JP5801096B2 - Proteolytic treatment method - Google Patents
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Description
本発明は、タンパク質分解処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばタンパク質を多く含む食品系廃棄物等に用いて好適なタンパク質分解処理方法に関する。 The present invention relates to a proteolytic treatment method. More specifically, the present invention relates to a proteolytic treatment method suitable for use in, for example, food waste containing a large amount of protein.
タンパク質処理方法に関する従来技術としては、例えば特許文献1に記載の方法が知られている。具体的には、バチルスステアロサーモフィラス(Bacillus stearothermophilus)等のバチルス属に属する好熱性タンパク質分解菌の存在下で、タンパク質を含む有機性廃棄物を分解処理することが記載されている。 As a conventional technique related to a protein processing method, for example, a method described in Patent Document 1 is known. Specifically, it describes that organic waste containing proteins is decomposed in the presence of a thermophilic proteolytic bacterium belonging to the genus Bacillus such as Bacillus stearothermophilus.
このように、好熱性タンパク質分解菌を用いることで、50℃以上の温度で分解処理を行うことができることから、有機性廃棄物に含まれる植物性油脂や動物性油脂を溶解させて、タンパク質分解菌とタンパク質の接触面積を増加させることができ、タンパク質を分解し易くできる。 Thus, by using thermophilic proteolytic bacteria, it can be decomposed at a temperature of 50 ° C. or higher, so that vegetable oils and animal fats and oils contained in organic waste can be dissolved and proteolytic The contact area between the bacteria and the protein can be increased, and the protein can be easily decomposed.
しかしながら、従来の好熱性タンパク質分解菌によるタンパク質分解処理方法では、好熱性タンパク質分解菌自体のタンパク質分解能が低く、タンパク質分解処理を効率よく行えない問題があった。 However, the conventional proteolytic treatment method using a thermophilic proteolytic bacterium has a problem that the proteolytic proteolytic bacterium itself has a low protein resolution, and the proteolytic treatment cannot be performed efficiently.
また、従来のタンパク質分解処理方法では、タンパク質を含む廃棄物等の分解処理はできるものの、そこからエネルギーを回収することはできなかった。 Moreover, in the conventional proteolytic treatment method, although wastes containing proteins can be decomposed, energy cannot be recovered therefrom.
本発明は、タンパク質分解菌によるタンパク質分解速度を向上させることのできるタンパク質分解処理方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the proteolytic processing method which can improve the proteolytic rate by proteolytic bacteria.
また、本発明は、植物性油脂や動物性油脂が溶解する50℃以上の温度において、好熱性タンパク質分解菌によるタンパク質分解速度を向上させることのできるタンパク質分解処理方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a proteolytic treatment method capable of improving the rate of proteolysis by thermophilic proteolytic bacteria at a temperature of 50 ° C. or higher at which vegetable oils and animal fats are dissolved. .
さらに、本発明は、タンパク質分解菌によるタンパク質分解速度を向上させながらも、エネルギーを回収することのできる方法を提供することを目的とする。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a method capable of recovering energy while improving the rate of proteolysis by proteolytic bacteria.
かかる課題を解決するため、本願発明者等が鋭意検討を行った結果、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)の単独培養環境下にてタンパク質を分解処理した場合と比較して、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)の共培養環境下にてタンパク質を分解処理した場合の方が、タンパク質分解速度が向上すると共に、メタンガス産生能も付与することができることを知見した。 As a result of intensive studies by the inventors of the present invention in order to solve such problems, when a protein is decomposed in a single culture environment of a thermophilic proteolytic bacterium (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) Environment of thermophilic proteolytic bacteria (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and Methanothermobacter thermautotrophicus, a thermophilic hydrogen-utilizing methanogen, Methanothermobacter thermautotrophicus It has been found that when protein is decomposed below, the rate of proteolysis is improved and methane gas production ability can be imparted.
本願発明者等は、上記知見に基づいて更なる検討を進めた結果、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)の共培養環境に電極を接触させると共にAQDS(アントラキノン−2,6−ジスルホン酸)を添加し、電極の電位を−0.8Vに制御しながら、この共培養環境下でタンパク質を分解処理することで、極めて優れたタンパク質分解処理能力とメタンガス産生能が発揮されることを知見するに至った。 As a result of further investigation based on the above findings, the inventors of the present application have found that a thermophilic proteolytic bacterium (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and a thermophilic hydrogen-assimilating methanogen are methanol. The electrode was brought into contact with the co-culture environment of Thermobacter thermautotrophicus and AQDS (anthraquinone-2,6-disulfonic acid) was added to control the potential of the electrode to -0.8V. We have come to know that by proteolytically degrading proteins in a culture environment, extremely excellent proteolytic processing ability and methane gas production ability are exhibited.
本願発明者等は、上記知見に基づき、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)とを含む環境に電極を接触させると共に酸化還元物質を添加し、この環境の温度を50℃以上とし、この電極の電位を還元電位に制御しながら、この環境下にてタンパク質を分解処理することで、タンパク質の分解処理能力を極めて優れたものとしながらも、同時に多量のメタンガスをエネルギーとして回収することができる可能性が導かれることを知見するに至り、さらに種々検討を重ねて本発明を完成するに至った。 Based on the above findings, the inventors of the present application have developed a thermophilic proteolytic bacterium (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and a thermophilic hydrogen-assimilating methanogen, methanothermobacter sam autotrophicus (Methanothermobacter The electrode is brought into contact with the environment containing thermautotrophicus) and a redox substance is added, and the temperature of the environment is set to 50 ° C. or higher, and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential, and the protein is decomposed in this environment. As a result, it has been found that there is a possibility that a large amount of methane gas can be recovered as energy while at the same time making the protein degradation processing ability extremely excellent, and further various studies are repeated. It came to complete.
即ち、本発明のタンパク質分解処理方法は、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)とを含む環境に電極を接触させると共に酸化還元物質を添加し、この環境の温度を50℃以上とし、この電極の電位を還元電位に制御しながら上記環境下にてタンパク質またはタンパク質含有物を分解処理するようにしている。 That is, the proteolytic treatment method of the present invention comprises a thermophilic proteolytic bacterium (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and a thermophilic hydrogen-assimilating methanogen, methanothermobacter sam autotrophicus (Methanothermobacter The electrode is brought into contact with an environment containing thermautotrophicus) and a redox substance is added, and the temperature of the environment is set to 50 ° C. or more, and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential while the protein or the protein-containing material is contained in the environment. Is to be disassembled.
また、本発明のバイオガス回収方法は、本発明のタンパク質分解処理方法においてタンパク質分解処理時に発生したメタンガスを含むバイオガスを回収するようにしている。 Moreover, the biogas recovery method of the present invention recovers biogas containing methane gas generated during the proteolysis process in the proteolysis processing method of the present invention.
本発明のタンパク質分解処理方法によれば、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)によるタンパク質分解処理速度を顕著に向上させることが可能になる。したがって、タンパク質を多く含む有機性廃棄物、例えば食品系廃棄物等を従来よりも極めて効率よく分解処理して減容化を図ることが可能となる。 According to the proteolytic treatment method of the present invention, the proteolytic treatment rate by a thermophilic proteolytic bacterium (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) can be remarkably improved. Therefore, it is possible to reduce the volume by decomposing organic waste containing a large amount of protein, for example, food waste, etc. more efficiently than conventional methods.
また、本発明のタンパク質分解処理方法によれば、植物性油脂や動物性油脂が溶解する50℃以上の温度において、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)によるタンパク質分解処理速度を顕著に向上させることが可能になる。したがって、有機性廃棄物に含まれる植物性油脂や動物性油脂を溶解して、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)とタンパク質の接触面積を増加させることができ、タンパク質の分解処理をさらに効率よく行うことができる。 Moreover , according to the proteolytic treatment method of the present invention, a protein produced by a thermophilic proteolytic bacterium (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) at a temperature of 50 ° C. or higher at which vegetable oil and animal fat are dissolved. It becomes possible to remarkably improve the decomposition processing speed. Therefore, vegetable oils and animal fats and oils contained in organic waste can be dissolved to increase the contact area between thermophilic proteolytic bacteria (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and proteins. , Protein degradation treatment can be performed more efficiently.
さらに、本発明のバイオガス回収方法によれば、好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)とを含む環境下でタンパク質を分解させるようにしているので、好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)により生成されるメタンガスを含むバイオガスをエネルギーとして回収することができる。しかも、環境に酸化還元物質を添加すると共に環境に接触させた電極の電位を還元電位に制御することで、単に好熱性タンパク質分解菌(CT−1株:受託番号FERM P−21909)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)とが同時に存在する環境でタンパク質分解処理を行う場合と比較して、メタンガス産生量を向上させることができる。したがって、タンパク質の分解処理速度を極めて顕著に向上させながらも、多量のメタンガスをエネルギーとして回収でき、タンパク質またはタンパク質含有物の資源としての効率な有効利用を図ることが可能となる。 Furthermore, according to the biogas recovery method of the present invention, thermophilic proteolytic bacteria (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and methanothermobacter sam autotrophicus which are thermophilic hydrogen-assimilating methanogens. (Methanothermobacter thermautotrophicus) and so on, the protein is decomposed in the environment including methane gas produced by Methanothermobacter thermautotrophicus , a thermophilic hydrogen-utilizing methanogen, Methanothermobacter thermautotrophicus. Gas can be recovered as energy. In addition, by adding a redox substance to the environment and controlling the potential of the electrode in contact with the environment to the reduction potential, it is simply thermophilic proteolytic bacteria (CT-1 strain: accession number FERM P-21909) and thermophilic The amount of methane gas produced can be improved as compared with the case where the proteolytic treatment is performed in an environment in which the hydrogen-utilizing methanogen, Methanothermobacter thermautotrophicus, is present simultaneously. Accordingly, a large amount of methane gas can be recovered as energy while significantly improving the protein decomposition treatment rate, and efficient and efficient use as a resource of protein or protein-containing material can be achieved.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
尚、以降の説明における電位の値は、全て銀・塩化銀電極電位を基準とする値である。 The potential values in the following description are all values based on the silver / silver chloride electrode potential.
