【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン細菌を利用し木質バイオマスを発酵させ、メタン等の有益なガスを製造するバイオマスを用いたガス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止のため大気中に二酸化炭素（ＣＯ２ ）を排出しないバイオマスエネルギーは、化石燃料（石油、石炭、天然ガス）の代替エネルギーとして注目されている。バイオマスとは、生物系（動物系、植物系）エネルギー資源の潜在利用可能量（のエネルギー換算値）を示すものであり、糖質系、デンプン系（粗粒穀物等）、リグノセルロース系（木質類、草本類）、油脂系（動物油脂、植物油脂）、廃棄物系（農業系、林業系、一般系、産業系）のバイオマスエネルギーに大別される。なかでもとくに木質類等を源とする森林バイオマスは、推定存在量、採取コスト等の面からみて有利でありとくに注目されている。
【０００３】
上記のような森林バイオマス、とくに木質バイオマスからは、一般に、嫌気性細菌であるメタン細菌を用いた発酵により、メタン等のエネルギー資源が回収されている（特許文献１）。
【０００４】
ところで、木質バイオマスの主要成分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンの３つであるが、このうちリグニンはメタン発酵の基質とはなり得ず、かえってメタン細菌による発酵を阻害するおそれがあるため、発酵の前工程において分離、分解等により除去することが好ましい。しかし、バイオマスからメタン細菌によりメタンを発生させる一連の処理システムにリグニンの分離工程を追加したり、また、事前に何らかの薬剤を投入することによりリグニンを分解等させたのでは、処理システムが煩雑化するとともにコストアップは避け難い。
【０００５】
このため、従来は、単一の発酵槽に細片化した木質バイオマスをそのまま投入しリグニンを含有した状態で発酵させるような発酵システムが採用されている（特許文献２）。
【０００６】
また、従来の発酵システムにおいては主にメタンを生成しているが、メタンに加え、優れたエネルギー転換効率を有し、かつ合成原料としても極めて利用価値の高い水素および工業上広範に利用される二酸化炭素を得ることができれば、バイオマスを用いた新たなエネルギー供給システムおよび生成物の利用システムを構築することもできる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０５−１２３６９３号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１８６７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、効率よくしかも低コストで、メタンおよびその他の有益なエネルギー資源としてのガスを製造することが可能なバイオマスを用いたガス製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のバイオマスを用いたガス製造方法は、細片化された木質バイオマスに、茸栽培廃床の細片を混合した後、メタン細菌含有物質を添加し、嫌気状態下での発酵により少なくともメタンを含む混合ガスを発生させることを特徴とする方法からなる。
【００１０】
上記メタンの、発熱量（燃焼エンタルピーの絶対値）は約５６ＭＪＫｇ−１であり、石油の４４ＭＪＫｇ−１、エタノールの３０ＭＪＫｇ−１、メタノールの２３ＭＪＫｇ−１に比べて大きく、有効なエネルギー資源である。これに対し、水素の発熱量は１４３ＭＪＫｇ−１であり極めて大きい。また、水素は、化合物の合成原料としても利用価値が高い。したがって、メタンと水素を同時に製造することができれば、新たなエネルギー供給システム等を構築することができる。
【００１１】
一般に発酵効率は、ｐＨにより大きく左右される。したがって、本発明における発酵に際してもｐＨを最適範囲（本発明においてはｐＨ＝７以上）に設定することが好ましい。しかし、茸栽培廃床の細片は強酸性（ｐＨ＝５）を呈する。このため、本発明における発酵に際してはｐＨ調整物質を添加し、ｐＨを調整することが好ましい。ｐＨ調整物質としては水酸化カルシウム等のアルカリ性物質を挙げることができる。
【００１２】
また、上記発酵に際しては、発酵促進剤を添加することが好ましい。発酵促進剤はとくに限定されるものではないが、たとえば廃乳等の動物性タンパク質含有物質、あるいは植物性タンパク質含有物質を挙げることができる。
【００１３】
また、上記発酵に際しては、予め家畜糞尿を添加し併せて該家畜糞尿を発酵処理することも可能である。家畜糞尿は、それ自身をメタン細菌含有物質としてそれからメタン等のガスを得ようとすると、一般に効率が極めて低いので、現実には処理に困っているのが実情である。そこで、本発明に係る高効率のガス製造方法と組み合わせることで、現実の処理が可能となり、堆肥までへの大量処理が可能となる。また、近年臭気や環境汚染の観点から処理方法の規制化が検討されている牛糞等の家畜糞尿に対し有効な処理・活用方法を与えることができる。
【００１４】
木質バイオマスは、とくに限定されるものではないが、たとえば真竹、孟宗竹等の竹を原料とする木質バイオマスを使用することができる。上記竹もとくに限定されるものではないが、好ましくは孟宗竹を挙げることができる。孟宗竹等の竹の成育環境は高温、多湿であることが好ましい。また、竹とくに孟宗竹の成長は極めて早い。このため、気候が孟宗竹の成育環境に好適な日本および東南アジア諸国においては孟宗竹は広く分布しており、多量に収穫し利用したとしても資源が枯渇するおそれはなく、自然環境を破壊することはない。
