JP2017533821A - バッチプロセスにおける生物学の管理方法 - Google Patents
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Abstract
有機廃棄物の処理方法であって、当該方法は、単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行うステップであって、前記嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からのいずれの自由排出流体の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られ、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、を含む方法。バッチプロセスが嫌気性消化プロセスである、バッチプロセスにおける生物学の管理方法も記載されている。【選択図】 なし
Description
発明の分野
本発明は、バッチプロセスにおける生物学(biology)の管理方法に関する。より詳細には、本発明の方法は有機廃棄物の嫌気性消化に使用することを意図している。この有機廃棄物は、都市型固形廃棄物の有機成分の１つの形態である。
本発明は、バッチプロセスにおける生物学(biology)の管理方法に関する。より詳細には、本発明の方法は有機廃棄物の嫌気性消化に使用することを意図している。この有機廃棄物は、都市型固形廃棄物の有機成分の１つの形態である。
本発明はさらに、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)に関し、当該プロセスは、単一の反応容器(reactor vessel)内で行われる嫌気性消化および好気性堆肥化の交互ステップを含む。
より詳細には、本発明はまた、有機廃棄物の処理プロセスの嫌気的ステップ中に存在し、かつその間に生成される物質の特定の相に存在するメタン生成微生物(methanogenic microorganisms)の集団を記載する。また、本発明のプロセスまたは方法の管理におけるこれらの集団の処理(treatment)も記載されている。
背景技術
混合された都市固形廃棄物（municipal solid waste,「ＭＳＷ」）の処理は、現在のところ、最も一般的には、その廃棄物をある種の分離プロセスに通すことを含み、その中で有機材料は、できるだけ無機材料から分離される。この最初の分離ステップは、必ずサイズに基づく分離であり、有機材料は、典型的には、無機材料の大部分よりも小さいかまたはより柔らかい。その後、有機材料は、少なくとも部分的には生物学的安定化または分解プロセスに送られ(directed)、他方、無機材料はリサイクル材料および非リサイクル材料に分類され、後者は埋立に送られる。生物学的安定化または分解プロセスの生成物は、理想的には、堆肥材料および／またはバイオガスである。
混合された都市固形廃棄物（municipal solid waste,「ＭＳＷ」）の処理は、現在のところ、最も一般的には、その廃棄物をある種の分離プロセスに通すことを含み、その中で有機材料は、できるだけ無機材料から分離される。この最初の分離ステップは、必ずサイズに基づく分離であり、有機材料は、典型的には、無機材料の大部分よりも小さいかまたはより柔らかい。その後、有機材料は、少なくとも部分的には生物学的安定化または分解プロセスに送られ(directed)、他方、無機材料はリサイクル材料および非リサイクル材料に分類され、後者は埋立に送られる。生物学的安定化または分解プロセスの生成物は、理想的には、堆肥材料および／またはバイオガスである。
典型的には、有機廃棄物の生物分解のためのシステムは、好気性または嫌気性プロセスのいずれかに送られている(directed)。しかし、嫌気性および好気性生分解プロセスの両方を組み合わせようとしている少数のシステムが存在する。ドイツ特許第４４ ４０ ７５０号および国際特許出願ＰＣＴ／ＤＥ１９９４／０００４４０（国際公開第１９９４／０２４０７１号）の各プロセスは、嫌気性発酵ユニットと好気性堆肥化ユニットとの組み合わせを記載している。重要なことに、これらのシステムは、好気性および嫌気性生物分解プロセスのための分離した別個の容器を記載する。
固体有機廃棄物は、例えば、庭園用の堆肥として使用することができる生物活性のある安定した最終生成物を生成するために、嫌気性または好気性条件下で処理することができることが知られている。このプロセスは、生物廃棄物を代謝して生物活性のある安定した最終生成物を生成することができる嫌気性または好気性の微生物の作用によって達成される。
固体有機廃棄物の好気的分解は、酸素の存在下で行われることも知られている。好気性分解中に生成されるエネルギーの一部が熱として放出され、しばしば周囲条件下で約７５℃の温度に達すると、廃棄物の温度が上昇する。固体最終生成物は、硝酸塩(nitrates)が豊富であり、植物にとって窒素が容易に生体利用可能であり、最終生成物を特に肥料として好適にする。
