クロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置
【課題】 一連の生産工程において、クロレラ生産と微生物を用いた水素生産とを可能とし、クロレラの工業的生産とともに水素の量産化・工業化とともに図ることができる方法および装置を提供する。
【解決手段】 一連の工程として、暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、前記クロレラ生産工程後の培地に、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、一連の工程においてクロレラと水素の２つの生産とを可能とする。
【解決手段】 一連の工程として、暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、前記クロレラ生産工程後の培地に、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、一連の工程においてクロレラと水素の２つの生産とを可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロレラ生産と水素生産の方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界のクロレラは、生育温度２０〜４０℃、ｐＨ５〜９で生育し、通常は独立栄養性で光合成を行い、無性生殖による細胞分裂で２〜６個の娘細胞を形成して増殖する。
しかし、工業的生産工程においてクロレラを増殖する場合、日光照射による独立培養では、天候、季節による日光照射量の変動が大きいという問題や、微生物等の汚染を受けやすいという問題があり生産が安定しない。
そこで、クロレラをタンク内に入れて外界と遮断し、暗培養にてグルコース等を炭素源とする従属栄養で培養する方法が模索されている。暗培養とは、日光照射を利用せず、グルコースなどの有機化合物を炭素源およびエネルギー源として培養を行う、従属栄養的培養を意味する。
暗培養にて従属栄養により増殖したクロレラは、日光照射で独立栄養により増殖したクロレラに比べ、クロロフィルの含有率が少なく緑色が退色するという問題があるものの、クロレラは従属栄養で培養するほうがはるかに増殖効率が良いことも分かってきた。
【０００３】
一方、微生物を利用した水素生産も産業界から期待されている。
微生物を用いた水素生産の大きな課題は、水素生産速度と水素生産コストの２つである。
水素生産速度の速い微生物は研究が進み、水素生産速度の速い様々な微生物が発見されており、例えば、エンテロバクターやクロストリジウムなどが注目されている。化石燃料に依存しないクリーンな水素製造の工業化・量産化が確立することは、地球温暖化対策に貢献し、京都議定書における温室効果ガス６％削減の公約達成に大きく寄与し、独自のエネルギー安全保障の上でも有効である。水素エネルギーは燃料電池として高い効率で電気エネルギーへ変換できること、発熱量が石油の３〜４倍で、燃焼後は水を生じて環境汚染の恐れが少ない等の利点を有している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０１４７００号公報
【特許文献２】特開２００６−１８０７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、微生物を用いた水素生産の大きな課題は、水素生産速度と水素生産コストの２つである。水素生産速度の面からエンテロバクターやクロストリジウムなどの水素生産速度の速い微生物を用いた水素生産が研究されている。
【０００６】
しかし、現在、水素生産が高速であると言われているエンテロバクターの培養法では高価な培地の使用を前提としており、水素生産コストが高くなることが問題である。例えば、培地としてコーンスティープリカーなどが用いられている。
そのため、エンテロバクターやクロストリジウムという微生物を用いた水素生産では、水素生産速度を高めるだけではなく、商業ベースにのせるまでの水素生産コストの低減のためにさらなる努力が求められている。
【０００７】
ここで、水素生産コストを低減して商業ベースにのせるための方策として、生産工程の簡略化、製造設備の削減を図る努力がなされているが、他の有力な方策としては、水素以外に商業的に価値のある生産物を一連のサイクルにおいて併せて生産することが考えられる。しかし、従来技術において、水素生産サイクルにおいて商業的に価値のある生産物を生産するサイクルは知られていない。
【０００８】
一方、クロレラ増殖は日光照射下の明培養で独立栄養により増殖することが多いが、クロレラの生産速度を重視し、暗培養にてグルコース等を炭素源として従属栄養で培養する方法が可能である。クロレラは食用としての価値も高く、今後ますます生産技術の開発とともに生産量が増えることが期待される。
【０００９】
本発明の発明者らは、クロレラの食材として価値、水素の価値に注目し、一連の工程において両者を効率的かつバランス良く工業的に生産することを研究し、両者の生産速度と生産コストについて相乗効果を得ることを目指した。
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、一連の生産工程において、クロレラ生産と微生物を用いた水素生産とを可能とし、クロレラの工業的生産とともに水素の量産化・工業化とともに図ることができる方法および装置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】
【００１０】
本発明者らは、鋭意研究の結果、以下のとおり、一連の工程において、クロレラ生産と、微生物を用いた水素生産を可能とし、水素の量産化・工業化とともにクロレラの工業的生産を図ることができるクロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置を発明するに至った。
【００１１】
本発明のクロレラ・水素生産方法は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法である。
ここで、中和剤となる前記バッファーはリン酸などが好ましい。
【００１２】
また、本発明の他のクロレラ・水素生産方法は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法である。
ここで、前記水素生産菌はクロストリジウムなどを用いることが好ましい。
【００１３】
また、本発明のクロレラ・水素生産装置は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置である。
ここで、中和剤となる前記バッファーはリン酸などが好ましい。
【００１４】
また、本発明の他のクロレラ・水素生産装置は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、リン酸と炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置である。
ここで、前記水素生産菌はクロストリジウムなどを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のクロレラ・水素生産方法によれば、暗培養にてクロレラを生産する工程と、エンテロバクターを用いた水素を生産する工程とを一連の工程において併せて行うことができ、クロレラと水素の２つの生産が可能となり、両者の生産速度と生産コストについて相乗効果を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明のクロレラ・水素生産装置によれば、暗培養にてクロレラを生産する工程を備えたクロレラ生産装置と、エンテロバクターを用いた水素生産工程を備えた水素生産装置と併用し、クロレラと水素の２つの生産が可能となり、両者の生産速度と生産コストについて相乗効果を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明のクロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置の実施形態を説明する。ただし、本発明の技術的範囲は以下の実施形態に示した具体的な用途や形状・寸法などには限定されない。
【実施例１】
【００１８】
本発明のクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を説明する。
図１は本発明のクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を示すブロック図である。