本発明のタンパク質分解処理方法は、タンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境(以下、単に培養環境と呼ぶこともある)に電極を接触させると共に酸化還元物質を添加し、この電極の電位を還元電位に制御しながら上記環境下にてタンパク質またはタンパク質含有物を分解処理するようにしている。 In the proteolytic treatment method of the present invention, an electrode is brought into contact with an environment containing proteolytic bacteria and methanogens (hereinafter sometimes simply referred to as a culture environment) and a redox substance is added to reduce the potential of the electrode. The protein or protein-containing material is decomposed in the above environment while controlling the potential.
タンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境下でタンパク質またはタンパク質含有物を分解処理することで、タンパク質分解菌によりタンパク質が分解されて生成される水素や低級脂肪酸、二酸化炭素がメタン生成菌に消費され、その結果としてタンパク質分解菌の増殖が促進され、タンパク質分解処理速度が向上する。 By decomposing proteins or protein-containing substances in an environment containing proteolytic bacteria and methanogens, hydrogen, lower fatty acids, and carbon dioxide produced by the protein degradation by proteolytic bacteria are consumed by methanogens. As a result, the growth of proteolytic bacteria is promoted, and the proteolytic processing speed is improved.
さらに、培養環境に電極を接触させると共に酸化還元物質を添加し、この電極の電位を還元電位に制御することで、タンパク質分解菌とメタン生成菌の増殖が促進され、タンパク質分解処理速度がさらに向上する。 Furthermore, by bringing the electrode into contact with the culture environment and adding a redox substance and controlling the potential of this electrode to the reduction potential, the growth of proteolytic bacteria and methanogens is promoted, and the proteolytic processing speed is further improved. To do.
本発明のタンパク質分解処理方法において処理対象となるのは、タンパク質またはタンパク質含有物である。タンパク質含有物としては、タンパク質を多く含む食品系廃棄物等の有機性廃棄物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 In the proteolytic treatment method of the present invention, a protein or a protein-containing material is a treatment target. Examples of the protein-containing material include, but are not limited to, organic waste such as food waste containing a lot of protein.
ここで、タンパク質分解菌とメタン生成菌は、好熱性であることが好ましい。この場合には、培養環境を50℃以上とすることができるので、有機性廃棄物等のタンパク質含有物に含まれる植物性油脂や動物性油脂を溶解させて、タンパク質分解菌とタンパク質の接触面積を高めることができ、タンパク質をより効率よく分解処理することが可能になる。 Here, the proteolytic bacteria and the methanogen are preferably thermophilic. In this case, since the culture environment can be set to 50 ° C. or higher, the vegetable oil or animal oil contained in the protein-containing material such as organic waste is dissolved, and the contact area between the proteolytic bacteria and the protein And the protein can be decomposed more efficiently.
好熱性タンパク質分解菌としては、受託番号FERM P−21909で受託されているコプロサーモバクター(Coprothermobacter)属のタンパク質分解菌が好適である。 As the thermophilic proteolytic bacterium, a proteolytic bacterium belonging to the genus Coprothermobacter, which is entrusted with the accession number FERM P-21909 is preferable .
本発明で使用する好熱性メタン生成菌としては、好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus)が好適である。 As the thermophilic methanogen used in the present invention, Methanothermobacter thermautotrophicus which is a thermophilic hydrogen-utilizing methanogen is preferable.
タンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境としては、例えば、タンパク質分解菌とメタン生成菌を含み、且つこれらの菌に必要な栄養源、微量元素、ビタミン類等を含む培養液が挙げられる。この場合、タンパク質またはタンパク質含有物を培養液に懸濁させて処理することができ、タンパク質またはタンパク質含有物とタンパク質分解菌とを接触させ易い。但し、タンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境はこれらの菌を含む培養液には限定されず、これらの菌を含む寒天培地等の固体培地であってもよいし、汚泥等であってもよい。また、タンパク質分解菌とメタン生成菌を含む培養液をタンパク質またはタンパク質含有物に散布して含浸等させることによりタンパク質分解処理を行う環境を形成することもできる。また、タンパク質分解菌を含む環境や処理設備にメタン生成菌を添加してタンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境を形成するようにしてもよいし、メタン生成菌を含む環境や処理設備にタンパク質分解菌を添加してタンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境を形成するようにしてもよい。 Examples of the environment containing proteolytic bacteria and methanogenic bacteria include a culture solution containing proteolytic bacteria and methanogenic bacteria and containing nutrient sources, trace elements, vitamins and the like necessary for these bacteria. In this case, the protein or protein-containing material can be suspended and treated in the culture solution, and the protein or protein-containing material can easily be brought into contact with the proteolytic bacteria. However, the environment containing proteolytic bacteria and methanogens is not limited to the culture solution containing these bacteria, and may be a solid medium such as an agar medium containing these bacteria, or sludge, etc. Good. Moreover, the environment which performs a proteolytic process can also be formed by spraying the culture solution containing a proteolytic microbe and methanogen on a protein or a protein containing material, and making it impregnate. In addition, an environment containing proteolytic bacteria and methanogenic bacteria may be formed by adding methanogenic bacteria to an environment or processing equipment containing proteolytic bacteria. An environment containing proteolytic bacteria and methanogenic bacteria may be formed by adding degrading bacteria.
ここで、好熱性タンパク質分解菌と好熱性水素資化性メタン生成菌とを用いる場合には、培養環境の温度を50℃以上とすることができるが、温度を高めすぎるとこれらの菌が失活する場合があるので、培養環境の温度は50℃〜100℃未満とすることが好適であり、50℃〜80℃とすることがより好適であり、50℃〜70℃とすることがさらに好適である。 Here, when thermophilic proteolytic bacteria and thermophilic hydrogen-assimilating methanogens are used, the temperature of the culture environment can be set to 50 ° C. or higher. In some cases, the temperature of the culture environment is preferably 50 ° C to less than 100 ° C, more preferably 50 ° C to 80 ° C, and even more preferably 50 ° C to 70 ° C. Is preferred.
尚、本発明のタンパク質分解処理方法においては、好熱性水素資化性メタン生成菌を用いていることから、タンパク質分解菌によりタンパク質が分解されて生成した水素を消費してメタンガスを含むバイオガスが生成される。したがって、タンパク質からメタンガスをエネルギーとして回収できる利点もある。 Incidentally, biogas in the proteolytic processing method of the present invention, including methane from the fact that, consuming hydrogen that protein was generated are decomposed by proteolytic bacteria using thermophilic hydrogen-utilizing methanogens Is generated. Therefore, there is an advantage that methane gas can be recovered from the protein as energy.
本発明のタンパク質処理方法においては、培養環境に電極を接触させると共に酸化還元物質を添加する。 In the protein treatment method of the present invention, an electrode is brought into contact with a culture environment and a redox substance is added.
培養環境に接触させた電極には、還元電位が印加される。還元電位とは、培養環境の酸化還元電位よりも低い電位(マイナス側に大きな電位)を意味している。培養環境の酸化還元電位をAとすると、電極に印加する電位Xは、X<A(V)とすることが好適である。より好適にはX≦−0.6(V)、さらに好適にはX≦−0.8(V)である。但し、電極に印加する電位Xを低くし過ぎると、培養環境からの水の電気分解等が生じ、目的の制御以外に投入した電気エネルギーが消費され得るので、X≧−1.4(V)とすることが好適であり、X≧−1.2(V)とすることがより好適であり、X≧−1.0(V)とすることがさらに好適である。尚、これらの値は、全て銀・塩化銀電極電位を基準とする値である。 A reduction potential is applied to the electrode brought into contact with the culture environment. The reduction potential means a potential lower than the oxidation-reduction potential in the culture environment (potential greater on the minus side). When the oxidation-reduction potential in the culture environment is A, the potential X applied to the electrode is preferably X <A (V). More preferably, X ≦ −0.6 (V), and further preferably X ≦ −0.8 (V). However, if the potential X applied to the electrode is too low, electrolysis of water from the culture environment or the like occurs, and electric energy input other than the intended control can be consumed. Therefore, X ≧ −1.4 (V) It is preferable that X ≧ −1.2 (V), and it is more preferable that X ≧ −1.0 (V). These values are all values based on the silver / silver chloride electrode potential.
酸化還元物質は、培養環境の電位制御性を高めるために添加される。酸化還元物質を培養環境に添加することによって、電極に与えた電位を培養環境に確実に反映させて電位制御によるタンパク質分解処理能を確実に向上させることができる。 The redox substance is added to enhance the potential controllability of the culture environment. By adding the oxidation-reduction substance to the culture environment, the potential applied to the electrode can be reliably reflected in the culture environment, and the proteolytic processing ability by potential control can be reliably improved.
酸化還元物質としては、タンパク質分解菌とメタン生成菌の代謝を阻害し難いあるいは阻害しないものを適宜用いることができる。具体的には、鉄イオン、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、メチルビオロゲンなどのビオロゲン誘導体等を用いることができる。尚、鉄イオンを用いる場合には、鉄イオンをキレート剤に配位させて、鉄イオンを培養環境中で安定に存在させるようにすることが好ましい。キレート剤としては、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等、鉄イオンを配位し得る任意のキレート剤を挙げることができる。 As the redox substance, a substance that hardly or does not inhibit the metabolism of proteolytic bacteria and methanogenic bacteria can be used as appropriate. Specifically, iron ions, potassium ferrocyanide, quinone compounds such as sodium anthraquinone disulfonate, viologen derivatives such as methyl viologen, and the like can be used. In addition, when using iron ion, it is preferable to coordinate iron ion to a chelating agent so that iron ion can exist stably in a culture environment. Examples of the chelating agent include diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tetraethylenetriamine (TET), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), citric acid, oxalic acid, crown ether, nitrilotetraacetic acid, Mention may be made of any chelating agent capable of coordinating iron ions such as disodium edetate, sodium edetate, trisodium edetate, penicillamine, trisodium pentetate calcium, pentetate, succimer and trientine edetate.
