に示し、pH変化を図16に示し、酪酸濃度変化を図17に示し、酢酸濃度変化を図18に示し、ブタノール濃度変化を図19に示し、エタノール濃度変化を図20に示す。尚、図15〜図20において、◆が通電無し(MV無し)の実験結果を示し、■が通電無し(MV有り)の実験結果を示し、▲が+0.6V(MV有り)の実験結果を示し、×が+0.3V(MV有り)の実験結果を示し、*が−0.3V(MV有り)の実験結果を示し、●が−0.5V(MV有り)の実験結果を示している。   The time course of glucose concentration, pH, butyric acid concentration, acetic acid concentration, butanol concentration, and ethanol concentration of the medium during the high-density culture test was measured by liquid chromatography (Elite Lachrom, manufactured by Hitachi). FIG. 15 shows the glucose concentration change, FIG. 16 shows the pH change, FIG. 17 shows the butyric acid concentration change, FIG. 18 shows the acetic acid concentration change, FIG. 19 shows the butanol concentration change, and FIG. Shown in 15 to 20, the ◆ indicates the experimental result without energization (without MV), the ■ indicates the experimental result without energization (with MV), and the ▲ indicates the experimental result with +0.6 V (with MV). , X indicates the experimental result of +0.3 V (with MV), * indicates the experimental result of -0.3 V (with MV), and ● indicates the experimental result of -0.5 V (with MV) .

図15及び図16に示される結果から、印加電位条件の違いによるクロストリジウム属細菌のグルコース消費速度、pH変化に殆ど差は見られなかった。   From the results shown in FIG. 15 and FIG. 16, there was almost no difference in glucose consumption rate and pH change of Clostridium bacteria due to the difference in applied potential conditions.

図17に示される結果から、印加電位条件を+0.6V(MV有り)とすることで、他の印加電位条件と比較して酪酸の蓄積量が抑えられることが明らかとなった。   From the results shown in FIG. 17, it became clear that by setting the applied potential condition to +0.6 V (with MV), the amount of butyric acid accumulated can be suppressed compared to other applied potential conditions.

図18に示される結果から、MVを添加した場合には、MVを添加しない場合と比較して、電位の印加の有無によらず、酢酸蓄積量が抑えられることが明らかとなった。   From the results shown in FIG. 18, it is clear that the acetic acid accumulation amount can be suppressed when MV is added, as compared with the case where MV is not added, regardless of whether or not potential is applied.

図19に示される結果から、印加電位条件を+0.6V(MV有り)とすることで、他の印加電位条件と比較してブタノール生産量が極めて顕著に向上することが明らかとなった。具体的には、通電無し(MV無し)と比較するとブタノール生産量が7倍となり、他の印加電位条件と比較するとブタノール生産量が2倍となることが明らかとなった。   From the results shown in FIG. 19, it was found that by setting the applied potential condition to +0.6 V (with MV), the butanol production amount was significantly improved as compared with other applied potential conditions. Specifically, it became clear that the butanol production amount was 7 times as compared with no energization (no MV), and the butanol production amount was doubled when compared with other applied potential conditions.

図20に示される結果から、印加電位条件を+0.6V(MV有り)とすることで、他の印加電位条件と比較してエタノール生産量が向上することが明らかとなった。具体的には、通電無し(MV無し)と比較するとエタノール生産量が2倍となり、他の印加電位条件よりも有意にエタノール生産量が増大することが明らかとなった。また、エタノール生産量については、印加電位条件を+0.3V(MV有り)とした場合にも、エタノール生産量の向上効果が若干ではあるが得られることが明らかとなった。   From the results shown in FIG. 20, it was clarified that by setting the applied potential condition to +0.6 V (with MV), the ethanol production amount is improved as compared with other applied potential conditions. Specifically, it has been clarified that the ethanol production amount is doubled compared to the case where no current is supplied (no MV), and the ethanol production amount is significantly increased as compared with other applied potential conditions. As for the ethanol production amount, it has been clarified that even when the applied potential condition is +0.3 V (with MV), the ethanol production amount can be improved slightly.

以上の結果から、クロストリジウム属細菌を用いたアルコール生産において、作用電極の電位を+0.3Vに制御して、培養の過程でクロストリジウム属細菌に還元されたMVを電気的に酸化することで、クロストリジウム属細菌のエタノール生産性を向上させることができ、作用電極の電位を+0.6Vに制御して、培養の過程でクロストリジウム属細菌に還元されたMVを電気的に酸化することで、エタノール生産性の向上に加えて、ブタノール生産性の顕著な向上効果が得られることが明らかとなった。   From the above results, in alcohol production using Clostridium bacteria, by controlling the potential of the working electrode to +0.3 V and electrically oxidizing MVs reduced to Clostridium bacteria during the culture process, Clostridium The ethanol productivity of the genus bacterium can be improved, and the potential of the working electrode is controlled to +0.6 V, and the MV reduced to the clostridium bacterium is electrically oxidized during the culturing process. In addition to this improvement, it has become clear that a significant improvement effect of butanol productivity can be obtained.

以上の結果から、+0.3V超〜+0.6Vの間にブタノール生産性が向上し始める最小電位が存在し、+0.6Vとすることで、顕著なブタノール生産性の向上効果が確実に得られ、さらにはエタノール生産性の向上効果も得られることがわかった。   From the above results, there is a minimum potential at which butanol productivity starts to improve between + 0.3V and + 0.6V, and by setting it to + 0.6V, a remarkable butanol productivity improvement effect can be obtained with certainty. Furthermore, it was found that an effect of improving ethanol productivity can be obtained.

(実施例3)
クロストリジウム属細菌(Clostridium acetobutylicum NBCR13948)の初期菌体密度を1.0×10cells/mLとし、実施例2と同様の条件で培養試験を行い、印加電位条件によるクロストリジウム属細菌の増殖について検討した。
(Example 3)
The initial cell density of Clostridium acetobutylicum NBCR13948 was 1.0 × 10 7 cells / mL, a culture test was performed under the same conditions as in Example 2, and the growth of Clostridium bacteria under applied potential conditions was examined. .

