JP2011142888A - バイオリアクター及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスリフトにより循環される流量を制御可能にすることにより、反応開始初期時におけるガス不足や反応促進時におけるガス過剰の問題を緩和することができるバイオリアクター及びその運転方法を提供する。
【解決手段】本発明のバイオリアクターは、反応容器を構成する本体部１と、本体部１の外部に配置された気液分離槽２と、一端３ａが本体部１の内部に浸漬され他端３ｂが気液分離槽２に接続された排出管３と、一端４ａが気液分離槽２の底部２ａに接続され他端４ｂが排出管３よりも下方の本体部１に接続された復流管４と、本体部１に原料物質Ｍを投入する供給口５と、供給口５よりも上方に配置され本体部１から処理液Ｕを取り出す取出口６と、供給口５と取出口６との間に配置され生体触媒Ｃを捕集するセパレータ７と、排出管３の流量を調整する流量調整手段８と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料物質と生体触媒とを溶液中で反応させて有用物質を生成し、該有用物質を含む処理液を取り出すバイオリアクター及びその運転方法に関し、特に、ガスリフトにより循環される流量を制御可能に構成したバイオリアクター及びその運転方法に関する。

バイオリアクターは、原料物質と生体触媒との組み合わせにより、種々の有用物質を取り出すことができる装置であり、生化学工業における重要な装置である。かかるバイオリアクターにより取り出される有用物質の一つにバイオエタノールがある。バイオエタノールは、サトウキビやトウモロコシのようなバイオマス資源（植物資源）を発酵・蒸留して生成されるエタノールのことである。かかるバイオエタノールは、燃料として利用することができるとともに再生可能なエネルギーである。現在主流のガソリンや重油は化石燃料であり、枯渇してしまうと再生できないという問題があるが、バイオエタノールは原料である植物を育成することによりいくらでも再生が可能である。また、バイオエタノールは、植物を原料としているため、その育成段階における光合成により二酸化炭素を吸収することができる。すなわち、バイオエタノールの燃焼により二酸化炭素が発生したとしても、育成段階で二酸化炭素を吸収しており、差引ゼロと考えることができる。したがって、バイオエタノールは、燃焼させても二酸化炭素が増加することがなく、地球温暖化の防止に大きく貢献する燃料であり、国際的に注目されている燃料である。

かかるバイオリアクターには種々の形態のものが存在するが、回分式と連続式に大別することができる。回分式は、バイオリアクターに生体触媒と原料物質を入れて反応を開始し、温度やｐＨ等の制御を行いながらバイオリアクター内で反応を最終段階まで行わせる方法である。一方、連続式は、バイオリアクターに原料物質を連続的に供給し、同時にバイオリアクターから生成物を連続的に取り出す方法である。現在のバイオリアクターは、雑菌汚染によるリスク回避の点から回分式が主流であるが、スケールメリットや生産効率等の観点からは連続式の方が優れている。連続式バイオリアクターには、例えば、特許文献１〜特許文献３に記載されたものが提案されている。

特許文献１に記載されたバイオリアクターは、連続式流動床型バイオリアクターであり、下から順に、導入部、生体処理部及び固液分離部の複数の筒部材が連結された管体と、管体の下方部に設けられた供給口と、管体の生体処理部内に設けられた区画用の小孔板と、管体の上方部に設けられた取出口と、管体の固液分離部内であって中央部に設けられた筒状の隔壁とを備えている。かかるバイオリアクターは、内部に原料物質と生体触媒を充填して空気を供給することにより生体触媒を流動させながら、原料物質の発酵等の生物的処理を行い、得られた処理液を取出口から排出している。この過程において、生体触媒及び処理液は、水流発生手段により管体の上方部に上昇することとなるが、生体触媒及び処理液は隔壁の内部で流動し、処理液と一部の生体触媒が隔壁の外部に流出して取出口側へと押し出される。隔壁の外部は水流発生手段による上方向きの水流の影響を受けにくいため、生体触媒は途中で自重により下降することとなり、処理液のみが取出口へ移動し、処理液と生体触媒を分離している。

また、特許文献２に記載されたバイオリアクターは、流入管から流入する廃水を嫌気性雰囲気中で処理して越流堰から流出させる流動床型バイオリアクターと、このバイオリアクターの上部に接続された脱硫塔と、前記バイオリアクター内の液面に設置されたエアリフト管と、脱硫塔からの処理ガスを前記エアリフト管の下端部に戻すブロアとを備え、前記エアリフト管上部の廃水を前記バイオリアクターの流入管に導いたことを特徴とする嫌気性バイオリアクター装置である。そして、流入管からバイオリアクター内に流入する廃水は、嫌気性雰囲気中で処理され、越流堰から処理水となって系外に流出する。また、バイオリアクター内で発生した硫化水素は脱硫塔に導かれて処理され、処理ガスがブロアによりエアリフト管に戻されエアリフト作用によって廃水を上昇させるとともに、ストリッピングによって廃水中の硫化水素を追出している。

また、特許文献３に記載されたバイオリアクターは、発酵用反応室を有する反応容器と、前記反応室に流入水を導入する機構と、浄化された水を溢流によって回収する溢流溝と、該溢流溝よりも低いレベルに配置されスラッジ及びガスを含む液体を回収する回収装置と、回収された液体からガスを分離する分離室と、スラッジを含む液体を反応容器の下底部分に戻す下降パイプと、を有している。かかるバイオリアクターは、ガスのリフト作用により上昇したスラッジを分離して反応容器に戻していることから、自己循環型のバイオリアクターということができる。