尚、酸化還元物質の添加量は特に限定されるものではないが、0.1〜10mMとすることが好適であり、0.1〜5mMとすることがより好適であり、0.1〜1mMとすることがさらに好適である。 The amount of the redox substance added is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 mM, more preferably 0.1 to 5 mM, and 0.1 to 1 mM. Is more preferable.
本発明のタンパク質分解処理方法は、例えば、図7〜図11に示す電気培養装置により実施される。以下、第一の実施形態を図3〜図6に基づいて説明し、第二の実施形態を図7に基づいて説明する。 The proteolytic treatment method of the present invention is carried out, for example, by an electroculture apparatus shown in FIGS. Hereinafter, the first embodiment will be described based on FIGS. 3 to 6, and the second embodiment will be described based on FIG. 7.
<第一の実施形態>
第一の実施形態にかかるタンパク質分解処理方法は、タンパク質分解菌とメタン生成菌を培養液に投入して培養環境を形成し、培養液と電解液とをイオン交換膜を介して接触させ、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、作用電極の電位を3電極方式で制御して、タンパク質を分解処理するようにしている。さらに、メタン生成菌により産生されるメタンガスを含むバイオガスを回収するようにしている。
<First embodiment>
In the proteolytic treatment method according to the first embodiment, a proteolytic bacterium and a methanogenic bacterium are added to a culture solution to form a culture environment, and the culture solution and the electrolytic solution are brought into contact with each other through an ion exchange membrane. The working electrode and reference electrode are brought into contact with the liquid, the counter electrode is brought into contact with the electrolyte, the working electrode, the counter electrode and the reference electrode are connected to a constant potential setting device, and the potential of the working electrode is controlled by a three-electrode system. The protein is decomposed. Furthermore, biogas containing methane gas produced by methanogen is recovered.
第一の実施形態にかかるタンパク質分解処理方法は、例えば図7〜図10に示す電気培養装置1により実施される。即ち、図7〜図10に示す電気培養装置1は、イオン交換膜6によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を培養槽7とし、他方の槽を対電極槽8とし、培養槽7には微生物と酸化還元物質とを含む培養液4が収容されると共に作用電極9と参照電極11が浸され、対電極槽8には電解液4aが収容されると共に対電極10が浸され、作用電極9と対電極10と参照電極11は定電位設定装置12に結線され、定電位設定装置12により作用電極9の電位を3電極方式で制御するようにしている。 The proteolytic treatment method according to the first embodiment is performed by, for example, the electroculture apparatus 1 shown in FIGS. That is, in the electroculture apparatus 1 shown in FIGS. 7 to 10, one of the two tanks partitioned by the ion exchange membrane 6 is a culture tank 7, and the other tank is a counter electrode tank 8. 7 contains the culture solution 4 containing microorganisms and redox substances, and the working electrode 9 and the reference electrode 11 are immersed therein. The counter electrode tank 8 contains the electrolyte solution 4a and the counter electrode 10 is immersed therein. The working electrode 9, the counter electrode 10 and the reference electrode 11 are connected to a constant potential setting device 12, and the constant potential setting device 12 controls the potential of the working electrode 9 in a three-electrode system.
このように、3電極方式で作用電極9の電位を制御することで、作用電極9の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置(ポテンシオスタット)12により、作用電極9と参照電極11との間の電位差を測定し、この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。尚、3電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法(上)、技報動出版株式会社、第1版15刷、2004年6月発行の6〜9ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極9と対電極10の極間電圧のみで作用電極9の電位を制御できる場合には、3電極方式とせずともよい。 In this way, by controlling the potential of the working electrode 9 by the three-electrode method, the potential of the working electrode 9 can be strictly controlled to the set potential. Specifically, a potential difference between the working electrode 9 and the reference electrode 11 is measured by a constant potential setting device (potentiostat) 12, and the working electrode 9 and the counter electrode 10 are adjusted so that the potential difference reaches the set potential. A current is passed between them so that no current flows through the reference electrode 11 serving as a reference. The details of the potential control by the three-electrode method are described in, for example, pages 6 to 9 of Electrochemical Measurement Method (above), Technical Bulletin Publishing Co., Ltd., 1st edition 15 printing, published in June 2004. ing. However, when the potential of the working electrode 9 can be controlled only by the voltage between the working electrode 9 and the counter electrode 10, the three-electrode system may not be used.
また、図7〜図10に示す電気培養装置1では、培養槽7内の培養液4の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留するバイオガスを培養槽7の外(電気培養装置1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内のガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法に限定されない。例えば、ガス回収手段15を備えることなく、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やブチルゴム)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ガス排出管を差し込んで、ヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。 Moreover, in the electric culture apparatus 1 shown in FIGS. 7-10, the biogas which retains in the space (head space) above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7 is outside the culture tank 7 (electric culture apparatus). The gas in the culture tank 7 is recovered by the gas recovery means 15 provided with a gas exhaust pipe 15a leading to the outside (1), which can be opened and closed by a valve 15b. However, the biogas recovery method is not limited to this method. For example, without providing the gas recovery means 15, an opening is provided in the upper part of the culture tank 7, the opening is closed with an elastic material such as synthetic rubber (for example, silicone rubber or butyl rubber), and gas is applied to the elastic material that closes the opening. You may make it collect | recover biogas from head space by inserting a discharge pipe.
さらに、図7〜図10に示す電気培養装置1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を排出するようにしている。これにより、例えば、減容化されたタンパク質含有物(例えば食品廃棄物等の有機性廃棄)を培養液4とともに培養槽7から排出することができる。但し、培養液4の排出方法は、この方法には限定されない。 Furthermore, in the electric culture apparatus 1 shown in FIGS. 7 to 10, the culture solution discharge that guides the culture solution 4 in the culture vessel 7 to the outside of the culture vessel 7 below the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7. The culture solution 4 is discharged from the culture tank 7 by the culture solution collecting means 16 provided with a tube 16a and opening and closing the culture solution discharge tube 16a by a valve 16b. Thereby, for example, the reduced protein content (for example, organic waste such as food waste) can be discharged from the culture tank 7 together with the culture solution 4. However, the method for discharging the culture solution 4 is not limited to this method.
また、ガス回収手段15や培養液採取手段16とは別に、培養槽7内に物質を添加・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、培養液4の補充、培養液4への栄養源や中和剤等の必要な物質等を必要に応じて添加することができる。また、タンパク質分解菌やメタン生成菌をこの導入管から供給することもできるし、タンパク質またはタンパク質含有物をこの導入管から供給することもできる。さらには、培養槽7内を嫌気条件とするためのガス(窒素ガス等)を供給することもできる。但し、培養槽7内に物質を添加・供給する手段は、このような形態に限定されるものではないし、必ずしも備える必要はない。例えば、ガス回収手段15や培養液採取手段16を培養槽7内に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。 In addition to the gas recovery means 15 and the culture medium collection means 16, a means for adding and supplying substances into the culture tank 7 may be provided. Specifically, an openable and closable substance introduction tube that can add and supply substances to the culture solution 4 from the outside of the culture tank 7 may be provided. In this case, supplementation of the culture solution 4 and necessary substances such as a nutrient source and a neutralizing agent for the culture solution 4 can be added as necessary. Proteolytic bacteria and methanogens can be supplied from this introduction tube, and proteins or protein-containing substances can also be supplied from this introduction tube. Furthermore, gas (nitrogen gas etc.) for making the inside of the culture tank 7 into anaerobic conditions can also be supplied. However, the means for adding and supplying the substance into the culture tank 7 is not limited to such a form and is not necessarily provided. For example, the gas recovery means 15 and the culture solution collection means 16 may be used together as means for adding and supplying substances into the culture tank 7.
以下、図7に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Aとして説明し、図8に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Bとして説明し、図9に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Cとして説明し、図10に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Dとして説明する。 Hereinafter, the case where the electroculture apparatus shown in FIG. 7 is used will be described as a first embodiment A, and the case where the electroculture apparatus shown in FIG. 8 is used will be described as a first embodiment B, which is shown in FIG. The case where the electroculturing apparatus is used will be described as a first embodiment C, and the case where the electroculturing apparatus shown in FIG. 10 is used will be described as a first embodiment D.
(第一の実施形態A)
図7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10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、対電極10と定電位設定装置12を結線する配線は、ガス排出管22の中を通過させている。尚、図7に示す電気培養装置1では、対電極10と定電位設定装置12を結線する配線は、ガス排出管22の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管22を通さずに定電位設定装置12と結線するようにしても構わない。
(First embodiment A)
The electroculture apparatus 1 shown in FIG. 7 uses a sealed container 20 as a culture tank 7, a closed container 21 that can be accommodated in the container 20 as a counter electrode tank 8, and the small container 21 is at least partially ion-exchanged. In addition to the membrane 6, a gas discharge pipe 22 that discharges gas (gas generated from the counter electrode 10) to the outside of the container 20 is provided. The wiring connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 passes through the gas exhaust pipe 22. In the electroculture device 1 shown in FIG. 7, the wiring connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 passes through the gas exhaust pipe 22, but is not necessarily limited to this configuration. May be connected to the constant potential setting device 12 without passing through the gas discharge pipe 22.
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。 The sealed container 20 as the culture tank 7 is a container having a size capable of accommodating the small container 21 with the sealed structure as the counter electrode tank 8, and the shape is not particularly limited. Examples of the material of the container include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. Moreover, you may make it use the container which formed the gas impermeable membrane material in the bag shape by the heat seal etc. as the culture tank 7. FIG.
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、小容器21はその全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜6で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜6のみで構成するようにしてもよい。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てもよい。 The small container 21 having a sealed structure as the counter electrode tank 8 is a container of a size that can be accommodated in the container 20 as the culture tank 7, and includes the ion exchange membrane 6 at least partially. Here, the small container 21 may be a bag-like container formed entirely by the ion-exchange membrane 6, but only one side of the bag-like container may be constituted by the ion-exchange membrane 6, or a part of one surface may be further formed. You may make it comprise only the ion exchange membrane 6. FIG. When the ion exchange membrane 6 is partially used, other portions may be made of the same material as that of the container 20, or may be made of a membrane material other than the ion exchange membrane 6, such as a gas-impermeable membrane material. It may be configured.