印加電位条件は以下の通りとした。
・通電無し(MV有り)
・+0.6V(MV有り)
・+0.3V(MV有り)
・ 0.0V(MV有り)
・−0.3V(MV有り)
・−0.6V(MV有り)
The applied potential conditions were as follows.
・ No energization (with MV)
・ + 0.6V (with MV)
・ + 0.3V (with MV)
・ 0.0V (with MV)
-0.3V (with MV)
-0.6V (with MV)

結果を図21に示す。−0.6V(MV有り)では、クロストリジウム属細菌が増殖しなくなった。これに対し、+0.6V(MV有り)、+0.3V(MV有り)では、他の印加電位条件と比較して増殖速度が増大する傾向が見られ、その効果は特に+0.6V(MV有り)で顕著であった。   The results are shown in FIG. At -0.6 V (with MV), Clostridium bacteria did not grow. In contrast, at +0.6 V (with MV) and +0.3 V (with MV), the growth rate tends to increase as compared with other applied potential conditions, and the effect is particularly +0.6 V (with MV). ).

この結果から、印加電位を+0.3V以上、より好ましくは+0.6V以上として、クロストリジウム属細菌により還元されたMVを酸化しながら培養を行うことで、クロストリジウム属細菌の増殖速度を増大させて、増殖段階をソルベント(アセトン、ブタノール、エタノール)生成期である定常期に移行させる速度を向上できることが明らかとなった。即ち、クロストリジウム属細菌の増殖段階を定常期に移行させる速度を高めて、クロストリジウム属細菌を利用したアルコール生産槽の立ち上げ等を迅速且つスムーズに行うことが可能となることが明らかとなった。   From this result, the applied potential is set to +0.3 V or higher, more preferably +0.6 V or higher, and culture is performed while oxidizing MV reduced by Clostridium bacteria, thereby increasing the growth rate of Clostridium bacteria, It became clear that the speed | rate which transfers a growth stage to the stationary phase which is a solvent (acetone, butanol, ethanol) production phase can be improved. That is, it has been clarified that it is possible to quickly and smoothly start up an alcohol production tank using Clostridium bacteria by increasing the speed of shifting the growth stage of Clostridium bacteria to the stationary phase.

したがって、クロストリジウム属細菌の初期菌体密度を対数増殖期未満として、本発明のアルコール生産方法を実施することで、クロストリジウム属細菌の菌体密度を迅速に増殖の定常期の菌体密度に高めて、ソルベント生成期に移行させ、アルコール生産を効率よく行うことができることが明らかとなった。   Therefore, by setting the initial cell density of Clostridium bacteria to less than the logarithmic growth phase and carrying out the alcohol production method of the present invention, the cell density of Clostridium bacteria can be rapidly increased to the cell density in the stationary phase of growth. It was revealed that alcohol production can be performed efficiently by shifting to the solvent production phase.

(実施例4)
実施例3の培養試験と類似の培養試験を行い、さらに詳細な検討を行った。
Example 4
A culture test similar to the culture test of Example 3 was conducted for further detailed examination.

図12に示す電気培養装置を用いて実験を行った。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。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、管を通した際の容器20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。   Experiments were performed using the electroculture apparatus shown in FIG. The container 20 as the culture tank 7 was a 250 mL glass vial (manufactured by Duran). The container 20 has a lid 30. A silicone rubber stopper was provided on the upper surface 30a of the lid 30 to ensure the hermeticity of the container 20 when wires, electrodes, and tubes were passed. 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、15mL容プラスチックチューブを縦に切断し、切断面に陰イオン交換膜6((株)アストム製、型番ネオセプタAMX)を接着して半筒状に加工した。陰イオン交換膜6の面積は12cmであった。小容器21の内部には電解液4aを収容すると共に対電極10を収容して電解液4aに浸した。そして、小容器21の上部をシリコン系接着剤で埋めて密閉した。 The small container 21 as the counter electrode tank 8 was cut into a semi-cylindrical shape by cutting a 15 mL plastic tube vertically and bonding an anion exchange membrane 6 (manufactured by Astom Co., Ltd., model number Neocepta AMX) to the cut surface. . The area of the anion exchange membrane 6 was 12 cm 2 . The small container 21 contained the electrolyte solution 4a and the counter electrode 10 and was immersed in the electrolyte solution 4a. Then, the upper portion of the small container 21 was filled with a silicon adhesive and sealed.

小容器21と作用電極9を培養液4に浸漬し、作用電極9と対電極10の配線は蓋30に設けたシリコーンゴム線を通して容器20の外側に引き出した。銀・塩化銀参照電極11(RE-1B, BAS株式会社)は容器20の側面に設けられた二つの開口部のうちの下方から差し込んで培養液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電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット)12に結線して、作用電極9の電位を厳密に制御可能とした。培養期間中に培養槽7から発生したガスを容器20の上部に設置したアルミニウム製サンプリングバッグ30(ジーエルサイエンス製、商品名:アルミニウムバッグ、1L)に回収した。   The small container 21 and the working electrode 9 were immersed in the culture solution 4, and the wiring between the working electrode 9 and the counter electrode 10 was drawn out of the container 20 through a silicone rubber wire provided on the lid 30. The silver / silver chloride reference electrode 11 (RE-1B, BAS Co., Ltd.) was inserted from below the two openings provided on the side surface of the container 20 and 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 constant potential setting device (potentiostat) 12 so that the potential of the working electrode 9 could be strictly controlled. During the culture period, the gas generated from the culture tank 7 was collected in an aluminum sampling bag 30 (manufactured by GL Sciences, trade name: aluminum bag, 1 L) installed on the upper part of the container 20.

