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JP6706612B2 - 微生物の培養方法及び培養装置 - Google Patents

微生物の培養方法及び培養装置 Download PDF

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Description

本発明は、微生物を培養する方法及び装置に関し、特に、合成ガス等の基質ガスからエタノール等の有価物を発酵生成するガス資化性微生物を培養する培養方法及び培養装置に関する。
ある種の嫌気性微生物は、発酵作用によって基質ガスからエタノール等の有価物を生成することが知られている（下記特許文献等参照）。この種のガス資化性微生物は、液状の培地で培養される。一般に、培養槽としては、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、ループ型、充填型、オープンポンド型、フォトバイオ型等が挙げられる。基質ガスとしては、例えばＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２等を含む合成ガスが用いられる。合成ガスは、製鉄所、石炭製造所、廃棄物処理施設等で生成される。この合成ガスを培養槽に供給することで、ガス資化性微生物に発酵を行わせる。
米国特許第８，６５８，４１５ 米国公開公報ＵＳ２０１３／００６５２８２ 特開２０１４−０５０４０６号公報
合成ガス源（基質ガス源）からのガス供給流量は、一定とは限らない。特に、廃棄物処理施設の場合、多種多様な廃棄物が原料となり、分別の不徹底もあり得る。また、廃棄物の量も一定していない。そのため、合成ガスの生産量が不安定である。また、定期ないしは不定期のメンテナンスやトラブル発生等のために、例えば複数の処理棟のうちの一部の稼働を止めざるを得ないこともある。そのような場合には、ガス供給流量が半減する等、大きく変動する。
培養槽への合成ガスの供給量が不足すると、ガス資化性微生物のほぼ全個体が一様に衰弱して死滅してしまう。死滅すると、種菌から培養をし直す必要がある。
その対策としては、予備タンクに合成ガスを備蓄しておき、必要時に供出することが考えられるが、備蓄量には限界があり、合成ガスの供給不足が長期にわたると対応できない。培地を冷やすことでガス資化性微生物の活性を抑えるとの提案もあるが（特許文献１）、一時的な対策にとどまる。
本発明は、上記事情に鑑み、合成ガス等の基質ガスの供給流量が変動しても、ガス資化性微生物を安定的に培養することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明方法は、基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養方法であって、
反応槽における前記発酵が可能な発酵環境域を占める液状の培地中で、前記ガス資化性微生物を培養する培養工程と、
前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給工程と、
前記基質ガスの供給流量に応じて、前記発酵環境域の体積を調節する調節工程と、
を備えたことを特徴とする。
ここで、発酵環境域とは、ガス資化性微生物が、基質ガスから有価物を発酵生成可能な環境（発酵環境）になっている領域を言う。つまりは、ガス資化性微生物の活性を維持可能な領域を言い、培地が存在し、かつ所要量の基質ガスが供給され得る領域を言う。
この方法によれば、例えば、基質ガスの供給流量が減少したときは、発酵環境域の体積を小さくする。基質ガスの供給流量が回復すれば発酵環境域の体積を増大させて元の大きさに戻す。これによって、発酵環境域の単位体積あたりの基質ガスの供給流量を、基質ガスの変動に拘わらずほぼ一定に維持できる。したがって、発酵環境域中のガス資化性微生物の各個体当たりの基質ガス摂取量を安定させることができる。この結果、基質ガスの変動に拘わらず、ガス資化性微生物を安定的に培養することができ、基質ガスの供給状況の悪化によってガス資化性微生物が死滅するのを防止することができる。
前記反応槽が、主槽部と還流部とを有するループリアクターであり、
前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させる循環工程を、更に備え、
前記調節工程では、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積を調節することが好ましい。
これによって、ガス資化性微生物を安定的に培養できる。
前記調節工程では、前記主槽部から前記還流部への連通位置を調節することが好ましい。
これによって、循環域の体積を調節でき、ひいては、発酵環境域の体積を調節できる。
前記調節工程では、前記反応槽内に体積変更体を進退させることが好ましい。
体積変更体が反応槽内に進出した分だけ反応槽の容積を小さくできる。体積変更体を後退させると、それだけ反応槽の容積が大きくなる。これによって、発酵環境域の体積を確実に増減できる。
本発明装置は、基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養装置であって、
