(57)【要約】【課題】容易にかつ安定して液体中のガス成分を計測することができ、反応器全体のガス分子の低下を抑制できる。【解決手段】反応器１０内に液体２の流通方向に沿って複数のガス制御領域Ｍが設定され、ガス制御領域Ｍは、液体中にガスを注入するガス注入部４が配置される位置を流通方向Ｇで最上流部とした領域に設定され、ガス制御領域Ｍにおける最上流部に配置されるガス注入部４と、このガス注入部４が設けられるガス制御領域Ｍにおいてガス注入部４よりも下流側に設けられ、ガスにおける一酸化炭素に関するガス枯渇を示す指標を監視する指標監視部５と、その指標に基づいて指標監視部５が位置するガス制御領域Ｍ内のガス注入部４から注入するガス３のガス量を制御するガス量制御部とを備え、ガス量制御部では、指標監視部５で監視した指標が予め設定された基準値よりも小さいときに、基準値以上となるようにガス量又は特定成分のガス濃度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器内で流れを有する液体中にガスを溶解させ、該ガスから有機物を合成するプロセスにおいて、前記反応器内には前記液体の流通方向に沿って複数のガス制御領域が設定され、
前記ガス制御領域は、液体中にガスを注入するガス注入部が配置される位置を前記流通方向で最上流部とした領域に設定され、
前記ガス制御領域の少なくとも一つは、
前記ガス制御領域における前記最上流部に配置される前記ガス注入部と、
前記ガス注入部が設けられる前記ガス制御領域において当該ガス注入部よりも前記流通方向で下流側に設けられ、ガスにおける複数又は単数の特定成分に関するガス枯渇を示す指標を監視する指標監視部と、
前記指標監視部で監視した前記指標に基づいて、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から注入するガスのガス量を制御するガス量制御部と、
を備え、
前記ガス量制御部では、前記ガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標が予め設定された基準値よりも小さいときに、該基準値以上となるように前記ガス量又は特定成分のガス濃度を制御することを特徴とするガス量制御システム。
【請求項２】
反応器内で流れを有する液体中にガスを溶解させ、該ガスから有機物を合成するプロセスにおいて、前記反応器内には前記液体の流通方向に沿って複数のガス制御領域が設定され、
前記ガス制御領域は、液体中にガスを注入するガス注入部が配置される位置を前記流通方向で最上流部とした領域に設定され、
前記ガス制御領域の少なくとも二つは、
前記ガス制御領域における前記最上流部に配置されるガス注入部と、
前記ガス注入部が設けられる前記ガス制御領域において当該ガス注入部よりも前記流通方向で下流側に設けられ、ガスにおける複数又は単数の特定成分に関するガス枯渇を示す指標を監視する指標監視部と、
前記指標監視部で監視した前記指標に基づいて、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から注入するガスのガス量を制御するガス量制御部と、
を備え、
前記ガス量制御部では、前記少なくとも二つのガス制御領域のうち一のガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標を、前記一のガス制御領域と異なる他のガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標と互いに等しくなるようにガス量又は特定成分のガス濃度を制御することを特徴としたガス量制御システム。
【請求項３】
前記指標監視部で監視した前記ガスの特定成分に関する前記指標は、気体中の前記特定成分の相対濃度、気体中の前記特定成分の分圧、単位体積の気液混合物中の前記特定成分の分子数、又は単位体積の気液混合物中の前記特定成分の分子数を平均気泡径で除したものの定数倍となる量であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス量制御システム。
【請求項４】
前記指標監視部は、前記ガス制御領域における最下流部に位置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載ガス量制御システム。
【請求項５】
前記反応器は、前記液体が循環する循環流路を形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス量制御システム。
【請求項６】
前記反応器は、メイン流路と、該メイン流路に対して並列に接続されたサブ流路と、を備え、
前記サブ流路のみで前記ガス注入部及び前記指標監視部を有する前記ガス制御領域が設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガス量制御システム。
【請求項７】
前記指標監視部において、前記液体中に含まれる微生物の代謝を停止させる代謝停止手段が設けられ、前記代謝停止手段を通過した気液混合流体からガスが監視されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガス量制御システム。
【請求項８】
請求項１に記載のガス量制御システムを使用して液体中に注入するガスのガス量を制御するためのガス量制御方法であって、
前記複数のガス制御領域の少なくとも一つにおいて前記指標監視部で前記指標を監視する工程と、
前記ガス量制御部において、前記ガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標が前記基準値よりも小さいときに、該基準値以上となるように前記ガス量又は特定成分のガス濃度を制御する工程と、
前記ガス量制御部で制御した前記ガス量又は特定成分のガス濃度のガスを、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から液体中に注入する工程と、
を有することを特徴とするガス量制御方法。
【請求項９】
請求項２に記載のガス量制御システムを使用して液体中に注入するガスのガス量を制御するためのガス量制御方法であって、
前記複数のガス制御領域の少なくとも二つにおいて前記指標監視部で前記指標を監視する工程と、
前記ガス量制御部において、前記少なくとも二つのガス制御領域のうち一のガス制御領域に位置する前記指標監視部における指標が、前記一のガス制御領域と異なる他のガス制御領域に位置する前記指標監視部における指標と互いに等しくなるように前記ガス量又は特定成分のガス濃度を制御する工程と、
前記ガス量制御部で制御した前記ガス量又は特定成分のガス濃度のガスを、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から液体中に注入する工程と、
