JPWO2019188730A1 - 有機物質の製造方法 - Google Patents

Abstract

微生物を含む発酵槽から排出される有機物質含有液中の栄養分を保持したままで、微生物由来の有機物（代謝産物）を低減して低減することにより、有機物質含有液に含まれる各種栄養素を効率よく再利用することができる有機物質の製造方法を提供する。
少なくとも一酸化炭素を含む合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を製造する方法であって、微生物を含む発酵槽内に合成ガスを供給する合成ガス供給工程と、発酵槽内で合成ガスを微生物発酵させる発酵工程と、発酵工程で得られた液体の少なくとも一部を、排水処理部で好気発酵処理する好気発酵処理工程と、好気発酵処理工程で得られた液体を前記発酵槽に供給するリサイクル工程とを含み、前記好気発酵処理工程が、硝化細菌阻害剤の存在下で行われる、有機物質の製造方法。

Description

本発明は有機物質の製造方法に関し、特に、合成ガスを微生物変換することによって得られる発酵液を用いる有機物質の製造方法に関する。

近年、化石燃料資源枯渇への危惧や大気中の二酸化炭素増加という地球規模での環境問題の観点から、石油以外の原料で各種有機物質を製造する手法、例えばトウモロコシ等の可食原料から糖発酵法によってバイオエタノールを製造する方法が注目されている。

しかし、このような可食原料を用いた糖発酵法は、限られた農地面積を食料以外の生産に用いることから、食料価格の高騰を招く等の問題があり、かかる問題点を解決するため、従来廃棄されているような物質を原料に用いて有機物質を製造する方法及び装置が各種検討されている。

例えば、非特許文献１には、二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む合成ガスを、酢酸及びエタノールに変換する微生物の種類及び代謝系が開示されている。
また、特許文献１には、鉄鋼排ガス、廃棄物のガス化によって得られる合成ガス等から、微生物発酵によってエタノールを製造する方法が開示されている。

特開２０１５−５３８６６号公報

Michael Koepke et al., "Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas", Proc Natl Acad Sci USA, August 24, 2010, vol. 107, no. 34, 13087-13092

本発明者等は、特許文献１に記載のような廃棄物由来の合成ガスを原料に、微生物発酵によって有機物質を製造する方法の検討を行うと共に、さらに、微生物発酵槽から排出される有機物質含有液を、再度、微生物発酵槽に供給して効率良く有機物質を製造する新たな方法について独自に検討を行った。
しかしながら、当該有機物質含有液は、微生物由来の有機物（代謝産物）によって懸濁しており、そのまま微生物発酵槽に再度供給すると微生物発酵槽内の汚染が進み、ひいては培養に悪影響が出ることが判明した。
これに対して本発明者等は、当該有機物質含有液を、再度、微生物発酵槽に供給する前に、好気発酵処理を施すことにより、微生物由来の有機物（代謝産物）を分解することに成功し、微生物発酵槽内の汚染を抑制することを見出した。
しかしながら、好気発酵処理の際に、好ましくない硝化細菌もまた増殖してしまうことが判明し、その結果、微生物の栄養源として重要なアンモニアが、微生物の栄養源として使用できない硝酸に変換され、有機物質の製造に悪影響を及ぼすという新たな問題に直面した。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、微生物発酵槽から排出される有機物質含有液中の微生物由来の有機物（代謝産物）を好気発酵処理によって分解して低減し、当該好気発酵処理で得られた液体を、再度、微生物発酵槽に供給して効率良く有機物質を製造する方法であって、微生物の栄養源として重要なアンモニア等の栄養分を保持したままで、当該液体を効率良く再利用することができ、発酵層内の微生物の活性を損なうことなく、有機物質を高い生産性で製造する方法を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決する方法を鋭意検討した結果、微生物を含む発酵槽から排出される有機物質含有液を、硝化細菌阻害剤の存在下で好気発酵処理を施すことにより、微生物の栄養源として重要なアンモニア等の栄養分を保持したままで、当該好気発酵処理で得られた液体を効率良く再利用することができ、発酵槽内の微生物の活性を損なうことなく、有機物質を高い生産性で連続的に製造できることを見出した。

即ち、本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］ 少なくとも一酸化炭素を含む合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を製造する方法であって、微生物を含む発酵槽内に合成ガスを供給する合成ガス供給工程と、発酵槽内で合成ガスを微生物発酵させる発酵工程と、発酵工程で得られた液体の少なくとも一部を、排水処理部で好気発酵処理する好気発酵処理工程と、好気発酵処理工程で得られた液体を前記発酵槽に供給するリサイクル工程とを含み、前記好気発酵処理工程が、硝化細菌阻害剤の存在下で行われる、有機物質の製造方法。
［２］ 炭素源をガス化させることによって原料ガスを生成する原料ガス生成工程を更に含むと共に、前記合成ガスが当該原料ガスを含む、［１］に記載の有機物質の製造方法。
［３］ 硝化細菌阻害剤が、ヒドラジン、イソチアゾリン化合物、ジンアンジアミド等のアミン類 、リノール酸、α-リノレン酸、γ-リノレン酸、及び脂肪酸エステルであるリノール酸メチル 、1-Allyl-2-thiourea 又は２−クロロ−６−（トリクロロメチル）ピリジンからなる群から選択される、［１］又は［２］に記載の有機物質の製造方法。
［４］ 硝化細菌阻害剤が、1-Allyl-2-thioureaである、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
［５］ 好気発酵処理される液体が、硝化細菌阻害剤を０．０５〜１００ｍｇ／Ｌ含む、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
［６］ 精製工程を更に含むと共に、前記好気発酵処理される液体が当該精製の際に得られた精製廃液を含む、［１］〜［５］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
［７］ 前記好気発酵処理が、活性汚泥法によって行われる、［１］〜［６］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
［８］ 前記炭素源が、廃棄物を含む、［１］〜［７］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
［９］ 前記発酵槽が、微生物としてクロストリジウム属を含む、［１］〜［８］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
［１０］ 前記有機物質がエタノールである、［１］〜［９］のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。