このように、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は培養液4と接触する。換言すれば、培養液4はイオン交換膜6を介して電解液4aと接触する。そして、この構成により、培養液4に含まれる酸化還元物質がイオン交換膜6にブロックされ、電解液4aに移行することなく培養液4中に留まる。これにより、培養液4の電位制御性を優れたものとすることができる。 Thus, by accommodating the small container 21 in the container 20, the small container 21 is immersed in the culture solution 4 accommodated in the container 20, and the ion exchange membrane 6 provided in at least a part of the small container 21. Comes into contact with the culture medium 4. In other words, the culture solution 4 comes into contact with the electrolyte solution 4 a through the ion exchange membrane 6. And by this structure, the oxidation-reduction substance contained in the culture solution 4 is blocked by the ion exchange membrane 6, and stays in the culture solution 4 without transferring to the electrolyte solution 4a. Thereby, the electric potential controllability of the culture solution 4 can be made excellent.
ここで、第一の実施形態Aでは、小容器21を密閉構造とすることが好ましい。この場合、小容器21において発生するガスを容器20の外に排出するガス排出管を備えるようにすることで、対電極10から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく回収することができる。但し、小容器21は必ずしも密閉構造とせずともよい。 Here, in the first embodiment A, it is preferable that the small container 21 has a sealed structure. In this case, when a useful gas is generated from the counter electrode 10 by providing a gas discharge pipe that discharges the gas generated in the small container 21 to the outside of the container 20, the gas is recovered without omission. Can do. However, the small container 21 does not necessarily have a sealed structure.
また、培養槽7(容器20)は、密閉構造とすることが好ましい。この場合には、培養槽7を嫌気条件に制御し易い。しかも、バイオガスを容器20の外に漏れ出させることなく、上述のガス回収手段15等によって、バイオガスによる容器20内の圧力上昇を防ぎながらその全量を回収し易いものとできる。 Moreover, it is preferable that the culture tank 7 (container 20) has a sealed structure. In this case, it is easy to control the culture tank 7 to anaerobic conditions. Moreover, the entire amount of the biogas can be easily recovered by the above-described gas recovery means 15 and the like without preventing the biogas from leaking out of the container 20 while preventing the increase in pressure in the container 20 due to the biogas.
本実施形態において使用できる作用電極9は、特に限定されるものではなく、その表面にて還元反応が生じ得る電極、例えば、炭素電極や白金電極等を適宜用いることができる。また、対電極10としては、作用電極9における還元反応を補完する酸化反応が生じ得る電極、例えば炭素電極や白金電極等を適宜用いることができる。 The working electrode 9 that can be used in the present embodiment is not particularly limited, and an electrode capable of causing a reduction reaction on the surface thereof, such as a carbon electrode or a platinum electrode, can be used as appropriate. As the counter electrode 10, an electrode capable of causing an oxidation reaction that complements the reduction reaction in the working electrode 9, such as a carbon electrode or a platinum electrode, can be used as appropriate.
(第一の実施形態B)
図8に示す電気培養装置1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。つまり、図8に示す電気培養装置1は、イオン交換膜6による培養槽7と対電極槽8の仕切り構成以外は、実質的には図7と同一の構成であり、図7に示す電気培養装置を用いた場合と同様の効果が奏され得る。
(First embodiment B)
The electric culture apparatus 1 shown in FIG. 8 has two tanks opened by partitioning a container 23 whose upper side is opened by an ion exchange membrane 6, and an upper open part of one tank as the culture tank 7 is formed. The gas impervious film or the gas impervious member 24 is used. That is, the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 8 has substantially the same configuration as that of FIG. 7 except for the partition configuration of the culture tank 7 and the counter electrode tank 8 by the ion exchange membrane 6, and the electroculture shown in FIG. The same effects as when using the apparatus can be achieved.
尚、図8に示す電気培養装置1において、対電極槽8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。このように構成することで、対電極10から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく回収することができる。 In the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 8, the counter electrode tank 8 may remain open, but it has a sealed structure like the culture tank 7, and the gas generated in the counter electrode tank 8 is discharged outside the counter electrode tank 8. A gas discharge pipe for discharging may be provided. By comprising in this way, when useful gas generate | occur | produces from the counter electrode 10, this can be collect | recovered without a leak.
また、図8に示す電気培養装置1において、培養槽7のヘッドスペースと対電極槽8のヘッドスペースは連通させてもよいし、隔壁等により仕切って連通させないようにしてもよい。 Further, in the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 8, the head space of the culture tank 7 and the head space of the counter electrode tank 8 may be communicated with each other, or may be separated from each other by a partition wall or the like.
また、培養槽7は、第一の実施形態Aと同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the culture tank 7 has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment A.
図8に示す電気培養装置1において、ガス不透過膜またはガス不透過部材24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を用いることもできるがこれに限定されるものではない。 In the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 8, as the gas impermeable membrane or the gas impermeable member 24, those generally used in various fields can be appropriately used. For example, examples of the gas impermeable member include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. Further, as the gas impermeable membrane, for example, the ion exchange membrane 6 can be used, but is not limited thereto.
尚、本実施形態において使用できる容器23の材質は、第一の実施形態Aと同様である。本実施形態において使用できる作用電極9と対電極10についても、第一の実施形態Aと同様である。 The material of the container 23 that can be used in this embodiment is the same as that of the first embodiment A. The working electrode 9 and the counter electrode 10 that can be used in this embodiment are the same as those in the first embodiment A.
(第一の実施形態C)
図9に示す電気培養装置1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。つまり、図9に示す電気培養装置1は、容器25の形状以外の構成については、実質的には図8と同一の構成である。したがって、図8(さらには図7)に示す電気培養装置を用いた場合と同様の効果が奏され得る。
(First embodiment C)
The electroculture apparatus 1 shown in FIG. 9 has a U-shaped container in which two containers 25a and 25b each having an opening below the liquid level of the liquid to be stored are connected via the ion exchange membrane 6 at the opening. 25, one container 25a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other container 25b is opened as a counter electrode tank 8. In this case, the culture solution 4 and the electrolyte solution 4a are in contact with each other through the ion exchange membrane 6, and the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7 and the liquid level of the electrolyte solution 4a in the counter electrode tank 8 are used. Also, the upper space is spaced apart by the U-shaped structure of the container 25 itself. That is, the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 9 has substantially the same configuration as that of FIG. 8 except for the configuration of the container 25. Therefore, the same effect as that obtained when the electroculture apparatus shown in FIG. 8 (and FIG. 7) is used can be obtained.
ここで、第一の実施形態Cにおける電気培養装置1の他方の容器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、図9に示すように、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22を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管22を備えることで、対電極槽8から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく容易に回収することが可能となる。 Here, the opening of the other container 25b of the electroculture apparatus 1 in the first embodiment C is, for example, when the end of the other container 25b is completely opened, as shown in FIG. This means that the case includes a gas discharge pipe 22 that discharges the gas generated in the counter electrode tank 8 outside the counter electrode tank 8 while having a sealed structure like the one container 25a. By providing the gas discharge pipe 22, when useful gas is generated from the counter electrode tank 8, it can be easily recovered without leakage.
また、培養槽7は、第一の実施形態Aと同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the culture tank 7 has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment A.
尚、本実施形態において使用できる容器25の材質は、第一の実施形態Aと同様である。本実施形態において使用できる作用電極9と対電極10についても、第一の実施形態Aと同様である。 The material of the container 25 that can be used in this embodiment is the same as that of the first embodiment A. The working electrode 9 and the counter electrode 10 that can be used in this embodiment are the same as those in the first embodiment A.
(第一の実施形態D)
図10に示す電気培養装置1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。つまり、図10に示す電気培養装置1は、容器25の形状以外の構成については、実質的には図8と同一の構成である。したがって、図8(さらには図7)に示す電気培養装置を用いた場合と同様の効果が奏され得る。
(First embodiment D)
The electroculture apparatus 1 shown in FIG. 10 has an H-shaped container in which two containers 26a and 26b each having an opening below the liquid level of the liquid to be accommodated are connected via the ion exchange membrane 6 at the opening. 26 is formed, one container 26a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other container 26b is opened as a counter electrode tank 8. Also in this case, the culture solution 4 and the electrolyte solution 4a are in contact with each other through the ion exchange membrane 6, and the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7 and the solution of the electrolyte solution 4a in the counter electrode vessel 8 are also shown. The space above the surface is separated by the H-shaped structure of the container 26 itself. That is, the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 10 has substantially the same configuration as that of FIG. 8 except for the configuration of the container 25. Therefore, the same effect as that obtained when the electroculture apparatus shown in FIG. 8 (and FIG. 7) is used can be obtained.
ここで、第一の実施形態Dにおける電気培養装置1の他方の容器26bの開放とは、例えば他方の容器26bの上部等を完全に開放した場合は勿論のこと、図10に示すように、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22を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管22を備えることで、対電極槽8から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく容易に回収することが可能となる。 Here, the opening of the other container 26b of the electroculture apparatus 1 in the first embodiment D is, for example, when the upper part of the other container 26b is completely opened, as shown in FIG. This means that the case includes a gas discharge pipe 22 that discharges the gas generated in the counter electrode tank 8 outside the counter electrode tank 8 while having a sealed structure like the one container 25a. By providing the gas discharge pipe 22, when useful gas is generated from the counter electrode tank 8, it can be easily recovered without leakage.
また、培養槽7は、第一の実施形態Aと同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the culture tank 7 has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment A.
尚、本実施形態において使用できる容器26の材質は、第一の実施形態Aと同様である。本実施形態において使用できる作用電極9と対電極10についても、第一の実施形態Aと同様である。 The material of the container 26 that can be used in the present embodiment is the same as that in the first embodiment A. The working electrode 9 and the counter electrode 10 that can be used in this embodiment are the same as those in the first embodiment A.
