JP5563774B2 - 電気培養装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気培養装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス状物質や揮発性物質を生産する微生物の培養に好適な電気培養装置、さらには、この電気培養装置を利用してガス状物質や揮発性物質を生産する方法、揮発性の有害物質を微生物により分解処理する方法に関する。
微生物の新たな培養技術として、電気培養技術の研究が進められている。電気培養とは、培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御しながら微生物の培養を行う手法である（特許文献１参照）。培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御することによって、その微生物のみを選択的に活性化させて、増殖の促進や物質分解能等といった微生物の諸機能を向上させることができる。また、電気培養には、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う方法も含まれる（特許文献２及び特許文献３参照）。
電気培養手法を実施するための電気培養装置の具体例として、例えば図１０に示す電気培養装置が知られている（特許文献１参照）。図１０に示す電気培養装置１０１は、イオン交換膜１０６によって仕切られた二つの槽（培養槽１０７と対電極槽１０８）と、作用電極１０９及び対電極１１０と、作用電極１０９と対電極１１０との間に電位差を与える電源１１２とを有し、培養槽１０７には酸化還元物質１０３を含む培養液１０４が収容されると共に作用電極１０９が培養液１０４に浸され、対電極槽１０８には電解液１０４ａが収容されると共に対電極１１０が電解液１０４ａに浸され、培養液１０４に培養対象たる微生物１０２が添加されて、電源１１２により作用電極１０９と対電極１１０との間に電位差が与えられながら微生物１０２が培養される。尚、図１０に示す電気培養装置１０１では、培養液１０４に参照電極１１１が浸され、作用電極１０９、対電極１１０及び参照電極１１１は３電極式の電位制御装置であるポテンシオスタット１１２に結線され、培養槽１０７内の培養液１０４の酸化還元電位を厳密に設定可能としている。
しかしながら、従来の電気培養装置は密閉構造とはなっていなかったことから、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合、この微生物が生産するガス状物質が電気培養装置の外に揮散してしまい、この微生物が生産するガス状物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。
また、揮発性物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合にも、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合と同様の問題が生じていた。即ち、この微生物が生産する揮発性物質が揮発して生じたガス成分が電気培養装置の外に揮散してしまう結果、この微生物が生産する揮発性物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。
さらに、揮発性の有害物質を分解する微生物を対象として電気培養を実施しながら、培養液に添加した揮発性の有害物質を分解処理する場合にも、分解対象物である揮発性の有害物質が電気培養装置の外に揮散してしまい、効率よく分解処理が行えないという問題があった。
また、従来の電気培養装置は密閉構造とはなっていなかったことから、窒素ガス等を電気培養装置内に流してもガスが電気培養装置の外に揮散してしまい、微生物の培養環境を嫌気性に制御することが困難であった。そこで、従来は、例えばアクリル製の密閉構造の嫌気ボックスに電気培養装置を収容し、嫌気ボックスに窒素ガス等を流すことによって培養環境を嫌気性に制御していた。しかし、密閉構造の嫌気ボックス等に電気培養装置を収容してしまうと、電気培養装置そのものの管理、例えば培養液に物質を添加したりする処理が極めて煩雑になるという問題があった。また、電気培養終了後、再度培養を行う際には電気培養装置とともに嫌気ボックスも滅菌処理する必要が生じ、その手間が極めて煩雑なものとなっていた。
そこで、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく微生物を培養することのできる電気培養装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく効率よく回収することのできる物質生産方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、揮発性の有害物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく微生物を利用して効率よく分解処理することのできる物質分解処理方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するため、本願発明者等は、従来の電気培養装置を密閉して微生物を培養することについて検討を行った。その結果、従来の電気培養装置を単に密閉構造とするだけでは、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることが判明した。本願発明者等はこの原因について検討を行った結果、電気培養装置の対電極槽から発生するガスが培養槽内の培養液に溶け込むことによって、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることを突き止めた。
そこで、本願発明者等はさらなる検討を行い、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく、しかも対電極から発生するガス成分が培養槽内の培養液に溶け込むことのない新たな電気培養装置の構成を着想し、本願発明を完成するに至った。