を有することを特徴とするガス量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス量制御システム及びガス量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気液反応器にガスを注入し、ガスを動力として液体とガスを混合させた気液混合物中でガスを反応させるリアクターが知られており、このようなガス中の特定ガス成分の液中濃度（例えば一酸化炭素濃度）を制御する方法が例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１には、ガスを多点から注入するリアクターについて開示され、第一の培養ゾーンの一酸化炭素の液中濃度が０．１２μＭ以上であり、それに続く培養ゾーンが０．１２μＭ以下になるように注入するガスの一酸化炭素濃度を決定している。そして、特許文献１では、各培養ゾーンの上流側のガス注入口近傍でガスをポンプで計測して上記一酸化炭素の濃度を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００８０１１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、各培養ゾーンの一酸化炭素の液中濃度がほぼ一定値であることを前提としており、ポンプによる撹拌が必要になる。しかし、ポンプによる撹拌が不十分な場合には、培養ゾーン内の濃度分布が生じ、適切な制御が不可能になってしまう。また、気泡塔のような流れがある流体場では、流れ中で一酸化炭素の濃度が変化するために、培養ゾーン内を同一濃度とみなすことはできず、安定した制御を行うことが困難になる課題があった。
また、特許文献１では、ヘモグロビンを使って測定を行っているが、ヘモグロビン自体が入手困難である。さらに、一酸化炭素の液中濃度は、測定中に液中の微生物による代謝が進むことにより変化し、とくにガスを含まない液体のみの計測において一酸化炭素の液中濃度の変化が顕著となっていた。そのため、特許文献１では、一酸化炭素の液中濃度の計測が困難となっていた。
【０００５】
ところで、リアクターの設計に際し、従来は、実験機を用いて液体中の気泡の動きや大きさ等の端的な物理量の計算を行うマストランスファー（物質移動）解析により設計されていた。具体的には、リアクター中の気泡の総体積分率と、ガス溶存計測（実験値ベース）から得られるｋLa（体積当たりのマストランスファーの係数）を基にリアクターを設計している。このガス溶存計測では、液体として、培地ではなく、窒素曝気した水を使用するとともに、ガスとして空気または酸素を使用し、溶存酸素濃度の上昇率からｋLaを算出している。しかしながら、上述したリアクターの設計には、実反応溶液状態、すなわち微生物が存在し、かつ微生物濃度依存の状態が反映された微生物が代謝する一酸化炭素等の特定成分に関するｋLaを考慮したものになっていないという課題があった。
そのため、発明者らは、上述の設計手法によって設計されたリアクターの場合に、とくにガス注入部より離れた位置において、一酸化炭素などの特定成分の枯渇が生じていて、安定な培養に足る特定成分が供給できていないことを見出した。そこで、このような気液混合物中の特定成分の枯渇を抑制することが求められた。
【０００６】
ここで、枯渇とは、必要なガス量が供給されない状態であって、ガス量が不足しているときに特定成分のパラメーター（特定成分の気液体積当たりの分子数、ガス中の特定成分の相対濃度、ガス中の特定成分の分圧、液中の特定成分の体積濃度、特定成分の気液体積当たりの分子数を平均気泡径で除したもの等の指標など）が小さくなる状態であり、微生物の安定かつ健全な生存や代謝が阻害される状態をいう。一方、ガス量が過多となるときには、前記指標が大きくなる。また、枯渇を表す指標はガス量が不十分なときに小さくなるように定義する。このため、特定成分の気液体積当たりの分子数、ガス中の特定成分の相対濃度、ガス中の特定成分の分圧、液中の特定成分の体積濃度、特定成分の気液体積当たりの分子数を平均気泡径で除したもの等の指標などはガス枯渇を表す指標になりうる。
なお、前記特定成分の気液体積当たりの分子数を平均気泡径で除したものは気泡径で除することにより、この量が大きい時は気液接触の表面積が大きい状態を表しており、同じ気液体積当たりの分子数を有する状態でも気泡径が小さいほうが気泡から効率よくガス分子が液中に供給され、より枯渇していない状態となる。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、容易にかつ安定して液体中のガスの特定成分を計測することができ、反応器全体のガス分子の低下を抑制することができるガス量制御システム及びガス量制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係るガス量制御システムは、反応器内で流れを有する液体中にガスを溶解させ、該ガスから有機物を合成するプロセスにおいて、前記反応器内には前記液体の流通方向に沿って複数のガス制御領域が設定され、前記ガス制御領域は、液体中にガスを注入するガス注入部が配置される位置を前記流通方向で最上流部とした領域に設定され、前記ガス制御領域の少なくとも一つは、前記ガス制御領域における前記最上流部に配置される前記ガス注入部と、前記ガス注入部が設けられる前記ガス制御領域において当該ガス注入部よりも前記流通方向で下流側に設けられ、ガスにおける複数又は単数の特定成分に関するガス枯渇を示す指標を監視する指標監視部と、前記指標監視部で監視した前記指標に基づいて、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から注入するガスのガス量を制御するガス量制御部と、を備え、前記ガス量制御部では、前記ガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標が予め設定された基準値よりも小さいときに、該基準値以上となるように前記ガス量又は特定成分のガス濃度を制御することを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係るガス量制御方法は、上述したガス量制御システムを使用して液体中に注入するガスのガス量を制御するためのガス量制御方法であって、請求項１に記載のガス量制御システムを使用して液体中に注入するガスのガス量を制御するためのガス量制御方法であって、前記複数のガス制御領域の少なくとも一つにおいて前記指標監視部で前記指標を監視する工程と、前記ガス量制御部において、前記ガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標が前記基準値よりも小さいときに、該基準値以上となるように前記ガス量又は特定成分のガス濃度を制御する工程と、前記ガス量制御部で制御した前記ガス量又は特定成分のガス濃度のガスを、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から液体中に注入する工程と、を有することを特徴としている。
【００１０】
本発明では、所定のガス制御領域で流通方向でガス注入部よりも下流側に設けられた指標監視部でガスの指標を監視し、ガス量制御部においてガスの特定成分に基づいてガス制御領域の指標監視部で監視したガスにおける複数又は単数の特定成分（例えば、一酸化炭素、水素、メタンの特定成分）に関するガス枯渇を示す指標（特定成分の気液体積当たりの分子数、ガス中の特定成分の相対濃度、ガス中の特定成分の分圧、液中の特定成分の体積濃度、特定成分の気液体積当たりの分子数を平均気泡径で除したもの等の指標など）が予め設定された基準値よりも小さいときに、該基準値以上となるガス量又は特定成分のガス濃度を、指標監視部が位置するガス制御領域内のガス注入部から液体中に注入するように制御することができる。
