WO2025197840A1 - 菌体培養槽および菌体培養方法 - Google Patents

菌体培養槽および菌体培養方法

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WO2025197840A1
WO2025197840A1 PCT/JP2025/010173 JP2025010173W WO2025197840A1 WO 2025197840 A1 WO2025197840 A1 WO 2025197840A1 JP 2025010173 W JP2025010173 W JP 2025010173W WO 2025197840 A1 WO2025197840 A1 WO 2025197840A1
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WO
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tank
bacterial cell
cell culture
descending
culture solution
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PCT/JP2025/010173
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English (en)
French (fr)
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文兵 寺尾
一馬 竹中
誠 川野
正一 潮崎
美菜子 寺尾
誠一郎 佐野
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/107—Apparatus for enzymology or microbiology with means for collecting fermentation gases, e.g. methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor

Definitions

  • the present invention relates to a bacterial cell culture tank and a bacterial cell culture method.
  • Methanation using microorganisms is a method in which carbon dioxide and hydrogen are introduced into a culture solution, and methane is produced by methanogens (referred to as “methane bacteria” where appropriate) present in the culture solution.
  • the present invention was made in consideration of the above, and aims to improve the production efficiency of gas generated by bacterial cells.
  • a bacterial cell culture tank comprises a riser tank having a structure for raising the culture solution for cultivating gas-producing bacteria, a descender tank having a structure for lowering the culture solution that has overflowed from the riser tank, and a recovery section for recovering the gas released from the culture solution in the riser tank and the descender tank.
  • a bacterial cell culture method is a bacterial cell culture method carried out in a bacterial cell culture tank, and includes an ascending step of ascending a culture solution in which gas-producing bacterial cells are cultured, a descending step of descending the culture solution that has overflowed during the ascending step, and a recovery step of recovering the gas released from the culture solution during the ascending step and the descending step.
  • the present invention has the effect of improving the production efficiency of gas produced by bacterial cells.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a schematic diagram of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a specific example of a bacterial cell culture tank according to the reference technology.
  • FIG. 1 is a diagram showing a specific example 1 of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a specific example 2 of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a specific example 3 of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a specific example 4 of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a specific example 5 of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a specific example 6 of a bacterial cell culture tank according to an embodiment.
  • Fig. 1 is a diagram showing an example of a schematic diagram of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment. Below, the methane production reaction of methanogens, an example of the basic configuration of the bacterial cell culture tank 10, and the effects of the bacterial cell culture tank 10 will be described.
  • Methane production reaction of methanogens Methanogens produce methane M through the reaction represented by the following formula (1):
  • formula (1) “CO 2 " is carbon dioxide C
  • H 2 " is hydrogen H
  • CH 4 " is methane M
  • “H 2 O” is water.
  • carbon dioxide C, hydrogen H, and methane M are gases
  • water is a liquid.
  • methanogens are anaerobic bacteria, they cannot produce methane M through the methanogenesis reaction of equation (1) above in an environment where oxygen is present.
  • the bacterial cell culture tank 10 is composed of an ascending tank 11, a descending tank 12, a recovery section 13, an upper surface 14, and a bottom surface 15.
  • the bacterial cell culture tank 10 is a culture tank that produces methane M using carbon dioxide C and hydrogen H as raw materials by culturing methanogens contained in a culture solution S.
  • the riser tank 11 is composed of an outer wall 11a, supply sections 11b (11b-1, 11b-2), and generation sections 11c (11c-1, 11c-2).
  • the riser tank 11 has a double cylindrical outer diameter structure composed of a cylindrical outer wall 11a and a cylindrical inner wall 12a.
  • the supply unit 11b causes the culture solution S containing methanogens and dissolved carbon dioxide C to rise.
  • the supply unit 11b continuously supplies a constant amount of culture solution S to the riser tank 11, thereby raising the liquid level of the culture solution S inside the riser tank 11.
  • the generator 11c also generates hydrogen H in the culture solution S as fine bubbles.
  • the methanogens produce methane M from carbon dioxide C and hydrogen H in the culture solution S through the metabolic reaction represented by the above formula (1).
  • the riser tank 11 can adjust the rising speed of the culture solution S by adjusting the amount of culture solution S supplied per unit time by the supply unit 11b.
  • the riser tank 11 can increase the rising speed of the culture solution S by increasing the amount of culture solution S continuously supplied by the supply unit 11b.
  • the riser tank 11 can decrease the rising speed of the culture solution S by decreasing the amount of culture solution S continuously supplied by the supply unit 11b.
  • the riser tank 11 can raise the methanogens along with the culture solution S by setting the rising speed of the culture solution S equal to or greater than the settling speed of the methanogens.
  • the settling speed is the rate at which the methanogens settle when there is no flow in the culture solution S.
  • the riser tank 11 can cause the methanogens to settle and be separated from the culture solution S by setting the rising speed of the culture solution S below the settling speed of the methanogens.
  • the supply unit 11b is configured with two units, but as long as the culture solution S can be supplied evenly inside the riser tank 11, the number of units may be one, or three or more.
  • the generation unit 11c is configured with two units, but as long as hydrogen H can be generated evenly inside the riser tank 11, the number of units may be one, or three or more.
  • the descending tank 12 is composed of an inner wall 12a and a discharge portion 12b.
  • the descending tank 12 has a double cylindrical inner diameter structure composed of a cylindrical outer wall 11a and a cylindrical inner wall 12a.
  • the descending tank 12 allows the culture solution S that has overflowed the inner wall 12a from the rising tank 11 to descend.
  • the descending tank 12 allows the culture solution S, whose liquid level has risen by continuously supplying a constant amount of culture solution S via the supply unit 11b of the rising tank 11, to descend into the falling tank 12. This means that the culture solution S, whose liquid level has exceeded the inner wall 12a (i.e., the overflowing culture solution S), is allowed to descend into the falling tank 12.
  • the rising culture solution S overflows the inner wall 12a, the descending culture solution S comes into contact with the inner wall 12a, or the descending culture solution S falls against and collides with the bottom surface 15, causing the methane M contained in the culture solution S to be released as a gas.
  • the methane M may be a gas that remains in the liquid in the form of fine bubbles, or may be a gas dissolved in the liquid.
  • the descending tank 12 also discharges the culture solution S that has descended to the bottom surface 15 to the outside of the bacterial culture tank 10 via the discharge unit 12b.
  • the descending tank 12 has a descending step P (not shown), which is a stepped structure described below, installed on the inner wall 12a, the contact time and frequency of the culture solution S with the inner wall 12a can be increased, thereby promoting the release of methane M dissolved in the culture solution S. Furthermore, if the descending tank 12 has a collection membrane F (not shown), described below, installed on the inner wall 12a, it can capture methanogens from the descending culture solution S. At this time, by pulling the methanogens from the upper side of the collection membrane F and returning them to the ascending tank, it is possible to prevent the methanogens from escaping to the outside.
  • a collection membrane F not shown
  • the recovery unit 13 is installed in the center of the upper surface 14 and recovers methane M released from the culture solution S in the ascending tank 11 and the descending tank 12. Here, the recovery unit 13 sends the recovered methane M to an airtight storage tank through piping.
  • the upper surface 14 has a circular structure, and its circumference is joined to the upper part of the outer wall 11 a. On the other hand, the upper surface 14 is not joined to the inner wall 12 a, and a gap is formed between the upper surface 14 and the inner wall 12 a, which allows the culture solution S and gas to move from the ascending tank 11 to the descending tank 12.
  • the upper surface 14 has a structure common to the ascending tank 11 and the descending tank 12, and has a recovery section 13 in the center.
  • the bottom surface 15 has a circular structure, the circumference of which is joined to the lower part of the outer wall 11a, and the center of which is joined to the lower part of the inner wall 12a.
  • the bottom surface 15 is a structure common to the ascending tank 11 and the descending tank 12, and has supply portions 11b (11b-1, 11b-2) near the circumference corresponding to the area of the ascending tank 11, and a discharge portion 12b in the center corresponding to the area of the descending tank 12.
  • C carbon dioxide
  • active research and development efforts are being conducted to effectively utilize carbon dioxide (C) as a resource to reduce greenhouse gas emissions.
  • These efforts include the synthesis of biofuels through photosynthesis using algae, the synthesis of chemical raw materials using microorganisms, and the synthesis of methane (M) from carbon dioxide (C) and hydrogen (H) (methanation).
  • methane (M) methane
  • C methane
  • H hydrogen
  • Methane (M) is the main component of city gas and has a higher volumetric energy density than hydrogen (H) and ammonia. Furthermore, it can be supplied through existing pipelines and gas pipes. Natural gas, the mainstream fuel, generates carbon dioxide (C) when burned, so a carbon-neutral synthetic gas is desired.
  • Methanation methods include catalytic and microbial methods.
  • Microbial methanation is a technique in which carbon dioxide (C) and hydrogen (H) are introduced into a culture solution (S) and methane (M) is synthesized by methanogens present in the culture solution (S).
  • Microbial methods allow synthesis in a relatively mild environment of below 100°C and do not require complex reaction control, making maintenance easy and allowing for the use of larger equipment.
  • C carbon dioxide
  • H hydrogen
  • M methane
  • methane M is produced using a bacterial cell culture tank 10P with a single-tank structure as follows. First, in the Reference Technology, a culture solution S in which carbon dioxide C is dissolved is supplied to the bacterial cell culture tank 10P in which methanogens exist. Second, in the Reference Technology, fine bubbles of hydrogen H are generated in the culture solution S by a bubbling method, causing the methanogens to produce methane M. Third, in the Reference Technology, the produced methane M released as a gas is collected.
  • the flow of methanogens is low, which reduces the contact efficiency between hydrogen H and methanogens, and may reduce the production efficiency of methane M.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a two-tank structure and is composed of the riser tank 11, the descender tank 12, the collection unit 13, and the like.
  • the riser tank 11 raises the culture solution S containing methanogens and dissolved carbon dioxide C.
  • the riser tank 11 continuously supplies a constant amount of culture solution S via the supply unit 11b, thereby raising the liquid level of the culture solution S inside the riser tank 11.
  • the riser tank 11 can also adjust the rate at which the culture solution S rises by adjusting the amount of culture solution S supplied per unit time.
  • the riser tank 11 can increase or decrease the rate at which the culture solution S rises by increasing or decreasing the amount of culture solution S continuously supplied via the supply unit 11b.
  • the riser tank 11 generates hydrogen H in the culture solution S as fine bubbles, causing the methanogens to produce methane M.
  • the descender tank 12 allows the culture solution S that overflows from the riser tank 11 to descend.
  • the descending tank 12 is the culture solution S whose liquid level has risen by continuously supplying a constant amount of the culture solution S from the supply unit 11b of the ascending tank 11, and the culture solution S whose liquid level has exceeded the inner wall 12a, i.e., the overflowing culture solution S, is allowed to descend into the descending tank 12.
  • the recovery unit 13 recovers methane M released from the culture solution S in the ascending tank 11 and the descending tank 12.