本発明によれば、微生物を含む発酵槽から排出される有機物質含有液中の微生物由来の有機物（代謝産物）を好気発酵処理によって分解して低減することにより、好気発酵処理によって得られた液体を、再度、発酵槽に供給して効率良く有機物質を製造することができる。
また、本発明によれば、微生物を含む発酵槽から排出される有機物質を、硝化細菌阻害剤の存在下で好気発酵処理を施すことにより、好ましくない硝化細菌の増殖を抑制することができる。これにより、微生物の栄養源として重要なアンモニアが、微生の栄養源として使用できない硝酸に変換されることを防ぎ、栄養分を保持したままで、当該好気発酵処理で得られた液体を効率良く再利用することができる。このように、本発明によれば、発酵槽内の微生物の活性を損なうことなく、有機物質を高い生産性で効率良く連続的に製造することができる。

以下、本発明を実施する好ましい形態の一例について説明する。ただし、下記の実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明は下記の実施形態に何ら限定されるものではない。
本明細書において、ガス成分の存在割合は、特に断りがない限り、重量ではなく体積を基準とした割合とする。したがって、特に断りがない限り、百分率％は体積％を表し、ｐｐｍは体積ｐｐｍを表す。

［Ｉ．物質］

＜炭素源＞
本発明において使用する合成ガスの原料となる炭素源は、燃焼（ガス化）することで一酸化炭素又は二酸化炭素を生成することができれば特に限定されないが、例えば、製鉄所のコークス、高炉（高炉ガス）、転炉や石炭火力発電所に用いる石炭、焼却炉（特にガス化炉）に導入される一般廃棄物、産業廃棄物及び下水汚泥、バイオマス原料、各種産業によって副生した高分子を含む有機化合物や二酸化炭素等を用いることができる。
より詳しくは、炭素源には、プラスチック廃棄物、生ゴミ、布団や紙等の家庭ごみが混在する家庭ごみ；廃棄タイヤ、プラスチック廃棄物、食品廃棄物、建築廃材等の産業廃棄物；間伐材等の緑地残材；バガス、稲藁、麦藁、籾殻等の農業廃棄物；石炭、石油、天然ガス、シェールガス、メタンハイドレード等の化石燃料等が挙げられる。炭素源の種類によって生成物が変化するわけではないが、天然資源の使用量を減少させ、資源循環型社会形成という社会的な目標の観点から、家庭ごみ、産業廃棄物、下水汚泥を含む都市廃棄物（ＭＳＷ）が好ましく、発生量が多く処分地を圧迫している家庭ゴミを炭素源とすることが最も好ましい。

＜原料ガス＞
炭素源をガス化して得られる原料ガスは、一酸化炭素又は二酸化炭素を必須成分として含み、水素、酸素、窒素をさらに含んでもよい。その他の成分として、原料ガスは、スス、タール、窒素化合物、硫黄化合物、リン系化合物、芳香族系化合物等の成分をさらに含んでもよい。

原料ガスは、後述するように、原料ガス生成工程において、炭素源を燃焼（不完全燃焼）させる熱処理（通称：ガス化）を行うことにより、即ち、炭素源を部分酸化させることにより、一酸化炭素を２０体積％以上含むガスとして生成してもよい。
上記原料ガス生成工程として、例えば、廃棄物をガス化炉で燃焼させることや、鉄鋼製造時に石炭を加え加熱することや（製鉄工程）、有機物を燃焼させて得た二酸化炭素を金属触媒による逆シフト反応によって一酸化炭素に変換する方法等が挙げられる。

原料ガスが廃棄物由来である場合には、通常、原料ガスは、一酸化炭素を２０体積％以上８０体積％以下、二酸化炭素を１０体積％以上４０体積％以下、水素を１０体積％以上８０体積％以下含み、さらに窒素化合物を１ｐｐｍ以上、硫黄化合物を１ｐｐｍ以上、リン化合物を０．１ｐｐｍ以上、及び／又は芳香族系化合物を１０ｐｐｍ以上含む傾向にある。また、その他の環境汚染物質、ばいじん粒子、不純物等の物質が含まれる場合もある。そのため、微生物発酵層へ合成ガスを供給するにあたっては、原料ガスから、微生物の安定培養に好ましくない物質や、好ましくない量の化合物等を低減ないし除去し、原料ガスに含まれる各成分の含有量が微生物の安定培養に好適な範囲となるようにしておくことが好ましい。特に、芳香族系化合物の多くが細胞毒性を有することから、これらを原料ガスから低減及び除去することが好ましい。

＜合成ガス＞
炭素源をガス化して得られる合成ガスは、少なくとも一酸化炭素を必須成分として含み、水素、二酸化炭素、酸素、窒素、メタン、エタンをさらに含んでいてもよい。また、上記以外のその他の成分（以下、不純物と称することがある）として、合成ガスは、スス、タール、窒素化合物、硫黄化合物、リン系化合物、芳香族系化合物等の成分をさらに含んでもよい。