特開２００２−２８１９５８号公報 特開平６−１４２６８３号公報 特開昭６１−７１８９６号公報

しかしながら、特許文献１のような生体触媒の浮沈により流動床を形成する膨張式のバイオリアクターでは、生物的処理により発生するガスの発生速度との関係から、反応開始初期には、ガス発生量が少なく、十分な撹拌が得られず、定常状態に達するまでに時間を要してしまうという問題があった。また、反応の促進によりガス発生量が増加して液流量が過剰になると、微生物の粒子が系外に流出してしまい、微生物の補充や微生物により汚染された設備の清掃等を必要とし、装置の復旧やメンテナンスに障害をきたすという問題があった。さらに、特許文献１のように、生物的処理により発生するガスをリフトガスとして利用しているバイオリアクターでは、ガス発生量の制御が困難であるという問題もあった。また、リフトガスの供給源として外部エアを導入することも考えられるが、ポンプ等の設備を設けなければならず、コストアップやエネルギー効率の低下をもたらすという問題があった。

また、特許文献２のように、バイオリアクター内で発生したガスの処理ガスを循環させてリフトガスとする場合であっても、反応開始初期には、ガス発生量が少なく、十分なリフトガスをエアリフト管に供給することができず、定常状態に達するまでに時間を要してしまうという問題があった。また、リフトガスをブロワでエアリフト管に戻しているため、コストアップとなってしまう、エネルギー効率が低下してしまう等の問題もあった。

また、特許文献３のような自己循環型のバイオリアクターにおいても、特許文献１及び特許文献２と同様に、反応開始初期時におけるガス不足の問題を生じる。さらに、スラッジを自重で下降させているため、スラッジの性状等により循環する流量や濃度が安定しないと問題があった。加えて、下降パイプが反応容器の内部に配置されていることから、スラッジの性状や流量等を確認することは勿論、これらを制御することも困難であるという問題もあった。

本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、ガスリフトにより循環される流量を制御可能にすることにより、反応開始初期時におけるガス不足や反応促進時におけるガス過剰の問題を緩和することができるバイオリアクター及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、原料物質と生体触媒とを溶液中で反応させて有用物質を生成し、該有用物質を含む処理液を取り出すバイオリアクターであって、反応容器を構成する本体部と、該本体部の外部に配置された気液分離槽と、一端が前記本体部の内部に浸漬され他端が前記気液分離槽に接続された排出管と、一端が前記気液分離槽の底部に接続され他端が前記排出管よりも下方の前記本体部に接続された復流管と、前記本体部に前記原料物質を投入する供給口と、該供給口よりも上方に配置され前記本体部から前記処理液を取り出す取出口と、前記供給口と前記取出口との間に配置され前記生体触媒を捕集するセパレータと、前記排出管の流量を調整する流量調整手段と、を有し、前記供給口から投入した原料物質と前記本体部内の生体触媒とを反応させて有用物質を生成し、これらを含む溶液を反応ガスの浮力により上昇させ、前記セパレータを通過した前記処理液を前記取出口から放出し、前記セパレータで捕集した前記生体触媒を含む溶液を前記流量調整手段により流量を制御しながら前記排出管から前記気液分離槽に送流し、前記気液分離槽で前記反応ガスを分離し、残留溶液を前記復流管から前記本体部に送戻する、ことを特徴とするバイオリアクターが提供される。

前記流量調整手段は、前記本体部の液面から浸漬した前記排出管の深さ、前記本体部の液面から突出した前記排出管の高さ又は前記排出管の流路断面積のいずれかを調整する手段であることが好ましい。

例えば、前記深さを調整する手段は、前記取出口の高さを変更可能に構成する手段であり、前記高さを調整する手段は、前記気液分離槽の高さを変更可能に構成する手段又は前記排出管と前記気液分離槽の接続部の高さを変更可能に構成する手段であり、前記流路断面積を調整する手段は、使用する前記排出管の本数を切り替え可能に構成する手段又は使用する前記排出管の配管径を切り替え可能に構成する手段である。

また、本発明によれば、原料物質と生体触媒とを溶液中で反応させて有用物質を生成し、該有用物質を含む処理液を取り出すバイオリアクターの運転方法であって、前記生体触媒を含む溶液中に前記原料物質を投入し、前記原料物質と前記生体触媒の反応により生じた反応ガスにより反応溶液を上昇させ、前記反応溶液から前記生体触媒を除去した処理液を系外に放出し、捕集した前記生体触媒を含む溶液を前記バイオリアクターの運転状況に応じて流量を調整しながら気液分離部に送流し、前記気液分離部で前記反応ガスを除去して残留溶液を前記反応容器に送戻する、ことを特徴とするバイオリアクターの運転方法が提供される。

例えば、前記バイオリアクターは、運転開始時又は反応促進時に前記気液分離部に送流する流量が増加され、定常運転時又は反応維持時に前記気液分離部に送流する流量が略一定に維持され、運転停止時又は反応抑制時に前記気液分離部に送流する流量が減少されるように制御される。

上述した本発明のバイオリアクター及びその運転方法によれば、反応ガスのガスリフト作用により反応容器内の溶液を循環させる自己循環型のバイオリアクターであっても、流量調整手段によりガスリフトにより循環される流量を制御可能にすることができ、反応開始初期時におけるガス不足や反応促進時におけるガス過剰の問題を緩和することができる。特に、流量調整手段を排出管の深さや高さや流路断面積を調整する手段とすることにより、ガスリフトにより循環される流量を容易に制御することができる。