【００１５】
本発明により製造される混合ガス中には少なくともメタンガスが含まれるが、その他のガスとしては二酸化炭素、水素が含まれる。メタンガス、水素はたとえば燃料電池の電池活物質等として、二酸化炭素は代替フロンの熱交換媒体等として広範な用途が考えられる。また、混合ガスからは天然ガス状物質を分離することもできる。なお、本発明中における天然ガス状物質とは、メタン等の炭化水素を主成分とする可燃性のガスをいう。
【００１６】
上記発酵に関与するメタン細菌は、絶対嫌気性細菌である。したがって、本発明における発酵は、嫌気状態下で光を遮断して行う必要がある。このような環境下においては絶対嫌気性細菌であるメタン細菌の活性が向上されるので、効率的な発酵を実現できる。なお、本明細書におけるメタン細菌とは、メタン産生菌に含まれる一群の細菌をいう。
【００１７】
上記嫌気状態を実現する方法はとくに限定されるものではないが、たとえば発酵槽内に二酸化炭素または水素を導入すれば容易にしかも確実に嫌気状態を実現することができる。
【００１８】
上記メタン細菌含有物質は、とくに限定されるものではなく、メタン細菌を含有する物質であればよい。たとえば汚泥（たとえば、下水汚泥）や、河川、海、湖等の水底に堆積されたヘドロを利用することができる。このような汚泥、ヘドロをメタン細菌含有物質として利用すれば、発酵コストを低減しつつ、河川等の環境浄化、ひいてはバイオマスの生産を促す環境形成に寄与することもできる。
【００１９】
上記茸栽培廃床もとくに限定されるものではなく、茸栽培床であれば広く適用できる。好ましくは、平茸栽培廃床、椎茸栽培廃床、マイ茸栽培廃床、シメジ茸栽培廃床、エリンギ茸栽培廃床、榎茸栽培廃床を挙げることができる。
【００２０】
上記のようなバイオマスを用いたガスの製造方法においては、発酵前の木質バイオマスに茸栽培廃床の細片が混合される。該茸栽培廃床の細片は、酸性の粉状物であり、また種々の細菌が共生しているものである。このため、茸栽培廃床中に含まれる白色菌類の作用等によりリグニンを分解することができる。したがって、以降の発酵工程において、セルロース、ヘミセルロースを基質とした発酵が促進され、メタン、水素等の混合ガスを効率的に製造することができる。また、リグニンの分離された木質バイオマスと茸栽培廃床の混合物にｐＨ調整物質を添加し、該混合物のｐＨをメタン細菌の活動に最適な範囲に調整すれば（本発明ではｐＨ＝７以上）その後の発酵におけるメタン、水素等の混合ガスの製造効率を大幅に向上できる。なお、従来、椎茸栽培等に用いられた後に生じる多量の茸栽培廃床には、有効な再利用方法が与えられておらず、専らゴミとして焼却等により処分されていた。しかし、本発明によれば、茸栽培廃床に有効利用の途を与えることができる。また、併せてゴミの減量化にも寄与できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るバイオマスを用いたガスの製造方法の望ましい実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガスの製造方法の概略工程図である。本実施態様においては、森林等から採取された森林バイオマス１は、チッパー２により、約１ｃｍ×０．５ｃｍ角以下のチップ３に粉砕され、さらに洗浄４されて木質バイオマス５の細片が製造される。次にこの木質バイオマス５に予め粉砕した茸栽培廃床６の細片を投入する。
【００２２】
次に、木質バイオマス５と茸栽培廃床６とを混合し、この混合物７を１〜２週間程度放置する。そして、該混合物７にメタン細菌含有物質８を投入し嫌気状態にされた発酵槽内で光を遮断して発酵させる（発酵工程９）。このとき、メタン細菌含有物質８とともに、廃乳等の発酵促進剤を投入すると、発酵効率の向上が可能である（図示略）。なお、発酵槽内に二酸化炭素または水素を導入すれば発酵槽内を容易にしかも確実に嫌気状態にすることができる。
【００２３】
メタン細菌含有物質８は、とくに限定されるものではなく、たとえば水底に堆積したヘドロあるいは各種の汚泥を使用できる。
【００２４】
そして、発酵工程９における発酵により、木質バイオマス５からメタン、水素、二酸化炭素を含む混合ガス１０が生成される。さらに、混合ガス１０はガス分離工程１１において分離され新たなエネルギー資源として利用される。
【００２５】
本実施態様のようなバイオマスを用いたガスの製造方法においては、発酵される前の木質バイオマス５に茸栽培廃床６の細片が投入される。該茸栽培廃床６は酸性の粉状物であり、また種々の細菌が共生しているものである。このため、たとえば茸栽培廃床６中に含まれる白色菌類の作用等により木質バイオマス５中のリグニンを分解することができる。したがって、混合物７中から発酵を阻害するおそれのあるリグニンを除去することができるので、効率的な発酵が可能となり、メタン、水素、二酸化炭素等の混合ガス１０を効率よく製造することができる。なお、茸栽培廃床６は従来専らゴミとして焼却等により処分されていたものであるが、本発明によれば多量に排出される茸栽培廃床６に有効利用の途を与えることができるとともに、ゴミの減量化にも寄与できる。
【００２６】