合成ガスは、硫黄化合物、リン化合物、及び窒素化合物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を０．０１ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ以下含んでもよい。上記化合物のそれぞれの含有量は、好ましくは０．０５ｐｐｍ以上、より好ましくは０．１ｐｐｍ以上、さらに好ましくは０．５ｐｐｍ以上であり、又、好ましくは８０ｐｐｍ未満、より好ましくは７０ｐｐｍ以下、より好ましくは６０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは４０ｐｐｍ以下である。下限値以上の含有比とすることにより、微生物が好適に培養できるという利点があり、又、上限値以下の含有比とすることにより、微生物が消費しなかった各種栄養源によって培地が汚染されないという利点がある。
硫黄化合物としては、通常、二酸化硫黄、ＣＳ_２，ＣＯＳ、Ｈ_２Ｓが挙げられ、中でもＨ_２Ｓと二酸化硫黄が微生物の栄養源として消費しやすい点で好ましい。そのため、合成ガス中にＨ_２Ｓと二酸化硫黄の和が上記範囲で含まれていることがより好ましく、二酸化硫黄のみで上記範囲含まれていることが特に好ましい。
リン化合物としては、リン酸が微生物の栄養源として消費しやすい点が好ましい。そのため、合成ガス中にリン酸が上記範囲で含まれていることがより好ましい。
窒素化合物としては、一酸化窒素、二酸化窒素、アクリルニトリル、アセトニトリル、ＨＣＮ等が挙げられ、ＨＣＮが微生物の栄養源として消費しやすい点で好ましい。そのため合成ガス中に、ＨＣＮが上記範囲で含まれていることがより好ましい。

合成ガスは、更に芳香族化合物を０．０１ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ以下含むことができる。上記芳香族化合物の含有比は、好ましくは０．０３ｐｐｍ以上、より好ましくは０．０５ｐｐｍ以上、さらに好ましくは０．１ｐｐｍ以上であり、又、好ましくは７０ｐｐｍ以下、より好ましくは５０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは３０ｐｐｍ以下である。下限値以上の含有比とすることにより、微生物が好適に培養できる傾向にあり、又、上限値以下の含有比とすることにより、微生物が消費しなかった各種栄養源によって培地が汚染されにくい傾向にある。芳香族化合物の例として、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、スチレンを挙げることができ、特に好ましい芳香族化合物は、キシレンである。

合成ガスは、後述するように、まず、炭素源をガス化させることによって原料ガスを生成し（原料ガス生成工程）、この原料ガスをそのまま用いてもよく、また、次いで原料ガス中の硫黄濃度を低減させる工程（前処理工程）を経て、得られたガスを合成ガスとして用いてもよい。原料ガスは、炭素源を燃焼（不完全燃焼）させる熱処理を行うことにより、すなわち、炭素源を部分酸化させることにより、一酸化炭素を主成分とするガスとして生成してもよい。なお、生成されるガスは、一酸化炭素の他、例えば、水素、水蒸気、二酸化炭素、窒素、酸素のようなガス成分を含有してもよいし、その他の成分として、スス、タール、窒素化合物、硫黄化合物、芳香族系化合物を含んでもよい。

ここで、上記の熱処理、すなわちガス化に供する炭素源に特に限定はなく、例えば、製鉄所からの廃棄物及び排気ガス、一般廃棄物及び廃棄物焼却炉からの燃焼ガスなど、リサイクルを目的として種々の炭素含有材料も好適に利用することができる。炭素源には、例えば、鉄金属生成物製造、非鉄生成物製造、石油精製過程、電力生成等の工業的過程で得られる副産物、バイオマスガス、天然ガス、シェールガス、関連石油ガスのような改質ガスを利用してもよい。また、処分され廃棄される廃棄物を炭素源として利用することは、経済性のみならず、エコロジカルな生態系への配慮の観点からも重要であり、かかる廃棄物として、例えば、プラスチック廃棄物、生ゴミ、都市廃棄物（ＭＳＷ）、廃棄タイヤ、バイオマス廃棄物、布団や紙などの家庭ごみ、建築部材等も挙げられ、これらのうちの１種を単独で又は２種以上を組み合わせて、ガス化処理に供してもよい。廃棄物由来の原料ガスの場合には、通常、窒素化合物を１ｐｐｍ以上、硫黄化合物を１００ｐｐｍ以上、リン化合物を０．１ｐｐｍ以上、芳香族系化合物を１００ｐｐｍ以上含む。特に硫黄化合物や芳香族系化合物が多量含まれるため、連続発酵槽に供給する前に後述の前処理設備によって、好適な含有量に調整することが好ましい。

合成ガス中の二酸化炭素濃度は、後述するように、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素の合計濃度に対して、０．１体積％以上、好ましくは０．３体積％以上、より好ましくは０．５体積％以上、さらに好ましくは０．８体積％以上、特に好ましくは１体積％以上であり、かつ、９体積％以下、好ましくは８体積％以下、より好ましくは７体積％以下、さらに好ましくは６体積％以下、特に好ましくは５体積％以下に制御される。合成ガス中の二酸化炭素濃度を制御する方法は、公知の方法であれば特に限定されないが、例えば原料ガスの前処理工程において、ゼオライト等の二酸化炭素吸着能を有する吸着剤を充填したＰＳＡ（圧力変動吸着法）装置や、アミン系吸着液を用いたＴＳＡ（熱変動吸着法）装置と接触させることにより、合成ガス中の二酸化炭素濃度を低減し、上記範囲内となるように制御することができる。
なお、本発明において、“制御する”とは、安定してエタノールを生産し始めてから、微生物の培養を止めるまでの全期間において、９５％以上の期間を前記条件で運用することを意味し、発酵槽中で種菌を増殖させる初期立ち上げ工程、及び培地や合成ガスの供給を停止し、菌の培養を停止する終了工程の期間は含まれない。

また、合成ガス中の一酸化炭素濃度は、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素の合計濃度に対して、通常２０体積％以上８０体積％以下であり、好ましくは２５体積％以上５０体積％以下であり、より好ましくは３５体積％以上４５体積％以下である。
また、合成ガス中の水素濃度は、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素の合計濃度に対して、通常１０体積％以上８０体積％以下であり、好ましくは３０体積％以上５５体積％以下であり、より好ましくは４０体積％以上５０体積％以下である。
さらに、合成ガス中の窒素濃度は、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素の合計濃度に対して、通常４０体積％以下であり、好ましくは１体積％以上２０体積％以下であり、より好ましくは５体積％以上１５体積％以下である。
これら一酸化炭素、水素及び窒素の濃度は、原料ガス生成工程において炭素源のＣ−Ｈ−Ｎ元素組成を変更することや、燃焼温度や燃焼時供給ガスの酸素濃度等の燃焼条件を適宜変更することで、所定の範囲とすることができる。例えば、一酸化炭素や水素濃度を変更したい場合は、廃プラ等のＣ−Ｈ比率が高い炭素源に変更し、窒素濃度を低下させたい場合は原料ガス生成工程において酸素濃度の高いガスを供給する方法等がある。