前記発酵が可能な発酵環境域を有し、前記発酵環境域を占める液状の培地中で前記ガス資化性微生物を培養する反応槽と、
前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給部と、
前記発酵環境域の体積を変更する体積可変手段と、
を備え、前記基質ガスの供給流量に応じて、前記体積可変手段によって前記体積が調節されることを特徴とする。
この装置によれば、例えば、基質ガスの供給流量が減少したときは、体積可変手段によって発酵環境域の体積を小さくする。基質ガスの供給流量が回復すれば、体積可変手段によって発酵環境域の体積を元の大きさに戻す。これによって、基質ガスの供給流量が変動しても、ガス資化性微生物を安定的に培養することができる。
前記反応槽が、主槽部と還流部とを有して、前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させるループリアクターであり、
前記体積可変手段が、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積を変更することが好ましい。
これによって、ガス資化性微生物を安定的に培養できる。
前記主槽部から前記還流部への連通位置が可変であることが好ましい。
これによって、循環域の体積を調節でき、ひいては、発酵環境域の体積を調節できる。
前記主槽部の中間部と前記還流部の中間部とが、開閉可能な１の接続路又は前記培地の流通方向に互いに離れた複数の接続路にて接続されていることが好ましい。
１の接続路を開通させたり、複数の接続路のうちの１つを選択的に開通させたりすることによって、主槽部から還流部への連通位置を変更できる。これによって、循環域の体積を変更でき、ひいては、発酵環境域の体積を変更することができる。
前記体積可変手段が、前記反応槽内に進退されることで前記発酵環境域の体積を変更可能な体積変更体を含むことが好ましい。
体積変更体が反応槽内に進出した分だけ反応槽の容積を小さくできる。体積変更体を後退させると、それだけ反応槽の容積が大きくなる。これによって、発酵環境域の体積を確実に増減できる。
前記体積可変手段が、前記反応槽内において拡縮可能な袋体と、前記袋体内に流体圧を給排する給排手段とを含むことが好ましい。
袋体内に正の流体圧を導入することによって袋体を膨張（進出）させることができる。袋体が膨張した分だけ、反応槽の容積を小さくでき、ひいては発酵環境域の体積を小さくできる。また、袋体内のガスを排出又は吸引することによって、袋体を収縮（後退）させることができる。袋体が収縮した分だけ、反応槽の容積を大きくでき、ひいては発酵環境域の体積を大きくできる。
前記体積可変手段が、前記反応槽内に進退可能な棒体を含むことが好ましい。
棒体を反応槽内に進出させると、その分だけ反応槽の容積を小さくでき、ひいては発酵環境域の体積を小さくできる。また、棒体を反応槽内から後退させると、その分だけ反応槽の容積を大きくでき、ひいては発酵環境域の体積を大きくできる。
前記体積可変手段が、前記反応槽内を、前記ガス供給部と連通する室と、前記ガス供給部から遮断された室とに仕切り可能、かつ前記遮断を解除可能な仕切りを含むことが好ましい。
基質ガスの供給流量が低下したときは、仕切りによって反応槽内の一部（室）をガス供給部から遮断する。すると、遮断された室には基質ガスが供給されないために、ガス資化性微生物が基質ガスから有価物を発酵生成可能な発酵環境ではなくなる。したがって、発酵環境域の体積を小さくできる。また、基質ガスが、ガス供給部と連通する室に供給されることで、当該室におけるガス資化性微生物の活性を維持できる。基質ガスの供給流量が回復（増大）したときは、仕切りによって前記遮断を解除する。これによって、遮断が解除された室に基質ガスが供給されるようになり、当該室を発酵環境に戻すことで、発酵環境域の体積を大きくできる。
本発明によれば、基質ガスの供給流量が変動しても、ガス資化性微生物を安定的に培養することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る培養装置の概略構成を、通常運転モードで示す解説図である。 図２は、上記培養装置の概略構成を、基質ガス供給不足モードで示す解説図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る培養装置の概略構成を示す解説図である。 図４は、本発明の第３実施形態に係る培養装置の概略構成を示す解説図であり、同図（ａ）は通常運転モードで示し、同図（ｂ）は基質ガス供給不足モードで示す。 図５は、本発明の第４実施形態に係る培養装置の概略構成を示す解説図であり、同図（ａ）は通常運転モードで示し、同図（ｂ）は基質ガス供給不足モードで示す。 図６は、本発明の第５実施形態に係る培養装置の概略構成を示す解説図であり、同図（ａ）は通常運転モードで示し、同図（ｂ）は基質ガス供給不足モードで示す。
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
［第１実施形態］