また、本実施態様においては、メタンの他に水素、二酸化炭素、天然ガス状物質を容易に生成することができる。上述のように水素は、エネルギー資源としてのみならず、合成原料としても多種、多様な用途を有している。したがって、新たなエネルギー供給システム等の構築に寄与することもできる。また、図２に示すように、ガス分離工程１１において混合ガス１０中から分離された二酸化炭素１２は液化処理１３された後、出荷され各種の用途（たとえば、フロン代替冷媒等）に使用される。一方、メタンを含有する天然ガス状物質１４も液化処理１５された後、出荷され家庭用、工業用のエネルギー源として使用されるようになっている。なお、上記液化処理１３、１５は加圧、冷却およびそれらの組合せ等の公知の処理方法の中から最適な方法を選択できる。
【００２７】
また、本実施態様においては、メタン細菌含有物質８としてヘドロが用いられている。したがって、発酵コストを低減できるとともに、河川等の環境浄化、ひいてはバイオマスの再生産を促す環境形成に寄与することもできる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法の概略工程図である。図において、１６はチップ処理および洗浄処理がなされた木質バイオマスとしての竹（孟宗竹）材料１６を示している。竹材料１６に茸栽培廃床１７および水を加え、両者を混合、放置等し予め前処理１８を施す。これに廃乳等からなる発酵促進剤１９および／または家畜糞尿２０を添加しさらに発酵工程２１において発酵させる。発酵により得られた混合ガス２２からは、たとえば図２に示したと同様のガス分離工程２４に供され、二酸化炭素を分離し液化処理した後出荷したり、天然ガス状物質を分離し液化処理した後出荷したりする。なお、発酵工程２１による残渣中には植物の生育に必要不可欠な栄養素（窒素、リン酸、カリウム等）が豊富に含まれているので、残渣は堆肥２３として使用することができる。
【００２９】
本実施態様においては、バイオマスの発酵により有益な混合ガス２２を回収しつつ、大量の家畜糞尿２０を使用し堆肥２３を得ることができる。つまり、図１に示したようなプロセスに、家畜糞尿２０の処理、さらには廃乳等の発酵促進剤１９の添加プロセスを加えることにより、従来大量処理が困難であった家畜糞尿２０の処理を効率よく行うことができるようになる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明に係るバイオマスを用いたガス製造方法についての具体的な実施例について説明する。
【００３１】
実施例１
まず、はじめに森林から採取した倒木等の廃材から１ｃｍ×０．５ｃｍ以下の廃材チップを作り、これを洗浄４し木質バイオマス５を生産した。この木質バイオマス５に、予め細片にされた茸栽培廃床６および水を加えよく混合し混合物７を得た。なお、本実施例においては木質バイオマス５と茸栽培廃床６とを同量ずつ混合しているが、この混合比率は変更することができる。
【００３２】
上述のようにして得られた混合物７を１〜２週間程度放置した。さらに、混合物７にメタン細菌含有物質８としてヘドロを加えた。なお、メタン細菌含有物質８としてのヘドロの添加量は、適宜変更できる。
【００３３】
そして、混合物７にヘドロを添加したものを発酵工程９に送り発酵槽内において発酵させた。該発酵は、発酵槽内に二酸化炭素を導入し内部を嫌気状態とし、光を略完全に遮断して行った。また、発酵槽内の温度は２５〜３０℃に維持した。
【００３４】
上記により製造された混合ガス１０中には、メタン、水素、二酸化炭素が含まれていた。製造されたガスの量は、木質バイオマス５（１ｋｇ）、茸栽培廃床６（１ｋｇ）、ヘドロ（１ｋｇ）、合計重量略３ｋｇに対し、メタン約３０％（９００ｇ）、水素約２０％（６００ｇ）、二酸化炭素約２０％（６００ｇ）であった。また、約３０％（９００ｇ）の残渣が生じた。本実施例および以下の実施例により製造される混合ガス１０中には、メタンが３０％〜６０％、二酸化炭素２０％〜４０％、水素およびその他のガスが２０％〜４０％含まれる。なお、混合ガス１０中における各ガスの分圧は、木質バイオマス５、廃床６、メタン細菌含有物質８の種類、および混合割合により変更することができる。
【００３５】
実施例２
孟宗竹５００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水５００ｍｌおよび茸栽培廃床６としての平茸栽培廃床２５０ｇを加え、混合物７を得てこれを１〜２週間放置した。上記混合物７（７５ｇ）にメタン細菌含有物質８としてヘドロ（神奈川県内の芝川の川底に堆積したヘドロ）を同量（７５ｇ）加えた。さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加え、ｐＨを７以上に調整し、これを発酵させ発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３６】
実施例３
茸栽培廃床６として椎茸栽培廃床を用いた以外は実施例１と全く同一の条件で発酵させ、混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３７】
実施例４
孟宗竹３００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水４００ｍｌおよび茸栽培廃床６としてマイ茸栽培廃床１５０ｇを加え、混合物７を得てこれを１〜２週間放置した。上記混合物７（７５ｇ）にメタン細菌含有物質８としてヘドロを同量（７５ｇ）加えた。さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加えｐＨを７以上に調整し、これを発酵させ発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００３８】