また、本発明によれば、ガス発生量が少ない場合に循環流量を増加させ、定常状態を維持したい場合に循環流量を一定に維持し、ガス発生量が過剰な場合に循環流量を減少させることができ、バイオリアクターの運転状況に応じて循環流量を制御することができ、ガス発生量に依拠することなく溶液を撹拌することができ、反応開始初期時におけるガス不足や反応促進時におけるガス過剰の問題を効果的に緩和することができる。

本発明に係るバイオリアクターの第一実施形態を示す側面断面図である。 排出管のガス流量Ｑｇ、液流量Ｑｆ及び浸漬深さ比Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）との関係を示す図である。 第一実施形態の作用を示す図であり、（Ａ）は本体部の液面を高くした状態、（Ｂ）は本体部の液面を低くした場合、を示している。 本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第二実施形態、（Ｂ）は第三実施形態、（Ｃ）は第四実施形態、（Ｄ）は第五実施形態、を示している。 本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第六実施形態、（Ｂ）は第七実施形態、（Ｃ）は第八実施形態、を示している。 本発明に係るバイオリアクターの第九実施形態を示す図である。 排出管のガス流量Ｑｇ、液流量Ｑｆ及び排出管径Ｄの関係を示す図である。 第九実施形態の作用を示す図であり、（Ａ）は排出管の流路面積：中の状態、（Ｂ）は排出管の流路面積：大の状態、を示している。 本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第十実施形態、（Ｂ）は第九実施形態の変形例、（Ｃ）は第十実施形態の変形例、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図９を用いて説明する。ここで、図１は、本発明に係るバイオリアクターの第一実施形態を示す側面断面図である。

図１に示したバイオリアクターは、原料物質Ｍと生体触媒Ｃとを溶液中で反応させて有用物質を生成し、有用物質を含む処理液Ｕを取り出すバイオリアクターであり、反応容器を構成する本体部１と、本体部１の外部に配置された気液分離槽２と、一端３ａが本体部１の内部に浸漬され他端３ｂが気液分離槽２に接続された排出管３と、一端４ａが気液分離槽２の底部２ａに接続され他端４ｂが排出管３よりも下方の本体部１に接続された復流管４と、本体部１に原料物質Ｍを投入する供給口５と、供給口５よりも上方に配置され本体部１から処理液Ｕを取り出す取出口６と、供給口５と取出口６との間に配置され生体触媒Ｃを捕集するセパレータ７と、排出管３の流量を調整する流量調整手段８と、を有し、供給口５から投入した原料物質Ｍと本体部１内の生体触媒Ｃとを反応させて有用物質を生成し、これらを含む溶液を反応ガスｇの浮力により上昇させ、セパレータ７を通過した処理液Ｕを取出口６から放出し、セパレータ７で捕集した生体触媒Ｃを含む溶液を流量調整手段８により流量を制御しながら排出管３から気液分離槽２に送流し、気液分離槽２で反応ガスｇを分離し、残留溶液を復流管４から本体部１に送戻することを特徴とする。なお、図１において、説明の便宜上、生体触媒Ｃを○、反応ガスｇを●で表示している。

前記本体部１は、両端が閉じた筒形状をなした反応容器であり、セパレータ７の下方の空間が主たる反応処理層を形成している。図１では、高さ方向が幅方向よりも長い塔型の場合を図示しているが、幅方向が高さ方向よりも長い槽型であってもよい。また、本体部１は、反応容器を構成するため、生体触媒Ｃや反応生成物（有用物質を含む処理液Ｕ、反応ガスｇ等）により腐食し難い素材により形成される。かかる素材は、バイオリアクターの用途に応じて選別されるものであるが、例えば、ガラス素材やステンレス等の金属素材が使用される。

前記気液分離槽２は、排出管３により送流される溶液から、反応ガスｇ（例えば、二酸化炭素）を分離する機器である。気液分離槽２まで送流される溶液は反応ガスｇの浮力によって送流されるため、気液分離槽２は本体部１内の溶液の液面よりも上方に配置される。気液分離槽２は、例えば、底部２ａが徐々に縮径した漏斗形状を有し、側面から気液分離槽２内に放出された生体触媒Ｃ（○）を含む溶液を自重により底部２ａに収集し、反応ガスｇ（●）を気液分離槽２の上部空間２ｂに収集して、反応ガスｇを分離できるように構成されている。気液分離槽２の上部には排気口２ｃが接続されており、分離された反応ガスｇを系外に放出している。排気口２ｃには、反応ガスｇの流量を計測するガス流量計を配置してもよい。なお、本発明のバイオリアクターに使用される気液分離槽２は、図示したものに限られず、気体と液体を分離できる機器であればよい。

前記排出管３は、セパレータ７で捕集した生体触媒Ｃを含む溶液を気液分離槽２に送流する流路を形成している。かかる溶液の送流には反応ガスｇの浮力を利用しているため、排出管３は上下に蛇行した部分を有しないように配置することが好ましい。また、いわゆるガスリフトポンプの原理を利用しているため、排出管３の径の大きさ、長さ、形状等は、使用されるバイオリアクターに応じてガスリフトポンプ可能な範囲で設計される。図１では、排出管３を略Ｌ字状に形成し、一端３ａ側を鉛直方向に他端３ｂ側を水平方向に配置している。また、排出管３の一端３ａは、本体部１内の溶液に浸漬され、セパレータ７に接続されている。なお、排出管３の他端３ｂは、気液分離槽２の側面に接続されている。