<第二の実施形態>
第二の実施形態にかかるタンパク質分解処理方法は、タンパク質分解菌とメタン生成菌を培養液に投入して培養環境を形成し、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、培養液と対電極とをイオン交換膜を介して接触させ、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、作用電極の電位を3電極方式で制御して、タンパク質を分解処理するようにしている。さらに、メタン生成菌により産生されるメタンガスを含むバイオガスを回収するようにしている。つまり、第一の実施形態におけるタンパク質分解処理方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
<Second Embodiment>
In the proteolytic treatment method according to the second embodiment, a proteolytic bacterium and a methanogen are introduced into a culture solution to form a culture environment, the working electrode and the reference electrode are brought into contact with the culture solution, and the culture solution and the counter electrode are contacted. Are contacted via an ion exchange membrane, the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are connected to a constant potential setting device, and the potential of the working electrode is controlled by a three-electrode system to decompose the protein. Yes. Furthermore, biogas containing methane gas produced by methanogen is recovered. That is, it differs from the proteolytic treatment method in the first embodiment only in that the counter electrode is brought into direct contact with the ion exchange membrane without using an electrolytic solution.
しかしながら、第一の実施形態のように電解液4aを用いずとも、作用電極9と対電極10との間でイオン交換膜6を介してイオン電流は流れるので、第二の実施形態にかかるタンパク質分解処理方法によれば、第一の実施形態と同様に作用電極9の電位を制御して、同様の効果を得ることが可能である。 However, since the ion current flows between the working electrode 9 and the counter electrode 10 via the ion exchange membrane 6 without using the electrolyte solution 4a as in the first embodiment, the protein according to the second embodiment. According to the decomposition processing method, it is possible to obtain the same effect by controlling the potential of the working electrode 9 as in the first embodiment.
第二の実施形態にかかるタンパク質分解処理方法は、例えば図11に示す電気培養装置により実施される。図11に示す電気培養装置1は、イオン交換膜6を少なくとも一部に備える密閉構造の容器5内に作用電極9と参照電極11が配置され、容器5の外側に対電極10が配置され、容器5に培養液4が収容されると共に作用電極9と参照電極11が培養液4に浸され、容器5のイオン交換膜6は容器5に培養液4が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜6と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜6の培養液4の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極10が接触して配置されているものとしている。図11に示す電気培養装置1では、容器5の培養液4の液面よりも下部に開口部5aが設けられ、開口部5aがイオン交換膜6で塞がれ、容器5の外側のイオン交換膜6の表面の少なくとも一部に対電極10が接触して配置されているものとしている。つまり、図11に示す電気培養装置1では、容器5全体が培養槽7として機能することとなる。 The proteolytic treatment method according to the second embodiment is performed by, for example, an electroculture apparatus shown in FIG. In the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 11, the working electrode 9 and the reference electrode 11 are arranged in a sealed container 5 having at least a part of the ion exchange membrane 6, and the counter electrode 10 is arranged outside the container 5. The culture solution 4 is accommodated in the container 5, the working electrode 9 and the reference electrode 11 are immersed in the culture solution 4, and the ion exchange membrane 6 of the container 5 is at least a part when the culture solution 4 is accommodated in the container 5. Is provided at a position where it can come into contact with the ion exchange membrane 6, and the counter electrode 10 is arranged in contact with at least a part of the surface of the ion exchange membrane 6 opposite to the contact surface of the culture solution 4. . In the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 11, an opening 5 a is provided below the liquid level of the culture solution 4 in the container 5, the opening 5 a is closed with the ion exchange membrane 6, and ion exchange outside the container 5 is performed. It is assumed that the counter electrode 10 is disposed in contact with at least a part of the surface of the film 6. That is, in the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 11, the entire container 5 functions as the culture tank 7.
したがって、図11に示す電気培養装置1によれば、容器5を密閉構造としているので、容器5からバイオガスが漏洩することがない。また、第一の実施形態と同様、容器5内を嫌気条件に制御し易い利点もある。 Therefore, according to the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 11, since the container 5 has a sealed structure, biogas does not leak from the container 5. Further, as in the first embodiment, there is an advantage that the inside of the container 5 can be easily controlled to an anaerobic condition.
尚、図11に示す電気培養装置1では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段15、培養液採取手段16を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、培養液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。 In addition, although the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 11 is provided with the gas recovery means 15 and the culture solution collection means 16 as in the first embodiment, as described above, the gas recovery method and the culture solution collection are performed. The method is not limited to those using these means. Further, as in the first embodiment, a means for adding and supplying a substance may be provided.
以下、図11に示す電気培養装置1の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。 Hereinafter, the details of the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 11 will be described. However, configurations other than those described below are substantially the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
容器5は、イオン交換膜6を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器5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。尚、図11では、密閉構造の容器5の培養液4の液面よりも下部に設けられた開口部5aをイオン交換膜6により塞ぐようにしているが、容器5の形態や構造は特に限定されない。例えば容器5全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としてもよいし、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のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜6を用いる場合には、その他の部分はガラス等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、例えば培養液4と培養液4中の成分の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器5に収容される培養液4が容器5の少なくとも一部を構成するイオン交換膜6と接触しうる構造の容器とすればよい。 The container 5 has a sealed structure including at least a part of the ion exchange membrane 6. Examples of the material of the container 5 include, but are not limited to, glass, plastic, metal subjected to insulation treatment, concrete, and the like. In FIG. 11, the opening 5 a provided below the liquid level of the culture solution 4 of the sealed container 5 is closed by the ion exchange membrane 6, but the form and structure of the container 5 are particularly limited. Not. For example, the entire container 5 may be a bag-shaped container formed of the ion-exchange membrane 6, or only one surface of the bag-shaped container may be formed of the ion-exchange membrane 6, or a part of one surface may be ion-exchanged. You may make it comprise only with the film | membrane 6. FIG. When the ion exchange membrane 6 is partially used, the other portions may be made of the above-mentioned material such as glass, or other membrane materials other than the ion exchange membrane 6, such as the culture solution 4 and the components in the culture solution 4. You may comprise by the film | membrane material which does not permeate | transmit both. In short, the culture solution 4 accommodated in the container 5 may be a container having a structure that can come into contact with the ion exchange membrane 6 constituting at least a part of the container 5.
対電極10は、イオン交換膜6の培養液4との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。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、イオン交換膜6との接触が可能な形状であり、且つ作用電極9における還元反応に対して電子の授受を補完する酸化反応を進行させることが可能な材質とすればよい。また、本実施形態では、対電極10の面積をイオン交換膜6の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うようにし、イオン交換膜6と対電極10とを接触させるようにしているが、イオン交換膜6の培養液4との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極10を接触させれば、イオン交換膜6を介して培養液4から対電極10にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うようにしてイオン交換膜6と対電極10とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うことで、対電極10をイオン交換膜6の保護材としても機能させることができると共に、培養液4からのイオンの伝達面が増大する結果として、培養液4の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆う方法としては、例えば、容器5の開口部5aの周囲に接着剤を塗布して対電極10を接着することにより、開口部5aを塞ぐイオン交換膜6全体と対電極10とを接触させるようにしてもよいし、容器5の開口部5aの周囲に接着剤を塗布して対電極10の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜6を接着することにより、開口部5aをイオン交換膜6で塞ぎつつ、開口部5aを塞ぐイオン交換膜6全体と対電極10とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜6を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極10の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜6を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜6の対電極10の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。 The counter electrode 10 is brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 6 with the culture solution 4. In the present embodiment, the counter electrode 10 is a plate-like carbon electrode, but the shape and material of the counter electrode 10 are not limited to this, and the shape is that the contact with the ion exchange membrane 6 is essential. The material may be made of a material capable of causing an oxidation reaction that complements the exchange of electrons to the reduction reaction at the working electrode 9. In the present embodiment, the counter electrode 10 has a larger area than the ion exchange membrane 6 so that the entire ion exchange membrane 6 is completely covered with the counter electrode 10, and the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are covered. If the counter electrode 10 is brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 6 with the culture solution 4, the culture solution 4 is passed through the ion exchange membrane 6. Therefore, it is not always necessary to bring the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 into contact with each other so that the entire ion exchange membrane 6 is completely covered with the counter electrode 10. However, by completely covering the entire ion exchange membrane 6 with the counter electrode 10, the counter electrode 10 can function as a protective material for the ion exchange membrane 6, and the ion transmission surface from the culture solution 4 increases. As a result, there is an advantage that the potential controllability of the culture solution 4 can be improved, which is preferable. As a method of completely covering the entire ion exchange membrane 6 with the counter electrode 10, for example, ion exchange is performed by closing the opening 5 a by applying an adhesive around the opening 5 a of the container 5 and bonding the counter electrode 10. The entire membrane 6 and the counter electrode 10 may be brought into contact with each other, or an ion exchange membrane formed by applying an adhesive around the opening 5a of the container 5 and applying it to at least a part of the surface of the counter electrode 10 By bonding 6, the counter electrode 10 may be brought into contact with the entire ion exchange membrane 6 that closes the opening 5 a while closing the opening 5 a with the ion exchange membrane 6. Examples of the agent for coating and forming the ion exchange membrane 6 include a Nafion dispersion, but are not limited thereto. Alternatively, a Nafion dispersion may be applied to the surface of the counter electrode 10 and the ion exchange membrane 6 may be attached before the Nafion dispersion is dried. In this case, the adhesion and contact properties of the ion exchange membrane 6 to the surface of the counter electrode 10 can be made sufficient.
ここで、対電極10は多孔質体とすることが好適である。この場合には、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接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極10を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜6を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜6と対電極10との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。 Here, the counter electrode 10 is preferably a porous body. In this case, the gas generated at the contact surface between the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 can easily pass through the surface opposite to the contact surface. In addition, the counter electrode 10 is made a porous body, and the ion exchange membrane 6 is attached using a Nafion dispersion liquid, whereby the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are separated by the penetration of the Nafion dispersion liquid into the pores of the porous body. The contact area can be increased to facilitate the progress of the electrochemical reaction, which is preferable.