本発明のクロレラ・水素生産サイクルの基本工程は、クロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、水素生産工程３０、活性汚泥化工程４０の各工程を備えている。
このクロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、水素生産工程３０、活性汚泥化工程４０は連続処理とすることができる。
【００１９】
この一連のクロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、水素生産工程３０、活性汚泥化工程４０の各工程により、クロレラと水素の２つの生産物の生産が可能となる。
【００２０】
水素生産装置の構成例は後述するが、以下に説明する各工程は、パイプあるいは／及びフィルター等を介して連続的に配置されるのが好ましい。各工程を連続的に行うことにより、生産速度を速めることができ、クロレラおよび水素をより効率的に量産化することができる。
【００２１】
まず、クロレラ暗培養工程１０を説明する。
クロレラ暗培養工程１０は、暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラ１を増殖させる工程である。
クロレラ暗培養工程１０は培養槽を備え、培養槽の中にクロレラ１を含む培養液２を保持している。ここで、有機物を炭素源として含む培養液２を添加し、従属栄養にて、暗培養条件下、つまり、光の照射を遮断してクロレラ１の増殖を促進する。ここで有機物には、グルコース、グリセロールなどがある。
【００２２】
例えば、培養液として、下記の培地を用いる。
【００２３】
【表１】
【００２４】
ここで、微量金属混合物Ａ５の組成は、以下の［表２］の組成となっている。
【表２】
培養液のｐＨは８．０、培養タンクの温度は３０℃〜３７℃、攪拌を行った。
【００２５】
フラスコを用いたラボスケールの実験では、クロレラ１の株種によって増殖能力は若干異なるものの、増殖能力が高いものであれば、概ね２４時間で１０倍程度に増殖するという結果が得られる。また、７２時間後の増殖率の平均値としては、２０倍から３０倍程度に増殖する結果が得られる。つまり、各株は暗培養下において、３０℃、３日間程度で十分に培養が可能であると言える。なお、培地の濃度を濃くしてタンク培養を行った場合は、さらに増殖率が高くなることが期待できる。
【００２６】
次に、クロレラ生産工程２０は、クロレラ暗培養工程１０にて培養された培養液２からクロレラ１を抽出・生産する工程である。
クロレラ１の抽出・生産は、クロレラ暗培養工程１０にて培養された培養液２をポンプなどで汲み上げ、フィルターにより濾しとるなどしてクロレラ１と培養液２を分離し、クロレラ１を取り出せば良い。取り出したクロレラ１はその後、健康食品などの食用に加工することで有効活用を行う。
【００２７】
次に、水素生産工程３０は、クロレラ生産工程２０にてクロレラを抽出した後の培地を受け入れ、水素を生産する工程である。実施例１の例では、当該培地にリン酸と炭素源となる有機物とエンテロバクター４ａを添加し、その混合液を攪拌してエンテロバクター４ａによる水素３の生産を行わしめる工程となっている。
【００２８】
エンテロバクター４ａとしては、水素３の生産に適したものであれば利用することができる。例えば、エンテロバクター・アエロゲネス（Enterobacter aerogenes）、エンテロバクター・ゲルゴビエ（Enterobacter gergoviae）、エンテロバクター・クロアカ（Enterobacter cloacae）、およびエンテロバクター・サカザキ（Enterobacter sakazakii）などが水素生産に適している。
【００２９】
なお、エンテロバクター属細菌は、上記に掲げた菌株に限られるものではなく、グリセロールまたはグルコースから水素生産能を有する菌株であれば全て利用可能である。また、本発明における発酵工程では、上記で掲げた種々のエンテロバクター属細菌からなる細菌群から選ばれる１菌株を用いて発酵工程を行なってもよいし、２菌株以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００３０】
クロレラ培養工程１０においてクロレラ１の増殖速度を高速に保つため、ある程度培地の有機物濃度などを維持する必要があり、培養液２はクロレラ１によって完全には消費されず、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液には、栄養はリッチに残存している。本発明において水素生産工程３０においてこの培養廃液に残っている栄養源をエンテロバクター４ａによる水素生産エネルギーとして有効活用する。
【００３１】
ここで、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液のみならず、エンテロバクター４ａの生育に必要な培地成分を補強することが好ましい。補強の培地成分が含まれることによって、エンテロバクター４ａの生育・増殖が活発になり、水素の発酵生産効率がさらに向上する。
【００３２】
上記培地成分としては、エンテロバクター４ａの培養に適したものを適宜添加すればよい。クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に、例えば、炭素源としてのグリセロール、バッファーとしてのリン酸（Ｋ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４等）などを補強すれば水素生産速度が向上することを見出した。また、酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物は、一般に微生物用培地に用いられている成分であり、補強する成分としては好適である。酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物をクロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に添加した場合において、水素３の生産量が向上する。
【００３３】
実施例１の水素生産工程３０は、エンテロバクター４ａが培養液２から水素を発酵生産する工程である。その発酵条件としては、エンテロバクター４ａが水素を発酵生産する条件として好ましい条件であれば特に限定されるものではなく、その発酵方法は連続培養であってもバッチ培養であってもよい。バッチ培養は、タンク内に培養液２とエンテロバクター４ａを投入し、発酵終了後に発酵液を抜き出すという培養方法であり、連続培養はエンテロバクター４ａを担持した担体を発酵槽の中に据え付けておき、培養液２の流入と発酵液の流出を連続的に行なう培養方法である。
【００３４】
また、実施例１における水素生産工程３０は、通気培養であっても、静置培養であってもよい。ただし、通気培養では増殖にエネルギーを使うために目的とする水素３の生産の効率が下がる。よって、攪拌を伴う静置培養の方が好ましいといえる。
【００３５】
連続培養では、その発酵液の流出の際にエンテロバクター４ａが一緒に流出することを防止するためにエンテロバクター４ａの固定化が必須となる。固定化担体を用いてタンク内にエンテロバクター４ａを固定化してもよいし、特に固定化担体を用いることなく増殖したエンテロバクター４ａ同士が自己凝集体（フロック）を形成してタンク内に留まるという方法であってもよい。
【００３６】
エンテロバクター４ａを浮遊細胞として用いるのではなく、エンテロバクター４ａを担体に固定化することで、単位体積当たりの細胞密度を高めることができると共に、細胞活性を安定化することができ、エンテロバクター４ａの作用を長期に渡って持続させることができる。また、固定化されたエンテロバクター４ａが死滅すると自ら容易に担体から外れ、その後、エンテロバクター４ａが新たに増殖等して担体に固着するため、連続的にエンテロバクター４ａの作用を得ることができる。さらに、上記担体は、エンテロバクター４ａを存在させる液体に不溶であるため、エンテロバクター４ａを固定化した担体と、液体とをフィルター等を用いて固液分離により容易に分離することができる。よって、エンテロバクター４ａを固定化した担体のみを回収して再循環させたり、必要な溶液のみを流通させたり、エンテロバクター４ａが混合しないように分離したりすることもできる。
【００３７】