  • the bacterial cell culture tank 10 lowers the liquid level in the descending tank 12 below the liquid level in the ascending tank 11, thereby promoting gas-liquid separation through overflow, contact, falling, etc. of the culture solution S, and releasing methane M into the air, thereby improving the recovery efficiency of methane M.
  • the bacterial cell culture tank 10 increases the ascending speed of the culture solution S and increases the flow of methanogens, thereby improving the contact efficiency between hydrogen H and the methanogens and improving the production efficiency of methane M.
  • the bacterial cell culture tank 10 utilizes the sedimentation properties of methanogens to prevent the outflow of methanogens from the bacterial cell culture tank 10, thereby maintaining the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10, thereby improving the production efficiency of methane M.
  • Fig. 2 is a block diagram showing an example configuration of the bacterial cell culture tank 10 according to an embodiment.
  • the bacterial cell culture tank 10 is composed of a rising tank 11, a descending tank 12, a collection section 13, an upper surface 14, and a bottom surface 15.
  • examples of the configuration and function of the bacterial cell culture tank 10 will be described in detail, first by explaining an example structure of the bacterial cell culture tank 10 and specific examples of bacterial cells, and then by explaining the rising tank 11, the descending tank 12, the collection section 13, the upper surface 14, and the bottom surface 15 in that order.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a riser tank 11, which is structured to raise the culture solution S for cultivating gas-producing bacteria.
  • the bacterial cell culture tank 10 also has a descender tank 12, which is structured to lower the culture solution S that overflows from the riser tank 11.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a double cylindrical structure having a circular upper surface 14, a circular bottom surface 15, a cylindrical outer wall 11a, and a cylindrical inner wall 12a attached to the bottom surface 15, with a gap between the upper surface 14 and the inner wall 12a that allows the culture solution S to overflow. In this case, as will be described later in [3. Specific Examples of the Bacterial Cell Culture Tank 10] (3-2.
  • the bacterial cell culture tank 10 may have a structure in which the riser tank 11 is the outer diameter side of the double cylindrical structure and the descender tank 12 is the inner diameter side of the double cylindrical structure. Also, [3. As will be described later in (3-3. Specific Example of the Bacterial Cell Culture Tank 10) (Specific Example 2 of the Bacterial Cell Culture Tank 10), the bacterial cell culture tank 10 may have a structure in which the ascending tank 11 is the inner diameter side of a double cylindrical shape, and the descending tank 12 is the outer diameter side of the double cylindrical shape.
  • the bacterial cell culture tank 10 may have a double rectangular cylindrical structure having a square top surface 14, a square bottom surface 15, a square cylindrical outer wall 11a, and a square cylindrical inner wall 12a attached to the bottom surface 15, with a gap between the top surface 14 and the inner wall 12a that allows the culture solution S to overflow, or may have a two-tank or double structure that includes an ascending tank 11 and a descending tank 12 and allows the culture solution S to overflow from the ascending tank 11 to the descending tank 12.
  • the bacterial cells are, for example, methanogens that produce methane M as a gas, but the type of gas and the bacterial cells are not particularly limited. Furthermore, methanogens are archaea that synthesize methane M under anaerobic conditions, such as those classified into the genus Methanobacterium or Methanococcus, but the type of methanogen is not particularly limited. Furthermore, the bacterial cells use, for example, carbon dioxide C and hydrogen H as gas substrates, but the gas substrates are not particularly limited. Furthermore, the gas produced by the bacterial cells is not limited to methane M, and may be a volatile hydrocarbon (e.g., ethane, ethylene, acetylene), etc.
  • a volatile hydrocarbon e.g., ethane, ethylene, acetylene
  • the riser tank 11 is composed of an outer wall 11a, a supply unit 11b, and a generation unit 11c.
  • the outer wall 11a, the supply unit 11b, and the generation unit 11c will be described below in this order.
  • the outer wall 11a is made of a metal such as austenitic stainless steel or other iron-based steel formed into a cylindrical shape.
  • the outer wall 11a may also be made of reinforced concrete, glass, plastic, stone, wood, or other materials, and is not particularly limited in terms of material or shape as long as it has corrosion resistance and airtightness.
  • the supply unit 11b is realized by, for example, a delivery port and piping equipped with a check valve and having a delivery function to the inside of the bacterial cell culture tank 10.
  • the supply unit 11b is installed, for example, on the bottom surface 15 corresponding to the area of the riser tank 11, but may also be installed below the outer wall 11a, and the installation position is not particularly limited.
  • the supply unit 11b supplies a culture solution S containing a substance used by the bacterial cells as a gaseous substrate.
  • the supply unit 11b supplies a culture solution S containing carbon dioxide C, which the bacterial cells use as a gaseous substrate.
  • the supply unit 11b also supplies a culture solution S containing carbon dioxide C, which the methanogens use as a substrate for producing methane M.
  • the supply unit 11b can also supply a culture solution S containing carbon dioxide C and hydrogen H, which the methanogens use as substrates for producing methane M.
  • the supply unit 11b supplies the culture solution S at an ascending rate equal to or greater than the settling rate of the bacterial cells.
  • the supply unit 11b increases the flow of the methanogens to improve the contact efficiency between hydrogen H and the methanogens, and adjusts the supply amount of culture solution S per unit time so that the ascending rate of the culture solution S is equal to or greater than the settling rate of the methanogens.
  • Specific examples of bacterial cell culture tank 10] (3-7.
  • the supply unit 11b supplies the culture solution S at an ascending rate less than the settling rate of the bacterial cells. That is, when it is desired to prevent methanogens from escaping to the outside or to remove dead methanogens, the supply unit 11b adjusts the amount of culture solution S supplied per unit time to reduce the rate at which the culture solution S rises so that it is less than the settling rate of the methanogens.
  • the supply unit 11b increases the residence time of carbon dioxide C dissolved in the culture solution S within the tank, increasing the opportunities for contact between the carbon dioxide C and the methanogens, reducing the rate at which the methanogens escape to the descending tank 12, and maintaining bacterial density, thereby improving the efficiency of methane M production.
  • the supply unit 11b supplies the culture solution S containing carbon dioxide C produced by the combustion of a carbon-containing fuel. That is, the supply unit 11b can be used to convert carbon dioxide C produced by the combustion of oil, coal, etc., into methane M.
  • the supply unit 11b also supplies the culture solution S containing carbon dioxide C produced by the combustion of methane M produced by the bacterial cells. That is, the supply unit 11b can supply the methane M produced by the methanogens to a device such as a boiler, and recover the carbon dioxide C produced by the combustion of methane M within the device, which can then be used to convert it back into methane M.
  • the generation unit 11c is realized, for example, by a delivery port and piping having micropores and a delivery function to the inside of the bacterial cell culture tank 10.
  • the generation unit 11c is installed, for example, at the bottom of the outer wall 11a, but may also be installed on the bottom surface 15 corresponding to the area of the riser tank 11, and there are no particular limitations on the installation position.
  • Generating unit 11c generates bubbles of a substance that the bacterial cells use as a gas substrate. For example, generating unit 11c generates bubbles of hydrogen H, which the bacterial cells use as a gas substrate. Generating unit 11c also generates bubbles of hydrogen H, which methanogens use as a reaction substrate for methane M. At this time, generating unit 11c can also generate bubbles of a mixed gas containing carbon dioxide C and hydrogen H, which methanogens use as reaction substrates for methane M.
  • the generator 11c generates hydrogen H as bubbles produced by electrolysis using renewable energy.
  • the generator 11c can be used to convert hydrogen H produced by electrolysis using electrical energy generated by sunlight into methane M.
  • the generator 11c also generates hydrogen H as bubbles that is produced as a by-product in the manufacturing process.
  • the generator 11c can be used to convert hydrogen H produced as a by-product in the caustic soda manufacturing process into methane M.
  • the generator 11c can also be used to convert hydrogen H produced by reforming city gas into methane M.
  • the descending tank 12 is composed of an inner wall 12a and a discharge portion 12b. Below, the inner wall 12a and the discharge portion 12b will be described in that order.
  • the inner wall 12a is made of a metal such as austenitic stainless steel or other iron-based steel formed into a cylindrical shape.
  • the inner wall 12a may also be made of reinforced concrete, glass, plastic, stone, wood, or other materials, and is not particularly limited in terms of material or shape as long as it has corrosion resistance and airtightness.
  • the discharge unit 12b is realized by, for example, a delivery port and piping equipped with a check valve and having a function of delivering to the outside of the bacterial cell culture tank 10.
  • the discharge unit 12b is installed, for example, on the bottom surface 15 corresponding to the area of the descending tank 12, but may also be installed at the bottom of the internal wall 12a, and the installation position is not particularly limited.
  • the discharge unit 12b discharges the culture solution S that has descended to the bottom surface 15 of the descending tank 12.
  • the descending tank 12 may have one or more stepped structures on the inner wall 12a that retain the descending culture solution S for a predetermined period of time. That is, the descending tank 12 may have a stepped structure that increases the overflow length, prevents the liquid level in the ascending tank 11 from rising, and prevents the overflow portion of the inner wall 12a from being submerged. Furthermore, as will be described later in [3. Specific Examples of the Bacterial Cell Culture Tank 10] (3-5.
  • the descending tank 12 may have a structure that captures bacterial cells from the descending culture solution S.
  • the descending tank 12 may have a membrane that is installed parallel to the bottom surface 15 and has a pore size smaller than the size of the bacterial cells as a structure for capturing bacterial cells.
  • the collection unit 13 is realized, for example, by a delivery port and piping equipped with a check valve and having a function of delivering water to the outside of the bacterial cell culture tank 10.
  • the collection unit 13 is installed, for example, on the upper surface 14, but may also be installed on the upper part of the outer wall 11a, and the installation position is not particularly limited.
  • the recovery unit 13 recovers gases released from the culture solution S in the ascending tank 11 and the descending tank 12. For example, the recovery unit 13 recovers methane M produced by methanogens contained in the culture solution S using carbon dioxide C and hydrogen H as substrates, and sends it to an airtight storage tank via piping.
  • the upper surface 14 is made of a metal such as austenitic stainless steel or other iron-based steel formed in a circular shape.
  • the upper surface 14 may also be made of materials such as reinforced concrete, glass, plastic, stone, or wood, and is not particularly limited in terms of material or shape as long as it is corrosion-resistant and airtight.
  • the upper surface 14 has, for example, a collection section 13 in the center and is joined to the outer wall 11a at its periphery.
  • the upper surface 14 is not joined to the inner wall 12a, and a gap is formed between the upper surface 14 and the inner wall 12a that allows the culture solution S and gas to move from the ascending tank 11 to the descending tank 12.
  • the bottom surface 15 is made of a metal such as austenitic stainless steel or other iron-based steel formed in a circular shape.
  • the bottom surface 15 may also be made of a material such as reinforced concrete, glass, plastic, stone, or wood, and is not particularly limited in terms of material or shape as long as it is corrosion-resistant and airtight.