即ち、本発明の電気培養装置は、イオン交換膜によって仕切られた二つの槽と、作用電極及び対電極と、作用電極と対電極との間に電位差を与える電源とを有し、二つの槽のうちの一方の槽を培養槽として酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に作用電極が培養液に浸され、二つの槽のうちの他方の槽を対電極槽として電解液が収容されると共に対電極が電解液に浸され、培養液に培養対象たる微生物が添加されて、電源により作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養装置において、密閉構造の容器を培養槽とし、容器に収容可能な密閉構造の小容器を対電極槽とし、小容器は少なくとも一部にイオン交換膜を備えると共に対電極槽から発生するガスを容器の外に排出するガス排出管を備え、培養液がイオン交換膜を介して電解液と接触していること、培養液がイオン交換膜を介して対電極と接触していること、及び／又は、作用電極がイオン交換膜を介して電解液と接触していることにより、作用電極と対電極の間でのイオン電流の発生を可能としていることを特徴としている。ここで、多孔性の作用電極がイオン交換膜に接触し、作用電極とイオン交換膜との接触面にて培養液がイオン交換膜と接触し、培養液及び作用電極がイオン交換膜を介して電解液及び／又は対電極と接触しているようにしてもよい。また、多孔性の対電極がイオン交換膜に接触し、多孔性の対電極とイオン交換膜との接触面にて電解液がイオン交換膜と接触し、電解液及び対電極がイオン交換膜を介して培養液及び／又は作用電極と接触しているようにしてもよい。
したがって、本発明の電気培養装置によると、培養槽を、対電極槽から発生するガスが培養槽へ侵入するのを防ぐ密閉構造としているので、培養槽内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。
次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養装置によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、ガス状物質または揮発性物質が揮発して発生したガス成分を培養槽内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを電気培養装置のガス回収手段で回収するようにしている。
上記の通り、本発明の電気培養装置によると、培養槽内で発生したガス状物質を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる培養対象微生物への悪影響を排除しながら、培養対象微生物により生産されたガス状物質や培養対象微生物により生産された揮発性物質が揮発して生じたガス成分を培養槽の外に漏洩させることなく培養槽の培養液の液面よりも上部の空間に滞留させて、効率よく回収することができる。
次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養装置により揮発性物質を生産する微生物を培養し、微生物が生産する揮発性物質を電気培養装置の培養液採取手段から採取した培養液から回収するようにしている。
上記の通り、本発明の電気培養装置によると、培養槽内で発生したガス状物質を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる培養対象微生物への悪影響を排除しながら、培養対象微生物により生産された揮発性物質を培養槽の外に漏洩させることなく培養槽の培養液から効率よく回収することができる。
次に、本発明の物質分解処理方法は、本発明の電気培養装置により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、培養槽内の培養液に添加された揮発性の有害物質を分解処理するようにしている。
本発明の電気培養装置によると、培養槽内のガス状物質を培養槽の外に漏洩させることなく、しかも対電極槽から発生するガスにより微生物の生育状態に悪影響が及ぼされることがなくなる。したがって、本発明の物質分解処理方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を培養槽の外へ漏洩させることなく効率よく分解処理することができる。
尚、本発明の電気培養装置において、対電極槽に電解液が収容されずに多孔性の対電極がイオン交換膜と接触しているようにしてもよい。この場合にも電気培養を実施することが可能である。
ここで、本発明の電気培養装置において、培養槽内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備えるものとすることが好ましい。
また、本発明の電気培養装置において、培養槽内の培養液を採取する培養液採取手段を備えるものとすることが好ましい。
本発明の電気培養装置によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養槽内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）を培養槽の外に漏洩することなく、微生物の電気培養を行うことが可能となる。したがって、培養時に与えられた電位と培養対象微生物によるガス状物質や揮発性物質の生産量との関係を正確に分析することが可能になる。
また、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養槽内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
さらに、培養容器内の培養液を採取する培養液採取手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養容器内で微生物が生産した揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
また、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養槽内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）を培養槽の外に漏洩することなく回収することができる。したがって、培養槽内で発生した微生物由来のガス状物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
さらに、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養槽内で微生物が生産した揮発性物質を培養槽の外に漏洩することなく回収することができる。したがって、微生物により生産された揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