固体有機廃棄物の嫌気性消化は、酸素の不在下で行われることがさらに知られている。嫌気性微生物代謝は、有機材料が、中温性細菌または好熱性細菌が作用する温度に加熱される場合に最適化されると理解される。嫌気性微生物代謝のプロセスは、結果的にメタンおよび二酸化炭素を主に生成するバイオガスをもたらす。この方法の固体生成物は、多くの場合、アンモニウム塩が豊富である。このようなアンモニウム塩は容易に生体利用可能ではなく、その結果、好気的分解が起こる条件下で一般に処理される。このようにして、材料は生物学的に利用可能な生成物を製造するために使用される。
国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）には、好気性および嫌気性プロセスを組み合わせてＭＳＷ（ＯＦＭＳＷ）の有機画分を処理するための改良されたプロセスおよび装置が記載されており、前のプロセスおよび装置の非効率性が克服される。このプロセスおよび装置は、有機廃棄物の温度を上昇させる初期の好気性ステップ、嫌気性消化ステップおよびその後の好気性処理ステップを通して、単一容器内の有機廃棄物の連続処理によって基本レベルで特徴づけられる。嫌気性消化ステップの間に、微生物を含むプロセス水または接種物(inoculum)を容器に導入して、内容物の効率的な嫌気性消化およびバイオガスの生成に適した条件を作り出す。導入された接種物はまた、熱および物質移動ならびに酸性化を防ぐための緩衝能を提供する。続いて、好気性分解のための条件を作り出すために、容器内の残渣に空気を導入する。さらに、嫌気性消化の間に導入された水は、嫌気性消化を受けた相互接続された容器から供給され得ることがさらに記載される。
単一の容器内での有機廃棄物の逐次処理では、プロセスをバッチプロセスとして行う必要がある。国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）に記載されている単一の容器プロセスは、従来技術のプロセスに関して多くの利点を提供するが、嫌気性処理中のプロセスの安定性を維持するという課題を生じさせる。これらの中には、初期の嫌気的消化中の有機酸生成速度を制御することができないことがある。
バイオマスの嫌気性消化の間に使用される微生物は、典型的には、「酸生成」微生物と「酸消費」微生物の繊細なバランスを含む。例えば、接種されていないシステムでは、酸生成微生物の数は、典型的には、酸消費微生物の数を超える。
酸を生成する細菌種は、典型的に分解バイオマスのｐＨを低下させる（より酸性になる）有機酸を生成する。酸を消費する微生物種は、メタンを含むバイオガスの生成に寄与し、ｐＨを上昇させる（アルカリ性または塩基性になる）。典型的にはバッチ嫌気性消化の初期に、有機酸生成細菌の数はこれらの酸を消費する細菌の数を超える。この不均衡は、酸性化、プロセスの不安定性および／またはプロセスの失敗をもたらし、且つ、プロセスの正確なモニタリングの必要性を強調する。
同様に、反応器への微生物の導入は、プロセスが商業規模で、且つ、リアルタイムで行われているときに容易に監視できるものではない。国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスでは、分解の嫌気性相中に生成された液体が再利用される。したがって、このプロセスは、その初期の嫌気性相において生成されたものに再暴露され、再使用された液体中に存在する。その結果、反応器内の状態は、経時的に(over time)酸性になりすぎる可能性がある。これは、反応器への再導入前に、先行する（previous）バッチからの液体中に存在するＶＦＡの不完全な微生物枯渇(exhaustion)に起因して揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）のレベルが上昇している場合に特に当てはまる。仮定されたｐＨの低下は、最終的にプロセスの失敗につながる可能性がある。
同様に、静的な高固体(high solids)バッチ嫌気性消化プロセスの温度管理は、不十分な混合および非効率的な物質移動に起因して困難になる。その後の好ましくない条件はまた、より低い温度の結果としての微生物の代謝の低下のような、微生物性能の低下をもたらすこともある。次に、分解プロセスの実行およびバイオガスの生成が妨げられる。
ＯＦＭＳＷの処理のために好気性および嫌気性プロセスが組み合わされた、出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスおよび装置は、さらにいくつかの国際特許出願、出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１２ＰＣＴ／２０１２／００１０５７（ＷＯ２０１３／０３３７７２）およびＰＣＴ／ＡＵ２０１２／００１０５８（ＷＯ２０１３／０３３７７３）に記載されている。これらのＰＣＴ出願は、出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）において最初に記載されたプロセスおよび／または装置の異なる態様を、比較的基本的かつ形成的な形態(formative form)で説明している。