なお、本発明に用いる担体の材質としては、例えば、多孔質ガラスビーズ、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体、シリコンフォーム、セルロース多孔質体等の発泡体あるいは樹脂が好ましい。なお、多孔質体の開口部の大きさは、約１０μｍ〜５００μｍが好適である。また、担体の形状は問わないが、担体の強度、培養効率等を考慮すると、球状あるいは立方体状で、大きさは、球状の場合、直径が１ｍｍ〜５０ｍｍ、立方体状の場合、１ｍｍ〜５０ｍｍ角が好ましい。
【００３８】
また、エンテロバクター４ａの固定化には、例えば、担体結合法、架橋法および包括法等の公知の方法が適用でき、中でも担体結合法が最適である。担体結合法には、イオン交換性の樹脂に吸着させる化学的吸着法あるいは物理的吸着法が含まれる。
なお、水素生産工程３０でのタンク内の温度は、エンテロバクター４ａの育成に適した温度、３０℃〜３７℃、特に、最適温度と言われる３７℃としておくと水素３の生産速度が向上する。
【００３９】
次に、活性汚泥化工程４０は、水素生産工程３０にて水素３の生産が終了した廃液を廃棄するため、最後に土壌菌などにより活性汚泥化処理を行い、廃棄できる形にする工程である。
例えは、水素３の生産が終了した廃液は曝気槽に送られ、曝気槽では好気性の微生物の存在下において曝気が行われ、好気性微生物の働きにより汚水中の有機物が凝集せしめられ、活性汚泥とされる。活性汚泥は曝気槽内において底面に沈降し、汚泥ピットに集められ、回収される。回収された汚泥の一部は曝気槽に戻され、曝気槽に戻された汚泥中に含まれる好気性微生物の利用により培養廃液中の有機物の活性汚泥化が行われる。
【００４０】
（装置構成例）
次に、実施例１にかかるクロレラ生産と水素生産サイクルを一連の工程としたクロレラ・水素生産装置１００の構成例を説明する。
図２は、本発明にかかるクロレラ・水素生産装置１００の構成例を模式的に示した図である。
【００４１】
クロレラ増殖装置１１０は、クロレラ生産工程１０に用いる培養槽であり、クロレラ１を含む培養液２が充填され、暗培養の従属栄養の条件下、クロレラ１の増殖を促進する装置である。暗条件を保つためタンク外壁により光を遮蔽するもので良い。
なお、クロレラ増殖装置１１０では、クロレラ１に対して均等に培地成分を触れさせ、温度も一定に保ち、攪拌して均等に伝達可能な構成とすることが好ましい。そこで、攪拌プロペラが設けられているバイオリアクターや、エアーリフト型のバイオリアクターとすることも可能である。つまり、外壁は光を遮蔽する素材とし、攪拌プロペラ搭載型のバイオリアクターまたはエアーリフト型のバイオリアクターとしたタンクを用いることができる。
【００４２】
クロレラ抽出・生産装置１２０は、クロレラ増殖装置１１０において増殖したクロレラ１の抽出に用いるろ過槽であり、クロレラ増殖装置１１０の増殖工程液の培養液２がクロレラ増殖装置１１０から投入され、ポンプなどで汲み上げて内部に設置されているフィルター等によりクロレラ１を濾しとり、クロレラ１と培養液２とを分離する装置である。
【００４３】
水素生産装置１３０は、内部にエンテロバクター４ａを担持させた担体が備え付けられ、導入パイプから、クロレラ抽出・生産装置１２０においてクロレラ１が抽出され、濾し取られた培養廃液２を導入し、タンク内のエンテロバクター４ａにより発酵させて水素の生産を促進する装置である。生産された水素３は集められ、ボンベ１３１などに貯蔵される。
【００４４】
活性汚泥化装置１４０は、曝気槽１４１を備え、曝気槽１４１中には好気性の微生物が存在している。活性汚泥は曝気槽１４１底面の汚泥ピットに集められ、回収される仕組みとなっている。
【００４５】
これら各装置間は、パイプあるいは／及びフィルター等を介して連続的に配置されるのが好ましい。また、各装置の出口には、フィルターが配置され、クロレラ１やエンテロバクター４ａが槽外へ流出しない構成とすることが好ましい。これにより、水素の生産効率をより高めることができる。上記フィルターとしては、最も多く用いられるのは、ポリスルフォンであるが、これ以外にも、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフロライト等が用いられる。また、各槽は、不要な気体を排出する排出口を備えていても良い。
【実施例２】
【００４６】
実施例２は、水素生産工程３０が、クロレラ生産工程後の培地に炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程となっている例である。
水素生産工程３０以外のクロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、活性汚泥化工程４０は実施例１の各工程と同様で良いので、実施例２での説明では省略し、水素生産工程３０を中心に説明する。
【００４７】
水素生産菌としては、水素３の生産に適したものであれば利用することができ、例えば、クロストリジウム４ｂを利用する。例えば、クロストリジウム ベイジェリンキ（Clostridium beijerinkii）ＡＭ２１Ｂ株や、クロストリジウムｓｐ（Clostridium sp）Ｎｏ.２株、クロストリジウムｓｐ（Clostridium sp）Ｘ５３株等が水素生産に適している。これらはシロアリから分離された細菌の水素生成能をスクリーニングし、より広い基質分解能を示す株となっている。
なお、クロストリジウム属細菌は、上記に掲げた菌株に限られるものではなく、グリセロールまたはグルコースから水素生産能を有する菌株であれば全て利用可能である。
【００４８】
また、本発明における水素生産工程３０では、上記で掲げた種々のクロストリジウム属細菌からなる細菌群から選ばれる１菌株を用いて発酵工程を行なってもよいし、２菌株以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００４９】
クロレラ培養工程１０においてクロレラ１の増殖速度を高速に保つため、ある程度培地の有機物濃度などを維持する必要があり、培養液２はクロレラ１によって完全には消費されず、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液には、栄養はリッチに残存している。本発明において水素生産工程３０においてこの培養廃液に残っている栄養源をクロストリジウム４ｂによる水素生産エネルギーとして有効活用する。
【００５０】
ここで、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液のみならず、クロストリジウム４ｂの生育に必要な培地成分を補強することが好ましい。補強の培地成分が含まれることによって、クロストリジウム４ｂの生育・増殖が活発になり、水素の発酵生産効率がさらに向上する。
【００５１】
上記培地成分としては、クロストリジウム４ｂの培養に適したものを適宜添加すればよい。クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に、例えば、炭素源としてのグリセロールなどを補強すれば水素生産速度が向上することを見出した。また、酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物は、一般に微生物用培地に用いられている成分であり、補強する成分としては好適である。酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物をクロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に添加した場合において、水素３の生産量が向上する。
【００５２】
実施例２の水素生産工程３０は、クロストリジウム４ｂが培養液２から水素を発酵生産する工程である。その発酵条件としては、クロストリジウム４ｂが水素を発酵生産する条件として好ましい条件であれば特に限定されるものではなく、その発酵方法は連続培養であってもバッチ培養であってもよい。嫌気状態にて、培養液２のｐＨを６．０付近、培養温度を３７℃程度に保つと、バッチ培養でも連続培養においても培養液２の培養廃液に残存しているグルコースなどの有機物を水素に変換できる。バッチ培養は、タンク内に培養液２とクロストリジウム４ｂを投入し、発酵終了後に発酵液を抜き出すという培養方法であり、連続培養はクロストリジウム４ｂを担持した担体を発酵槽の中に据え付けておき、培養液２の流入と発酵液の流出を連続的に行なう培養方法である。
【００５３】
実施例２における水素生産工程３０は、通気培養であっても、静置培養であってもよい。ただし、通気培養では増殖にエネルギーを使うために目的とする水素３の生産の効率が下がる。よって、攪拌を伴う静置培養の方が好ましいといえる。
【００５４】