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る培養装置１を示したものである。図１に示すように、培養装置１によって嫌気性のガス資化性微生物ｂを培養している。ガス資化性微生物ｂとしては、上掲特許文献等に開示されたものを用いることができる。ガス資化性微生物ｂは、基質ガスｇから有価物（目的物質）を発酵生成する。本装置１の目的物質は、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）である。
基質ガスｇとしては、ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２等を含む合成ガス（シンガス）が用いられている。基質ガスｇは、基質ガス生産施設２（合成ガス生産施設）にて生産される。本実施形態における基質ガス生産施設２は、廃棄物処理施設にて構成されている。廃棄物としては、都市ゴミ、タイヤ、バイオマス、木質チップ、プラスチックごみ等が挙げられる。廃棄物処理施設には溶融炉が設けられている。溶融炉において、廃棄物が高濃度の酸素ガスによって燃焼されて低分子レベルまで分解される。最終的に、ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２等を含む基質ガスｇ（合成ガス）が生成される。
なお、基質ガスｇの所要成分は、ガス資化性微生物ｂの種類や、目的物質に応じて適宜選択可能である。基質ガスｇが、ＣＯ及びＨ２のうち、何れか一方だけを含んでいてもよい。
培養装置１は、反応槽ないしは培養槽として、ループリアクター１０を備えている。ループリアクター１０は、主槽部１１と、還流部１２を含む。主槽部１１は、鉛直（上下）に延びる筒状になっている。主槽部１１内に液状培地９が収容されている。液状培地９の大部分は水（Ｈ２Ｏ）であり、これにビタミンやリン酸等の栄養分が溶解されている。液状培地９中でガス資化性微生物ｂが培養されている。
主槽部１１の上端部に培地供給路３ａを介して新規培地供給源３が接続されている。新規培地供給源３には、新規の液状培地９Ａが蓄えられている。新規液状培地９Ａには、ガス資化性微生物ｂが含まれていない。
主槽部１１の内部の下端部に散気管２２（ガス供給部）が配置されている。基質ガス生産施設２からガス供給路２０が延びて散気管２２に接続されている。ガス供給路２０上に流量計２１が設けられている。なお、ガス供給路２０には、さらに、脱硫部、脱酸素部等の前処理部を設けてもよい。
主槽部１１の上端部から排気路５が延びている。
還流部１２は、主槽部１１と並行して鉛直に延びる管状になっている。還流部１２の上端部が、主槽部１１の上端近くの側部に接続されている。還流部１２の下端部は、主槽部１１の底部に接続されている。還流部１２に循環ポンプ１３が設けられている。
通常運転モード（図１）では、主槽部１１の液状培地９の液位は、主槽部１１の上側部に位置している。詳しくは、還流部１２の上端部よりも上に位置している。液状培地９が、主槽部１１における底部から上側部までの部分と還流部１２に行き渡っている。かつ、循環ポンプ１３によって液状培地９が主槽部１１と還流部１２との間を循環される。ループリアクター１０内における、上記液状培地９で占められた領域、ないしは液状培地９が循環する領域（循環域）が、発酵環境域１９となっている。発酵環境域１９の液状培地９には、所要量の基質ガスｇが供給される。発酵環境域１９において、ガス資化性微生物ｂが、基質ガスｇからエタノール等の有価物を発酵生成可能である。
さらに、培養装置１には、発酵環境域１９の体積を変更するための体積可変手段３０が設けられている。体積可変手段３０は、複数の接続路３１〜３３と、送出路４を含む。
複数の接続路３１〜３３は、主槽部１１と還流部１２との間に互いに上下（培地９の流れ方向）に離れて配置されている。各接続路３１〜３３によって、主槽部１１及び還流部１２の延び方向の中間部どうしが接続されている。
詳しくは、上段の接続路３１は、主槽部１１における還流部１２の上端部との接続部の少し下側の部位と、還流部１２とを連結している。接続路３１には、開閉弁３１Ｖが設けられている。開閉弁３１Ｖによって接続路３１が開閉される。
中段の接続路３２は、主槽部１１におけるほぼ中間の高さの部位と、還流部１２とを連結している。接続路３２には、開閉弁３２Ｖが設けられている。開閉弁３２Ｖによって接続路３２が開閉される。
下段の接続路３３は、主槽部１１における接続路３２より下側の部位と、還流部１２とを連結している。接続路３３には、開閉弁３３Ｖが設けられている。開閉弁３３Ｖによって接続路３３が開閉される。
なお、体積可変手段３０の接続路の数は、３つに限られず、１つだけもよく、２つでもよく、４つ以上であってもよい。
還流部１２における循環ポンプ１３と主槽部１１の底部との間の部分から送出路４が分岐されている。送出路４に送出ポンプ４１が設けられている。送出ポンプ４１より下流側の送出路４には、バッファタンク４２が介在されている。図示は省略するが、送出路４の下流端は、蒸留器等の後段処理部へ延びている。送出路４は、液状培地９を蒸留塔等の後段処理部へ送る機能と、体積可変手段３０の構成要素としての機能とを兼備している。
