JP2003251312A

JP2003251312A - 水素発酵装置

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Publication number: JP2003251312A
Application number: JP2002054427A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ito; 崇伊東; Nobuko Oshita; 信子大下
Original assignee: Nishihara Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Nishihara Environment Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-09
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP3706076B2

Abstract

(57)【要約】【課題】不活性ガスを水素発酵槽内に導入して、水素
発酵槽内で生成した水素ガスを不活性ガスとともに水素
発酵槽外に排出し、水素発酵槽外に流出した混合気体か
ら水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵
槽に返送する水素発酵装置を得る。【解決手段】有機物を水素発酵により分解して水素ガ
スを生成する水素発酵槽２と、不活性ガス供給装置５か
ら供給された不活性ガス及び水素ガス分離装置７から返
送されてきた水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２内に
導入し、水素発酵槽２内をバブリングする不活性ガス導
入管６と、水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含む
バイオガスと不活性ガスとの混合気体から当該水素ガス
を分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送
する水素ガス分離装置７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は有機物、例えば有
機性廃棄物を水素発酵により分解し、新エネルギーとし
て注目される水素ガスを回収する水素発酵装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、クリーンエネルギーとしての水素
の需要や燃料電池のエネルギー源としての水素の需要が
高まっている。また、廃棄物排出量の増大やその処理、
処分が社会問題となっている。

【０００３】このような状況の下、水素発酵による有機
性廃棄物の処理が注目されている。水素発酵により有機
性廃棄物を処理した場合、水素を生成しながら、環境浄
化を行うことができる。また、最近、有機物を嫌気的条
件下で分解して大量の水素を生成する嫌気性細菌など嫌
気性微生物の存在が確認された。

【０００４】水素発酵は、炭水化物、タンパク質、脂質
などの有機物を嫌気的発酵により二酸化炭素と有機酸等
に分解する過程で起こる現象である。嫌気的発酵でメタ
ンを生成する過程では炭水化物、タンパク質、脂質など
の有機物を加水分解して有機酸を生成する可溶化酸生成
段階と、有機酸をメタン、二酸化炭素、水に分解するメ
タン発酵段階の２段階からなる。水素発酵は酸生成段階
において有機物を加水分解するときに生成する水素に着
目する技術である。従来の有機物の嫌気的発酵では、こ
の水素に着目しておらず、生成した水素はメタン菌によ
る利用、他の細菌の電子受容体の還元やエネルギーの獲
得などに消費されていた。

【０００５】水素生成能を持つ微生物は、大きく分けて
非光合成嫌気性細菌と光合成嫌気性細菌とに分類され
る。非光合成嫌気性細菌は、光合成嫌気性細菌と比較し
て、水素生成速度が速く、光に依存せず、２４時間連続
して水素を発生することが可能であるというメリットが
ある。非光合成嫌気性細菌は糖類、有機酸、アミノ酸、
タンパク質などから水素を生成する。

【０００６】図７は従来の水素発酵装置の概略的な構成
図である。図において、１０１は水素発酵装置である。
１０２は有機物を水素発酵により分解して水素ガスを生
成する水素発酵槽である。１０３は有機物を水素発酵槽
１０２に投入する流入管であり、１０４は水素発酵によ
り生成した有機酸等を含む発酵液を水素発酵槽１０２か
ら取り出す流出管である。１０５は水素発酵槽１０２内
を攪拌し、水素発酵槽１０２に投入された有機物と水素
発酵槽１０２内に存在する水素生成菌とをまんべんなく
混合する攪拌装置である。

【０００７】次に動作について説明する。有機物を流入
管１０３を経由して連続的又は間欠的に水素発酵槽１０
２に投入する。水素発酵槽１０２に投入された有機物
は、攪拌装置１０５の攪拌により水素発酵槽１０２内に
存在する水素生成菌とまんべんなく混合し、水素発酵に
より分解して水素ガスを生成する。水素発酵が進行する
と、水素発酵槽１０２の液相において水素濃度が上昇
し、気相において水素分圧が上昇する。有機酸等を含ん
だ発酵液は流出管１０４を経由して系外に取り出され
る。