また、本発明の物質分解処理方法によれば、対電極槽から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を培養槽の外に漏洩することなく分解処理することができる。したがって、微生物による揮発性有害物質の分解処理効率を良好なものとすることができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の電気培養方法は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽のうち、一方の槽を培養槽として酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に培養液に作用電極を浸し、他方の槽を対電極槽として電解液を収容すると共に電解液に対電極を浸し、培養槽に培養対象たる微生物を添加して、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養方法において、培養槽を密閉し、対電極槽から発生するガスが培養槽に侵入するのを防ぎながら微生物を培養するようにしている。
本発明の電気培養方法は、具体的には以下の図１〜図４に示す電気培養装置により実施することができる。本発明の電気培養装置１は、イオン交換膜６によって仕切られ且つ開放された二つの槽（培養槽７と対電極槽８）と、作用電極９及び対電極１０と、作用電極９と対電極１０との間に電位差を与える電源１２とを有し、培養槽７には酸化還元物質３を含む培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、対電極槽８には電解液４ａが収容されると共に対電極１０が電解液４ａに浸され、培養液４に培養対象たる微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養装置において、培養槽７を、対電極槽８から発生するガスが培養槽７へ侵入するのを防ぐ密閉構造としているものである。
本発明の電気培養装置１は、特開２００８−５４６４６号公報に開示されている従来の電気培養装置（図１０）を改良したものであり、イオン交換膜６によって仕切られ且つ開放された二つの槽（培養槽７と対電極槽８）と、作用電極９及び対電極１０と、作用電極９と対電極１０との間に電位差を与える電源１２とを有し、培養槽７には酸化還元物質３を含む培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、対電極槽８には電解液４ａが収容されると共に対電極１０が電解液４ａに浸され、培養液４に培養対象たる微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差が与えられながら微生物２が培養される電気培養装置である点においては、従来の電気培養装置と共通するものである。
図１０に示す従来の電気培養装置と本発明の電気培養装置との違いは、培養槽７を密閉構造としている点にある。これにより、対電極１０から発生するガスが培養槽７内の培養液４に溶け込むことがなくなる。したがって、対電極１０から発生するガスによる微生物２の生育状態への悪影響を排除しながら、培養対象微生物２が生産するガス状物質や揮発性物質、または培養槽７内への添加物（ガス状物質や揮発性物質）を培養槽７の外に漏洩することなく、培養対象微生物２の電気培養を行うことが可能となる。
以下、本発明の電気培養装置の実施形態について、さらに詳細に説明する。
本発明の電気培養装置の第一の実施形態を図１に示す。図１に示す電気培養装置１は、密閉構造の容器２０を培養槽７とし、容器２０に収容可能な密閉構造の小容器２１を対電極槽８とし、小容器２１は少なくとも一部にイオン交換膜６を備えると共にガス（対電極槽から発生するガス）を容器２０の外に排出するガス排出管２２を備えるものとしている。
また、図１に示す電気培養装置１は、培養槽７内の培養液４の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段１５と、培養槽７の培養液４を採取する培養液採取手段１６とを備えるものとしている。
培養槽７としての密閉構造の容器２０は、対電極槽８としての密閉構造の小容器２１を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を培養槽７として用いるようにしてもよい。
対電極槽８としての密閉構造の小容器２１は、培養槽７としての容器２０に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜６を備えるものとしている。ここで、本実施形態では、小容器２１全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としているが、小容器２１はこの形態に限定されるものではない。例えば、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成してもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器２１からのガス（対電極槽８から発生するガス）が容器２０の内部に漏洩しないようにしてもよい。
容器２０に小容器２１を収容することで、容器２０に収容されている培養液４に小容器２１が浸され、小容器２１の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜６と培養液４とが接触する。したがって、培養液４に浸されている作用電極９と、電解液４ａに浸されている対電極１０との間に電位差を与えた際に、作用電極９と対電極１０との間でイオン電流が発生し、培養液４の酸化還元電位を制御することが可能となる。
尚、本発明において使用する作用電極９は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に浸され、酸化還元物質３の酸化還元反応を可逆的に進行させるものである。本実施形態において、作用電極９は板状の炭素電極としているが、作用電極９の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、培養液４中の酸化還元物質３の酸化還元反応を可逆的に進行させ得る電極とすればよい。
本発明において使用する対電極１０は、従来の電気培養装置と同様、作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させるものである。本実施形態において、対電極１０は板状の炭素電極としているが、対電極１０の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させ得る電極とすればよい。
