CN1918079A - 生物气的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的生物气的制造方法如下：使用用于氢发酵的微生物，由含有机物的被处理液进行氢气发酵时，以被处理液中规定基质的浓度和由用于氢发酵的微生物消耗此基质的消耗速度的关系为基础，确定由该用于氢发酵的微生物能够消耗的基质的最大容许浓度，在实际进行的氢气发酵步骤中，保持被处理液中的基质浓度低于等于上述最大容许浓度。通过本发明的生物气的制造方法，不用对原料实施伴随加热/加温等消耗热能的处理，也能够十分顺利地进行氢气发酵。
Description
技术领域
本发明涉及用作能量气体的生物气(biogas)的制造方法。
背景技术
将有机性废弃物、有机性废水等生物量(bio-mass)转换成能量的方法，已知使用微生物的厌氧性发酵。通常，厌氧性发酵是自有机物的酸生成步骤和由此酸生成发酵产生的有机酸产生甲烷的甲烷生成步骤，并行复发酵的发酵形式，可制得以甲烷为主要成分的发酵气体作为能量气体。
不过，因甲烷的锅炉燃烧所得的能量为热能，其用途只限于直接利用燃烧热的用途或转换成蒸气再被利用等用途，并不适用于不需利用热的用途。另外，甲烷的燃料电池是将所得的能量转换成电力，其用途范围虽比热利用更广，不过从甲烷生成氢的反应即改性反应中，必需要改性器及加热原料甲烷气体。通常，利用甲烷的燃烧热作为此热源，从有效利用能量的观点出发，以温水制造等方法回收其热能。其结果，在甲烷的燃料电池应用中也需使用热能。
另一方面，厌氧性发酵的酸生成步骤中，已知会产生以氢为主要成分的发酵气体。氢因无如甲烷般的热能相关问题，非常有用。例如使用为燃料电池时具有不需进行改性反应，大部分产生的氢供给燃料电池转换成电力等优点。因此提出了在厌氧性发酵时，能分别产生以氢为主要成分的发酵气体和以甲烷为主要成分的发酵气体的技术(例如参考专利文献1、2及3)。
专利文献1：特开昭61-8200号公报
专利文献2：特开2001-149983号公报
专利文献3：特开2003-135089号公报
发明内容
发明所要解决的问题
不过，上述以往的方法在实际进行氢发酵时不易顺利地进行。即，原料的生物量中，除氢生成菌的外尚含有乳酸菌等污染菌，而这些乳酸菌会抑制氢发酵(Noike et al.，Inhibition of hydrogen fermentationof organic wastes by lactic acid bacteria，International Journalof Hydrogen Energy，Vol.27，pp.1367-1371，2002)。
解决此问题的方法，例如上述专利文献3公开了预先对供给氢发酵的生物量进行加热/加温处理，使原料中的氢发酵抑制菌不活化的方法，不过因加热/加温处理时需要热能，不是根本的解决之道。此外，专利文献1、2中未提及上述的问题。即，进行以生物量为原料回收能量气体的发酵处理的目的，是以生物量的废弃物处理或废水处理为首要目的。因此，分解生物量大幅减体积化及降低来自废水的负担成为刻不容缓的问题。在此操作中，废弃物处理及废水处理的过程，过多的操作和处理时需要投入能量等，皆大幅降低处理效率，显著抑制产业上的实用性。
鉴于此情况，本发明的目的是提供以生物量等有机物作为原料、通过用于氢发酵的微生物进行氢发酵时，或氢发酵后接着进行甲烷发酵时，不需实施原料的加热/加温等需消耗热能的处理，也可顺利且充分地进行氢发酵或氢发酵和甲烷发酵的生物量的制造方法。
解决问题的方法
本发明人等为要完成上述目的，经过努力研究，结果发现首先由用于氢发酵的微生物进行的氢生成及用于氢发酵的微生物的增殖、和对氢发酵产生不良影响的乳酸菌等微生物群的增殖及由这些微生物群进行的发酵，哪一方占优势要取决于被处理液中所含规定基质的浓度。然后以此发现为基础更进一步研究，结果发现依据其基质的浓度和由用于氢发酵的微生物的基质消耗速度的相关性，实际进行氢发酵时，通过维持被处理液中的基质浓度在适当范围，可解决上述问题从而完成本发明。
即，本发明的生物气的制造方法的特征是具备二步骤，其中第1步骤即以含有机物的被处理液中规定基质的浓度和由用于氢发酵的微生物基质消耗速度的关系为基础，确定由用于氢发酵的微生物能够消耗的基质的最大容许浓度，第2步骤即维持被处理液中的基质浓度低于等于第1步骤确定的最大容许浓度，使用用于氢发酵的微生物对被处理液进行氢发酵，产生以氢为主要成分的生物气。
这样，以含有机物的被处理液中规定基质的浓度和由用于氢发酵的微生物的基质消耗速度的关系为基础，预先确定由用于氢发酵的微生物能够消耗的基质的最大容许浓度，实际进行氢发酵时维持被处理液中的基质浓度低于等于最大容许浓度，据此，原料有机物可被用于氢发酵的微生物优势消耗，可充分地抑制对用于氢发酵的微生物的增殖或活性产生不良影响的乳酸菌等微生物(污染性微生物)的增殖及其发酵。因此，依据本发明即使不实施加热/加温等需消耗热能的处理，也可充分地防止污染性微生物抑制氢发酵，充分且顺利地进行氢发酵。
本发明中，优选以糖作为氢发酵的指标基质。这样一来，确定作为指标的糖的最大容许浓度，实际进行氢发酵时维持糖浓度低于等于最大容许浓度，可确实地防止污染性微生物对氢发酵的抑制，更顺利地进行氢发酵。