本発明では、各ガス注入部の上流側で当該ガス注入部に位置するガス制御領域の上流側に隣接するガス制御領域のガスを計測する方法であるため、この計測は下流のガス注入部から注入されるガスの影響を受けることがない。そのため、ガス成分の計測を容易にかつ安定して行うことができ、各ガス注入部におけるガス注入量を精度よく管理することができる。そして、各ガス注入部におけるガス注入量を監視するとともに制御することができることから、反応器における任意の位置に多点でガス注入部を配置することが可能となり、反応器全体のガスの均一化を図ることができる。
したがって、本発明では、液体内における部分的なガスの枯渇を抑制することができ、枯渇解消のために不必要にガスを流す必要がなくガスの費用を抑えた運転が可能となり、気液反応による生産コストの低減を図ることができる。
【００１１】
ここで、上流、下流はガスの流れの上流下流を示し、液が下から上に流れるときは下方が上流、上方が下流となる。
なお、本発明では、ガス制御領域における最上流部からガス注入部でガスを注入し、最下流部で指標監視部によって指標を監視することが好ましい。例えば、ガス制御領域における流通方向の途中からガスを注入し、その注入位置よりも下流部で指標を監視することも可能であるが、この場合にはガス制御領域の最上流部からガス注入点までの領域のガス制御は当該ガス制御領域の一つ上流側に位置するガス制御領域のガス制御の影響を受けることとなる。そのため、ガス制御領域におけるガス制御が一つのガス制御領域内で完結しないため、制御がやや不安定になりやすい。ただし、様々な注入箇所の制約がある場合等を勘案すると、指標監視部が必ずしも最下流部である必要はないが、指標監視部から一つ下流側のガス注入部までのガス状態の制御は不安定になりやすい。
【００１２】
また、本発明に係るガス量制御システムは、反応器内で流れを有する液体中にガスを溶解させ、該ガスから有機物を合成するプロセスにおいて、前記反応器内には前記液体の流通方向に沿って複数のガス制御領域が設定され、前記ガス制御領域は、液体中にガスを注入するガス注入部が配置される位置を前記流通方向で最上流部とした領域に設定され、前記ガス制御領域の少なくとも二つは、前記ガス制御領域における前記最上流部に配置されるガス注入部と、前記ガス注入部が設けられる前記ガス制御領域において当該ガス注入部よりも前記流通方向で下流側に設けられ、ガスにおける複数又は単数の特定成分に関するガス枯渇を示す指標を監視する指標監視部と、前記指標監視部で監視した前記指標に基づいて、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から注入するガスのガス量を制御するガス量制御部と、を備え、前記ガス量制御部では、前記少なくとも二つのガス制御領域のうち一のガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標を、前記一のガス制御領域と異なる他のガス制御領域の前記指標監視部で監視した前記指標と互いに等しくなるようにガス量又は特定成分のガス濃度を制御することを特徴としている。
なお、ガスから合成される有機物はエタノール、酢酸、ブタンジオール、イソプレンなどがある。
【００１３】
また、本発明に係るガス量制御方法は、上述したガス量制御システムを使用して液体中に注入するガスのガス量を制御するためのガス量制御方法であって、請求項２に記載のガス量制御システムを使用して液体中に注入するガスのガス量を制御するためのガス量制御方法であって、前記複数のガス制御領域の少なくとも二つにおいて前記指標監視部で前記指標を監視する工程と、前記ガス量制御部において、前記少なくとも二つのガス制御領域のうち一のガス制御領域に位置する前記指標監視部における指標が、前記一のガス制御領域と異なる他のガス制御領域に位置する前記指標監視部における指標と互いに等しくなるように前記ガス量又は特定成分のガス濃度を制御する工程と、前記ガス量制御部で制御した前記ガス量又は特定成分のガス濃度のガスを、前記指標監視部が位置する前記ガス制御領域内の前記ガス注入部から液体中に注入する工程と、を有することを特徴としている。
【００１４】
本発明では、所定のガス制御領域において流通方向でガス注入部よりも下流側に設けられた指標監視部で指標を監視し、少なくとも二つのガス制御領域のうち一のガス制御領域の指標監視部で監視したガスにおける複数又は単数の特定成分（例えば、一酸化炭素、水素、メタンの特定成分）に関するガス枯渇を示す指標が、前記一のガス制御領域と異なる他のガス制御領域に位置する指標監視部における複数又は単数の特定成分に関するガス枯渇を示す指標と互いに等しくなるようにガス量を、指標監視部が位置するガス制御領域内のガス注入部から液体中に注入するように制御することができる。すなわち本発明では、複数のガス制御領域における指標監視部での特定成分の指標（特定ガス指標）がすべて同一となるようにガス量を調整することができる。なお、ガス枯渇位置として、ガス注入が無ければ微生物の代謝により下流に行けばいくほど特定成分は少なくなっていくために、最下流側とガス枯渇位置は通常は一致する。
【００１５】
このように、本発明では、各ガス注入部におけるガス注入量を精度よく管理することができる。そして、各ガス注入部におけるガス注入量を監視するとともに制御することができることから、反応器における任意の位置に多点でガス注入部を配置することが可能となり、反応器全体のガスの均一化を図ることができる。
したがって、本発明では、液体内における部分的なガスの枯渇を抑制することができ、枯渇解消のために不必要にガスを流す必要がなくガスの費用を抑えた運転が可能となり、気液反応による生産コストの低減を図ることができる。
【００１６】
また、本発明に係るガス量制御システムは、前記指標監視部で監視した前記ガスの特定成分に関する前記指標は、気体中の前記特定成分の相対濃度、気体中の前記特定成分の分圧、単位体積の気液混合物中の前記特定成分の分子数、又は単位体積の気液混合物中の前記特定成分の分子数を平均気泡径で除したものの定数倍となる量であることを特徴としてもよい。
【００１７】
また、本発明に係るガス量制御システムは、前記指標監視部は、前記ガス制御領域における最下流部に位置していてもよい。
【００１８】
また、本発明に係るガス量制御システムは、前記反応器は、前記液体が循環する循環流路を形成していることを特徴としてもよい。
【００１９】
この場合には、反応器内にループ状の循環流路が形成されるので、例えば上下に長く延びるループの場合には液上昇流部で上昇して消費されずに残ったガスを再び液下降流部に流入させて循環させることができる。そして、本発明では、循環流路の任意の位置に多点でガス注入部を配置できるので、液体及びガスを効率よく使用することが可能となる。
【００２０】
また、本発明に係るガス量制御システムは、前記反応器は、メイン流路と、該メイン流路に対して並列に接続されたサブ流路と、を備え、前記サブ流路のみで前記ガス注入部及び前記指標監視部を有する前記ガス制御領域が設定されていることを特徴としてもよい。
【００２１】