実施例５
茸栽培廃床６としてシメジ茸栽培廃床▲１▼を用い木質バイオマス５に添加する水の量を２００ｍｌに変更し、それ以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
ここでシメジ茸栽培廃床▲１▼は、シメジ茸を収穫後に栽培廃床を屋外に数ヶ月間放置した後の廃床を細片に切断したものである。
【００３９】
実施例６
茸栽培廃床６としてエリンギ茸栽培廃床を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００４０】
実施例７
茸栽培廃床６としてシメジ茸栽培廃床▲２▼を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
ここでシメジ茸栽培廃床▲２▼は、シメジ茸を収穫した後に直ちに廃床を細片に切断したものである。
【００４１】
実施例８
茸栽培廃床６として榎茸栽培廃床を用いた以外は、実施例４と全く同一の条件で発酵させ、発生した混合ガス１０を経時的に定量した。
【００４２】
実施例９
発酵の際にｐＨ調整物質としての水酸化カルシウム水溶液を添加せずに発酵を行った以外は、実施例５と全く同一の条件とした。実施例５との混合ガス１０の発生量との対比を図４に示した。
【００４３】
比較例１、２
孟宗竹３００ｇを洗浄し細片にし木質バイオマス５とした。これに水４００ｍｌを加えて１〜２週間放置し混合物７とした。該混合物７（７５ｇ）にヘドロを同量（７５ｇ）加え、さらにｐＨ調整物質として水酸化カルシウム水溶液を加えｐＨを７以上に調整した後、発酵させた（比較例１）。一方、混合物７（７５ｇ）にヘドロを同量（７５ｇ）加え、これを発酵させた（比較例２）。比較例１、２の混合ガス１０の発生状態を図５に示した。
【００４４】
実施例２〜９、比較例１、２の結果を表１に、得られたデータを主成分負荷量分析した結果を表す表２に示すとともに、図４〜図７に示した。図７は、表２に対応する主成分負荷量分布を示している。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
上記実施例２〜９、比較例１、２からわかるように、孟宗竹に茸栽培廃床６を加え予めリグニンを分解処理する場合は（実施例２〜９）、処理しない場合（比較例１、２）に比べて発酵により多量の混合ガス１０を効率よく発生させることができる。また、とくに平茸栽培廃床、椎茸栽培廃床により処理すると混合ガス１０を効率よく発生させることができる。また、実施例５と実施例９との比較から明らかなように、発酵の際にはｐＨを７近傍あるいは７以上に調整することにより、メタン細菌が活性化され混合ガス１０の発生量を増加することができる。また、得られたデータの変数成分のうち、表２、図７に示した主成分１は、時間を変数とした場合時間の経過と共に増加していることから、明らかにガス発生量と解釈することができるが、主成分１に直交する変数成分としての主成分２が何に関与するファクターかは現状では不明である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のバイオマスを用いたガス製造方法によるときは、木質バイオマスの発酵を阻害するおそれのあるリグニンを、効果的にしかも低コストで分離等することができるので、発酵によりメタン等を効率よく得ることができる。また、メタン細菌含有物質としては汚泥やヘドロ等を利用することができるので、発酵コストを低減しつつ、環境浄化にも寄与できる。また、メタンのみならず、利用価値の高い水素等も同時に製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の第１実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法により得られた混合ガスから二酸化炭素と天然ガス状物質を分離する工程図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係るバイオマスを用いたガス製造方法の工程図である。
【図４】各茸栽培廃床の時間に対する混合ガスの発生量を示すグラフである。
【図５】シメジ茸栽培廃床を使用した場合において、ｐＨ調整の有無による混合ガス発生量の差を示すグラフである。
【図６】茸栽培廃床を添加しない場合における混合ガス発生量を示すグラフである。
【図７】実施例、比較例で得られたデータの主成分負荷量分布図である。
【符号の説明】
１ 森林バイオマス
２ チッパー
３ チップ
４ 洗浄
５ 木質バイオマス
６、１７ 茸栽培廃床
７ 混合物
８ メタン細菌含有物質
９、２１ 発酵工程
１０、２２ 混合ガス
１１、２４ ガス分離工程
１２ 二酸化炭素
１３、１５ 液化処理
１４ 天然ガス状物質
１６ 木質バイオマスとしての竹材料
１８ 前処理
１９ 発酵促進剤
２０ 家畜糞尿
２３ 堆肥[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas production method using biomass that produces useful gas such as methane by fermenting woody biomass using methane bacteria.