尚、本実施形態では、培養槽７の内部に参照電極１１（例えば銀・塩化銀参照電極）を配置して、参照電極１１を培養液４に浸し、従来の電気培養装置と同様に、作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の電位制御装置（ポテンシオスタット）に結線して、培養液４の電位を厳密に制御可能としているが、図２に示すように、参照電極１１を備えることなく、作用電極９と対電極１０との間に電源１２により電位差を与えさえすれば、培養液４の電位の制御は可能である。
本発明において使用するイオン交換膜６は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に含まれる酸化還元物質３を対電極１０側に透過させることなく培養液４中に留まらせ、且つ培養液４に含まれるイオンを対電極１０側に透過させるものである。具体的には、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜等が挙げられるがこれに限定されるものではない。尚、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、例えば酸化還元物質３として鉄イオンを用いる場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンは透過しないことから、酸化還元物質３を対電極１０側へ透過させることなく、培養液４中に留まらせることができる。また、培養液４には通常、水素イオン、ナトリウムイオン(Ｎａ＋)、カリウムイオン（Ｋ＋）などの一価の陽イオンが含まれていることから、これらの陽イオンが対電極１０側へ透過し、作用電極９と対電極１０との間でイオン電流が生じる。その結果、作用電極９において生じる反応における電子の授受を補完する反応が対電極１０で生じ、培養液４の酸化還元電位が一定に制御される。例えば、作用電極９で酸化反応が生じた場合には、対電極１０で還元反応が生じ、培養液４の酸化還元電位が一定に制御される。
対電極槽８に収容される電解液４ａは、作用電極９と対電極１０との間におけるイオン電流の発生を可能なものとできる組成のもの、例えばナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むことが好ましい。尚、通常、培養液４にはナトリウムイオンやカリウムイオンが含まれていることから、電解液４ａとしてこれらのイオンを含む培養液４を用いるようにしてもよい。
本発明において使用する酸化還元物質３は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に浸されている作用電極９と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つ、培養対象たる微生物２に対して毒性を呈さない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンを培養液中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させて培養液中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸（ＤＴＰＡ）、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）、テトラエチレントリアミン（ＴＥＴ）、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものを培養液に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質３により培養液の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質３は上記した物質に限定されるものではない。
酸化還元物質３の培養液４への添加量は、培養液４の酸化還元電位を制御できる量であれば特に限定されないが、培養液４中の酸化還元物質濃度を０．１〜１００ｍｍｏｌ／Ｌとすることが好適である。酸化還元物質濃度が低すぎると酸化還元電位の制御を十分に行うことができない可能性があり、酸化還元物質濃度が高すぎると酸化還元物質３が培養液４に完全に溶解できなかったり、微生物２の生育阻害を生じる可能性がある。
尚、培養液４の酸化還元電位は、数式１に示すネルンストの式により表される。
[数式１] Ｅ＝Ｅ０＋ＲＴ／ｎＦ×ｌｎ（Ｃｏｘ／Ｃｒｅｄ）
[数式１] Ｅ＝Ｅ０＋ＲＴ／ｎＦ×ｌｎ（Ｃｏｘ／Ｃｒｅｄ）
数式１において、Ｅは溶液の酸化還元電位、Ｅ０は酸化還元物質の標準酸化還元電位、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｎは反応電子数、Ｆはファラデー定数、Ｃｏｘは酸化体の濃度、Ｃｒｅｄは還元体の濃度であり、培養液４中に含まれる酸化還元物質３の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液４自体の酸化還元電位を制御することができる。つまり、酸化還元物質３が培養液４の酸化還元電位を決定する要素であり、培養液４の組成は酸化還元電位にほとんど影響を与えることがない。
３極式の電位制御装置１２では、作用電極９と参照電極１１間の電位差を測定し、測定した電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。このようにして作用電極の電位９を一定の電位に制御し、酸化還元物質３の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液４自体の酸化還元電位を一定に制御している。ここで、培養液４の酸化還元電位は、作用電極９の電位に相当する。したがって、設定電位、つまり、参照電極１１に対する作用電極９の電位が培養液４の酸化還元電位に相当することとなる。但し、培養液４の酸化還元電位を設定するために必要な作用電極９と対電極１０との間の電流量が予め分かっている場合には、図２に示すように、参照電極１１を設けることなく、培養液４の酸化還元電位を制御することができる。また、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う場合には、培養液４の酸化還元電位を制御する必要はなく、微生物により酸化または還元された物質を還元または酸化して再生するために必要な電位差を作用電極９と対電極１０との間に与えればよい。
培養槽７内の培養液４の酸化還元電位を制御しながら微生物２を培養することで、微生物２が活性化される。即ち、微生物の増殖が促進されることにより微生物群の機能が高まったり、機能している微生物の割合が増えることにより微生物群の機能が高まったりする。また、微生物の代謝機構そのものが変化した結果として代謝物が増加する場合もある。
