JPWO2016152697A1 - 微生物の培養方法及び培養装置 - Google Patents
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Abstract
Description
培養槽への合成ガスの供給量が不足すると、ガス資化性微生物のほぼ全個体が一様に衰弱して死滅してしまう。死滅すると、種菌から培養をし直す必要がある。
本発明は、上記事情に鑑み、合成ガス等の基質ガスの供給流量が変動しても、ガス資化性微生物を安定的に培養することを目的とする。
反応槽における前記発酵が可能な発酵環境域を占める液状の培地中で、前記ガス資化性微生物を培養する培養工程と、
前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給工程と、
前記基質ガスの供給流量に応じて、前記発酵環境域の体積を調節する調節工程と、
を備えたことを特徴とする。
ここで、発酵環境域とは、ガス資化性微生物が、基質ガスから有価物を発酵生成可能な環境(発酵環境)になっている領域を言う。つまりは、ガス資化性微生物の活性を維持可能な領域を言い、培地が存在し、かつ所要量の基質ガスが供給され得る領域を言う。
前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させる循環工程を、更に備え、
前記調節工程では、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積を調節することが好ましい。
これによって、ガス資化性微生物を安定的に培養できる。
これによって、循環域の体積を調節でき、ひいては、発酵環境域の体積を調節できる。
体積変更体が反応槽内に進出した分だけ反応槽の容積を小さくできる。体積変更体を後退させると、それだけ反応槽の容積が大きくなる。これによって、発酵環境域の体積を確実に増減できる。
前記発酵が可能な発酵環境域を有し、前記発酵環境域を占める液状の培地中で前記ガス資化性微生物を培養する反応槽と、
前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給部と、
前記発酵環境域の体積を変更する体積可変手段と、
を備え、前記基質ガスの供給流量に応じて、前記体積可変手段によって前記体積が調節されることを特徴とする。
この装置によれば、例えば、基質ガスの供給流量が減少したときは、体積可変手段によって発酵環境域の体積を小さくする。基質ガスの供給流量が回復すれば、体積可変手段によって発酵環境域の体積を元の大きさに戻す。これによって、基質ガスの供給流量が変動しても、ガス資化性微生物を安定的に培養することができる。
前記体積可変手段が、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積を変更することが好ましい。
これによって、ガス資化性微生物を安定的に培養できる。
これによって、循環域の体積を調節でき、ひいては、発酵環境域の体積を調節できる。
1の接続路を開通させたり、複数の接続路のうちの1つを選択的に開通させたりすることによって、主槽部から還流部への連通位置を変更できる。これによって、循環域の体積を変更でき、ひいては、発酵環境域の体積を変更することができる。
体積変更体が反応槽内に進出した分だけ反応槽の容積を小さくできる。体積変更体を後退させると、それだけ反応槽の容積が大きくなる。これによって、発酵環境域の体積を確実に増減できる。
袋体内に正の流体圧を導入することによって袋体を膨張(進出)させることができる。袋体が膨張した分だけ、反応槽の容積を小さくでき、ひいては発酵環境域の体積を小さくできる。また、袋体内のガスを排出又は吸引することによって、袋体を収縮(後退)させることができる。袋体が収縮した分だけ、反応槽の容積を大きくでき、ひいては発酵環境域の体積を大きくできる。
棒体を反応槽内に進出させると、その分だけ反応槽の容積を小さくでき、ひいては発酵環境域の体積を小さくできる。また、棒体を反応槽内から後退させると、その分だけ反応槽の容積を大きくでき、ひいては発酵環境域の体積を大きくできる。
基質ガスの供給流量が低下したときは、仕切りによって反応槽内の一部(室)をガス供給部から遮断する。すると、遮断された室には基質ガスが供給されないために、ガス資化性微生物が基質ガスから有価物を発酵生成可能な発酵環境ではなくなる。したがって、発酵環境域の体積を小さくできる。また、基質ガスが、ガス供給部と連通する室に供給されることで、当該室におけるガス資化性微生物の活性を維持できる。基質ガスの供給流量が回復(増大)したときは、仕切りによって前記遮断を解除する。これによって、遮断が解除された室に基質ガスが供給されるようになり、当該室を発酵環境に戻すことで、発酵環境域の体積を大きくできる。