此外，本发明的生物气的制造方法优选还具备以用于甲烷发酵的微生物使第2步骤中氢发酵后的发酵液进行甲烷发酵，产生以甲烷为主要成分的发酵气体的第3步骤。这样，第2步骤中氢发酵后的发酵液供给甲烷发酵，即使在甲烷发酵中也可充分抑制污染生成物所致的抑制。因此，可充分且顺利地分别产生以氢为主要成分的发酵气体和以甲烷为主要成分的发酵气体二者。此外，增设上述第3步骤非常有利于减少有机性废弃物的体积、降低有机性废水对环境的负荷等。
此外，本发明的生物气的制造方法，是于含有机物的被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分，不影响用于氢发酵的微生物的增殖或活性，使抑制氢生成的污染性微生物失活后进行氢发酵，而产生以氢为主要成分的生物气。
已知啤酒花或啤酒花成分对广大范围的微生物具有抗菌作用，例如Simpson，W.J.等对短乳酸杆菌(Lactobacillus brevis)具抗菌性活性的报告(Simpson，W.J.et al.，Factors affecting antibacterialactivity of hops and their derivatives，J.Appl.Bacterial.，vol.72，pp.327-334，1992)，Plollach，G.等的啤酒花β酸可抑制微生物产生乳酸、亚硝酸、醋酸、丁酸(Plollach G.et al.，Einsatz vonHophenprodukten als Bacteriostaticum in der Zuckerindustrie，Zuckerindustrie，vol.121，pp.919-926，1996；Hein，W.et al.，NeueErkenntnisse beim Einsatz von Hopfenprodukten in derZuckerindustrie，Zuckerindustrie，vol.122，pp.940-949，1997；Plollach G.et al.，Neue Erkenntnisse zur LosungmikrobiellerProbleme in Zuckerfabriken，Zuckerindustrie，vol.124，pp.622-637，1999)等，另一方面，也有报告指出具有抗性，以往并未证实必为有效功能。例如Simpson，W.J.等的片球菌(Pediococcus)及乳酸杆菌属具有啤酒花抗性(Simpson，W.J.et al.，Cambridge PrizeLecture，Studies on the Sensitivity of Lactic Acid Bacteria to HopBitter Acids，J.Inst.Brew.，，vol.99，pp.405-411，1993)及佐见学的Lactobacillus brevis株具有啤酒花抗性(佐见学，使啤酒变坏的乳酸菌，日本酿造协会志，vol.94，pp.2-9，1999)等。对于这一点，经本发明者们研究，结果发现通过适当地设定啤酒花或啤酒花成分的使用方法或用量等条件，可有效地抑制对用于氢发酵的微生物的活性产生不良影响的微生物的活性，且证实不抑制用于氢发酵的微生物的增殖及活性，阐明了解啤酒花或啤酒花成分有效应用于氢发酵的可能性。依据上述生物气的制造方法，即使不实施加热/加温等需消耗热能的处理，也可充分地防止污染性微生物抑制氢发酵，充分且顺利地进行氢发酵。
发明的效果
如上所述，依据本发明，以有机物为原料利用用于氢发酵的微生物进行氢发酵时，即使不对原料实施加热/加温等需消耗热能的处理，也可顺利且充分地进行氢发酵。
附图说明
图1为本发明中优选使用的产生生物气的装置的一个例子的框图。
图2为实施例1中发酵天数和发酵气体中的氢及二氧化碳浓度的关系图。
图3为实施例3中发酵天数和发酵气体中的氢及二氧化碳浓度的关系图。
图4为实施例4中发酵天数和发酵气体中的氢及二氧化碳产量的关系图。
图5为实施例6中发酵次数和发酵气体中的氢及二氧化碳浓度的关系图。
图6为实施例8中发酵天数和发酵气体中的氢及二氧化碳产量的关系图。
图7为实施例9中原料供给液的种类和发酵气体中的氢及二氧化碳产量的关系图。
图8为实施例10中发酵天数和发酵气体中的甲烷及二氧化碳浓度的关系图。
主要组件符号说明
1-----氢发酵槽
2-----甲烷发酵槽
L1～L5-----管线
具体实施方式
以下，详细地说明本发明中理想的实施方式。
图1是适用于本发明的生物气的制造装置的示例框图。图1的装置具备氢发酵槽1及甲烷发酵槽2，连续操作此装置可进行氢/甲烷二段式发酵。
在氢发酵槽1设置管线L1，经由管线L1将含有机物的被处理液供给氢发酵槽1。被处理液无特别的限制，只要是含可利用用于氢发酵的微生物进行氢发酵的有机物者即可。其中，以从可再生的有机性资源获得能量气体为目的，适用于有机质废弃物或有机性废水等生物量的处理，优选适用于啤酒制造废水和制面包的废弃物等的处理。