【０００８】例えば、有機物がグルコースの場合、理論
的には水素発酵により（１）式で示す反応が起こり、１
モルのグルコースから４モルの水素ガスが生成する。し
かし、実際には、酢酸以外にアルコールなども生成し、
その分だけ水素ガスの生成効率は低下する。Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆＋２Ｈ₂Ｏ → ２ＣＨ₃ＣＯＯＨ＋２ＣＯ₂＋４Ｈ₂ ・・・（１）また、この反応は水素生成細菌のヒドロゲナーゼの働き
によって起こり、ヒドロゲナーゼは水素ガスの発生また
は吸収をともなう酸化還元反応を触媒する酵素であり、
（２）式に示す可逆反応により水素ガスの酸化やプロト
ンの還元を行う。このため、水素発酵槽内の液相中の水
素濃度や気相中の水素分圧が上昇すると、生成した水素
ガスが消費され、水素ガスの生成効率が低下する。

【数１】

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の水素発酵装置は
以上のように構成されているので、水素発酵槽内で生成
する水素ガスにより、水素発酵槽内の液相中の水素濃度
や気相中の水素分圧が上昇すると、（２）式に示す可逆
反応により、生成した水素ガスが消費され、従って、連
続して安定した水素ガスの生成を行うことができず、そ
の結果、水素ガスの生成効率が低下するという課題があ
った。

【００１０】これらの課題を解決するためには、水素反
応槽内を減圧し、水素ガスを強制的に反応系外に取り出
せばよいが、その場合には、水素反応槽内を減圧にする
ための装置を設けなければならず、過去に行われた例で
は、２８．４ｋＰａ程度の減圧では余計な作業を行うた
めに維持管理が煩雑になるわりに水素ガス生成効率の向
上が認められない（「エバラ時報，Ｎｏ．１８３（１９
９９−４），ｐ３８〜４５」参照）という課題があっ
た。

【００１１】また、機械式の攪拌装置を備えた水素発酵
槽では、生物反応により生成するバイオガスや代謝副産
物が滞留し易くなり、これらに起因して生成する硫化水
素やアンモニアにより、水素発酵を行う微生物の活性が
阻害され、水素ガスの生成に支障が生じていた。

【００１２】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、不活性ガスを水素発酵槽内に導入
して、水素発酵槽内で生成した水素ガスを不活性ガスと
ともに水素発行槽外に排出し、水素発酵槽から流出した
混合気体から水素ガスあるいは不活性ガスを分離して、
水素ガス分離後の気体あるいは分離された不活性ガスを
水素発酵槽に返送する水素発酵装置を得ることを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る水素発酵
装置は、有機物を水素発酵により分解する水素発酵槽
と、水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導
入手段と、水素発酵槽より排出される気体から水素ガス
を分離する水素ガス分離手段と、水素ガス分離手段より
排出される気体を水素発酵槽に返送するガス返送手段と
を備えたものである。

【００１４】この発明に係る水素発酵装置は、水素ガス
分離手段が、水素ガス分離膜および／または水素ガス吸
着材を有するものである。

【００１５】この発明に係る水素発酵装置は、有機物を
水素発酵により分解する水素発酵槽と、水素発酵槽内に
不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、水素発酵
槽より排出される気体から不活性ガスを分離する不活性
ガス分離手段と、不活性ガス分離手段より排出される気
体を水素発酵槽に返送するガス返送手段とを備えたもの
である。

【００１６】この発明に係る水素発酵装置は、不活性ガ
ス分離手段が、不活性ガス液化装置および／または不活
性ガス吸着剤を有するものである。

【００１７】この発明に係る水素発酵装置は、不活性ガ
スが、窒素ガスおよび／または希ガスであるものであ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による水
素発酵装置の概略的な構成図である。図において、１は
水素発酵装置、２は有機物を水素発酵により分解して水
素ガスを生成する水素発酵槽であり、嫌気状態を保持す
るように製作され、温度、ｐＨ、有機物負荷、滞留時間
などが水素ガス生成効率が高くなる条件に調整される。
３は有機物を水素発酵槽２に投入する流入管である。水
素発酵槽２に投入する有機物は固体状態のものでも、液
体状態のものでもよい。４は水素発酵により生成した有
機酸等を含む発酵液を水素発酵槽２から取り出す流出管
である。５は不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置
であり、６は不活性ガス供給装置５から供給された不活
性ガス及び後述する水素ガス分離装置７から返送されて
きた水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２内に導入し、
水素発酵槽２内をバブリングする不活性ガス導入管であ
る。７は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含むバ
イオガスと不活性ガスとの混合気体から当該水素ガスを
分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送す
る水素ガス分離装置である。