前記復流管４は、気液分離槽２で分離された溶液を本体部１内に送戻する流路を形成している。かかる復流管４は、生体触媒Ｃを本体部１に戻すための流路であり、本体部１内では上昇流が形成されているため、他端４ｂをできるだけ本体部１の下方に接続することが好ましい。図１では、復流管４の他端４ｂは、本体部１の側面から内部に挿入されて溶液内に浸漬されており、原料物質Ｍの供給口５の上方に配置されている。ただし、図示した配置に限定されるものではなく、供給口５の下方に復流管４の他端４ｂを配置するようにしてもよい。なお、復流管４の他端４ｂは、本体部１内の溶液中に浸漬された部分の周面に複数の放出孔を形成したり、本体部１の側面に接近するように拡径したノズルを接続したりして、生体触媒Ｃが本体部１内で略均等に送戻されるようにしてもよい。

また、復流管４には、図１に示したように、生体触媒Ｃの濃度や活性度を調整する気体や液体（例えば、空気、酸素、水、酸素水等）を投入する補給口４ｃが接続されていてもよいし、本体部１内の状況をモニタリングする計器４ｄが接続されていてもよい。計器４ｄは、例えば、流速計、温度計、ｐＨ（水素イオン指数）計、酸化還元電位（ＯＲＰ）計、濃度計、流量計、圧力計、粘度計、光強度計、循環溶液を採取するサンプリング装置等であり、バイオリアクター内の特性、循環溶液の特性、生体触媒Ｃの特性等をモニタリングするために必要な計器類であればよく、複数の計器４ｄを配置してもよい。本発明では、復流管４の流量を計測する必要があるため、計器４ｄとして少なくとも流量計を配置することが好ましい。

前記供給口５は、原料物質Ｍを本体部１内に投入する流路を形成している。図１に示した供給口５は、本体部１の略中央部に物質原料Ｍを投入することができるように、供給口５の先端が本体部１内の溶液中に浸漬されている。また、物質原料Ｍを投入し易くするように先端部を下方に向けて湾曲させるようにしてもよい。かかる供給口５は、原料物質Ｍと生体触媒Ｃとが反応する層をより広く確保するために、本体部１の下部に接続することが好ましい。また、供給口５は、本体部１に複数接続されていてもよい。このとき、各供給口５を偏心して本体部１に接続することにより、本体部１内で旋回流を発生させることができ、攪拌効率を向上させることができる。また、供給口５の近傍に攪拌器を配置してもよいし、本体部１内の溶液中に浸漬された部分の周面に複数の放出孔を形成してもよいし、本体部１の内面に接近するように拡径した放出ノズルを接続してもよい。

前記取出口６は、有用物質を含む処理液Ｕを系外に取り出す流路を形成している。取出口６は、本体部１の側面上部に配置されており、本体部１内の溶液のオーバーフロー分を放出することができるように構成されている。図１に示した第一実施形態では、複数の取出口６（例えば、第一取出口６１，第二取出口６２，第三取出口６３）が接続されており、第一取出口６１〜第三取出口６３のそれぞれにバルブ６４が接続されており、使用する取出口６を切り替えることができるように構成されている。ここでは、第二取出口６２のバルブ６４を開とし、第一取出口６１及び第三取出口６３のバルブ６４を閉として、第二取出口６２から処理液Ｕを系外に取り出している。このように、複数の取出口６を本体部１に高さを変えて配置することにより、取出口６の高さを変更可能に構成することができ、本体部１内の液面の高さを制御することができる。取出口６には、処理液Ｕの流量を測定する流量計を配置してもよい。なお、取出口６の下流には、有用物質を濃縮するための蒸留又は精製を行う工程の装置が接続されている。

前記セパレータ７は、反応ガスｇの浮力により上昇する溶液から反応ガスｇ及び生体触媒Ｃを分離する機能を有する。本体部１内を上昇する溶液には、生体触媒Ｃ、有用物質、反応ガスｇ、水等の媒質が含まれており、有用物質を取り出すためには、少なくとも反応ガスｇ及び生体触媒Ｃを分離する必要がある。図１に示したセパレータ７では、上方に向かって縮径した円錐台の側面部形状を有し、下端が本体部１との間に所定の隙間を有するように上端が排出管３に連結されている。このように、セパレータ７を上方に向かって縮径した形状に構成することにより、セパレータ７に沿って上昇流が形成され、セパレータ７により堰止められた溶液は捕集されて排出管３に導かれる。本発明のバイオリアクターは循環流動床式であるため、排出管３により循環される溶液に有用物質が含まれていてもよい。なお、セパレータ７の構成は図示したものに限られず、セパレータ７を多段に形成してもよいし、処理液Ｕを通過させる濾過フィルターであってもよい。

前記流量調整手段８は、排出管３の流量を調整する機能を有する。図１に示した第一実施形態では、取出口６の高さを変更可能に構成している第一取出口６１〜第三取出口６３及びバルブ６４が流量調整手段８に相当する。本体部１内の溶液は、いわゆるガスリフトポンプの作用により、排出管３から気液分離槽２に汲み上げられる。ガスリフトポンプは、溶液内にガスを供給することにより、排出管３の入口側と出口側とに生じる密度差を利用して排出管３内の溶液を上昇させて輸送する。ここで、数１は、ガスリフトポンプを示す関係式である。

数１のＨｓ（ポンプ水中長さ）は、図１における本体部１の液面から浸漬した排出管３の深さ（浸漬深さ）Ｈｓに相当し、数１のＨ（ガスリフト長さ）は、図１における本体部１の液面から突出した排出管３の高さ（突出高さ）Ｈに相当する。数１から明らかなように、排出管３の浸漬深さＨｓと排出管３の突出高さＨは、排出管３により送流される液流量Ｑｆに影響を与える。なお、本発明において、数１中のＨｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）を排出管３の浸漬深さ比と称することとする。

