(57)【要約】【課題】培養槽内の培養液の液面上の泡沫を効率的に消泡する。【解決手段】培養槽１０内における培養液９０中で微生物を培養する。基質ガス供給部１４から培養液９０に基質ガスを供給する。超音波照射手段３０によって、培養液９０の液面９１上の泡沫９２に超音波３９を照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液内で微生物を培養する培養装置であって、
前記培養液を収容する培養槽と、
前記培養槽内の培養液に基質ガスを供給する基質ガス供給部と、
前記培養液の液面上の泡沫に超音波を照射する超音波照射手段と、
を備えたことを特徴とする培養装置。
【請求項２】
前記超音波照射手段が、超音波振動子と、前記超音波振動子を前記液面より上方に離して保持する振動子保持部材と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
【請求項３】
前記振動子保持部材を前記液面の高さに応じて昇降させる昇降手段を、更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の培養装置。
【請求項４】
培養槽内における培養液中で微生物を培養する培養工程と、
前記培養液に基質ガスを供給するガス供給工程と、
前記培養液の液面上の泡沫に超音波を照射する超音波照射工程と、
を備えたことを特徴とする微生物培養方法。
【請求項５】
前記基質ガスが、合成ガスであり、
前記微生物が、前記合成ガスから有機物を発酵生成する嫌気性のガス資化性微生物であることを特徴とする請求項４に記載の微生物培養方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物を培養液で培養する装置及び方法に関し、特に、培養液上の泡沫を消泡し、ないしは前記泡沫の量を調節するのに適した培養装置及び培養方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の微生物は、発酵作用によって基質ガスからエタノール等の有価有機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、培養液中で培養される。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８，６５８，４１５
【特許文献２】米国公開公報ＵＳ２０１３／００６５２８２
【特許文献３】特開２０１４−０５０４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の培養装置では、基質ガスの供給や発酵反応等によって、培養液の液面上に泡沫が出来やすい。泡沫が過度に成長すると、排出ガスラインを介して後段ガス処理部等に泡沫が入り込んで故障させたり、コンタミネーションの原因になったりする等、種々の不具合を引き起こすおそれがある。泡対策は急務である。
消泡方法として、培養液に消泡剤を添加することが考えられるが、培養液の気液界面におけるガス溶存率が下がり、ガス発酵反応の効率が下がるおそれがある。
また、培養槽内の培養液の一部を取り出し、培養槽の上端部へ戻して培養液の液面上に散布することが考えられるが、構造が複雑になる。
また、泡切り羽根を回して泡を掻き取ることが考えられるが、掻き取った泡が消えるわけではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係る装置は、培養液内で微生物を培養する培養装置であって、
前記培養液を収容する培養槽と、
前記培養槽内の培養液に基質ガスを供給する基質ガス供給部と、
前記培養液の液面上の泡沫に超音波を照射する超音波照射手段と、
を備えたことを特徴とする。
本発明に係る微生物培養方法は、培養槽内における培養液中で微生物を培養する培養工程と、
前記培養液に基質ガスを供給するガス供給工程と、
前記培養液の液面上の泡沫に超音波を照射する超音波照射工程と、
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
前記培養液の上面には、基質ガス供給や発酵反応等によって泡沫が出来やすい。この泡沫が過剰になったときは、超音波照射手段から泡沫に超音波を照射する。泡径や泡成分等に応じて超音波の振動数等を調節する。これによって、効率的に消泡できる。ないしは、泡沫量を調節できる。
前記基質ガスが、合成ガスであり、前記微生物が、前記合成ガスから有機物を発酵生成する嫌気性のガス資化性微生物であることが好ましい。
前記有機物としては、エタノール等のアルコールや酢酸が挙げられる。
【０００７】
前記超音波照射手段が、超音波振動子と、前記超音波振動子を前記液面より上方に離して保持する振動子保持部材と、を含むことが好ましい。
これによって、培養液の発泡が促進されるのを防止できる。
超音波振動子は、少なくとも培養液の液面よりも上方へ離れて配置されていればよい。超音波振動子が泡沫の内部に挿し入れられ、超音波が泡沫に直接照射されるようになっていてもよい。超音波振動子が泡沫よりも上方に離れて配置されることで、超音波が空気を伝播媒体として泡沫に照射されるようになっていてもよい。
前記振動子保持部材に通気部が形成されていることが好ましい。
培養液の液面から基質ガス成分や発酵副生成ガス成分等を含むガスが上昇してきたら、通気部を通して振動子保持部材よりも上方へ導くことができ、確実に廃棄処理できる。
【０００８】
前記超音波照射手段は、前記培養槽に位置固定されていてもよく、前記培養槽に対して昇降可能であってもよい。
前記培養装置が、前記振動子保持部材を前記液面の高さに応じて昇降させる昇降手段を、更に備えていてもよい。
これによって、泡沫の量を確実に調節できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、培養槽内の培養液の液面上の泡沫を効率的に消泡したり、泡沫量を調節したりできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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示す縦断面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う平面断面図である。