[0002]
[Prior art]
In recent years, biomass energy that does not emit carbon dioxide (CO 2 ) into the atmosphere to prevent global warming has attracted attention as an alternative energy to fossil fuels (oil, coal, natural gas). Biomass refers to (potential energy conversion value of) the potential use of biological (animal, plant) energy resources, and includes saccharides, starches (coarse grains, etc.), lignocellulosics (woody And herbs), oils and fats (animal oils and fats, vegetable oils and fats), and waste (agriculture, forestry, general, and industrial) biomass energy. In particular, forest biomass derived from wood and the like is particularly advantageous because of its estimated abundance, collection cost, and the like.
[0003]
Generally, energy resources such as methane are recovered from forest biomass as described above, particularly from woody biomass, by fermentation using anaerobic bacteria, methane bacteria (Patent Document 1).
[0004]
By the way, the main components of woody biomass are cellulose, hemicellulose, and lignin. Of these, lignin cannot be a substrate for methane fermentation, and may rather inhibit fermentation by methane bacteria. It is preferable to remove them by separation, decomposition and the like in the process. However, adding a lignin separation step to a series of treatment systems that generate methane from methane bacteria from biomass, or degrading lignin by adding some chemicals in advance, complicates the treatment system. It is unavoidable to increase costs.
[0005]
For this reason, conventionally, a fermentation system has been employed in which finely divided woody biomass is directly charged into a single fermenter and fermented in a state containing lignin (Patent Document 2).
[0006]
In addition, conventional fermentation systems mainly produce methane, but in addition to methane, have excellent energy conversion efficiency and are extremely valuable as synthetic raw materials, and are widely used industrially. If carbon dioxide can be obtained, a new energy supply system using biomass and a product utilization system can be constructed.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-123693 [Patent Document 2]
JP-A-10-118671
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a gas production method using biomass that can produce methane and gas as other useful energy resources efficiently and at low cost.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a gas production method using biomass of the present invention is characterized by adding a methane bacteria-containing substance to a fragmented woody biomass, mixing a fragment of a mushroom cultivation waste floor, The method comprises producing a mixed gas containing at least methane by fermentation under conditions.
[0010]
The methane, calorific (absolute value of the combustion enthalpy) is about 56MJKg -1, oil 44MJKg -1, 30MJKg ethanol -1, greater than the 23MJKg -1 methanol is an effective energy resources. On the other hand, the calorific value of hydrogen is 143 MJKg −1, which is extremely large. Hydrogen has a high utility value as a raw material for synthesizing compounds. Therefore, if methane and hydrogen can be produced simultaneously, a new energy supply system or the like can be constructed.
[0011]
In general, fermentation efficiency is greatly affected by pH. Therefore, it is preferable to set the pH to the optimum range (in the present invention, pH = 7 or more) even during fermentation in the present invention. However, the strip of mushroom cultivation waste floor exhibits strong acidity (pH = 5). For this reason, it is preferable to adjust the pH by adding a pH adjusting substance during fermentation in the present invention. Examples of the pH adjusting substance include an alkaline substance such as calcium hydroxide.
[0012]
In the fermentation, it is preferable to add a fermentation accelerator. The fermentation promoter is not particularly limited, and examples thereof include animal protein-containing substances such as waste milk and vegetable protein-containing substances.
[0013]
In addition, at the time of the above fermentation, it is also possible to add livestock manure in advance and to subject the livestock manure to a fermentation treatment. Domestic animal manure is generally inefficient when it is used as a substance containing methane bacteria to obtain a gas such as methane from the substance. Therefore, by combining with the high-efficiency gas production method according to the present invention, actual treatment becomes possible, and mass treatment up to compost becomes possible. Further, it is possible to provide an effective treatment and utilization method for livestock manure such as cow dung, for which regulation of the treatment method has been studied in recent years from the viewpoint of odor and environmental pollution.
[0014]
The woody biomass is not particularly limited. For example, woody biomass using bamboo as a raw material, such as bamboo or moso bamboo, can be used. Although it is not limited to the above bamboo bamboo, preferred is Moso bamboo. The growing environment of bamboo such as Moso bamboo is preferably high temperature and high humidity. Also, the growth of bamboo, especially Moso bamboo, is extremely fast. For this reason, Moso bamboo is widely distributed in Japan and Southeast Asian countries where the climate is suitable for the growing environment of Moso bamboo, and even if harvested and used in large quantities, there is no risk of depletion of resources and will not destroy the natural environment .
[0015]
The mixed gas produced according to the present invention contains at least methane gas, but other gases include carbon dioxide and hydrogen. Methane gas and hydrogen are widely used, for example, as a cell active material of a fuel cell, and carbon dioxide is used as a heat exchange medium for alternative chlorofluorocarbons. Further, natural gaseous substances can be separated from the mixed gas. In the present invention, the term "natural gas-like substance" refers to a combustible gas mainly containing a hydrocarbon such as methane.
[0016]
The methane bacteria involved in the fermentation are obligate anaerobic bacteria. Therefore, the fermentation in the present invention needs to be performed under anaerobic conditions while blocking light. Under such an environment, the activity of the methanobacterium, which is an anaerobic bacterium, is improved, so that efficient fermentation can be realized. In addition, the methane bacterium in this specification refers to a group of bacteria included in methane-producing bacteria.
