タンパク質分解処理方法
【課題】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方法の提供。
【解決手段】タンパク質分解菌（Coprothermobacter）とメタン生成菌（Methanothermobacter thermautotrophicus）を含む環境に電極を接触させると共に、キノン等の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方法。
【解決手段】タンパク質分解菌（Coprothermobacter）とメタン生成菌（Methanothermobacter thermautotrophicus）を含む環境に電極を接触させると共に、キノン等の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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７４９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
本願発明者等は、上記知見に基づき、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、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。
【００１３】
即ち、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。
【００１４】
ここで、本発明のタンパク質分解処理方法において、タンパク質分解菌を好熱性タンパク質分解菌とし、メタン生成菌を好熱性メタン生成菌とし、上記環境の温度を５０℃以上とすることが好ましい。
【００１５】
また、好熱性タンパク質分解菌は、16S rRNA遺伝子の塩基配列が配列番号１に示される塩基配列を含むコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物であることが好ましい。または、請求項４に記載したように、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）属の微生物であることが好ましい。
【００１６】
さらに、好熱性メタン生成菌はメタノサーモバクター サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）であることが好ましい。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のタンパク質分解処理方法によれば、タンパク質分解菌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。
【００１９】
また、好熱性タンパク質分解菌と好熱性メタン生成菌を用い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、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、タンパク質の分解処理をさらに効率よく行うことができる。
【００２０】
さらに、本発明のエネルギー回収方法によれば、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を分解させるようにしているので、メタン生成菌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、単にタンパク質分解菌とメタン生成菌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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】培養試験におけるＣｐ（ＣＴ−１株：受託番号ＦＥＲＭ Ｐ−２１９０９）の菌体密度の経時変化を示す図である。
【図２】培養試験におけるＭｔ（Methanothermobacter thermautotrophicus）の菌体密度の経時変化を示す図である。
【図３】培養試験における培養液のアンモニウムイオン濃度の経時変化を示す図である。
【図４】培養試験における培養液の有機酸濃度の経時変化を示す図である。
【図５】培養試験において使用した電気培養装置の構成を示す図である。
【図６】タンパク質からのメタンガスの生成過程を示す図である。
【図７】第一の実施形態Ａにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図８】第一の実施形態Ｂにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図９】第一の実施形態Ｃにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図１０】第一の実施形態Ｄにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図１１】第二の実施形態にかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明を実施するための電気培養装置の他の構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
タンパク質分解菌としては、例えば、コプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、タンパク質分解菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。
【００２９】
メタン生成菌としては、水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター（Methanothermobacter）属の微生物等、酢酸資化性メタン生成菌であるメタノサルシナ（Methanosarcina）属の微生物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、メタン生成菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。例えば、二種以上の水素資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよいし、二種以上の酢酸資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよい。また、一種以上の水素資化性メタン生成菌と一種以上の酢酸資化性メタン生成菌とを併用するようにしてもよい。
【００３０】
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。
【００３１】
好熱性タンパク質分解菌としては、例えば、コプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物等が挙げられ、16S rRNA遺伝子の塩基配列が配列番号１に示される塩基配列からなるコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属のタンパク質分解菌、具体的には、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が、これらに限定されるものではない。また、好熱性タンパク質分解菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。
【００３２】
本発明で使用する好熱性メタン生成菌としては、例えば、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（Methanothermobacter）属の微生物等、好熱性酢酸資化性メタン生成菌であるメタノサルシナ（Methanosarcina）属の微生物等が挙げられ、メタノサーモバクター サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）が好適であるが、これらに限定されるものではない。また、好熱性メタン生成菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。例えば、二種以上の好熱性水素資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよいし、二種以上の好熱性酢酸資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよい。また、一種以上の好熱性水素資化性メタン生成菌と一種以上の好熱性酢酸資化性メタン生成菌とを併用するようにしてもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
ここで、好熱性タンパク質分解菌と好熱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。
【００３５】
尚、本発明のタンパク質分解処理方法においては、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、酢酸等の低級脂肪酸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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
＜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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
（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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
（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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
＜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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【実施例】
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
（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。
【００８３】
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。
【００８４】
（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。
【００８５】
（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
（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
【００９０】
（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
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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
【００９４】
（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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
（３）有機酸濃度
有機酸濃度の経時変化を図４に示す。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（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。
【０１１３】
【表１】
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
（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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７４９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
本願発明者等は、上記知見に基づき、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、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。
【００１３】
即ち、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。
【００１４】
ここで、本発明のタンパク質分解処理方法において、タンパク質分解菌を好熱性タンパク質分解菌とし、メタン生成菌を好熱性メタン生成菌とし、上記環境の温度を５０℃以上とすることが好ましい。
【００１５】
また、好熱性タンパク質分解菌は、16S rRNA遺伝子の塩基配列が配列番号１に示される塩基配列を含むコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物であることが好ましい。または、請求項４に記載したように、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）属の微生物であることが好ましい。
【００１６】
さらに、好熱性メタン生成菌はメタノサーモバクター サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）であることが好ましい。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のタンパク質分解処理方法によれば、タンパク質分解菌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。
