JPH0566109B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は微生物を用いる物質の製造方法に関
し、更に詳細には、固定化した微生物を用いて、
液体を充填した従来の深部培養システムによるこ
となく、ガス状の原料から目的物質を直接合成す
る新規な方法に関する。 したがつて本発明は、発酵工業、微生物工業、
酵素工業、食品工業といつバイオテクノロジーの
技術分野において重要な役割を果すものである。
また本法によつて得られる目的生産物を原料とし
てメタノール、シアン化水素、アセチレンその他
有機工業薬品を各種製造することができるので、
本発明は化学工業の技術分野でも重用されるもの
である。 〔従来の技術〕 従来、発酵法によつて目的物質を製造するに際
し、原料として、ガス状の基質を固定化した微生
物に直接作用させて、目的物質を直接生産する工
業的なシステムは全く確立されておらず、次のよ
うな、液体培地を使用する通常の通過撹拌培養を
多少修正した程度のシステムが行なわれているに
すぎない。 すなわち、第２図に図示したような装置を用い
て、窒素源、無機塩類などの補助的栄養源を含む
液体培地１１中に関与する微生物１２を浮遊さ
せ、ガス状基質を発酵槽外部１３から液体培地中
に強制的に通気供給するとともに、撹拌翼１４に
よる機械的撹拌（通気撹拌型発酵槽１５）あるい
はドラフトチユーブ１６（気泡塔型発酵槽１７）
によつて通気孔１８からの気泡１９を微粒化し、
気液界面を大きくさせると同時に、培養液中に気
泡を長く滞留させることにより、培養液中へのガ
ス状基質の溶解速度を促進させ、関与する微生物
による生化学的反応によつて目的とする生成ガス
を得るものであつて、このシステムも、原料ガス
から直接気相反応によつて目的物質を生合成する
ものではないし、後記するように、目的物質の生
成率が低い等の欠点があるために工業的に大規模
に使用することはできない。 このように、低分子の原料ガスを直接微生物に
供給し目的物質を直接生合成する技術は全く知ら
れていないし、ましてや、固定化微生物を用いて
目的物質を生化学的に合成する技術に至つては、
その技術課題そのものすら知られていないのが現
状である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は、ガス状の基質から直接目的生産物を
製造するための工業的システムを開発する目的で
なされたものであつて、先ず、上記した通気撹拌
式又は気泡塔式発酵槽を用いるシステムに着目し
た。 しかしながら、この既知のシステムは、上記目
的を達成するには具体的に次のような欠点を有し
ている。 １ 通気撹拌型発酵槽では機械的撹拌のために大
きな動力を必要とする。 ２ 基質ガスの溶解速度に限度があるために、ガ
ス供給速度をそれ以上にあげると、基質ガスの
大部分が微生物に利用されないまま、液体表面
に達してしまい、微生物との接触効率が極めて
悪くなる。 ３ 微生物の基質消費速度に見合つた基質ガスの
供給が出ないために、連続化が難しい。 ４ 大量の液体、大きな液深が必要であるため、
リアクターが大型にならざるを得ず、装置全体
の小型化ができない。 しかも致命的なことに、これら既知のシステム
では原料ガスから直接目的物質を製造することが
できない。 〔発明の構成〕 本発明は、上記欠点を解決して、目的物質を順
順に、大量に且つ経済的に製造する工業的製法を
開発するためになされたものである。 この目的達成のために、広く研究を行つた結
果、目的物質の収率を上げるためには、原料ガス
濃度を上げ、且つ該物質生成菌との接触率を高め
る必要があるとの知見を得た。従来システムのよ
うに、培養液中に原料ガスを溶解せしめたり気泡
状にして供給していたのではガス濃度を充分に高
めることができない。そこで、原料ガス濃度を高
めるためのシステムについて完全に発想を転換し
て検討した結果、原料ガスをガス状のまま直接供
給して微生物と接触せしめ、生合成を行わしめる
という従来夢想だにされなかつた新規な技術思想
を着想するに到つた。 そして、この新規な着想を具体的に且つ工業的
に実現する方策について各方面から鋭意研究した
結果、固定化した微生物を利用すればそれが可能
であるとの知見を得、この有用な新知見を基礎に
して更に研究した結果、本発明が完成されたので