[第1実施形態]
図1及び図2は、本発明の第1実施形態に係る培養装置1を示したものである。図1に示すように、培養装置1によって嫌気性のガス資化性微生物bを培養している。ガス資化性微生物bとしては、上掲特許文献等に開示されたものを用いることができる。ガス資化性微生物bは、基質ガスgから有価物(目的物質)を発酵生成する。本装置1の目的物質は、エタノール(C2H5OH)である。
なお、基質ガスgの所要成分は、ガス資化性微生物bの種類や、目的物質に応じて適宜選択可能である。基質ガスgが、CO及びH2のうち、何れか一方だけを含んでいてもよい。
主槽部11の上端部から排気路5が延びている。
複数の接続路31〜33は、主槽部11と還流部12との間に互いに上下(培地9の流れ方向)に離れて配置されている。各接続路31〜33によって、主槽部11及び還流部12の延び方向の中間部どうしが接続されている。
詳しくは、上段の接続路31は、主槽部11における還流部12の上端部との接続部の少し下側の部位と、還流部12とを連結している。接続路31には、開閉弁31Vが設けられている。開閉弁31Vによって接続路31が開閉される。
中段の接続路32は、主槽部11におけるほぼ中間の高さの部位と、還流部12とを連結している。接続路32には、開閉弁32Vが設けられている。開閉弁32Vによって接続路32が開閉される。
下段の接続路33は、主槽部11における接続路32より下側の部位と、還流部12とを連結している。接続路33には、開閉弁33Vが設けられている。開閉弁33Vによって接続路33が開閉される。
なお、体積可変手段30の接続路の数は、3つに限られず、1つだけもよく、2つでもよく、4つ以上であってもよい。
<通常運転モード>
図1に示すように、今、培養装置1は通常運転モードにあるものとする。開閉弁31V〜33Vは、すべて閉じている。
<基質ガス供給工程>
廃棄物処理施設2は、通常運転しており、規格量の基質ガスgを生産しているものとする。基質ガスgは、ガス供給路20を経て、散気管22へ送られる。この基質ガスgが、散気管22からループリアクター10中の液状培地9すなわち発酵環境域19に供給される。基質ガスgは、主槽部11の液状培地9内を上昇しながら液状培地9に溶け込む。
そして、液状培地9内のガス資化性微生物bが、基質ガスg中のCOやH2を取り込んで発酵を行なうことによって、エタノール(有価物)を生成する。生成されたエタノールは、液状培地9に混じる。
併行して、循環ポンプ13を駆動する。これによって、ループリアクター10の液状培地9が、主槽部11と還流部12との間を循環する。詳しくは、液状培地9は、主槽部11内を上昇する。そして、主槽部11の上側部から還流部12に入って還流部12を下降し、主槽部11の底部へ戻される。
<送出工程>
ループリアクター10の液状培地9の一部は、送出路4に送出される。
<精製工程>
この液状培地9の一部が、固液分離処理等を経て、不図示の蒸留塔で蒸留されることによって、エタノールが精製される。
送出路4への送出分の新規液状培地9Aが、新規培地供給源3からループリアクター10に補充される。これによって、ループリアクター10内の液状培地9の量が一定に維持される。ひいては、発酵環境域19の体積が一定に維持される。
<排気工程>
ループリアクター10に供給された基質ガスgのうち、利用されなかったガスや、発酵による副生成ガスは、主槽部11の上端部の排気路5から排出される。排出ガスは、不純物除去等を経て再利用してもよい。
廃棄物処理施設からなる基質ガス生産施設2における基質ガス生産量は、変動が大きい。この基質ガスgの供給流量を流量計21によって検知する。
<発酵環境域19の体積調節工程>
検知流量に基づいて、発酵環境域19の体積を調節する。
詳しくは、基質ガスgの供給流量が通常運転モードよりも減少したときは、発酵環境域19の体積を小さくする。これによって、基質ガスgの供給流量と発酵環境域19の体積を相関させる。
発酵環境域19を体積調節は、コントローラ(制御手段)を用いて自動制御によって行ってもよい。或いは、管理者が、手動で発酵環境域19を体積調節してもよい。
例えば、基質ガス生産施設2の何らかのトラブルやメンテナンス等によって、基質ガスgの供給流量が半減したとする。この場合、図2に示すように、ループリアクター10内の液状培地9の約半分を送出路4へ排出する。これによって、発酵環境域19の体積が、通常運転モード(図1)の約半分になる。(排出分に相当する新規液状培地9Aを新規培地供給源3から注ぎ足すことはしない。)
排出した液状培地9は、バッファタンク42に貯留しておき、随時取り出して蒸留塔等へ送る。
図2に示すように、排出後の液状培地9の液位は、例えば上段接続路31と中段接続路32の間に位置する。