【００１９】水素ガス分離装置７において、８は水素ガ
スを透過させる水素ガス分離膜を備え、水素ガスを含む
バイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを水
素ガス分離膜に透過させることにより、この混合気体か
ら水素ガスを分離する水素ガス分離部、９は水素発酵槽
２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガ
スとの混合気体を水素ガス分離部８へ移送するガス移送
管、１０は水素ガス分離部８から流出した水素ガス分離
後の気体を水素発酵槽２に返送するガス返送管である。

【００２０】図２は実施の形態１の水素発酵装置を構成
する水素ガス分離装置の水素ガス分離部の概略的な構成
図である。図において、１１は水素ガス分離膜ユニット
である。１２は水素ガス分離膜ユニット１１を構成する
個々の水素ガス分離膜エレメントであり、内部に水素ガ
ス分離膜を有し、ガス移送管９を通して移送されてき
た、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気
体が流入するガス流入部１３と、水素ガス分離膜を透過
した水素ガスが流出する水素ガス流出部１４と、水素ガ
ス分離膜による水素ガス分離後の気体が流出するガス流
出部１５とを備える。１６は水素ガス分離膜を透過した
水素ガスを吸引するポンプである。

【００２１】水素発酵槽２に投入された有機物と水素発
酵槽２内に存在する水素生成菌とをまんべんなく混合す
るために水素発酵槽２内を攪拌する必要があるが、その
方式として機械式の攪拌装置を水素発酵槽２に設ける方
法や、酸素以外の気体を水素発酵槽２内に導入する方法
がある。この実施に形態では、不活性ガス導入管６を通
して水素発酵槽２内に導入される不活性ガスを水素発酵
槽２内の攪拌に用いる。

【００２２】水素発酵槽２内に導入する不活性ガスとし
て、窒素ガス、希ガスが好ましく、特に窒素ガスが好ま
しい。その理由を以下に示す。水素発酵槽２内では、窒素ガスや希ガスを生成する反
応が起こらない。このため、水素発酵槽２内に導入する
窒素ガスや希ガスは水素ガスを追い出すためだけに利用
され、水素発酵槽２内の生物反応に影響を及ぼさない。窒素ガス及び希ガスは常温で気体であり、液化しにく
く、水への溶解性も低い。窒素ガス及び希ガスはいずれも化学的に安定であり、
他の物質に変化しにくい。窒素ガスと水素ガスとの間に、水素ガス分離膜を用い
て分離できる程度の質量差があり、また、窒素ガスと水
素ガスとは大きさも似ており、入れ替わり易く、水素ガ
スを追い出し易い。窒素ガスは安価である。窒素ガスは自然界に多く存在するため生物に与える影
響が少ない。

【００２３】水素ガス分離装置７の水素ガス分離部８に
設ける水素ガス分離膜として、ポリスルホンなどの樹脂
を用いた複合素材系分離膜、ポリスルホン、ポリイミド
が好ましい。ポリスルホンなどの樹脂を用いた複合素材
系分離膜は、優れた分離係数をもつポリスルホン非対称
孔径膜と分離係数は低いが透過係数の大きいジメチルシ
クロキサンなどのコーティング物質とからなる多成分膜
構造をもつ。この複合素材系分離膜は水、Ｈ₂、Ｈｅ、
Ｈ₂Ｓの順に良く透過し、Ｎ₂、ＣＨ₄、ＣＯ、Ａｒの
順に透過しにくい（「最新の膜処理技術とその応用、清
水博、編集監修（株）フジテクノシステム発行所」参
照）。