氢发酵槽1内容纳有氢生成微生物，采用此用于氢发酵的微生物使被处理液中的有机物进行氢发酵。用于氢发酵的微生物例如梭状杆菌(Clostridia)、甲基营养菌(Methylotrophs)、甲烷菌(Methanogens)、瘤胃细菌(Rumen Bacteria)、古细菌(Archaebacteria)等厌氧性微生物、大肠杆菌、肠杆菌(Enterobacter)等兼性厌氧性微生物、产碱杆菌(Alcaligenes)、芽孢杆菌(Bacillus)等好氧性微生物、光合成细菌、蓝绿藻(Cyanobacteria)等。可使用分离的微生物或适于氢生成的混合微生物群(microflora)作为用于氢发酵的微生物。例如以厌氧性微生物群进行氢发酵，是在将生物量等有机质原料供给存在有用于氢发酵的微生物的发酵槽，于pH6.0～7.5左右、温度20～70℃左右的条件下进行发酵。以这些用于氢发酵的微生物进行氢发酵时，除了产生氢(H2)及二氧化碳(CO2)为主要成分的发酵气体(生物气)，同时也生成醋酸、丁酸、乳酸等有机酸。例如葡萄糖是通过用于氢发酵的微生物的作用，依据下式(1)分解成醋酸(CH3COOH)和氢及二氧化碳。
本发明中，以用于氢发酵的微生物进行氢发酵时，以被处理液中规定基质的浓度和由用于氢发酵的微生物的基质消耗速度的关系为基础，确定由用于氢发酵的微生物能够消耗的基质的最大容许浓度。其中，作为指标的基质无特别的限制，只要和用于氢发酵的微生物的氢产生及用于氢发酵的微生物的增殖相关者即可。优选的基质例如糖。
此外，“基质的最大容许浓度”是指以用于氢发酵的微生物进行氢发酵时，为了要优势地消费基质，其基质浓度的最大值。即，通过维持氢发酵槽1内被处理液中的基质浓度小于等于最大容许浓度，通过使其基质被用于氢发酵的微生物消耗形成优势，可充分且顺利地进行氢发酵。此外，若基质浓度超过最大容许浓度，因存在于生物量等有机物中的乳酸菌等的作用，明显地抑制氢发酵活动，结果抑制氢生成或用于氢发酵的微生物的增殖。
可依据下列的顺序确定基质的最大容许浓度。首先，预备基质浓度有变化的多种被处理液，使用这些被处理液进行氢发酵，测定此时氢的产生量。此外，可通过由改变被处理液的稀释率或将基质添加于被处理液以调整基质浓度。例如作为指标的基质为糖时，通过添加纤维素、半纤维素、淀粉等高分子多糖类、麦芽糖、麦芽三糖、纤维二糖、纤维三糖等寡糖、戊糖、己糖等单糖类，可增加被处理液中的糖浓度。
其次，将氢产生量的测定值对基质的浓度绘图，可得基质的浓度和氢产生量的相关曲线。此相关曲线中，通常氢产生量伴随基质浓度的增加而增加，达到一最大浓度后有减少的趋势。因氢产生量和用于氢发酵的微生物的基质消耗速度成正比，相关曲线中达到氢产生量的最大值的浓度即基质的最大容许浓度。
于被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分，可有效地抑制对氢发酵有不良影响的乳酸菌等微生物群的活动。而且，此啤酒花或啤酒花成分的抗菌作用不影响用于氢发酵的微生物的活动。因此，于被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分可提高基质的最大容许浓度，实际进行氢发酵时也可更加提升其效率。此外，后述的甲烷发酵中，供给氢发酵后的被处理液(发酵液)，此发酵液中含有啤酒花或啤酒花成分后，可更顺利地进行甲烷发酵。
理想的啤酒花或啤酒花成分，例如啤酒花球花、啤酒花丸、啤酒花提取物、异构化啤酒花丸、四氢葎草酮等化学修饰啤酒花、啤酒花α酸、啤酒花β酸等。
以由此确定的最大容许浓度为基础，实际进行氢发酵。即，使氢发酵槽1内的基质浓度小于等于最大容许浓度，调整供给的被处理液中的基质浓度、被处理液的流入速度及流出速度等，再视需要添加啤酒花或啤酒花成分，以用于氢发酵的微生物进行氢发酵。实际上的原料有机物是同质，氢发酵槽内的温度、pH等发酵条件若不变动，氢发酵槽内的增殖微生物的含量实质上维持一定。此外，连续操作时，被处理液连续地供给氢发酵槽的同时，因连续地从氢发酵槽排出，依据被处理液的流入、流出、由微生物消耗的有机物(或基质)等，可连续地供给被处理液。此外，若利用微生物固定化法，可不受氢发酵槽内的被处理液(发酵液)的原料浓度(即基质浓度)的变动和被处理液的流入速度或流出速度的变动的影响，维持实质上一定的微生物保持量。
连续操作时的氢发酵槽1内的物质生成消耗情形可由下述式(2)表示。
V(dS/dt)＝FSo-FS-V(-dS/dt)C (2)
式(2)中，V表示为氢发酵槽内被处理液的体积，So为流入的被处理液中的基质浓度，S为流出的被处理液中的基质浓度，dS/dt为单位时间内基质浓度的变动量。此外，加注的C表示由微生物消耗造成的变动量。F表示以定容操作为前提时被处理液的供给速度及发酵液的流出速度。即，式(2)的左边表示为单位时间内发酵槽的基质消耗变动量，右边第1项为基质的流入量，右边第2项为基质的流出量，右边第3项为微生物所消耗的基质的消耗量。
