WO2016043163A1 - 微生物の培養方法及び培養装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上掲特許文献1の培養装置は、微生物を培養液より長い時間培養槽に滞在させるとき有効である。しかし、例えば微生物の増殖の程度や基質ガスの供給状況等に応じて安定的な培養のために、一部の微生物を培養槽から排出すべき必要が生じた場合、その一部の微生物を含む培養液ごと排出する必要がある。したがって、微生物を培養液よりも速く系外へ排出することはできない。すなわち、微生物の排出速度は、培養液の排出速度を上回ることができない。微生物の排出速度を上げるには培養液の排出速度を上げる必要がある。そのため、培養液の排出量が多くなるという不都合がある。
本発明は、上記事情に鑑み、ガス資化性微生物を、基質ガスの供給状態の変動に拘わらず、安定的に培養することを第1の課題とする。
また、本発明は、培養槽内の微生物を安定的に培養するとともに、培養槽から微生物の一部を排出すべき必要が生じた場合に培養液の無駄を防止することを第2の課題とする。
培養槽の培養液で前記ガス資化性微生物を培養する工程と、
前記基質ガスを前記培養槽に供給する工程と、
前記ガス資化性微生物を含む前記培養液の一部を排出培養液として前記培養槽から排出する量(排出量)を調節する工程と、
を備え、前記排出量調節工程において前記基質ガス又は前記所定成分の前記培養槽への供給流量が所定値以下になるとき事前に、又は前記所定値以下になったときは、前記培養液を前記培養槽から急速排出することを特徴とする。
この方法によれば、基質ガス又はその所定成分の供給状態が悪化したときは、培養槽の培養液ひいてはガス資化性微生物を急速排出することによって、培養槽内のガス資化性微生物の個体数を減らすことができる。これによって、培養槽内のガス資化性微生物の各個体あたりの基質ガスの摂取量を確保できる。この結果、培養槽内のガス資化性微生物が死滅するのを回避でき、ガス資化性微生物を安定的に培養することができる。前記培養槽から培養液をある程度排出した後は、排出量を増大前の大きさ付近まで戻すことが好ましい。そして、基質ガス又は前記所定成分の供給状態が回復したときは、ガス資化性微生物による発酵が急速に復活し、増殖も進む。
ここで、「供給流量が所定値以下になる」とは、供給流量が、通常運転モードの例えば3割~8割程度以下、好ましくは5割程度以下になることを言う。或いは、基質ガス供給装置がn台(nは2以上の整数)有る場合において、m台(mは1以上n以下の整数)の基質ガス供給装置がトラブルやメンテナンスで運転停止等になることで、供給流量が通常運転モードの例えば(n-m)/n倍(基質ガス供給装置ごとの通常運転モードでの供給流量が互いに等しい場合)になることであってもよい。
「基質ガス又は所定成分の供給状態」とは、基質ガスの流量、基質ガスの所定成分の流量、前記所定成分の分圧、基質ガスの圧力、基質ガスの温度等を含む。「所定成分」は、前記基質ガスの成分のうち、前記ガス資化性微生物の生存、発酵、増殖等の生命活動に特に有効な成分であることが好ましい。また、「排出量を調節する」とは、排出している状態でその排出量を増やしたり減らしたりすることだけでなく、排出を停止していた状態から排出を開始すること、排出している状態から排出を停止すること、及び排出している状態でその排出量を変えずに維持することも含む。この明細書において「排出量を増やす」とは、排出している状態でその排出量をより大きくすることだけでなく、排出を停止していた状態から排出を開始することも含む。「排出量」とは、単位時間当たりの排出量(排出流量)でもよく、1回の排出操作における全排出量でもよい。
前記急速排出工程では、前記排出量を一時的に増やすことが好ましい。「前記排出量を一時的に増やす」とは、ある期間における単位時間当たりの排出量(排出流量)をそれ以前よりも大きくし、前記ある期間の経過後、単位時間当たりの排出量(排出流量)を小さくすること、並びに、断続的又は周期的にまとめて排出操作する場合に1又は数回の排出操作時における排出量をそれ以前及びそれ以後の排出操作時における排出量よりも大きくすることを含む。なお、急速排出の開始後、培養終了時まで前記排出量を増大させた値のまま維持してもよい。
前記希釈培養液を前記培養槽へ戻す工程と、
前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出する工程と、
を更に含むことが好ましい。
ここで、「希釈」とは、前記排出培養液中の前記ガス資化性微生物を完全に除去する場合をも含む。「希釈培養液」は、ガス資化性微生物濃度が0の培養液を含む。
これによって、フィルターが例えばクロスフロー型フィルターであっても、排出培養液を希釈培養液と濃縮培養液とに効率的に分離でき、高濃度の濃縮培養液を得ることができる。
前記濃度が所定になるように前記濃縮培養液と前記希釈培養液との分離比を調節する工程と、
を更に含むことが好ましい。
前記希釈培養液を貯留する工程と、
前記急速排出と同時又は相前後して、前記貯留した希釈培養液を前記培養槽に戻す工程と、
を更に含むことが好ましい。
これによって、前記貯留しておいた希釈培養液を、急速排出時の培養槽への補充培養液として利用できる。補充によって、培養槽における培養液量を確保できるとともに、培養液の組成を急速排出工程の前とほぼ同じに維持できる。したがって、ガス資化性微生物が培養液の組成変化でダメージを受けるのを防止することができる。