＜微生物＞
合成ガスを微生物発酵させる微生物（種）は、一酸化炭素を主たる原料として合成ガスを微生物発酵させることによって所望の有機物質を製造できるものであれば、特に限定されない。例えば、微生物（種）は、ガス資化性細菌の発酵作用によって、合成ガスから有機物質を生成するものであることが好ましい。ガス資化性細菌のなかでも、一酸化炭素を酢酸を含む有機物質に製造するＣＯＡ代謝回路を有する微生物が好ましく、ガス資化性及び培養安定性の観点からクロストリジウム（Clostridium）属がより好ましく、クロストリジウム・オートエタノゲナムが特に好ましい。以下、さらに詳細に例示する。

ガス資化性細菌は、真性細菌及び古細菌の双方を含む。
真性細菌としては、例えば、クロストリジウム（Clostridium）属細菌、ムーレラ（Moorella）属細菌、アセトバクテリウム（Acetobacterium）属細菌、カルボキシドセラ（Carboxydocella）属細菌、ロドシュードモナス（Rhodopseudomonas）属細菌、ユーバクテリウム（Eubacterium）属細菌、ブチリバクテリウム（Butyribacterium）属細菌、オリゴトロファ（Oligotropha）属細菌、ブラディリゾビウム（Bradyrhizobium）属細菌、好気性
水素酸化細菌であるラルソトニア（Ralsotonia）属細菌等が挙げられる。

一方、古細菌としては、例えば、Methanobacterium属細菌、Methanobrevibacter属細菌、Methanocalculus属、Methanococcus属細菌、Methanosarcina属細菌、Methanosphaera属細菌、Methanothermobacter属細菌、Methanothrix属細菌、Methanoculleus属細菌、Methanofollis属細菌、Methanogenium属細菌、Methanospirillium属細菌、Methanosaeta属細菌、Thermococcus属細菌、Thermofilum属細菌、Arcaheoglobus属細菌等が挙げられる。これらの中でも、古細菌としては、Methanosarcina属細菌、Methanococcus属細菌、Methanothermobacter属細菌、Methanothrix属細菌、Thermococcus属細菌、Thermofilum属細菌、Archaeoglobus属細菌が好ましい。

さらに、一酸化炭素及び二酸化炭素の資化性に優れることから、古細菌としては、Methanosarcina属細菌、Methanothermobactor属細菌、又はMethanococcus属細菌が好ましく、Methanosarcina属細菌、又はMethanococcus属細菌が特に好ましい。なお、Methanosarcina属細菌の具体例として、例えば、Methanosarcina barkeri、Methanosarcina mazei、Methanosarcina acetivorans等が挙げられる。

以上のようなガス資化性細菌の中から、目的とする有機物質の生成能の高い細菌が選択されて用いられる。例えば、エタノール生成能の高いガス資化性細菌としては、クロストリジウム・オートエタノゲナム（Clostridium autoethanogenum）、クロストリジウム・ユングダリイ（Clostridium ljungdahlii）、クロストリジウム・アセチクム（Clostridium aceticum）、クロストリジウム・カルボキシジボランス（Clostridium carboxidivorans）、ムーレラ・サーモアセチカ（Moorella thermoacetica）、アセトバクテリウム・ウッディイ（Acetobacterium woodii）等が挙げられる。

＜培地＞
本発明で上記微生物を培養する際に用いる培地は、菌に応じた適切な組成であれば特に限定されない。

＜有機物質及びその用途＞
本発明による製造方法により得られる有機物質は、一酸化炭素から微生物発酵によって製造される有機物質であれば特に限定されないが、例えば、炭素数１〜１２のアルコール、炭素数１〜１２のジオール、酢酸、乳酸、イソプレン、ブタジエン等の化合物が挙げられ、好ましくは炭素数１〜４のアルコール又はジオールであり、より好ましくはエタノールを含むことが好ましい。これら有機物質は例えば、プラスチックや樹脂等の原料として用いることもできるし、各種溶媒、殺菌剤、又は燃料として用いることもできる。高濃度のエタノールは、ガソリン等に混合する燃料エタノールとして用いることができる他、例えば、化粧品、飲料、化学物質、燃料（ジェット燃料）等の原材料、食品等の添加物として用いることができ、汎用性が極めて高い。
［ＩＩ．製造方法］

＜原料ガス生成工程＞
原料ガス生成工程（ガス化工程）は、前記炭素源をガス化させることによって前記原料ガスを生成する工程である。原料ガス生成工程では、ガス化炉を用いてもよい。ガス化炉は、炭素源を燃焼（不完全燃焼）させる炉であり、例えば、シャフト炉、キルン炉、流動床炉、ガス化改質炉等が挙げられる。ガス化炉は、廃棄物を部分燃焼させることにより、高い炉床負荷、優れた運転操作性が可能となるため、流動層炉式であることが好ましいがこれに限定されるものではない。ごみなどの廃棄物を部分燃焼させることにより、高い炉床負荷、優れた運転操作が可能となる。ガス化は、例えば、４５０〜６００℃の低酸素の雰囲気下で、廃棄物を加熱（蒸し焼き）し、熱分解して、ガス（一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン等）と炭素分を多く含むチャーに分解することで達成してもよい。このように、比較的低温低酸素雰囲気の流動床炉でガス化を行う場合、廃棄物に含まれる不燃物が炉底より衛生的で酸化度の低い状態で分離され得るため、不燃物中のアルミや鉄などの有価物を選択し回収することが可能である。したがって、このようなプロセスを利用することにより、効率の良い資源リサイクルが可能となる点においても、産業上有利である。