从生物量产生能量气体的发酵操作中，使能量气体的生成速度达到发酵槽容器单位的最大化极为重要。即，从发酵速度的观点出发，希望尽可能地维持发酵槽中的微生物保持量在最大量，尽可能地发挥发酵槽容积的最大限度。因此，以一定温度、一定pH管理发酵操作时，若无混入毒性物质也不缺乏必须营养素等外来干扰因素，微生物的基质消耗速度与发酵槽中的微生物保持量具有依赖性，实际上右边第3项的V(-dS/dt)C是维持于尽可能最大值。此外，尽可能地维持发酵槽中微生物保持量于最大量的方法，是将微生物固定化在微生物载体等的方法或形成具凝集性的微生物集块，使其填充或浮游于发酵槽中的方法。虽也有不使微生物固定化而以浮游状态维持在高浓度增殖的方法，不过，因微生物浓度易受原料液的流入及发酵液的流出速度影响，所以希望采用固定化微生物的方法。
此外，从生物量等产生能量气体的发酵操作中，长时间且稳定地处理发酵原料生物量，稳定地生产发酵气体在装置效率方面非常重要。此外，从废水处理的观点，必须避免流出水中的负荷浓度的变动。因此，希望式(2)左边的变动项不发生不稳定的变动，零变动的运行是重要的。
此处，对用于氢发酵的微生物产生不良影响的乳酸菌等微生物群的增殖及发酵中，不使用生物量原料而维持生物量原料浓度，和维持流出液中的基质浓度S小于等于最大容许浓度意义相同。
以上述见解为基础，式(2)的左边的变动换成零后，式(2)可改写成式(3a)或式(3b)。
(S-So)/(-dS/dt)C＝V/F (3a)
F＝V×(-dS/dt)C/(S-So) (3b)
如上述，由于应将V及(-dS/dt)C尽可能维持在最大值，因此视为一定值，流出液中的基质浓度S维持在一定水平，且使发酵槽单位的基质消耗变动项(式(2)的左边)不发生变动而进行操作，相对于流入原料液中的基质浓度So，可由式(3b)的右边算出原料液的供给及发酵液的流出速度F并加以控制。
这样利用用于氢发酵的微生物进行氢发酵时，产生以氢及二氧化碳为主要成分的发酵气体(生物气)的同时，也生成醋酸、丁酸、乳酸等有机酸。产生的生物气是经由管线L2移送至氢发酵槽1的外面。此由氢及二氧化碳混合成的生物气可直接应用于燃料电池等，不过，通过使用具备钯膜等的膜分离器使氢通过而二氧化碳无法通过，可从混合气体分离回收高纯度的氢。此外，通过使混合气体通过碱溶液使二氧化碳被碱溶液吸收，可得高纯度的氢。另一方面，含有机酸的氢发酵后被处理液(发酵液)是经由管线L3移送至甲烷发酵槽2，供应甲烷发酵使用。
甲烷发酵槽2中含有用于甲烷发酵的微生物。通常，用于甲烷发酵的微生物群是由多种甲烷生成细菌组成的生态系统。此生态系统中，生存有甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷丝菌属(Methanothrix)、产甲烷菌属(Methanogenium)、甲烷袋壮菌属(Methanoculles)等各种甲烷生成细菌，可有效率地产生甲烷。这样，氢发酵后被移送至甲烷发酵槽2的被处理液(发酵液)被分解成甲烷和二氧化碳。在氢发酵步骤之后段设置甲烷发酵步骤，不仅可制得能量气体甲烷，从减少有机性废弃物的体积、降低有机性废水对环境的负荷等观点出发非常有用。
此外，供给甲烷发酵的被处理液(发酵液)中含有啤酒花或啤酒花成分较理想。因发酵液中的啤酒花或啤酒花成分，可有效地抑制会抑制甲烷发酵微生物的甲烷发酵的微生物的活动因而优选。此外，在氢发酵中于被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分时，啤酒花或啤酒花成分和被处理液一同带入甲烷发酵槽2，或被处理液被移送至甲烷发酵槽2时再添加啤酒花或啤酒花成分皆可。
由甲烷发酵产生的生物气是由甲烷和二氧化碳组成的混合气体，此生物气是经由管线L4移送至甲烷发酵槽2的外面。生物气是由甲烷和二氧化碳组成的混合气体，可直接使用为能量气体，不过，通过使用甲烷可通过而二氧化碳不可通过的膜分离器，或使二氧化碳被碱溶液吸收等，可制得高纯度的甲烷。另一方面，甲烷发酵后的发酵液残渣是经由管线L5从甲烷发酵槽2排出。此发酵液残渣已被充分地减体积化及无害化。
此外，本发明不受限于上述实施方式。例如，上述实施方式是具有以与用于氢发酵的微生物的基质消耗速度的关系为基础，确定通过由用于氢发酵的微生物消耗的可能基质的最大容许浓度的步骤，不过在被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分时，也可不设置此步骤。即本发明中，在含有机物的被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分，不影响用于氢发酵的微生物的增殖或活性，使抑制氢发酵的污染性微生物失活并进行氢发酵，可有效地产生以氢为主要成分的生物气。
此外，上述实施方式中，是以连续操作进行氢/甲烷二段发酵加以说明，不过用于氢发酵的微生物的发酵/培养操作除了连续操作以外，也可为分批操作、半分批操作等。半分批操作是指反应中将特定的限制基质供给反应器，获得目的生成物之前不取出的操作，也称为流加法。以原料浓度维持在适当范围的观点出发，分批操作及半分批操作时，可容易地从添加液量、添加液中的基质浓度、发酵槽中的培养液量及液中的基质浓度算出发酵原料液中的基质浓度，故较理想。连续操作时，因发酵原料液连续地供给发酵槽，同时发酵槽内的溶液也连续地排出，故必须连续供给流入、排出、以微生物的原料消耗为基础的发酵原料液。通常，以生物量为原料回收能量气体的发酵的目的是有机性资源垃圾和有机性废水等生物量类的废弃物处理或废水处理，从装置的运转效率考虑连续操作较合理。