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12に示すように、培養液4と電解質4aをイオン交換膜6ではなく、イオンや微生物を一切透過させることのない不透過部材40で隔て、あるいは培養槽7と対電極槽8を別の容器で形成し、塩橋41(寒天等にKCl等の飽和電解質溶液を入れたもの)を介して培養液4と電解質4aを接触(液絡)させるようにしてもよい。この場合にも、塩橋41によってイオン電流の流れが許容され、上述の実施形態と同様の効果が得られる。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, as shown in FIG. 12, the culture solution 4 and the electrolyte 4a are separated not by the ion exchange membrane 6 but by the impervious member 40 that does not allow any ions or microorganisms to pass through, or the culture vessel 7 and the counter electrode vessel 8 are separated. It may be formed in a separate container, and the culture solution 4 and the electrolyte 4a may be brought into contact (liquid junction) via the salt bridge 41 (agar or the like containing a saturated electrolyte solution such as KCl). Also in this case, the flow of ion current is allowed by the salt bridge 41, and the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
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。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
尚、以降の説明における電位の値は、全て、銀・塩化銀電極を基準とする値である。 In the following description, all potential values are based on the silver / silver chloride electrode.
(実施例1)
タンパク質分解菌とメタン生成菌の共培養環境下におけるタンパク質分解処理能について各種検討を行った。
(Example 1)
Various studies were made on the proteolytic processing ability of the proteolytic bacteria and methanogenic bacteria in the co-culture environment.
1.実験方法
(1)タンパク質分解菌
独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターに平成22年2月9日付けで受託番号FERM P−21909で受託された菌株であるCT−1株をタンパク質分解菌として用いた。CT−1株は、コプロサーモバクター(Coprothermobacter)属に属する微生物であり、50℃〜80℃、最も好適には55℃でタンパク質分解能を発揮する好熱性のタンパク質分解菌である。CT−1株の16S rRNA遺伝子の塩基配列を配列表の配列番号1に示す。以降の説明では、CT−1株を「Cp」と呼ぶこともある。
1. Experimental Method (1) Proteolytic Bacteria Proteolytically decomposes the CT-1 strain, a strain deposited with the accession number FERM P-21909 on February 9, 2010 at the Patent Organism Depositary, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. Used as a fungus. The CT-1 strain is a microorganism belonging to the genus Coprothermobacter, and is a thermophilic proteolytic bacterium exhibiting protein resolution at 50 ° C. to 80 ° C., most preferably 55 ° C. The base sequence of 16S rRNA gene of CT-1 strain is shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing. In the following description, the CT-1 strain may be referred to as “Cp”.
(2)メタン生成菌
好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Methanothermobacter thermautotrophicus、JCM1004)を用いた。以降の説明では、メタノサーモバクター サームオートトロフィカスを「Mt」と呼ぶこともある。
(2) Methane-producing bacteria Methanothermobacter thermautotrophicus (JCM1004), a thermophilic hydrogen-assimilating methane-producing bacterium, was used. In the following description, the Methanothermobacter sum autotrophic may be referred to as “Mt”.
(3)電気培養装置
図5に示す電気培養装置1により実験を行った。培養容器5は250mL容のガラスバイアル瓶(Duran製)とし、培養容器5の下部に直径2.0cmの円形の開口部5aを設けた。開口部5aはイオン交換膜6(プロトン交換膜、N117、デュポン社製)を介して対電極10(ポーラス板状の炭素電極)で塞いだ。より詳細には、ポーラス板状の炭素電極の片側表面の下半分に20%ナフィオン分散液(DE2021、デュポン社製)を塗布し、ナフィオン分散液塗布部分にイオン交換膜6を貼り付け、培養容器5の開口部5a全体がイオン交換膜6で塞がれるように開口部5aにイオン交換膜6を接着して固定した。
(3) Electroculture apparatus The experiment was performed using the electroculture apparatus 1 shown in FIG. The culture vessel 5 was a 250 mL glass vial (manufactured by Duran), and a circular opening 5 a having a diameter of 2.0 cm was provided at the bottom of the culture vessel 5. The opening 5a was closed with a counter electrode 10 (porous plate-like carbon electrode) through an ion exchange membrane 6 (proton exchange membrane, N117, manufactured by DuPont). More specifically, a 20% Nafion dispersion (DE2021, manufactured by DuPont) is applied to the lower half of one surface of a porous plate-like carbon electrode, an ion exchange membrane 6 is attached to the Nafion dispersion application part, and a culture vessel The ion exchange membrane 6 was adhered and fixed to the opening 5a so that the entire opening 5a of the 5 was covered with the ion exchange membrane 6.
培養容器5には培養液4を8分目程度まで収容し、液面上部にヘッドスペースを確保した。培養容器5には蓋18をし、蓋18の上面18aに弾性材料であるブチルゴム栓を備え、配線や電極を通した際の密閉性を確保した。 The culture vessel 4 was accommodated in the culture vessel 5 until about the eighth minute, and a head space was secured above the liquid surface. The culture vessel 5 was covered with a lid 18 and provided with a butyl rubber stopper as an elastic material on the upper surface 18a of the lid 18 to ensure hermeticity when wiring and electrodes were passed.
作用電極9(板状炭素電極(7.5cm×2.5cm×0.2cm))は、培養容器5に収容して培養液4に浸し、作用電極9からの配線をブチルゴム栓を通して培養容器5の外側に引き出した。さらに、参照電極11(銀・塩化銀電極(RE-1B, BAS株式会社))を培養容器5の外側からブチルゴム栓に差し込んで、培養液4と接触させた。そして、作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット)に結線し、作用電極9の電位を厳密に制御可能とした。 The working electrode 9 (plate-like carbon electrode (7.5 cm × 2.5 cm × 0.2 cm)) is housed in the culture vessel 5 and immersed in the culture solution 4, and the wiring from the working electrode 9 is passed through the butyl rubber plug to the culture vessel 5. Pulled out outside. Furthermore, the reference electrode 11 (silver / silver chloride electrode (RE-1B, BAS Co., Ltd.)) was inserted into the butyl rubber stopper from the outside of the culture vessel 5 and brought into contact with the culture solution 4. Then, the working electrode 9, the counter electrode 10 and the reference electrode 11 were connected to a three-electrode type constant potential setting device (potentiostat) so that the potential of the working electrode 9 could be strictly controlled.
培養期間中に発生したガスは、管22をブチルゴム栓に通し、その一端をヘッドスペースに配置し、他端に接続したアルミニウム製サンプリングバッグ(ジーエルサイエンス製、商品名:アルミニウムバッグ、1L)に回収した。 Gas generated during the culture period is collected in an aluminum sampling bag (manufactured by GL Sciences, trade name: aluminum bag, 1 L) with a tube 22 passed through a butyl rubber stopper, one end of which is placed in the head space, and the other end did.
(4)培養液
培養液は、以下の組成を有する基本培地中に、カゼイン(シグマ社製)3.0g/Lと酵母エキス(和光純薬工業株式会社製)1.0g/Lを添加したものを用いた。以降の説明では、この液体培地をカゼイン培地と呼ぶ。カゼイン培地には、還元剤としてシステイン−HCl・H2Oを0.5g/LとNa2S・9H2Oを0.5g/L添加した。また、微量元素溶液には、DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen)製のミディアム131微量元素溶液を用い、ビタミン溶液にはDSMZ製のミディアム141ビタミン溶液を用いた。
[基本培地の組成(蒸留水1L中の組成)]
・KH2PO4:0.1g
・K2HPO4:0.2g
・NH4Cl:1.0g
・NaHCO3:2.0g
・MgCl2・6H2O:0.1g
・CaCl2・2H2O:0.1g
・NaCl:0.6g
・レザズリン:0.1mg
・微量元素溶液:10mL
・ビタミン溶液:1mL
(4) Culture solution The culture solution was added with 3.0 g / L of casein (manufactured by Sigma) and 1.0 g / L of yeast extract (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a basic medium having the following composition. A thing was used. In the following description, this liquid medium is referred to as casein medium. In the casein medium, 0.5 g / L of cysteine-HCl · H 2 O and 0.5 g / L of Na 2 S · 9H 2 O were added as reducing agents. Moreover, the medium 131 trace element solution made from DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen) was used for the trace element solution, and the medium 141 vitamin solution made from DSMZ was used for the vitamin solution.
[Composition of basic medium (composition in 1 L of distilled water)]
・ KH 2 PO 4 : 0.1 g
・ K 2 HPO 4 : 0.2 g
・ NH 4 Cl: 1.0 g
・ NaHCO 3 : 2.0 g
MgCl 2 · 6H 2 O: 0.1 g
・ CaCl 2 · 2H 2 O: 0.1 g
・ NaCl: 0.6g
・ Resazurin: 0.1mg
Trace element solution: 10 mL
・ Vitamin solution: 1mL
(5)培養試験条件
以下の10条件にて培養試験を実施した。
<共培養条件>
(a)Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加
(b)Cp+Mt、電位制御無し、酸化還元物質添加
(c)Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質非添加
(d)Cp+Mt、電位制御無し、酸化還元物質非添加
<単培養条件>
(e)Cp、−0.8V、酸化還元物質添加
(f)Cp、電位制御無し、酸化還元物質添加
(g)Cp、−0.8V、酸化還元物質非添加
(h)Cp、電位制御無し、酸化還元物質非添加
<対照条件>
(i)微生物非添加、−0.8V、酸化還元物質添加
(j)微生物非添加、電位制御無し、酸化還元物質非添加
(5) Culture test conditions The culture test was carried out under the following 10 conditions.
<Co-culture conditions>
(A) Cp + Mt, −0.8 V, oxidation-reduction substance added (b) Cp + Mt, no potential control, oxidation-reduction substance addition (c) Cp + Mt, −0.8 V, no oxidation-reduction substance added (d) Cp + Mt, no potential control No addition of redox substances <Single culture conditions>
(E) Cp, -0.8 V, oxidation-reduction substance added (f) Cp, no potential control, oxidation-reduction substance addition (g) Cp, -0.8 V, no oxidation-reduction substance added (h) Cp, no potential control No addition of redox substances <control conditions>
(I) No microorganism added, -0.8 V, redox substance added (j) No microorganism added, no potential control, no redox substance added
酸化還元物質には、AQDS(アントラキノン−2,6−ジスルホン酸)を用い、培養液4のAQDS濃度が0.2mMとなるように添加した。 As the redox material, AQDS (anthraquinone-2,6-disulfonic acid) was used and added so that the AQDS concentration of the culture solution 4 was 0.2 mM.