原料ガス生成工程における上記のガス化の温度は、通常１００℃以上、１５００℃以下、好ましくは２００℃以上、１２００℃以下で行われる。

原料ガス生成工程におけるガス化の反応時間は、通常、２秒以上、好ましくは５秒以上である。

＜前処理工程＞
合成ガスにおける各種ガス組成や不純物量が微生物培養に好適でない場合には、前処理工程を加えてもよい。
前処理工程は合成ガスに含まれ、微生物培養に好ましくない成分を除去・低減し、微生物発酵に好ましい組成の精製ガスとする工程である。
上記好ましくない成分とは、微生物に対して不適な成分であり、例えば細胞毒性を有する上述の不純物；前処理工程の各装置に対する阻害成分、嫌気性微生物に対する酸素等の有毒ガス成分である。
細胞毒性を有する不純物や、装置に対する阻害成分、有毒ガス成分は、選択した装置、微生物種に応じて適切に選択することが出来る。

前処理工程は、例えば、スクラバー（水溶性不純物分離装置）、ガスチラー（水分分離装置）、サイクロン、バグフィルターのような微粒子（スス）分離装置、脱硫装置（硫化物分離装置）、低温分離方式（深冷方式）の分離装置、膜分離方式の分離装置、圧力スイング吸着方式の分離装置（ＰＳＡ）、温度スイング吸着方式の分離装置（ＴＳＡ）、圧力温度スイング吸着方式の分離装置（ＰＴＳＡ）、脱酸素装置、活性炭を用いた分離装置、銅触媒又はパラジウム触媒を用いた分離装置等のうちの１種又は２種以上を用いて処理することができる。本発明においては、前処理工程が、スクラバー及び／又は吸着装置によって原料ガスを処理する工程であってもよい。

スクラバーは、ガス中の汚染物質等を除去するために用いられ、その目的に応じて、湿式洗浄法又は乾式洗浄法のいずれも用いることができる。このうち、粒子状の物質が洗浄液と接触することにより行われる、湿式洗浄法を好適に用いることができ、一例として、いわゆるウォーターカーテンを用いた洗浄法を用いることができる。湿式洗浄法を使用した場合、洗浄液は、例えば、水、酸性溶液、アルカリ性溶液等を用いることでき、中でも水であることが好ましい。また、洗浄液の液温は、通常４０℃以下、好ましくは、３０℃以下、さらに好ましくは２５℃以下、最も好ましくは、１５℃以下で行われる。スクラバーは、スス、タール、芳香性化合物を除去する際に好ましく用いられる。

吸着装置は、ガス中の一酸化炭素を吸着する性能があればよく、吸着のみを目的とした設備としては、例えば、脱硫層、脱酸素層を挙げることができる。
このうち、脱硫層は、硫黄分を除去することができれば特に限定されることはない。脱硫層で硫黄分を十分に除去ないし低減できず、硫黄分が多いままであると、後段で吸脱着設備が存在する際に、そこで悪影響を及ぼすおそれがある。
一方、脱酸素層は、酸素成分を除去することができれば特に限定されることはない。脱酸素層で酸素成分を十分に除去ないし低減できず、酸素成分が多いままであると本発明で用いられる微生物、特に嫌気性微生物が死滅してしまうおそれがある。
また、吸脱着装置を設けてもよく、その場合、ＰＳＡ、ＴＳＡ、ＰＴＳＡのいずれも好適に用いることができる。さらに不要な不純物を除去するため、他の装置を任意に設けてもよい。
吸脱着装置に用いる吸脱着材としては、活性炭、ゼオライト、モレキュラーシーブズ等の多孔質材料や、アミン溶液等の水溶液を用いることができる。中でも、芳香族化合物及び硫黄化合物を吸着できる活性炭又はゼオライトが好ましく用いられる。なお、上記したように、ガス中の硫黄分や水分量が多いままであると、吸脱着材に悪影響を及ぼすおそれがあることから、吸脱着装置は脱硫層の後に設けると良い。

＜合成ガス供給工程＞
合成ガス供給工程は、上記のようにして得られた合成ガスを、微生物を含む発酵槽内に供給する工程である。供給される合成ガスは、一酸化炭素を含むとともに、水素を含んでもよく、二酸化炭素の含有量が、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素の合計濃度に対して、０．１体積％以上９体積％以下に制御されていることに特徴を有するものである。本発明においては、合成ガス中に含まれる二酸化炭素量を上記範囲とすることにより、合成ガス中の一酸化炭素を高効率で有機物質に変換できる。この理由は定かではないが 以下のように推測できる。

一酸化炭素、二酸化炭素及び水素を含む合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を得る場合、非特許文献１等にも開示されているように、微生物（例えばエタノール生成菌）が酢酸を経由してエタノールを生成するものと考えられている。このとき、図１に示すように、一酸化炭素のみならず二酸化炭素からも酢酸を経由してエタノールが生成する。そのため、合成ガス中の二酸化炭素には着目されていなかった。例えば、鉄鋼排ガスや炭素源をガス化した後の原料ガスは二酸化炭素が１０〜３０体積％程度含まれていることが知られているが、上記の理由により、原料ガスを微生物発酵に供するにあたり原料ガス中の二酸化炭素濃度をあえて制御する必要はないと考えられていた。

しかしながら、一酸化炭素と二酸化炭素ではエネルギー準位が異なっており、一酸化炭素に比べて二酸化炭素のエネルギー準位が低く安定であることから、二酸化炭素から酢酸を経由してエタノールを生成する際に必要とされるエネルギーは、一酸化炭素から酢酸を経由してエタノールを生成する際と比較して大きくなると考えられる。その結果、二酸化炭素濃度が増大すると、副生成物として生成する酢酸の生成量が増加してしまい、エタノールの生成量が低下するものと考えられる。そのため、本発明においては、合成ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の上限を９体積％、好ましくは８体積％以下、より好ましくは７体積％以下、さらに好ましくは６体積％以下、特に好ましくは５体積％以下とするものである。