以下，根据实施例更具体地说明本发明，不过本发明不局限于以下的实施例。
(乳酸菌对氢发酵的抑制作用)
(实施例1)
于50℃下将厌氧污泥床采取的污泥驯养于啤酒制造废水(pH4，COD：约15000，糖浓度(换算成葡萄糖)：4000mg/L～5000mg/L，乳酸：约4000mg/L，醋酸：约100mg/L)，去除用于甲烷发酵的微生物，聚集可进行氢发酵的酸生成发酵微生物群。以此聚集微生物群作为种菌，供给啤酒制造废水作为发酵原料液进行约1个月的连续发酵。应予说明，于50℃、pH6.0～6.5的条件下进行连续发酵。图2所示为发酵天数和发酵气体中氢及二氧化碳的浓度的关系。此外，氢发酵时生成的有机酸的主要成分是醋酸约1000mg/L、丁酸约2000mg/L、乳酸约200mg/L。从连续发酵槽中采取发酵液，于50℃培养于以琼脂固定啤酒制造废水的培养基，培养液中检验出数种微生物菌落为优先种。此菌落中占多数的8种微生物培养于厌氧发酵用琼脂培养基，解析增殖菌落的基因的碱基序列，8种中有5种是梭状杆菌属(Clostridium)的微生物。将相同的8种的微生物培养于乳酸菌检验用的琼脂培养基，不过乳酸菌并不增殖(乳酸菌检验用培养基：日水制药株式会社的改性GAM培养基)
(比较例1)
将20g葡萄糖(和光纯药制)、3g酵母提取物(DIFCO制)、5g蛋白胨(DIFCO制)、3g麦芽提取物(DIFCO制)及5g碳酸氢钠(和光纯药制)溶解于1L的自来水后，于121℃进行15分钟湿热灭菌处理，制备发酵原料液。然后，以实施例1以啤酒制造废水作为发酵原料液，于50℃、pH6.0～6.5的条件下进行约1个月连续发酵所得的培养液，以此作为种菌接种于发酵原料液，于50℃进行24小时的重复分批发酵。第1次的分批发酵氢约占60％、二氧化碳约40％，第2次的分批发酵氢约占50％、二氧化碳约50％，第3次的分批发酵氢约占35％、二氧化碳约65％，氢产量快速减少。此外，对发酵液原料的发酵前及第1～3次的分批发酵结束时的醋酸、丁酸及乳酸的生成量进行分析的结果如表1所示，可知第3次的分批发酵时乳酸生成量增加。于50℃，将第3次分批培养的微生物群以厌氧方式培养于葡萄糖、酵母提取物、蛋白胨、麦芽提取物、碳酸氢钠组成的琼脂培养基(于发酵液原料中再添加15g琼脂)，检验出数种微生物群落是优先种。此菌落中占多数的9种微生物培养于乳酸菌检验用的琼脂培养基，解析增殖菌落的基因的碱基序列，9种中有2种是乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)，9种中有2种是粪肠球菌(Enterococcus faecalis)，9种中有1种是鸟肠球菌(Enterococcusavium)等的近缘种。如此可知，乳酸菌群的增加可连带抑制氢的生成。
(表1)
| 醋酸(mg/L) | 丁酸(mg/L) | 乳酸(mg/L) | |
| 发酵前 | 48 | 0 | 33 |
| 第1次结束时 | 2600 | 1800 | 380 |
| 第2次结束时 | 2800 | 1900 | 190 |
| 第3次结束时 | 2100 | 1400 | 3700 |
比较实施例1和比较例1，即使使用相同种的菌，原料的性状不同则优势增殖的微生物群也不同。此2种原料液较大的区别之处为糖浓度。即，暗示优先增殖的微生物种受发酵液的糖浓度影响。
(使用啤酒制造废水的氢发酵)
(实施例3)
以和实施例1相同的培养液作为种菌，于啤酒制造废水中再添加麦芽糖及淀粉组成的易同化性的糖，变化调制成的原料液的稀释率，通过连续操作进行氢发酵。
首先，原料液的糖浓度约为10000mg/L，连续发酵的稀释率为1.0/d的条件下进行氢发酵(第1～7日)，氢发酵槽内的糖浓度在800mg/L附近稳定，顺利地进行氢发酵。之后，原料液的糖浓度约为22000mg/L，稀释率为0.4/d时(第8～13日)，氢发酵槽内的糖浓度些微上升在1000mg/L附近，顺利地进行氢发酵。此外，具相同糖浓度的原料液，其稀释率为1.2/d时(第14～17日)，氢发酵槽内的糖浓度在3800mg/L附近，氢产量急速减少。即，氢发酵槽内的糖未消耗殆尽尚有残存时，氢产量减少而乳酸浓度上升。图3所示是上述氢发酵中发酵天数和发酵气体中的氢及二氧化碳浓度的关系。此外，各过程期间的原料液的糖浓度、稀释率、氢发酵槽内的糖浓度、及氢发酵槽内的有机酸(醋酸、丁酸及乳酸)的浓度如表2所示。此外，表2中的氢发酵槽内的糖浓度及有机酸浓度是过程期间中的代表值。由上可知，氢发酵槽中的糖浓度不超过4000mg/L的范围内可顺利地维持氢发酵。
(表2)
| 经过时间 | 原料液中糖浓度(mg/L) | 稀释率(1/d) | 发酵槽内糖浓度(mg/L) | 发酵槽内有机酸浓度(mg/L) | ||
| 醋酸 | 丁酸 | 乳酸 | ||||
| 第1～7日 | 10560 | 1.0 | 800 | 1000 | 2500 | 0 |
| 第8～13日 | 22360 | 0.4 | 1000 | 1800 | 6000 | 200 |