これに対応して、中段の開閉弁32Vを開く。上段開閉弁31V及び下段開閉弁33Vは、閉じておく。これによって、主槽部11から還流部12への連通位置が、還流部12の上端部の高さから中段接続路32の高さに変更される。液状培地9は、主槽部11、中段接続路32、及び還流部12の順に循環する。したがって、液状培地9の循環域の体積が半分近くに減少する。
或いは、基質ガスgの供給流量の低下度合によっては、液状培地9の液位を中段接続路32と下段接続路33との間に位置させてもよい。かつ、下段開閉弁33Vを開くことで、主槽部11から還流部12への連通位置を下段接続路33の高さにしてもよい。これによって、液状培地9を、主槽部11、下段接続路33、及び還流部12の順に循環させてもよい。
基質ガスgの供給流量が、長期間(例えば2日以上)にわたって通常運転モードの半分〜それ以下であっても、ガス資化性微生物bの活性を十分に維持することができる。
基質ガス生産施設2からの基質ガスgの供給流量が通常運転モードのレベルに回復したときは、新規培地供給源3から新規液状培地9Aをループリアクター10に注ぎ足す。これによって、図1に示すように、液状培地9の液位を主槽部11の上側部まで戻す。また、開閉弁32V等をはじめ、全ての開閉弁31V〜33Vを閉状態にする。これによって、液状培地9が、主槽部11と還流部12の全長域との間を循環し、通常運転モードに戻る。
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態に係る培養装置1Bを示したものである。培養装置1Bでは、接続路31〜33に代えて、還流部12Bの上端部が、主槽部11に沿って昇降可能になっている。還流部12Bの上端部と主槽部11の外周部との間には、シール手段35が設けられている。シール手段35は、還流部12Bの上端部が昇降するのを許容しながら、還流部12Bと主槽部11との間を液密にシールしている。還流部12Bは、上端部の昇降に合わせて伸縮変形可能になっている。伸縮可能な還流部12Bとしては、可撓管、テレスコピック式伸縮管、蛇腹式伸縮管等を用いることができる。
還流部12Bの上端部の高さ調節は、コントローラを用いて流量計21の検知流量に基づいて自動制御によって行ってもよく、手動で行ってもよい。
図4は、本発明の第3実施形態に係る培養装置1Cを示したものである。培養装置1Cの体積可変手段50は、袋体51(体積変更体)と、給排手段52を含む。袋体51は、気密性の樹脂膜にて構成されている。この袋体51が、ループリアクター10内において拡縮可能(進退可能)になっている。主槽部11の低部近くの側部には、袋収容部53が設けられている。袋収容部53の内部が、連通部53aを通して主槽部11の内部と連通している。
図4(a)に示すように、通常運転モードでは、袋体51のほぼ全体が、収縮状態で袋収容部53内に収容され、連通部53aを通して主槽部11内に臨んでいる。
図4(b)に示すように、基質ガスgの供給流量が低下したときは、コンプレッサー54からエア圧(流体圧)を袋体51内に導入する。これによって、袋体51が、膨張しながら主槽部11内に進出する。好ましくは、基質ガスgの供給流量の低下度合が大きいほど、袋体51の膨張度合を大きくする。袋体51の膨張分だけ、ループリアクター10内から液状培地9を送出路4へ排出してバッファタンク42に送る。これによって、発酵環境域19の体積が減る。主槽部11内の液状培地9の液位は、ほぼ一定に保たれる。この結果、基質ガスgの供給流量の変動に拘わらず、発酵環境域19中の個々のガス資化性微生物bあたりの基質ガス摂取量を安定させることができ、ガス資化性微生物bを安定的に培養できる。
図5は、本発明の第4実施形態に係る培養装置1Dを示したものである。図5(a)に示すように、培養装置1Dの体積可変手段60は、棒体61(体積変更体)と、昇降駆動手段62を含む。棒体61は、鉛直に直線状に延びている。この棒体61が、主槽部11の軸線に沿って昇降されることで、主槽部11内に進退可能になっている。棒体61に昇降駆動手段62が接続されている。詳細な図示は省略するが、昇降駆動手段62は、モータや、スライドガイド等を含む。昇降駆動手段62によって、棒体61を任意の昇降高さに調節できる。
図5(a)に示すように、通常運転モードでの棒体61は、上昇位置にある。このとき、棒体61の下端部は、還流部12の上端部よりも高所に位置し、ループリアクター10内の液状培地9の液面よりも上方に位置している。
図5(b)に示すように、基質ガスgの供給流量が低下したときは(基質ガス供給不足モード)、昇降駆動手段62によって棒体61を下降させる。これによって、棒体61が、主槽部11内に進出して液状培地9内に入り込む。好ましくは、基質ガスgの供給流量の低下度合が大きいほど、棒体61を主槽部11内に深く入り込ませる。棒体61が入り込んだ分だけ、液状培地9を送出路4へ排出してバッファタンク42に送る。これによって、発酵環境域19の体積が減る。主槽部11内の液状培地9の液位は、ほぼ一定に保たれる。この結果、基質ガスgの供給流量の変動に拘わらず、発酵環境域19中の個々のガス資化性微生物bあたりの基質ガス摂取量を安定させることができ、ガス資化性微生物bを安定的に培養できる。