本発明では、サブ流路を備えている場合であっても、サブ流路のみでガス注入部及び指標監視部を設けてガス制御領域のガス濃度を制御することができ、メイン流路への影響を抑えることができる。
【００２２】
また、本発明に係るガス量制御システムは、前記指標監視部において、前記液体中に含まれる微生物の代謝を停止させる代謝停止手段が設けられ、前記代謝停止手段を通過した気液混合流体からガスが監視されることが好ましい。
【００２３】
この場合には、指標監視部で監視するガスを代謝停止手段によって監視後に微生物が代謝することを防ぐことができ、ガスの特定成分の計測精度を向上させることができる。
ここで、ガスを測定することは液中の一酸化炭素の濃度を測定するよりも、絶対量が多いため測定値が安定しやすい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のガス量制御システム及びガス量制御方法によれば、容易にかつ安定して液体中のガスの特定成分を計測することができ、反応器全体のガス分子の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるループリアクターの構成を模式的に示した側面図である。
【図２】ガス量制御部を用いたガス量制御システムの概略構成を示す図である。
【図３】図１に示すループリアクターにおいてガス量制御方法を実施したときのガス濃度の分布を示す面である。
【図４】指標監視部とガス成分計測部を備えたガス計測装置の構成を模式的に示した図である。
【図５】第２の実施の形態によるガス量制御方法の制御フローであって、第１の実施の形態と異なる他のアルゴリズムの図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、実施例１による解析結果を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、実施例２による解析結果を示す図である。
【図８】変形例によるループリアクターの構成を模式的に示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態によるガス量制御システム及びガス量制御方法について、図面に基づいて説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本実施の形態の反応器１０はエアリフト型のループリアクター１に設けられている。ループリアクター１は、容器中で循環される原料液（液体２）と、一酸化炭素（特定成分）や水素を含む混合ガス（ガス３）と、を連続的に供給し、液体２中にガス３を溶解させることで、ガス３から生成物（本実施の形態ではエタノール）を得るバイオリアクターである。
【００２８】
つまり、本実施の形態のループリアクター１は、液体２中に微生物が棲息しガス３を資化するものであって、ガス３を触媒の微生物を含む液体２に接触させてエタノールを得る装置である。
液体２は、水、培地等を含む液中に触媒である微生物が存在したものである。液体２中に存在する微生物としては、一酸化炭素を基質としてエタノール発酵する能力を有する公知の微生物を採用できる。このような微生物にはガスの枯渇により死滅、又は代謝が変化するものがある。
具体的には、カルボキシド栄養性（carboxydotrophic）細菌が挙げられる。より具体的には、例えばClostridium属細菌、Moorella属細菌、Acetobacterium属細菌、Carboxydocella sporoducens sp. Nov.、Rhodopseudomonas gelatinosa、Eubacterium limosum、Butyribacterium methylotrophicum等の嫌気性細菌が挙げられる。
Clostridium属細菌としては、例えば、Clostridium ljungdahlii、Clostridium autoethanogenum、Clostridium carboxidivorans、Clostridium ragsdalei（Kopke M. et al., Appl. Environ. Microbiol. 2011, 77(15), 5467-5475）、Clostridium thermoaceticum等が挙げられる。Moorella属細菌としては、例えば、Moorella thermoacetica (Pierce EG. Et al., Environ. Microbiol. 2008, 10, 2550-2573)等が挙げられる。Acetobacterium属細菌としては、例えば、Acetobacterium woodii（Dilling S. et al., Appl. Environ. Microbiol. 2007, 73(11), 3630-3636）等が挙げられる。
【００２９】
ガス３としては、本実施の形態では有機性廃棄物（廃プラスチック、廃紙、廃衣料等）をガス化することにより発生する一酸化炭素、水素などが採用されている。
【００３０】
図１及び図２に示すように、ループリアクター１は、流れを有する液体２中にガス３を溶解させるとともに、液体２の流通方向（図１の矢印Ｇ方向）に沿って複数（ここでは５区画）のガス制御領域Ｍ（ＭＡ、ＭＢ、…ＭＥ）が設定された反応器１０と、ガス制御領域Ｍにおける液体２の流通方向Ｇの最上流部に設けられ液体２中にガス３を注入するガス注入部４と、ガス注入部４が設けられるガス制御領域Ｍで流通方向Ｇの最下流部に設けられガス３を監視する指標監視部５と、指標監視部５に備えられガス３の一酸化炭素を計測するガス成分計測部６と、ガス成分計測部６で計測したガス３の一酸化炭素に基づいて指標監視部５が位置するガス制御領域Ｍ内のガス注入部４から注入するガス３のガス量を制御するガス量制御部７と、を備えている。
【００３１】
ここで、ガス制御領域Ｍは、流通方向Ｇでガス注入部４が位置する点を基点（最上流部という）とした領域である。すなわちガス注入部４は、ガス制御領域Ｍの最上流部に設けられている。このようにガス制御領域Ｍにおける最上流部はガス制御領域Ｍの定義からガス注入部であるが、その上流に隣接するガス制御領域への影響はない。これは注入したガスは流れに沿って下流側へ送られ、上流方向へは進まないためである。また、指標監視部５が位置するガス制御領域Ｍにおける最下流部は、ガス３の抽出によって下流側に隣接するガス制御領域Ｍの液体２の流通方向Ｇの流れに影響を及ぼさない最も下流側の位置に設定される。
【００３２】
反応器１０は、液体２を上昇させる液上昇流容器１１と、液体２を下降させて液上昇流容器１１の下部に合流させる液下降流容器１２と、を有している。反応器１０には、液上昇流容器１１内に液体２を供給する液供給部１３が液上昇流容器１１の下端に設けられ、液下降流容器１２に液体２中のガス３の浮上を抑えるように液体２に下降流を形成させる循環ポンプ１４が設けられている。循環ポンプ１４は、駆動力により液下降流容器１２中の液体２及びガス３の気泡に下降流を形成させている。
反応器１０内に注入されたガス３は、液上昇流容器１１を上昇し通過した後、一部はそのまま液上昇流容器１１の上方に設けられたガス排出口１５から排出され、他の一部は液下降流容器１２側に移動する。
【００３３】