ある。 以下本発明を、本発明を実施するための装置の
１例として図示した第１図の装置を参照しながら
詳細に説明する。 リアクター１内には固定化した微生物を収容し
ておく。微生物の固定化は常法によつて行い、担
体結合法のいずれもが使用できる。 微生物は、球形、円筒形、粒状その他適宜の形
状に固定化した後リアクター１内に充填したり、
リアクターの器壁に直接固定化したり、内面及
び／又は外面に微生物を固定化したホローフアイ
バーを多数リアクター内に充填したり、微生物を
固定化した（多孔質）プレート１を１枚又はそれ
以上垂直又は水平にリアクター内に充填したり、
上記した成形固定化菌体を小さなカラムに充填し
た後これを多数リアクター内に充填したりして、
リアクターを構成する。 微生物としては、ガス状基質を利用して目的生
産物を製造しうるものであればすべての菌を使用
することができる。 例えば、炭酸ガス、水素ガス等を基質として利
用するタイプのメタン生産菌その他が有利に使用
できるが、本発明はこれらの微生物のみに限定さ
れるものではなく、ガス状基質を利用して目的生
産物を生合成できるものであれば、すべての微生
物が使用できる。 具体的には、メタン生産菌としては、広島市下
水処理場の消化汚泥から単離したグラム陰性メタ
ン生成菌HU株（広島大学工学部 永井研究室
保存菌株、自由分譲可）、Methanobacterium
thermoautotrophicum M.formicicum、といつ
たメタノバクテリウム属菌；Methanococcus
vanieliiといつたメタノコツカス属菌；
Methanosaricina barkeriiといつたメタノサリ
シナ属菌が単独で又はこれらを混合して使用でき
る。また、このように歯を単離することなく、例
えば培養液、ウエツトケーキ、活性汚泥、消化汚
泥といつた菌源となるものを直接固定して本発明
に利用することも可能である。 窒素源、無機塩類といつた補助的栄養源を含む
液体２を調節弁３によつて噴出管４から微生物な
いし微生物群を固定した担体上に噴霧、滴下、な
いし流下せしめる。必要がある場合には、これら
の栄養液は予じめ担体に保持せしめておいてもよ
い。また、使用菌が目的化合物合成の際に、
CO₂、H₂、CO等のガス状原料のほかに特定の物
質を要求する場合には、これらの液状ないし固体
原料は該栄養液２の中に予じめ添加しておけば充
分に所期の目的が達成されるので、本発明はすべ
てのタイプの微生物に適用することができ、極め
て有利である。 栄養液２の滴下と同時に、リアクター下部パイ
プ５から調節弁６を介して適当な組成とした基質
ガスを供給し、担体上に固定した微生物及び栄養
液と接触せしめて目的とする生成物を生成せしめ
る。原料となる基質ガスの種類及びその組成は、
使用菌によつて異るので、使用菌にしたがつて最
適なものを選択する必要がある。例えばメタン生
成菌HUの場合は、原料として水素ガスと炭酸ガ
スを使用し、H₂／CO₂比は１よりも大きい方が
よい。このために、生成ガス出口に７にガス分析
計（図示せず）を設けて生成ガスの分析を行つ
て、基質ガス入口に設けた調節弁６を作動せし
め、基質ガスの混合比及び／又はその供給量、供
給速度を、メタン生成の最適値に調節するように
するのが好適である。他の微生物の場合も同様で
あつて、ガス分析計のデータにしたがつて調節弁
６をコントロールして、微生物の基質消費速度に
見合つた基質供給を行う。 リアクター１は、加温ないし保温のためにその
周囲をジヤケツトで囲み、その中に調温水、調温
気体を流したり、電熱線を配設したりして、生合
成反応を促進するようにしてもよい。また、上記
とは逆に、基質ガスの供給を、リアクター上方か
ら行ない、生成ガスをリアクター下部から取り出
すことも可能である。そしてまた、集液槽８内に
落下してきた栄養液は、そのまま廃棄することな
く、液出口９よりポンプ及びパイプを介して（図
示せず）栄養液タンク２へ戻してやつて循環使用
すると、その経済生が更に高まる。また必要ある
場合には、リアクター内を加圧下におくと、ガス
の溶解度が高まつて反応速度を増大させることが
できる。リアクターは気密にしておき、リアクタ
ー内の基質ガス有量を固定化した微生物の最適値
に調節してやれば、目的生産物の生成率を最大値