作用電極9と対電極10は共に炭素板(7.5cm×2.5cm)とした。   Both the working electrode 9 and the counter electrode 10 were carbon plates (7.5 cm × 2.5 cm).

培養液4は、実施例1で用いたチオグリコレート培地と同様のものにMVを2mM添加したものとした。   The culture solution 4 was prepared by adding 2 mM of MV to the same thioglycolate medium used in Example 1.

電解液4aは、実施例1で用いたチオグリコレート培地と同様のもの(MV非添加)とした。   The electrolyte solution 4a was the same as the thioglycolate medium used in Example 1 (MV not added).

培養液4の電位が設定電位で安定した後、定常期のクロストリジウム属細菌(Clostridium acetobutylicum NBCR13948)を含む培養液(菌体密度:6.0×10cells/mL)を1%(2.5mL)植菌し、培養過程における通電の効果を検証した。また、対照試験として、MV添加及び非添加での通電無しの試験を実施した。 After the potential of the culture solution 4 is stabilized at the set potential, 1% (2.5 mL) of a culture solution (cell density: 6.0 × 10 8 cells / mL) containing Clostridium acetobutylicum NBCR13948 in a stationary phase ) Inoculated and verified the effect of energization in the culture process. Moreover, the test without the electricity supply by MV addition and non-addition was implemented as a control test.

実験は、培養液温度を30℃とし、容器20内を窒素雰囲気として実施した。   In the experiment, the culture solution temperature was set to 30 ° C., and the inside of the container 20 was set to a nitrogen atmosphere.

印加電位条件は以下の通りとした。尚、電位印加条件では、MVを添加した。
・通電無し(MV添加、非添加)
・+1.2V
・+0.9V
・+0.6V
・+0.3V
・−0.6V
・−0.8V
The applied potential conditions were as follows. Note that MV was added under potential application conditions.
・ No energization (MV added, non-added)
・ + 1.2V
・ + 0.9V
・ + 0.6V
・ + 0.3V
-0.6V
-0.8V

菌体の増殖結果を図23に示す。−0.6V、−0.8Vの電位を印加した場合には、クロストリジウム属細菌の生育が全く見られなかった。これに対し、酸化電位である+0.3V〜+1.2Vの電位を印加した場合には、クロストリジウム属細菌の増殖が約20時間後から始まり、51.5時間後に増殖が始まった通電無し(MV添加)と比べて増殖開始までに要する時間が大幅に短縮できた。このことから、MV添加によって阻害された増殖が、MV非添加時(通電無し)と同程度に回復することが明らかとなった。   The growth results of the bacterial cells are shown in FIG. When potentials of -0.6 V and -0.8 V were applied, no growth of Clostridium bacteria was observed. On the other hand, when a potential of +0.3 V to +1.2 V, which is an oxidation potential, was applied, the growth of Clostridium bacteria started after about 20 hours, and the growth started after 51.5 hours. Compared with the addition, the time required for the start of growth could be greatly shortened. From this, it became clear that the growth inhibited by the addition of MV recovered to the same extent as when MV was not added (no energization).

さらに、その中でも高電位を印加した場合(+0.9V、+1.2V)では、増殖開始時期は通電無し(MV非添加)のそれよりも僅かに早まり、最終的な到達菌体密度も通電無し(MV添加)の2倍、通電無し(MV非添加)と同程度であった。   In addition, when a high potential is applied (+ 0.9V, + 1.2V), the growth start time is slightly earlier than that when no energization is performed (no MV added), and the final cell density is also not energized. It was twice as much as (MV addition), and the same level as no energization (no MV addition).

また、+0.6V、+0.3Vの電位を印加した場合には、増殖開始時期は通電無し(MV非添加)と同程度に回復したが、最終的な菌体密度は通電無し(MV添加)と同程度に抑制された。   In addition, when the potentials of +0.6 V and +0.3 V were applied, the growth start time recovered to the same level as when there was no energization (no MV added), but the final cell density was not energized (MV added) It was suppressed to the same extent.

次に、培養試験中の培養液のグルコース濃度変化を図24に示し、酢酸濃度変化を図25に示し、酪酸濃度変化を図26に示しブタノール濃度変化を図27に示す。   Next, FIG. 24 shows the change in glucose concentration of the culture solution during the culture test, FIG. 25 shows the change in acetic acid concentration, FIG. 26 shows the change in butyric acid concentration, and FIG. 27 shows the change in butanol concentration.

グルコース濃度は、増殖と同期した減少が見られ、その総消費量に培養条件による差異は見られなかった(図24)。   The glucose concentration decreased in synchronization with the growth, and the total consumption did not differ depending on the culture conditions (FIG. 24).

グルコースの主要な代謝産物としては、各条件とも酢酸、酪酸、ブタノールが検出された(図25、図26、図27)。通電無し(MV非添加)では、代謝産物が酢酸と酪酸に集中し、ブタノール、エタノールの蓄積量は1mM未満であった。これに対し、通電無し(MV添加)では、蓄積開始時期は遅れたものの、酢酸と酪酸の蓄積が抑制され、ブタノール生産量の向上が確認された。   As main metabolites of glucose, acetic acid, butyric acid, and butanol were detected under each condition (FIGS. 25, 26, and 27). Without energization (no MV added), metabolites concentrated on acetic acid and butyric acid, and the amount of butanol and ethanol accumulated was less than 1 mM. On the other hand, without energization (MV addition), although the accumulation start time was delayed, acetic acid and butyric acid accumulation was suppressed, and an improvement in butanol production was confirmed.