  • the bottom surface 15 has, for example, a discharge portion 12b in the center, is joined to the lower part of the outer wall 11a at its periphery, and is joined to the lower part of the inner wall 12a near its center.
  • bacterial cell culture tank 10P (3-1. Specific example of bacterial cell culture tank 10P) A specific example of a bacterial cell culture tank 10P according to the reference technology will be described with reference to Fig. 3.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating a specific example of a bacterial cell culture tank 10P according to the reference technology.
  • a specific example of a bacterial cell culture tank 10P having a single-tank structure will be described below.
  • the bacterial cell culture tank 10P supplies the culture solution S, in which carbon dioxide C has been dissolved, from the bottom of the bacterial cell culture tank 10P, and generates fine hydrogen H bubbles from the lower part of the wall of the bacterial cell culture tank 10P, causing the culture solution S to rise and causing the methanogens to produce methane M.
  • the bacterial cell culture tank 10P collects the methane M released as a gas from the upper surface of the bacterial cell culture tank 10P.
  • the bacterial cell culture tank 10P discharges the culture solution S to the outside of the bacterial cell culture tank 10P from the upper part of the wall of the bacterial cell culture tank 10P.
  • the fine bubbles of the produced methane M are discharged to the outside along with the culture solution S, which can reduce the efficiency of recovering methane M.
  • the rate at which the culture solution S rises is slow and there is little flow of methanogens, which can reduce the efficiency of contact between hydrogen H and the methanogens, and reduce the efficiency of producing methane M.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first specific example of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment. The following describes a first specific example of the bacterial cell culture tank 10 having a double cylindrical structure, with an ascending tank 11 on the outer diameter side and a descending tank 12 on the inner diameter side.
  • culture solution S containing dissolved carbon dioxide C is supplied from two locations on the bottom surface 15 of the outer diameter riser tank 11.
  • Microscopic hydrogen H bubbles are generated from two locations near the bottom surface 15 of the riser tank 11, causing the methanogens to produce methane M as the culture solution S rises.
  • the methane M contained in the culture solution S is released as a gas by overflowing from the outer diameter riser tank 11 into the inner diameter faller tank 12.
  • a recovery unit 13 installed on the upper surface 14 recovers the methane M released as a gas from the culture solution S in the riser tank 11 and the faller tank 12.
  • the bacterial cell culture tank 10 discharges the culture solution S to the outside of the bacterial cell culture tank 10 from a discharge unit 12b installed on the bottom surface 15 of the faller tank 12.
  • the bacterial cell culture tank 10 causes the rising culture solution S to overflow the internal wall 12a, or the descending culture solution S to come into contact with the internal wall 12a, or to fall to the bottom surface 15 and collide, which makes it easier for the methane M bubbles that remain in the liquid by adhering to the fine bubbles and solids in the culture solution S to bind together and be released as a gas from the culture solution S, thereby improving the efficiency of methane M recovery.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second specific example of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment. The following describes a second specific example of the bacterial cell culture tank 10 having a double cylindrical structure, with an ascending tank 11 on the inner diameter side and a descending tank 12 on the outer diameter side.
  • the bacterial cell culture tank 10 As shown in FIG. 5, first, in the bacterial cell culture tank 10, culture solution S containing dissolved carbon dioxide C is supplied from the bottom 15 of the riser tank 11 on the inner diameter side. Fine bubbles of hydrogen H are generated near the bottom 15 of the riser tank 11, causing the culture solution S to rise and causing the methanogens to produce methane M. Second, in the bacterial cell culture tank 10, the methane M contained in the culture solution S is released as a gas by overflowing from the riser tank 11 on the inner diameter side into the descender tank 12 on the outer diameter side. Third, in the collection section 13 installed on the upper surface 14, the bacterial cell culture tank 10 collects the methane M released as a gas from the culture solution S in the riser tank 11 and the descender tank 12. Fourth, the bacterial cell culture tank 10 discharges the culture solution S to the outside of the bacterial cell culture tank 10 from discharge sections 12b installed at two locations on the bottom 15 of the descender tank 12.
  • the bacterial cell culture tank 10 facilitates binding of the methane M bubbles that remain in the liquid by adhering to the fine bubbles and solids in the culture solution S, making it easier for them to be released as a gas from the culture solution S, thereby improving the recovery efficiency of methane M.
  • FIG. 6 is a diagram showing a specific example 3 of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment.
  • a specific example 3 of the bacterial cell culture tank 10 will be described, which has a double cylindrical structure, an ascending tank 11 on the outer diameter side, a descending tank 12 on the inner diameter side, and a descending stage P of a stepped structure installed in the descending tank 12.
  • the methane M released as a gas from the culture solution S in the riser tank 11 and the descending tank 12 is collected.
  • the bacterial cell culture tank 10P discharges the culture solution S to the outside of the bacterial cell culture tank 10 at the discharge section 12b installed on the bottom surface 15 of the descending tank 12.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a stepped structure that increases the overflow length, prevents the liquid level in the riser tank 11 from rising, and prevents the overflow portion of the inner wall 12a from being submerged.
  • the methane M bubbles that remain in the liquid due to adhering to the fine bubbles and solids in the culture solution S are more likely to bind, making it easier for them to be released as a gas from the culture solution S, thereby further improving the recovery efficiency of methane M.
  • the descending step P is installed in an upper position where it comes into contact with or falls onto the culture solution S immediately after overflow, but it may also be installed in a lower position where it comes into contact with or falls onto the bottom surface 15 just before it falls onto the bottom surface 15, and there are no particular restrictions on the installation position of the descending step P.
  • the descending step P has a one-step structure, but it may have a two or more step structure, and there are no particular restrictions on the number of steps of the descending step P.
  • the descending step P has a mortar-shaped step structure with a slope, but it may be installed on part of the inner wall 12a, or it may have a step structure perpendicular to the inner wall 12a, and there are no particular restrictions on the shape of the descending step P.
  • FIG. 7 is a diagram showing a fourth specific example of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment.
  • a fourth specific example of the bacterial cell culture tank 10 will be described, which has a double cylindrical structure, an ascending tank 11 on the outer diameter side, a descending tank 12 on the inner diameter side, and a collection membrane F that captures methanogens installed in the descending tank 12.
  • culture solution S with dissolved carbon dioxide C is supplied from two locations on the bottom 15 of the outer diameter riser tank 11. Fine bubbles of hydrogen H are generated from two locations near the bottom 15 of the riser tank 11, causing the methanogens to produce methane M while the culture solution S rises.
  • the culture solution S that overflows from the outer diameter riser tank 11 descends, causing the methane M dissolved in the culture solution S to be released as a gas.
  • the collection section 13 installed on the upper surface 14 of the bacterial cell culture tank 10
  • methane M released as a gas from the culture solution S in the riser tank 11 and the descender tank 12 is collected.
  • a collection membrane F installed on the inner wall 12a of the descender tank 12 captures the methane M from the culture solution S. At this time, the methanogens can be prevented from escaping to the outside by removing them from the upper side of the collection membrane F and returning them to the ascending tank 11.
  • the bacterial cell culture tank 10 discharges the culture solution S to the outside of the bacterial cell culture tank 10 at the discharge section 12b installed on the bottom surface 15 of the descending tank 12.
  • the bacterial cell culture tank 10 captures methanogens from the culture solution S in the descending tank 12 and returns them to the culture solution S, thereby preventing the outflow of methanogens from the bacterial cell culture tank 10 and maintaining the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10, thereby further improving the efficiency of methane M production.
  • the bacterial cell culture tank 10 can prevent pipe clogging due to methanogens.
  • the collection membrane F is installed in an upper position where it filters the culture solution S immediately after it overflows, but it may also be installed in a lower position where it filters the culture solution S immediately before it falls to the bottom surface 15, and there is no particular limitation on the installation position of the collection membrane F. Also, in Figure 7, there is one collection membrane F, but there may be two or more, and there is no particular limitation on the number of collection membranes F. Also, in Figure 7, the collection membrane F is rod-shaped and filters a certain range of the culture solution S descending in the descending tank 12, but there is no particular limitation on the shape of the collection membrane F.
  • FIG. 8 is a diagram showing a fifth specific example of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment.
  • the riser tank 11 supplies the culture solution S so that the rising speed of the culture solution S is equal to or greater than the settling speed of the methanogens.
  • the bacterial cell culture tank 10 increases the rate at which the culture solution S rises by causing the methanogens to rise together with the culture solution S, thereby increasing the flow of the methanogens and improving the contact efficiency between the hydrogen H and the methanogens, thereby further improving the production efficiency of methane M.
  • Fig. 9 is a diagram showing a sixth specific example of the bacterial cell culture tank 10 according to the embodiment. Below, a sixth specific example of the bacterial cell culture tank 10 will be described, in which the riser tank 11 supplies the culture solution S so that the rising speed of the culture solution S is less than the settling speed of the methanogens.
  • the bacterial cell culture tank 10 causes live methanogens to settle and separate them from the culture solution S, thereby preventing the outflow of live methanogens from the bacterial cell culture tank 10 and maintaining the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10, thereby further improving the methane M production efficiency. Furthermore, the bacterial cell culture tank 10 causes dead methanogens to settle and separate them from the culture solution S, thereby increasing the proportion of live methanogens in the bacterial cell culture tank 10 and maintaining the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10, thereby further improving the methane M production efficiency. Furthermore, by maintaining an appropriate rising speed, the bacterial cell culture tank 10 increases the residence time of carbon dioxide C dissolved in the culture solution S within the tank, increasing the opportunities for contact between the carbon dioxide C and the methanogens, thereby improving the methane M production efficiency.
  • the bacterial cell culture tank 10 includes the riser tank 11 having a structure for raising the culture solution S for cultivating gas-producing bacterial cells, the descender tank 12 having a structure for lowering the culture solution S that has overflowed from the riser tank 11, and the recovery unit 13 for recovering the gas released from the culture solution S in the riser tank 11 and the descender tank 12. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells can be improved.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a supply section 11b for supplying the culture solution S containing a substance used by the bacterial cells as a substrate for gas, and a discharge section 12b for discharging the culture solution S that has descended to the bottom surface 15 of the descending tank 12. Therefore, in the embodiment, in the step of continuously culturing the bacterial cells and generating gas, it is possible to improve the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells.
  • the riser tank 11 of the bacterial cell culture tank 10 has a generation section 11c that generates bubbles from a substance used by the bacterial cells as a substrate for gas. Therefore, in the embodiment, by effectively introducing the substrate for bacterial cell production, the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells can be improved.
  • the supply unit 11b supplies the culture solution S at an ascending speed equal to or greater than the settling speed of the bacterial cells in the bacterial cell culture tank 10. Therefore, in the embodiment, the ascending speed of the culture solution S and the flow of the bacterial cells are increased, and the efficiency of contact between the bacterial cells and the substrate is improved, thereby improving the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells.