【００２４】次に動作について説明する。有機物を流入
管３を経由して連続的又は間欠的に水素発酵槽２に投入
する。また、不活性ガス供給装置５から供給された不活
性ガスや水素ガス分離装置７から返送されてきた水素ガ
ス分離後の気体が不活性ガス導入管５を通して水素発酵
槽２内に導入される。水素発酵槽２に投入された有機物
は、不活性ガス導入管５を通して水素発酵槽２内に導入
された不活性ガスや水素発酵槽２に設けられた機械式の
攪拌装置（図示せず）の攪拌により、水素発酵槽２内に
存在する水素生成菌とまんべんなく混合し、水素発酵に
より分解して水素ガスを生成する。水素発酵により生成
した水素ガスは、水素発酵槽２内に導入された不活性ガ
スにより液相から気相に追い出され、不活性ガスととも
に水素発酵槽２外に流出する。このため、水素発酵が進
行しても、水素発酵槽２内の液相中の水素濃度や気相中
の水素分圧は低く、適正に維持される。有機酸等を含ん
だ発酵液は流出管４を経由して系外に取り出される。

【００２５】水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含
むバイオガスと不活性ガスとの混合気体は、ガス移送管
９を通して水素ガス分離部８に移送される。水素ガス分
離部８は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの
混合気体中の水素ガスを水素ガス分離膜に透過させるこ
とにより、この混合気体から水素ガスを分離する。水素
ガス分離部８から流出した水素ガス分離後の気体は、ガ
ス返送管１０を通して水素発酵槽２に返送される。水素
発酵槽２に返送された水素ガス分離後の気体は、不活性
ガス導入管５を通して、不活性ガス供給装置５から供給
された不活性ガスとともに水素発酵槽２内に導入され
る。また、水素ガス分離部８の水素ガス分離膜を透過し
た水素ガスは、高濃度であり、クリーンエネルギーや燃
料電池のエネルギー源として利用することができる。

【００２６】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、不活性ガスを水素発酵槽２内に導入し、水素発酵に
より生成した水素ガスを不活性ガスとともに水素発酵槽
２外に排出するので、水素発酵槽２内の液相中の水素濃
度や気相中の水素分圧を適正に維持することができる。
従って、連続して安定した水素ガスの生成を行うことが
できる。その結果、水素ガスを効率的に生成することが
できる。

【００２７】また、この実施の形態１によれば、水素発
酵槽２内に導入する不活性ガスにより水素発酵槽２内を
攪拌するので、水素発酵槽２内を良好に攪拌することが
できる。従って、水素ガスを効率的に生成することがで
きる。

【００２８】また、この実施の形態１によれば、水素発
酵槽２から流出した混合気体から水素ガスを分離し、水
素ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するので、不
活性ガスの使用量を削減することができる。従って、運
転コストを低減することができる。

【００２９】また。この実施の形態１によれば、水素発
酵槽２に返送する不活性ガスが水素発酵槽２内の温度に
近いので、水素発酵槽２内の温度を低下させることな
く、水素発酵を円滑に進行させることができる。また、
水素発酵槽２内を水素発酵に適した温度に加温するため
のエネルギーを削減することができる。

【００３０】実施の形態２．実施の形態２では、水素ガ
スの分離に水素ガス吸着材を用いる場合について説明す
る。

【００３１】図３はこの発明の実施の形態２による水素
発酵装置の概略的な構成図である。図において、２１は
水素発酵装置、２２は水素発酵槽２から流出した、水素
ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当
該水素ガスを分離し、水素ガス分離後の気体を水素発酵
槽２に返送する水素ガス分離装置である。

【００３２】水素ガス分離装置２２において、２３は水
素ガスを吸着する水素ガス吸着材を備え、水素ガスを含
むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の水素ガスを
水素ガス吸着材に吸着させることにより、この混合気体
から水素ガスを分離する水素ガス分離部、２４は水素発
酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活
性ガスとの混合気体を水素ガス分離部２３へ移送するガ
ス移送管、２５は水素ガス分離部２３から流出した水素
ガス分離後の気体を水素発酵槽２に返送するガス返送管
である。その他の構成要素は図１で同一符合を付して示
したものと同一あるいは同等である。