したがって、本発明の電気培養方法及び電気培養装置により微生物２を培養することで、微生物２の活性化を促すことができる。そして、培養槽７を密閉構造とすることによって、対電極１０から発生するガス成分が培養液４に溶け込むことがなくなり、微生物２の生育状態を良好なものとすることができる。
例えばガス状物質を生産する微生物を培養対象微生物２とした場合、この微生物２を活性化させることによりガス状物質生産量（生産速度）を高めながらも、生産されたガス状物質を培養槽７の外部に漏洩させることがなくなる。そして、ガス状物質は、培養槽７内の培養液４が存在しない空間、例えば図１における培養槽７の培養液４の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するので、このヘッドスペースからガス状物質を回収することができる。したがって、微生物２により生産される物質を効率よく回収することができる。
ガス状物質を生産する微生物としては、例えば、水素と二酸化炭素からメタンガスを生産するメタン酸化菌が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。
また、例えば揮発性物質を生産する微生物を培養対象微生物２とした場合、この微生物２を活性化させることにより揮発性物質の生産量（生産速度）を高めながらも、生産された揮発性物質を培養槽７の外部に漏洩させることがなくなる。そして、揮発性物質は培養液４に溶け込むと共に、一部は揮発して培養槽７内の培養液４が存在しない空間、例えば図１における培養槽７の培養液４の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留する。したがって、培養液４を回収し、培養液４から例えば蒸留等により揮発性物質のみを分離して回収することにより、あるいは揮発してガス状物質としてヘッドスペースに滞留する揮発性物質を回収することにより、微生物２により生産される物質を効率よく回収することができる。
揮発性物質を生産する微生物としては、例えばグルコースからエタノールやブタノール、アセトンを生産するClostridium acetobutylicumが挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。
さらに、本発明の電気培養装置は、微生物により物質を生産させる場合以外にも用いることができる。例えば、環境汚染物質等の有害物質を微生物により分解処理を行う場合、この有害物質が揮発性を有すると、微生物を培養しながら有害物質を分解処理する際に、有害物質が培養槽７の外に揮散してしまう。そこで、培養槽７を密閉構造としている本発明の電気培養方法及び電気培養装置により、培養液４に揮発性の有害物質を添加して微生物２を培養することで、揮発性の有害物質を培養槽７の外部に漏洩させることなく、微生物２により分解処理することが可能になる。
揮発性の有害物質を分解する微生物としては、揮発性を有する有機塩素化合物を分解する微生物、例えばテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）脱塩素微生物（例えばDesulfitobacterium, Dehalococcoides, Dehalobacter, Geobacter等）、ジクロロエチレン（ＤＣＥ）脱塩素微生物（例えばDehalococcoides等）、ビニルクロライド（ＶＣ）脱塩素微生物等（例えばDehalococcoides等）が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物及び分解対象とする有害物質はこれに限定されるものではない。
尚、揮発性物質を培養槽７内で揮発させることなく、その全量を培養液４から回収したい場合や、揮発性の有害物質を分解処理する場合には、培養槽７内にガス状物質が滞留する空間を形成することなく、容器２０内を培養液４で完全に満たすようにしてもよい。
また、本実施形態では、培養槽７内の培養液の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するガス状物質を培養槽の外（電気培養装置の外）へ導くガス排出管１５ａを備え、このガス排出管１５ａをバルブ１５ｂにより開閉可能としたガス回収手段１５により、培養槽７内のガス状物質を回収するようにしている。しかしながら、ガスの回収方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養槽７の上部に開口部を設けて合成ゴム等（例えばシリコーンゴム）の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからガス状物質を回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がるので、ガス状物質の回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、培養槽７の密閉状態が維持される。
さらに、本実施形態では、培養槽７内の培養液４の液面よりも下部に、培養槽７内の培養液４を培養槽７の外に導く培養液排出管１６ａを備え、この培養液排出管１６ａをバルブ１６ｂにより開閉可能とした培養液採取手段１６により、培養槽７内から培養液４を採取するようにしている。しかしながら、培養液４の採取方法は、この方法に限定されるものではなく、上記と同様、培養槽７に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺して培養液４を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管をの一端の注射器に接続し、他端を培養液４に浸けて、管を介して培養液４を採取するようにしてもよい。
また、ガス回収手段１５や培養液採取手段１６とは別に、培養液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、培養槽７の外部から培養液４に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、微生物２に必要な栄養源や、微生物２が目的の物質を生産するのに必要な物質、微生物２の増殖や代謝に伴い変動する培養液４の状態を一定の状態に維持するための中和剤、培養液４そのもの等を必要に応じて添加することができる。また、培養環境を嫌気性や好気性に維持するためにガスを供給することもできる。しかしながら、培養液に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段１５や培養液採取手段１６を培養液に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んで培養液４に物質を添加・供給するようにしてもよい。