  • the supply unit 11b supplies the culture solution S at an ascending speed that is lower than the settling speed of the bacterial cells in the bacterial cell culture tank 10. Therefore, in the embodiment, the outflow of live bacteria to the outside or the removal of dead bacteria is carried out to maintain the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10, thereby improving the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells.
  • the descending tank 12 of the bacterial cell culture tank 10 has a structure with one or more steps that holds the descending culture solution S for a predetermined period of time. Therefore, in the embodiment, the contact time or number of times of the culture solution S with the wall surface is increased, which makes it easier to release gas from the culture solution S, thereby improving the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a structure in which the descending tank 12 collects bacterial cells from the descending culture solution S. Therefore, in the embodiment, the bacterial cells are prevented from leaking out and are reused, thereby maintaining the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10, thereby improving the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells.
  • the descending tank 12 of the bacterial cell culture tank 10 has a structure for capturing bacterial cells, in which the membrane is placed parallel to the bottom and has a pore size smaller than the size of the bacterial cells. Therefore, in this embodiment, the trapping membrane F is used to prevent the bacterial cells from leaking out and to reuse the bacterial cells, thereby maintaining the bacterial cell density in the bacterial cell culture tank 10 and improving the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells.
  • the bacterial cell culture tank 10 has a double cylindrical structure having a circular top surface 14, a circular bottom surface 15, a cylindrical outer wall, and a cylindrical inner wall attached to the bottom surface 15, with a gap between the top surface 14 and the inner wall that allows the culture solution S to overflow. Therefore, in the embodiment, the contact efficiency between the bacterial cells and the substrate is improved, improving the gas production efficiency, and the gas is released from the culture solution S, improving the gas recovery efficiency, thereby improving the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells.
  • the bacterial cell culture tank 10 has the ascending tank 11 configured as the outer diameter side of a double cylindrical structure, and the descending tank 12 configured as the inner diameter side of the double cylindrical structure. Therefore, in the embodiment, the culture solution S is allowed to overflow from the ascending tank 11 on the outer diameter side to the descending tank 12 on the inner diameter side, thereby improving the gas production efficiency and gas recovery efficiency, thereby improving the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells.
  • the bacterial cell culture tank 10 has the ascending tank 11 configured as the inner diameter side of a double cylindrical structure, and the descending tank 12 configured as the outer diameter side of the double cylindrical structure. Therefore, in the embodiment, the culture solution S is allowed to overflow from the ascending tank 11 on the inner diameter side to the descending tank 12 on the outer diameter side, thereby improving the gas production efficiency and gas recovery efficiency, thereby improving the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells.
  • the bacterial cells are methanogens that produce gaseous methane M. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the methane M produced by the methanogens can be improved.
  • the bacterial cells use carbon dioxide C and hydrogen H as gas substrates. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells using carbon dioxide C and hydrogen H as substrates can be improved.
  • the supply unit 11b of the bacterial cell culture tank 10 supplies the culture solution S containing carbon dioxide C, which the bacterial cells use as a gaseous substrate. Therefore, in the embodiment, it is possible to improve the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells using carbon dioxide C as a substrate.
  • the supply unit 11b of the bacterial cell culture tank 10 supplies the culture solution S containing carbon dioxide C produced by combustion of a carbon-containing fuel. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells using carbon dioxide C as a substrate can be improved, and the carbon dioxide C emitted by the combustion of the fuel can be effectively utilized.
  • the supply unit 11b of the bacterial cell culture tank 10 supplies the culture solution S containing carbon dioxide C produced by combustion of methane M produced by the bacterial cells. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the gas produced by the bacterial cells using carbon dioxide C as a substrate can be improved, and the carbon dioxide C emitted by combustion of methane M produced by the methanogens can be effectively utilized.
  • the generation unit 11c of the bacterial cell culture tank 10 generates hydrogen H, which is used as a gaseous substrate by the bacterial cells, as bubbles. Therefore, in the embodiment, it is possible to improve the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells using hydrogen H as a substrate.
  • the generating unit 11c of the bacterial cell culture tank 10 generates hydrogen H as bubbles by electrolysis using renewable energy. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells using hydrogen H as a substrate can be improved, and the hydrogen H generated by renewable energy can be effectively utilized.
  • the generating unit 11c of the bacterial cell culture tank 10 generates hydrogen H, which is generated secondarily in the production process, as bubbles. Therefore, in the embodiment, the production efficiency of the gas generated by the bacterial cells using hydrogen H as a substrate can be improved, and the hydrogen H generated secondarily in the production process can be effectively utilized.
  • each device shown in the figure are functional concepts and do not necessarily have to be physically configured as shown.
  • the specific form of distribution and integration of each device is not limited to that shown.