また、微生物発酵に供する合成ガス中に全く二酸化炭素が含まれない（即ち二酸化炭素濃度が０％）と、エタノールの生成量は低下する。従来、微生物発酵により一酸化炭素から酢酸やエタノールを製造する過程では、図１に示すように、微生物が一酸化炭素を取り込むと二酸化炭素に変換されるため、あえて外部から二酸化炭素を微生物に供給する必要はないと考えられていた。本発明者らは、微量の二酸化炭素を含む合成ガスを用いた方が、エタノールの生産性が向上することを見出した。これは、合成ガス中に微量の二酸化炭素が含まれることで微生物代謝系のバランスが良好になり、その結果、エタノールの生産性が向上するものと考えられる。そのため、本発明においては、合成ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の下限を０．１体積％、好ましくは０．３体積％以上、より好ましくは０．５体積％以上、さらに好ましくは０．８体積％以上、特に好ましくは１体積％以上とするものである。

合成ガスの成分条件を充足する限り、原料ガス生成工程及びその後の前処理工程を経て得られたガスをそのまま合成ガスとして用いてもよい。あるいは、原料ガス生成工程及び前処理工程を経て得られたガスに、別の所定のガスを追加してから合成ガスとして用いてもよい。別の所定ガスとして、例えば二酸化硫黄等の硫黄化合物、リン化合物、及び窒素化合物からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を加えて合成ガスとしてもよい。

＜発酵工程＞
本発明による発酵工程は、上記した合成ガスを微生物発酵させて、有機物質を製造する工程である。発酵工程では、上記の微生物（種）を含む発酵槽を用いる。発酵槽は、微生物種の他に培地（培養液）を含んでもよい。ある種の嫌気性微生物は、発酵作用によって、合成ガス等の基質ガスから、エタノール等の有価物である有機物質を生成することが知られており、この種のガス資化性微生物は、液状の培地で培養される。例えば、培養液とガス資化性細菌とを供給して収容しておき、この状態で培養液を撹拌しつつ、発酵層内に合成ガスを供給してもよい。これにより、培養液中でガス資化性細菌を培養して、その発酵作用により合成ガスから有機物質を生成することができる。

培養液は、主成分の水と、この水に溶解又は分散された栄養分（例えば、ビタミン、リン酸等）とを含有する液体である。このような培養液の組成は、ガス資化性細菌が良好に成育し得るように調製される。

発酵槽は、連続発酵装置とすることが好ましい。一般に、微生物発酵槽は任意の形状のものを用いることができ、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、ループ型、オープンボンド型、フォトバイオ型が挙げられる。

＜精製工程＞
本発明による有機物質の製造方法においては、発酵工程における微生物発酵を経て得られた有機物質含有液を、その後、精製を目的とする精製工程に供してもよい。精製工程は、発酵工程において得られた有機物質含有液から所望の有機物質を精製（濃縮）する工程である。後述の精製方法によっては、事前に有機物質含有液から微生物を分離する固液分離工程が含まれていてもよい。固液分離工程で用いられる装置としては、例えば、セラミックフィルター、遠心分離装置、砂濾過装置等が挙げられ、微生物の粒径に応じた適切な装置を選択することができる。

精製工程で用いられる装置は、例えば、蒸留装置、浸透気化膜を含む処理装置、ゼオライト脱水膜を含む処理装置、有機物質より沸点の低い低沸点物質を除去する処理装置、有機物質より沸点の高い高沸点物質を除去する処理装置、イオン交換膜を含む処理装置等が挙げられる。これらの装置は単独で又は２種以上を組み合わせてもよい。単位操作としては、加熱蒸留や膜分離を好適に用いてもよい。

加熱蒸留では、蒸留装置を用いて、所望の有機物質を高純度で精製することができる。有機物質（特に、エタノール）の蒸留時における蒸留器内の温度は、特に限定されないが、１００℃以下であることが好ましく、７０〜９５℃程度であることがより好ましい。蒸留器内の温度を前記範囲に設定することにより、必要な有機物質とその他の成分との分離、即ち、有機物質の蒸留（精製）をより確実に行うことができる。

有機物質の蒸留時における蒸留装置内の圧力は、常圧であってもよいが、好ましくは大気圧未満、より好ましくは６０〜９５ｋＰａ（ゲージ圧）程度である。蒸留装置内の圧力を前記範囲に設定することにより、有機物質の分離効率を向上させること、ひいては有機物質の収率を向上させることができる。有機物質の収率（蒸留後に得られた有機物質の濃度）は、好ましくは９０重量％以上、より好ましくは９９重量％以上、特に、９９．５重量％以上とすることが好ましい。

膜分離では、ゼオライト膜、デンドリマー膜、中空糸膜等の公知の水分離膜から、目的とする有機物質に最適なものを選択することができる。

精製工程において得られた廃液（精製廃液）は、再利用の観点から、後述の好気発酵処理工程において用いてもよく、例えば、好気発酵処理される液体に含ませることができる。一例として、発酵工程で得られた液体（有機物質含有液）の少なくとも一部を、廃水処理部で好気発酵処理する際に、その液体の一部に精製廃液を添加してもよい。このように精製廃液を再利用することにより、製造コストを抑制し、且つ、精製廃液の廃棄量を削減して環境に配慮することが可能となる。

＜好気発酵処理工程＞
本発明による有機物質の製造方法においては、発酵工程における微生物発酵を経て得られた有機物質を含む液体（有機物質含有液）の少なくとも一部を、排水処理部等の排水処理設備において好気発酵処理を行う、好気発酵処理工程を含むことが好ましい。