反応器１０は、液上昇流容器１１を主反応器とし、液上昇流容器１１に接続され上述した液下降流容器１２を有し、液体２が循環する循環流路（メイン流路）を構成している。
なお、反応器１０の材質としては、ガス３やエタノールに対して不活性な材質が好ましい。また、ループリアクター１に使用される配管類の材質は、エタノール等に対して不活性なステンレス等の材料が好ましい。
【００３４】
液上昇流容器１１の断面積は、液下降流容器１２よりも大きく構成されている。液供給部１３から液上昇流容器１１に供給される液体２の液量は、微生物の活動が良好な状態に保たれる生成物の濃度や微生物の濃度により決定される。これは通常０．５日から１週間程度である。
【００３５】
反応器１０は、液体２とガス３とが気液接触することで、ガスが液に溶解し液中に含まれる微生物が代謝により液に溶けたガス３の分子を取り込み、エタノールを合成する。このとき残ったガス３と二酸化炭素などの微生物が代謝で排出したガスのみがガス排出口１５からループリアクター１の外方に排出される。また、合成されたエタノールは、液上昇流容器１１の下部から分岐して設けられるエタノール溶液抽出配管（不図示）から取り出されて適宜な回収手段により精製回収される。なお、抽出されたエタノール溶液は、エタノール透過膜により精製してもよいし、エタノール蒸留により精製してもよい。
【００３６】
ガス注入部４（４Ａ、４Ｂ、…４Ｅ）は、それぞれ各ガス制御領域Ｍ（ＭＡ、ＭＢ、…ＭＥ）で流通方向Ｇの最も上流側に設けられている。ガス注入部４として、横向きのスパージャーを備えていてもよい。
【００３７】
このように各ガス注入部４より反応器１０内に注入されたガス３は、液体２の流れとともに流通方向Ｇに移動する。例えば、液上昇流容器１１においてガス注入部４（第４ガス注入部４Ｃ、第５ガス注入部４Ｃ、第１ガス注入部４Ａ）から注入されたガス３は、液体２中で気泡となって分散され上昇流とともに上方に移動し、上端まで移動して残ったガス３のみがガス排出口１５から排出される。また、液下降流容器１２においてガス注入部４（第２ガス注入部４Ｂ）から注入されたガス３は、液体２中で気泡となって分散され下降流とともに下方に移動する。
【００３８】
指標監視部５（５Ａ、５Ｂ、…５Ｅ）は、それぞれ各ガス制御領域Ｍ（ＭＡ、ＭＢ、…ＭＥ）で流通方向Ｇの最下流部に設けられている。指標監視部５は、ガス制御領域Ｍにおける液体２内のガス３中の一酸化炭素に関する指標ｙ（後述する）が最低となる図３に示すガス枯渇位置Ｎ（ＮＡ、ＮＢ、…ＮＥ）に設けられている。
なお、指標監視部５は、当該ガス制御領域Ｍの下流側に隣接するガス制御領域Ｍのガス注入部４から注入されるガス３の影響が及ばない範囲で、かつ直近（反応器１０の直径の２倍よりも短い距離）の位置に設けられることが好ましい。例えば、ガス注入部４から上流側に向けて５〜１００ｃｍの範囲に指標監視部５を設けることができる。
【００３９】
また、指標監視部５では測定を伴い、気体または液体をサンプリングしての測定とプローブなどを反応器１０に送入したモニターの二つの方法が考えられるが、本実施の形態ではサンプリングして、ガス成分計測部６で測定されるが、モニター方式でも構わない。なお、図中の指標監視部５（５Ａ、５Ｂ、…５Ｅ）から出る矢印は実際の物質移動を伴うものを表すのではなく、指標情報を表すものであり、注入部４の矢印はガス量などの注入情報を表すものである。
【００４０】
また、指標監視部５は、図４に示すように、液体２中に含まれる微生物の代謝を停止させる代謝停止手段（後述する固体除去部５２）が設けられており、この固体除去部５２を通過した気液混合物からガス３が監視される。
【００４１】
ガス成分計測部６は、指標監視部５で後述する指標ｙを監視するためにサンプリングしたガス３の特定成分（本実施の形態では一酸化炭素）を計測するものであり、各指標監視部５Ａ〜５Ｅのそれぞれに対応して設けられている。なお、ガス成分計測部６は指標監視部５の数量に合わせる必要はなく、例えばガス成分計測部６を１つのみ設け、複数（５箇所）の指標監視部５Ａ〜５Ｅでサンプリングしたそれぞれのガス３の一酸化炭素を、適宜な時間に応じて選択的に計測するように設けられていてもよい。
【００４２】
図２に示すガス量制御部７は、ガス成分計測部６で計測したガス３の一酸化炭素に基づいて指標監視部５が位置するガス制御領域Ｍ内のガス注入部４から注入するガス３のガス量を制御する。そして、ガス量制御部７では、図３に示すガス枯渇位置Ｎの一酸化炭素に関する指標ｙが予め設定された基準値以上となるようにガス注入部４から注入されるガス量を制御する。ただし、予め設定した基準値が高い場合には、その基準値に指標ｙが到達しないことが有り得るが、到達に向けたガス量等の調整が行われるため、次善のガス配合が達成される。ここで、ガス量としては、ガス流量、或いは一酸化炭素のガス濃度でもよい。
【００４３】
ここで、指標監視部５とガス成分計測部６の具体的な装置例（以下、ガス計測装置１０Ａという）について図４を用いて説明する。
ここでは一酸化炭素に関する指標ｙとして、リアクター内の気液混合物（液体２とガス３）単位体積当たりの一酸化炭素の総量（ｍｏｌ／ｍ３）を気泡の平均直径（後述する体積平均気泡径）で除したものを採用する。この指標ｙは、液中の平均ＣＯ分子濃度をよく表すものとなる。
ガス計測装置１０Ａは、指標監視部５とガス成分計測部６とを一体的に組み付けた構成となっており、ガス３の一酸化炭素のモル濃度（ｍｏｌ／ｍ３）を計測する際に、リアクター内の気液混合物（液体２とガス３）単位体積当たりの一酸化炭素の総量（ｍｏｌ／ｍ３）を求めることを可能とした構成となっている。つまり、指標監視部５でガス３を監視したときに、液体２とガス３が同時に抽出されるため、液体２とガス３のそれぞれの体積を計測して一酸化炭素のモル濃度（ｍｏｌ／ｍ３）を算出できる。
【００４４】
指標監視部５は、反応器１０の液体２内に挿入された取出し管５１と、取出し管５１で抽出された液体２を通過させる固体除去部５２と、を備えている。反応器１０における指標監視部５には、端部にフランジ１０ｂを備えた枝管１０ａが設けられている。取出し管５１は、フランジ１０ｂを貫通し固体除去部５２に接続され、フランジ１０ｂと固体除去部５２との間の配管部５１ｂに気泡径計測部５３と第１開閉弁Ｖ１とが設けられている。取出し管５１の取出し口５１ａは、反応器１０の断面中心付近（図４で点線部分）に位置するように配置され、この断面中心部を流通する気泡が計測されるようになっている。
【００４５】
固体除去部５２は、取出し管５１から抽出した液体２中の微生物を取り除くフィルタ５２ａを有するとともに、フィルタ５２ａを洗浄するための洗浄水を噴出させる逆洗浄管５２ｂを備えている。この逆洗浄管５２ｂ上には、第５開閉弁Ｖ５が設けられている。また、ガス成分計測部６に液体２を流入させる流入管５１ｃ上には第６開閉弁Ｖ６が設けられている。さらに、取出し管５１の第１開閉弁Ｖ１と固体除去部５２との間には、第４開閉弁Ｖ４を有する逆洗排出管５６が設けられ、フィルタ５２ａに付着した固体を逆洗浄管５２ｂの洗浄水で洗浄した固体等が排出可能となっている。第４開閉弁Ｖ４は、フィルタ５２ａの洗浄時にのみ開かれ、通常は閉じた状態である。
【００４６】