| 第14～15日 | 22360 | 1.2 | 3800 | 1500 | 5000 | 4000 |
| 第16～17日 | 24030 | 1.2 | 3800 | 1100 | 3300 | 6000 |
(使用制面包的废弃物的氢发酵)
(实施例4)
以和比较例1相同的培养液作为种菌，制面包废弃物以各种浓度悬浮于水的悬浮液作为原料，于50℃、pH6.0～6.5的条件下进行连续氢发酵。
首先，原料液的糖浓度约为11000mg/L，连续发酵的稀释率为0.7/d的条件下进行氢发酵(第1～6日)，氢发酵槽内的糖浓度为3000～4000mg/L附近稳定，顺利地进行氢发酵。其次，供给高浓度的制面包废弃物的原料液(原料液的糖浓度约35000mg/L)(笫7～12日)，供给高浓度原料液的第8日为止旺盛地进行氢生成，不过第9日后，氢产量减少而乳酸浓度上升。不减少氢产量且顺利地进行氢发酵的发酵过程期间(第1～6日)，其中发酵液中的糖浓度为3000～4000mg/L。图4所示是上述氢发酵中发酵天数和发酵气体中的氢及二氧化碳浓度的关系。此外，各过程期间的原料液的糖浓度、稀释率、氢发酵槽内的糖浓度、及氢发酵槽内的有机酸(醋酸、丁酸及乳酸)的浓度如表3所示。由上可知，通过适当地维持供给原料液的氢发酵槽中的原料浓度，可顺利地维持氢发酵。
(表3)
| 原料液中糖浓度(mg/L) | 稀释率(1/d) | 发酵槽内糖浓度(mg/L) | 发酵槽内有机酸浓度(mg/L) | |||
| 醋酸 | 丁酸 | 乳酸 | ||||
| 第1日 | 11340 | 0.7 | 3050 | 2439 | 2904 | 64 |
| 第2日 | 11340 | 0.7 | 3470 | 1950 | 2428 | 0 |
| 第3日 | 11340 | 0.7 | 3390 | 1913 | 2043 | 0 |
| 第4日 | 11340 | 0.7 | 3110 | 1642 | 1704 | 0 |
| 第5日 | 11340 | 0.7 | 3590 | 1658 | 1610 | 0 |
| 第6日 | 11340 | 0.7 | 4060 | 1674 | 1516 | 44 |
| 第7日 | 34890 | 0.35 | 3960 | 1237 | 1134 | 852 |
| 第8日 | 34890 | 0.35 | 4470 | 2792 | 1960 | 4106 |
| 第9日 | 34890 | 0.35 | 4550 | 3258 | 3861 | 4500 |
| 第10日 | 34890 | 0.35 | 5170 | 3229 | 6997 | 4991 |
| 第11日 | 34890 | 0.35 | 6850 | 2696 | 7826 | 5488 |
| 第12日 | 34890 | 0.35 | 6640 | 2382 | 9136 | 5824 |
如上述，以发酵槽中的基质浓度特别是糖浓度作为指标，供给原料液使其维持在适当范围，据此可顺利地进行氢发酵。具体而言，以啤酒制造废水和制面包废弃物作为原料并使用氢发酵微生物时，使发酵槽中的发酵液的糖浓度维持在大约4000mg/L以下，可抑制对氢发酵微生物具明显抑制效果的乳酸菌群的优先增加，顺利地维持氢发酵。
(实施例5)
因应发酵原料液的糖浓度的变化而控制原料液的供给速度，维持氢发酵槽内的糖浓度在3000mg/L，于50℃、pH6.0～6.5的条件下进行氢发酵。具体而言，以和比较例1相同的培养液为种菌，首先，为要提高发酵槽中的微生物浓度，于啤酒制造废水中再添加麦芽糖及淀粉，以此调整后的原料液(原料液中的总糖浓度为10710mg/L～18390mg/L)进行约1个月的连续发酵。之后，将啤酒制造废水中再添加麦芽糖及淀粉的调整原料液或制面包废弃物以各种浓度悬浮于水作成原料液，使用此原料液并控制液供给速度，使发酵槽中的糖浓度维持一定而进行连续氢发酵。实施液供给速度控制的连续发酵前，进行约1个月的发酵中，因本发酵系的糖消耗能力(-dS/dt)C约为7500mg/L/日，使用此值作为式(3b)的原料液供给速度F的控制值。此外，根据实施例2及实施例3，维持氢发酵的要件是发酵槽中的糖浓度不超过约4000mg/L，故将发酵槽中的控制糖浓度S设定为3000mg/L。从这些值和供给原料液糖浓度并利用式(3b)，算出供给发酵槽的原料液供给速度的控制指针值。表4所示是相对于原料液糖浓度的控制指标值。控制原料液供给速度的氢发酵，原料液进行4日的连续发酵后接着更换成不同浓度的原料液。表4所示为原料液更换后发酵天数第3和第4日的各值。表4中的实际稀释率是由实际的原料液供给量算出的值。发酵槽内的糖浓度为当初目标3000mg/L的附近，氢产量几乎与糖消耗量成比例。如上所述，可顺利地维持氢发酵。
(表4)
| 原料液的糖浓度(mg/L) | 控制指标稀释率(1/d) | 发酵天数 | 实际稀释率(1/d) | 发酵槽内的糖浓度(mg/L) | 氢产量(mL) | 糖每单位消耗量的氢产量(mL/mg) |
| 11160 | 0.92 | 第3日 | 0.90 | 2689 | 1410 | 0.20 |