棒体61の高さを手動で調節した後、ネジ等の固定手段によって棒体61を主槽部11に固定してもよい。
図6は、本発明の第5実施形態に係る培養装置1Eを示したものである。培養装置1Eの体積可変手段70は、複数の固定仕切り71と、2つの可動仕切り72,73(体積変更体)を含む。これら仕切り71〜73によって、ループリアクター10内が、散気管22(ガス供給部)と連通する室11c,11d等と、散気管22(ガス供給部)から遮断された室11a,11b等とに仕切り可能、かつ前記遮断を解除可能になっている。
なお、固定仕切り71,71…は、平行板になっていてもよく、平面視で格子状になっていてもよく、平面視で放射状になっていてもよく。平面視で同心円状になっていてもよく、これら幾つかの形状が組み合わされた形状になっていてもよい。
なお、上下の可動仕切り72,73のうち、少なくとも下側可動仕切り73が設置されていればよく、上側可動仕切り72は省略してもよい。
図6(a)に示すように、通常運転モードでは、可動仕切り72,73を主槽部11の外側に退避させておく。これによって、主槽部11のすべての室11a〜11dの上下両端が開放される。各室11a〜11dの下端部は、散気管22に臨んでいる。これによって、各室11a〜11dの液状培地9に基質ガスgが行き渡ることで、各室11a〜11dが発酵環境となる。液状培地9は、主槽部11の底部において室11a〜11dごとに分かれ、各室11a〜11d内を上昇し、室11a〜11dの上端部から出て合流する。その後、還流部12によって主槽部11の底部に戻される。
図6(b)に示すように、基質ガスgの供給流量が低下したときは、その低下度合に応じて可動仕切り72,73を主槽部11内に入り込ませる。好ましくは、上下の可動仕切り72,73を互いに同じ量だけ主槽部11内に入り込ませる。これによって、一部の室11a,11bの上下両端が塞がれる。このため、これら室11a,11bが、散気管22(ガス供給部)から遮断され、基質ガスgが室11a,11b内に供給されなくなる。また、室11a,11b内の液状培地9は、当該室11a,11bに閉じ込められる。したがって、室11a,11bは、発酵環境ではなくなり、室11a,11b内のガス資化性微生物bは死滅し得る。散気管22からの基質ガスgは、室11a〜11dのうち残りの室11c,11dに供給される。また、室11a,11b以外の液状培地9が、室11c,11dと還流部12との間で循環される。したがって、室11c,11dは、発酵環境として維持される。つまり、発酵環境域19(循環域)の体積を縮小することができる。この結果、基質ガスgの供給流量の変動に拘わらず、発酵環境域19中の個々のガス資化性微生物bあたりの基質ガス摂取量を安定させることができ、ガス資化性微生物bを安定的に培養できる。
なお、基質ガスgの供給流量の低下度合によっては、図6(b)よりも少数の室11aを遮断してもよく、図6(b)よりも多数の室11a,11b,11cを遮断してもよい。
可動仕切り72,73の進退操作は、コントローラを用いて流量計21の検知流量に基づいて自動制御によって行ってもよく、手動で行ってもよい。
例えば、基質ガス生産施設2は、廃棄物処理施設に限られず、製鉄所や石炭製造所であってもよい。
有価物は、エタノールに限られず、酢酸等であってもよい。
第1〜第4実施形態の培養装置1,1B〜1D(図1〜図5)において、発酵環境域19の体積減少操作時にループリアクター10から液状培地9の一部を排出するための排出路を、蒸留塔等の後段処理部への送出路4とは別に設けてもよい。
複数の実施形態を組み合わせてもよい。ループリアクター10が、接続路31〜33(図1)と、袋体51(図4)とを有していてもよい。ループリアクター10が、接続路31〜33(図1)と、棒体61(図5)とを有していてもよい。
ループリアクター10が、接続路31〜33(図1)と、可動仕切り72,73(図6)とを有していてもよい。第1実施形態(図1、図2)において、接続路31〜33の少し上方の高さにそれぞれ可動仕切りを設けてもよい。基質ガスgの供給流量が低下したときは、その低下度合に応じて接続路31〜33の1つを開通させるとともに、その接続路の直上の可動仕切りで主槽部11を上下に仕切ることで、当該可動仕切りより上側の液状培地9を残置しつつ発酵環境域19から除くことにしてもよい。この場合、送出路4を体積可変手段30の構成要素とする必要は無い。
第5実施形態の培養装置1E(図6)において、スライド式の可動仕切り72,73に代えて、開き戸式の可動仕切りを主槽部11の内壁又は固定仕切り71の上下端部に回転可能に設けてもよい。