これによって、培養槽の培養液中のガス資化性微生物を液成分よりも多く培養槽から排出できる。したがって、培養槽内でガス資化性微生物が増殖しても、培養液のガス資化性微生物濃度をガス供給流量に見合った大きさに維持できる。よって、供給流量の不足によって、ガス資化性微生物が死滅するのを確実に回避できる。
これによって、培養槽内のガス資化性微生物濃度を急速に増大させて、前記供給流量が前記所定値以下になる前の大きさまで速やかに戻すことができる。このとき、前記分離工程で得た前記希釈培養液は、貯留することが好ましい。
これによって、貯留中の前記希釈培養液内で菌が繁殖するのを抑制又は防止できる。
これによって、希釈培養液の温度を培養槽の温度に近づけたうえで、希釈培養液を培養槽に補充できる。したがって、培養槽内のガス資化性微生物が液温変化によってダメージを受けるのを防止又は抑制できる。また、排出培養液を熱源とすることで、熱効率を高めることができる。
これによって、フィルターの詰まりを効率的に抑えることができる。
培養液が入れられ、かつ前記ガス資化性微生物を前記培養液中で培養する培養槽と、
前記培養槽に接続され、前記基質ガスを前記培養槽の培養液内に供給するガス供給路と、
前記培養槽内の前記ガス資化性微生物を含む前記培養液の一部を排出培養液として排出する量を調節する排出調節部と、
を備え、前記基質ガス又はその所定成分の前記培養槽への供給流量が所定値以下になるとき事前に、又は前記所定値以下になったときに、前記排出調節部によって、前記培養液を前記培養槽から急速排出されることを特徴とする。
この装置によれば、基質ガスの供給状態が悪化したときは、培養槽から培養液ひいてはガス資化性微生物を急速排出することで、培養槽内のガス資化性微生物の各個体あたりの基質ガスの摂取量を確保できる。したがって、培養槽内のガス資化性微生物が死滅するのを回避でき、ガス資化性微生物を安定的に培養することができる。そして、基質ガスの供給流量が回復したときは、ガス資化性微生物による発酵が急速に復活し、増殖も進む。
前記希釈培養液を前記培養槽へ戻す希釈液戻し路と、
前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出する濃縮液送出路と
を更に備えたことが好ましい。
前記濃度が所定になるように前記分離部における前記濃縮培養液と前記希釈培養液との分離比を調節する分離比調節部と
を更に備えたことが好ましい。
前記希釈培養液を貯留する希釈液貯留槽と、を更に備え、
前記急速補充路が、前記希釈液貯留槽から前記培養槽へ延びていることが好ましい。
これによって、有価物を取得して種々の利用に供することができる。
これによって、排出した培養液を一旦、貯留液に溜めておき、抽出部の有価物抽出能力や有価物の需要等に応じて、適宜、抽出を行うことができる。培養液の排出流量が大きくても、培養液が外部へ漏れ出たり、抽出部が能力超過したりするのを回避できる。
これによって、培養液の液成分の無駄を抑えることができる。また、排出した分だけ培養槽に培養液の原液を補充する場合、その補充量を減らすことができる。そのため、培養槽内における培養液の組成変化を小さくでき、ガス資化性微生物をショック死させるおそれを少なくできる。
これによって、培養槽から排出させた培養液を貯留槽に溜めることができる。そして、抽出部の有価物抽出能力や有価物の需要等に応じて、適宜、抽出を行うことができる。培養液の排出流量が大きくても、培養液が外部へ漏れ出たり、抽出部が能力超過したりするのを回避できる。
培養槽の培養液中で前記微生物を培養し、
前記培養液の一部に含まれる前記微生物を濃縮して濃縮培養液を作り、
前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出工程又は排液処理工程を含む後続工程に供することを特徴とする。
この方法によれば、例えば定常的又は培養状況(微生物の増殖の程度や基質ガスの供給状況など)に応じて適宜、培養槽から微生物の一部を濃縮培養液として後続工程に供することで、培養槽内の微生物を安定的に培養することができる。しかも、微生物を濃縮して系外へ出すことで、液成分をなるべく系内に留めることができる。つまりは、微生物の排出速度を培養液の排出速度よりも大きくすることができる。これによって、培養液の無駄を防止することができる。そして、後続工程において、濃縮培養液から有価物を抽出したり、排液処理したりすることができる。
かつ排出させた培養液を、前記濃縮培養液と、前記微生物が希釈された希釈培養液とに分離し、
前記希釈培養液を前記培養槽へ戻し、 前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出することが好ましい。
これによって、前記一部の培養液に含まれる微生物を確実に濃縮して濃縮培養液を得ることができる。また、希釈培養液を培養槽へ戻すことによって、培養液の無駄を防止でき、コスト削減できるだけでなく、培養槽内の環境(培養液の組成等)をできるだけ一定に維持することで、微生物をより安定的に培養することができる。
前記濃度が所定になるように前記濃縮培養液と前記希釈培養液との分離比を調節することが好ましい。
これによって、培養槽内の微生物が過度に増殖した時などには、より多くの希釈培養液を培養槽に戻して培養槽内の微生物濃度を下げるようにすることで、培養槽内の微生物濃度を所定に維持でき、微生物を一層安定的に培養することができる。
前記濃縮用貯留槽の貯留液を取り出して、前記微生物が前記貯留液よりも高濃度に濃縮された高濃縮培養液と、前記微生物が希釈された希釈培養液とに分離し、
前記希釈培養液を前記培養槽へ戻し、
前記高濃縮培養液を前記濃縮用貯留槽へ戻し、
前記濃縮用貯留槽の貯留液の一部を前記後続工程に供することが好ましい。