気泡径計測部５３は、例えば取出し管５１内を通過する気泡の画像を撮像するカメラと、その撮像した画像を処理する画像処理部を有している。気泡径計測部５３では、通過した単位体積当たりの気泡の画像を処理し、単位体積当たりの体積平均気泡径ｄが算出される。この体積平均気泡径ｄは、後述するガス量制御部７でガス量を制御するための一酸化炭素に関する指標ｙを算出する際に用いられる。
【００４７】
次に、指標監視部５の固体除去部５２のフィルタ５２ａを通過した液体２は、流入管５１ｃを通じてガス成分計測部６に送られる。
ガス成分計測部６は、取出し管５１を流通した液体２が供給される気液分離容器６１と、気液分離容器６１内を真空状態にするとともにこの容器内のガス３のみを吸引してガスの一酸化炭素のモル濃度を計測するガス計測管６２と、気液分離容器６１内の液体を排出する液体抜取り管６３と、を備えている。さらに気液分離容器６１には、容器内に溜まった液体２の重量を計測するロードセル６４と、容器内圧力（絶対圧Ｐ）を計測する第１圧力計６５と、容器内温度Ｔを計測する温度計６６と、が設けられている。
【００４８】
ガス計測管６２は、気液分離容器６１の頂部に接続されている。このガス計測管６２には、ブロア又は真空ポンプからなる吸引部６２ａと、吸引部６２ａの下流側に配置されるガス濃度計測部６２ｂと、吸引部６２ａと気液分離容器６１の間に設けられる第３開閉弁Ｖ３と、が備えられている。ガス濃度計測部６２ｂでは、一酸化炭素の相対濃度ＣＯ％が計測される。
液体抜取り管６３は、先端口６３ａが気液分離容器６１の底部付近に位置し、管路には第２開閉弁Ｖ２が設けられ、第２開閉弁Ｖ２の下流側はドレイン６３ｂに接続されている。
【００４９】
次に、ガス計測装置１０Ａを用いた反応器内気液体積１ｍ３あたりの一酸化炭素のモル濃度（ｍｏｌ／ｍ３）の計測手順と、計測した前記一酸化炭素のモル濃度（ｍｏｌ／ｍ３）に基づいてガス量の制御に使用する指標ｙの算出方法について説明する。
【００５０】
先ず、取出し管５１の第１開閉弁Ｖ１、液体抜取り管６３の第２開閉弁Ｖ２、逆洗浄管５２ｂ上の第５開閉弁Ｖ５、及び逆洗排出管５６上の第４開閉弁Ｖ４を閉じ、流入管５１ｃ上の第６開閉弁Ｖ６を開けた状態で、吸引部６２ａで吸引することで気液分離容器６１内を真空状態に近い減圧状態としてから第３開閉弁Ｖ３を閉じる。その後、第１開閉弁Ｖ１を開くことで、取出し管５１を通じて液体２が気液分離容器６１に流れ込む。このとき流れ込む気液混合物は、固体除去部５２のフィルタ５２ａを通過して微生物が除去されたものとなる。そして、気液分離容器６１に所定の体積の気液混合物が入った状態となり、第１圧力計６５で測った圧力が反応器１０に取り付けられた第２圧力計６７と概略等しくなったらこのタイミングで第１開閉弁Ｖ１を閉じ、ロードセル６４によって気液分離容器６１内の液体重量が計測され、気液分離容器６１の液体量ＶＬと気体(ガス)の気体量ＶＧが求められる。
【００５１】
次いで、第２開閉弁Ｖ２を開き、気液分離容器６１内の液体２をドレイン６３ｂからポンプ（図示省略）を使って排水する。
その後、第３開閉弁Ｖ３を開くことで、気液分離容器６１内のガスはガス計測管６２からガス濃度計測部６２ｂを通過して排出される。このときガス濃度計測部６２ｂでは、通過するガスの一酸化炭素の相対濃度ＣＯ％が計測される。ＣＯ％は、ガスクロマトグラフィーやＣＯ濃度計などを用いて計測される。
【００５２】
ここで、一酸化炭素のモル数Ｎｃｏは、ガス濃度計測部６２ｂで計測された相対濃度ＣＯ％を用いた（１）式より（２）式で表される。Ｒはガス定数（≒８．３ＪＫ−１ｍｏｌ−１）である。なお、ＣＯ％の％は、相対濃度であることをわかり易くするために用いている。したがって、ＣＯの相対濃度が５０％のときは０．５で計算される。
【００５３】
【数１】
2018074916.tif 000003
【００５４】
また、リアクター内の一酸化炭素のモル数ｘ（体積基準）は、（３）式により求めることができる。そして、リアクター内の一酸化炭素のモル数ｘを使用した指標ｙとして、（４）式で表されるリアクター内の一酸化炭素のモル数ｘを体積平均気泡径ｄで除した値が使用される。ここで、平均気泡径は個数平均でなく、各気泡径に気泡体積に比例した重みをかけて算出した荷重平均（すなわち体積平均）であることが望ましい。また、体積平均気泡径ｄは気泡径計測部５３で計測されるが、計測のタイミングは第１圧力計６５と第２圧力計６７の値が概略等しくなった時が好ましい。
また、指標ｙとしては一酸化炭素のモル数ｘだけでもよく、この値は気泡径計測部５３がなくても計測できるので装置が簡便化される。
【００５５】
【数２】
2018074916.tif 000004
【００５６】
また、別の方法として取出し管５１の取出し口５１ａでのガス体積分率（ホールドアップ）εが既知であるときには、（５）式を用いて計算することができ、ロードセル６４を省略することができる。ここで、（５）式中のＰは計測ポイント（取出し口５１ａの近傍）の圧力であり、第２圧力計６７で計測した値を使うのが好ましい。
【００５７】
【数３】
2018074916.tif 000005
【００５８】
最後に、第６開閉弁Ｖ６及び第１開閉弁Ｖ１を閉じるとともに、第５開閉弁Ｖ５及び第４開閉弁Ｖ４を開け、フィルタ５２ａに溜まったバイオマスを逆洗浄する。アルカリなどを使うことにより、よりきれいに膜洗浄される。この時は水でリンスしてアルカリを洗い流しておくことが好ましい。
【００５９】
次に、上述した構成のループリアクター１を使用したガス量制御方法と、エタノールの抽出方法について、具体的に説明する。
図１に示すように、ループリアクター１において、微生物を含む液体２は液上昇流容器１１の下端側の液供給部１３から供給され、ガス３は反応器１０における５箇所の位置に設けられるガス注入部４（４Ａ、４Ｂ、…４Ｅ）からガス量制御部７で制御されたガス量のガス３が注入される。このとき、ガス量制御部７は、図１及び図３に示すように、指標監視部５（５Ａ、５Ｂ、…５Ｅ）と、これらに対応する各ガス制御領域Ｍ（ＭＡ、ＭＢ、…ＭＥ）のガス注入部４（４Ａ、４Ｂ、…４Ｅ）との点線矢印のペアをそれぞれ調整するように制御する。すなわち、例えば第１指標監視部５Ａで得られる指標ｙが所定の基準値より小さい場合には第１ガス注入部４Ａのガス量を増やすように制御する。しかし、ガス量の総量が決まっているときには、ガス量の総量が一定になるようにガス配分量を変える。
なお、本実施の形態のガス量制御方法において、前記指標ｙが設定された基準値より大きい値を示すように定義されたとする場合には、この指標ｙが基準値以下となるように制御されることは言うまでもない。
【００６０】
そして、注入されたガス３の気泡は、液上昇流容器１１内で液体２の上昇流とともに上昇しながら、液体２中に含まれる微生物により代謝される。これによりエタノールが得られる。液上昇流容器１１で液体２に溶解され残ったガス３の一部は、液上昇流容器１１の頂部に配置されるガス排出口１５から外部へ排出される。さらに、液上昇流容器１１の上部に達した液体２は液下降流容器１２に向けて移動する。
このとき、循環ポンプ１４によって液下降流容器１２内の液体２に下降流が形成されるので、液下降流容器１２内における液体２のガス３の浮上を抑えることができる。
【００６１】
さらに、合成されたエタノールは、液上昇流容器１１の下部から分岐して設けられるエタノール溶液抽出配管（不図示）から取り出されて適宜な回収手段により精製回収される。