【図３】図３は、前記培養装置において、泡沫の上側部分を消泡する状態を示す縦断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態を示し、培養槽の上側部分の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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〜図３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を培養している。ガス資化性微生物としては、前掲特許文献等に開示されたものを用いることができる。ガス資化性微生物は、基質ガスｇから有価有機物（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。
【００１２】
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。図示は省略するが、本実施形態における基質ガス生産施設は、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（廃棄物焼却炉）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。
【００１３】
培養装置１は、培養槽１０を備えている。培養槽１０は、主槽部１１と、還流部１２を含むループリアクター構造になっている。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内に培養液９０が収容されている。培養液９０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。培養液９０中でガス資化性微生物が培養されている。更に、培養液９０には、エタノール等の発酵生成物が含まれている。
【００１４】
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〜中間部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。
【００１５】
主槽部１１の底部には基質ガス供給ノズル１４（基質ガス供給部）が設けられている。基質ガス供給ノズル１４は、例えば散気管によって構成されている。前記廃棄物処理施設からの基質ガス供給ライン１５が、基質ガス供給ノズル１４に接続されている。
主槽部１１の上端部から排出ガスライン１６が延びている。図示は省略するが、排出ガスライン１６には、脱硫装置等の後段ガス処理部が設けられている。
【００１６】
培養液９０は、基質ガス供給や発酵作用等によって泡沫９２が出来やすい。泡沫９２は、多数の気泡からなり、主槽部１１内の培養液９０の液面上に１つの集まりになって浮かんでいる。
【００１７】
培養槽１０には、前記泡沫９２に対する消泡手段として、超音波照射手段３０が設けられている。超音波照射手段３０は、複数の超音波振動子３１と、振動子保持部材３２を含む。吊り柱３３が、主槽部１１の天板から主槽部１１の内部に垂下されている。吊り柱３３の下端部に振動子保持部材３２が支持されている。振動子保持部材３２は、円盤形状になっており、その中心部が吊り柱３３に連結されている。振動子保持部材３２は、培養液９０の液面９１よりも上方に配置されている。図２に示すように、超音波振動子３１には複数の通気口３２ａ（通気部）が形成されている。
【００１８】
図１に示すように、主槽部１１内における液面９１より上側の空間が、振動子保持部材３２によって上下に仕切られている。通気口３２ａを介して、振動子保持部材３２より上側の空間部分と振動子保持部材３２より下側の空間部分とが連通されている。
【００１９】
振動子保持部材３２に超音波振動子３１が保持されている。超音波振動子３１は、例えば鉛直な棒状になっている。超音波振動子３１の両端部が、振動子保持部材３２よりも上下に突出されている。超音波振動子３１の下端部は、液面９１よりも上方に離れて位置されている。
図２に示すように、複数の超音波振動子３１が、振動子保持部材３２の面内に分散して配置されている。
【００２０】
図１に示すように、超音波振動子３１に振動子駆動源３４が接続されている。振動子駆動源３４からの供給エネルギーによって、図３に示すように、超音波振動子３１から超音波３９が放射される。超音波３９は、例えば超音波振動子３１から周囲３６０°方向へ水平に放射される。好ましくは、超音波３９は、超音波振動子３１における振動子保持部材３２よりも下側の部分からも上側の部分からも放射され、より好ましくは、超音波振動子３１のほぼ全長域から放射される。
なお、超音波３９が超音波振動子３１から局所的な方向へ放射されるようになっていてもよい。
超音波３９は、超音波振動子３１から下方すなわち培養液９０へは放射されないようにすることが好ましい。
超音波振動子３１の振動数や振幅などは、泡沫９２の泡径や泡成分等に応じて適宜設定できる。
【００２１】
前記培養装置１による培養方法を説明する。
＜培養工程＞
培養槽１０内における培養液９０中でガス資化性微生物を培養する。
＜循環工程＞
循環ポンプ１３によって培養液９０を主槽部１１と還流部１２との間で循環させる。
＜ガス供給工程＞
前記廃棄物処理施設からの基質ガスｇを、基質ガス供給ノズル１４から主槽部１１内の培養液９０に供給する。
＜発酵工程＞
ガス資化性微生物は、基質ガスｇからエタノール等の有価有機物を発酵生成する。
＜ガス排出工程＞
主槽部１１の液面９１から基質ガス成分や発酵副生成ガス成分等を含むガスが放出される。このガスは、通気口３２ａを通って、振動子保持部材３２より上側の空間部分に入る。更に排出ガスライン１６から後段ガス処理部へ送ることができる。
＜精製工程＞
培養槽１０から培養液９０の一部を取り出し、蒸留器（図示省略）へ送って蒸留する。これによって、エタノール等の有価有機物を抽出できる。
【００２２】
＜泡沫形成工程＞