| 11160 | 0.92 | 第4日 | 0.90 | 3038 | 1366 | 0.18 |
| 8820 | 1.29 | 第3日 | 1.21 | 3120 | 1269 | 0.19 |
| 8820 | 1.29 | 第4日 | 1.21 | 3314 | 1328 | 0.20 |
| 10560 | 0.99 | 第3日 | 0.95 | 2823 | 1259 | 0.17 |
| 10560 | 0.99 | 第4日 | 0.95 | 2771 | 1366 | 0.19 |
| 22360 | 0.39 | 第3日 | 0.37 | 2984 | 1479 | 0.21 |
| 22360 | 0.39 | 第4日 | 0.37 | 3136 | 1383 | 0.19 |
| 38280 | 0.21 | 第3日 | 0.20 | 3359 | 1410 | 0.21 |
| 38280 | 0.21 | 第4日 | 0.20 | 3549 | 1527 | 0.21 |
(啤酒花及啤酒花成分的有效性)
(实施例6)
将20g葡萄糖(和光纯药制，试药特级)、3g酵母提取物(DIFCO制)、5g蛋白胨(DIFCO制)、3g麦芽提取物(DIFCO制)、1g啤酒花丸(Botanix制，Hop Pellet Type90)溶解于1L的自来水后，于121℃进行15分钟湿热灭菌处理，调制发酵原料液。其次，以和比较例1相同的培养液为种菌，接种于发酵原料液，于50℃进行8回24小时的重复分批发酵，全部分批发酵的发酵气体组成皆为氢约53％、二氧化碳约40％并，氢发酵得以保持(图5)。分析此时生成的有机酸的组成，8回的分批发酵均无大变化(表5)。不仅发酵液的糖浓度高，且氢发酵时污染性的微生物群不增加了对氢发酵不造成障碍。由此可知，和比较例1相异，添加啤酒花成分可抑制会抑制氢发酵微生物的增殖或氢生成并产生不良影响的微生物群的活动，且不抑制氢生成微生物的活动。
(表5)
| 发酵次数 | 发酵后的糖浓度(mg/L) | 发酵后的有机酸浓度(mg/L) | ||
| 醋酸 | 丁酸 | 乳酸 | ||
| 第2次 | 7528 | 1843 | 2363 | 80 |
| 第4次 | 7267 | 2369 | 2532 | 0 |
| 第6回 | 未分析 | 2040 | 2538 | 116 |
| 第7回 | 9334 | 2042 | 2648 | 0 |
| 第8回 | 未分析 | 2175 | 2708 | 75 |
(实施例7)
采取实施例6的发酵液，测定苦味价(苦味价的定义：EuropesnBrewery Convention.Analytica-EBC 4th ed.，p.E137，1987.)。其苦味价约为13。由此可知，啤酒花成分在苦味价约为13时，可抑制氢发酵微生物的增殖或氢生成的不优选微生物群的活动，且不抑制氢生成微生物的活动。
(实施例8)
实施例4中氢产量急速减少的培养系中，通过添加啤酒花成分可再恢复进行氢生成反应。
具体而言，首先供给实施例4的培养体系中第13日供给液的糖浓度降低了的原料液，进行3日(13～15日)的运转。不过，此操作无法恢复氢发酵，也无法恢复氢气的产量。第16日添加啤酒花丸(Botanix制，Hop Pellet Type90)于发酵槽及供给液中，使每1L发酵液中含有1g的啤酒花。从第17日之后有恢复氢生成的趋势，第20日恢复至高浓度原料供给液开始时的产量(图6)。此外，第19日之后的生成有机酸组成是恢复至高浓度原料供给液开始时的水准(表6)。由此可知，使每1L发酵液中含有1g啤酒花丸的浓度时，可抑制会抑制氢发酵微生物的增殖或氢生成的不优选微生物群的活动，且不抑制氢生成微生物的活动。
(表6)
| 经过时间 | 原料液中糖浓度(mg/L) | 稀释率(1/d) | 发酵槽内糖浓度(mg/L) | 发酵槽内有机酸浓度(mg/L) | ||
| 醋酸 | 丁酸 | 乳酸 | ||||
| 第13日 | 17010 | 0.55 | 未分析 | 1089 | 4028 | 3393 |
| 第14日 | 17010 | 0.55 | 4468 | 1310 | 3330 | 3055 |
| 第15日 | 17010 | 0.55 | 未分析 | 1490 | 3768 | 3459 |
| 第16日 | 17010 | 0.55 | 3959 | 1614 | 3794 | 2706 |
| 第17日 | 17010 | 0.55 | 未分析 | 1445 | 3393 | 1975 |
| 第18日 | 17010 | 0.55 | 8926 | 1446 | 3514 | 936 |
| 第19日 | 17010 | 0.55 | 未分析 | 1522 | 3307 | 175 |
| 第20日 | 17010 | 0.55 | 未分析 | 2154 | 3345 | 92 |
| 第21日 | 17010 | 0.55 | 6344 | 2679 | 3122 | 72 |
(实施例9)
测试各种啤酒花成分对维持顺利地进行氢发酵的效果。