【００６２】
図３に示すように、メインループを構成する反応器１０に各ガス注入部４（４Ａ、４Ｂ、…４Ｅ）では、ガス量制御部７によって制御されたガス量のガス３が液体２中に注入される。このとき、多点（５箇所）のガス注入部４によってガス３が注入されるので、気泡が液上昇流容器１１の上部に到達する前に気泡中の一酸化炭素が消費されることにより枯渇することを抑制することができる。また、液体２中に一酸化炭素が過剰になることを防止でき、無駄なく効率よくガス３を供給することができ、コストの増大を抑制することができる。
【００６３】
なお、上述したように、反応器１０に注入されるガス注入量の総量が一定量に固定されているときに、予め複数のガス注入部４Ａ、４Ｂ、…４Ｅにおけるガス注入量の仮想パターンの比率になるように、ガス注入量の総量を各ガス注入部４Ａ、４Ｂ、…４Ｅで分配するように制御すようにしてもよい。
【００６４】
次に、上述した反応器、及びこれを用いたガス量制御方法の作用について図面を用いて詳細に説明する。
図１及び図３に示すように、本実施の形態では、所定のガス制御領域Ｍで流通方向Ｇの最下流部に設けられた指標監視部５でガス３を監視し、そのガス３の一酸化炭素のモル濃度をガス成分計測部６で計測した後、ガス量制御部７において一酸化炭素に関するガス枯渇を示す指標ｙが予め設定された基準値よりも小さいときにこの基準値以上となるガス量を、指標監視部５が位置するガス制御領域Ｍ内のガス注入部４から液体２中に注入するように制御することができる。
このように本実施の形態では、各ガス注入部４の上流側近傍で当該ガス注入部４に位置するガス制御領域Ｍの上流側に隣接するガス制御領域Ｍのガス３を監視する方法であるため、この監視は下流のガス注入部４から注入されるガスの影響を受けることがない。そのため、ガス成分の計測を容易にかつ安定して行うことができ、各ガス注入部４におけるガス注入量を精度よく管理することができる。そして、各ガス注入部４におけるガス注入量を監視するとともに制御することができることから、反応器１０における任意の位置に多点でガス注入部４を配置することが可能となり、反応器１０全体のガスの均一化を図ることができる。
したがって、本実施の形態では、液体２内における部分的なガス３の枯渇を抑制することができ、枯渇解消のために不必要にガス３を流す必要がなくガス３の費用を抑えた運転が可能となり、液体２に溶解させることによる生産コストの低減を図ることができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、反応器１０内に上下に長く延びるループ状の循環流路が形成されるので、液上昇流容器１１で上昇して消費されずに残ったガス３を再び液下降流容器１２に流入させて循環させることができる。そして、循環流路の任意の位置に多点でガス注入部４Ａ、４Ｂ、…４Ｅを配置できるので、液体２及びガス３を効率よく使用することが可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態では、指標監視部５で監視するガス３を固体除去部５２によって微生物が取り除かれるため、微生物を含まない気液混合流体からガスの指標を監視することができ、ガス成分計測部６で計測される一酸化炭素のモル濃度の計測精度を向上させることができる。
【００６７】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態によるガス量制御システム及びガス量制御方法として、上述した第１の実施の形態とは異なるアルゴリズムについて説明する。
本実施の形態は、図２及び図３に示すように、ガス量制御部７において、ガス枯渇位置Ｎの複数の一酸化炭素に関するガス枯渇を示す指標が等しくなるようにガス量を制御し、その制御したガス量を、指標監視部５が位置するガス制御領域Ｍ内のガス注入部４から液体中に注入する制御方法となる。すなわち、第２の実施の形態では、ガス枯渇位置Ｎにおける一酸化炭素の枯渇点（以下、ＣＯ枯渇点という）で一酸化炭素における反応器１０の体積当たりの分子数等の指標（以下、指標ＣＯ（ｎ）、ｎはガス制御領域Ｍの記号Ａ〜Ｅ）がすべて等しいという原理に基づく算定方法となっている。
【００６８】
具体的には、図５に示すように、先ずＣＯ枯渇点の指標ＣＯ（ｎ）の平均値ＣＯａｖｅを求める（ステップＳ１）。次に、ステップＳ２において、複数のＣＯ枯渇点のうちｎ番目のＣＯ枯渇点の指標ＣＯ（ｎ）と前記平均値ＣＯａｖｅとの差を求める。次いで、ステップＳ３において、ｎ番目の注入点（ガス注入部４）のガス量比ｚ（ｎ）を、（６）式に基づいて修正する。ここで、（６）式中αは定数であって固定値であるが、システムによって異なる値をとるものである。
【００６９】
さらに、ステップＳ４で（６）式において、Δｚ（ｎ）がほぼ０であるか否かを判別する。Δｚ（ｎ）が０である場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、当該ガス枯渇位置の指標ＣＯ（ｎ）が平均値ＣＯａｖｅと同一となった状態であるので、ステップＳ５においてガス量比ｚ（ｎ）に基づいて当該ｎ番目のガス注入部４よりガスが注入され、制御は終了となる。一方、Δｚ（ｎ）が０にならないガス枯渇位置の場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ステップＳ６において、（７）式を使用し、各ガス量比ｚ（ｎ）を、それぞれの合計Σｚ（ｎ）（＝ｓｕｍ）が１となるように規格化し、さらにステップＳ１に戻って制御フローを継続する。なお、（７）式は、右辺の値を新しいｚ（ｎ）にするという意味である。
このように本第２の実施の形態では、各ＣＯ枯渇点の指標ＣＯ（ｎ）が平均値ＣＯａｖｅよりも小さい場合にはガス配分を増やし、大きい場合にはガス配分を減らすという制御方法となる。なお、本実施の形態では、ガス枯渇位置の指標ＣＯ（ｎ）として、平均値を目標にして制御を行うが、目標値は平均値である必要はない。この目標値は最大の指標ＣＯ（ｎ）より小さく、かつ最小の指標ＣＯ（ｎｍｉｎ）より大きければよく、最大の指標ＣＯ（ｎｍａｘ）と最小の指標ＣＯ（ｎ）を足して２で割った値等でもよい。
【００７０】
【数４】
2018074916.tif 000006
【００７１】
このように、第２の実施の形態では、複数のガス制御領域Ｍにおけるガス枯渇位置での指標ＣＯ（ｎ）がすべて同一となるようにガス量を調整することにより、指標ＣＯ（ｎ）の最低点を最も高い値に保つことができる。つまり、複数のガス枯渇位置での指標ＣＯ（ｎ）が異なる場合に、その中の最低ガス指標を有するガス制御領域Ｍのガス量を少し上げ、その上げた分を他のガス制御領域Ｍのガス量を均等に下げることにより、最低値を示すガス指標を少し上昇させることができる。そして、このガス指標の上昇量が十分に小さければ、最低ガス指標を有するガス制御領域Ｍのガス量は変化しないことになる。これはこのような操作ができれば最低ガス指標が上昇し得ることを意味しており、この操作ができなくなるまで、すなわちガス枯渇位置の指標ＣＯ（ｎ）がすべて同一になるまで継続することにより最低のガス指標を上昇させるように制御される。つまり、複数のガス枯渇位置のそれぞれにおいてガス指標が同一である時には、その系の指標ＣＯ（ｎ）が最適化された状態となり、ガス指標の最低値を高い値とすることができる。