前記貯留液は、中濃縮培養液となる。すなわち、前記貯留液は、前記一部の培養液と高濃縮培養液とを混ぜたものであるから、培養槽の培養液よりも微生物濃度が高い。この方法によれば、濃縮用貯留槽と分離膜との間を循環する流量を大きくでき、分離膜の詰まりを防止できる。前記高濃縮培養液を前記後続工程に供することにしてもよい。
前記基質ガスを前記培養槽に供給して前記培養液に溶け込ませ、
前記基質ガスの前記培養槽への供給流量が所定以下になったとき、前記濃縮培養液を生成して前記後続工程へ供することが好ましい。
これによって、基質ガスの供給流量が減ったときは、培養槽内の微生物の個体数を減らすことで、微生物の各個体あたりの基質ガスの摂取量を確保でき、微生物の死滅を回避できる。
前記微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、
前記培養液の一部に含まれる前記微生物を濃縮して濃縮培養液を得るバイオマス濃縮部と、
前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出する濃縮液送出路と
を備えたことを特徴とする。
この装置によれば、例えば定常的又は培養状況に応じて、培養槽から微生物の一部を後続装置へ送出することで、培養槽内の微生物を安定的に培養することができる。しかも、微生物を濃縮したうえで後続装置へ送ることで、液成分をなるべく培養装置に留めることができる。つまりは、微生物の排出速度を培養液の排出速度よりも大きくすることができる。これによって、培養液の無駄を防止することができる。そして、後続装置において、濃縮培養液から有価物を抽出したり、排液処理したりすることができる。
これによって、バイオマス濃縮部において微生物を確実に濃縮できるとともに、培養液の無駄を確実に防止することができ、更には培養槽において微生物をより安定的に培養することができる。
前記濃度が所定になるように前記バイオマス濃縮部における前記濃縮培養液と前記希釈培養液との分離比を調節する分離比調節部と
を更に備えていることが好ましい。
これによって、培養槽内の微生物が過度に増殖した時などにはこれを抑えることができ、微生物の濃度を所定に維持することができる。したがって、微生物を一層安定的に培養することができる。
前記培養槽からの前記一部の培養液が貯留される濃縮用貯留槽と、
前記濃縮用貯留槽から取り出した貯留液を、前記微生物が前記貯留液よりも高濃度に濃縮された高濃縮培養液と、前記微生物が希釈された希釈培養液とに分離する分離膜と、
を備え、前記濃縮用貯留槽から前記濃縮液送出路が延び出ていることが好ましい。
更に、前記培養装置が、前記希釈培養液を前記培養槽へ戻す希釈液戻し路と、前記高濃縮培養液を前記濃縮用貯留槽へ戻す再濃縮用戻し路と
を備えていることが好ましい。
前記濃縮用貯留槽内の貯留液は、中濃縮培養液となる。すなわち、前記濃縮用貯留槽内の貯留液は、前記一部の培養液と高濃縮培養液とを混ぜたものであるから、培養槽の培養液よりも微生物濃度が高い。この装置態様によれば、濃縮用貯留槽と分離膜との間を循環する流量を大きくでき、分離膜の詰まりを抑制又は防止できる。
前記基質ガスの供給路が前記培養槽に接続され、
前記基質ガスの前記培養槽への供給流量が所定以下になったとき、前記バイオマス濃縮部による前記濃縮培養液の生成、及び前記後続装置への送出が行われることが好ましい。
これによって、基質ガスの供給流量が減ったときは、培養槽内の微生物の個体数を減らすことで、微生物の各個体あたりの基質ガスの摂取量を確保でき、微生物の死滅を回避できる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る有価物生成システム1を示したものである。有価物生成システム1は、培養装置1xと、後続装置1yとを備えている。培養装置1xは、培養槽10と、培養液源12を含む。後続装置1yは、抽出用貯留槽84(ブリードタンク)と、蒸留塔80(抽出部)と、排液処理部8とを含む。
抽出用貯留槽84から送出路81が引き出されている。送出路81には送液ポンプ85が設けられている。送液ポンプ85によって逆流が防止される。送出路81は、蒸留塔80の中間部に連なっている。蒸留塔80の上端部から抽出液路82が延び出ている。蒸留塔80の底部から排出路83が延び出ている。排出路83は、排液処理部8に連なっている。詳細な図示は省略するが、排液処理部8は、排液の嫌気処理部及び好気処理部等を含む。
<培養工程>
培養液源12から培養槽10に培養原液2Sを導入し、培養槽10の培養液2においてガス資化性微生物9を培養する。攪拌機16によって培養液2を撹拌することで、ガス資化性微生物9を培養液2の全域に均一に分散させる。
また、基質ガス源3において廃棄物から生成した基質ガス(CO、CO2,H2等)を、ガス供給路31を経て培養槽10に導入し、培養槽10の培養液2中に基質ガスを溶け込ませる。上記の撹拌によって、基質ガスが培養液2中に溶解するのを促進できる。
これによって、培養液2中のガス資化性微生物9が、発酵を行ない、基質ガスからエタノール等の有価物を生成する。発酵によってCO2等の気体成分も生成される。ガス供給路31から導入されるCO2や、発酵により生成されたCO2、未使用のCO、H2等の気体成分は、培養槽10の排気ポート10gから排出される。これら気体成分は、基質ガス源3に戻してもよく、燃焼させ、蒸留などの熱源として利用してもよい。
(1)通常運転モード