培養装置１によるガス資化性微生物ｂの培養方法、ひいてはエタノール等の有価物の生産方法を説明する。
＜通常運転モード＞
図１に示すように、今、培養装置１は通常運転モードにあるものとする。開閉弁３１Ｖ〜３３Ｖは、すべて閉じている。
＜基質ガス供給工程＞
廃棄物処理施設２は、通常運転しており、規格量の基質ガスｇを生産しているものとする。基質ガスｇは、ガス供給路２０を経て、散気管２２へ送られる。この基質ガスｇが、散気管２２からループリアクター１０中の液状培地９すなわち発酵環境域１９に供給される。基質ガスｇは、主槽部１１の液状培地９内を上昇しながら液状培地９に溶け込む。
＜発酵工程＞
そして、液状培地９内のガス資化性微生物ｂが、基質ガスｇ中のＣＯやＨ２を取り込んで発酵を行なうことによって、エタノール（有価物）を生成する。生成されたエタノールは、液状培地９に混じる。
＜循環工程＞
併行して、循環ポンプ１３を駆動する。これによって、ループリアクター１０の液状培地９が、主槽部１１と還流部１２との間を循環する。詳しくは、液状培地９は、主槽部１１内を上昇する。そして、主槽部１１の上側部から還流部１２に入って還流部１２を下降し、主槽部１１の底部へ戻される。
＜送出工程＞
ループリアクター１０の液状培地９の一部は、送出路４に送出される。
＜精製工程＞
この液状培地９の一部が、固液分離処理等を経て、不図示の蒸留塔で蒸留されることによって、エタノールが精製される。
＜補充工程＞
送出路４への送出分の新規液状培地９Ａが、新規培地供給源３からループリアクター１０に補充される。これによって、ループリアクター１０内の液状培地９の量が一定に維持される。ひいては、発酵環境域１９の体積が一定に維持される。
＜排気工程＞
ループリアクター１０に供給された基質ガスｇのうち、利用されなかったガスや、発酵による副生成ガスは、主槽部１１の上端部の排気路５から排出される。排出ガスは、不純物除去等を経て再利用してもよい。
＜流量検知工程＞
廃棄物処理施設からなる基質ガス生産施設２における基質ガス生産量は、変動が大きい。この基質ガスｇの供給流量を流量計２１によって検知する。
＜発酵環境域１９の体積調節工程＞
検知流量に基づいて、発酵環境域１９の体積を調節する。
詳しくは、基質ガスｇの供給流量が通常運転モードよりも減少したときは、発酵環境域１９の体積を小さくする。これによって、基質ガスｇの供給流量と発酵環境域１９の体積を相関させる。
発酵環境域１９を体積調節は、コントローラ（制御手段）を用いて自動制御によって行ってもよい。或いは、管理者が、手動で発酵環境域１９を体積調節してもよい。
＜基質ガス供給不足モード＞
例えば、基質ガス生産施設２の何らかのトラブルやメンテナンス等によって、基質ガスｇの供給流量が半減したとする。この場合、図２に示すように、ループリアクター１０内の液状培地９の約半分を送出路４へ排出する。これによって、発酵環境域１９の体積が、通常運転モード（図１）の約半分になる。（排出分に相当する新規液状培地９Ａを新規培地供給源３から注ぎ足すことはしない。）
排出した液状培地９は、バッファタンク４２に貯留しておき、随時取り出して蒸留塔等へ送る。
＜循環域変更工程＞
図２に示すように、排出後の液状培地９の液位は、例えば上段接続路３１と中段接続路３２の間に位置する。
これに対応して、中段の開閉弁３２Ｖを開く。上段開閉弁３１Ｖ及び下段開閉弁３３Ｖは、閉じておく。これによって、主槽部１１から還流部１２への連通位置が、還流部１２の上端部の高さから中段接続路３２の高さに変更される。液状培地９は、主槽部１１、中段接続路３２、及び還流部１２の順に循環する。したがって、液状培地９の循環域の体積が半分近くに減少する。
なお、基質ガスｇの供給流量の低下度合によっては、液状培地９の液位を還流部１２の上端部と上段接続路３１との間に位置させてもよい。かつ、上段開閉弁３１Ｖを開くことで、主槽部１１から還流部１２への連通位置を上段接続路３１の高さにしてもよい。これによって、液状培地９を、主槽部１１、上段接続路３１、及び還流部１２の順に循環させてもよい。
或いは、基質ガスｇの供給流量の低下度合によっては、液状培地９の液位を中段接続路３２と下段接続路３３との間に位置させてもよい。かつ、下段開閉弁３３Ｖを開くことで、主槽部１１から還流部１２への連通位置を下段接続路３３の高さにしてもよい。これによって、液状培地９を、主槽部１１、下段接続路３３、及び還流部１２の順に循環させてもよい。
発酵環境域１９の体積調節によって、発酵環境域１９の単位体積あたりの基質ガスｇの供給流量を、基質ガスｇの変動に拘わらずほぼ一定に維持できる。また、発酵環境域１９中のガス資化性微生物ｂの濃度は、体積調節の前後で殆ど変動しない。したがって、発酵環境域１９におけるガス資化性微生物ｂの各個体当たりの基質ガス摂取量を安定させることができる。この結果、基質ガスｇの変動に拘わらず、ガス資化性微生物ｂを安定的に培養することができ、ガス資化性微生物ｂが基質ガス不足によって死滅するのを防止することができる。
基質ガスｇの供給流量が、長期間（例えば２日以上）にわたって通常運転モードの半分〜それ以下であっても、ガス資化性微生物ｂの活性を十分に維持することができる。
＜回復工程＞