将35g葡萄糖(和光纯药制，试药特级)、3g酵母提取物(DIFCO制)、5g蛋白胨(DIFCO制)、3g麦芽提取物(DIFCO制)、任1种表7所示的啤酒花成分溶解于1L的自来水后，于121℃进行15分钟湿热灭菌处理，调制发酵原料液A～F。此外，除了不添加啤酒花成分的外，进行相同步骤调制发酵原料液G。
(表7)
| 发酵原料液 | 啤酒花成分 | 添加量 | 发酵原料液的苦味价 |
| A | 啤酒花丸(Botanix制，Pellet Type90) | 1g | 13 |
| B | 啤酒花提取物(Kalsec制，EX) | 3.5g | 12 |
| C | 异化啤酒花丸(Botanix制，Isomerised HopPellets) | 0.5g | 11 |
| D | 四啤酒花(Kalsec制，Tetralone) | 180μL | 11 |
| E | 啤酒花α酸(Botanix制，Isohop) | 50μL | 12 |
| F | 啤酒花β酸(BetaTec制，BetaStab 10A) | 10μL | - |
| G | 不添加 | - | 0 |
其次，以和实施例1相同的培养液为种菌，分别接种发酵原料液A～G，依次进行4次24小时的重复分批发酵。无添加啤酒花成分区的氢产量急速减少而乳酸增加，相对于此，添加啤酒花成分区的氢产量无降低的现象，各次分批发酵均生成氢约400m1、二氧化碳约350ml，维持了氢生产(图7)。此外，任一添加啤酒花成分区的乳酸量均不增加(表8)。由此可知，去除不具苦味价的β酸，啤酒花成分的添加量在苦味价大于10时，可抑制会抑制氢发酵微生物的增殖或氢生成且产生不良影响的微生物群的活动，而不会抑制氢生成微生物的活动。β酸的添加量为每1L发酵液中含10μLβ酸时，可抑制会抑制氢发酵微生物的增殖或氢生成且产生不良影响的微生物群的活动，而不会抑制氢生成微生物的活动。
(表8)
| 发酵原料液 | 发酵后的糖浓度(mg/L) | 发酵后的有机酸浓度(mg/L) | ||
| 醋酸 | 丁酸 | 乳酸 | ||
| A | 16423 | 2390 | 3353 | 273 |
| B | 15916 | 2321 | 4613 | 149 |
| C | 15746 | 2376 | 4854 | 170 |
| D | 12491 | 2317 | 5172 | 109 |
| E | 14211 | 2005 | 4793 | 91 |
| F | 15546 | 2069 | 4409 | 61 |
| G | 17359 | 3515 | 4590 | 2191 |
(实施例10)
在生物量原料中添加啤酒花或啤酒花成分或使其中含有此成分，进行氢发酵后的发酵液供给由用于甲烷发酵的微生物进行的甲烷发酵，也可顺利地维持甲烷发酵。
实施例8中，在被抑制氢发酵的微生物污染而减少氢产量的氢发酵系中，供给含啤酒花丸的氢发酵原料而恢复氢发酵的氢发酵排出液，再将此排出液供给以用于甲烷发酵的微生物进行的甲烷发酵，可顺利地维持甲烷发酵。
首先，于50℃、pH6.0～6.5的状态下，将实施例4中无添加啤酒花成分而正常地进行氢发酵的发酵排出液供给甲烷发酵。即，使用实施例4的氢发酵的第5日及第6目的排出液作为氢发酵排出液(甲烷发酵的原料液)，进行甲烷发酵。将原料液供给甲烷发酵时的稀释率为0.43/d。所得结果如图8所示(图8的第5′日及第6′日)。
之后，将使用实施例8的发酵原料液A(添加啤酒花丸者)实施氢发酵后的氢发酵排出液供给甲烷发酵。即，使用实施例8的氢发酵的第16日及第21日的排出液作为氢发酵排出液(即，甲烷发酵的原料液)，进行甲烷发酵。将原料液供给甲烷发酵时的稀释率为0.40/d。所得结果如图8所示(图8的第16′日～第21′日)。
如图8所示，以用于甲烷发酵的微生物进行的甲烷发酵，即使采用以含啤酒花丸的氢发酵原料进行氢发酵后的排出液，甲烷产量也不发生异常。由此可知，于生物量原料中添加或使含有啤酒花或啤酒花成分，将经过氢发酵后的发酵液供给以用于甲烷发酵的微生物进行的甲烷发酵，可顺利地维持甲烷发酵。
Claims (4)
1.一种生物气的制造方法，其特征是包括2个步骤：
第1步骤：以含有机物的被处理液中规定基质的浓度和由用于氢发酵的微生物消耗此基质的消耗速度的关系为基础，确定由该用于氢发酵的微生物能够消耗的基质的最大容许浓度；
以及第2步骤：维持被处理液中的上述基质浓度低于等于上述最大容许浓度，使用用于氢发酵的微生物使被处理液进行氢发酵，产生以氢为主要成分的生物气。
2.如权利要求1的生物气的制造方法，其中所述基质是糖。
3.如权利要求1或2的生物气的制造方法，其中还具备以用于甲烷发酵的微生物使第2步骤中氢发酵后的发酵液进行甲烷发酵，产生以甲烷为主要成分的发酵气体的第3步骤。
4.一种生物气的制造方法，其特征是于含有机物的被处理液中添加啤酒花或啤酒花成分，不影响用于氢发酵的微生物的增殖或活性，使抑制氢生成的污染性微生物失活而进行氢发酵，产生以氢为主要成分的生物气。
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