培養液温度は55℃とし、ヘッドスペースはN2−CO2(80:20)で置換した。また、培養容器5内には攪拌子15を入れて200rpmで培養液4を攪拌した。 The culture temperature was 55 ° C., and the head space was replaced with N 2 —CO 2 (80:20). Further, the stirrer 15 was placed in the culture vessel 5 and the culture solution 4 was stirred at 200 rpm.
植菌量は以下の通りとした。
<共培養条件>
・Cp:7.2×105cells/mL
・Mt:2.4×105cells/mL
・Cp:Mt=3:1
<単培養条件>
・Cp:7.2×105cells/mL
The amount of inoculation was as follows.
<Co-culture conditions>
・ Cp: 7.2 × 10 5 cells / mL
Mt: 2.4 × 10 5 cells / mL
・ Cp: Mt = 3: 1
<Single culture conditions>
・ Cp: 7.2 × 10 5 cells / mL
(6)測定項目
培養開始から1日目、3日目、5日目、7日目に培養液4を採取し、菌体密度、アンモニウムイオン濃度及び有機酸濃度を測定した。
(6) Measurement item The culture solution 4 was extract | collected on the 1st day, the 3rd day, the 5th day, and the 7th day from the culture | cultivation start, and the microbial cell density, the ammonium ion density | concentration, and the organic acid density | concentration were measured.
菌体密度は以下のようにして測定した。まず、採取した培養液4の全菌数を顕微鏡観察によりカウントした。そして、Mtの菌数を蛍光顕微鏡を用いてコエンザイムF420からの自己蛍光とDAPI(4',6-diamino-2-phenylindole)の蛍光の比から決定した。Cpの菌数は、全菌数からMtの菌数を引いて求めた。これらの値を採取培養液4の体積当たりの菌数に換算して菌体密度を計算した。 The cell density was measured as follows. First, the total number of bacteria in the collected culture solution 4 was counted by microscopic observation. The number of Mt bacteria was determined from the ratio of autofluorescence from coenzyme F420 to fluorescence of DAPI (4 ′, 6-diamino-2-phenylindole) using a fluorescence microscope. The number of Cp bacteria was determined by subtracting the number of Mt bacteria from the total number of bacteria. These values were converted into the number of bacteria per volume of the collected culture solution 4 to calculate the cell density.
アンモニウムイオン濃度は、培養液4を0.2μmの孔径のメンブレンにより濾過した後、CS16カチオンカラムを備えるイオン交換クロマトグラフィー(ICS−1500、Dionex製)により測定した。 The ammonium ion concentration was measured by ion exchange chromatography (ICS-1500, manufactured by Dionex) equipped with a CS16 cation column after filtering the culture solution 4 through a membrane having a pore size of 0.2 μm.
有機酸濃度は、培養液4を0.2μmの孔径のメンブレンにより濾過した後、高圧液体クロマトグラフィー(GLサイエンス製、GL-7400)により測定した。 The organic acid concentration was measured by high-pressure liquid chromatography (GL Science, GL-7400) after filtering the culture solution 4 through a membrane having a pore size of 0.2 μm.
また、培養終了後(7日目)に不溶炭素(insoluble carbon)濃度、溶解炭素(soluble carbon)濃度、発生ガス組成を測定した。 In addition, the insoluble carbon concentration, the soluble carbon concentration, and the evolved gas composition were measured after completion of the culture (7th day).
不溶炭素(insoluble carbon)濃度は以下のようにして測定した。まず、培養液4のSS(浮遊固形分)濃度の分析をJIS K 0102-14.1により行った。そして、培養試験開始時の培養液4のSS濃度とSSを構成する有機物(カゼイン)からSS中の炭素量を求め、これを指標として、SS濃度の分析値から不溶炭素(insoluble carbon)濃度を求めた。 The insoluble carbon concentration was measured as follows. First, the SS (floating solid content) concentration of the culture solution 4 was analyzed according to JIS K 0102-14.1. Then, the amount of carbon in the SS is obtained from the SS concentration of the culture solution 4 at the start of the culture test and the organic matter (casein) constituting the SS. Using this as an index, the insoluble carbon concentration is determined from the analysis value of the SS concentration. Asked.
溶解炭素(soluble carbon)濃度は、培養液4を遠心分離(15,000 rpm, 1 min)し、その上清の全炭素濃度をTOCアナライザー(東レ製、TNC−6000)により測定した。 The soluble carbon concentration was measured by centrifuging the culture solution 4 (15,000 rpm, 1 min) and measuring the total carbon concentration of the supernatant with a TOC analyzer (manufactured by Toray, TNC-6000).
発生ガス組成は、アルミニウム製サンプリングバッグに回収されたガスをガスクロマトグラフィー(GLサイエンス製、GC390B)により分析して求めた。発生したガス量は、水上置換により測定した。 The generated gas composition was obtained by analyzing the gas collected in the aluminum sampling bag by gas chromatography (manufactured by GL Science, GC390B). The amount of gas generated was measured by water displacement.
2.実験結果
(1)菌体密度
Cpの菌体密度の経時変化を図1に示す。また、Mtの菌体密度の経時変化を図2に示す。
2. Experimental result (1) Cell density The time-dependent change of the cell density of Cp is shown in FIG. Moreover, the time-dependent change of the microbial cell density of Mt is shown in FIG.
図1に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方がCpの菌体密度が高まりやすいことが明らかとなった。また、共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でCpの菌体密度が最も高まりやすいことが明らかとなり、7日目の菌体密度で比較すると、(d)の条件(Cp+Mt、電位制御無し、酸化還元物質非添加)よりも菌体密度が1.4倍高まった。 From the results shown in FIG. 1, it is clear that the cell density of Cp is more likely to increase in the co-culture condition groups (a) to (d) than in the single culture condition groups (e) to (h). . In addition, among the co-culture condition groups, it became clear that the cell density of Cp was most likely to increase under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, oxidation-reduction substance added), and the cell density on day 7 In comparison, the cell density was increased 1.4 times as compared with the condition (d) (Cp + Mt, no potential control, no addition of redox substance).
図2に示される結果から、(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でMtの菌体密度が最も高まりやすいことが明らかとなり、7日目の菌体密度で比較すると、(d)の条件(Cp+Mt、電位制御無し、酸化還元物質非添加)よりも菌体密度が3.6倍高まった。 From the results shown in FIG. 2, it is clear that the cell density of Mt is most likely to increase under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, oxidation-reduction substance added). Then, the cell density increased 3.6 times as compared with the condition of (d) (Cp + Mt, no potential control, no oxidation-reduction substance added).
以上の結果から、(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)において、CpとMtの双方の菌体密度が最も高まりやすくなることが明らかとなった。 From the above results, it has been clarified that the cell density of both Cp and Mt is most likely to increase under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance).
(2)アンモニウムイオン濃度
アンモニウムイオン濃度の経時変化を図3に示す。
(2) Ammonium ion concentration The time-dependent change of the ammonium ion concentration is shown in FIG.
図3に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方がアンモニウムイオン濃度が高まりやすいことが明らかとなった。また、共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でアンモニウムイオン濃度が最も高まりやすいことが明らかとなった。 From the results shown in FIG. 3, it has been clarified that the co-culture condition groups (a) to (d) are more likely to have higher ammonium ion concentrations than the single culture condition groups (e) to (h). In addition, among the co-culture condition groups, it was revealed that the ammonium ion concentration is most likely to increase under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, oxidation-reduction substance added).
ここで、アンモニウムイオンは、タンパク質(カゼイン)の分解に起因して培養液4中に生じるものであることから、アンモニウムイオン濃度が高い程、タンパク質分解が促進されていることになる。したがって、図3に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方がタンパク質分解を促進させやすいこと、さらには共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でタンパク質分解を最も促進させやすいことが明らかとなった。 Here, since ammonium ions are generated in the culture solution 4 due to the degradation of protein (casein), the higher the ammonium ion concentration, the more proteolysis is promoted. Therefore, from the results shown in FIG. 3, the co-culture condition groups (a) to (d) are more likely to promote proteolysis than the single culture condition groups (e) to (h). Among the condition groups, it was revealed that proteolysis is most easily promoted particularly under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance).
(3)有機酸濃度
有機酸濃度の経時変化を図4に示す。
(3) Organic Acid Concentration The change with time of the organic acid concentration is shown in FIG.
図4に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方が有機酸濃度が高まりやすいことが明らかとなった。また、共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)で有機酸濃度が最も高まりやすいことが明らかとなった。 From the results shown in FIG. 4, it was revealed that the co-culture condition groups (a) to (d) are more likely to have higher organic acid concentrations than the single culture condition groups (e) to (h). Moreover, it became clear that the organic acid concentration is most likely to be increased under the condition (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance) among the co-culture condition groups.
ここで、有機酸もまた、アンモニウムイオンと同様、タンパク質(カゼイン)の分解に起因して培養液4中に生じるものであることから、有機酸濃度が高い程、タンパク質分解が促進されていることになる。したがって、図4に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方がタンパク質分解を促進させやすいこと、さらには共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でタンパク質分解を最も促進させやすいことが明らかとなった。この傾向は、図3に示されるタンパク質分解促進傾向と一致していた。 Here, since the organic acid is also generated in the culture solution 4 due to the decomposition of the protein (casein) like the ammonium ion, the higher the concentration of the organic acid, the more the proteolysis is promoted. become. Therefore, from the results shown in FIG. 4, the co-culture condition groups (a) to (d) are more likely to promote proteolysis than the single culture condition groups (e) to (h). Among the condition groups, it was revealed that proteolysis is most easily promoted particularly under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance). This tendency was consistent with the proteolysis promoting tendency shown in FIG.