また、MV存在下、酸化電位を印加した場合では、生育(増殖)の早期化に伴い、通電無し(MV添加)と比べて代謝産物の蓄積が開始するまでの期間が大幅に短縮することが明らかとなった。具体的には、通電無し(MV添加)においてはブタノール生産開始まで約60時間を要していたのに対して、酸化電位(+0.3V〜+1.2V)では約20時間後には生産が始まり、ブタノール生産に必要な時間を1/3に短縮できることが明らかとなった(図27)。最終的に到達するブタノール濃度は、+0.6V、+0.3V印加時において最大であり、通電無し(MV非添加)の約7倍にあたる7mM程度まで上昇した。   In addition, when an oxidation potential is applied in the presence of MV, the period until the start of accumulation of metabolites may be significantly shortened as the growth (growth) is accelerated, compared to no energization (addition of MV). It became clear. Specifically, in the absence of electricity (addition of MV), it took about 60 hours to start production of butanol, whereas in the oxidation potential (+0.3 V to +1.2 V), production started after about 20 hours. It was revealed that the time required for butanol production can be shortened to 1/3 (FIG. 27). The final butanol concentration reached the maximum when +0.6 V and +0.3 V were applied, and increased to about 7 mM, which is about 7 times that of no energization (no MV added).

次に、試験終了後の培養液から対糖収率を算出した結果を表2に示す。   Next, Table 2 shows the result of calculating the sugar yield from the culture solution after the test was completed.

表2に示される結果から、通電無し(MV非添加)と比較して通電無し(MV添加)の方がブタノールの対糖収率が向上していることが確認できた。また、+0.3V、+0.6V、+0.9Vの電位を印加することで、ブタノールの対糖収率のさらなる向上効果が得られ、その効果は特に+0.3V、+0.6Vにて顕著であることが明らかとなった。   From the results shown in Table 2, it was confirmed that the yield of butanol with respect to sugar was improved in the case of no energization (addition of MV) compared to the case of no energization (no addition of MV). Further, by applying potentials of +0.3 V, +0.6 V, and +0.9 V, a further improvement effect of the sugar yield of butanol can be obtained, and the effect is particularly remarkable at +0.3 V and +0.6 V. It became clear that there was.

培養試験終了後、ガスバッグからガスを回収し、ガスクロマトグラフィーCR4900(VARIAN)、TCD検出器にて水素と二酸化炭素の定量分析を行った。結果を図28に示す。各条件において二酸化炭素の発生量には大きな違いは見られなかったが、通電無し(MV添加)時および+0.6V、+0.3V印加時では水素発生量は低下し、実施例1と同様に、MV添加により水素生産への電子の流れが抑制されているものと推定された。一方で、+0.9V、+1.2V印加時ではMV非添加時と同程度の水素生産量を示した。このことから、これらの条件においては、酸化型MVが存在するにもかかわらず、水素生産経路への電子の流れはMV非添加時と同様と考えられた。よって、MVの有無だけでなく印加する電位の範囲によっても電子の流れのパターンが異なることが推定された。   After completion of the culture test, gas was collected from the gas bag, and quantitative analysis of hydrogen and carbon dioxide was performed using gas chromatography CR4900 (Varian) and a TCD detector. The results are shown in FIG. Although there was no significant difference in the amount of carbon dioxide generated under each condition, the amount of hydrogen generated decreased when no current was applied (adding MV) and when +0.6 V and +0.3 V were applied, as in Example 1. It was estimated that the addition of MV suppressed the flow of electrons to hydrogen production. On the other hand, when + 0.9V and + 1.2V were applied, the same amount of hydrogen production as when MV was not added was shown. From this, under these conditions, it was considered that the flow of electrons to the hydrogen production path was the same as when MV was not added, despite the presence of oxidized MV. Therefore, it was estimated that the electron flow pattern differs depending not only on the presence or absence of MV but also on the range of potential applied.

以上、MV添加(MV還元体)による菌体増殖の阻害効果を抑制し、ブタノール生産開始時期及び生産量の両側面からブタノール生産性をさらに向上させることに成功した。   As described above, the inhibitory effect on cell growth caused by the addition of MV (MV reductant) was suppressed, and the butanol productivity was further improved from both sides of butanol production start time and production amount.

尚、+0.6V、+0.3V印加時では+1.2V、+0.9V印加時と比べ、酢酸・酪酸の蓄積が抑制されると共に、最終到達菌体密度が低く抑えられたため、それら抑制によって酢酸・酪酸の生産や菌体構成成分に使われなかった炭素およびエネルギーがブタノール生産へシフトするようになったと推定された。   In addition, when + 0.6V and + 0.3V were applied, acetic acid / butyric acid accumulation was suppressed and the final cell density was suppressed lower than when + 1.2V and + 0.9V were applied.・ It was estimated that carbon and energy that were not used for butyric acid production and bacterial cell components shifted to butanol production.

(実施例5)
実施例1と同様の試験を、以下の濃度のMVにて実施し、培養終了後の培養液のブタノール濃度を測定して、最適なMV添加量を検討した。
・添加無し
・0.1mM
・0.5mM
1mM
2mM
5mM
・10mM
(Example 5)
The same test as in Example 1 was performed at the following concentrations of MV, and the butanol concentration of the culture broth after completion of the culture was measured to examine the optimum amount of MV added.
・ No addition ・ 0.1 mM
・ 0.5 mM
1 mM
2 mM
5 mM
・ 10 mM

結果を図29に示す。MV濃度0.5mM〜10mMにおいて、MV添加無しよりもブタノール濃度が高まることが明らかとなり、その効果は、0.5mM〜2mMの範囲、特に1〜2mMの範囲において顕著であった。一方、MV濃度0.1mMでは、MV添加によるブタノール濃度向上効果は得られなかった。また、MV濃度を10mMよりも高濃度にしてもブタノール濃度向上効果は得られなかった。   The results are shown in FIG. It became clear that butanol concentration increased more than MV concentration 0.5 mM-10 mM rather than MV addition, and the effect was remarkable in the range of 0.5 mM-2 mM, especially the range of 1-2 mM. On the other hand, at the MV concentration of 0.1 mM, the effect of improving butanol concentration by adding MV was not obtained. Moreover, even if the MV concentration was higher than 10 mM, the effect of improving butanol concentration was not obtained.