基質ガス生産施設２からの基質ガスｇの供給流量が通常運転モードのレベルに回復したときは、新規培地供給源３から新規液状培地９Ａをループリアクター１０に注ぎ足す。これによって、図１に示すように、液状培地９の液位を主槽部１１の上側部まで戻す。また、開閉弁３２Ｖ等をはじめ、全ての開閉弁３１Ｖ〜３３Ｖを閉状態にする。これによって、液状培地９が、主槽部１１と還流部１２の全長域との間を循環し、通常運転モードに戻る。
新規液状培地９Ａの注ぎ足しによって、発酵環境域１９におけるガス資化性微生物ｂの濃度が一時的に低下する。一方、増量した液状培地９中に十分な基質ガスｇが供給されることで、ガス資化性微生物ｂが盛んに増殖する。これによって、ガス資化性微生物ｂの濃度を新規液状培地９Ａの注ぎ足し前の大きさまで短期間で回復できる。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の実施形態と重複する内容に関しては、図面に同一符号を付して説明を適宜省略する。
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る培養装置１Ｂを示したものである。培養装置１Ｂでは、接続路３１〜３３に代えて、還流部１２Ｂの上端部が、主槽部１１に沿って昇降可能になっている。還流部１２Ｂの上端部と主槽部１１の外周部との間には、シール手段３５が設けられている。シール手段３５は、還流部１２Ｂの上端部が昇降するのを許容しながら、還流部１２Ｂと主槽部１１との間を液密にシールしている。還流部１２Ｂは、上端部の昇降に合わせて伸縮変形可能になっている。伸縮可能な還流部１２Ｂとしては、可撓管、テレスコピック式伸縮管、蛇腹式伸縮管等を用いることができる。
培養装置１Ｂによれば、基質ガスｇの供給流量に応じて、主槽部１１における還流部１２Ｂとの上側の連通位置の高さを無段階的に調節できる。したがって、発酵環境域１９の体積を、基質ガスｇの供給流量の変化に対して、より正確に追随させることができる。この結果、発酵環境域１９中の個々のガス資化性微生物ｂあたりの基質ガス摂取量を一層確実に安定させることができ、ガス資化性微生物ｂを確実に安定培養できる。
還流部１２Ｂの上端部の高さ調節は、コントローラを用いて流量計２１の検知流量に基づいて自動制御によって行ってもよく、手動で行ってもよい。
［第３実施形態］
図４は、本発明の第３実施形態に係る培養装置１Ｃを示したものである。培養装置１Ｃの体積可変手段５０は、袋体５１（体積変更体）と、給排手段５２を含む。袋体５１は、気密性の樹脂膜にて構成されている。この袋体５１が、ループリアクター１０内において拡縮可能（進退可能）になっている。主槽部１１の低部近くの側部には、袋収容部５３が設けられている。袋収容部５３の内部が、連通部５３ａを通して主槽部１１の内部と連通している。
給排手段５２は、コンプレッサー５４と真空ポンプ５５を含む。開閉弁５４Ｖ，５５Ｖの操作によって、コンプレッサー５４及び真空ポンプ５５の一方が選択的に袋体５１に連通可能になっている。
＜通常運転モード＞
図４（ａ）に示すように、通常運転モードでは、袋体５１のほぼ全体が、収縮状態で袋収容部５３内に収容され、連通部５３ａを通して主槽部１１内に臨んでいる。
＜基質ガス供給不足モード＞
図４（ｂ）に示すように、基質ガスｇの供給流量が低下したときは、コンプレッサー５４からエア圧（流体圧）を袋体５１内に導入する。これによって、袋体５１が、膨張しながら主槽部１１内に進出する。好ましくは、基質ガスｇの供給流量の低下度合が大きいほど、袋体５１の膨張度合を大きくする。袋体５１の膨張分だけ、ループリアクター１０内から液状培地９を送出路４へ排出してバッファタンク４２に送る。これによって、発酵環境域１９の体積が減る。主槽部１１内の液状培地９の液位は、ほぼ一定に保たれる。この結果、基質ガスｇの供給流量の変動に拘わらず、発酵環境域１９中の個々のガス資化性微生物ｂあたりの基質ガス摂取量を安定させることができ、ガス資化性微生物ｂを安定的に培養できる。
図４（ａ）に示すように、基質ガスｇの供給流量が回復したときは、真空ポンプ５５を駆動して、袋体５１内のエアを吸引排気する。これによって、袋体５１が、収縮して袋収容部５３に収まることで主槽部１１内から退避される。また、袋体５１の収縮分だけ、新規培地供給源３から新規液状培地９Ａをループリアクター１０に注ぎ足す。これによって、発酵環境域１９の体積を増加させて通常運転モードのレベルまで戻すことができる。増量した液状培地９内でガス資化性微生物ｂが盛んに増殖することによって、ガス資化性微生物ｂの濃度を新規液状培地９Ａの注ぎ足し前の大きさまで短期間で回復できる。
コンプレッサー５４及び真空ポンプ５５による袋体５１の拡縮操作は、コントローラを用いて流量計２１の検知流量に基づいて自動制御によって行ってもよく、手動で行ってもよい。
［第４実施形態］
図５は、本発明の第４実施形態に係る培養装置１Ｄを示したものである。図５（ａ）に示すように、培養装置１Ｄの体積可変手段６０は、棒体６１（体積変更体）と、昇降駆動手段６２を含む。棒体６１は、鉛直に直線状に延びている。この棒体６１が、主槽部１１の軸線に沿って昇降されることで、主槽部１１内に進退可能になっている。棒体６１に昇降駆動手段６２が接続されている。詳細な図示は省略するが、昇降駆動手段６２は、モータや、スライドガイド等を含む。昇降駆動手段６２によって、棒体６１を任意の昇降高さに調節できる。