ここで、図２は、排出管のガス流量Ｑｇ、液流量Ｑｆ及び浸漬深さ比Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）との関係を示す図である。本図において、横軸はガス流量Ｑｇ（リットル／分）、縦軸は液流量Ｑｆ（リットル／分）を示している。図２は、排出管３の浸漬深さ比Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）の値を０．５〜１の範囲内で０．１刻みに、排出管３のガス流量Ｑｇ及び液流量Ｑｆを計測した結果である。そして、本体部１の液面から突出した排出管３の高さＨの値が小さいほど、すなわち、Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）の値が１に近いほど、少ないガス流量Ｑｇで本体部１内の溶液の送流が開始され、また、ガス流量Ｑｇに対する液流量Ｑｆも増大することがわかる。したがって、本体部１の液面を高くして排出管３の浸漬深さＨｓを大きくし、排出管３の突出高さＨを小さくすることにより、少ないガス流量Ｑｇで溶液の循環を開始することができ、循環流量（液流量Ｑｆ）も増大させることができる。逆に、本体部１の液面を低くして排出管３の浸漬深さＨｓを小さくし、排出管３の突出高さＨを大きくすることにより、溶液の循環を遅らせることができ、循環流量（液流量Ｑｆ）も減少させることができる。このように、本体部１の液面を調整して排出管３の浸漬深さＨｓ及び突出高さＨを変化させることにより、排出管３を通過して循環される液流量Ｑｆ及び循環開始時期を制御することができる。

例えば、ガス発生量が少ない反応開始初期には、液面を高く（排出管３の浸漬深さＨｓを大きく又は排出管３の突出高さＨを小さく）することにより、早期に溶液の循環を開始することができ、少ないガス流量Ｑｇであっても十分な液流量Ｑｆを確保することができ、本体部１内の溶液を効果的に撹拌して反応を促進させることができる。また、ガス発生量が過剰な場合には、液面を低く（排出管３の浸漬深さＨｓを小さく又は排出管３の突出高さＨを大きく）することにより、ガス流量Ｑｇが多い場合であっても循環される液流量Ｑｆを少なくすることができ、本体部１内の反応を抑制することができる。

ここで、図３は、第一実施形態の作用を示す図であり、（Ａ）は本体部の液面を高くした状態、（Ｂ）は本体部の液面を低くした場合、を示している。図３（Ａ）に示すように、第一取出口６１のバルブ６４を開とし、第二取出口６２及び第三取出口６３のバルブ６４を閉とすることにより、本体部１の液面を高くすることができ、処理液Ｕは第一取出口６１から放出される。また、図３（Ｂ）に示すように、第三取出口６３のバルブ６４を開とし、第一取出口６１及び第二取出口６２のバルブ６４を閉とすることにより、本体部１の液面を低くすることができ、処理液Ｕは第三取出口６３から放出される。また、定常状態の場合には、図１に示したように、第二取出口６２のバルブ６４を開とし、第一取出口６１及び第三取出口６３のバルブ６４を閉とすればよい。このように、第一実施形態に示した流量調整手段８（第一取出口６１〜第三取出口６３及びバルブ６４）によれば、取出口６の高さを変更することができ、排出管３の浸漬深さＨｓ及び突出高さＨを調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

次に、本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態について説明する。図４は、本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第二実施形態、（Ｂ）は第三実施形態、（Ｃ）は第四実施形態、（Ｄ）は第五実施形態、を示している。また、図５は、本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第六実施形態、（Ｂ）は第七実施形態、（Ｃ）は第八実施形態、を示している。なお、各図において、図１に示した第一実施形態と同じ部品については、同じ符号を付し重複した説明を省略する。

図４（Ａ）に示した第二実施形態は、取出口６の構成を変更したものである。具体的には、本体部１の側面に１つの取出口６５が接続され、取出口６５が下流側で複数に分岐しており、各分岐管６５ａ，６５ｂ，６５ｃにバルブ６４が接続されている。この分岐管６５ａ〜６５ｃは、第一実施形態の第一取出口６１〜第三取出口６３と同様に、上下方向に並設されており、バルブ６４の開閉により、本体部１の液面高さを調整することができるように構成されている。したがって、かかる流量調整手段８（取出口６５、分岐管６５ａ〜６５ｃ及びバルブ６４）によっても、排出管３の浸漬深さＨｓ及び突出高さＨを調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

図４（Ｂ）に示した第三実施形態は、取出口６をフレキシブルチューブ６６により構成したものである。そして、フレキシブルチューブ６６はスライダ６７により上下に移動できるように構成されている。フレキシブルチューブ６６は可撓性を有し、スライダ６７の上下移動に追従して変形することができる。スライダ６７は図示しない柱部材や壁部材に配置されたレール６８に沿って移動可能に配置されており、図示しない駆動手段により自動又は手動で上下に移動できるように構成されている。したがって、スライダ６７を上下移動させることにより、フレキシブルチューブ６６の出口部の高さを調整することができ、本体部１の液面高さを調整することができる。すなわち、かかる流量調整手段８（フレキシブルチューブ６６、スライダ６７、レール６８等）によっても、排出管３の浸漬深さＨｓ及び突出高さＨを調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