以上の結果から、MV濃度は、0.5mM〜10mMとすればよく、0.5mM〜5mMとすることが好適であり、0.5〜2mMとすることがより好適であり、1〜2mMとすることがさらに好適であることが明らかとなった。   From the above results, the MV concentration may be 0.5 mM to 10 mM, preferably 0.5 mM to 5 mM, more preferably 0.5 to 2 mM, and 1 to 2 mM. It became clear that it was more preferable to do.

(実施例6)
実施例2と実施例4について、培養試験中における電位の変化や電流値等に基づき、各種考察を行った。
(Example 6)
Various considerations were made on Example 2 and Example 4 based on potential changes and current values during the culture test.

実施例4の培養試験における非通電時の培養液の自然電位の変化を図30に示す。非通電時の培養液の自然電位はMVの添加・非添加に関わらず、培養開始時の−0.2Vから徐々に減少し、最終的には−0.5V付近でほぼ安定し、その後、培養後期にゆるやかな上昇を示した。   FIG. 30 shows the change in the natural potential of the culture solution when no current is applied in the culture test of Example 4. The natural potential of the culture solution at the time of non-energization gradually decreases from −0.2 V at the start of culture regardless of the addition or non-addition of MV, and finally becomes almost stable at around −0.5 V, and then It showed a gradual increase at the end of culture.

尚、実施例4において、非通電時(MV添加)では増殖に伴い、約30時間後からMVの還元色である青色への培地色の変化が見られた。通電時においては培地色の変化に電位ごとの差異が見られ、−0.6V、−0.8Vでは培養開始時より電気的な還元により培地は青色を呈し、+0.6V、+0.3Vではクロストリジウム属細菌の増殖に伴い青色への変化が見られた。一方、MVの酸化還元電位に対し高電位(+1.2V、+0.9V)印加時では培地色の青色への変化は培養過程を通じて見られなかった。   In Example 4, a change in medium color to blue, which is the reduced color of MV, was observed after about 30 hours with proliferation when no current was applied (adding MV). When energized, there is a difference in the color of the medium for each potential. At -0.6V and -0.8V, the medium appears blue due to electrical reduction from the beginning of the culture, and at + 0.6V and + 0.3V. A change to blue was observed with the growth of Clostridium bacteria. On the other hand, when a high potential (+1.2 V, +0.9 V) was applied to the redox potential of MV, no change in the medium color to blue was observed throughout the culture process.

次に、実施例4の培養試験における電流値の変化を図31に示す。電位印加時では増殖に同期した形で電流値の増加が見られ、電位に応じて大小の差異はあるものの、同様な電流値の変動傾向を示した。+1.2V、+0.9V印加時には多くの電流が流れ、電極上でのMVの酸化速度が大きく、クロストリジウム属細菌によるMV還元速度よりも電極による酸化速度が上回った結果、培養液中のMVは培養期間を通じてほぼ酸化状態にあったことが推定された。+0.6V、+0.3Vでの電気培養時には酸化速度の差に起因し、一定のMVの酸化体と還元体が共存している状況であったと考えられる。ここで、還元型MVは反応性が高く、DNAなどにダメージを与えるといった細胞毒性を呈するため(Monk, P.M.S., The Viologens: Physicochemical Properties, Synthesis and Applications of the Salts of 4,4'-Bipyridine, 1999.)培養開始時より還元型MVが著量存在する−0.6V、−0.8Vでは生育は阻害されたと考えられた。   Next, the change in current value in the culture test of Example 4 is shown in FIG. When a potential was applied, an increase in current value was observed in a form synchronized with proliferation, and although there were large and small differences depending on the potential, a similar trend of current value variation was shown. When + 1.2V and + 0.9V were applied, a large amount of current flowed, the MV oxidation rate on the electrode was large, and the oxidation rate by the electrode exceeded the rate of MV reduction by Clostridium bacteria. It was estimated that it was in an almost oxidized state throughout the culture period. It is considered that a certain MV oxidant and reductant coexist at the time of electroculture at +0.6 V and +0.3 V due to the difference in oxidation rate. Here, reduced MV is highly reactive and exhibits cytotoxicity such as damage to DNA (Monk, PMS, The Viologens: Physicochemical Properties, Synthesis and Applications of the Salts of 4,4'-Bipyridine, 1999 .) It was considered that the growth was inhibited at −0.6 V and −0.8 V in which a significant amount of reduced MV was present from the beginning of the culture.

次に、電気エネルギー投入に対するエネルギー(ブタノール)増産の効率を算出した。実施例4の電気培養期間を通して流れた電流値の積算から各通電条件において投入された電気エネルギー(ΔWin)は、1659.6J(+1.2V)、526.9J(+0.9V)、63.3J(+0.6V)、33.0J(+0.3V)であった。培養終了時のブタノール生産量を非通電(MV添加)時と各通電条件間で比較した結果、ブタノール生産量の変動分から算出されるエネルギー(ΔWbutanol)は−735.8J(+1.2V)、791.8J(+0.9V)、1234.6J(+0.6V)、1364.6J(+0.3V)であった。よって、実施例4の各通電条件におけるエネルギー効率はΔWbutanol/ΔWin=−0.44(+1.2V)、1.5(+0.9V)、19.5(+0.6V)、41.3(+0.3V)と算出され、+1.2Vでは効率が負であったが、それより低い電位では通電することにより、投入電気エネルギーよりも大きなエネルギー増産効果を得ることができたといえる。実施例4において、ブタノール生産の観点からは+0.3Vの印加が最適であり、通電による投入電気エネルギーの41倍多いエネルギー(ブタノール)増産効果を示す効率的な培養手法であることが明らかとなった。 Next, the efficiency of energy (butanol) production increase with respect to electric energy input was calculated. The electric energy (ΔW in ) input in each energization condition from the integration of the current values that flowed through the electroculture period of Example 4 was 1659.6 J (+1.2 V), 526.9 J (+0.9 V), 63. They were 3J (+ 0.6V) and 33.0J (+ 0.3V). As a result of comparing the amount of butanol produced at the end of the culture between non-energized (added MV) and each energized condition, the energy (ΔW butanol ) calculated from the variation of the butanol produced was −735.8J (+1.2 V), 791.8J (+ 0.9V), 1234.6J (+ 0.6V), 1364.6J (+ 0.3V). Therefore, the energy efficiency in each energization condition of Example 4 is ΔW butanol / ΔW in = −0.44 (+1.2 V), 1.5 (+0.9 V), 19.5 (+0.6 V), 41.3 It was calculated as (+ 0.3V), and the efficiency was negative at + 1.2V, but it can be said that by energizing at a potential lower than that, it was possible to obtain an energy increase effect larger than the input electric energy. In Example 4, application of +0.3 V is optimal from the viewpoint of butanol production, and it becomes clear that this is an efficient culture technique showing an effect of increasing the production of energy (butanol) 41 times greater than the input electric energy by energization. It was.