＜通常運転モード＞
図５（ａ）に示すように、通常運転モードでの棒体６１は、上昇位置にある。このとき、棒体６１の下端部は、還流部１２の上端部よりも高所に位置し、ループリアクター１０内の液状培地９の液面よりも上方に位置している。
＜基質ガス供給不足モード＞
図５（ｂ）に示すように、基質ガスｇの供給流量が低下したときは（基質ガス供給不足モード）、昇降駆動手段６２によって棒体６１を下降させる。これによって、棒体６１が、主槽部１１内に進出して液状培地９内に入り込む。好ましくは、基質ガスｇの供給流量の低下度合が大きいほど、棒体６１を主槽部１１内に深く入り込ませる。棒体６１が入り込んだ分だけ、液状培地９を送出路４へ排出してバッファタンク４２に送る。これによって、発酵環境域１９の体積が減る。主槽部１１内の液状培地９の液位は、ほぼ一定に保たれる。この結果、基質ガスｇの供給流量の変動に拘わらず、発酵環境域１９中の個々のガス資化性微生物ｂあたりの基質ガス摂取量を安定させることができ、ガス資化性微生物ｂを安定的に培養できる。
図５（ａ）に示すように、基質ガスｇの供給流量が回復したときは、昇降駆動手段６２によって棒体６１を上昇させる。これによって、棒体６１が、主槽部１１内の液状培地９から上方へ退避される。棒体６１が退避した分だけ、新規培地供給源３から新規液状培地９Ａをループリアクター１０に注ぎ足す。これによって、発酵環境域１９の体積を増加させて通常運転レベルまで戻すことができる。増量した液状培地９内でガス資化性微生物ｂが盛んに増殖することによって、ガス資化性微生物ｂの濃度を新規液状培地９Ａの注ぎ足し前の大きさまで短期間で回復できる。
昇降駆動手段６２による棒体６１の昇降操作は、コントローラを用いて流量計２１の検知流量に基づいて自動制御によって行ってもよく、手動で行ってもよい。
棒体６１の高さを手動で調節した後、ネジ等の固定手段によって棒体６１を主槽部１１に固定してもよい。
［第５実施形態］
図６は、本発明の第５実施形態に係る培養装置１Ｅを示したものである。培養装置１Ｅの体積可変手段７０は、複数の固定仕切り７１と、２つの可動仕切り７２，７３（体積変更体）を含む。これら仕切り７１〜７３によって、ループリアクター１０内が、散気管２２（ガス供給部）と連通する室１１ｃ，１１ｄ等と、散気管２２（ガス供給部）から遮断された室１１ａ，１１ｂ等とに仕切り可能、かつ前記遮断を解除可能になっている。
詳しくは、図６（ａ）に示すように、固定仕切り７１は、主槽部１１の内部に鉛直に配置されている。各固定仕切り７１の上端部は、還流部１２の上端部の少し下方に配置されている。各固定仕切り７１の下端部は、散気管２２の少し上方に配置されている。複数の固定仕切り７１によって、主槽部１１内が複数の室１１ａ〜１１ｄに仕切られている。各室１１ａ〜１１ｄは、上下に延びている。主槽部１１内の液状培地９の液位は、常時、固定仕切り７１の上端部ひいては室１１ａ〜１１ｄの上端部よりも上方に位置している。
なお、固定仕切り７１，７１…は、平行板になっていてもよく、平面視で格子状になっていてもよく、平面視で放射状になっていてもよく。平面視で同心円状になっていてもよく、これら幾つかの形状が組み合わされた形状になっていてもよい。
２つの可動仕切り７２，７３は、上下に離れて主槽部１１の側部に配置されている。これら可動仕切り７２，７３は、水平な板状になっている。各可動仕切り７２，７３が、主槽部１１内に進退可能になっている。図６（ｂ）に示すように、上側可動仕切り７２が主槽部１１内に進入すると、その進入度に応じて１又は複数の室１１ａ〜１１ｃの上端開口を塞ぐ。下側可動仕切り７３が主槽部１１内に進入すると、その進入度に応じて１又は複数の室１１ａ〜１１ｃの下端開口を塞ぐ。好ましくは、可動仕切り７２，７３は、互いに同期して進退（スライド）される。
なお、上下の可動仕切り７２，７３のうち、少なくとも下側可動仕切り７３が設置されていればよく、上側可動仕切り７２は省略してもよい。
＜通常運転モード＞
図６（ａ）に示すように、通常運転モードでは、可動仕切り７２，７３を主槽部１１の外側に退避させておく。これによって、主槽部１１のすべての室１１ａ〜１１ｄの上下両端が開放される。各室１１ａ〜１１ｄの下端部は、散気管２２に臨んでいる。これによって、各室１１ａ〜１１ｄの液状培地９に基質ガスｇが行き渡ることで、各室１１ａ〜１１ｄが発酵環境となる。液状培地９は、主槽部１１の底部において室１１ａ〜１１ｄごとに分かれ、各室１１ａ〜１１ｄ内を上昇し、室１１ａ〜１１ｄの上端部から出て合流する。その後、還流部１２によって主槽部１１の底部に戻される。
＜基質ガス供給不足モード＞