[0017]
The method for realizing the anaerobic state is not particularly limited. For example, if carbon dioxide or hydrogen is introduced into the fermenter, the anaerobic state can be realized easily and reliably.
[0018]
The methane bacteria-containing substance is not particularly limited, and may be any substance containing methane bacteria. For example, sludge (for example, sewage sludge) or sludge deposited on the bottom of a river, sea, lake or the like can be used. If such sludge and sludge are used as methane bacteria-containing substances, it can contribute to the purification of the environment of rivers and the like and the formation of an environment that promotes the production of biomass while reducing fermentation costs.
[0019]
The mushroom cultivation waste floor is not particularly limited, and any mushroom cultivation floor can be widely applied. Preferably, a flat mushroom cultivation waste floor, a shiitake mushroom cultivation waste floor, a mysterious mushroom cultivation waste floor, a shimeji mushroom cultivation waste floor, an eryngii mushroom cultivation waste floor, and an enoki mushroom cultivation waste floor can be mentioned.
[0020]
In the method for producing gas using biomass as described above, strips of mushroom cultivation waste floor are mixed with woody biomass before fermentation. The strips of the mushroom cultivation waste floor are acidic powdery substances and various bacteria coexist. Therefore, lignin can be decomposed by the action of white fungi contained in the mushroom cultivation waste floor. Therefore, in the subsequent fermentation step, fermentation using cellulose or hemicellulose as a substrate is promoted, and a mixed gas of methane, hydrogen, and the like can be efficiently produced. Further, if a pH adjusting substance is added to the mixture of the woody biomass from which the lignin has been separated and the mushroom cultivation waste floor, and the pH of the mixture is adjusted to an optimum range for the activity of methane bacteria (in the present invention, pH = 7 or more). The production efficiency of a mixed gas such as methane and hydrogen in the subsequent fermentation can be greatly improved. Conventionally, a large amount of mushroom cultivation waste floor generated after being used for cultivation of shiitake mushrooms or the like has not been provided with an effective reuse method, and has been disposed of exclusively by incineration as garbage. However, according to the present invention, the mushroom cultivation waste floor can be given a way of effective use. In addition, it can also contribute to the reduction of waste.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of a gas production method using biomass according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic process diagram of a method for producing gas using biomass according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the forest biomass 1 collected from the forest or the like is crushed by the chipper 2 into chips 3 each having a size of about 1 cm × 0.5 cm square or less, and further washed 4 to produce small pieces of the woody biomass 5. You. Next, small pieces of the mushroom cultivation waste floor 6 crushed in advance are put into the woody biomass 5.
[0022]
Next, the woody biomass 5 and the mushroom cultivation waste floor 6 are mixed, and the mixture 7 is left for about 1 to 2 weeks. Then, the methane bacteria-containing substance 8 is charged into the mixture 7 and fermented in a anaerobic fermenter while shielding light (fermentation step 9). At this time, when a fermentation accelerator such as waste milk is added together with the methane bacteria-containing substance 8, the fermentation efficiency can be improved (not shown). In addition, if carbon dioxide or hydrogen is introduced into the fermentation tank, the inside of the fermentation tank can be easily and reliably brought into an anaerobic state.
[0023]
The methane bacteria-containing substance 8 is not particularly limited, and for example, sludge deposited on the water bottom or various sludges can be used.
[0024]
Then, by the fermentation in the fermentation step 9, a mixed gas 10 containing methane, hydrogen, and carbon dioxide is generated from the woody biomass 5. Further, the mixed gas 10 is separated in the gas separation step 11 and used as a new energy resource.
[0025]
In the gas production method using biomass as in the present embodiment, a small piece of mushroom cultivation waste floor 6 is introduced into woody biomass 5 before fermentation. The waste mushroom cultivation floor 6 is an acidic powdery substance and various bacteria coexist. Therefore, lignin in the woody biomass 5 can be decomposed by the action of white fungi contained in the mushroom cultivation waste floor 6, for example. Therefore, since lignin which may inhibit fermentation can be removed from the mixture 7, efficient fermentation can be performed, and the mixed gas 10 such as methane, hydrogen, and carbon dioxide can be efficiently produced. In addition, the mushroom cultivation waste floor 6 has been conventionally disposed of exclusively as garbage by incineration or the like, but according to the present invention, the mushroom cultivation waste floor 6 discharged in large quantities can be given a way of effective use. It can also contribute to the reduction of garbage.
[0026]
In this embodiment, hydrogen, carbon dioxide, and natural gaseous substances can be easily generated in addition to methane. As described above, hydrogen has various and various uses not only as an energy resource but also as a raw material for synthesis. Therefore, it can contribute to the construction of a new energy supply system and the like. As shown in FIG. 2, the carbon dioxide 12 separated from the mixed gas 10 in the gas separation step 11 is liquefied 13 and then shipped and used for various purposes (for example, a refrigerant substitute for freon). . On the other hand, a natural gaseous substance 14 containing methane is also subjected to liquefaction 15 before being shipped and used as a household or industrial energy source. The liquefaction treatments 13 and 15 can be selected from known treatment methods such as pressurization, cooling, and combinations thereof.