連続培養では、その発酵液の流出の際にクロストリジウム４ｂが一緒に流出することを防止するためにクロストリジウム４ｂの固定化が必須となる。固定化担体を用いてタンク内にクロストリジウム４ｂを固定化してもよいし、特に固定化担体を用いることなく増殖したクロストリジウム４ｂ同士が自己凝集体（フロック）を形成してタンク内に留まるという方法であってもよい。
【００５５】
クロストリジウム４ｂを浮遊細胞として用いるのではなく、クロストリジウム４ｂを担体に固定化することで、単位体積当たりの細胞密度を高めることができると共に、細胞活性を安定化することができ、クロストリジウム４ｂの作用を長期に渡って持続させることができる。また、固定化されたクロストリジウム４ｂが死滅すると自ら容易に担体から外れ、その後、クロストリジウム４ｂが新たに増殖等して担体に固着するため、連続的にクロストリジウム４ｂの作用を得ることができる。さらに、上記担体は、クロストリジウム４ｂを存在させる液体に不溶であるため、クロストリジウム４ｂを固定化した担体と、液体とをフィルター等を用いて固液分離により容易に分離することができる。よって、クロストリジウム４ｂを固定化した担体のみを回収して再循環させたり、必要な溶液のみを流通させたり、クロストリジウム４ｂが混合しないように分離したりすることもできる。
【００５６】
なお、本発明に用いる担体の材質としては、例えば、多孔質ガラスビーズ、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体、シリコンフォーム、セルロース多孔質体等の発泡体あるいは樹脂が好ましい。なお、多孔質体の開口部の大きさは、約１０μｍ〜５００μｍが好適である。また、担体の形状は問わないが、担体の強度、培養効率等を考慮すると、球状あるいは立方体状で、大きさは、球状の場合、直径が１ｍｍ〜５０ｍｍ、立方体状の場合、１ｍｍ〜５０ｍｍ角が好ましい。
【００５７】
また、クロストリジウム４ｂの固定化には、例えば、担体結合法、架橋法および包括法等の公知の方法が適用でき、中でも担体結合法が最適である。担体結合法には、イオン交換性の樹脂に吸着させる化学的吸着法あるいは物理的吸着法が含まれる。
なお、水素生産工程３０でのタンク内の温度は、クロストリジウム４ｂの育成に適した温度、３０℃〜３７℃、特に、最適温度と言われる３７℃としておくと水素３の生産速度が向上する。
【００５８】
（実験）
以下、上記実施例１のクロレラ・水素生産、実施例２のクロレラ・水素生産について実験を行った。
【００５９】
クロレラ増殖装置１１０として、実容積３Ｌの三角フラスコを用いた。
暗培養従属栄養条件としては、緑藻培養液２の主成分は、表１に掲げた培地を用いた。
クロレラ抽出・生産装置１２０としてはフィルターを用いたろ過を行った。
このろ液を培養廃液２として水素生産工程３０における培養廃液２として用いた。
水素生産工程３０のタンクとして、実容積３Ｌの三角フラスコを用いた。水素生産工程３０は遮光する必要がないのでガラス製とした。
【００６０】
実験１では、微生物としてエンテロバクター４ａを用いた。エンテロバクター４ａとしてはエンテロバクター・アエロゲネス（Enterobacter aerogenes）ＨＵ１０１またはエンテロバクター・アエロゲネス（Enterobacter aerogenes）ＨＵ２０１を用いた。微生物の担体としては、ポリビニルアルコールからなる多孔性高分子材料を用いて水素生産を行った。
実験結果として、本発明のクロレラ培養工程１０、クロレラ抽出・生産工程２０、水素生産工程３０による一連の工程によるクロレラ生産と水素生産の両者の生産効果を確認する。
【００６１】
実験２では、微生物としてクロストリジウム４ｂを用いた。クロストリジウム４ｂとしては、グリセロールまたはグルコースから水素生産能を有する菌株であれば全て利用可能であるが、一例としてクロストリジウムベイジェリンキ（Clostridium beijerinkii）ＡＭ２１Ｂ株を用いた。担体としては、ポリビニルアルコールからなる多孔性高分子材料を用いて水素生産を行った。
【００６２】
なお、比較実験として実験３を行った。
実験３では、クロレラ培養廃液ではなく、バイオディーゼル廃液を用いて従来報告されている光合成有機栄養細菌を用いた水素生産量を確認した。
【００６３】
光合成有機栄養細菌は、例えば、ロドシュードモナス（Rhodopseudomonas）属に属するロドシュードモナスパラストリス（Rhodopseudomonas palustris）およびロドシュードモナスアシドフィラ（Rhodopseudomonas acidophila）、ロドスピリラム（Rhodospirillum）属に属するロドスピリラムルブラム（Rhodospirillum rubrum）ＡＴＣＣ１１１７０、同ＩＦＯ３９８６ 等、ロドバクター（Rhodobacter）属に属するロドバクタースフェロイデス（Rhodobacter sphaeroides）、ロドバクターカプスレイタス（Rhodobacter capsulatus）ＡＴＣＣ２３７８２、ＡＴＣＣ１７０１３等、ロドブラム（Rhodovulum）属に属するロドブラムストリクタム（Rhodovulum strictum）、ロドブラムアドリアティカム（Rhodovulum adriaticum）、ロドブラム・サルフィドフィラム（Rhodovulum sulfidophilum）等が挙げられる。
本発明においては、海水サンプルから単離したロドブラム・サルフィドフィラムＷ−１Ｓ（Rhodovulum sulfidophilum W−1S）と名付けた株を用いた。担体としては、ポリビニルアルコールからなる多孔性高分子材料を用いた。
【００６４】
以上の実験１、実験２、実験３の相違点を整理すると以下の［表３］のようになる。
【表３】
【００６５】
上記条件にて実験１、実験２、実験３を実施し、クロレラ培養廃液を利用した微生物による水素生産能力を確認することができる。
【００６６】
実験の結果、それぞれの水素生産は図５のようになった。
図５に見るように、実験１と実験２のいずれも水素生産量は大きく、比較実験である実験３に比べて水素生産量は同等程度はあり、クロレラ培養廃液を培地した有用微生物による水素生産能力の高さを確認することができた。
【００６７】
以上、本発明のおける好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、一連の工程において、クロレラの生産と水素生産の工業的生産を可能とするクロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】実施例１にかかるクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を示すブロック図
【図２】実施例１にかかるクロレラ・水素生産装置１００の構成例を模式的に示した図
【図３】実施例２にかかるクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を示すブロック図
【図４】実施例２にかかるクロレラ・水素生産装置１００の構成例を模式的に示した図
【図５】本発明のクロレラ・水素生産装置と従来型装置との水素生産量の実験結果を比較して示した図
【符号の説明】
【００７０】
１ クロレラ
２ 培養液
３ 水素
４ａ エンテロバクター
４ｂ クロストリジウム
５ 土壌菌
６ 活性汚泥
１０ クロレラ培養工程
２０ クロレラ抽出・生産工程
３０ 水素生産工程
４０ 活性汚泥化工程
１００ クロレラ・水素生産装置
１１０ クロレラ増殖装置
１２０ クロレラ抽出・生産装置
１３０ 水素生産装置
１３１ ボンベ
１４０ 活性汚泥化装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロレラ生産と水素生産の方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界のクロレラは、生育温度２０〜４０℃、ｐＨ５〜９で生育し、通常は独立栄養性で光合成を行い、無性生殖による細胞分裂で２〜６個の娘細胞を形成して増殖する。
しかし、工業的生産工程においてクロレラを増殖する場合、日光照射による独立培養では、天候、季節による日光照射量の変動が大きいという問題や、微生物等の汚染を受けやすいという問題があり生産が安定しない。
そこで、クロレラをタンク内に入れて外界と遮断し、暗培養にてグルコース等を炭素源とする従属栄養で培養する方法が模索されている。暗培養とは、日光照射を利用せず、グルコースなどの有機化合物を炭素源およびエネルギー源として培養を行う、従属栄養的培養を意味する。