図６（ｂ）に示すように、基質ガスｇの供給流量が低下したときは、その低下度合に応じて可動仕切り７２，７３を主槽部１１内に入り込ませる。好ましくは、上下の可動仕切り７２，７３を互いに同じ量だけ主槽部１１内に入り込ませる。これによって、一部の室１１ａ，１１ｂの上下両端が塞がれる。このため、これら室１１ａ，１１ｂが、散気管２２（ガス供給部）から遮断され、基質ガスｇが室１１ａ，１１ｂ内に供給されなくなる。また、室１１ａ，１１ｂ内の液状培地９は、当該室１１ａ，１１ｂに閉じ込められる。したがって、室１１ａ，１１ｂは、発酵環境ではなくなり、室１１ａ，１１ｂ内のガス資化性微生物ｂは死滅し得る。散気管２２からの基質ガスｇは、室１１ａ〜１１ｄのうち残りの室１１ｃ，１１ｄに供給される。また、室１１ａ，１１ｂ以外の液状培地９が、室１１ｃ，１１ｄと還流部１２との間で循環される。したがって、室１１ｃ，１１ｄは、発酵環境として維持される。つまり、発酵環境域１９（循環域）の体積を縮小することができる。この結果、基質ガスｇの供給流量の変動に拘わらず、発酵環境域１９中の個々のガス資化性微生物ｂあたりの基質ガス摂取量を安定させることができ、ガス資化性微生物ｂを安定的に培養できる。
なお、基質ガスｇの供給流量の低下度合によっては、図６（ｂ）よりも少数の室１１ａを遮断してもよく、図６（ｂ）よりも多数の室１１ａ，１１ｂ，１１ｃを遮断してもよい。
第５実施形態の培養装置１Ｅでは、ループリアクター１０全体の液状培地９の量が、基質ガスｇの供給流量に拘わらず一定に保たれる。したがって、送出路４は、体積可変手段７０の構成要素ではない。培養装置１Ｅにおける送出路４は、液状培地９を蒸留塔等の後段処理部へ送出する役割だけを担っている。第５実施形態においては、バッファタンク４２を省略してもよい。
図６（ａ）に示すように、基質ガスｇの供給流量が回復したときは、可動仕切り７２，７３を主槽部１１の外側へ退避させる。これによって、室１１ａ，１１ｂと散気管２２（ガス供給部）との遮断が解除され、散気管２２からの基質ガスｇが室１１ａ，１１ｂに入り込む。また、液状培地９が室１１ａ，１１ｂと還流部１２との間でも循環するようになる。したがって、室１１ａ，１１ｂが、発酵環境に戻ることで、発酵環境域１９の体積が増大する。室１１ａ，１１ｂでは、ガス資化性微生物ｂが盛んに増殖する。これによって、ガス資化性微生物ｂの濃度を所定の大きさまで速やかに回復できる。
可動仕切り７２，７３の進退操作は、コントローラを用いて流量計２１の検知流量に基づいて自動制御によって行ってもよく、手動で行ってもよい。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、基質ガス生産施設２は、廃棄物処理施設に限られず、製鉄所や石炭製造所であってもよい。
有価物は、エタノールに限られず、酢酸等であってもよい。
第１〜第４実施形態の培養装置１，１Ｂ〜１Ｄ（図１〜図５）において、発酵環境域１９の体積減少操作時にループリアクター１０から液状培地９の一部を排出するための排出路を、蒸留塔等の後段処理部への送出路４とは別に設けてもよい。
複数の実施形態を組み合わせてもよい。ループリアクター１０が、接続路３１〜３３（図１）と、袋体５１（図４）とを有していてもよい。ループリアクター１０が、接続路３１〜３３（図１）と、棒体６１（図５）とを有していてもよい。
ループリアクター１０が、接続路３１〜３３（図１）と、可動仕切り７２，７３（図６）とを有していてもよい。第１実施形態（図１、図２）において、接続路３１〜３３の少し上方の高さにそれぞれ可動仕切りを設けてもよい。基質ガスｇの供給流量が低下したときは、その低下度合に応じて接続路３１〜３３の１つを開通させるとともに、その接続路の直上の可動仕切りで主槽部１１を上下に仕切ることで、当該可動仕切りより上側の液状培地９を残置しつつ発酵環境域１９から除くことにしてもよい。この場合、送出路４を体積可変手段３０の構成要素とする必要は無い。
第５実施形態の培養装置１Ｅ（図６）において、スライド式の可動仕切り７２，７３に代えて、開き戸式の可動仕切りを主槽部１１の内壁又は固定仕切り７１の上下端部に回転可能に設けてもよい。
ループリアクター１０が、袋体５１（図４）と棒体６１（図５）を有していてもよい。
反応槽は、ループリアクター１０に限られず、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、充填型、オープンポンド型、フォトバイオ型等の、ループ型以外の反応槽であってもよい。
反応槽が、複数段設けられていてもよい。
反応槽へ供給される供給ガス全体の流量に代えて、該供給ガス中のＣＯ、Ｈ２等の基質成分（基質ガス）の流量に応じて、発酵環境域１９の体積を調節してもよい。
本発明は、例えば産業廃棄物の焼却処理で生じる一酸化炭素からエタノールを合成するエタノール生成システムに適用できる。
ｂ ガス資化性微生物
ｇ 基質ガス
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 培養装置
９ 液状培地（培地）
１０ ループリアクター（反応槽）
１１ 主槽部
１２，１２Ｂ 還流部
１９ 発酵環境域（循環域）
２２ 散気管（ガス供給部）
３０ 体積可変手段
３１，３２，３３ 接続路
５０ 体積可変手段
５１ 袋体（体積変更体）
５２ 給排手段
６０ 体積可変手段
６１ 棒体（体積変更体）
７０ 体積可変手段
７１ 固定仕切り（仕切り、体積変更体）
７２ 上側可動仕切り（仕切り、体積変更体）
７３ 下側可動仕切り（仕切り、体積変更体）
１１ａ〜１１ｄ 室

Claims (12)