  • all or part of them can be functionally or physically distributed and integrated in any unit depending on various loads, usage conditions, etc.
  • a bacterial cell culture tank comprising: a riser tank having a structure for raising a culture solution for cultivating gas-producing bacterial cells; a descender tank having a structure for lowering the culture solution that overflows from the riser tank; and a recovery unit for recovering the gas released from the culture solution in the riser tank and the descender tank.
  • a bacterial cell culture method carried out in a bacterial cell culture tank comprising: an ascending step of ascending a culture solution in which gas-producing bacterial cells are cultured; a descending step of descending the culture solution that has overflowed during the ascending step; and a recovery step of recovering the gas released from the culture solution during the ascending step and the descending step.

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Abstract

菌体培養槽（１０）は、メタン（Ｍ）を生成するメタン生成菌を培養する培養液（Ｓ）を上昇させる構造を有する上昇槽（１１）と、上昇槽（１１）から越流した培養液（Ｓ）を下降させる構造を有する下降槽（１２）と、上昇槽（１１）および下降槽（１２）の培養液（Ｓ）から放出されたメタン（Ｍ）を回収する回収部（１３）と、を備える。

Description

菌体培養槽および菌体培養方法
　本発明は、菌体培養槽および菌体培養方法に関する。
　微生物（適宜、「菌体」）を利用したメタネーション（methanation）は、二酸化炭素と水素を培養液中に導入し、培養液内に存在するメタン生成菌（適宜、「メタン菌」）によってメタンを生産する手法である。
特開２０１５－０５７９５１号公報
　しかしながら、メタン生成菌の培養によるメタンの生産効率を向上させることは難しい。例えば、従来技術では、生成したメタンの微細気泡が培養液とともに排出され、菌体培養槽の外でメタンが培養液から脱離するので、メタンの回収効率が低下することがある。また、従来技術では、培養液の上昇速度が遅く、メタン生成菌の流動が少ないので、水素とメタン生成菌の接触効率が低下し、メタンの生成効率が低下することがある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることを目的とする。
　本発明の一実施形態に係る菌体培養槽は、気体を生成する菌体を培養する培養液を上昇させる構造を有する上昇槽と、前記上昇槽から越流した前記培養液を下降させる構造を有する下降槽と、前記上昇槽および前記下降槽の前記培養液から放出された前記気体を回収する回収部と、を備える。
　本発明の一実施形態に係る菌体培養方法は、菌体培養槽によって実行される菌体培養方法であって、気体を生成する菌体を培養する培養液を上昇させる上昇工程と、前記上昇工程によって越流した前記培養液を下降させる下降工程と、前記上昇工程および前記下降工程の前記培養液から放出された前記気体を回収する回収工程と、を含む。
　本発明によれば、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができるという効果がある。
実施形態に係る菌体培養槽の概要図の一例を示す図である。 実施形態に係る菌体培養槽の構成例を示すブロック図である。 参考技術に係る菌体培養槽の具体例を説明する図である。 実施形態に係る菌体培養槽の具体例１を示す図である。 実施形態に係る菌体培養槽の具体例２を示す図である。 実施形態に係る菌体培養槽の具体例３を示す図である。 実施形態に係る菌体培養槽の具体例４を示す図である。 実施形態に係る菌体培養槽の具体例５を示す図である。 実施形態に係る菌体培養槽の具体例６を示す図である。
　以下に、本発明の一実施形態に係る菌体培養槽および菌体培養方法を、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態により限定されるものではない。
　以下に、実施形態に係る菌体培養槽１０の概要、菌体培養槽１０の構成および機能について順に説明し、最後に実施形態の効果について説明する。
〔１．菌体培養槽１０の概要〕
　図１を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の概要について説明する。図１は、実施形態に係る菌体培養槽１０の概要図の一例を示す図である。以下では、メタン生成菌のメタン生成反応、菌体培養槽１０の基本構成例、および菌体培養槽１０の効果について説明する。
（１－１．メタン生成菌のメタン生成反応）
　メタン生成菌は、下記（１）式で表わされる反応によって、メタンＭを生成する。なお、下記（１）式において、「ＣＯ２」が二酸化炭素Ｃ、「Ｈ２」が水素Ｈ、「ＣＨ４」がメタンＭ、「Ｈ２Ｏ」が水である。また、常温常圧の条件下において、二酸化炭素Ｃ、水素Ｈ、およびメタンＭが気体であり、水が液体である。
　ＣＯ２＋４Ｈ２　→　ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ　（１）
　また、メタン生成菌は、嫌気性菌であるので、酸素が存在する環境下では上記（１）式のメタン生成反応によってメタンＭを生成することができない。
（１－２．菌体培養槽１０の基本構成例）
　図１に示すように、菌体培養槽１０は、上昇槽１１、下降槽１２、回収部１３、上面１４、および底面１５で構成される。また、菌体培養槽１０は、培養液Ｓに含まれるメタン生成菌を培養することによって、二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを原料としてメタンＭを生産する培養槽である。
（１－２－１．上昇槽１１）
　上昇槽１１は、外部壁１１ａ、供給部１１ｂ（１１ｂ－１、１１ｂ－２）、および発生部１１ｃ（１１ｃ－１、１１ｃ－２）で構成される。また、上昇槽１１は、円筒形の外部壁１１ａおよび円筒形の内部壁１２ａによって構成される二重円筒形の外径側の構造である。
　上昇槽１１は、供給部１１ｂによって、メタン生成菌が含まれ、二酸化炭素Ｃが溶解した培養液Ｓを上昇させる。例えば、上昇槽１１は、供給部１１ｂによって一定量の培養液Ｓを連続的に供給することによって、上昇槽１１内部の培養液Ｓの液面の高さを上昇させる。また、上昇槽１１は、発生部１１ｃによって、水素Ｈを培養液Ｓに微細気泡として発生させる。このとき、メタン生成菌は、培養液Ｓにおいて、上記（１）式で表わされる代謝反応によって、二酸化炭素Ｃおよび水素ＨからメタンＭを生成する。
　ここで、上昇槽１１は、供給部１１ｂが供給する培養液Ｓの単位時間当たりの供給量を調整することによって、培養液Ｓの上昇速度を調整することができる。このとき、上昇槽１１は、供給部１１ｂによって連続的に供給する培養液Ｓを増加させることによって、培養液Ｓの上昇速度を増加させることができる。一方、上昇槽１１は、供給部１１ｂによって連続的に供給する培養液Ｓを減少させることによって、培養液Ｓの上昇速度を減少させることができる。例えば、上昇槽１１は、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度以上にすることによって、メタン生成菌を培養液Ｓとともに上昇させることができる。ここで、沈降速度とは、培養液Ｓに流れがない場合のメタン生成菌が沈降していく速度である。一方、上昇槽１１は、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度未満にすることによって、メタン生成菌を沈降させ、培養液Ｓと分離させることができる。
　なお、図１では、供給部１１ｂは、２つで構成されているが、培養液Ｓを上昇槽１１の内部に均一に供給できるのであれば、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、図１では、発生部１１ｃは、２つで構成されているが、水素Ｈを上昇槽１１の内部に均一に発生できるのであれば、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
（１－２－２．下降槽１２）
　下降槽１２は、内部壁１２ａおよび排出部１２ｂで構成される。また、下降槽１２は、円筒形の外部壁１１ａおよび円筒形の内部壁１２ａによって構成される二重円筒形の内径側の構造である。
　下降槽１２は、上昇槽１１から内部壁１２ａを越流した培養液Ｓを下降させる。例えば、下降槽１２は、上昇槽１１の供給部１１ｂによって一定量の培養液Ｓを連続的に供給することによって液面の高さが上昇した培養液Ｓであって、液面の高さが内部壁１２ａを超過した培養液Ｓ、すなわち越流した培養液Ｓを下降槽１２内部に下降させる。このとき、上昇した培養液Ｓが内部壁１２ａを越流したり、下降した培養液Ｓが内部壁１２ａに接触したり、底面１５に落下して衝突したりすることによって、培養液Ｓに含まれるメタンＭが気体として放出される。ここで、メタンＭは、微細気泡の状態で液中にとどまっている気体であってもよいし、液中に溶解している気体であってもよい。また、下降槽１２は、排出部１２ｂによって、底面１５まで下降した培養液Ｓを菌体培養槽１０の外部に排出させる。
　ここで、下降槽１２は、後述する段状構造である下降段Ｐ（不図示）が内部壁１２ａに設置されている場合には、培養液Ｓの内部壁１２ａへの接触時間や接触回数が増加することによって、培養液Ｓに溶解したメタンＭの放出を促進することができる。また、下降槽１２は、後述する捕集膜Ｆ（不図示）が内部壁１２ａに設置されている場合には、下降する培養液Ｓからメタン生成菌を捕集することができる。このとき、捕集膜Ｆの上側からメタン生成菌を引き抜いて上昇槽に戻すことによって、メタン生成菌の外部への流出を防ぐことができる。
（１－２－３．回収部１３）
　回収部１３は、上面１４の中央に設置され、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから放出されるメタンＭを回収する。ここで、回収部１３は、回収したメタンＭを、配管を通じて気密性を有する保管タンクに送出する。
（１－２－４．上面１４）
　上面１４は、円形の構造であって、円周を外部壁１１ａの上部と接合される。一方、上面１４は、内部壁１２ａとは接合されておらず、内部壁１２ａとの間において、上昇槽１１から下降槽１２への培養液Ｓや気体の移動を可能とする間隙を有する。また、上面１４は、上昇槽１１および下降槽１２において共通する構造であって、中央に回収部１３を有する。
（１－２－５．底面１５）
　底面１５は、円形の構造であって、円周を外部壁１１ａの下部と接合され、中央付近を内部壁１２ａの下部と接合される。また、底面１５は、上昇槽１１および下降槽１２において共通する構造であって、上昇槽１１の領域に対応する円周付近に供給部１１ｂ（１１ｂ－１、１１ｂ－２）を有し、下降槽１２の領域に対応する中央に排出部１２ｂを有する。
（１－３．菌体培養槽１０の効果）
　以下では、メタネーションの概要、参考技術の概要および問題点について説明した上で、実施形態に係る菌体培養槽１０の概要および効果について説明する。
（１－３－１．メタネーションの概要）
　鉄鋼、化学、自動車、電気等の製造工程や、石炭や天然ガスを用いる発電プラント等から排出される二酸化炭素Ｃは地球温暖化防止の観点から排出量を削減する必要に迫られている。その背景で、温室効果ガスとなる二酸化炭素Ｃの排出量の削減のために、二酸化炭素Ｃを資源として有効活用する研究開発が盛んに行われており、藻類を用いた光合成によるバイオ燃料の合成、微生物を用いた化学原料の合成、二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを原料としたメタンＭの合成（メタネーション）等が行われている。工場の排ガス中の二酸化炭素Ｃを活用してメタンＭを合成することにより、二酸化炭素Ｃを資源として循環させることができる。メタンＭは、都市ガスの主成分であり、体積エネルギー密度が水素Ｈやアンモニアと比較して高く、また、既存のパイプラインやガス管を通して供給できる。燃料として主流の天然ガスでは、燃焼した際に二酸化炭素Ｃが発生するので、カーボンニュートラルとなる合成ガスが望まれている。
　メタネーションの方式として、触媒方式、微生物方式等がある。微生物を用いたメタネーションは、二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを培養液Ｓに導入し、培養液Ｓ内に存在するメタン生成菌によりメタンＭを合成する手法である。微生物を用いた方式では、１００℃以下の比較的緩やかな環境で合成が可能であり、複雑な反応制御が不要となるので、保守メンテナンスが容易であり、装置の大型化が可能になる。上記のように地球温暖化防止を背景に二酸化炭素Ｃを資源として有効活用するために、微生物を用いたメタネーションや化学原料の合成、バイオ燃料の合成等に活用できる技術開発が急務になっている。
（１－３－２．参考技術の概要）
　参考技術では、以下のように一槽構造の菌体培養槽１０Ｐを用いてメタンＭを生産する。第１に、参考技術では、メタン生成菌が存在する菌体培養槽１０Ｐに二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給する。第２に、参考技術では、培養液Ｓにおいて、バブリング方式で水素Ｈの微細気泡を発生させることでメタン生成菌にメタンＭを生成させる。第３に、参考技術では、生成され、気体として放出されたメタンＭを回収する。
（１－３－３．参考技術の問題点）
　第１に、参考技術では、生成されたメタンＭの微細気泡が培養液Ｓとともに排出され、菌体培養槽１０Ｐの外部でメタンＭが培養液Ｓから脱離するので、メタンＭの回収効率が低下することがある。