【００３３】水素ガス分離装置２１の水素ガス分離部２
３に設ける水素ガス吸着材として、水素吸蔵合金、ナフ
タレンが好ましい。ナフタレンは水素ガスと接触するこ
とでデカリンとなり、水素を吸収する。水素吸蔵合金は
重量比で１％の水素を吸収可能であり、ナフタレンは重
量比で７％の水素を吸収可能である。

【００３４】次に動作について説明する。水素発酵槽２
内での動作は実施の形態１の場合と同様である。水素発
酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活
性ガスとの混合気体は、ガス移送管２４を通して水素ガ
ス分離部２３に移送される。水素ガス分離部２３は、水
素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の
水素ガスを水素ガス吸着材に吸着させることにより、こ
の混合気体から水素ガスを分離する。水素ガス分離部２
３から流出した水素ガス分離後の気体は、ガス返送管２
５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に
返送された水素ガス分離後の気体は、不活性ガス導入管
５を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活
性ガスとともに水素発酵槽２内に導入される。また、水
素ガス分離部２３の水素ガス吸着材に吸着した水素ガス
は、必要に応じて水素ガス吸着材から脱離してクリーン
エネルギーや燃料電池のエネルギー源として使用するこ
とができる。

【００３５】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、水素ガスの分離に水素ガス吸着材を用いるので、高
濃度の水素を回収することができる。また、水素ガス吸
着材に吸着した水素ガスを水素発酵装置２１外に移動す
ることができる。

【００３６】実施の形態３．実施の形態３では、水素ガ
ス分離装置に代えて、不活性ガス分離装置を用いる場合
について説明する。

【００３７】図４はこの発明の実施の形態３による水素
発酵装置の概略的な構成図である。図において、３１は
水素発酵装置、３２は水素発酵槽２から流出した、水素
ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当
該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素発
酵槽２に返送する不活性ガス分離装置である。

【００３８】不活性ガス分離装置３２において、３３は
不活性ガスを液化する不活性ガス液化装置を備え、水素
ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不
活性ガスを不活性ガス液化装置で液化することにより、
この混合気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離
部、３４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含む
バイオガスと不活性ガスとの混合気体を不活性ガス分離
部３３へ移送するガス移送管、３５は不活性ガス分離部
３３で分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送する
ガス返送管である。その他の構成要素は図１で同一符合
を付して示したものと同一あるいは同等である。

【００３９】図５は実施の形態３の水素発酵装置を構成
する不活性ガス分離装置の不活性ガス分離部の概略的な
構成図である。図において、３６は不活性ガス液化装置
ユニットである。３７は不活性ガス液化装置ユニット３
６を構成する個々の不活性ガス液化装置エレメントであ
り、内部に不活性ガス液化装置を有し、ガス移送管３４
を通して移送されてきた、水素ガスを含むバイオガスと
不活性ガスとの混合気体が流入するガス流入部３８と、
不活性ガス液化装置で液化された不活性ガスが、再び気
化された後、流出する不活性ガス流出部３９と、不活性
ガス液化装置による不活性ガス分離後の水素ガスを含む
バイオガスが流出するガス流出部４０とを備える。４１
は不活性ガス液化装置で液化され、再び気化された不活
性ガスを吸引するポンプである。

【００４０】不活性ガス分離装置３１の不活性ガス分離
部３３に設ける不活性ガス液化装置として、流入した混
合気体を液体ヘリウムで−２００℃に冷却し、分離対象
の不活性ガスと他のガスとの沸点の違いを利用するもの
を用いる。水素の沸点は−２５９．０℃であり、窒素、
アルゴンの沸点はそれぞれ−１９５．８℃、−１８９．
２℃であるので、−２００℃に冷却することにより、窒
素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスが液化するが水
素ガスは液化しない。