暗培養にて従属栄養により増殖したクロレラは、日光照射で独立栄養により増殖したクロレラに比べ、クロロフィルの含有率が少なく緑色が退色するという問題があるものの、クロレラは従属栄養で培養するほうがはるかに増殖効率が良いことも分かってきた。
【０００３】
一方、微生物を利用した水素生産も産業界から期待されている。
微生物を用いた水素生産の大きな課題は、水素生産速度と水素生産コストの２つである。
水素生産速度の速い微生物は研究が進み、水素生産速度の速い様々な微生物が発見されており、例えば、エンテロバクターやクロストリジウムなどが注目されている。化石燃料に依存しないクリーンな水素製造の工業化・量産化が確立することは、地球温暖化対策に貢献し、京都議定書における温室効果ガス６％削減の公約達成に大きく寄与し、独自のエネルギー安全保障の上でも有効である。水素エネルギーは燃料電池として高い効率で電気エネルギーへ変換できること、発熱量が石油の３〜４倍で、燃焼後は水を生じて環境汚染の恐れが少ない等の利点を有している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０１４７００号公報
【特許文献２】特開２００６−１８０７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、微生物を用いた水素生産の大きな課題は、水素生産速度と水素生産コストの２つである。水素生産速度の面からエンテロバクターやクロストリジウムなどの水素生産速度の速い微生物を用いた水素生産が研究されている。
【０００６】
しかし、現在、水素生産が高速であると言われているエンテロバクターの培養法では高価な培地の使用を前提としており、水素生産コストが高くなることが問題である。例えば、培地としてコーンスティープリカーなどが用いられている。
そのため、エンテロバクターやクロストリジウムという微生物を用いた水素生産では、水素生産速度を高めるだけではなく、商業ベースにのせるまでの水素生産コストの低減のためにさらなる努力が求められている。
【０００７】
ここで、水素生産コストを低減して商業ベースにのせるための方策として、生産工程の簡略化、製造設備の削減を図る努力がなされているが、他の有力な方策としては、水素以外に商業的に価値のある生産物を一連のサイクルにおいて併せて生産することが考えられる。しかし、従来技術において、水素生産サイクルにおいて商業的に価値のある生産物を生産するサイクルは知られていない。
【０００８】
一方、クロレラ増殖は日光照射下の明培養で独立栄養により増殖することが多いが、クロレラの生産速度を重視し、暗培養にてグルコース等を炭素源として従属栄養で培養する方法が可能である。クロレラは食用としての価値も高く、今後ますます生産技術の開発とともに生産量が増えることが期待される。
【０００９】
本発明の発明者らは、クロレラの食材として価値、水素の価値に注目し、一連の工程において両者を効率的かつバランス良く工業的に生産することを研究し、両者の生産速度と生産コストについて相乗効果を得ることを目指した。
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、一連の生産工程において、クロレラ生産と微生物を用いた水素生産とを可能とし、クロレラの工業的生産とともに水素の量産化・工業化とともに図ることができる方法および装置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】
【００１０】
本発明者らは、鋭意研究の結果、以下のとおり、一連の工程において、クロレラ生産と、微生物を用いた水素生産を可能とし、水素の量産化・工業化とともにクロレラの工業的生産を図ることができるクロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置を発明するに至った。
【００１１】
本発明のクロレラ・水素生産方法は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法である。
ここで、中和剤となる前記バッファーはリン酸などが好ましい。
【００１２】
また、本発明の他のクロレラ・水素生産方法は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法である。
ここで、前記水素生産菌はクロストリジウムなどを用いることが好ましい。
【００１３】
また、本発明のクロレラ・水素生産装置は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置である。
ここで、中和剤となる前記バッファーはリン酸などが好ましい。
【００１４】
また、本発明の他のクロレラ・水素生産装置は、
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、リン酸と炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置である。
ここで、前記水素生産菌はクロストリジウムなどを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のクロレラ・水素生産方法によれば、暗培養にてクロレラを生産する工程と、エンテロバクターを用いた水素を生産する工程とを一連の工程において併せて行うことができ、クロレラと水素の２つの生産が可能となり、両者の生産速度と生産コストについて相乗効果を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明のクロレラ・水素生産装置によれば、暗培養にてクロレラを生産する工程を備えたクロレラ生産装置と、エンテロバクターを用いた水素生産工程を備えた水素生産装置と併用し、クロレラと水素の２つの生産が可能となり、両者の生産速度と生産コストについて相乗効果を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明のクロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置の実施形態を説明する。ただし、本発明の技術的範囲は以下の実施形態に示した具体的な用途や形状・寸法などには限定されない。
【実施例１】
【００１８】
本発明のクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を説明する。
図１は本発明のクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を示すブロック図である。
本発明のクロレラ・水素生産サイクルの基本工程は、クロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、水素生産工程３０、活性汚泥化工程４０の各工程を備えている。
このクロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、水素生産工程３０、活性汚泥化工程４０は連続処理とすることができる。
【００１９】
この一連のクロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、水素生産工程３０、活性汚泥化工程４０の各工程により、クロレラと水素の２つの生産物の生産が可能となる。
【００２０】
水素生産装置の構成例は後述するが、以下に説明する各工程は、パイプあるいは／及びフィルター等を介して連続的に配置されるのが好ましい。各工程を連続的に行うことにより、生産速度を速めることができ、クロレラおよび水素をより効率的に量産化することができる。
【００２１】
まず、クロレラ暗培養工程１０を説明する。
クロレラ暗培養工程１０は、暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラ１を増殖させる工程である。
クロレラ暗培養工程１０は培養槽を備え、培養槽の中にクロレラ１を含む培養液２を保持している。ここで、有機物を炭素源として含む培養液２を添加し、従属栄養にて、暗培養条件下、つまり、光の照射を遮断してクロレラ１の増殖を促進する。ここで有機物には、グルコース、グリセロールなどがある。
【００２２】
例えば、培養液として、下記の培地を用いる。
【００２３】
【表１】
【００２４】
ここで、微量金属混合物Ａ５の組成は、以下の［表２］の組成となっている。
【表２】
培養液のｐＨは８．０、培養タンクの温度は３０℃〜３７℃、攪拌を行った。
【００２５】