送液ポンプ13,23を、送液量が互いにバランスするように常時運転する。これによって、培養液源12から培養原液2Sが原液供給路14を経て培養槽10に送られるとともに、培養槽10内の培養液2の一部が、排出培養液2aとして、排出ポート10eから排出路22へ排出される。平常運転時は、送液ポンプ13の送液量(培養原液2Sの供給流量)が比較的少なく、したがって送液ポンプ23の送液量(排出培養液2aの排出流量)も比較的少ない。送液ポンプ13,23の送液量がバランスすることで、培養槽10の液量が一定に維持される。また、上記排出培養液2aにはガス資化性微生物9が含まれており、このガス資化性微生物9が培養液2aと一緒に培養槽10から排出されることになるが、培養槽10の培養液2中ではガス資化性微生物9が増殖しているため、培養液2のガス資化性微生物9の濃度は概略一定に維持される。
基質ガス源3からの基質ガス及びその各成分の供給状態は、廃棄物の種類や量等に依存し、不安定になりがちである。つまり、燃やす廃棄物の種類や量などによって基質ガスの供給流量が変化する。また、燃やす廃棄物の種類などで基質ガスの組成(成分及び各成分の分圧等)が変化する。そこで、基質ガスの供給状態を流量計31やガスセンサ33によって監視する。そして、基質ガス又はその所定成分(CO、H2等)の供給状態に応じて、培養槽10からの培養液2aの排出量を調節する。
一方、所定成分(CO、H2等)の供給流量が所定値以下になったとき(基質ガス供給異常時)は、送液ポンプ13の送液量を増やすとともに、これとバランスがとれるように送液ポンプ23の送液量も増やす。これによって、通常運転モードの時よりも大量の培養液2aが、培養槽10の排出ポート10eから排出路22へ急速排出される。
或いは、廃棄物処理の状況によって、基質ガス源3からの基質ガス又はその所定成分(CO、H2等)の供給流量が未来のある時点で減ることが判明しているときは、その時点の少し前に予め培養槽10内の培養液2の一部2aを排出ポート10eから急速排出させておくことにしてもよい。
通常運転モードにおいても急速希釈運転モード(基質ガス供給異常時)においても、排出培養液2aは、排出路22を経て、抽出用貯留槽84に一旦貯留される。排出培養液2aには、ガス資化性微生物9の生体や屍骸等からなるバイオマスや、培養槽10での発酵によって生成されたエタノール等の有価物が含まれている。抽出用貯留槽84の容積を十分に大きくしておくことで、基質ガス供給異常時の培養液2aの排出流量が大きくても、抽出用貯留槽84から培養液2aが溢れないようにすることができる。
抽出用貯留槽84の培養液2aの一部は、送出路81を経て蒸留塔80に導入される。そして、蒸留塔80において蒸留されて、エタノール(有価物)が抽出される。エタノールは、蒸留塔80の上端部から抽出液路82へ出され、精製工程等を経て種々の利用に供される。
排出培養液2aを一旦、抽出用貯留槽84に溜めておくことで、蒸留塔80の処理容量やエタノールの需要等に応じて、適宜、抽出を行うことができ、蒸留塔80が能力超過するのを回避できる。
蒸留塔80の底部には抽出残液2dが溜まる。抽出残液2dはバイオマスを高濃度に含む。この抽出残液2dが、蒸留塔80の下端部から排出路83を経て排液処理部8へ送られる。排液処理部8においては抽出残液2dが嫌気処理や好気処理されることによって、バイオマスが分解される。或いは、バイオマスを分離して、蒸留塔80等における燃料(熱源)として利用してもよい。
<第2実施形態>
図2は、本発明の第2実施形態を示したものである。第2実施形態の有価物生成システム1Bは、分離部50(バイオマス濃縮部)を備えている。分離部50は、フィルターユニット59と、濃縮用貯留槽54と、循環路58を含む。フィルターユニット59は、フィルター(分離膜)51を含む。フィルター51としては、中空糸が用いられている。フィルター51によって、フィルターユニット59の内部が透過室52と非透過室53とに仕切られている。
濃縮用貯留槽54は、大容積でなくてもよい。往復路55,56及び非透過室53の合計容積がある程度以上有る場合、濃縮用貯留槽54は無くてもよい(図3参照)。
なお、抽出用貯留槽84には、基質ガス供給異常時に急速排出された培養液2aを、濃縮用貯留槽54経由で溜めることができる。
図2の濃縮用貯留槽54を省いてもよい。循環路58には、フィルターユニット59及び濃縮用貯留槽54のうち少なくともフィルターユニット59が設けられていればよい。
図3に示すように、第3実施形態の有価物生成システム1Cでは、第2実施形態(図2)における濃縮用貯留槽54が省略され、代わりに合流部58cが設けられている。合流部58cにおいて、排出路22と復路56とが直接的に(濃縮用貯留槽54を介さずに)合流されている。合流部58cから往路55が延びている。復路56の中途部から送出路28が分岐されている。送出路28は、抽出用貯留槽84に接続されている。
培養槽10からの排出培養液2aは、排出路22を経て、合流部58cにおいて、復路56からの培養液2eと混合される。混合後の培養液が、循環路58を往路55、フィルターユニット59、復路56の順に循環されるとともに、フィルターユニット59において希釈培養液2cと濃縮培養液2eとに分離される。希釈培養液2cは、希釈液戻し路41を経て、培養槽10へ戻される。濃縮培養液2eの一部は、送出路28へ分流して抽出用貯留槽84に溜められ、更には、蒸留塔80によるエタノール抽出に供される。濃縮培養液2eの残りが、復路56を経て合流部58cへ向かう。