図４（Ｃ）に示した第四実施形態は、本体部１の液面の高さは変化させずに排出管３の浸漬深さＨｓを調整できるようにしたものである。具体的には、本体部１の側面に１つの取出口６が配置されており、排出管３を伸縮させて排出管３とセパレータ７の接続位置の高さを変更できるように構成している。排出管３の伸縮機構は、排出管３そのものを蛇腹状に構成してもよいし、複数の配管を連設してスライド可能に構成してもよい。かかる流量調整手段８（排出管３及びその伸縮機構）によっても、排出管３の浸漬深さＨｓを任意に調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

図４（Ｄ）に示した第五実施形態は、本体部１に液面計６９を設置したものである。具体的には、液面計６９は本体部１の上部内側面に設置されており、取出口６は従来と同様に本体部１の側面に１つだけ接続されており、取出口６にバルブ６４が接続されている。このバルブ６４は、液面計６９と連動して開閉できるように制御されており、液面のレベルが所定の値となるように、開閉のタイミングや開度が調整される。したがって、かかる流量調整手段８（取出口６、バルブ６４及び液面計６９）によっても、排出管３の浸漬深さＨｓ及び突出高さＨを調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

図５（Ａ）に示した第六実施形態は、本体部１の上部に複数の排出管３を配置して使用する排出管３によって排出管３の突出高さＨを変更できるようにしたものである。具体的には、本体部１の上部に複数の排出管３（例えば、第一排出管３１、第二排出管３２、第三排出管３３）を接続し、第一排出管３１〜第三排出管３３のそれぞれにバルブ３４を配置している。第一排出管３１〜第三排出管３３は、それぞれ上下方向の高さが異なるように配置されており、バルブ３４の開閉によって使用する排出管３を選択できるように構成されている。このように、排出管３の突出高さＨを変更することによっても、Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）の値を制御することができる。例えば、排出管３の突出高さＨが大きい第一排出管３１を使用すれば、Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）の分母が大きくなるため、排出管３により循環される液流量Ｑｆを抑制する方向に作用し、排出管３の突出高さＨが小さい第三排出管３３を使用すれば、Ｈｓ／（Ｈｓ＋Ｈ）の分母が小さくなるため、排出管３により循環される液流量Ｑｆを増大する方向に作用する。したがって、第六実施形態における流量調整手段８は、本体部１の液面から突出した排出管３の高さＨを調整する手段であり、排出管３（第一排出管３１〜第三排出管３３）及びバルブ３４により構成されており、排出管３と気液分離槽２の接続部の高さを変更可能に構成する手段である。

図５（Ｂ）に示した第七実施形態は、排出管３の構成を変更したものである。具体的には、本体部１の上部に１つの主排出管３５が接続され、主排出管３５の下流側で複数に分岐しており、各分岐管３５ａ，３５ｂ，３５ｃにバルブ３４が接続されるとともに、主排出管３５における分岐管３５ａ〜３５ｃの間にバルブ３６が接続されている。各分岐管３５ａ〜３５ｃは、第六実施形態の第一排出管３１〜第三排出管３３と同様に、上下方向に並設されており、バルブ３４，３６の開閉により、排出管３の突出高さＨを調整することができるように構成されている。したがって、かかる流量調整手段８（主排出管３５、分岐管３５ａ〜３５ｃ及びバルブ３４，３６）によっても、排出管３の突出高さＨを調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

図５（Ｃ）に示した第八実施形態は、排出管３をフレキシブルチューブ３７により構成したものである。また、気液分離槽２には、スライダ２１が接続されており、柱部材又は壁部材に配置されたレール２２に沿って上下に移動できるように構成されている。フレキシブルチューブ３７は可撓性を有し、気液分離槽２の上下移動に追従して変形することができる。したがって、気液分離槽２を上下移動させて、その高さを変更することにより、排出管３の突出高さＨを調整することができる。かかる流量調整手段８（フレキシブルチューブ３７、スライダ２１、レール２２等）によっても、排出管３の突出高さＨを調整することができ、排出管３により循環される液流量Ｑｆを制御することができる。

次に、本発明に係るバイオリアクターの第九実施形態について説明する。図６は、本発明に係るバイオリアクターの第九実施形態を示す図である。なお、本図において、図１に示した第一実施形態と同じ部品については、同じ符号を付し重複した説明を省略する。

図６に示した第九実施形態は、排出管３の気液分離槽２側が１つの主排出管３８により構成されており、排出管３の本体部１側が複数の分岐管３８ａ，３８ｂ，３８ｃにより構成されており、各分岐管３８ａ〜３８ｃには両端部にバルブ３９，３９が接続されている。ここでは、分岐管３８ｂのバルブ３９，３９を開とし、残りのバルブ３９を閉として、中央の分岐管３８ｂのみを使用して本体部１内の溶液を循環させている。かかる第九実施形態では、排出管３の浸漬深さＨｓや突出高さＨは変化させずに、使用する分岐管３８ａ〜３８ｃの本数を調整することにより循環する液流量Ｑｆを制御するものである。数１で示した関係式におけるスリップ比Ｓ及び定数Ｋは、以下の関係式（数２及び数３）を用いることにより、排出管径Ｄを含む形式に変換することができる。