本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、培養槽７を密閉構造としていることから、培養槽７内に供給したガス等が培養槽７の外に漏洩することが無い。したがって、培養環境を嫌気性や好気性に制御しやすく、従来のように電気培養装置自体をボックスに収容することなく、培養槽７内の培養液４の培養環境をそのまま管理することができる。したがって、電気培養装置自体をボックスに収容していた従来法と比較して培養環境の管理が容易になると共に、再度培養を行う際にボックスを滅菌する手間を省くこともできる。
次に、本発明の電気培養装置の第二の実施形態について説明する。尚、以降の実施形態では、参照電極１１は省略しているが、参照電極１１を用いて培養液４の酸化還元電位を厳密に制御可能としてもよい。図３に示す電気培養装置１ａは、上方が開放されている容器２３をイオン交換膜６で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、培養槽７としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材２４により塞がれているものとしている。この場合には、従来の電気培養装置に若干の改変を加えるだけで、対電極槽８から発生するガスが培養槽７に侵入するのを防ぎながら、培養槽７から発生する微生物由来のガス状物質が培養槽７から漏洩するのを防ぐことができる。
ガス不透過膜またはガス不透過部材としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜６を用いることができるがこれに限定されるものではない。
尚、対電極槽８については、開放したままでもよいが、培養槽７と同様に密閉構造とし、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用することが可能となる。
次に、本発明の電気培養装置の第三の実施形態について説明する。図４に示す電気培養装置１ｂは、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２５ａと２５ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＵ字型の容器２５が形成され、一方の容器２５ａを密閉構造として培養槽７とし、他方の容器２５ｂを開放して対電極槽８としている。
この場合、培養液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、培養槽７の培養液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２５自体のＵ字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器２５ａが密閉構造とされていることから、対電極槽８から発生するガスが培養槽７に侵入するのを防ぎながら、培養槽７から発生する微生物由来のガス状物質が培養槽７から漏洩するのを防ぐことができる。
尚、本実施形態における他方の容器２５ｂの開放とは、例えば他方の容器２５ｂの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２５ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外の排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
次に、本発明の電気培養装置の第四の実施形態について説明する。図５に示す電気培養装置１ｃは、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２６ａと２６ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＨ字型の容器２６が形成され、一方の容器２６ａを密閉構造として培養槽７とし、他方の容器２６ｂを開放して対電極槽８としている。
この場合にも、培養液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、培養槽７の培養液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２６自体のＨ字型構造によって隔てて配置される。そして、Ｈ字型容器２６の一方の容器２６ａが密閉構造とされていることから、培養槽７は密閉構造となる。したがって、対電極槽８から発生するガスが培養槽７に侵入するのを防ぎながら、培養槽７から発生する微生物由来のガス状物質が培養槽７から漏洩するのを防ぐことができる。
尚、本実施形態における他方の容器２６ｂの開放とは、容器２６を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２６ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外の排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図１〜図５に示す電気培養装置においては、作用電極９と対電極１０とをイオン交換膜６から離して配置しているが、作用電極９と対電極１０のイオン交換膜６に対する位置は、特に限定されるものではない。例えば、作用電極９と対電極１０のいずれか一方あるいは双方をイオン交換膜６に接触させて電気培養を行うようにしてもよい。例えば、イオン交換膜６を作用電極９と対電極１０とで挟持するようにしても、培養液４の電位制御を行うことが可能である。尚、作用電極９と対電極１０をイオン交換膜６に接触させる場合には、作用電極９とイオン交換膜６と培養液４との接触面積、対電極１０とイオン交換膜６と電解液４ａとの接触面積を増大させて電気化学反応の進行状態を良好なものとするために、電極を多孔質体とすることが好適である。
また、イオン交換膜６と対電極１０とを接触させる場合には、電解液４ａを用いずとも電気化学反応を進行させることができる。したがって、この場合には電解液４ａを用いることなく電気培養を行うようにしてもよい。尚、電解液４ａを用いずに電気培養を実施する場合には、対電極１０を多孔質体として、イオン交換膜６と対電極１０との接触面で発生したガスを対電極１０の反対側の面に通過しやすくすることが好適である。