フラスコを用いたラボスケールの実験では、クロレラ１の株種によって増殖能力は若干異なるものの、増殖能力が高いものであれば、概ね２４時間で１０倍程度に増殖するという結果が得られる。また、７２時間後の増殖率の平均値としては、２０倍から３０倍程度に増殖する結果が得られる。つまり、各株は暗培養下において、３０℃、３日間程度で十分に培養が可能であると言える。なお、培地の濃度を濃くしてタンク培養を行った場合は、さらに増殖率が高くなることが期待できる。
【００２６】
次に、クロレラ生産工程２０は、クロレラ暗培養工程１０にて培養された培養液２からクロレラ１を抽出・生産する工程である。
クロレラ１の抽出・生産は、クロレラ暗培養工程１０にて培養された培養液２をポンプなどで汲み上げ、フィルターにより濾しとるなどしてクロレラ１と培養液２を分離し、クロレラ１を取り出せば良い。取り出したクロレラ１はその後、健康食品などの食用に加工することで有効活用を行う。
【００２７】
次に、水素生産工程３０は、クロレラ生産工程２０にてクロレラを抽出した後の培地を受け入れ、水素を生産する工程である。実施例１の例では、当該培地にリン酸と炭素源となる有機物とエンテロバクター４ａを添加し、その混合液を攪拌してエンテロバクター４ａによる水素３の生産を行わしめる工程となっている。
【００２８】
エンテロバクター４ａとしては、水素３の生産に適したものであれば利用することができる。例えば、エンテロバクター・アエロゲネス（Enterobacter aerogenes）、エンテロバクター・ゲルゴビエ（Enterobacter gergoviae）、エンテロバクター・クロアカ（Enterobacter cloacae）、およびエンテロバクター・サカザキ（Enterobacter sakazakii）などが水素生産に適している。
【００２９】
なお、エンテロバクター属細菌は、上記に掲げた菌株に限られるものではなく、グリセロールまたはグルコースから水素生産能を有する菌株であれば全て利用可能である。また、本発明における発酵工程では、上記で掲げた種々のエンテロバクター属細菌からなる細菌群から選ばれる１菌株を用いて発酵工程を行なってもよいし、２菌株以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００３０】
クロレラ培養工程１０においてクロレラ１の増殖速度を高速に保つため、ある程度培地の有機物濃度などを維持する必要があり、培養液２はクロレラ１によって完全には消費されず、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液には、栄養はリッチに残存している。本発明において水素生産工程３０においてこの培養廃液に残っている栄養源をエンテロバクター４ａによる水素生産エネルギーとして有効活用する。
【００３１】
ここで、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液のみならず、エンテロバクター４ａの生育に必要な培地成分を補強することが好ましい。補強の培地成分が含まれることによって、エンテロバクター４ａの生育・増殖が活発になり、水素の発酵生産効率がさらに向上する。
【００３２】
上記培地成分としては、エンテロバクター４ａの培養に適したものを適宜添加すればよい。クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に、例えば、炭素源としてのグリセロール、バッファーとしてのリン酸（Ｋ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４等）などを補強すれば水素生産速度が向上することを見出した。また、酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物は、一般に微生物用培地に用いられている成分であり、補強する成分としては好適である。酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物をクロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に添加した場合において、水素３の生産量が向上する。
【００３３】
実施例１の水素生産工程３０は、エンテロバクター４ａが培養液２から水素を発酵生産する工程である。その発酵条件としては、エンテロバクター４ａが水素を発酵生産する条件として好ましい条件であれば特に限定されるものではなく、その発酵方法は連続培養であってもバッチ培養であってもよい。バッチ培養は、タンク内に培養液２とエンテロバクター４ａを投入し、発酵終了後に発酵液を抜き出すという培養方法であり、連続培養はエンテロバクター４ａを担持した担体を発酵槽の中に据え付けておき、培養液２の流入と発酵液の流出を連続的に行なう培養方法である。
【００３４】
また、実施例１における水素生産工程３０は、通気培養であっても、静置培養であってもよい。ただし、通気培養では増殖にエネルギーを使うために目的とする水素３の生産の効率が下がる。よって、攪拌を伴う静置培養の方が好ましいといえる。
【００３５】
連続培養では、その発酵液の流出の際にエンテロバクター４ａが一緒に流出することを防止するためにエンテロバクター４ａの固定化が必須となる。固定化担体を用いてタンク内にエンテロバクター４ａを固定化してもよいし、特に固定化担体を用いることなく増殖したエンテロバクター４ａ同士が自己凝集体（フロック）を形成してタンク内に留まるという方法であってもよい。
【００３６】
エンテロバクター４ａを浮遊細胞として用いるのではなく、エンテロバクター４ａを担体に固定化することで、単位体積当たりの細胞密度を高めることができると共に、細胞活性を安定化することができ、エンテロバクター４ａの作用を長期に渡って持続させることができる。また、固定化されたエンテロバクター４ａが死滅すると自ら容易に担体から外れ、その後、エンテロバクター４ａが新たに増殖等して担体に固着するため、連続的にエンテロバクター４ａの作用を得ることができる。さらに、上記担体は、エンテロバクター４ａを存在させる液体に不溶であるため、エンテロバクター４ａを固定化した担体と、液体とをフィルター等を用いて固液分離により容易に分離することができる。よって、エンテロバクター４ａを固定化した担体のみを回収して再循環させたり、必要な溶液のみを流通させたり、エンテロバクター４ａが混合しないように分離したりすることもできる。
【００３７】
なお、本発明に用いる担体の材質としては、例えば、多孔質ガラスビーズ、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体、シリコンフォーム、セルロース多孔質体等の発泡体あるいは樹脂が好ましい。なお、多孔質体の開口部の大きさは、約１０μｍ〜５００μｍが好適である。また、担体の形状は問わないが、担体の強度、培養効率等を考慮すると、球状あるいは立方体状で、大きさは、球状の場合、直径が１ｍｍ〜５０ｍｍ、立方体状の場合、１ｍｍ〜５０ｍｍ角が好ましい。
【００３８】
また、エンテロバクター４ａの固定化には、例えば、担体結合法、架橋法および包括法等の公知の方法が適用でき、中でも担体結合法が最適である。担体結合法には、イオン交換性の樹脂に吸着させる化学的吸着法あるいは物理的吸着法が含まれる。
なお、水素生産工程３０でのタンク内の温度は、エンテロバクター４ａの育成に適した温度、３０℃〜３７℃、特に、最適温度と言われる３７℃としておくと水素３の生産速度が向上する。
【００３９】
次に、活性汚泥化工程４０は、水素生産工程３０にて水素３の生産が終了した廃液を廃棄するため、最後に土壌菌などにより活性汚泥化処理を行い、廃棄できる形にする工程である。
例えは、水素３の生産が終了した廃液は曝気槽に送られ、曝気槽では好気性の微生物の存在下において曝気が行われ、好気性微生物の働きにより汚水中の有機物が凝集せしめられ、活性汚泥とされる。活性汚泥は曝気槽内において底面に沈降し、汚泥ピットに集められ、回収される。回収された汚泥の一部は曝気槽に戻され、曝気槽に戻された汚泥中に含まれる好気性微生物の利用により培養廃液中の有機物の活性汚泥化が行われる。
【００４０】
（装置構成例）
次に、実施例１にかかるクロレラ生産と水素生産サイクルを一連の工程としたクロレラ・水素生産装置１００の構成例を説明する。
図２は、本発明にかかるクロレラ・水素生産装置１００の構成例を模式的に示した図である。
【００４１】
クロレラ増殖装置１１０は、クロレラ生産工程１０に用いる培養槽であり、クロレラ１を含む培養液２が充填され、暗培養の従属栄養の条件下、クロレラ１の増殖を促進する装置である。暗条件を保つためタンク外壁により光を遮蔽するもので良い。