【００７２】
次に、上述した実施の形態によるガス量制御システム及びガス量制御方法の効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。
【００７３】
（実施例１）
実施例１は、上述した実施の形態と同様のループリアクターにおいて、図１に示す反応器の液上昇流容器１１と液下降流容器１２におけるガス分圧を計測した結果に基づいて目標とするガス注入量を算出して、そのガス注入量を注入する解析によるシミュレーションにより、上述した実施の形態の効果を確認したものである。
実施例１のループリアクターは、液上昇流容器１１の高さを８ｍとし、液上昇流容器１１と液下降流容器１２はそれぞれ同じ断面積とした一酸化炭素及び水素資化細菌が入った循環型の気泡塔を採用した。ここで気泡塔内の液体は、上述した実施の形態と同様に紙面に向かって時計回りに循環している。液上昇流容器１１内と液下降流容器１２内を循環する液体の循環速度は、１００ｃｍ／ｓとした。
【００７４】
図６（ａ）は、液上昇流容器１１の下端の位置（第１ガス注入部４Ａ）からガス量が０．０９３ｍｏｌ／ｓｅｃ、絶対圧力２気圧（濃度４０％）としたガスを注入したときにおいて、反応器における各セクション（流路方向に５０ｃｍの間隔で区画された領域）中の一酸化炭素の分圧を示している。
ここで、図６（ａ）、（ｂ）において色の薄い領域は、気泡中に一酸化炭素が残っていない領域（枯渇している領域）であり、色の濃い領域では一酸化炭素が多く存在する領域を示している。
【００７５】
図６（ｂ）は、図中の領域Ｘ（液下降流容器１２の下流側で液上昇流容器１１の直前の位置）のセクションの一酸化炭素分圧Ｐｅｎｄ（Ｐａ）が目標のガス注入量Ｐｔで５００Ｐａになるように、液下降流容器１２の上方の位置（第２ガス注入部４Ｂ）のみから０．００５７ｍｏｌ／ｓｅｃの同種のガスを注入した。
【００７６】
（実施例２）
実施例２は、上述した実施例１と同様の解析方法によりシミュレーションを行ったものであり、目標として決定したガス注入量Ｐｔを２箇所の注入部（第１ガス注入部４Ａ及び第２ガス注入部４Ｂ）から同種のガスを注入した。
図７（ａ）は、液上昇流容器１１の下端の位置（第１ガス注入部４Ａ）からガス注入量が０．０９３ｍｏｌ／ｓｅｃ、絶対圧力２気圧（濃度４０％）としたガスを注入したときにおいて、反応器における各セクション（流路方向に５０ｃｍの間隔で区画された領域）中の一酸化炭素の分圧を示している。図７（ｂ）は、図中の領域Ｘ（液下降流容器１２の下流側で液上昇流容器１１の直前の位置）のセクションの一酸化炭素分圧（Ｐｅｎｄ）を目標のガス注入量Ｐｔが５００Ｐａになるように、第１ガス注入部Ｐ１で０．０８７ｍｏｌ／ｓｅｃ、第２ガス注入部４Ｂで０．００６ｍｏｌ／ｓｅｃの同種のガスを注入した状態の分圧を示している。
このように、ガス注入部４Ａ、４Ｂのガス注入量を設定することで、所定のセクションの一酸化炭素を目標値とすることができる。
【００７７】
以上、本発明によるガス量制御システム及びガス量制御方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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で適宜変更可能である。
【００７８】
また、本実施の形態では、液体２中の微生物がガスを資化する一例を示しているが、これに限定されることはなく、ガス３の酸化剤として使用するものであってもかまわない。
【００７９】
さらに、ガス注入部４の数量、位置は、上述した実施の形態に限定されることはなく、全数としては２箇所以上であればよい。
【００８０】
また、本実施の形態では、循環流路を形成する反応器１０を備えたループリアクター１を対象としているが、循環しないワンパスのリアクターであってもかまわない。さらに、本実施の形態では、反応器１０が上下に長い構成であって、液体２も上下方向に流れを形成する形態としているが、これに制限されることはなく、例えば下水処理に使用されるような平面的に液体を循環させる容器内に構成で、液体の上昇下降が可能な堰が設けられたような形態にも本発明を適用することができる。
【００８１】
さらにまた、図８に示すループリアクター１Ａのように、反応器１０のメイン流路に対して、並列に接続されたエタノール抽出ライン１６（サブ流路）を備えた構成とすることも可能である。この場合、エタノール抽出ライン１６は、反応器１０の下側において、一部の液体２およびガス３が分岐の直後におかれたポンプ１６ｂでエタノール抽出ライン１６に流入され、エタノール抽出手段１６ａに送られ、液体２からエタノールが抽出され、抽出後の液体２がサブ流路を経由して反応器１０に戻される。
そして、エタノール抽出ライン１６のみで第６ガス注入部４Ｆ（４）及び第６指標監視部５Ｆ（５）を有する第６ガス制御領域（不図示）が設定されている。つまり、第６ガス制御領域において、第６指標監視部５Ｆで抽出されたガス３の一酸化炭素に基づいてガス量が制御されたガスが、第６指標監視部５Ｆの上流側に位置する第６注入部４Ｆから注入される。ここで、エタノール抽出手段１６ａでガスが抽出エタノール側へ移行する場合は、抽出部以降でガス枯渇が起きるのでエタノール抽出手段１６ａの下流直下の位置においてガス注入点４Ｆ’からガス注入を行ってもよい。
このように、サブ流路を備えている場合であっても、サブ流路のみでガス注入部４及び指標監視部５を設けてガス制御領域Ｍのガス濃度を制御することができ、メイン流路への影響を抑えることができる。
【００８２】
また、エタノールの抽出位置についても、本実施の形態に制限されることはなく、他の位置であってもよい。
さらにまた、液上昇流容器１１や液下降流容器１２の高さや、断面積、径寸法などの構成についても、エタノールの生産量等の条件に合わせて設定することができる。
【００８３】
また、本実施の形態では、ガスの指標監視部５が必ずしも最下流部である必要はないが、指標監視部５から一つ下流側のガス注入部４までのガス状態の制御は不安定になりやすい。
【００８４】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１、１Ａ  ループリアクター
２  液体
３  ガス
４、４Ａ〜４Ｆ  ガス注入部
５、５Ａ〜５Ｆ  指標監視部
６  ガス成分計測部
７  ガス量制御部
１０  反応器
１０Ａ  ガス計測装置
１１  液上昇流容器
１２  液下降流容器
１３  液供給部
１４  循環ポンプ
１５  ガス排出口
１６  エタノール抽出ライン
５２  固体除去部（代謝停止手段）
Ｇ  流通方向
Ｍ、ＭＡ〜ＭＥ  ガス制御領域
Ｎ、ＮＡ〜ＮＥ  ガス枯渇位置  
【図１】
2018074916.tif 000007
【図２】
2018074916.tif 000008
【図３】
2018074916.tif 000009
【図４】
2018074916.tif 000010
【図５】
2018074916.tif 000011
【図６】
2018074916.tif 000012
【図７】
2018074916.tif 000013
【図８】
2018074916.tif 000014