Ｗａｇｎｅｒ ｅｔ ａｌ．は、生物学的廃棄物の嫌気性消化、バイオガス生産およびそれに対する脂肪酸レベルの影響を調べた研究を発表している（Ｗａｇｎｅｒ ｅｔ ａｌ．， Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｆａｔｔｙ ａｃｉｄ ａｍｅｎｄｍｅｎｔｓ ｏｎ ａ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｄｉｇｅｓｔｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｉｎ ｂａｔｃｈ ｃｕｌｔｕｒｅ， Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ３１ （２０１１） ４３１−４３７）。この研究の目的は、微生物に対する基質(substrate)組成の影響を理解したいという要望であったようである。この研究のために試料を採取した特定の嫌気性消化槽またはバイオガス反応器には、少なくともＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐ．種およびＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉ（Ｍ． ｗｏｌｆｅｉ）が含まれていたことが観察された。両方の種は、消化酵素の性能において重要な役割を果たすと同定された。著者らは、少数の種のみがバイオガス生産に重要な役割を果たしていることをさらに観察した。この研究やそれ以前の研究では、特定の確立された嫌気性微生物集団、およびそれらがバイオガス生産にどのように影響するか、および／またはそれらのバイオガス生産が基質の変動(fluctuations)および形態によってどのように影響を受けるかについての研究を中心にしている。
上述したように、先行技術は、好気性または嫌気性プロセスのいずれかを主として対象としており(directed)、好気性および嫌気性プロセスの両方を１つの反応器で行う方法ではない。両方のプロセスが１つの反応器で行われることにより、少なくとも嫌気性消化プロセスの効率的な操作のために適切な生物学(biology)をいかに維持するかの課題が生じる。
有機材料の嫌気性消化の化学およびバイオガスの生成は、多くの点で十分に理解されている。しかし、上記のように、特定の微生物は周知ではなく、それらがどのようにして嫌気性消化のプロセスに寄与するかも十分に理解されていない。２つの主要なメタン生成微生物が典型的には嫌気性消化プロセスに存在し、水素消費者(consumers)および酢酸塩(acetate)消費者であり、嫌気性消化槽の効率的な操作には両方が存在する必要があると考えられる。酢酸塩を消費する微生物は一般に、微妙で環境条件の変動に対してより敏感であると考えられているが、水素消費者はより堅牢であり、特にアンモニアレベルの増加に対してより耐性である。国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）に記載された方法の生物学は、プロセスを緩衝するために使用されるので、存在するアンモニアが比較的高レベルであることが理解され、これは、バッチプロセスの性質に起因して必要である（嫌気性消化段階の開始直後に起こるＶＦＡの突然の迅速な生成を参照）。この高いアンモニアレベルは、酢酸塩消費者の苦労を招き、水素消費者の成功をもたらす。 これは、メタン生成微生物集団がアセテート消費者で約７０％、水素消費者で約３０％のラインに沿って分割されていることが伝統的に理解されているように直観に反する。この高いアンモニアレベルは、酢酸塩消費者の苦労（struggling）、および水素消費者の成功をもたらす。これは、メタン生成微生物集団が酢酸塩消費者で約７０％、水素消費者で約３０％のラインに沿って分割されていることが伝統的に理解されているように直観に反する(counterintuitive)。
本発明の有機廃棄物の処理方法および嫌気性消化は、先行技術の上記の問題を実質的に克服し、またはそれに対する有用な代替物を提供することを一つの目的とする。
背景技術のこれまでの議論は、本発明の理解を容易にすることを意図するものである。議論は、言及された資料のいずれかが、出願の優先日のような一般的な一般知識であるか、またはその部分であったという承認(acknowledgement)または承認(admission)ではない。
本明細書および特許請求の範囲を通して、文脈上他の意味を必要としない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語または「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形は、記載された整数または整数の群を含めるが、他の整数または整数のグループを除外しない。
本明細書および特許請求の範囲を通して、文脈が他の意味を必要としない限り、用語「有機物質の本体(body)」、その変形、または都市固形廃棄物の有機部分（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ，ＯＦＭＳＷ）という用語は、有機物質、本体（body）または人工または天然の有機材料からなる成分である。そのようなものは、副生成物が少なくともガス、より具体的にはバイオガス、および堆肥化された炭素還元最終生成物、水および接種物(inoculum)である、嫌気性および好気性作用に適した食物、キッチン、動物、庭、植物または他の腐敗性物質を含んでよい。バイオガスは、メタンおよびエタンのような少なくとも炭化水素、二酸化炭素、水素、窒素、酸素、および任意の比率の硫化水素のような硫黄ガスを含むことができる。