さらに、微生物２を通過させないメンブレンフィルタを培養液採取手段１６の培養液排出管１６の途中に設け、培養槽７内の微生物２を培養槽７外に排出することなく、培養液４のみを培養槽７外に排出するようにしてもよい。この場合には、培養槽７内の微生物２を長期間保持しつつ、培養液４中に含まれる揮発性物質、即ち微生物２が生産した揮発性物質を回収することが可能になる。また、培養槽７内の微生物２を長期間保持することができるので、微生物２の物質の分解処理能力を長期間発揮させて、揮発性物質の分解を長期にわたり効率よく実施することが可能となる。
また、本発明の電気培養装置において培養しうる微生物は、上述の微生物には限定されない。例えば、ガス資化性細菌である水素細菌、光合成細菌等の培養が可能である。本発明の電気培養装置は、培養対象微生物を収容する培養槽を密閉構造としているので、生育の際にガス状物質や揮発性物質を必要とする微生物を培養する際にも、これらの物質を培養槽の外へ漏洩させることなく、無駄なく微生物に供給することができるという優れた利点を有する。尚、水素細菌は、好気条件下において水素を酸化し、その反応によって生じるエネルギーを用いて二酸化炭素を固定しながら生育する微生物であり、二酸化炭素からの有用物質生産に利用することができる。また、光合成細菌は、硫化水素やメルカプタン（悪臭の原因）を電子供与体とし、二酸化炭素を炭素源として生育する微生物である。尚、光合成細菌は有機物（廃棄物）を炭素源として水素生産を行うことも可能である。さらに、揮発性有害物質分解菌として、メタン、エタン、プロパンといったガス状アルカンを分解する微生物や、メタン、メタノール、シックハウス症候群の原因物質であるホルムアルデヒドのようなＣ１化合物を分解する微生物も、本発明の電気培養装置において培養することが可能である。
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
（実験装置）
図６に示す電気培養装置１により実験を行った。培養槽７としての容器２０は２５０ｍＬ容のガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）とした。培養液４は容器２０の八分目程度まで入れた。容器２０には蓋３０をした。蓋３０の上面３０ａにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管と通した際の密閉性を確保した。また、シリコーンゴム栓を設けることにより注射針の突き刺しを可能とし、且つ注射針の差し込みにより生じた孔が注射針を抜いた際に塞がるようにした。
図６に示す電気培養装置１により実験を行った。培養槽７としての容器２０は２５０ｍＬ容のガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）とした。培養液４は容器２０の八分目程度まで入れた。容器２０には蓋３０をした。蓋３０の上面３０ａにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管と通した際の密閉性を確保した。また、シリコーンゴム栓を設けることにより注射針の突き刺しを可能とし、且つ注射針の差し込みにより生じた孔が注射針を抜いた際に塞がるようにした。
対電極槽８としての小容器２１は、イオン交換膜６を成型して袋状（以下、袋２１と呼ぶ）とした。実験で用いた小容器２１の形態を図７に示す。具体的には、陽イオン交換膜（ナフィオンＫ）をヒートシーラーで熱圧着により加工して上部が開口した袋状の容器２１とし、袋２１の内部には電解液４ａを収容すると共に炭素電極（対電極１０）を収容して電解液４ａに浸した。そして、対電極１０と電位制御装置１２を結線するための配線３１をガス排出管２２に通した。ガス排出管２２は両端が開口されており、一端を小容器２１の内部に、他端を容器２０の外側に配置するようにして、小容器２１内で発生するガスが容器２０の外側に排出されるようにした。袋状の小容器２１の上部の開口部は、シリコン接着剤３２で塞いだ。
小容器２１と作用電極９（板状の炭素電極）とを培養液４に浸漬し、小容器２１のガス排出管２２と作用電極４の配線は蓋３０に設けたシリコーンゴム栓に通して容器２０の外側に引き出した。参照電極１１（RE-1B, ビー・エー・エス株式会社）は容器２０の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことにより培養液４と接触させた。培養液採取管１６は容器２０の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことによりその一端を培養液４と接触させた。作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の電位制御装置（ポテンシオスタット）１２に結線して、培養液４の電位を厳密に制御可能とした。培養液採取管１６の他端は注射器と接続して培養液を採取可能とした。
（実施例１）
微生物２として、Clostridium acetobutylicum NBRC13948（以下、単にクロストリジウムと呼ぶ）を用いた。この微生物は、無酸素条件下でグルコースからエタノール、ブタノール、アセトン、酢酸、酪酸を生成することのできる偏性嫌気性微生物である。培養温度は３０℃とした。また、酸化還元物質３としてＦｅ（III）−ＥＤＴＡを用い、培養液４の酸化還元物質濃度は２ｍＭとした。実験に使用した培養液４の構成成分を表１に示す。また、電解液４ａの組成は、表１の組成からＦｅ（III）−ＥＤＴＡを除いたものとした。尚、培養液４は攪拌子３４で攪拌し、蓋３０に備えられたシリコーンゴム栓に注射針を２本刺し、一方の注射針からＮ２ガスを１時間通気することにより、ヘッドスペースをＮ２ガスで置換した。
微生物２として、Clostridium acetobutylicum NBRC13948（以下、単にクロストリジウムと呼ぶ）を用いた。この微生物は、無酸素条件下でグルコースからエタノール、ブタノール、アセトン、酢酸、酪酸を生成することのできる偏性嫌気性微生物である。培養温度は３０℃とした。また、酸化還元物質３としてＦｅ（III）−ＥＤＴＡを用い、培養液４の酸化還元物質濃度は２ｍＭとした。実験に使用した培養液４の構成成分を表１に示す。また、電解液４ａの組成は、表１の組成からＦｅ（III）−ＥＤＴＡを除いたものとした。尚、培養液４は攪拌子３４で攪拌し、蓋３０に備えられたシリコーンゴム栓に注射針を２本刺し、一方の注射針からＮ２ガスを１時間通気することにより、ヘッドスペースをＮ２ガスで置換した。
培養液４の通電電位、即ち酸化還元電位は、＋０．４Ｖ、＋０．１Ｖ、−０．２Ｖ、−０．５Ｖ、−０．８Ｖとした。また、対照実験として、通電を行わない場合についても実験を行った。