にすることがきる。 このようして生成した目的物質は、生成ガス出
口７を通つて、ガス貯槽１０内に集める。 実施例 １〜３ 担体としてゼオライト、発泡レンガ、無機発泡
体（粒径7.1〜12.6mm）をそれぞれ使用し、これ
に広島大学工学部永井研究室で純粋分離した保存
菌HU株を担体吸着法によつて固定せしめた。 このようにして担体に固定せしめたメタン生成
菌を第１図のリアクター（リアクター容量75ml）
に充填し、第１図に図示した装置を用い、以下の
諸元にて、ガス状基質からのメタン発酵を行つ
た。すなわち、微生物を固定化した担体を充填し
たリアクター１において、その上部より、栄養液
２を調節弁３によつて噴出管４から、担体の表面
に滴下させるとともに、リアクター下部パイプ５
から調節弁６にて適当な流れとした基質ガスを供
給させ、担体上の微生物により生成したガスを上
部出口７より得た。リアクターのまわりにジヤケ
ツトを設け、温調水を通すことにより、微生物反
応に最適な温度（37℃）に維持した。 リアクター実容量：75ml 発酵温度：37℃ 固定化菌体量：リアクターあたり 実施例１ ゼオライト 0.675ｇ−dry cell 実施例２ 発泡煉瓦 0.643ｇ−dry cell 実施例３ 無機発泡体 0.604ｇ−dry cell 栄養液の供給速度：リアクターあたり25〜30ml／
日 基質ガス供給速度：4760ml／日 基質ガス組成（％）：H₂81.5％、CO₂18.5％

【表】 その結果、次のような結果が得られた。生成ガス組成（％） H₂ CO₂ CH₄ 実施例１ ゼオライト 45.2 ０ 54.8 実施例２ 発泡煉瓦 46.5 0.8 52.7 実施例３ 無機発泡体 43.5 ０ 56.5 以上の結果からも明らかなように、本発明によ
れば、H₂及びCO₂からメタンガスを直接生合成
することができ、しかも生成ガスからは原料基質
であるところのCO₂はほとんどないしはわずかし
か検出されず、目的生産物であるメタンガスが高
純度で非常に効率よく得られることが判る。 （発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、原料基
質ガスから目的化合物を直接生合成できるという
全く新規な効果が奏されるばかりでなく、次のよ
うな卓越したメリツトがあるために、大規模な工
業的な合成法として大きなスケールで本発明を実
現することができ、工業的方法として特にすぐれ
ている： １ 気液接触面積が大きく、ガスの溶解速度を高
めることができるので、液の撹拌、基質ガスの
通気に要する動力は全く不要であり、そのため
の動力費を要しない。 ２ 基質ガスと微生物との接触効率を高めること
ができ、その結果、リアクターを小さくするこ
とができる。 リアクター内の基質ガスの流れは、ガス供給
速度に従うため、ガスが気泡となつて液体表面
に達することがない。 ３ 微生物の基基消費速度に見合つた基質ガスの
供給が可能になり、連続化を図れる。 ４ リアクター内に適当な空隙率が存在するの
で、生成したガスは、自由にリアクター内を通
過できる。 そのうえ、本発明によれば、基質ガスを下部か
ら供給した場合、生成ガスは残部の基質ガスとと
もに上昇するが、上昇するに従つて気質ガスは消
費され、生成ガスリツチになる。逆に上部から基
質ガスを供給した場合は、生成ガスは残部の基質
ガスとともに下降するが、下降するに従つて基質
ガスは消費され、生成ガスリツチとなる。したが
つてリアクターの途中の部分からガスを採取する
ことにより、目的生成ガスのみでなく原料ガスを
も所定量含有した混合ガスを必要に応じて得るこ
ともでき、大変有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための装置の１例を
図示したものである。第２図は従来から使用され
ているメタン発酵装置を図示したものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガス状基質を含有するリアクター内に、表面
   が必要最小限の栄養源を含む液体で湿らされてい
   る微生物を固定化した担体を収容し、このリアク
   ター内において、深部培養システムによることな
   く、固定化した微生物にガス状の基質を直接供給
   しつつ目的生産物を直接生成せしめること、を特
   徴とする発酵方法。