尚、上記において、WinとWbutanolは以下の式により求めた。また、上記におけるΔは、電位印加時と電位無印加時の差分という意味である。
in=Eap(極間電圧:V)×C(電気量:C)
butanol
ブタノールの燃焼熱量(2675.9kJ/mol)×ブタノール生産量(mol)
In the above, W in and W butanol was obtained by the following formula. Further, Δ in the above means a difference between when a potential is applied and when no potential is applied.
W in = Eap (voltage between electrodes: V) × C (amount of electricity: C)
W butanol =
Butanol combustion heat (2675.9 kJ / mol) x butanol production (mol)

次に、実施例2の培養試験における非通電時の培養液の自然電位の変化を図32に示す。非通電時の培養液の自然電位はMV添加では0V付近、非添加では0.1V付近であり、双方ともに徐々に減少し、MV添加では−0.5V付近となり、その後緩やかな上昇を示した。MV非添加では−0.4付近となり、その後上昇を続けた。   Next, FIG. 32 shows changes in the natural potential of the culture solution when no current is applied in the culture test of Example 2. FIG. When the MV was added, the natural potential of the culture medium was around 0 V when MV was added, and around 0.1 V when the MV was not added. Both decreased gradually, and became -0.5 V when MV was added. . When MV was not added, it became around -0.4 and continued to increase thereafter.

次に、実施例2の培養試験における電流値の変化を図33に示す。培養試験中に流れた電流値は実施例4におけるそれよりも小さかった。そして、試験終了までに流れた電流値の積算から、ブタノール増産効果の見られた+0.6V印加時における投入電気エネルギーは0.27C×1.3V=0.35Jと算出された。培養終了時、非通電(MV添加)条件に対して+0.6 V印加によって増算されたブタノールに由来するエネルギー量は2341.8Jと算出されたことから、実施例2におけるエネルギー効率ΔWbutanol/ΔWin=2158.1J/0.35J=6166と算出された。この結果から、本発明により、わずかな電気の投入により大きなエネルギーを獲得できることが明らかとなった。 Next, the change in current value in the culture test of Example 2 is shown in FIG. The value of the current that flowed during the culture test was smaller than that in Example 4. Then, from the integration of the current values that flowed until the end of the test, the input electric energy at the time of +0.6 V application where the butanol production increase effect was seen was calculated to be 0.27 C × 1.3 V = 0.35 J. At the end of the culture, the amount of energy derived from butanol increased by applying +0.6 V to the non-energized (MV addition) condition was calculated to be 2341.8 J. Therefore, energy efficiency ΔW butanol / in Example 2 ΔW in = 2158.1J / 0.35J = 6166 was calculated. From this result, it was clarified that a large amount of energy can be obtained with a small amount of electricity by the present invention.

次に、試験期間中に流れた電流が全て還元型MVの酸化に利用されたと仮定してMV再生回数を算出した。計算結果を表3に示す。   Next, the number of MV regenerations was calculated on the assumption that all of the current flowing during the test period was used for oxidation of reduced MV. Table 3 shows the calculation results.

表3に示される結果から、MV再生回数とブタノールの生産促進効果との間には正の相関は見られないことが明らかとなった。このことから、本発明におけるブタノール増産効果の増減は、酸化型MVの継続的な供給のみでは説明できないことがわかった。   From the results shown in Table 3, it was revealed that no positive correlation was found between the number of MV regenerations and the butanol production promoting effect. From this, it was found that the increase or decrease in butanol production increase effect in the present invention cannot be explained only by continuous supply of oxidized MV.

1 アルコール生産装置
2 アルコール生産微生物
3 電子媒体物質
4 培養液
4a 電解液
5 有機物
6 イオン交換膜(陰イオン交換膜)
7 培養槽
8 対電極槽
9 作用電極
10 対電極
12 定電位設定装置
15、16 アルコール回収手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Alcohol production apparatus 2 Alcohol production microorganism 3 Electronic medium substance 4 Culture solution 4a Electrolyte solution 5 Organic substance 6 Ion exchange membrane (anion exchange membrane)
7 Culture tank 8 Counter electrode tank 9 Working electrode 10 Counter electrode 12 Constant potential setting device 15, 16 Alcohol recovery means

Claims (12)