基質ガス(又はその所定成分)の供給流量が異常に減少した時は、培養槽10からの排出培養液2aの排出流量を一時的に大きくする。排出培養液2aは、流路22,55,53,28を順次経て、又は図示しないバイパス路を経て、抽出用貯留槽84へ送られる。また、フィルター51を透過した希釈培養液2cと、培養液源2からの培養原液2Sとが、排出培養液2aの排出分だけ培養槽10に補充される。これによって、培養槽10中のガス資化性微生物9の密度を小さくでき、基質ガスの供給流量が減っても、ガス資化性微生物9を安定的に培養できる。
図4~図7は、本発明の第4実施形態を示したものである。
図4に示すように、有価物生成システム1Dの培養装置1xは、培養槽10と、培養液源12と、フィルターユニット59と、希釈液貯留槽40を備えている。培養槽10には、ガス供給路31を介して、2基(複数)の基質ガス源3A,3Bが接続されている。
なお、実際のシステム1Dにおいては、構成要素10,12,59,40,84どうしがすべての運転モードに対応可能に配管接続されている。そして、運転モードに応じて、一部の配管をバルブによって開閉したり、送液ポンプをオンオフしたりすることで、回路構成を変更している。ここでは、理解を容易化するために、各運転モードにおいて、開通状態の配管ラインのみを図示してある。バルブ及びポンプの図示は省略する。
図4に示すように、2つの基質ガス源3A,3Bからの基質ガスの供給状態が順調であるときは、通常運転モードを実行する。通常運転モードでは、培養液源12と培養槽10とが接続され、かつ培養槽10とフィルターユニット59とが接続されている。
非透過室53の出口ポートは、濃縮液送出路28を介して抽出用貯留槽84(ブリードタンク)と接続されるとともに、濃縮液戻し路44を介して培養槽10の液供給ポート10pと接続されている。
透過室52の出口ポートは、希釈液貯留路24を介して、希釈液貯留槽40(パーミエイトタンク)と接続されている。
また、培養槽10から一定流量の排出培養液2aが排出される(排出工程)。この排出培養液2aが、フィルターユニット59において希釈培養液2cと濃縮培養液2eとに分離される(分離工程)。フィルターユニット59のフィルター51は、例えばクロスフロー型のUF(ウルトラフィルトレーション)フィルムで構成されている。
第2、第3実施形態(図2、図3)と同様の循環路58を設け、この循環路58にフィルターユニット59を配置してもよい。
ここで、基質ガス源3A,3Bのうちの1基(例えば基質ガス源3A)が故障等のトラブルによって基質ガスの生産を停止したものとする。そうすると、基質ガスの供給流量が、通常運転モードの半分になる。逆に言うと、基質ガス源3A,3Bが2基(複数)有るために、1基が停止しても、半分のガス供給は確保できる。
基質ガスの供給量が不足すると、培養槽10内のガス資化性微生物9が死滅したり、少ないガス量でも生存できるように代謝を変えたりする。代謝が変わると、エタノールなどの所望の成分が生産されず、酢酸などの副産物が多く生産される。その後、ガス供給量が回復しても、容易には元の代謝に戻らず、エタノール生産に大きなダメージを与える。
培養槽10から急速排出された排出培養液2aは、急速排出路27を経て、抽出用貯留槽84に送られる。
なお、急速排出路27は、フィルターユニット59の非透過室53を経由していてもよい。
希釈培養液2cは、培養液2の液成分とほぼ同一組成であるため、培養槽10に大量供給しても、培養液2の液組成が急変することがない。したがって、ガス資化性微生物9が液組成の急変によってダメージを受けるのを防止できる。希釈培養液2cのバイオマス濃度をほぼ0にしておくことによって、培養槽10にガス資化性微生物9の屍骸等が混入するのを防止できる。
なお、フィルターユニット59からの希釈培養液2c(濾液)中のバイオマス濃度が0でなくても、希釈液貯留槽40での貯留期間中にバイオマスが沈殿されることで、希釈培養液2cの上澄み液と分離されるようにし、急速希釈運転モードでは前記上澄み液を培養槽10へ急速補充することにしてもよい。
また、排出培養液2aのエタノール濃度が薄くなるのを防止できるから、蒸留塔80での蒸留等の際の負荷が増大するのを防止でき、エタノールの抽出効率を良好に維持できる。さらに、透過室52からの希釈培養液2cを直接培養槽10に戻す場合(第2実施形態(図2)及び第3実施形態(図3)参照)よりも、短時間で大量の希釈培養液2cを培養槽10に戻すことができる。また、フィルター51を小型化でき、建設費を抑えることができる。
ちなみに、透過室52からの希釈培養液2cを直接培養槽10に戻す場合は、排出培養液2aの大量排出時の急速性(フィルター51の大量透過)を確保するために、フィルター51を大型化する必要があり、建設費が増加する。
急速希釈運転モードすなわち排出培養液2aの急速排出操作及び希釈培養液2cの急速補充操作は、数分間~数十分間で終了することが好ましい。
図6に示すように、急速希釈運転モードの終了後、基質ガス源3Aのトラブルが解消されて、基質ガスの供給流量が所定値以上に回復するまでの間、低バイオマス運転モードを実行する。低バイオマス運転モードでは、透過室52と希釈液貯留槽40とを遮断し、かつ希釈液貯留槽40と培養槽10とを遮断する。これに代えて、透過室52の出口ポートと培養槽10の供給ポート10pとを希釈液戻し路41にて接続する。また、非透過室53の出口ポートと入口ポートとを循環路58によってループ接続する。したがって、急速希釈運転モードにおける有価物生成システム1Dは、第3実施形態の有価物生成システム1Cと実質的に同じ回路構成になる。
前記基質ガス源3Aのトラブルが解消され、基質ガスの供給流量が所定値以上に回復可能になったときは、状態回復運転モードを実行する。