　第２に、参考技術では、メタン生成菌の流動が少ないので、水素Ｈとメタン生成菌との接触効率が低下し、メタンＭの生成効率が低下することがある。
（１－３－４．概要）
　菌体培養槽１０は、上記のように二槽構造であって、上昇槽１１、下降槽１２、回収部１３等で構成される。第１に、上昇槽１１は、メタン生成菌が含まれ、二酸化炭素Ｃが溶解した培養液Ｓを上昇させる。このとき、上昇槽１１は、供給部１１ｂによって一定量の培養液Ｓを連続的に供給することによって、上昇槽１１内部の培養液Ｓの液面の高さを上昇させる。また、上昇槽１１は、供給する培養液Ｓの単位時間当たりの供給量を調整することによって、培養液Ｓの上昇速度を調整することができる。このとき、上昇槽１１は、供給部１１ｂによって連続的に供給する培養液Ｓを増減させることによって、培養液Ｓの上昇速度を増減させることができる。第２に、上昇槽１１は、水素Ｈを培養液Ｓに微細気泡として発生させ、メタン生成菌にメタンＭを生成させる。第３に、下降槽１２は、上昇槽１１から越流した培養液Ｓを下降させる。このとき、下降槽１２は、上昇槽１１の供給部１１ｂによって一定量の培養液Ｓを連続的に供給することによって液面の高さが上昇した培養液Ｓであって、液面の高さが内部壁１２ａを超過した培養液Ｓ、すなわち越流した培養液Ｓを下降槽１２内部に下降させる。第４に、回収部１３は、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから放出されるメタンＭを回収する。
（１－３－５．効果）
　第１に、菌体培養槽１０は、上昇槽１１の液面より下降槽１２の液面を低くすることによって培養液Ｓの越流、接触、落下等により気液分離を促進し、メタンＭを気中へ放出させることでメタンＭの回収効率を向上させる。第２に、菌体培養槽１０は、培養液Ｓの上昇速度を増加させ、メタン生成菌の流動を多くするので、水素Ｈとメタン生成菌との接触効率を向上させることでメタンＭの生成効率を向上させる。第３に、菌体培養槽１０は、メタン生成菌の沈降性を活用して菌体培養槽１０からのメタン生成菌の流出を防ぎ、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することができるので、メタンＭの生成効率を向上させる。
〔２．菌体培養槽１０の構成および機能〕
　図２を用いて、図１に示した菌体培養槽１０の構成および機能について説明する。図２は、実施形態に係る菌体培養槽１０の構成例を示すブロック図である。菌体培養槽１０は、上昇槽１１、下降槽１２、回収部１３、上面１４、および底面１５で構成される。以下では、菌体培養槽１０の構成例および機能例について、菌体培養槽１０の構造例および菌体の具体例について説明した上で、上昇槽１１、下降槽１２、回収部１３、上面１４、底面１５の順に詳細に説明する。
（２－１．菌体培養槽１０の構造例）
　菌体培養槽１０は、気体を生成する菌体を培養する培養液Ｓを上昇させる構造である上昇槽１１を有する。また、菌体培養槽１０は、上昇槽１１から越流した培養液Ｓを下降させる構造である下降槽１２を有する。例えば、菌体培養槽１０は、円形の上面１４、円形の底面１５、円筒形の外部壁１１ａ、および底面１５に設置された円筒形の内部壁１２ａを有し、上面１４と内部壁１２ａとの間に培養液Ｓの越流を可能とする間隙を有する二重の円筒形の構造である。このとき、〔３．菌体培養槽１０の具体例〕（３－２．菌体培養槽１０の具体例１）で後述するように、菌体培養槽１０は、上昇槽１１が二重の円筒形のうち外径側の構造であって、下降槽１２が二重の円筒形のうち内径側の構造であってもよい。また、〔３．菌体培養槽１０の具体例〕（３－３．菌体培養槽１０の具体例２）で後述するように、菌体培養槽１０は、上昇槽１１が二重の円筒形のうち内径側の構造であって、下降槽１２が二重の円筒形のうち外径側の構造であってもよい。
　さらに、菌体培養槽１０は、四角形の上面１４、四角形の底面１５、四角状の筒形の外部壁１１ａ、および底面１５に設置された四角状の筒形の内部壁１２ａを有し、上面１４と内部壁１２ａとの間に培養液Ｓの越流を可能とする間隙を有する二重の四角状の筒形の構造等であってもよく、上昇槽１１および下降槽１２を備え、上昇槽１１から下降槽１２への培養液Ｓの越流を可能とする二槽構造または二重構造であればよい。
（２－２．菌体の具体例）
　菌体は、例えば、気体としてメタンＭを生成するメタン生成菌であるが、気体や菌体の種類については特に限定されない。また、メタン生成菌は、例えば、メタノバクテリウム属（Methanobacterium）、メタノコックス属（Methanococcus）等に分類される嫌気条件でメタンＭを合成する古細菌であるが、メタン生成菌の種類については特に限定されない。また、菌体は、気体の基質として、例えば、二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを用いるが、気体の基質については特に限定されない。また、菌体が生成する気体はメタンＭに限定されず、揮発性の炭化水素（例：エタン、エチレン、アセチレン）等であってもよい。
（２－３．上昇槽１１の構成例および機能例）
　上昇槽１１の構成例および機能例について説明する。上昇槽１１は、外部壁１１ａ、供給部１１ｂ、および発生部１１ｃで構成される。以下では、外部壁１１ａ、供給部１１ｂ、発生部１１ｃの順に説明する。
（２－３－１．外部壁１１ａ）
　外部壁１１ａは、例えば、円筒状に形成されたオーステナイトステンレス、その他の鉄系の鋼材等の金属で構成される。また、外部壁１１ａは、鉄筋コンクリート、ガラス、プラスチック、石材、木材等の材質で構成されてもよく、耐食性や気密性を有すれば材質や形状については特に限定されない。
（２－３－２．供給部１１ｂ）
　供給部１１ｂは、例えば、逆流防止弁が設置された、菌体培養槽１０の内部への送出機能を有する送出口および配管で実現される。また、供給部１１ｂは、例えば、上昇槽１１の領域に対応する底面１５に設置されるが、外部壁１１ａの下部に設置されてもよく、設置位置については特に限定されない。
　供給部１１ｂは、菌体が気体の基質として用いる物質を含む培養液Ｓを供給する。例えば、供給部１１ｂは、菌体が気体の基質として用いる二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。また、供給部１１ｂは、メタン生成菌がメタンＭ生成の基質として用いる二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。このとき、供給部１１ｂは、メタン生成菌がメタンＭの基質として用いる二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを含む培養液Ｓを供給することもできる。
　培養液Ｓを供給する速度について説明すると、〔３．菌体培養槽１０の具体例〕（３－６．菌体培養槽１０の具体例５）で後述するように、供給部１１ｂは、菌体の沈降速度以上の上昇速度で培養液Ｓを供給する。すなわち、供給部１１ｂは、メタンＭの生成効率を向上させたい場合には、メタン生成菌の流動を多くすることによって、水素Ｈとメタン生成菌との接触効率を向上させ、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度以上になるように単位時間当たりの培養液Ｓの供給量を増加させる調整をする。また、〔３．菌体培養槽１０の具体例〕（３－７．菌体培養槽１０の具体例６）で後述するように、供給部１１ｂは、菌体の沈降速度未満の上昇速度で培養液Ｓを供給する。すなわち、供給部１１ｂは、メタン生成菌の外部への流出を防ぎたい場合や死滅したメタン生成菌を除去したい場合には、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度未満になるように単位時間当たりの培養液Ｓの供給量を減少させる調整をする。このとき、供給部１１ｂは、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度未満であって適切な上昇速度を保つように調整することによって、培養液Ｓに溶解している二酸化炭素Ｃの槽内滞留時間を増加させ、二酸化炭素Ｃとメタン生成菌との接触機会を増加させ、メタン生成菌の下降槽１２への流出を減少させ、菌密度を保つことができるので、メタンＭの生成効率を向上させることもできる。
　菌体が基質として用いる二酸化炭素Ｃの由来について説明すると、供給部１１ｂは、炭素を含有する燃料の燃焼によって生成された二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。すなわち、供給部１１ｂは、例えば、石油や石炭等の燃焼によって生成された二酸化炭素ＣをメタンＭに変換するために利用することができる。また、供給部１１ｂは、菌体が生成したメタンＭの燃焼によって生成された二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。すなわち、供給部１１ｂは、メタン生成菌から生産したメタンＭをボイラー等の装置に供給し、当該装置内でメタンＭの燃焼によって生成された二酸化炭素Ｃを回収し、再びメタンＭに変換するために利用することができる。
（２－３－３．発生部１１ｃ）
　発生部１１ｃは、例えば、微細孔を有し、菌体培養槽１０の内部への送出機能を有する送出口および配管で実現される。また、発生部１１ｃは、例えば、外部壁１１ａの下部に設置されるが、上昇槽１１の領域に対応する底面１５に設置されてもよく、設置位置については特に限定されない。
　発生部１１ｃは、菌体が気体の基質として用いる物質を気泡として発生する。例えば、発生部１１ｃは、菌体が気体の基質として用いる水素Ｈを気泡として発生する。また、発生部１１ｃは、メタン生成菌がメタンＭの反応基質として用いる水素Ｈを気泡として発生する。このとき、発生部１１ｃは、メタン生成菌がメタンＭの反応基質として用いる二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを含む混合気体を気泡として発生することもできる。
　基質として用いる水素Ｈの由来について説明すると、発生部１１ｃは、再生可能エネルギーを用いた電気分解によって生成された水素Ｈを気泡として発生する。例えば、発生部１１ｃは、太陽光によって発電した電気エネルギーを用いた電気分解によって生成された水素ＨをメタンＭに変換するために利用することができる。また、発生部１１ｃは、製造工程で副次的に生成された水素Ｈを気泡として発生する。例えば、発生部１１ｃは、苛性ソーダの製造工程で副次的に生成された水素ＨをメタンＭに変換するために利用することができる。また、発生部１１ｃは、都市ガス改質によって生成された水素ＨをメタンＭに変換するために利用することもできる。
（２－４．下降槽１２の構成例および機能例）
　下降槽１２の構成例および機能例について説明する。下降槽１２は、内部壁１２ａおよび排出部１２ｂで構成される。以下では、内部壁１２ａ、排出部１２ｂの順に説明する。
（２－４－１．内部壁１２ａ）
　内部壁１２ａは、例えば、円筒状に形成されたオーステナイトステンレス、その他の鉄系の鋼材等の金属で構成される。また、内部壁１２ａは、鉄筋コンクリート、ガラス、プラスチック、石材、木材等の材質で構成されてもよく、耐食性や気密性を有すれば材質や形状については特に限定されない。
（２－４－２．排出部１２ｂ）
　排出部１２ｂは、例えば、逆流防止弁が設置された、菌体培養槽１０の外部への送出機能を有する送出口および配管で実現される。また、排出部１２ｂは、例えば、下降槽１２の領域に対応する底面１５に設置されるが、内部壁１２ａの下部に設置されてもよく、設置位置については特に限定されない。排出部１２ｂは、下降槽１２の底面１５まで下降した培養液Ｓを排出する。
（２－４－３．その他）
　〔３．菌体培養槽１０の具体例〕（３－４．菌体培養槽１０の具体例３）で後述するように、下降槽１２は、内部壁１２ａにおいて、下降する培養液Ｓを所定時間保持する１つ以上の段状の構造を有することもできる。すなわち、下降槽１２は、段状の構造を有することによって越流する長さを増加させ、上昇槽１１の液位の上昇を防ぎ、内部壁１２ａの越流部分が水没することを防ぐこともできる。また、〔３．菌体培養槽１０の具体例〕（３－５．菌体培養槽１０の具体例４）で後述するように、下降槽１２は、下降する培養液Ｓから菌体を捕集する構造を有することもできる。例えば、下降槽１２は、菌体を捕集する構造として、底面１５と平行に設置された菌体のサイズより孔径が小さい膜を有することもできる。
（２－５．回収部１３の構成例および機能例）
　回収部１３の構成例および機能例について説明する。回収部１３は、例えば、逆流防止弁が設置された、菌体培養槽１０の外部への送出機能を有する送出口および配管で実現される。また、回収部１３は、例えば、上面１４に設置されるが、外部壁１１ａの上部に設置されてもよく、設置位置については特に限定されない。
　回収部１３は、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから放出された気体を回収する。例えば、回収部１３は、培養液Ｓに含まれるメタン生成菌が二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを基質として生成したメタンＭを回収し、配管を通じて気密性を有する保管タンクに送出する。
（２－６．上面１４の構成例および機能例）
　上面１４の構成例および機能例について説明する。上面１４は、例えば、円状に形成されたオーステナイトステンレス、その他の鉄系の鋼材等の金属で構成される。また、上面１４は、鉄筋コンクリート、ガラス、プラスチック、石材、木材等の材質で構成されてもよく、耐食性や気密性を有すれば材質や形状については特に限定されない。また、上面１４は、例えば、中央に回収部１３を有し、周囲を外部壁１１ａと接合された構造である。また、上面１４は、内部壁１２ａとは接合されておらず、内部壁１２ａとの間において、上昇槽１１から下降槽１２への培養液Ｓや気体の移動を可能とする間隙を有する。
（２－７．底面１５の構成例および機能例）
　底面１５の構成例および機能例について説明する。底面１５は、例えば、円状に形成されたオーステナイトステンレス、その他の鉄系の鋼材等の金属で構成される。また、底面１５は、鉄筋コンクリート、ガラス、プラスチック、石材、木材等の材質で構成されてもよく、耐食性や気密性を有すれば材質や形状については特に限定されない。また、底面１５は、例えば、中央に排出部１２ｂを有し、周囲を外部壁１１ａの下部と接合され、中央付近を内部壁１２ａの下部と接合された構造である。
〔３．菌体培養槽１０の具体例〕
　図３～図９を用いて、参考技術に係る菌体培養槽１０Ｐの具体例について説明した上で、菌体培養槽１０の具体例について説明する。