発明の開示
本発明によれば、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)が提供され、当該プロセスは、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行う(alternating)ステップであって、前記嫌気性消化工程の完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からのいずれの自由排出流体（free draining fluid）の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる(directed)、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物(solids)は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む。
本発明によれば、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)が提供され、当該プロセスは、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行う(alternating)ステップであって、前記嫌気性消化工程の完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からのいずれの自由排出流体（free draining fluid）の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる(directed)、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物(solids)は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む。
好ましくは、反応容器からの自由排出流体および脱水ステップから得られる液体の両方は、有機廃棄物の嫌気性消化に寄与するメタン生成微生物を含有する。
さらに好ましくは、自由排出液体は、水素を消費する微生物を含有する。脱水ステップから得られる液体は、酢酸塩消費微生物を含有する。
本発明の１つの形態では、自由排出液体に含まれるメタン生成微生物は、少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種を含む。好ましくは、少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｌｅｕｓ種は、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｃｈｉｋｕｇｏｅｎｓｉｓおよびＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｕｂｍａｒｉｎｕｓの少なくとも１種を含む。
さらに好ましくは、自由排出液体は、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉなどの少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒまたはＭｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ種をさらに含む。
本発明の一形態では、脱水ステップから得られる液体中に含まれるメタン生成微生物は、少なくともＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａを含む。
好ましくは、脱水ステップから得られた液体に含まれるメタン生成微生物は、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓをさらに含む。
嫌気性消化中の総アンモウム窒素濃度は、好ましくは約３，０００ｍｇ／Ｌ未満、例えば約２，０００ｍｇ／Ｌで維持されることが好ましい。
本発明によれば、バッチプロセスにおける生物学(biology)の管理方法であって、
前記バッチプロセスが嫌気性消化プロセスであり、第１の嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記嫌気性消化ステップが行われる反応容器からのいずれの自由排出流体(free draining fluid)の少なくとも一部が、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られ、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物を脱水ステップに供し、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップでの再使用のためにまた送られる、方法がさらに提供される。