【００４１】次に動作について説明する。水素発酵槽２
内での動作は実施の形態１の場合と同様である。水素発
酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活
性ガスとの混合気体は、ガス移送管３４を通して不活性
ガス分離部３３に移送される。不活性ガス分離部３３
は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気
体中の不活性ガスを不活性ガス液化装置で液化すること
により、この混合気体から不活性ガスを分離する。不活
性ガス分離部３３の不活性ガス液化装置で液化された不
活性ガスは、再び気化された後、ガス返送管３５を通し
て水素発酵槽２に返送される。水素発酵槽２に返送され
た不活性ガスは、不活性ガス導入管５を通して、不活性
ガス供給装置５から供給された不活性ガスとともに水素
発酵槽２内に導入される。また、不活性ガス分離部３３
から流出した不活性ガス分離後の水素ガスを含むバイオ
ガスは、水素発酵装置３１外に排出され、回収される。

【００４２】以上のように、この実施の形態３によれ
ば、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気
体から当該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガス
を水素反応槽２に返送するので、バイオガス中の微量の
硫化水素やアンモニアなどが水素発酵槽２に返送される
不活性ガス中に含まれず、高純度の不活性ガスが水素発
酵槽２に返送される。従って、水素発酵槽２に返送され
る不活性ガスにより水素発酵を行う微生物の活性が阻害
されない。

【００４３】実施の形態４．実施の形態４では、不活性
ガスの分離に不活性ガス吸着材をを用いる場合について
説明する。

【００４４】図６はこの発明の実施の形態４による水素
発酵装置の概略的な構成図である。図において、５１は
水素発酵装置、５２は水素発酵槽２から流出した、水素
ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体から当
該不活性ガスを分離し、分離された不活性ガスを水素発
酵槽２に返送する不活性ガス分離装置である。

【００４５】不活性ガス分離装置５２において、５３は
不活性ガスを吸着する不活性ガス吸着材を備え、水素ガ
スを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気体中の不活
性ガスを不活性ガス吸着材に吸着させることにより、こ
の混合気体から不活性ガスを分離する不活性ガス分離
部、５４は水素発酵槽２から流出した、水素ガスを含む
バイオガスと不活性ガスとの混合気体を不活性ガス分離
部５３へ移送するガス移送管、５５は不活性ガス分離部
５３で分離された不活性ガスを水素発酵槽２に返送する
ガス返送管である。その他の構成要素は図１で同一符合
を付して示したものと同一あるいは同等である。

【００４６】不活性ガス分離装置５１の不活性ガス分離
部５３に設ける不活性ガス吸着材として、分離対象の不
活性ガスを効率的に吸着し、容易に脱離できる材料を用
いる。

【００４７】次に動作について説明する。水素発酵槽２
内での動作は実施の形態１の場合と同様である。水素発
酵槽２から流出した、水素ガスを含むバイオガスと不活
性ガスとの混合気体は、ガス移送管５４を通して不活性
ガス分離部５３に移送される。不活性ガス分離部５３
は、水素ガスを含むバイオガスと不活性ガスとの混合気
体中の不活性ガスを不活性ガス吸着材に吸着させること
により、この混合気体から不活性ガスを分離する。不活
性ガス分離部５３の不活性ガス吸着材に吸着された不活
性ガスは、定期的に不活性ガス吸着材から脱離してガス
返送管５５を通して水素発酵槽２に返送される。水素発
酵槽２に返送された不活性ガスは、不活性ガス導入管５
を通して、不活性ガス供給装置５から供給された不活性
ガスととも、水素発酵槽２内に導入される。また、不活
性ガス分離部５３から流出した、不活性ガス分離後の水
素ガスを含むバイオガスは、水素発酵装置５１外に排出
され、回収される。

【００４８】以上のように、この実施の形態４によれ
ば、不活性ガスの分離に不活性ガス吸着材を用いるの
で、不活性ガスを水素発酵槽２に返送する必要があると
きだけ、不活性ガス分離部５３の不活性ガス吸着材に吸
着された不活性ガスを不活性ガス吸着材から脱離して水
素発酵槽２に返送することができる。

【００４９】

【実施例】以下、この発明の実施の一例を説明する。実施例１．実施例１では、図１に示す水素発酵装置１を
用いてグルコースを水素発酵処理する場合について説明
する。水素ガス分離膜として、ポリスルホンなどの樹脂
を用いた複合素材系分離膜を使用した。