発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する方法において、
前記アルコール生産微生物と前記有機物とを含む培養液に電子媒体物質を添加し、前記電子媒体物質は前記アルコール生産微生物が還元可能な物質とし、前記アルコール生産微生物により還元されて生じる前記電子媒体物質の還元体を前記培養液に浸漬した電極に電位を与えて酸化させながら前記アルコール生産微生物を培養してアルコールを生産し、前記アルコール生産微生物としてアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物を用い、前記電子媒体物質としてビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかを用いることを特徴とするアルコール生産方法。
In a method of producing alcohol from organic matter using an alcohol producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation,
An electronic medium substance is added to a culture solution containing the alcohol-producing microorganism and the organic substance, the electronic medium substance is a substance that can be reduced by the alcohol-producing microorganism, and the electronic medium substance produced by being reduced by the alcohol-producing microorganism A clostridium genus that produces alcohol by culturing the alcohol-producing microorganism while applying an electric potential to an electrode immersed in the culture solution to oxidize the reductant, and performing acetone, butanol, ethanol fermentation (ABE fermentation) as the alcohol-producing microorganism A method for producing alcohol, characterized in that at least one of viologen and a viologen derivative is used as the electronic medium substance .
前記培養液にイオン交換膜を介して電解液を接触させ、前記電極と対をなす電極を前記電解液に浸漬する請求項1に記載のアルコール生産方法。 The alcohol production method according to claim 1, wherein an electrolyte solution is brought into contact with the culture solution via an anion exchange membrane, and an electrode paired with the electrode is immersed in the electrolyte solution. 前記培養液にイオン交換膜を介して前記電極と対をなす電極を接触させる請求項1に記載のアルコール生産方法。 The method for producing alcohol according to claim 1, wherein an electrode paired with the electrode is brought into contact with the culture solution via an anion exchange membrane. 記電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.9Vとして前記クロストリジウム属の微生物を高密度培養する請求項2または3に記載のアルコール生産方法。 Alcohol production method according to claim 2 or 3 potential before Symbol electrodes at a high density culturing a microorganism of the genus Clostridium as + -0.3V to + 0.9V with a silver-silver electrode potential reference chloride. 記クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で前記培養液に含ませ、前記電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+1.2Vとして前記クロストリジウム属の微生物生育段階を定常期に移行させた後、前記電極の電位を+0.3V〜+0.9Vとして前記クロストリジウム属の微生物を高密度培養する請求項2または3に記載のアルコール生産方法。 The Clostridium microorganisms before Symbol Clostridium be included in the culture solution bacterial cells density before moving to the logarithmic growth phase, the potential of the electrode as + -0.3V to + 1.2V with a silver-silver electrode potential reference chloride The method for producing alcohol according to claim 2 or 3, wherein the microorganism of the genus Clostridium is cultured at a high density by setting the potential of the electrode to +0.3 V to +0.9 V after shifting the growth stage of the microorganism to a stationary phase. 記クロストリジウム属の微生物を対数増殖期に移行する前の菌体密度で前記培養液に含ませ、前記電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で+0.9V〜+1.2Vとして前記クロストリジウム属の微生物生育段階を定常期に移行させた後、前記電極の電位を+0.3V〜+0.6Vとして前記クロストリジウム属の微生物を高密度培養する請求項2または3に記載のアルコール生産方法。 The Clostridium microorganisms before Symbol Clostridium be included in the culture solution bacterial cells density before moving to the logarithmic growth phase, the potential of the electrode as + 0.9V to + 1.2V with a silver-silver electrode potential reference chloride The method for producing alcohol according to claim 2 or 3, wherein the microorganism of the genus Clostridium is cultured at a high density by setting the potential of the electrode to +0.3 V to +0.6 V after the growth stage of the microorganism is shifted to a stationary phase. 発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する装置であって、
イオン交換膜によって仕切られた対電極槽及び密閉構造の培養槽と、前記培養槽に収容された培養液と、前記対電極槽に収容された電解液と、前記培養液に浸された作用電極と、前記電解液に浸された対電極と、前記作用電極と前記対電極とが結線された定電位設定装置と、前記培養槽にて生産されたアルコールを回収するアルコール回収手段とを有し、前記培養液に前記アルコール生産微生物と前記有機物と前記アルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質とを含ませて、前記アルコール生産微生物により還元されて生じる前記電子媒体物質の還元体を前記定電位設定装置で前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えて酸化させながら前記アルコール生産微生物を培養してアルコールを生産し、前記アルコール生産微生物がアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物であり、前記電子媒体物質がビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかであることを特徴とするアルコール生産装置。
An apparatus for producing alcohol from organic matter using an alcohol producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation,
A counter electrode vessel partitioned by an anion exchange membrane and a culture vessel having a sealed structure, a culture solution contained in the culture vessel, an electrolyte solution contained in the counter electrode vessel, and an action immersed in the culture solution An electrode, a counter electrode immersed in the electrolyte, a constant potential setting device in which the working electrode and the counter electrode are connected, and an alcohol recovery means for recovering alcohol produced in the culture vessel. Then, the alcohol-producing microorganism, the organic substance, and the electronic medium substance that can be reduced by the alcohol-producing microorganism are included in the culture solution, and the reduced form of the electronic medium substance that is reduced by the alcohol-producing microorganism is determined. by culturing said alcohol-producing microorganism while giving a potential difference is oxidized between the working electrode and the counter electrode at a potential setting device to produce an alcohol, said alcohol-producing microorganism is a Ton butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation) and microorganism Clostridium performing, alcohol production device, wherein the electronic medium material is at least one of viologen and viologen derivatives.
発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する装置であって、
培養槽としての密閉構造の容器と、前記容器に収容可能な対電極槽としての密閉構造の小容器と、前記培養槽に収容された培養液と、前記対電極槽に収容された電解液と、前記培養液に浸された作用電極と、前記電解液に浸された対電極と、前記作用電極と前記対電極とが結線された定電位設定装置と、前記培養槽にて生産されたアルコールを回収するアルコール回収手段とを有し、前記小容器は前記培養液と接触する位置の少なくとも一部にイオン交換膜を備えるものとし、前記培養液に前記アルコール生産微生物と前記有機物と前記アルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質とを含ませて、前記アルコール生産微生物により還元されて生じる前記電子媒体物質の還元体を前記定電位設定装置で前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えて酸化させながら前記アルコール生産微生物を培養してアルコールを生産し、前記アルコール生産微生物がアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物であり、前記電子媒体物質がビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかであることを特徴とするアルコール生産装置。