前記バッチプロセスが嫌気性消化プロセスであり、第１の嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記嫌気性消化ステップが行われる反応容器からのいずれの自由排出流体(free draining fluid)の少なくとも一部が、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られ、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物を脱水ステップに供し、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップでの再使用のためにまた送られる、方法がさらに提供される。
好ましくは、反応容器からの自由排出流体と脱水ステップから得られる液体の両方は、有機廃棄物の嫌気性消化に寄与するメタン生成微生物を含む。
さらに好ましくは、自由排出流体は、水素を消費する微生物を含有する。脱水ステップから得られる液体は、酢酸塩消費微生物を含有する。
さらに好ましくは、反応器容器からの自由な排出流体および脱水ステップから得られた液体は別々に貯蔵され、それによって特定の供給原料(feedstock)の必要性を満たすように調整することができる特定の接種材料ブレンドを調製することができる。このようにして、特定の供給原料の組成に依存して、水素消費および酢酸消塩費微生物のバランスを特に調製することができる。
好ましくは、嫌気性消化中の総アンモウム窒素濃度は約３，０００ｍｇ／Ｌ未満、例えば約２，０００ｍｇ／Ｌに維持される。本発明の一形態では、自由排出液体中に含まれるメタン生成微生物少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種を含む。好ましくは、前記少なくとも１種のＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｌｅｕｓ種は、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｃｈｉｋｕｇｏｅｎｓｉｓおよびＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｕｂｍａｒｉｎｕｓの少なくとも１種を含む。
さらに好ましくは、自由排出液体は、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉなどの少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒまたはＭｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ種をさらに含む。
本発明の１つの形態において、脱水ステップから得られる液体中に含まれるメタン生成微生物は、少なくともＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａを含む。
好ましくは、脱水ステップから得られる液体に含まれるメタン生成微生物は、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓをさらに含む。
本発明の１つの形態では、嫌気性消化から反応容器に残っている脱水された固体の一部は、その後の嫌気性消化工程で再使用のために送られる(directed)。
好ましくは、嫌気性消化から反応容器に残っている脱水された固体の約５〜２０重量％が再使用のために送られる。さらに好ましくは、嫌気性消化から反応容器に残っている脱水された固形物の約１０重量％が再使用のために送られる。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)を提供し、当該プロセスは、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行う(alternating)ステップであって、前記嫌気性消化工程の完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からのいずれの自由排出流体（free draining fluid）の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる(directed)、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物(solids)は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む
本発明は、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)を提供し、当該プロセスは、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行う(alternating)ステップであって、前記嫌気性消化工程の完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からのいずれの自由排出流体（free draining fluid）の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる(directed)、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物(solids)は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む