好気発酵処理工程は、硝化細菌阻害剤の存在下で行うのが好ましい。
このように、微生物を含む発酵槽から排出される有機物質を、硝化細菌阻害剤の存在下で好気発酵処理を施すことにより、好ましくない硝化細菌の増殖を抑制することができる。これにより、微生物の栄養源として重要なアンモニアが、微生の栄養源として使用できない硝酸に変換されることを防ぎ、栄養分を保持したままで、当該好気発酵処理で得られた液体を効率良く再利用することができる。このように、本発明の製造方法を用いることにより、発酵槽内の微生物の活性を損なうことなく、有機物質を高い生産性で効率良く連続的に製造することができる。

硝化細菌阻害剤としては、アンモニアモノオキシゲナーゼ（ＡＭＯ）やヒドロキシルアミン酸化還元酵素（Hydroxylamine oxidoreductase：ＨＡＯ）をターゲットとした阻害剤が挙げられる。特に硝化細菌阻害剤として、ヒドラジン、イソチアゾリン化合物、ジンアンジアミド等のアミン類、リノール酸、α-リノレン酸、γ-リノレン酸、及び脂肪酸エステルであるリノール酸メチル、1-Allyl-2-thiourea 又は２−クロロ−６−（トリクロロメチル）ピリジンからなる群から選択されるものを好適に用いることができる。このうち、1-Allyl-2-thiourea 又は２−クロロ−６−（トリクロロメチル）ピリジンは、揮発性が低い点でより好ましく、1-Allyl-2-thiourea が最も好ましい。このような特定の硝化細菌阻害剤を用いることにより、例えば、発酵工程に影響を与えず、十分な硝化細菌阻害効果が得られるので特に好ましい。

本発明の一実施形態では、好気発酵処理される液体が、硝化細菌阻害剤を０．０５ｍｇ／Ｌ以上、好ましくは０．１ｍｇ／Ｌ以上、より好ましくは１ｍｇ／Ｌ以上含み、また、１００ｍｇ／Ｌ以下、好ましくは１０ｍｇ／Ｌ以下、より好ましくは１ｍｇ／Ｌ以下を含む。このように、下限値以上の硝化細菌阻害剤を含むことにより、硝化細菌を抑制する効果を十分に確保でき、また、上限値以下の硝化細菌阻害剤を含むことにより、微生物への悪影響を十分に抑制し、微生物の活性を維持することが可能となる。

好気発酵処理工程は、本発明の目的を達成しうる方法であれば特に限定されないが、活性汚泥法によって行われるのが好ましい。活性汚泥法とは、細菌、原生動物、後生動物等の微生物を多く含む活性汚泥を利用して、対象となる液体を処理する方法であり、液体中に含まれる有機物主体の汚濁物質を、活性汚泥中の微生物が分解・吸収することによって、対象とする液体中から取り除くものである。また、活性汚泥法の他の例を挙げると、処理対象の液体中に酸素を供給することで好気性の条件を保持し、好気性の微生物の代謝作用を利用することにより、油脂成分を分解し、資化する方法を意味する。このような活性汚泥法を用いることにより、処理プロセスを単純化でき、ランニングコストも低く抑えることができる。

＜リサイクル工程＞
本発明による有機物質の製造方法においては、好気発酵処理工程を経て得られた有機物質を含む液体（有機物質含有液）を、再度、微生物を含む発酵槽に供給するリサイクル工程を含むことが好ましい。このように、本発明の製造方法を用いることにより、製造コストの上昇を抑制し得ると共に、発酵槽内の微生物の活性を損なうことなく有機物質を高い生産性で効率良く、連続的に製造することができる。

［有機物質及びその用途］
本発明による製造方法により得られる有機物質は、例えば、メタノール、エタノール、２，３−ブタンジオール、酢酸、乳酸、イソプレン、ブタジエン等が挙げられ、好ましくは炭素数１〜４のアルコール又はジオール類であり、より好ましくはエタノールを含むことが好ましい。本発明の製造方法により得られる有機物質の用途は、特に限定されない。製造された有機物質は、例えば、プラスチックや樹脂等の原料として用いることもできるし、各種溶媒、殺菌剤、又は燃料として用いることもできる。高濃度のエタノールは、ガソリン等に混合する燃料エタノールとして用いることができる他、例えば、化粧品、飲料、化学物質、燃料（ジェット燃料）等の原材料、食品等の添加物として用いることができ、汎用性が極めて高い。

［ＩＩＩ．本発明の作用］
本発明の製造方法を採用することにより、後述する実施例において、所望の有機物質を高い生産性で好適に製造できたことを実証することができたが、本発明の作用は、検討の経緯を含めて以下のように考えられる。
発明者等の検討により、有機物質含有液を、活性汚泥と接触させる好気発酵処理工程を経る際に、硝化細菌が生成して汚染物質となり、微生物群の中で増殖してしまうという問題が見出されていた。通常、好気発酵処理工程では酸素源として多量の空気を用いるため、空気中に汚染源となる物質が存在していたことが一因として考えられるが、それら汚染源を全て遮断することは現実的に極めて難しい状況にあった。
このような状況下において、発明者等は、硝化細菌阻害剤存在下で好気発酵処理工程を行うことを独自に着想するに至り、実験によって具体化したところ、好ましからざる硝化細菌を殺菌又は増殖を実際に阻害することができ、結果として上記課題が解決できたものと考えられる。
また、本発明者等の検討によれば、硝化細菌阻害剤が含まれる対象の液体を、再度、微生物を含む発酵槽に供給する実験を行うにあたり、十分な硝化細菌阻害作用があり、且つ、微生物発酵槽での培養に悪影響を与えない硝化細菌阻害剤を見出す必要があったが、鋭意検討した結果、多種多様の殺菌剤の中から特定の構造を持つ硝化細菌阻害剤を用いることを着想し、実験によって具体化して検証したことにより、上記課題が解決できたものと考えられる。