なお、クロレラ増殖装置１１０では、クロレラ１に対して均等に培地成分を触れさせ、温度も一定に保ち、攪拌して均等に伝達可能な構成とすることが好ましい。そこで、攪拌プロペラが設けられているバイオリアクターや、エアーリフト型のバイオリアクターとすることも可能である。つまり、外壁は光を遮蔽する素材とし、攪拌プロペラ搭載型のバイオリアクターまたはエアーリフト型のバイオリアクターとしたタンクを用いることができる。
【００４２】
クロレラ抽出・生産装置１２０は、クロレラ増殖装置１１０において増殖したクロレラ１の抽出に用いるろ過槽であり、クロレラ増殖装置１１０の増殖工程液の培養液２がクロレラ増殖装置１１０から投入され、ポンプなどで汲み上げて内部に設置されているフィルター等によりクロレラ１を濾しとり、クロレラ１と培養液２とを分離する装置である。
【００４３】
水素生産装置１３０は、内部にエンテロバクター４ａを担持させた担体が備え付けられ、導入パイプから、クロレラ抽出・生産装置１２０においてクロレラ１が抽出され、濾し取られた培養廃液２を導入し、タンク内のエンテロバクター４ａにより発酵させて水素の生産を促進する装置である。生産された水素３は集められ、ボンベ１３１などに貯蔵される。
【００４４】
活性汚泥化装置１４０は、曝気槽１４１を備え、曝気槽１４１中には好気性の微生物が存在している。活性汚泥は曝気槽１４１底面の汚泥ピットに集められ、回収される仕組みとなっている。
【００４５】
これら各装置間は、パイプあるいは／及びフィルター等を介して連続的に配置されるのが好ましい。また、各装置の出口には、フィルターが配置され、クロレラ１やエンテロバクター４ａが槽外へ流出しない構成とすることが好ましい。これにより、水素の生産効率をより高めることができる。上記フィルターとしては、最も多く用いられるのは、ポリスルフォンであるが、これ以外にも、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフロライト等が用いられる。また、各槽は、不要な気体を排出する排出口を備えていても良い。
【実施例２】
【００４６】
実施例２は、水素生産工程３０が、クロレラ生産工程後の培地に炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程となっている例である。
水素生産工程３０以外のクロレラ暗培養工程１０、クロレラ生産工程２０、活性汚泥化工程４０は実施例１の各工程と同様で良いので、実施例２での説明では省略し、水素生産工程３０を中心に説明する。
【００４７】
水素生産菌としては、水素３の生産に適したものであれば利用することができ、例えば、クロストリジウム４ｂを利用する。例えば、クロストリジウム ベイジェリンキ（Clostridium beijerinkii）ＡＭ２１Ｂ株や、クロストリジウムｓｐ（Clostridium sp）Ｎｏ.２株、クロストリジウムｓｐ（Clostridium sp）Ｘ５３株等が水素生産に適している。これらはシロアリから分離された細菌の水素生成能をスクリーニングし、より広い基質分解能を示す株となっている。
なお、クロストリジウム属細菌は、上記に掲げた菌株に限られるものではなく、グリセロールまたはグルコースから水素生産能を有する菌株であれば全て利用可能である。
【００４８】
また、本発明における水素生産工程３０では、上記で掲げた種々のクロストリジウム属細菌からなる細菌群から選ばれる１菌株を用いて発酵工程を行なってもよいし、２菌株以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００４９】
クロレラ培養工程１０においてクロレラ１の増殖速度を高速に保つため、ある程度培地の有機物濃度などを維持する必要があり、培養液２はクロレラ１によって完全には消費されず、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液には、栄養はリッチに残存している。本発明において水素生産工程３０においてこの培養廃液に残っている栄養源をクロストリジウム４ｂによる水素生産エネルギーとして有効活用する。
【００５０】
ここで、クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液のみならず、クロストリジウム４ｂの生育に必要な培地成分を補強することが好ましい。補強の培地成分が含まれることによって、クロストリジウム４ｂの生育・増殖が活発になり、水素の発酵生産効率がさらに向上する。
【００５１】
上記培地成分としては、クロストリジウム４ｂの培養に適したものを適宜添加すればよい。クロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に、例えば、炭素源としてのグリセロールなどを補強すれば水素生産速度が向上することを見出した。また、酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物は、一般に微生物用培地に用いられている成分であり、補強する成分としては好適である。酵母抽出液、およびカゼイン酵素分解物をクロレラ１を抽出した後の培養液２の培養廃液に添加した場合において、水素３の生産量が向上する。
【００５２】
実施例２の水素生産工程３０は、クロストリジウム４ｂが培養液２から水素を発酵生産する工程である。その発酵条件としては、クロストリジウム４ｂが水素を発酵生産する条件として好ましい条件であれば特に限定されるものではなく、その発酵方法は連続培養であってもバッチ培養であってもよい。嫌気状態にて、培養液２のｐＨを６．０付近、培養温度を３７℃程度に保つと、バッチ培養でも連続培養においても培養液２の培養廃液に残存しているグルコースなどの有機物を水素に変換できる。バッチ培養は、タンク内に培養液２とクロストリジウム４ｂを投入し、発酵終了後に発酵液を抜き出すという培養方法であり、連続培養はクロストリジウム４ｂを担持した担体を発酵槽の中に据え付けておき、培養液２の流入と発酵液の流出を連続的に行なう培養方法である。
【００５３】
実施例２における水素生産工程３０は、通気培養であっても、静置培養であってもよい。ただし、通気培養では増殖にエネルギーを使うために目的とする水素３の生産の効率が下がる。よって、攪拌を伴う静置培養の方が好ましいといえる。
【００５４】
連続培養では、その発酵液の流出の際にクロストリジウム４ｂが一緒に流出することを防止するためにクロストリジウム４ｂの固定化が必須となる。固定化担体を用いてタンク内にクロストリジウム４ｂを固定化してもよいし、特に固定化担体を用いることなく増殖したクロストリジウム４ｂ同士が自己凝集体（フロック）を形成してタンク内に留まるという方法であってもよい。
【００５５】
クロストリジウム４ｂを浮遊細胞として用いるのではなく、クロストリジウム４ｂを担体に固定化することで、単位体積当たりの細胞密度を高めることができると共に、細胞活性を安定化することができ、クロストリジウム４ｂの作用を長期に渡って持続させることができる。また、固定化されたクロストリジウム４ｂが死滅すると自ら容易に担体から外れ、その後、クロストリジウム４ｂが新たに増殖等して担体に固着するため、連続的にクロストリジウム４ｂの作用を得ることができる。さらに、上記担体は、クロストリジウム４ｂを存在させる液体に不溶であるため、クロストリジウム４ｂを固定化した担体と、液体とをフィルター等を用いて固液分離により容易に分離することができる。よって、クロストリジウム４ｂを固定化した担体のみを回収して再循環させたり、必要な溶液のみを流通させたり、クロストリジウム４ｂが混合しないように分離したりすることもできる。
【００５６】
なお、本発明に用いる担体の材質としては、例えば、多孔質ガラスビーズ、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体、シリコンフォーム、セルロース多孔質体等の発泡体あるいは樹脂が好ましい。なお、多孔質体の開口部の大きさは、約１０μｍ〜５００μｍが好適である。また、担体の形状は問わないが、担体の強度、培養効率等を考慮すると、球状あるいは立方体状で、大きさは、球状の場合、直径が１ｍｍ〜５０ｍｍ、立方体状の場合、１ｍｍ〜５０ｍｍ角が好ましい。
【００５７】
また、クロストリジウム４ｂの固定化には、例えば、担体結合法、架橋法および包括法等の公知の方法が適用でき、中でも担体結合法が最適である。担体結合法には、イオン交換性の樹脂に吸着させる化学的吸着法あるいは物理的吸着法が含まれる。
なお、水素生産工程３０でのタンク内の温度は、クロストリジウム４ｂの育成に適した温度、３０℃〜３７℃、特に、最適温度と言われる３７℃としておくと水素３の生産速度が向上する。