反応容器からの自由排出流体および脱水ステップから得られる液体の両方は、有機廃棄物の嫌気的消化に寄与するメタン生成微生物を含有する。自由排出流体はメタン生成微生物を消費する水素を主に含有し、他方、脱水ステップから得られる液体はメタン生成微生物を消費する酢酸塩を主に含む。
自由排出液体に含まれるメタン生成微生物には少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種を含む。例えば、少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種は、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｃｈｉｋｕｇｏｅｎｓｉｓおよびＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｕｂｍａｒｉｎｕｓのうちの１つ以上を含む。
自由排出液体は、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉなどの少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒまたはＭｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ種をさらに含む。
脱水ステップから得られる液体中に含まれるメタン生成微生物は、少なくともＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａを含む。脱水ステップから得られた液体中に含まれるメタン生成微生物は、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓをさらに含む。
本発明はさらに、本明細書に記載の有機廃棄物の処理のためのプロセスの一部(a part)または部分(portion)である嫌気性消化プロセスであるバッチプロセスにおける生物学の管理のための方法を提供する。
その全体の内容が参照により本明細書に明確に組み込まれる国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）には、好気性および嫌気性プロセスを組み合わせて、ＭＳＷ（ＯＦＭＳＷ）の有機部分(fraction)および本発明が動作し得る、且つ、特定の利点を提供する文脈の範囲内で、プロセスおよび装置が記載される。
国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスおよび装置は、基本的なレベルで、単一の容器内の有機廃棄物を、最初の好気性ステップを経て温度を上昇させる嫌気性消化ステップおよびその後の好気性処理ステップを含む。
嫌気性消化ステップの間に、微生物を含むプロセス水または接種物(inoculum)を容器に導入して、内容物の効率的な嫌気性消化およびバイオガスの生成に適した条件を作り出す。導入された接種物はまた、熱および物質移動ならびに酸性化を防ぐための緩衝能を提供する。続いて、好気性分解のための条件を作り出すために、容器内の残渣に空気を導入する。さらに、嫌気性消化の間に導入された水は、嫌気性消化を受けた相互接続された容器から供給され(sourced)得ることがさらに記載される。
有機廃棄物の逐次分解プロセスは、嫌気性消化段階(stage)に続いて好気性堆肥化段階(stage)を含む２段階プロセスである。好ましくは、有機廃棄物は、嫌気性消化段階および好気性堆肥化段階の開始前に予備的な好気性コンポストプレコンディショニング段階、続いて予備消化プレコンディショニング段階を受ける。
バイオガスは、嫌気性消化段階の開始時およびその間に生成される。容器内のメタンと酸素との混合物は、可燃性の、潜在的に爆発性のガス混合物を提供する。さらに、中程度から高い酸素レベルを有する容器への嫌気性接種物の導入は、多くの嫌気性微生物が酸素に対して不耐性であるため、嫌気性接種物にとって望ましくない。
したがって、嫌気性消化段階の開始前に、密封容器内の酸素レベルを枯渇させることは、予備嫌気性消化予備コンディショニング段階の利点である。
酸素レベルが許容基準（例えば１％未満の酸素）を下回ると、逐次分解プロセスの嫌気性消化段階が開始することができる。
嫌気性消化段階は、
１）廃棄物材料の含水量を約５０〜９５％湿重量（ｗ／ｗ）に調整するステップと、
２）嫌気性および通性(facultative)微生物による廃棄物の消化と、
を含む。
１）廃棄物材料の含水量を約５０〜９５％湿重量（ｗ／ｗ）に調整するステップと、
２）嫌気性および通性(facultative)微生物による廃棄物の消化と、
を含む。
第２のポートにおける外部供給源からの水は、第２の再循環ラインを介して受け入れられ、第２のポンプによって、制御ラインおよびフィーダラインを介して容器内にポンプ輸送される(pumped)。フィーダラインは、廃棄物材料の水分含量が容器の内容物全体に亘って５０〜９５％湿重量（ｗ／ｗ）の範囲になるように、有機廃棄物材料を通して水を均一に分配する。外部供給源からの水は、好ましくは、嫌気性消化段階を経て第２の再循環ラインによって本容器に再循環されている別の容器から水を除去することが理解されるであろう。このようにして、１つの嫌気性消化からのプロセス水を使用して、複数の容器システムにおいて嫌気性消化段階を経ている相互接続された容器の内容物を接種する。