ループリアクター10が、袋体51(図4)と棒体61(図5)を有していてもよい。
反応槽は、ループリアクター10に限られず、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、充填型、オープンポンド型、フォトバイオ型等の、ループ型以外の反応槽であってもよい。
反応槽が、複数段設けられていてもよい。
反応槽へ供給される供給ガス全体の流量に代えて、該供給ガス中のCO、H2等の基質成分(基質ガス)の流量に応じて、発酵環境域19の体積を調節してもよい。
g 基質ガス
1,1B,1C,1D,1E 培養装置
9 液状培地(培地)
10 ループリアクター(反応槽)
11 主槽部
12,12B 還流部
19 発酵環境域(循環域)
22 散気管(ガス供給部)
30 体積可変手段
31,32,33 接続路
50 体積可変手段
51 袋体(体積変更体)
52 給排手段
60 体積可変手段
61 棒体(体積変更体)
70 体積可変手段
71 固定仕切り(仕切り、体積変更体)
72 上側可動仕切り(仕切り、体積変更体)
73 下側可動仕切り(仕切り、体積変更体)
11a〜11d 室
Claims (12)
- 基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養方法であって、
反応槽における前記発酵が可能な発酵環境域を占める液状の培地中で、前記ガス資化性微生物を培養する培養工程と、
前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給工程と、
前記基質ガスの供給流量に応じて、前記発酵環境域の体積を調節する調節工程と、
を備えたことを特徴とする培養方法。 - 前記反応槽が、主槽部と還流部とを有するループリアクターであり、
前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させる循環工程を、更に備え、
前記調節工程では、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積を調節することを特徴とする請求項1に記載の培養方法。 - 前記調節工程では、前記主槽部から前記還流部への連通位置を調節することを特徴とする請求項2に記載の培養方法。
- 前記調節工程では、前記反応槽内に体積変更体を進退させることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の培養方法。
- 基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養装置であって、
前記発酵が可能な発酵環境域を有し、前記発酵環境域を占める液状の培地中で前記ガス資化性微生物を培養する反応槽と、
前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給部と、
前記発酵環境域の体積を変更する体積可変手段と、
を備え、前記基質ガスの供給流量に応じて、前記体積可変手段によって前記体積が調節されることを特徴とする培養装置。 - 前記反応槽が、主槽部と還流部とを有して、前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させるループリアクターであり、
前記体積可変手段が、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積を変更することを特徴とする請求項5に記載の培養装置。 - 前記主槽部から前記還流部への連通位置が可変であることを特徴とする請求項6に記載の培養装置。
- 前記主槽部の中間部と前記還流部の中間部とが、開閉可能な1の接続路又は前記培地の流通方向に互いに離れた複数の接続路にて接続されていることを特徴とする請求項6又は7に記載の培養装置。
- 前記体積可変手段が、前記反応槽内に進退されることで前記発酵環境域の体積を変更可能な体積変更体を含むことを特徴とする請求項5〜8の何れか1項に記載の培養装置。
- 前記体積可変手段が、前記反応槽内において拡縮可能な袋体と、前記袋体内に流体圧を給排する給排手段とを含むことを特徴とする請求項5〜9の何れか1項に記載の培養装置。
- 前記体積可変手段が、前記反応槽内に進退可能な棒体を含むことを特徴とする請求項5〜10の何れか1項に記載の培養装置。
- 前記体積可変手段が、前記反応槽内を、前記ガス供給部と連通する室と、前記ガス供給部から遮断された室とに仕切り可能、かつ前記遮断を解除可能な仕切りを含むことを特徴とする請求項5〜11の何れか1項に記載の培養装置。
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