以下の実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
主反応器、合成ガス供給孔、培地供給孔、排出孔を備えた連続発酵装置（発酵槽）内に、クロストリジウム・オートエタノゲナム（微生物）の種菌と、菌培養用の液状培地（リン化合物、窒素化合物及び各種ミネラル等を適切量含む）とを充填した。
次に、上記連続発酵装置に、一酸化炭素３０体積％、二酸化炭素１０体積％、水素３５体積％及び窒素２５体積％からなる合成ガスを準備し、連続発酵装置に供給し、培養（微生物発酵）を行った。
培養後、微生物発酵槽から排出されるエタノール含有液を採取し、蒸留塔で沸騰させ続け、エタノール精製液と精製排水とに分離した。次に、硝化細菌阻害剤である1-Allyl-2-thioureaを精製排水に対して、２ｍｇ／Ｌとなるように添加し、その後、ＪＩＳ規格 Ｋ０１０２に準拠する方法で硝化細菌抑制条件下での生物化学的酸素要求量（以下、「ＡＴＵ−ＢＯＤ」 と称することがある）を測定した。
なお、ＡＴＵ−ＢＯＤは当業者にとって公知の測定方法であり、液体試料にＮ−アリルチオ尿素（ＡＴＵ）を添加することにより硝化作用を抑制した生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ：Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ）のことを指す。ＡＴＵ−ＢＯＤを用いることにより、硝化細菌の量による影響を低減し、有機物のみによる酸素消費量を測定することができるメリットがある。
実施例１においては、同一条件下での実験を、異なる日において計３回行った。ＡＴＵ−ＢＯＤの測定結果を表１に示す。

［比較例１］
硝化細菌阻害剤を添加しなかった以外は、実施例１と同様に実験を行った。すなわち、硝化細菌共存下での生物化学的酸素要求量（以下、「ＢＯＤ」と称することがある）を測定した。
比較例１においても、同一条件下での実験を、異なる日において計３回行った。ＢＯＤの測定結果を表１に示す。

＜考察＞
表１に記載のとおり、上記複数回の各実験結果の対比から、比較例１に比べて実施例１の生物化学的酸素要求量の値が小さく、両者の差異を明確に確認することができる。すなわち、実施例１では、硝化細菌阻害剤である1-Allyl-2-thioureaの存在により、好ましからざる硝化細菌の活動が抑制され、その結果、比較例に比べて生物化学的酸素要求量の値が小さくなっていることが確認される。

［実施例２］
主反応器、合成ガス供給孔、培地供給孔、排出孔を備えた連続発酵装置（発酵槽）内に、クロストリジウム・オートエタノゲナム（微生物）の種菌と、菌培養用の液状培地（リン化合物、窒素化合物及び各種ミネラル等を適切量含む）とを充填した。
次に、上記連続発酵装置に、一酸化炭素３０体積％、二酸化炭素１０体積％、水素３５体積％及び窒素２５体積％からなる合成ガスを準備し、連続発酵装置に供給し、培養（微生物発酵）を行った。
培養開始から２５日間経過観察を行ったが、安定して合成ガスをエタノールに資化し続けた。

培養開始から２５日経過した発酵槽内に、硝化細菌阻害剤である1-Allyl-2-thioureaを、発酵槽内の全溶液量に対して２ｍｇ／Ｌの濃度となるように添加した。
その後、２４時間にわたって経過観察を行い、合成ガスのエタノール資化率を測定したが、大きな変動は見られなかった。

＜考察＞
上記結果から、実施例１及び２で用いた硝化細菌阻害剤である1-Allyl-2-thioureaは、発酵槽内の微生物に一切悪影響を与えず、有機物質であるエタノールの製造方法において、好適な硝化細菌阻害剤であることが明らかになった。

以上、本発明の有機物質の製造方法について、本発明の好ましい実施形態に従い限定的ではなく例示的に本発明を説明したが、当業者であれば、添付された特許請求の範囲によって規定される発明の範囲から逸脱することなく、その変形及び／又は修正を行うことが可能であると理解されるべきである。

Claims (10)

1. 少なくとも一酸化炭素を含む合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を製造する方法であって、
   微生物を含む発酵槽内に合成ガスを供給する合成ガス供給工程と、
   発酵槽内で合成ガスを微生物発酵させる発酵工程と、
   発酵工程で得られた液体の少なくとも一部を、排水処理部で好気発酵処理する好気発酵処理工程と、
   好気発酵処理工程で得られた液体を前記発酵槽に供給するリサイクル工程と
   を含み、
   前記好気発酵処理工程が、硝化細菌阻害剤の存在下で行われる、有機物質の製造方法。
2. 炭素源をガス化させることによって原料ガスを生成する原料ガス生成工程を更に含むと共に、前記合成ガスが当該原料ガスを含む、請求項１に記載の有機物質の製造方法。
3. 硝化細菌阻害剤が、ヒドラジン、イソチアゾリン化合物、ジンアンジアミド等のアミン類 、リノール酸、α-リノレン酸、γ-リノレン酸、及び脂肪酸エステルであるリノール酸メチル 、1-Allyl-2-thiourea 又は２−クロロ−６−（トリクロロメチル）ピリジンからなる群から選択される、請求項１又は２に記載の有機物質の製造方法。
4. 硝化細菌阻害剤が、1-Allyl-2-thioureaである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
5. 好気発酵処理される液体が、硝化細菌阻害剤を０．０５〜１００ｍｇ／Ｌ含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
6. 精製工程を更に含むと共に、前記好気発酵処理される液体が当該精製の際に得られた精製廃液を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
7. 前記好気発酵処理が、活性汚泥法によって行われる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
8. 前記炭素源が、廃棄物を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
9. 前記発酵槽が、微生物としてクロストリジウム属を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
10. 前記有機物質がエタノールである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。