【００１９】
また、好熱性タンパク質分解菌と好熱性メタン生成菌を用い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、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、タンパク質の分解処理をさらに効率よく行うことができる。
【００２０】
さらに、本発明のエネルギー回収方法によれば、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を分解させるようにしているので、メタン生成菌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、単にタンパク質分解菌とメタン生成菌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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】培養試験におけるＣｐ（ＣＴ−１株：受託番号ＦＥＲＭ Ｐ−２１９０９）の菌体密度の経時変化を示す図である。
【図２】培養試験におけるＭｔ（Methanothermobacter thermautotrophicus）の菌体密度の経時変化を示す図である。
【図３】培養試験における培養液のアンモニウムイオン濃度の経時変化を示す図である。
【図４】培養試験における培養液の有機酸濃度の経時変化を示す図である。
【図５】培養試験において使用した電気培養装置の構成を示す図である。
【図６】タンパク質からのメタンガスの生成過程を示す図である。
【図７】第一の実施形態Ａにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図８】第一の実施形態Ｂにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図９】第一の実施形態Ｃにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図１０】第一の実施形態Ｄにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図１１】第二の実施形態にかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明を実施するための電気培養装置の他の構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
タンパク質分解菌としては、例えば、コプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、タンパク質分解菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。
【００２９】
メタン生成菌としては、水素資化性メタン生成菌であるメタノサーモバクター（Methanothermobacter）属の微生物等、酢酸資化性メタン生成菌であるメタノサルシナ（Methanosarcina）属の微生物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、メタン生成菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。例えば、二種以上の水素資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよいし、二種以上の酢酸資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよい。また、一種以上の水素資化性メタン生成菌と一種以上の酢酸資化性メタン生成菌とを併用するようにしてもよい。
【００３０】
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。
【００３１】
好熱性タンパク質分解菌としては、例えば、コプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物等が挙げられ、16S rRNA遺伝子の塩基配列が配列番号１に示される塩基配列からなるコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属のタンパク質分解菌、具体的には、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が、これらに限定されるものではない。また、好熱性タンパク質分解菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。
【００３２】
本発明で使用する好熱性メタン生成菌としては、例えば、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（Methanothermobacter）属の微生物等、好熱性酢酸資化性メタン生成菌であるメタノサルシナ（Methanosarcina）属の微生物等が挙げられ、メタノサーモバクター サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）が好適であるが、これらに限定されるものではない。また、好熱性メタン生成菌は一種のみならず二種以上を併用してもよい。例えば、二種以上の好熱性水素資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよいし、二種以上の好熱性酢酸資化性メタン生成菌を併用するようにしてもよい。また、一種以上の好熱性水素資化性メタン生成菌と一種以上の好熱性酢酸資化性メタン生成菌とを併用するようにしてもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
ここで、好熱性タンパク質分解菌と好熱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。
【００３５】
尚、本発明のタンパク質分解処理方法においては、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、酢酸等の低級脂肪酸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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
＜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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
（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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
（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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
＜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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【実施例】
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
（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。
【００８３】
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。
【００８４】
（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。
【００８５】
（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
（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
【００９０】
（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
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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
【００９４】
（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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
（３）有機酸濃度
有機酸濃度の経時変化を図４に示す。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（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。
【０１１３】
【表１】
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
（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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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酸化還元物質を添加し、前記電極の電位を還元電位に制御しながら前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ことを特徴とするタンパク質分解処理方法。
【請求項２】
前記タンパク質分解菌を好熱性タンパク質分解菌とし、前記メタン生成菌を好熱性メタン生成菌とし、前記環境の温度を５０℃以上とする請求項１に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項３】
前記好熱性タンパク質分解菌は16S rRNA遺伝子の塩基配列が配列番号１に示される塩基配列からなるコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物である請求項２に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項４】
前記好熱性タンパク質分解菌は受託番号ＦＥＲＭ Ｐ−２１９０９で受託されているコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物である請求項２に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項５】
前記好熱性メタン生成菌はメタノサーモバクター サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）である請求項２に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法による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ことを特徴とするバイオガス回収方法。
【請求項１】
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酸化還元物質を添加し、前記電極の電位を還元電位に制御しながら前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ことを特徴とするタンパク質分解処理方法。
【請求項２】
前記タンパク質分解菌を好熱性タンパク質分解菌とし、前記メタン生成菌を好熱性メタン生成菌とし、前記環境の温度を５０℃以上とする請求項１に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項３】
前記好熱性タンパク質分解菌は16S rRNA遺伝子の塩基配列が配列番号１に示される塩基配列からなるコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物である請求項２に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項４】
前記好熱性タンパク質分解菌は受託番号ＦＥＲＭ Ｐ−２１９０９で受託されているコプロサーモバクター（Coprothermobacter）属の微生物である請求項２に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項５】
前記好熱性メタン生成菌はメタノサーモバクター サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）である請求項２に記載のタンパク質分解処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法による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ことを特徴とするバイオガス回収方法。
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３４３８９（Ｐ２０１３−３４３８９Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２０９３（Ｐ２０１１−１０２０９３）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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