図7に示すように、状態回復運転モードでは、透過室52と希釈液貯留槽40とを希釈液貯留路24によって連通し、かつ非透過室53と抽出用貯留槽84とを遮断する。非透過室53の出口ポートは、濃縮液戻し路44を介して培養槽10の液供給ポート10pとだけ連通させる。したがって、フィルターユニット59における分離工程で得た濃縮培養液2eの全量が、濃縮液戻し路44を経て培養槽10に戻される。培養液2bを培養槽10から排出した時点からその培養液2bを濃縮培養液2eにして培養槽10に戻すまでの時間は、ガス資化性微生物9が基質ガスの無い環境中で死なない時間に設定され、好ましくは1分以内であり、長くても3時間以内である。
また、希釈培養液2cの全量が希釈液貯留槽40に溜められる。
ガス資化性微生物9の濃度上昇に伴い、基質ガスの供給流量を上げていく。好ましくは、ガス資化性微生物9の濃度と基質ガスの供給流量とを比例させる。また、培養液2の液組成(例えば酢酸濃度)が一定になるように、培養液源12からの培養原液2S(フレッシュメディア)の投入量を調節する。そして、ガス資化性微生物9の濃度及び基質ガスの供給流量が所定の大きさになったとき、図4に示すように、非透過室53と抽出用貯留槽84とを連通させることで、通常運転モードに切り替える。
図8は、本発明の第5実施形態を示したものである。
図8(a)に示すように、有価物生成システム1Eの希釈液貯留槽40には、冷却器46(液温調整部)が設けられている。図8(b)に示すように、同システム1Eの急速希釈運転モードにおける急速補充路43と急速排出路27との間には、熱交換器47が設けられている。さらに、熱交換器47よりも培養槽10側の急速補充路43には、加熱器49が設けられている。
図8(a)に示すように、有価物生成システム1Eにおいては、希釈液貯留槽40に溜めた希釈培養液2cを、冷却器46によって冷却し、培養槽10の温度よりも低温にする。好ましくは、冷却器46の設定温度は、細菌等の生物が生存不能な温度、又は代謝や繁殖等の生命活動が不能化若しくは抑制可能な温度であり、かつ希釈培養液2cが凍結しない温度とする。ここでは、例えば0℃~20℃、好ましくは4℃程度に設定されている。これによって、希釈培養液2c中で腐敗菌等が繁殖するのを抑制又は防止でき、臭気の発生を防止できる。
図8(b)に示すように、急速希釈運転モードでは、急速補充路43を通る希釈培養液2cと、急速排出路27を通る排出培養液2aとを熱交換器47において熱交換させる。熱交換によって、希釈培養液2cを加温して、培養槽10の温度に近づけることができる。排出培養液2aを加温源として利用することで、後記加熱器49の負荷を低減できる。
希釈液貯留槽40に加熱器を設ける場合には、熱交換器47と培養槽10との間の急速補充路43には、加熱器49に代えて冷却器を設けることが好ましい。
図9は、本発明の第6実施形態を示したものである。この実施形態は急速希釈運転モードの変形例である。
図9に示すように、有価物生成システム1Fの急速希釈運転モードにおいては、急速補充路43から逆洗路45が分岐されている。逆洗路45は、フィルターユニット59を透過室52、非透過室53の順に通り、再び急速補充路43と合流している。逆洗路45の分岐部と合流部との間の急速補充路43には、流量制御弁48が設けられている。
なお、希釈培養液2cの全部がフィルターユニット59を逆流するようにしてもよい。急速補充路43に流量制御弁48に代えて、開閉弁を設けてもよい。
図10は、本発明の第7実施形態を示したものである。
有価物生成システム1Gは、培養装置1xと、後続装置1yとを備えている。培養装置1xは、培養槽10と、バイオマス濃縮部50G(分離部)とを含む。後続装置1yは、蒸留塔80(抽出部)と、排液処理部8とを含む。
<培養工程>
培養槽10に培養液2を入れ、この培養液2においてガス資化性微生物9を培養する。攪拌機16によって培養液2を撹拌することで、ガス資化性微生物9を培養液2の全域に均一に分散させる。
また、基質ガス源3において廃棄物から生成した基質ガス(CO,H2 CO2等)を、ガス供給路31を経て培養槽10に導入し、培養槽10の培養液2中に基質ガスを溶け込ませる。上記の撹拌によって、基質ガスが培養液2中に溶解するのを促進できる。
なお、基質ガス源3からの基質ガスの供給流量は必ずしも一定していない。
これによって、培養液2中のガス資化性微生物9が、発酵を行ない、基質ガスからエタノール等の有価物を生成する。発酵によってCO2等の気体成分も生成される。ガス供給路31から導入されるCO2や、発酵により生成されたCO2や、未使用のCO、H2等の気体成分は、培養槽10の排気ポート10gから排出される。これら気体成分は、基質ガス源3に戻してもよく、燃焼させて蒸留などの熱源として利用してもよい。
送液ポンプ23を駆動することで、培養槽10内の培養液2の一部2a(以下、適宜「排出培養液2a」と称す)を排出路22へ排出させる。この排出培養液2aを、排出路22を経てバイオマス濃縮部50Gへ送る。培養液2aの排出は、連続的に行ってもよく、断続的ないしは間欠的に行ってもよい。定常的に行ってもよく、培養状況に応じて不定期に行ってもよい。基質ガス源3から培養槽10への基質ガスや該基質ガス中の所定成分(CO,H2等)の供給流量を監視し、この供給流量が所定以下になったとき、培養液2aを排出させることにしてもよい。或いは、培養槽10におけるガス資化性微生物9の増殖分だけ、培養液2aを排出させてもよい。詳しくは、培養槽10内のガス資化性微生物9の濃度を監視し、この濃度が所定以上になったとき、培養液2aを排出させることにしてもよく、濃度に応じて排出培養液2aの流量を調節することにしてもよい(図11参照)。