（３－１．菌体培養槽１０Ｐの具体例）
　図３を用いて、参考技術に係る菌体培養槽１０Ｐの具体例について説明する。図３は、参考技術に係る菌体培養槽１０Ｐの具体例を説明する図である。以下では、一槽構造の菌体培養槽１０Ｐの具体例について説明する。
　図３に示すように、第１に、菌体培養槽１０Ｐは、菌体培養槽１０Ｐの底面から二酸化炭素Ｃを溶解させた培養液Ｓを供給し、菌体培養槽１０Ｐの壁面下部から水素Ｈの微細気泡を発生させ、培養液Ｓを上昇させながらメタン生成菌にメタンＭを生成させる。第２に、菌体培養槽１０Ｐは、菌体培養槽１０Ｐの上面において、気体として放出されたメタンＭを回収する。第３に、菌体培養槽１０Ｐは、菌体培養槽１０Ｐの壁面上部において、菌体培養槽１０Ｐの外部に培養液Ｓを排出する。
　このとき、菌体培養槽１０Ｐによる菌体培養方法では、生成されたメタンＭの微細気泡を培養液Ｓとともに外部に排出してしまうので、メタンＭの回収効率が低下することがある。また、菌体培養槽１０Ｐによる菌体培養方法では、培養液Ｓの上昇速度が遅く、メタン生成菌の流動が少ないので、水素Ｈとメタン生成菌の接触効率が低下し、メタンＭの生成効率が低下することがある。
（３－２．菌体培養槽１０の具体例１）
　図４を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例１について説明する。図４は、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例１を示す図である。以下では、二重円筒形構造であって、外径側が上昇槽１１、内径側が下降槽１２である菌体培養槽１０の具体例１について説明する。
　図４に示すように、第１に、菌体培養槽１０は、外径側の上昇槽１１において、上昇槽１１の底面１５の２箇所から二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給し、上昇槽１１の底面１５付近の２箇所から水素Ｈの微細気泡を発生させ、培養液Ｓを上昇させながらメタン生成菌にメタンＭを生成させる。第２に、菌体培養槽１０は、内径側の下降槽１２において、外径側の上昇槽１１から越流させることで、培養液Ｓに含まれるメタンＭを気体として放出させる。第３に、菌体培養槽１０は、上面１４に設置された回収部１３において、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから気体として放出されたメタンＭを回収する。第４に、菌体培養槽１０は、下降槽１２の底面１５に設置された排出部１２ｂにおいて、菌体培養槽１０の外部に培養液Ｓを排出する。
　上記の菌体培養槽１０の具体例１において、菌体培養槽１０は、上昇した培養液Ｓが内部壁１２ａを越流したり、下降した培養液Ｓが内部壁１２ａに接触したり、底面１５に落下して衝突したりすることによって、培養液Ｓに微細気泡や固形分に付着して液中にとどまっているメタンＭの気泡それぞれを結合しやすくさせ、培養液Ｓから気体として放出されやすくするので、メタンＭの回収効率を向上させることができる。
（３－３．菌体培養槽１０の具体例２）
　図５を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例２について説明する。図５は、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例２を示す図である。以下では、二重円筒形構造であって、内径側が上昇槽１１、外径側が下降槽１２である菌体培養槽１０の具体例２について説明する。
　図５に示すように、第１に、菌体培養槽１０は、内径側の上昇槽１１において、上昇槽１１の底面１５から二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給し、上昇槽１１の底面１５付近から水素Ｈの微細気泡を発生させ、培養液Ｓを上昇させながらメタン生成菌にメタンＭを生成させる。第２に、菌体培養槽１０は、外径側の下降槽１２において、内径側の上昇槽１１から越流させることで、培養液Ｓに含まれるメタンＭを気体として放出させる。第３に、菌体培養槽１０は、上面１４に設置された回収部１３において、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから気体として放出されたメタンＭを回収する。第４に、菌体培養槽１０は、下降槽１２の底面１５の２箇所に設置された排出部１２ｂにおいて、菌体培養槽１０の外部に培養液Ｓを排出する。
　上記の菌体培養槽１０の具体例２において、菌体培養槽１０は、上記の菌体培養槽１０の具体例１と同様に、培養液Ｓに微細気泡や固形分に付着して液中にとどまっているメタンＭの気泡それぞれを結合しやすくさせ、培養液Ｓから気体として放出されやすくするので、メタンＭの回収効率を向上させることができる。
（３－４．菌体培養槽１０の具体例３）
　図６を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例３について説明する。図６は、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例３を示す図である。以下では、二重円筒形構造であって、外径側が上昇槽１１、内径側が下降槽１２であって、下降槽１２に段状構造の下降段Ｐが設置された菌体培養槽１０の具体例３について説明する。
　図６に示すように、第１に、菌体培養槽１０は、外径側の上昇槽１１において、上昇槽１１の底面１５の２箇所から二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給し、上昇槽１１の底面１５付近の２箇所から水素Ｈの微細気泡を発生させ、培養液Ｓを上昇させながらメタン生成菌にメタンＭを生成させる。第２に、菌体培養槽１０は、内径側の下降槽１２において、外径側の上昇槽１１から越流した培養液Ｓを段状構造である下降段Ｐに接触または落下衝突させるように下降させ、培養液Ｓに溶解したメタンＭを気体として放出させる。第３に、菌体培養槽１０は、上面１４に設置された回収部１３において、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから気体として放出されたメタンＭを回収する。第４に、菌体培養槽１０Ｐは、下降槽１２の底面１５に設置された排出部１２ｂにおいて、菌体培養槽１０の外部に培養液Ｓを排出する。
　上記の菌体培養槽１０の具体例３において、菌体培養槽１０は、段状の構造を有することによって越流する長さを増加させ、上昇槽１１の液位の上昇を防ぎ、内部壁１２ａの越流部分が水没することを防ぐとともに、培養液Ｓの内部壁１２ａへの接触時間や接触回数を増加させることによって、培養液Ｓに微細気泡や固形分に付着して液中にとどまっているメタンＭの気泡それぞれを結合しやすくさせ、培養液Ｓから気体として放出されやすくするので、メタンＭの回収効率をさらに向上させることができる。
　図６では、下降段Ｐは、越流直後において培養液Ｓを接触または落下衝突させる上部の位置に設置されているが、底面１５に落下直前において培養液Ｓを接触または落下衝突させる下部の位置に設置されてもよく、下降段Ｐの設置位置については特に限定されない。また、図６では、下降段Ｐは、１段の段状構造であるが、２段以上の段状構造であってもよく、下降段Ｐの段数については特に限定されない。また、図６では、下降段Ｐは、すり鉢状であって斜面を有する段状構造であるが、内部壁１２ａの一部に設置されてもよいし、内部壁１２ａに対して直角の段状構造であってもよく、下降段Ｐの形状については特に限定されない。
（３－５．菌体培養槽１０の具体例４）
　図７を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例４について説明する。図７は、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例４を示す図である。以下では、二重円筒形構造であって、外径側が上昇槽１１、内径側が下降槽１２であって、下降槽１２にメタン生成菌を捕集する捕集膜Ｆが設置された菌体培養槽１０の具体例４について説明する。
　図７に示すように、第１に、菌体培養槽１０は、外径側の上昇槽１１において、上昇槽１１の底面１５の２箇所から二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給し、上昇槽１１の底面１５付近の２箇所から水素Ｈの微細気泡を発生させ、培養液Ｓを上昇させながらメタン生成菌にメタンＭを生成させる。第２に、菌体培養槽１０は、内径側の下降槽１２において、外径側の上昇槽１１から越流した培養液Ｓを下降させ、培養液Ｓに溶解したメタンＭを気体として放出させる。第３に、菌体培養槽１０は、上面１４に設置された回収部１３において、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから気体として放出されたメタンＭを回収する。第４に、菌体培養槽１０は、下降槽１２の内部壁１２ａに設置された捕集膜Ｆにおいて、培養液Ｓからメタン生成菌を捕集する。このとき、捕集膜Ｆの上側からメタン生成菌を引き抜いて上昇槽１１に戻すことによって、メタン生成菌の外部への流出を防ぐことができる。第５に、菌体培養槽１０は、下降槽１２の底面１５に設置された排出部１２ｂにおいて、菌体培養槽１０の外部に培養液Ｓを排出する。
　上記の菌体培養槽１０の具体例４において、菌体培養槽１０は、下降槽１２の培養液Ｓからメタン生成菌を捕集し、再び培養液Ｓに戻すことによって、菌体培養槽１０からのメタン生成菌の流出を防ぎ、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することができるので、メタンＭの生成効率をさらに向上させることができる。また、菌体培養槽１０は、下降槽１２の培養液Ｓからメタン生成菌を捕集することによって、メタン生成菌による配管詰まりの防止を可能とする。
　図７では、捕集膜Ｆは、越流直後において培養液Ｓを濾過する上部の位置に設置されているが、底面１５への落下直前において培養液Ｓを濾過する下部の位置に設置されてもよく、捕集膜Ｆの設置位置については特に限定されない。また、図７では、捕集膜Ｆは、１つであるが、２つ以上であってもよく、捕集膜Ｆの数については特に限定されない。また、図７では、捕集膜Ｆは、下降槽１２を下降する培養液Ｓの一定範囲を濾過する棒状の形状であるが、捕集膜Ｆの形状については特に限定されない。
（３－６．菌体培養槽１０の具体例５）
　図８を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例５について説明する。図８は、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例５を示す図である。以下では、上昇槽１１が培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度以上になるように培養液Ｓを供給する菌体培養槽１０の具体例５について説明する。
　図８に示すように、菌体培養槽１０は、上昇槽１１において、上昇槽１１の底面１５から二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給する際に、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度以上になるように単位時間当たりの培養液Ｓの供給量を増加させる調整をする。
　上記の菌体培養槽１０の具体例５において、菌体培養槽１０は、メタン生成菌を培養液Ｓとともに上昇させることによって、培養液Ｓの上昇速度を増加させ、メタン生成菌の流動を多くし、水素Ｈとメタン生成菌との接触効率を向上させることができるので、メタンＭの生成効率をさらに向上させることができる。
（３－７．菌体培養槽１０の具体例６）
　図９を用いて、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例６について説明する。図９は、実施形態に係る菌体培養槽１０の具体例６を示す図である。以下では、上昇槽１１が培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度未満になるように培養液Ｓを供給する菌体培養槽１０の具体例６について説明する。
　図９に示すように、菌体培養槽１０は、上昇槽１１において、上昇槽１１の底面１５から二酸化炭素Ｃを溶解した培養液Ｓを供給する際に、培養液Ｓの上昇速度をメタン生成菌の沈降速度未満になるように単位時間当たりの培養液Ｓの供給量を減少させる調整をする。
　上記の菌体培養槽１０の具体例６において、菌体培養槽１０は、生菌であるメタン生成菌を沈降させ、培養液Ｓと分離させることによって、菌体培養槽１０からの生菌であるメタン生成菌の流出を防ぎ、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することができるので、メタンＭの生成効率をさらに向上させることができる。また、菌体培養槽１０は、死菌であるメタン生成菌を沈降させ、培養液Ｓと分離させることによって、菌体培養槽１０におけるメタン生成菌の生菌の割合を増加させ、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することができるので、メタンＭの生成効率をさらに向上させることができる。さらに、菌体培養槽１０は、適切な上昇速度を保つことによって、培養液Ｓに溶解している二酸化炭素Ｃの槽内滞留時間を増加させ、二酸化炭素Ｃとメタン生成菌との接触機会を増加させ、メタンＭの生成効率を向上させることもできる。
〔４．実施形態の効果〕
　最後に、実施形態の効果について説明する。以下では、実施形態に係る構成および機能に対応する効果１～１９について説明する。