An apparatus for producing alcohol from organic matter using an alcohol producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation,
A sealed container as a culture tank, a small container with a sealed structure as a counter electrode tank that can be stored in the container, a culture solution stored in the culture tank, and an electrolyte solution stored in the counter electrode tank; A working electrode immersed in the culture solution, a counter electrode immersed in the electrolytic solution, a constant potential setting device in which the working electrode and the counter electrode are connected, and alcohol produced in the culture vessel The small container is provided with an anion exchange membrane in at least a part of the position in contact with the culture solution, and the alcohol-producing microorganism, the organic matter, and the alcohol are included in the culture solution. An electron medium substance that can be reduced by the production microorganism, and a reduced product of the electron medium substance that is reduced by the alcohol-producing microorganism is generated between the working electrode and the counter electrode by the constant potential setting device. By culturing said alcohol-producing microorganism while oxidized giving much difference to produce alcohol, said alcohol-producing microorganism is a microorganism of the genus Clostridium performing acetone-butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation), the electronic medium material An alcohol production apparatus characterized in that it is at least one of a viologen and a viologen derivative .
発酵における代謝産物としてアルコールを生産するアルコール生産微生物を用いて有機物からアルコールを生産する装置であって、
イオン交換膜を少なくとも一部に備える容器と、前記容器に収容された培養液と、前記培養液に浸された作用電極と、前記イオン交換膜の前記容器の外側の面の少なくとも一部に接触している対電極と、前記作用電極と前記対電極とが結線された定電位設定装置と、前記容器内で生産されたアルコールを回収するアルコール回収手段とを有し、前記イオン交換膜は前記容器の前記培養液と接触する位置に備えるものとし、前記培養液に前記アルコール生産微生物と前記有機物と前記アルコール生産微生物が還元可能な電子媒体物質とを含ませて、前記アルコール生産微生物により還元されて生じる前記電子媒体物質の還元体を前記定電位設定装置で前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えて酸化させながら前記アルコール生産微生物を培養してアルコールを生産し、前記アルコール生産微生物がアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属の微生物であり、前記電子媒体物質がビオロゲン及びビオロゲン誘導体の少なくともいずれかであることを特徴とするアルコール生産装置。
An apparatus for producing alcohol from organic matter using an alcohol producing microorganism that produces alcohol as a metabolite in fermentation,
A container having at least a part of an anion exchange membrane, a culture solution contained in the container, a working electrode immersed in the culture solution, and at least a part of an outer surface of the container of the anion exchange membrane A counter potential electrode, a constant potential setting device in which the working electrode and the counter electrode are connected, and an alcohol recovery means for recovering alcohol produced in the container, and the anion exchange The membrane is provided at a position in contact with the culture solution of the container, and the alcohol-producing microorganism includes the alcohol-producing microorganism, the organic matter, and an electronic medium substance that can be reduced by the alcohol-producing microorganism. The alcohol production while oxidizing the reduced form of the electron medium substance generated by reduction by the constant potential setting device while applying a potential difference between the working electrode and the counter electrode To produce alcohol by culturing organisms, said alcohol-producing microorganism is a microorganism of the genus Clostridium performing acetone-butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation), the electronic medium material is at least one of viologen and viologen derivatives Alcohol production equipment characterized by.
記作用電極の電位が銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.9Vに制御されて前記クロストリジウム属の微生物が高密度培養される請求項7〜9のいずれか1項に記載のアルコール生産装置。 Before SL potential of the working electrode is controlled to the silver-silver electrode at a potential reference chloride + -0.3V to + 0.9V according to any one of claims 7-9, wherein the clostridium microorganisms are densely cultured Alcohol production equipment. 記クロストリジウム属の微生物は対数増殖期に移行する前の菌体密度で前記培養液に含まれ、前記作用電極の電位が銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+1.2Vに制御されて前記クロストリジウム属の微生物の生育段階が定常期に移行した後、前記作用電極の電位が銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.9Vに制御されて前記クロストリジウム属の微生物が高密度培養される請求項7〜9のいずれか1項に記載のアルコール生産装置。 Microorganisms before Symbol Clostridia contained in the culture solution bacterial cells density before moving to the logarithmic growth phase, the potential of the working electrode is controlled to + -0.3V to + 1.2V with silver-silver chloride electrode potential reference After the growth stage of the Clostridium microorganism has shifted to the stationary phase, the potential of the working electrode is controlled to +0.3 V to +0.9 V on the basis of the silver / silver chloride electrode potential, and the microorganism of the Clostridium genus has a high density. The alcohol production apparatus according to any one of claims 7 to 9, which is cultured. 記クロストリジウム属の微生物は対数増殖期に移行する前の菌体密度で前記培養液に含まれ、前記作用電極の電位が銀・塩化銀電極電位基準で+0.9V〜+1.2Vに制御されて前記クロストリジウム属の微生物の生育段階が定常期に移行した後、前記作用電極の電位が銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V〜+0.6Vに制御されて前記クロストリジウム属の微生物が高密度培養される請求項7〜9のいずれか1項に記載のアルコール生産装置。 Microorganisms before Symbol Clostridia contained in the culture solution bacterial cells density before moving to the logarithmic growth phase, the potential of the working electrode is controlled in + 0.9V to + 1.2V with silver-silver chloride electrode potential reference After the growth stage of the Clostridium microorganism has shifted to the stationary phase, the potential of the working electrode is controlled to +0.3 V to +0.6 V on the basis of the silver / silver chloride electrode potential, and the microorganism of the Clostridium genus has a high density. The alcohol production apparatus according to any one of claims 7 to 9, which is cultured.
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