【００５０】１リットルの水素発酵槽２に、クリストリ
ジウム属が存在する嫌気性水素生成菌を投入し、グルコ
ースと栄養塩主体の培地で馴養後、水素発酵槽２内の温
度が３０℃、ｐＨが６．７の条件で、グルコース負荷が
１５ｇ／Ｌ・ｄとなり滞留時間（ＨＲＴ）が２４時間と
なるように連続運転した。運転中、水素発酵槽２内に、
不活性ガスとして窒素ガスを７ｍＬ／ｍｉｎの流量で通
気し、水素発酵槽２内をスターラーで十分に攪拌した。
その結果、水素ガス生成効率は２．４（モル・Ｈ₂／モ
ル・グルコース）であった。窒素ガスを通気しないとき
の水素ガス生成効率は２．０（モル・Ｈ₂／モル・グル
コース）であり、窒素ガスを通気することにより、水素
ガス生成効率は１．２倍となった。

【００５１】窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合
気体が水素発酵槽２から流出する。水素発酵槽２から流
出した混合気体を、上述した水素ガス分離膜を備えた水
素ガス分離部８に流し、水素ガス分離部８から流出した
気体を水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率
（すなわち、水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガ
ス濃度）は９０％であった。

【００５２】実施例２．実施例２では、図３に示す水素
発酵装置２１を用いてグルコースを水素発酵処理する場
合について説明する。水素ガス吸着材として、ナフタレ
ンを使用した。

【００５３】実施例１と同一の条件で運転した。その結
果、水素ガス生成効率は２．５（モル・Ｈ₂／モル・グ
ルコース）であった。水素ガス吸着材は水素ガスを直接
吸着するため、水素ガス分離膜より水素ガス回収率が高
く、従って、実施例１の場合より水素ガス生成効率が高
くなった。

【００５４】窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合
気体が水素発酵槽２から流出する。水素発酵槽２から流
出した混合気体を、上述したナフタレンを備えた水素ガ
ス分離部２３に流し、水素ガス分離部２３から流出した
気体を水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均回収率
（すなわち、水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガ
ス濃度）は９４．６％であった。なお、水素吸蔵合金を
備えた水素ガス分離部の場合、窒素ガスの平均回収率は
９２．６％であった。

【００５５】実施例３．実施例３では、図６に示す水素
発酵装置５１を用いてグルコースを水素発酵処理する場
合について説明する。不活性ガス液化装置として、流入
した混合気体を液体ヘリウムで−２００℃に冷却するも
のを使用した。

【００５６】実施例１の場合と同一の条件で運転した。
その結果、水素ガス生成効率は２．１（モル・Ｈ₂／モ
ル・グルコース）であった。

【００５７】窒素ガスと水素ガスとの比が２：１の混合
気体が水素発酵槽２から流出する。水素発酵槽２から流
出した混合気体を、上述した不活性ガス液化装置を備え
た不活性ガス分離部５３に流した。液化した窒素ガスを
再び気化し、水素発酵槽２に返送した。窒素ガスの平均
回収率（すなわち、水素発酵槽２に新規に投入された窒
素ガスのうち水素発酵槽２に返送される気体中の窒素ガ
ス濃度）は８０％であった。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、不活
性ガスを水素発酵槽内に導入し、水素発酵により生成し
た水素ガスを、不活性ガスとともに水素発酵槽外に排出
するので、以下の効果が得られる。水素発酵槽内の液相中の水素濃度や気相中の水素分圧
を適正に維持することができる。従って、水素発酵槽内
で連続して安定した水素ガスの生成を行うことができ
る。その結果、水素ガスを効率的に生成することができ
る。水素発酵槽を減圧にする装置が不要となる。従って、
維持管理作業を軽減することができる。

【００５９】また、この発明によれば、水素発酵槽内に
導入する不活性ガスにより水素発酵槽内を攪拌するの
で、水素発酵槽内を良好に攪拌することができる。ま
た、従来、水素発酵槽に滞留していたバイオガスや代謝
副産物に起因する硫化水素やアンモニアの生成を防止す
ることができる。従って、水素発酵を行う微生物の活性
を維持・向上させることができる。その結果、水素ガス
を効率的に生成することができる。