培養を６０時間行った際のセル密度の経時変化を図８に示す。図８において、◆が通電なしの実験結果を示し、■が＋０．４Ｖの実験結果を示し、▲が＋０．１Ｖの実験結果を示し、×が−０．２Ｖの実験結果を示し、＊が−０．５Ｖの実験結果を示し、●が−０．８Ｖの実験結果を示している。図８に示す結果から、培養液の電位を制御することでC. acetobutylicumの増殖をコントロールできることが明らかとなった。
次に、培養液のエタノール濃度を装置名：液体クロマトグラフィー（HITACHI, ELITE Lachrome）で測定した。結果を図９に示す。図９に示す結果から、特に＋０．４Ｖの場合には、通電を行わない場合と比較して、エタノール生産量を向上できることが確認された。そして、図８に示す増殖結果と図９に示すエタノール生産量の測定結果とを総合的に判断すると、＋０．４Ｖでは、クロストリジウムの細胞内の代謝をコントロールして細胞当たりのエタノール生産量を向上できることが明らかとなった。以上、本発明の電気培養装置を用いることで、揮発性物質であるエタノールの生産量と、培養液の酸化還元電位との関係を十分に分析可能であることが確認された。
以上の結果から、本発明の電気培養装置が、密閉性を有しながらも酸化還元電位を制御しながら微生物を培養できるものであることが確認された。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 電気培養装置
２ 培養対象微生物
３ 酸化還元物質
４ 培養液
４ａ 電解液
６ イオン交換膜
７ 培養槽
８ 対電極槽
９ 作用電極
１０ 対電極
１２ 電源（電位制御装置）
１５ ガス回収手段
１６ 培養液採取手段
２０ 容器
２１ 小容器
２２ ガス排出管
２３ 容器
２４ ガス不透過膜、ガス不透過部材
２５ Ｕ字型構造の容器
２５ａ Ｕ字型構造の容器を構成する一方の容器
２５ｂ Ｕ字型構造の容器を構成する他方の容器
２６ Ｈ字型構造の容器
２６ａ Ｈ字型構造の容器を構成する一方の容器
２６ｂ Ｈ字型構造の容器を構成する他方の容器
２ 培養対象微生物
３ 酸化還元物質
４ 培養液
４ａ 電解液
６ イオン交換膜
７ 培養槽
８ 対電極槽
９ 作用電極
１０ 対電極
１２ 電源（電位制御装置）
１５ ガス回収手段
１６ 培養液採取手段
２０ 容器
２１ 小容器
２２ ガス排出管
２３ 容器
２４ ガス不透過膜、ガス不透過部材
２５ Ｕ字型構造の容器
２５ａ Ｕ字型構造の容器を構成する一方の容器
２５ｂ Ｕ字型構造の容器を構成する他方の容器
２６ Ｈ字型構造の容器
２６ａ Ｈ字型構造の容器を構成する一方の容器
２６ｂ Ｈ字型構造の容器を構成する他方の容器
Claims (10)
- イオン交換膜によって仕切られた二つの槽と、作用電極及び対電極と、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与える電源とを有し、前記二つの槽のうちの一方の槽を培養槽として酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に前記作用電極が前記培養液に浸され、前記二つの槽のうちの他方の槽を対電極槽として電解液が収容されると共に前記対電極が前記電解液に浸され、前記培養液に培養対象たる微生物が添加されて、前記電源により前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養する電気培養装置において、前記培養槽を密閉構造の容器とし、前記容器に収容可能な密閉構造の小容器を前記対電極槽とし、前記小容器は少なくとも一部に前記イオン交換膜を備えると共に前記対電極槽から発生するガスを前記容器の外に排出するガス排出管を備え、前記培養液が前記イオン交換膜を介して前記電解液と接触していること、前記培養液が前記イオン交換膜を介して前記対電極と接触していること、及び／又は、前記作用電極が前記イオン交換膜を介して前記電解液と接触していることにより、前記作用電極と前記対電極の間でのイオン電流の発生を可能としていることを特徴とする電気培養装置。
- 多孔性の前記作用電極が前記イオン交換膜に接触し、前記作用電極と前記イオン交換膜との接触面にて前記培養液が前記イオン交換膜と接触し、前記培養液及び前記作用電極が前記イオン交換膜を介して前記電解液及び／又は前記対電極と接触している請求項１に記載の電気培養装置。
- 多孔性の前記対電極が前記イオン交換膜に接触し、多孔性の前記対電極と前記イオン交換膜との接触面にて前記電解液が前記イオン交換膜と接触し、前記電解液及び前記対電極が前記イオン交換膜を介して前記培養液及び／又は前記作用電極と接触している請求項１または２に記載の電気培養装置。
- 前記対電極槽に前記電解液が収容されずに多孔性の前記対電極が前記イオン交換膜と接触している請求項１または２に記載の電気培養装置。
- 前記小容器は、その全体が前記イオン交換膜で形成された袋状の容器である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気培養装置。
- 前記培養槽に収容されている前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気培養装置。
- 前記培養槽に収容されている前記培養液を採取する培養液採取手段を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気培養装置。
- 請求項６に記載の電気培養装置によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記ガス状物質または前記揮発性物質が揮発して発生したガス成分を前記培養槽内の前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを前記電気培養装置のガス回収手段で回収することを特徴とする物質生産方法。
- 請求項７に記載の電気培養装置により揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記微生物が生産する前記揮発性物質を前記電気培養装置の培養液採取手段から採取した前記培養液から回収することを特徴とする物質生産方法。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気培養装置により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、前記培養槽内の前記培養液に添加された前記有害物質を分解処理することを特徴とする物質分解処理方法。
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