排出培養液2aは、排出路22を経て、バイオマス濃縮部50Gの非透過室53へ導入される。非透過室53を通る培養液2a中の液成分はフィルター51を透過して透過室52へ移ることができる。これに対し、培養液2a中のガス資化性微生物9の生体や屍骸等からなるバイオマス、その他の固体成分は、フィルター51を透過するのが阻止される。したがって、培養液2aが、透過室52の希釈培養液2c(透過液)と、非透過室53の濃縮培養液2e(非透過液)とに分離される。希釈培養液2cは、排出培養液2aひいては培養槽10の培養液2よりもバイオマス濃度ひいてはガス資化性微生物9の濃度が十分に低く、好ましくはバイオマスが殆ど含まれていない。なお、本システム1G(図10)における希釈培養液2cのバイオマス濃度は、システム1D~1F(図4~図9)における希釈培養液2cのバイオマス濃度よりも高くてもよい。濃縮培養液2eは、排出培養液2aひいては培養槽10の培養液2よりもバイオマス濃度ひいてはガス資化性微生物9の濃度が高い。すなわち、希釈培養液2cは、ガス資化性微生物9が希釈(除去を含む)され、濃縮培養液2eは、ガス資化性微生物9が濃縮されている。
希釈培養液2cは、希釈液戻し路41を経て培養槽10に戻される。
<補充工程>
排出培養液2aの排出流量U0と希釈培養液2cの戻し流量U2との差分だけ、培養液源12から培養原液2Sを培養槽10に補充する。この培養原液2Sの補充流量は、濃縮培養液2eの流量U4(=U0-U2)と等量になる。これによって、培養槽10における培養液2の量を一定に維持できる。
濃縮培養液2eは、濃縮液送出路29によって培養装置1xから送出され、後続工程へ供される。詳しくは、濃縮培養液2eは、濃縮液送出路29を経て蒸留塔80に導入される。
蒸留塔80において、濃縮培養液2eが蒸留されて、エタノール(有価物)が抽出される。希釈培養液2cの戻し流量U2をできるだけ大きくし、かつ培養原液2Sの供給流量をできだけ小さくすることで、培養液2中のエタノール濃度をできるだけ高くでき、ひいては蒸留塔80におけるエタノール抽出効率を高めることができる。抽出したエタノールは、蒸留塔80の上端部から抽出液路82へ出され、精製工程等を経て種々の利用に供される。
蒸留塔80の底部には抽出残液2dが溜まる。抽出残液2dは、ガス資化性微生物9の屍骸等のバイオマスを高濃度に含む。この抽出残液2dが、蒸留塔80の下端部から排出路83を経て排液処理部8へ送られる。排液処理部8においては抽出残液2dが嫌気処理や好気処理されることによって、バイオマスが分解される。或いは、バイオマスを凝集して、有価物抽出等のための燃料(熱源)として利用してもよい。
図11は、本発明の第8実施形態を示したものである。
有価物生成システム1Hは、コントローラ60(分離比調節部)と、バイオマス濃度測定器61(微生物濃度測定器)とを更に備えている。また、希釈液戻し路41には、液戻しポンプ42が設けられている。
なお、バイオマス濃度測定器61を培養槽10内に設け、培養槽10内のガス資化性微生物9の濃度を直接計測してもよい。
例えば、第1実施形態(図1)等の排出量調節工程において、基質ガス中の所定成分の供給流量に基づくのに代えて、基質ガス全体の供給流量に基づいて培養液2aの排出量調節を行なうことにしてもよい。すなわち、基質ガス全体の供給流量が所定値を上回っているときは上記平常運転を行い、基質ガスの供給流量が所定値以下になったとき、培養液2aの排出量を増やしてもよい。この場合、ガス供給路31には流量計32があればよく、ガスセンサ33は省略してもよい。或いは、基質ガス又は所定成分の供給状態として、基質ガスの温度や圧力、所定成分の分圧等に基づいて、培養液2aの排出量調節を行なうことにしてもよい。
第1実施形態(図1)等において抽出用貯留槽84を省略してもよい。排出路22が、貯留槽84を介さずに蒸留塔80に連なっていてもよい。さらに、排出路22が、貯留槽84及び蒸留塔80を介さずに排液処理部8に連なっていてもよい。第2実施形態(図2)において、排出路22が、貯留槽84を介さずにバイオマス濃縮部50の非透過室53の入口ポートに連なり、非透過室53の出口ポートが、貯留槽84を介さずに蒸留塔80に連なっていてもよい。
送出路81,29上に、フィルターや遠心分離装置などの固液分離装置を配置し、固体成分が蒸留塔80に投入されることを防いでもよい。これにより、蒸留塔80のメンテナンス頻度を下げることができる。
後続装置1yの蒸留塔80又は排液処理部8を省略してもよい。
希釈培養液2c(微生物希釈/除外液)は、濃縮培養液2eよりも微生物濃度が低ければよく、希釈培養液2cに、非透過液2よりも低濃度の微生物が含まれていてもよい。
複数の実施形態を互いに組み合わせてもよい。例えば、第1~第7実施形態(図1~図10)において、第8実施形態(図11)と同様に、コントローラ60及びバイオマス濃度測定器61を付加してもよい。
1y 後続装置
2 培養液
2a 排出培養液
31 ガス供給路
8 排液処理部
9 ガス資化性微生物
10 培養槽
21 排出調節部
2c 希釈培養液
2e 濃縮培養液
28,29 濃縮液送出路
40 希釈液貯留槽
41 希釈液戻し路
43 急速補充路
45 逆洗路
46 冷却器(液温調整部)
47 熱交換器
50,50G 分離部
51 フィルター(分離膜)
52 透過室
53 非透過室
54 濃縮用貯留槽
58 循環路
59 フィルターユニット
60 コントローラ(分離比調節部)
61 バイオマス濃度測定(微生物濃度測定器)
80 蒸留塔(抽出部)
84 抽出用貯留槽
Claims (20)
- 発酵によって基質ガスから有価物を生成するガス資化性微生物を培養する培養方法であって、