[0027]
In the present embodiment, sludge is used as the methane bacteria-containing substance 8. Therefore, the fermentation cost can be reduced, and it can also contribute to the purification of the environment of rivers and the like, and the formation of an environment that promotes the reproduction of biomass.
[0028]
FIG. 3 is a schematic process diagram of a gas production method using biomass according to the second embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 16 denotes a bamboo (moso bamboo) material 16 as woody biomass that has been subjected to a chip treatment and a washing treatment. The mushroom cultivation waste floor 17 and water are added to the bamboo material 16, and the both are mixed and left, etc., and subjected to a pretreatment 18 in advance. A fermentation promoter 19 composed of waste milk or the like and / or livestock manure 20 is added thereto, and fermentation is further performed in a fermentation step 21. From the mixed gas 22 obtained by fermentation, for example, a gas separation process 24 similar to that shown in FIG. 2 is applied to separate and liquefy carbon dioxide and then ship it, or to separate and liquefy natural gaseous substances. Or ship later. In addition, since the nutrients (nitrogen, phosphoric acid, potassium, etc.) indispensable for the growth of the plant are abundantly contained in the residue from the fermentation step 21, the residue can be used as the compost 23.
[0029]
In the present embodiment, a compost 23 can be obtained by using a large amount of livestock manure 20 while collecting a beneficial mixed gas 22 by fermentation of biomass. In other words, by adding the treatment of the livestock manure 20 and the process of adding the fermentation accelerator 19 such as waste milk to the process as shown in FIG. It can be performed efficiently.
[0030]
【Example】
Next, specific examples of the gas production method using biomass according to the present invention will be described.
[0031]
Example 1
First, waste wood chips of 1 cm × 0.5 cm or less were prepared from waste wood such as fallen trees collected from a forest, and washed 4 to produce woody biomass 5. To this woody biomass 5, a waste mushroom cultivation waste floor 6 and water, which were previously made into small pieces, were added and mixed well to obtain a mixture 7. In this example, the woody biomass 5 and the mushroom cultivation waste floor 6 are mixed in equal amounts, but the mixing ratio can be changed.
[0032]
The mixture 7 obtained as described above was left for about 1 to 2 weeks. Further, sludge was added to the mixture 7 as the methane bacteria-containing substance 8. The amount of sludge added as the methane bacteria-containing substance 8 can be appropriately changed.
[0033]
Then, a mixture obtained by adding sludge to the mixture 7 was sent to the fermentation step 9 and fermented in the fermenter. The fermentation was carried out by introducing carbon dioxide into the fermenter to make the inside anaerobic and blocking light almost completely. Further, the temperature in the fermenter was maintained at 25 to 30 ° C.
[0034]
The mixed gas 10 produced as described above contained methane, hydrogen, and carbon dioxide. The amount of the produced gas was about 30% (900 g) of methane and about 20% (600 g of hydrogen) for the total weight of woody biomass 5 (1 kg), waste mushroom cultivation bed 6 (1 kg), sludge (1 kg), and total weight of about 3 kg. ), About 20% (600 g) carbon dioxide. About 30% (900 g) of a residue was generated. The mixed gas 10 produced according to the present embodiment and the following embodiments contains 30% to 60% of methane, 20% to 40% of carbon dioxide, and 20% to 40% of hydrogen and other gases. The partial pressure of each gas in the mixed gas 10 can be changed according to the type of the woody biomass 5, the waste floor 6, the methane bacteria-containing substance 8, and the mixing ratio.
[0035]
Example 2
500 g of Moso bamboo was washed and made into small pieces to obtain woody biomass 5. To this, 500 ml of water and 250 g of waste mushroom cultivation waste floor 6 as mushroom cultivation waste floor 6 were added to obtain mixture 7, which was left for 1 to 2 weeks. To the above mixture 7 (75 g), the same amount (75 g) of sludge (sludge deposited on the bottom of Shibakawa river in Kanagawa prefecture) was added as methane bacteria-containing substance 8. Further, an aqueous solution of calcium hydroxide was added as a pH adjusting substance to adjust the pH to 7 or more, and the mixed gas 10 produced by fermentation was quantified with time.
[0036]
Example 3
Fermentation was carried out under exactly the same conditions as in Example 1 except that the mushroom cultivation waste floor 6 was used as the mushroom cultivation waste floor, and the mixed gas 10 was quantified with time.
[0037]
Example 4
300 g of Moso bamboo was washed and made into small pieces to obtain woody biomass 5. 400 ml of water and 150 g of waste mushroom cultivation waste floor as mushroom cultivation waste floor 6 were added thereto to obtain a mixture 7, which was left for 1-2 weeks. The same amount (75 g) of sludge was added as the methane bacteria-containing substance 8 to the mixture 7 (75 g). Further, an aqueous solution of calcium hydroxide was added as a pH adjusting substance to adjust the pH to 7 or more, and the mixed gas 10 generated by fermentation was quantitatively determined with time.