  1. 基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養方法であって、
    反応槽における前記発酵が可能な発酵環境域を占める液状の培地中で、前記ガス資化性微生物を培養する培養工程と、
    前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給工程と、
    前記基質ガスの供給流量に応じて、前記発酵環境域の体積すなわち容積を調節する調節工程と、
    を備え、前記調節工程では、前記基質ガスの供給流量が通常運転モードにおける流量より減少したとき、前記発酵環境域の容積を小さくすることを特徴とする培養方法。
  2. 前記反応槽が、主槽部と還流部とを有するループリアクターであり、
    前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させる循環工程を、更に備え、
    前記調節工程では、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積すなわち容積を調節し、前記基質ガスの供給流量が通常運転モードにおける流量より減少したときは前記循環域の容積を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の培養方法。
  3. 前記調節工程では、前記主槽部から前記還流部への連通位置を調節することを特徴とする請求項２に記載の培養方法。
  4. 基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養方法であって、
    反応槽における前記発酵が可能な発酵環境域を占める液状の培地中で、前記ガス資化性微生物を培養する培養工程と、
    前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給工程と、
    前記基質ガスの供給流量に応じて、前記発酵環境域の体積を調節する調節工程と、
    を備え、前記調節工程では、前記反応槽内に体積変更体を進退させることを特徴とする培養方法。
  5. 基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養装置であって、
    前記発酵が可能な発酵環境域を有し、前記発酵環境域を占める液状の培地中で前記ガス資化性微生物を培養する反応槽と、
    前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給部と、
    前記発酵環境域の体積すなわち容積を変更する体積可変手段と、
    を備え、前記基質ガスの供給流量が通常運転モードにおける流量より減少したときは前記発酵環境域の容積が小さくなるように、前記基質ガスの供給流量に応じて、前記体積可変手段によって前記体積が調節されることを特徴とする培養装置。
  6. 前記反応槽が、主槽部と還流部とを有して、前記培地を前記主槽部と前記還流部との間で循環させるループリアクターであり、
    前記体積可変手段が、前記主槽部及び前記還流部における前記培地が循環する循環域の体積すなわち容積を変更し、前記基質ガスの供給流量が通常運転モードにおける流量より減少したときは前記循環域の容積を小さくすることを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載の培養装置。
  7. 前記主槽部から前記還流部への連通位置が可変であることを特徴とする請求項６に記載の培養装置。
  8. 前記主槽部の中間部と前記還流部の中間部とが、開閉可能な１の接続路又は前記培地の流通方向に互いに離れた複数の接続路にて接続されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の培養装置。
  9. 基質ガスから有価物を発酵生成するガス資化性微生物の培養装置であって、
    前記発酵が可能な発酵環境域を有し、前記発酵環境域を占める液状の培地中で前記ガス資化性微生物を培養する反応槽と、
    前記発酵環境域に前記基質ガスを供給するガス供給部と、
    前記発酵環境域の体積を変更する体積可変手段と、
    を備え、前記基質ガスの供給流量に応じて、前記体積可変手段によって前記体積が調節され、前記体積可変手段が、前記反応槽内に進退されることで前記発酵環境域の体積を変更可能な体積変更体を含むことを特徴とする培養装置。
  10. 前記体積可変手段が、前記反応槽内において拡縮可能な袋体と、前記袋体内に流体圧を給排する給排手段とを含むことを特徴とする請求項５〜９の何れか１項に記載の培養装置。
  11. 前記体積可変手段が、前記反応槽内に進退可能な棒体を含むことを特徴とする請求項５〜１０の何れか１項に記載の培養装置。
  12. 前記体積可変手段が、前記反応槽内を、前記ガス供給部と連通する室と、前記ガス供給部から遮断された室とに仕切り可能、かつ前記遮断を解除可能な仕切りを含むことを特徴とする請求項５〜１１の何れか１項に記載の培養装置。
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