ここで、図７は、排出管のガス流量Ｑｇ、液流量Ｑｆ及び排出管径Ｄの関係を示す図である。本図において、横軸はガス流量Ｑｇ（リットル／分）、縦軸は液流量Ｑｆ（リットル／分）を示している。図７は、排出管径Ｄの値を１０〜３０（ｍｍ）の範囲内で５ｍｍ刻みに、排出管３のガス流量Ｑｇ及び液流量Ｑｆを計測した結果である。そして、排出管径Ｄが小さいほど、少ないガス流量Ｑｇで本体部１内の溶液の送流が開始されることがわかる。また、排出管径Ｄが大きいほど、本体部１内の溶液の送流が開始されるタイミングが遅くなるが、液流量Ｑｆが増大されることがわかる。したがって、排出管３を通過して循環される液流量Ｑｆを増大させたい場合には排出管径Ｄを大きくすればよいし、液流量Ｑｆを減少させたい場合には排出管径Ｄを小さくすればよいし、排出管３による循環開始時期を早めたい場合には排出管径Ｄを小さくすればよいし、排出管３による循環開始時期を遅くしたい場合には排出管径Ｄを大きくすればよく、排出管径Ｄを調整することにより、排出管３を通過して循環される液流量Ｑｆ及び循環開始時期を制御することができる。なお、排出管径Ｄの調整は、排出管３の径そのものを増減させるようにしてもよいし、流路断面積を増減させることにより間接的に排出管径Ｄを増減させるようにしてもよい。

例えば、ガス発生量が少ない反応開始初期には、排出管３の排出管径Ｄを小さくすることにより、早期に溶液の循環を開始することができる。また、排出管３の排出管径Ｄを徐々に又は段階的に大きくすることにより、少ないガス流量Ｑｇであっても十分な液流量Ｑｆを確保することができ、本体部１内の溶液を効果的に撹拌して反応を促進させることができる。また、ガス発生量が過剰な場合には、排出管３の排出管径Ｄを小さくすることにより、ガス流量Ｑｇが多い場合であっても循環される液流量Ｑｆを少なくすることができ、本体部１内の反応を抑制することができる。

ここで、図８は、第九実施形態の作用を示す図であり、（Ａ）は排出管の流路面積：中の状態、（Ｂ）は排出管の流路面積：大の状態、を示している。図８（Ａ）に示すように、分岐管３８ｃのバルブ３９のみを閉とし、他の分岐管３８ａ，３８ｂのバルブ３９を開にすることにより、２本の分岐管３８ａ，３８ｂを使用して本体部１内の溶液を循環させることができる。したがって、図６に示した１本の分岐管３８ｂのみを使用する場合と比較して、排出管３の流路断面積を増大させることができ、間接的に排出管３の排出管径Ｄを増大させることができ、循環する液流量Ｑｆを増大させることができる。さらに、図８（Ｂ）に示すように、各分岐管３８ａ〜３８ｃの全てのバルブ３９を開にすれば、全ての分岐管３８ａ〜３８ｃを使用して本体部１内の溶液を循環させることができる。したがって、図８（Ａ）に示した状態よりも排出管３の流路断面積を増大させることができ、間接的に排出管３の排出管径Ｄを増大させることができ、循環する液流量Ｑｆを増大させることができる。かかる流量調整手段８（排出管３及びバルブ３９）は、排出管３の流路断面積、すなわち、排出管径Ｄを調整する手段であり、使用する排出管３の本数を切り替え可能に構成する手段である。

次に、本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態について説明する。図９は、本発明に係るバイオリアクターの他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第十実施形態、（Ｂ）は第九実施形態の変形例、（Ｃ）は第十実施形態の変形例、を示している。なお、各図において、図６に示した第九実施形態と同じ部品については、同じ符号を付し重複した説明を省略する。

図９（Ａ）に示した第十実施形態は、第九実施形態における分岐管３８ａ〜３８ｃの径の太さを変えたものである。分岐管３８ａの径をｄ１、分岐管３８ｂの径をｄ２、分岐管３８ｃの径をｄ３とした場合、ここでは、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３となるように構成している。このように分岐管３８ａ〜３８ｃの径の太さを変えることにより、例えば、分岐管３８ｃ単独→分岐管３８ｂ単独→分岐管３８ａ単独→分岐管３８ａ＋分岐管３８ｃ→分岐管３８ｂ＋分岐管３８ｃ→分岐管３８ａ＋分岐管３８ｂ＋分岐管３８ｃのように排出管３の流路断面積を調整することができ、図６に示した第九実施形態よりも細かい調整を行うことができる。第十実施形態における流量調整手段８（排出管３及びバルブ３９）は、排出管３の流路断面積、すなわち、排出管径Ｄを調整する手段であり、使用する排出管３の本数を切り替え可能に構成する手段であり、排出管３の配管径を切り替え可能に構成する手段でもある。

図９（Ｂ）に示した第九実施形態の変形例は、排出管３の分岐数を９本（分岐管３８ａ〜３８ｉ）に増やしたものである。また、図９（Ｃ）に示した第十実施形態の変形例は、排出管３の分岐数を９本（分岐管３８ａ〜３８ｉ）に増やしつつ、径が大きい主たる分岐管３８ａを中央部に配置し、その周囲に径が小さい補助的な分岐管３８ｂ〜３８ｉを配置したものである。これらの構成によっても使用する分岐管を選択することにより、排出管３の流路断面積を調整することができ、間接的に排出管３の排出管径Ｄを調整することができ、循環する液流量Ｑｆを制御することができる。なお、図９（Ｂ）及び（Ｃ）は、図９（Ａ）におけるＸ−Ｘ矢視断面に相当する図面である。