【００５８】
（実験）
以下、上記実施例１のクロレラ・水素生産、実施例２のクロレラ・水素生産について実験を行った。
【００５９】
クロレラ増殖装置１１０として、実容積３Ｌの三角フラスコを用いた。
暗培養従属栄養条件としては、緑藻培養液２の主成分は、表１に掲げた培地を用いた。
クロレラ抽出・生産装置１２０としてはフィルターを用いたろ過を行った。
このろ液を培養廃液２として水素生産工程３０における培養廃液２として用いた。
水素生産工程３０のタンクとして、実容積３Ｌの三角フラスコを用いた。水素生産工程３０は遮光する必要がないのでガラス製とした。
【００６０】
実験１では、微生物としてエンテロバクター４ａを用いた。エンテロバクター４ａとしてはエンテロバクター・アエロゲネス（Enterobacter aerogenes）ＨＵ１０１またはエンテロバクター・アエロゲネス（Enterobacter aerogenes）ＨＵ２０１を用いた。微生物の担体としては、ポリビニルアルコールからなる多孔性高分子材料を用いて水素生産を行った。
実験結果として、本発明のクロレラ培養工程１０、クロレラ抽出・生産工程２０、水素生産工程３０による一連の工程によるクロレラ生産と水素生産の両者の生産効果を確認する。
【００６１】
実験２では、微生物としてクロストリジウム４ｂを用いた。クロストリジウム４ｂとしては、グリセロールまたはグルコースから水素生産能を有する菌株であれば全て利用可能であるが、一例としてクロストリジウムベイジェリンキ（Clostridium beijerinkii）ＡＭ２１Ｂ株を用いた。担体としては、ポリビニルアルコールからなる多孔性高分子材料を用いて水素生産を行った。
【００６２】
なお、比較実験として実験３を行った。
実験３では、クロレラ培養廃液ではなく、バイオディーゼル廃液を用いて従来報告されている光合成有機栄養細菌を用いた水素生産量を確認した。
【００６３】
光合成有機栄養細菌は、例えば、ロドシュードモナス（Rhodopseudomonas）属に属するロドシュードモナスパラストリス（Rhodopseudomonas palustris）およびロドシュードモナスアシドフィラ（Rhodopseudomonas acidophila）、ロドスピリラム（Rhodospirillum）属に属するロドスピリラムルブラム（Rhodospirillum rubrum）ＡＴＣＣ１１１７０、同ＩＦＯ３９８６ 等、ロドバクター（Rhodobacter）属に属するロドバクタースフェロイデス（Rhodobacter sphaeroides）、ロドバクターカプスレイタス（Rhodobacter capsulatus）ＡＴＣＣ２３７８２、ＡＴＣＣ１７０１３等、ロドブラム（Rhodovulum）属に属するロドブラムストリクタム（Rhodovulum strictum）、ロドブラムアドリアティカム（Rhodovulum adriaticum）、ロドブラム・サルフィドフィラム（Rhodovulum sulfidophilum）等が挙げられる。
本発明においては、海水サンプルから単離したロドブラム・サルフィドフィラムＷ−１Ｓ（Rhodovulum sulfidophilum W−1S）と名付けた株を用いた。担体としては、ポリビニルアルコールからなる多孔性高分子材料を用いた。
【００６４】
以上の実験１、実験２、実験３の相違点を整理すると以下の［表３］のようになる。
【表３】
【００６５】
上記条件にて実験１、実験２、実験３を実施し、クロレラ培養廃液を利用した微生物による水素生産能力を確認することができる。
【００６６】
実験の結果、それぞれの水素生産は図５のようになった。
図５に見るように、実験１と実験２のいずれも水素生産量は大きく、比較実験である実験３に比べて水素生産量は同等程度はあり、クロレラ培養廃液を培地した有用微生物による水素生産能力の高さを確認することができた。
【００６７】
以上、本発明のおける好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、一連の工程において、クロレラの生産と水素生産の工業的生産を可能とするクロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】実施例１にかかるクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を示すブロック図
【図２】実施例１にかかるクロレラ・水素生産装置１００の構成例を模式的に示した図
【図３】実施例２にかかるクロレラ・水素生産サイクルの基本工程を示すブロック図
【図４】実施例２にかかるクロレラ・水素生産装置１００の構成例を模式的に示した図
【図５】本発明のクロレラ・水素生産装置と従来型装置との水素生産量の実験結果を比較して示した図
【符号の説明】
【００７０】
１ クロレラ
２ 培養液
３ 水素
４ａ エンテロバクター
４ｂ クロストリジウム
５ 土壌菌
６ 活性汚泥
１０ クロレラ培養工程
２０ クロレラ抽出・生産工程
３０ 水素生産工程
４０ 活性汚泥化工程
１００ クロレラ・水素生産装置
１１０ クロレラ増殖装置
１２０ クロレラ抽出・生産装置
１３０ 水素生産装置
１３１ ボンベ
１４０ 活性汚泥化装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法。
【請求項２】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法。
【請求項３】
前記水素生産菌がクロストリジウムである請求項２に記載のクロレラ・水素生産方法。
【請求項４】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置。
【請求項５】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置。
【請求項６】
前記水素生産菌がクロストリジウムである請求項５に記載のクロレラ・水素生産装置。
【請求項１】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法。
【請求項２】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養工程と、
前記クロレラ暗培養工程にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ生産工程と、
前記クロレラ生産工程後の培地に炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産工程とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産方法。
【請求項３】
前記水素生産菌がクロストリジウムである請求項２に記載のクロレラ・水素生産方法。
【請求項４】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、中和剤となるバッファーと炭素源となる有機物とエンテロバクターを添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置。
【請求項５】
暗培養にて有機物を炭素源とした従属栄養でクロレラを増殖させるクロレラ暗培養装置と、
前記クロレラ暗培養装置にて培養された前記クロレラを抽出・生産するクロレラ抽出・生産装置と、
前記クロレラ抽出・生産装置から培地を受け入れ、炭素源となる有機物と水素生産菌を添加・攪拌して水素を生産する水素生産装置とを備え、
一連の工程において前記クロレラと前記水素の２つの生産とを可能としたクロレラ・水素生産装置。
【請求項６】
前記水素生産菌がクロストリジウムである請求項５に記載のクロレラ・水素生産装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２６１２８７（Ｐ２００９−２６１２８７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１３２４３（Ｐ２００８−１１３２４３）
【出願日】平成２０年４月２３日（２００８．４．２３）
【出願人】（５９８１００９１１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２３日（２００８．４．２３）
【出願人】（５９８１００９１１）
【Ｆターム（参考）】
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