【００６０】また、この発明によれば、水素発酵槽から
流出した混合気体から水素ガスあるいは不活性ガスを分
離し、水素ガス分離後の気体あるい分離した不活性ガス
を水素発酵槽に返送するので、不活性ガスの使用量を削
減することができる。従って、運転コストを低減するこ
とができる。

【００６１】また、この発明によれば、水素発酵槽に返
送する不活性ガスが水素発酵槽内の温度に近いので、水
素発酵槽内の温度の低下を防止することができる。従っ
て、水素発酵を円滑に進行させることができる。また、
水素発酵槽内を水素発酵に適した温度に加温するための
エネルギーを削減することができる。

【００６２】また、この発明によれば、水素ガスの分離
に水素ガス吸着材を用いた場合、高濃度の水素を回収す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による水素発酵装置の
概略的な構成図である。

【図２】この発明の実施の形態１による水素発酵装置を
構成する水素ガス分離装置の水素ガス分離部の概略的な
構成図である。

【図３】この発明の実施の形態２による水素発酵装置の
概略的な構成図である。

【図４】この発明の実施の形態３による水素発酵装置の
概略的な構成図である。

【図５】この発明の実施の形態３による水素発酵装置を
構成する不活性ガス分離装置の不活性ガス分離部の概略
的な構成図である。

【図６】この発明の実施の形態４による水素発酵装置の
概略的な構成図である。

【図７】従来の水素発酵装置の概略的な構成図である。

【符号の説明】

１水素発酵装置２水素発酵槽３流入管４流出管５不活性ガス供給装置６不活性ガス導入管７水素ガス分離装置８水素ガス分離部９ガス移送管１０ガス返送管１１水素ガス分離膜ユニット１２水素ガス分離膜エレメント１３ガス流入部１４水素ガス流出部１５ガス流出部１６ポンプ２１水素発酵装置２２水素ガス分離装置２３水素ガス分離部２４ガス移送管２５ガス返送管３１水素発酵装置３２不活性ガス分離装置３３不活性ガス分離部３４ガス移送管３５ガス返送管３６不活性ガス液化装置ユニット３７不活性ガス液化装置エレメント３８ガス流入部３９不活性ガス流出部４０ガス流出部４１ポンプ５１水素発酵装置５２不活性ガス分離装置５３不活性ガス分離部５４ガス移送管５５ガス返送管１０１水素発酵装置１０２水素発酵槽１０３流入管１０４流出管１０５攪拌装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D004 AA02 BA03 CA05 CA18 CB04 CB21 CC01 4D006 GA41 KB23 MC58 MC62 PA04 PB20 PB66 PC80 4D012 CA07 CG01 4D059 AA07 BA13 BA48 BJ00 BJ15 CC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機物を水素発酵により分解する水素発
酵槽と、上記水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導
入手段と、上記水素発酵槽より排出される気体から水素ガスを分離
する水素ガス分離手段と、上記水素ガス分離手段より排出される気体を上記水素発
酵槽に返送するガス返送手段とを備えたことを特徴とす
る水素発酵装置。
【請求項２】水素ガス分離手段は、水素ガス分離膜お
よび／または水素ガス吸着材を有することを特徴とする
請求項１記載の水素発酵装置。
【請求項３】有機物を水素発酵により分解する水素発
酵槽と、上記水素発酵槽内に不活性ガスを導入する不活性ガス導
入手段と、上記水素発酵槽より排出される気体から不活性ガスを分
離する不活性ガス分離手段と、上記不活性ガス分離手段より排出される気体を上記水素
発酵槽に返送するガス返送手段とを備えたことを特徴と
する水素発酵装置。
【請求項４】不活性ガス分離手段は、不活性ガス液化
装置および／または不活性ガス吸着剤を有することを特
徴とする請求項３記載の水素発酵装置。
【請求項５】不活性ガスは、窒素ガスおよび／または
希ガスであることを特徴とする請求項１から請求項４ま
でのいずれかに記載の水素発酵装置。