上述した第一実施形態〜第十実施形態のバイオリアクターは、生体触媒Ｃを含む溶液中に原料物質Ｍを投入し、原料物質Ｍと生体触媒Ｃの反応により生じた反応ガスｇにより反応溶液を上昇させ、反応溶液から生体触媒Ｃを除去した処理液Ｕを系外に放出し、 捕集した生体触媒Ｃを含む溶液をバイオリアクターの運転状況に応じて液流量Ｑｆを調整しながら気液分離槽２に送流し、気液分離槽２で反応ガスｇを除去して残留溶液を反応容器（本体部１）に送戻する、ことにより運転される。特に、本発明に係るバイオリアクターによれば、運転開始時又は反応促進時に気液分離槽２に送流する液流量Ｑｆが増加するように運転され、定常運転時又は反応維持時に気液分離槽２に送流する液流量Ｑｆが略一定に維持されるように運転され、運転停止時又は反応抑制時に気液分離槽２に送流する液流量Ｑｆが減少するように運転される。

例えば、定常運転時の液流量Ｑｆは、生体触媒Ｃを含む溶液が本体部１と気液分離槽２との間を循環するために必要な最低限の液流量Ｑｍｆ〜生体触媒Ｃが取出口６から流出しない液流量Ｑｔの範囲で制御される。液流量Ｑｍｆは、数４により求められるが、流動化を安定させるため実際には液流量Ｑｍｆの２〜５倍程度の値となるように運転する。また、液流量Ｑｔは、数５により求められる。具体的には、内径１００ｍｍの本体部１を有するバイオリアクターであって、粒径が０．３〜０．５ｍｍ、比重が１．２の粒子である生体触媒Ｃを使用した場合、定常運転時の液流量Ｑｆは０．５〜５．０リットル／分の範囲内に制御されることが好ましい。

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、第一実施形態〜第十実施形態を適宜複合的に組み合わせてもよい、エタノール発酵以外のメタン発酵や脱窒素等の種々のガス発生プロセスに応用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１…本体部
２…気液分離槽
２ａ…底部
２ｂ…上部空間
２ｃ…排気口
３…排出管
３ａ…一端
３ｂ…他端
４…復流管
４ａ…一端
４ｂ…他端
４ｃ…補給口
４ｄ…計器
５…供給口
６，６５…取出口
７…セパレータ
８…流量調整手段
２１，６７…スライダ
２２，６８…レール
３１…第一排出管
３２…第二排出管
３３…第三排出管
３４，３６，３９，６４…バルブ
３５，３８…主排出管
３５ａ〜３５ｃ，３８ａ〜３８ｉ，６５ａ〜６５ｃ…分岐管
３７，６６…フレキシブルチューブ
６１…第一取出口
６２…第二取出口
６３…第三取出口
６９…液面計

Claims (7)

1. 原料物質と生体触媒とを溶液中で反応させて有用物質を生成し、該有用物質を含む処理液を取り出すバイオリアクターであって、
   反応容器を構成する本体部と、
   該本体部の外部に配置された気液分離槽と、
   一端が前記本体部の内部に浸漬され他端が前記気液分離槽に接続された排出管と、
   一端が前記気液分離槽の底部に接続され他端が前記排出管よりも下方の前記本体部に接続された復流管と、
   前記本体部に前記原料物質を投入する供給口と、
   該供給口よりも上方に配置され前記本体部から前記処理液を取り出す取出口と、
   前記供給口と前記取出口との間に配置され前記生体触媒を捕集するセパレータと、
   前記排出管の流量を調整する流量調整手段と、を有し、
   前記供給口から投入した原料物質と前記本体部内の生体触媒とを反応させて有用物質を生成し、これらを含む溶液を反応ガスの浮力により上昇させ、前記セパレータを通過した前記処理液を前記取出口から放出し、前記セパレータで捕集した前記生体触媒を含む溶液を前記流量調整手段により流量を制御しながら前記排出管から前記気液分離槽に送流し、前記気液分離槽で前記反応ガスを分離し、残留溶液を前記復流管から前記本体部に送戻する、ことを特徴とするバイオリアクター。
2. 前記流量調整手段は、前記本体部の液面から浸漬した前記排出管の深さ、前記本体部の液面から突出した前記排出管の高さ又は前記排出管の流路断面積のいずれかを調整する手段である、ことを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクター。
3. 前記深さを調整する手段は、前記取出口の高さを変更可能に構成する手段である、ことを特徴とする請求項２に記載のバイオリアクター。
4. 前記高さを調整する手段は、前記気液分離槽の高さを変更可能に構成する手段又は前記排出管と前記気液分離槽の接続部の高さを変更可能に構成する手段である、ことを特徴とする請求項２に記載のバイオリアクター。
5. 前記流路断面積を調整する手段は、使用する前記排出管の本数を切り替え可能に構成する手段又は使用する前記排出管の配管径を切り替え可能に構成する手段である、ことを特徴とする請求項２に記載のバイオリアクター。
6. 原料物質と生体触媒とを溶液中で反応させて有用物質を生成し、該有用物質を含む処理液を取り出すバイオリアクターの運転方法であって、
   前記生体触媒を含む溶液中に前記原料物質を投入し、
   前記原料物質と前記生体触媒の反応により生じた反応ガスにより反応溶液を上昇させ、
   前記反応溶液から前記生体触媒を除去した処理液を系外に放出し、
   捕集した前記生体触媒を含む溶液を前記バイオリアクターの運転状況に応じて流量を調整しながら気液分離部に送流し、
   前記気液分離部で前記反応ガスを除去して残留溶液を前記反応容器に送戻する、
   ことを特徴とするバイオリアクターの運転方法。
7. 前記バイオリアクターは、運転開始時又は反応促進時に前記気液分離部に送流する流量が増加され、定常運転時又は反応維持時に前記気液分離部に送流する流量が略一定に維持され、運転停止時又は反応抑制時に前記気液分離部に送流する流量が減少される、ことを特徴とする請求項６に記載のバイオリアクターの運転方法。