[0038]
Example 5
The mushroom cultivation waste floor 6 was used as the mushroom mushroom cultivation waste floor (1), and the amount of water added to the woody biomass 5 was changed to 200 ml. Gas 10 was quantified over time.
Here, the shimeji mushroom cultivation waste floor {circle around (1)} is obtained by cutting the shimeji mushroom cultivation waste floor after leaving the cultivation waste floor outdoors for several months, and cutting the waste floor into small pieces.
[0039]
Example 6
Fermentation was carried out under exactly the same conditions as in Example 4 except that the mushroom cultivation waste floor 6 was an eryngii mushroom cultivation waste floor, and the generated mixed gas 10 was quantified with time.
[0040]
Example 7
Fermentation was carried out under exactly the same conditions as in Example 4, except that the shimeji mushroom cultivation waste floor (2) was used as the mushroom cultivation waste floor 6, and the generated mixed gas 10 was quantified with time.
Here, the shimeji mushroom cultivation waste floor (2) is obtained by cutting the waste floor into small pieces immediately after harvesting the shimeji mushrooms.
[0041]
Example 8
Fermentation was carried out under exactly the same conditions as in Example 4, except that the waste mushroom cultivation bed 6 was used as the mushroom cultivation waste floor 6, and the generated mixed gas 10 was quantified with time.
[0042]
Example 9
Except that fermentation was performed without adding an aqueous solution of calcium hydroxide as a pH adjusting substance during fermentation, the conditions were exactly the same as in Example 5. FIG. 4 shows a comparison with the generation amount of the mixed gas 10 in the fifth embodiment.
[0043]
Comparative Examples 1 and 2
300 g of Moso bamboo was washed and made into small pieces to obtain woody biomass 5. 400 ml of water was added thereto, and the mixture was left for 1 to 2 weeks to obtain a mixture 7. The same amount (75 g) of sludge was added to the mixture 7 (75 g), and an aqueous calcium hydroxide solution was further added as a pH adjusting substance to adjust the pH to 7 or more, followed by fermentation (Comparative Example 1). On the other hand, the same amount (75 g) of sludge was added to mixture 7 (75 g), and the mixture was fermented (Comparative Example 2). The state of generation of the mixed gas 10 of Comparative Examples 1 and 2 is shown in FIG.
[0044]
The results of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1, and the obtained data are shown in Table 2 showing the result of analyzing the principal component load amount, and also shown in FIGS. FIG. 7 shows a principal component load distribution corresponding to Table 2.
[0045]
[Table 1]
[0046]
[Table 2]
[0047]
As can be seen from the above Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 and 2, when waste mushroom cultivation floor 6 is added to Moso bamboo to decompose lignin in advance (Examples 2 to 9), when not treated (Comparative Example 1, A larger amount of the mixed gas 10 can be efficiently generated by fermentation than in 2). Further, the mixed gas 10 can be efficiently generated by treating the waste mushroom cultivation waste floor and the shiitake mushroom cultivation waste floor. In addition, as is apparent from the comparison between Example 5 and Example 9, by adjusting the pH to around 7 or 7 or more during fermentation, methane bacteria are activated and the amount of mixed gas 10 generated is increased. can do. In addition, among the variable components of the obtained data, the main component 1 shown in Table 2 and FIG. 7 increases with the passage of time when time is used as a variable. However, it is unknown at present that what factor the main component 2 as a variable component orthogonal to the main component 1 is involved in.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, when the gas production method using biomass of the present invention is used, lignin that may inhibit the fermentation of woody biomass can be separated effectively and at low cost, so that fermentation can be performed. Methane and the like can be obtained efficiently. In addition, sludge, sludge, and the like can be used as the methane bacteria-containing substance, which can contribute to environmental purification while reducing fermentation costs. In addition, not only methane but also highly useful hydrogen and the like can be produced at the same time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process chart showing a gas production method using biomass according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process chart for separating carbon dioxide and a natural gaseous substance from a mixed gas obtained by the gas production method using biomass according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram of a gas production method using biomass according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the amount of mixed gas generated with respect to the time of each mushroom cultivation waste floor.
FIG. 5 is a graph showing a difference in the amount of mixed gas generated depending on the presence or absence of pH adjustment when a shimeji mushroom cultivation waste floor is used.
FIG. 6 is a graph showing the amount of mixed gas generated when no mushroom cultivation waste floor is added.
FIG. 7 is a distribution diagram of principal component load amounts of data obtained in Examples and Comparative Examples.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Forest biomass 2 Chipper 3 Chip 4 Washing 5 Woody biomass 6, 17 Mushroom cultivation waste floor 7 Mixture 8 Methane bacteria-containing substance 9, 21 Fermentation process 10, 22 Mixed gas 11, 24 Gas separation process 12 Carbon dioxide 13, 15 Liquefaction treatment 14 Natural gaseous substance 16 Bamboo material as woody biomass 18 Pretreatment 19 Fermentation promoter 20 Livestock manure 23 Compost