培養槽の培養液で前記ガス資化性微生物を培養する工程と、
前記基質ガスを前記培養槽に供給する工程と、
前記ガス資化性微生物を含む前記培養液の一部を排出培養液として前記培養槽から排出する量を調節する工程と、
を備え、前記排出量調節工程において前記基質ガス又は前記所定成分の前記培養槽への供給流量が所定値以下になるとき事前に、又は前記所定値以下になったときは、前記培養液を前記培養槽から急速排出することを特徴とする培養方法。 - 前記急速排出した量に応じて培養液を前記培養槽に補充することを特徴とする請求項1に記載の培養方法。
- 前記排出培養液を、前記ガス資化性微生物が濃縮された濃縮培養液と、前記ガス資化性微生物が希釈された希釈培養液とに分離する工程と、
前記希釈培養液を前記培養槽へ戻す工程と、
前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出する工程と、
を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の培養方法。 - 前記分離工程では、前記排出培養液を、フィルター及び濃縮用貯留槽のうち少なくともフィルターが設けられた循環路に沿って循環させることを特徴とする請求項3に記載の培養方法。
- 前記培養槽の培養液又は前記排出培養液における前記ガス資化性微生物の濃度を監視する工程と、
前記濃度が所定になるように前記濃縮培養液と前記希釈培養液との分離比を調節する工程と、
を更に含むことを特徴とする請求項3又は4に記載の培養方法。 - 前記排出培養液を、前記ガス資化性微生物が濃縮された濃縮培養液と、前記ガス資化性微生物が希釈された希釈培養液とに分離する工程と、
前記希釈培養液を貯留する工程と、
前記急速排出と同時又は相前後して、前記貯留した希釈培養液を前記培養槽に戻す工程と、
を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の培養方法。 - 前記急速排出の後、前記供給流量が前記所定値以上に回復するまでの間、前記分離工程で得た前記希釈培養液を前記培養槽に戻し、かつ前記分離工程で得た前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出することを特徴とする請求項6に記載の培養方法。
- 前記供給流量が前記所定値以上に回復可能になったとき、前記分離工程で得た前記濃縮培養液を前記培養槽に戻すことを特徴とする請求項6又は7に記載の培養方法。
- 貯留中の前記希釈培養液を、前記培養槽の温度よりも高温又は低温にする工程を、更に含むことを特徴とする請求項6~8の何れか1項に記載の培養方法。
- 前記培養槽へ戻す際の前記希釈培養液を、前記急速排出された培養液と熱交換させる工程を、更に含むことを特徴とする請求項9に記載の培養方法。
- 前記培養槽へ戻す際の前記希釈培養液の少なくとも一部によって、前記分離工程用のフィルターを逆洗する工程を、更に含むことを特徴とする請求項6~10の何れか1項に記載の培養方法。
- 発酵によって基質ガスから有価物を生成するガス資化性微生物を培養する培養装置であって、
培養液が入れられ、かつ前記ガス資化性微生物を前記培養液中で培養する培養槽と、
前記培養槽に接続され、前記基質ガスを前記培養槽の培養液内に供給するガス供給路と、
前記培養槽内の前記ガス資化性微生物を含む前記培養液の一部を排出培養液として排出する量を調節する排出調節部と、
を備え、前記基質ガス又はその所定成分の前記培養槽への供給流量が所定値以下になるとき事前に、又は前記所定値以下になったときに、前記排出調節部によって、前記培養液を前記培養槽から急速排出されることを特徴とする培養装置。 - 前記急速排出した量に応じて培養液を前記培養槽に補充する急速補充路を備えたことを特徴とする請求項12に記載の培養装置。
- 前記排出培養液を、前記ガス資化性微生物が濃縮された濃縮培養液と、前記ガス資化性微生物が希釈された希釈培養液とに分離する分離部と、
前記希釈培養液を前記培養槽へ戻す希釈液戻し路と、
前記濃縮培養液を、前記有価物の抽出部若しくは抽出用貯留槽、又は排液処理部を含む後続装置へ送出する濃縮液送出路と
を備えたことを特徴とする請求項12又は13に記載の培養装置。 - 前記分離部が、前記濃縮培養液を循環させる循環路と、前記循環路に設けられたフィルターとを含むことを特徴とする請求項14に記載の培養装置。
- 前記循環路に濃縮用貯留槽が設けられていることを特徴とする請求項15に記載の培養装置。
- 前記培養槽の培養液における前記ガス資化性微生物の濃度を測定する微生物濃度測定器と、
前記濃度が所定になるように前記分離部における前記濃縮培養液と前記希釈培養液との分離比を調節する分離比調節部と
を更に備えたことを特徴とする請求項14~16の何れか1項に記載の培養装置。 - 前記排出培養液を、前記ガス資化性微生物が濃縮された濃縮培養液と、前記ガス資化性微生物が希釈された希釈培養液とに分離する分離部と、
前記希釈培養液を貯留する希釈液貯留槽と、を更に備え、
前記急速補充路が、前記希釈液貯留槽から前記培養槽へ延びていることを特徴とする請求項13に記載の培養装置。 - 前記希釈液貯留槽には、前記希釈培養液を前記培養槽の温度よりも高温又は低温にする液温調整部が設けられていることを特徴とする請求項18に記載の培養装置。
- 前記急速補充路の前記希釈培養液と前記急速排出された培養液とを熱交換させる熱交換器を、更に備えたことを特徴とする請求項19に記載の培養装置。
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