（４－１．効果１）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、気体を生成する菌体を培養する培養液Ｓを上昇させる構造を有する上昇槽１１と、上昇槽１１から越流した培養液Ｓを下降させる構造を有する下降槽１２と、上昇槽１１および下降槽１２の培養液Ｓから放出された気体を回収する回収部１３と、を備える。このため、実施形態では、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－２．効果２）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、上昇槽１１が、菌体が気体の基質として用いる物質を含む培養液Ｓを供給する供給部１１ｂを有し、下降槽１２が、下降槽１２の底面１５まで下降した培養液Ｓを排出する排出部１２ｂを有する。このため、実施形態では、菌体を連続的に培養し、気体を生成させる工程において、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－３．効果３）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、上昇槽１１が、菌体が気体の基質として用いる物質を気泡として発生する発生部１１ｃを有する。このため、実施形態では、菌体が生成するための基質を効果的に導入することによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－４．効果４）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、供給部１１ｂが、菌体の沈降速度以上の上昇速度で培養液Ｓを供給する。このため、実施形態では、培養液Ｓの上昇速度および菌体の流動を増加させ、菌体と基質との接触効率を向上させることによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－５．効果５）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、供給部１１ｂが、菌体の沈降速度未満の上昇速度で培養液Ｓを供給する。このため、実施形態では、生菌の外部への流出の防止または死菌の除去を実施し、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－６．効果６）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、下降槽１２が、下降する培養液Ｓを所定時間保持する１つ以上の段状の構造を有する。このため、実施形態では、培養液Ｓの壁面への接触時間や接触回数を増加させ、培養液Ｓから気体を放出させやすくすることによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－７．効果７）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、下降槽１２が、下降する培養液Ｓから菌体を捕集する構造を有する。このため、実施形態では、菌体の外部への流出の防止および菌体の再利用を実施し、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－８．効果８）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、下降槽１２が、菌体を捕集する構造として、底面と平行に設置された菌体のサイズより孔径が小さい膜を有する。このため、実施形態では、捕集膜Ｆを使用した菌体の外部への流出の防止および菌体の再利用を実施し、菌体培養槽１０の菌体密度を維持することによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－９．効果９）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、円形の上面１４、円形の底面１５、円筒形の外部壁、および底面１５に設置された円筒形の内部壁を有し、上面１４と内部壁との間に培養液Ｓの越流を可能とする間隙を有する二重円筒形構造である。このため、実施形態では、菌体と基質との接触効率が向上させ、気体の生成効率を向上させるとともに、培養液Ｓから気体を放出させ、気体の回収効率を向上させることによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－１０．効果１０）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、上昇槽１１が、二重円筒形のうち外径側の構造であって、下降槽１２が、二重円筒形のうち内径側の構造である。このため、実施形態では、外径側の上昇槽１１から内径側の下降槽１２に培養液Ｓを越流させ、気体の生成効率を向上させるとともに、気体の回収効率を向上させることによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－１１．効果１１）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、上昇槽１１が、二重円筒形のうち内径側の構造であって、下降槽１２が、二重円筒形のうち外径側の構造である。このため、実施形態では、内径側の上昇槽１１から外径側の下降槽１２に培養液Ｓを越流させ、気体の生成効率を向上させるとともに、気体の回収効率を向上させることによって、菌体が生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－１２．効果１２）
　上述した実施形態では、菌体は、気体としてメタンＭを生成するメタン生成菌である。このため、実施形態では、メタン生成菌が生成するメタンＭの生産効率を向上させることができる。
（４－１３．効果１３）
　上述した実施形態では、菌体は、気体の基質として二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを用いる。このため、実施形態では、菌体が二酸化炭素Ｃおよび水素Ｈを基質として生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－１４．効果１４）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、供給部１１ｂが、菌体が気体の基質として用いる二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。このため、実施形態では、菌体が二酸化炭素Ｃを基質として生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－１５．効果１５）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、供給部１１ｂが、炭素を含有する燃料の燃焼によって生成された二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。このため、実施形態では、菌体が二酸化炭素Ｃを基質として生成する気体の生産効率を向上させるとともに、燃料の燃焼によって排出された二酸化炭素Ｃを有効に利用することができる。
（４－１６．効果１６）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、供給部１１ｂが、菌体が生成したメタンＭの燃焼によって生成された二酸化炭素Ｃを含む培養液Ｓを供給する。このため、実施形態では、菌体が二酸化炭素Ｃを基質として生成する気体の生産効率を向上させるとともに、メタン生成菌が生成したメタンＭの燃焼によって排出された二酸化炭素Ｃを有効に利用することができる。
（４－１７．効果１７）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、発生部１１ｃが、菌体が気体の基質として用いる水素Ｈを気泡として発生する。このため、実施形態では、菌体が水素Ｈを基質として生成する気体の生産効率を向上させることができる。
（４－１８．効果１８）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、発生部１１ｃが、再生可能エネルギーを用いた電気分解によって生成された水素Ｈを気泡として発生する。このため、実施形態では、菌体が水素Ｈを基質として生成する気体の生産効率を向上させるとともに、再生可能エネルギーによって生成された水素Ｈを有効に利用することができる。
（４－１９．効果１９）
　上述した実施形態では、菌体培養槽１０は、発生部１１ｃが、製造工程で副次的に生成された水素Ｈを気泡として発生する。このため、実施形態では、菌体が水素Ｈを基質として生成する気体の生産効率を向上させるとともに、製造工程で副次的に生成された水素Ｈを有効に利用することができる。
〔５．システム〕
　上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
　また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散や統合の具体的形態は図示のものに限られない。つまり、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。
〔６．その他〕
　開示される技術特徴の組合せのいくつかの例を以下に記載する。
（１）気体を生成する菌体を培養する培養液を上昇させる構造を有する上昇槽と、前記上昇槽から越流した前記培養液を下降させる構造を有する下降槽と、前記上昇槽および前記下降槽の前記培養液から放出された前記気体を回収する回収部と、を備える菌体培養槽。
（２）前記上昇槽は、前記菌体が前記気体の基質として用いる物質を含む前記培養液を供給する供給部を有し、前記下降槽は、前記下降槽の底面まで下降した前記培養液を排出する排出部を有する、（１）に記載の菌体培養槽。
（３）前記上昇槽は、前記菌体が前記気体の基質として用いる物質を気泡として発生する発生部を有する、（２）に記載の菌体培養槽。
（４）前記供給部は、前記菌体の沈降速度以上の上昇速度で前記培養液を供給する、（２）または（３）に記載の菌体培養槽。
（５）前記供給部は、前記菌体の沈降速度未満の上昇速度で前記培養液を供給する、（２）または（３）に記載の菌体培養槽。
（６）前記下降槽は、下降する前記培養液を所定時間保持する１つ以上の段状の構造を有する、（２）～（５）のいずれか１つに記載の菌体培養槽。
（７）前記下降槽は、下降する前記培養液から前記菌体を捕集する構造を有する、（２）～（６）のいずれか１つに記載の菌体培養槽。
（８）前記下降槽は、前記菌体を捕集する構造として、底面と平行に設置された前記菌体のサイズより孔径が小さい膜を有する、（７）に記載の菌体培養槽。
（９）前記菌体培養槽は、円形の上面、円形の底面、円筒形の外部壁、および前記底面に設置された円筒形の内部壁を有し、前記上面と前記内部壁との間に前記培養液の越流を可能とする間隙を有する二重の円筒形の構造である、（１）～（８）のいずれか１つに記載の菌体培養槽。
（１０）前記上昇槽は、前記二重の円筒形のうち外径側の構造であって、前記下降槽は、前記二重の円筒形のうち内径側の構造である、（９）に記載の菌体培養槽。
（１１）前記上昇槽は、前記二重の円筒形のうち内径側の構造であって、前記下降槽は、前記二重の円筒形のうち外径側の構造である、（９）に記載の菌体培養槽。
（１２）前記菌体は、前記気体としてメタンを生成するメタン生成菌である、（１）～（１１）のいずれか１つに記載の菌体培養槽。
（１３）前記菌体は、前記気体の基質として二酸化炭素および水素を用いる、（１）～（１２）のいずれか１つに記載の菌体培養槽。
（１４）菌体培養槽によって実行される菌体培養方法であって、気体を生成する菌体を培養する培養液を上昇させる上昇工程と、前記上昇工程によって越流した前記培養液を下降させる下降工程と、前記上昇工程および前記下降工程の前記培養液から放出された前記気体を回収する回収工程と、を含む菌体培養方法。
　１０　菌体培養槽
　１１　上昇槽
　１１ａ　外部壁
　１１ｂ　供給部
　１１ｃ　発生部
　１２　下降槽
　１２ａ　内部壁
　１２ｂ　排出部
　１３　回収部
　１４　上面
　１５　底面

Claims (14)

  1. 　気体を生成する菌体を培養する培養液を上昇させる構造を有する上昇槽と、
    　前記上昇槽から越流した前記培養液を下降させる構造を有する下降槽と、
    　前記上昇槽および前記下降槽の前記培養液から放出された前記気体を回収する回収部と、
    　を備える菌体培養槽。
  2. 　前記上昇槽は、
    　前記菌体が前記気体の基質として用いる物質を含む前記培養液を供給する供給部を有し、
    　前記下降槽は、
    　前記下降槽の底面まで下降した前記培養液を排出する排出部を有する、
    　請求項１に記載の菌体培養槽。
  3. 　前記上昇槽は、
    　前記菌体が前記気体の基質として用いる物質を気泡として発生する発生部を有する、
    　請求項２に記載の菌体培養槽。
  4. 　前記供給部は、
    　前記菌体の沈降速度以上の上昇速度で前記培養液を供給する、
    　請求項２に記載の菌体培養槽。
  5. 　前記供給部は、
    　前記菌体の沈降速度未満の上昇速度で前記培養液を供給する、
    　請求項２に記載の菌体培養槽。
  6. 　前記下降槽は、
    　下降する前記培養液を所定時間保持する１つ以上の段状の構造を有する、
    　請求項２に記載の菌体培養槽。
  7. 　前記下降槽は、
    　下降する前記培養液から前記菌体を捕集する構造を有する、
    　請求項２に記載の菌体培養槽。
  8. 　前記下降槽は、
    　前記菌体を捕集する構造として、底面と平行に設置された前記菌体のサイズより孔径が小さい膜を有する、
    　請求項７に記載の菌体培養槽。
  9. 　前記菌体培養槽は、円形の上面、円形の底面、円筒形の外部壁、および前記底面に設置された円筒形の内部壁を有し、前記上面と前記内部壁との間に前記培養液の越流を可能とする間隙を有する二重の円筒形の構造である、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の菌体培養槽。
  10. 　前記上昇槽は、
    　前記二重の円筒形のうち外径側の構造であって、
    　前記下降槽は、
    　前記二重の円筒形のうち内径側の構造である、
    　請求項９に記載の菌体培養槽。
  11. 　前記上昇槽は、
    　前記二重の円筒形のうち内径側の構造であって、
    　前記下降槽は、
    　前記二重の円筒形のうち外径側の構造である、
    　請求項９に記載の菌体培養槽。
  12. 　前記菌体は、前記気体としてメタンを生成するメタン生成菌である、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の菌体培養槽。
  13. 　前記菌体は、前記気体の基質として二酸化炭素および水素を用いる、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の菌体培養槽。
  14. 　菌体培養槽によって実行される菌体培養方法であって、
    　気体を生成する菌体を培養する培養液を上昇させる上昇工程と、
    　前記上昇工程によって越流した前記培養液を下降させる下降工程と、
    　前記上昇工程および前記下降工程の前記培養液から放出された前記気体を回収する回収工程と、
    　を含む菌体培養方法。
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