主槽部１１の培養液９０においては、基質ガス供給や発酵反応等によって液面９１上に泡沫９２が出来やすい。
この泡沫９２が過剰に成長すると、やがて、図３に示すように、超音波振動子３１の振動子保持部材３２より下側部分が泡沫９２の上側部分９２ａ内に埋まる。
＜超音波照射工程＞
泡沫９２が過剰になったときは、振動子駆動源３４によって超音波振動子３１を超音波振動させ、超音波振動子３１から超音波３９を放射する。この超音波３９が、泡沫上側部分９２ａに照射される。図３において二点鎖線にて示すように、この超音波３９の作用によって、泡沫上側部分９２ａ（過剰部分）を消滅（消泡）させることができる。この結果、泡沫９２の量を制御することができる。
図３において三点鎖線にて示すように、泡沫９２は、通気口３２ａを通して振動子保持部材３２よりも上側へ進展する場合もある。この泡沫上側部分９２ａ’は、振動子保持部材３２よりも上側の超音波振動子３１からの超音波によって消泡できる。
これによって、泡沫９２が排出ガスライン１６を介して後段ガス処理部等に入り込んで故障させたり、コンタミネーションの原因になったりするのを回避できる。
超音波振動子３１を培養液９０の液面９１から上方に離して配置することで、培養液９０中に超音波が照射されて発泡が逆に促進されるのを回避できる。
【００２３】
本実施形態の消泡方法によれば、消泡剤を用いる必要が無く、発酵反応効率を確保できる。
超音波発生手段３０は、培養槽内の培養液の一部を取り出して培養槽の上端部から散布するものや、泡切り羽根を使うもの等と比べ、構造を簡素化できる。
更に、培養装置１によれば、付帯効果として、超音波照射手段３０を培養槽１０内の洗浄や脱気等に利用でき、培養準備工程を短縮できる。
【００２４】
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形態と重複する構成に関しては図面に同一符号を付して説明を省略する。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態を示したものである。第２実施形態の培養装置１Ｂの超音波照射手段３０Ｂにおいては、吊り柱３３（図１）が省略されている。これに代えて、複数の浮き子３５（昇降手段）が設けられている。これら浮き子３５が、液面９１上に浮かべられるとともに、連結柱３６を介して振動子保持部材３２ひいては超音波振動子３１を下から支持している。連結柱３６は、振動子保持部材３２から垂下されている。連結柱３６の下端部が超音波振動子３１よりも下方へ延び出ている。連結柱３６の下端部に前記浮き子３５が設けられている。浮き子３５は、超音波振動子３１よりも下方に位置されている。
振動子保持部材３２ひいては超音波振動子３１は、主槽部１１内において昇降可能になっている。
【００２５】
液面９１の高さが変わると、これに追従して、浮き子３５が昇降される。これによって、振動子保持部材３２ひいては超音波振動子３１を液面９１の高さに応じて昇降させることができる。したがって、液面９１の高さ変動に拘わらず、液面９１から超音波振動子３１までの距離をほぼ一定にできる。この結果、図４において二点鎖線にて示すように、超音波振動子３１の下端部よりも上側に進展して来た泡沫部分９２ａを超音波３９にて消泡することで、液面９１上の泡沫９２の厚みを液面９１の高さに依らずほぼ一定に維持できる。
【００２６】
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、超音波振動子３１が泡沫９２に埋まった状態で超音波３９を泡沫９２に直接的に照射するのに限られず、超音波振動子３１が泡沫９２の上方に離れた位置から泡沫９２に超音波３９を照射するようにしてもよい。すなわち、超音波３９は、超音波振動子３１から液面９１へ垂直下方、または培養槽１０の頂部へ垂直上方に照射されるようにしても良い。超音波３９は、超音波振動子３１から水平、垂直を含む全方向へ照射されるようにしてもよい。
培養槽１０は、ループリアクター型に限られず、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、充填型、オープンポンド型、フォトバイオ型等であってもよい。
反応槽が、複数段設けられていてもよい。
基質ガス生産施設は、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。
第２実施形態の変形例として、振動子保持部材３２ひいては超音波振動子３１が、昇降スライダ（昇降手段）によって昇降可能になっていてもよい。液面９１の高さをセンサで検知し、検知結果に基づいて昇降スライダによって振動子保持部材３２ひいては超音波振動子３１を高さ調節してもよい。
有価有機物は、エタノールに限られず、ブタノールや酢酸等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、例えば産業廃棄物の焼却処理で生じるシンガス中の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。
【符号の説明】
【００２８】
ｇ            基質ガス
１，１Ｂ      培養装置
１０          培養槽
１１          主槽部
１２          還流部
１３          循環ポンプ
１４          基質ガス供給ノズル（基質ガス供給部）
１５          基質ガス供給ライン
１６          排出ガスライン
３０，３０Ｂ  超音波照射手段
３１          超音波振動子
３２          振動子保持部材
３２ａ        通気口（通気部）
３３          吊り柱
３４          振動子駆動源
３５          浮き子（昇降手段）
３６          連結柱
９０          培養液
９１          液面
９２          泡沫
９２ａ，９２ａ’  泡沫上側部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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