(4)不溶炭素(insoluble carbon)濃度、溶解炭素(soluble carbon)濃度、発生ガス組成
不溶炭素(insoluble carbon)濃度、溶解炭素(soluble carbon)濃度、発生ガス組成を表1に示す。尚、表1において、CH4とCO2の単位「mg−C/L」は、リアクター(培養容器)1L当たりの炭素換算重量を意味している。また、H2の単位「mmol/L」は、リアクター(培養容器)1L当たりのモル数を意味している。
(4) Insoluble carbon concentration, soluble carbon concentration, evolved gas composition Table 1 shows insoluble carbon concentration, soluble carbon concentration, and evolved gas composition. In Table 1, the unit “mg-C / L” of CH 4 and CO 2 means the weight in terms of carbon per 1 L of the reactor (culture vessel). The unit “mmol / L” of H 2 means the number of moles per liter of the reactor (culture vessel).
表1に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方が不溶炭素(insoluble carbon)濃度が低くなることが明らかとなった。また、共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)で不溶炭素(insoluble carbon)濃度が最も低くなることが明らかとなった。 From the results shown in Table 1, it is clear that the co-culture condition groups (a) to (d) have a lower insoluble carbon concentration than the single culture condition groups (e) to (h). became. Moreover, it became clear that the insoluble carbon concentration was the lowest among the co-culture condition groups, particularly under the condition (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance).
また、表1に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方が溶解炭素(soluble carbon)濃度が高くなることが明らかとなった。また、共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)で溶解炭素(soluble carbon)濃度が最も高くなることが明らかとなった。 In addition, from the results shown in Table 1, the soluble carbon concentration is higher in the co-culture condition groups (a) to (d) than in the single culture condition groups (e) to (h). It became clear. Moreover, it became clear that the soluble carbon concentration was highest among the co-culture condition groups, particularly under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance).
ここで、不溶炭素(insoluble carbon)濃度はタンパク質の分解によって低下するものであり、溶解炭素(soluble carbon)濃度はタンパク質の分解によって高まるものであることから、不溶炭素(insoluble carbon)濃度が低い程、また溶解炭素(soluble carbon)濃度が高い程、タンパク質分解が促進されていることになる。したがって、表1に示される結果から、図4に示される結果から、単培養条件群(e)〜(h)よりも、共培養条件群(a)〜(d)の方がタンパク質分解を促進させやすいこと、さらには共培養条件群の中でも、特に(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でタンパク質分解を最も促進させやすいことが明らかとなった。この傾向は、図3及び図4に示されるタンパク質分解促進傾向と一致していた。 Here, since the insoluble carbon concentration is reduced by protein decomposition, and the soluble carbon concentration is increased by protein decomposition, the lower the insoluble carbon concentration is, the lower the insoluble carbon concentration is. Also, the higher the soluble carbon concentration, the more proteolysis is promoted. Therefore, from the results shown in Table 1, from the results shown in FIG. 4, the co-culture condition groups (a) to (d) promote the proteolysis more than the single culture condition groups (e) to (h). It was revealed that proteolysis is most easily promoted under the condition (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance), among the co-culture condition groups. This tendency was consistent with the proteolysis-promoting tendency shown in FIGS.
そして、表1に示される結果から、共培養条件群(a)〜(d)において、(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)でメタンガス発生量が最も多くなることが明らかとなった。 From the results shown in Table 1, in the co-culture condition groups (a) to (d), the amount of methane gas generated is the largest under the conditions (a) (Cp + Mt, −0.8 V, addition of redox substance). Became clear.
また、単培養条件群(e)〜(h)と比較すると、共培養条件群(a)〜(d)において、CO2発生量とH2発生量が減少していたことから、共培養条件群では、メタン生成の原料としてH2とCO2がMtに消費されていることが確認できた。 In addition, compared to the single culture condition groups (e) to (h), the CO 2 generation amount and the H 2 generation amount were decreased in the coculture condition groups (a) to (d). In the group, it was confirmed that H 2 and CO 2 were consumed by Mt as raw materials for methanogenesis.
(5)まとめ
以上、単培養条件群(e)〜(h)と共培養条件群(a)〜(d)の菌体密度の経時変化の結果から、Mtの増殖促進に由来してCpの増殖を促進することができ、共培養条件群の方がタンパク質分解を促進できることが明らかとなった。そして、この効果は、共培養条件の(a)の条件(Cp+Mt、−0.8V、酸化還元物質添加)で極めて顕著なものであった。また、(a)の条件においては、メタンガス産生能も顕著に向上した。
(5) Summary As described above, from the results of changes in cell density over time in the single culture condition groups (e) to (h) and the coculture condition groups (a) to (d), It was revealed that the growth can be promoted, and the co-culture condition group can promote the proteolysis. This effect was very remarkable under the condition (a) of the co-culture conditions (Cp + Mt, −0.8 V, oxidation-reduction substance added). Moreover, under the condition (a), the methane gas production ability was also significantly improved.
尚、水素資化性メタン菌からのメタン生成は以下の反応式によることが報告されている(Cheng S, Xing D, Call DF, and Logan BE (2009) Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis. Environ Sci Technol 43: 3953-3958.)。
CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O
この反応式から、1モルのメタンを生成するために8個の電子(771882C、ファラデー定数の8倍)が必要となることがわかる。本実施例の条件(a)では、7日間で77.4 C(1.28×10-4 A (平均値)× 604,800 sec)が使用されていた。仮に、培養7日間に流れた平均電流エネルギーの全てがメタン生成に使用されたとすると、上記反応式により生成され得るメタンガス量は4.81 mg−C/Lとなる。これに対し、本実施例の条件(a)では、この値をはるかに超える113.5mg−C/Lのメタンガスが生成されていた。このことから、通電による微生物の共生の効果により、投入したエネルギー以上のメタンガス回収が可能となることが明らかとなった。
It is reported that methane production from hydrogen-utilizing methane bacteria is based on the following reaction formula (Cheng S, Xing D, Call DF, and Logan BE (2009) Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis. Environ Sci Technol 43: 3953-3958.).
CO 2 + 8H + + 8e - → CH 4 + 2H 2 O
From this reaction formula, it can be seen that 8 electrons (771882C, 8 times the Faraday constant) are required to produce 1 mole of methane. In the condition (a) of this example, 77.4 C (1.28 × 10 −4 A (average value) × 604,800 sec) was used for 7 days. If all of the average current energy that flowed for 7 days in culture is used for methane production, the amount of methane gas that can be produced by the above reaction formula is 4.81 mg-C / L. On the other hand, 113.5 mg-C / L methane gas far exceeding this value was generated under the condition (a) of this example. From this, it was clarified that methane gas more than the input energy can be recovered by the effect of symbiosis of microorganisms by energization.
ここで、本培養試験において、電位を印加した際には、作用電極9に還元電流が流れることが確認された。したがって、CpとMtの共培養環境に電極を接触させると共に、培養液4の電位制御性を高めるための酸化還元物質を添加し、電極の電位を還元電位に制御することで、上記と同様の効果が奏されるものと考えられた。 Here, in the main culture test, it was confirmed that a reduction current flows to the working electrode 9 when a potential is applied. Therefore, the electrode is brought into contact with the co-culture environment of Cp and Mt, and an oxidation-reduction substance for increasing the potential controllability of the culture solution 4 is added, and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential. The effect was thought to be achieved.
また、本実施例において、CpとMtの共培養環境にて上記効果が奏されることが確認されたことから、CpとMtを含む環境においても同様の効果が奏されるものと考えられた。 In addition, in the present example, it was confirmed that the above effect was exhibited in a co-culture environment of Cp and Mt. Therefore, it was considered that the same effect was also exhibited in an environment containing Cp and Mt. .
さらに、本実施例では、好熱性タンパク質分解菌であるCT−1株(Cp)と好熱性水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター サームオートトロフィカス(Mt)を用いて培養試験を行った。したがって、これらの微生物の共培養環境では、Cpによりタンパク質からタンパク質からペプチド及びアミノ酸を経て有機酸(低級脂肪酸:VFA)、NH3、CO2及びH2が生成され、このCO2及びH2を原料として好熱性水素資化性メタン生成菌によりメタンガスが産生されていることになる。タンパク質分解からメタン生成に至るこの反応機構(図6参照)は、好熱性タンパク質分解菌と好熱性水素資化性メタン菌を用いた場合に特有のものではなく、タンパク質分解菌全般並びにメタン生成菌全般(水素資化性メタン菌及び酢酸資化性メタン菌等)を用いた場合にも同様に起こり得るものである。したがって、タンパク質分解菌とメタン生成菌の共培養環境に電極を接触させると共に、培養液4の電位制御性を高めるための酸化還元物質を添加し、電極の電位を還元電位に制御することで、上記と同様の効果が奏されるものと考えられた。さらには、タンパク質分解菌とメタン生成菌を含む環境に電極を接触させると共に、この環境の電位制御性を高めるための酸化還元物質を添加し、電極の電位を還元電位に制御することで、上記と同様の効果が奏されるものと考えられた。 Furthermore, in this example, a culture test was conducted using the CT-1 strain (Cp), which is a thermophilic proteolytic bacterium, and the methanothermobacter sam autotrophicus (Mt), which is a thermophilic hydrogen-assimilating methanogen. It was. Thus, the co-culture environment of these microorganisms, organic acids via peptides and amino acids from the protein from the protein by Cp (lower fatty: VFA), NH 3, CO 2 and H 2 are generated, the CO 2 and H 2 Methane gas is produced by the thermophilic hydrogen-assimilating methanogen as a raw material. This reaction mechanism from proteolysis to methane production (see Fig. 6) is not unique when thermophilic proteolytic bacteria and thermophilic hydrogen-utilizing methane bacteria are used. This can occur in the same way when using general (hydrogen-utilizing methane bacteria, acetic acid-assimilating methane bacteria, etc.). Therefore, by bringing the electrode into contact with the co-culture environment of proteolytic bacteria and methanogenic bacteria, adding a redox substance for enhancing the potential controllability of the culture solution 4, and controlling the potential of the electrode to the reduction potential, It was considered that the same effect as described above was exhibited. Furthermore, the electrode is brought into contact with an environment containing proteolytic bacteria and methanogens, and a redox substance for increasing the potential controllability of this environment is added, and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential. It was thought that the same effect was exhibited.
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