嫌気性消化を受けた別の容器からのプロセス水で相互接続された容器の内容物を接種することは、有機廃棄物食品源(food source)、および、温度、塩分、浸透圧ストレスの程度、および総アンモニウム窒素（ＴＡＮ）濃度を含むプロセス条件、である関連する基質に対して、そこに含まれる微生物の事前適応(prior adaptation)に起因して、出願人により有利とみなされる。
嫌気性消化段階は、約４〜２０日間の期間、約１５℃〜７５℃、好ましくは５０℃を超える中温〜高温の温度範囲で作動する。メタンおよび二酸化炭素ガスは、嫌気性消化段階の間に生成される。それらは、ガス抽出ラインを通って加圧下で抽出され、脱水タンクに供給され、そこでは抽出されたガスから水が除去される。次いで、抽出されたガスは、第１の再循環ラインを通って(through)、第１の貯蔵ラインを介してガス貯蔵タンクに送達される。次いで、ガスは、発電機によって電力に変換されるか、あるいは、水加熱器タンク内の水を加熱するために使用され得る。
脱水タンク内の抽出ガスから除去された水は、脱水ラインによって加熱器タンクに送られる。水は、水加熱器タンク内で加熱されてもよい。加熱された水はまた、第２の再循環ライン、制御ライン及び供給ライン(feeder line)によって、有機廃棄物の別のバッチについて、次の嫌気性消化段階のために容器内に戻され、再循環されてもよい。このようにして、嫌気性消化段階によって間接的に生成された熱および電気は、相互接続された容器内のエネルギー要求を補助するために、または同じ容器内で、後で起こる順次分解プロセスの後の段階で使用される。嫌気性消化段階の間、揮発性固体の量が減少し、容器の内容物中の窒素含有量が濃縮されることが分かった。
嫌気性消化段階が完了した後、容器内の条件は、好気性堆肥化段階が開始するように変更される。
出願人が着手した研究は、嫌気性消化ステップにおける有機廃棄物の消化の原因となる嫌気性微生物が、水素消費および酢酸塩(acetate)消費メタン生成種の両方を含み、且つ、重要なことには、水素消費メタン生成種が主として、嫌気性消化ステップから得られた自由排出水(free draining water)中に存在し、酢酸塩消費メタン生成種は、大部分が嫌気性消化ステップからのスラリー中に存在することを明らかにした。
水素を消費するメタン生成種は急速に成長するのに対し、酢酸塩を消費するメタン生成種はゆっくりと成長することが見出されている。本出願人がこれを同定し、特に酢酸塩を消費するメタン生成種を回収することができる方法を開発したことにより、本発明の方法を効率的に操作できるようになった。
出願人は、水素を消費する微生物が、酢酸塩消費微生物よりも嫌気性消化ステップにおいて総アンモニウム窒素濃度（ＴＡＮ）の上昇レベルに対してより耐性であることを確認した。アンモニウムイオンのこれらの増加したレベルは、実質的な炭酸−炭酸水素イオン緩衝系が、処理系において安定なｐＨを発現し(develop)、維持することを可能にする。このように、酢酸塩消費微生物の集団を維持することは、有機廃棄物の処理のための商業的に実行可能なプロセスを提供する上で特に重要となる。
その後の嫌気性消化ステップ(steps)で再使用するために酢酸塩消費微生物を収穫する方法は、嫌気性消化の産物である固形物(solid)またはスラッジの脱水を含む。比較的短い消化ステップ(steps)であることを可能にし、良好な寿命を有する全体的な処理システムを提供するのはこの組合せである。これは、各「バッチ」嫌気性処理ステップのために新しい微生物を維持および導入するよりも効率的であると理解される。
上記の嫌気性消化の産物である固形物またはスラッジの脱水は、１つの形態では、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１２／００１０５５（ＷＯ２０１３／０３３７７０）に記載されているような装置によって提供されてもよく、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
出願人は、嫌気性消化期間の完了時に、有意な数のメタノゲン(methanogens、メタン生成菌)が固形物(solids)内に含まれることをさらに決定した。これらは、上記のように、嫌気性消化の固体またはスラッジ生成物を脱水することによって材料から収穫される。得られた液体は、水素を消費するメタノゲンと、酢酸塩を消費するメタノゲンとの両方を含有する。しかしながら、重要なことに、それはアセトクラスティックな(acetoclastic)メタノゲンの主な供給源である。
脱水された固形物はメタノゲンを欠いておらず、かなりの量のメタノゲンが脱水された固形物内に残っている。これらのメタノゲンは、消化物の堆肥生成物を積み降ろすことを予定しており、システムから失われることになる。本出願人は、その後のバッチ嫌気性消化の効果的な接種は、嫌気性消化期間の開始時にある量の消化され脱水された固体（例えば、約５〜２０重量％の間）を「新鮮な」物質に移すことによって達成され得ることを提案する。
２つの重要なメタノゲン（一方は水素を消費するもの、および他方は酢酸塩を消費するもの）は、脱水中に固形物から押された、２つの別個の媒体（一方は自由排出液体、他方はシルト質の(silty)スラリー）中に含まれ、これらの接種源は別々に保たれてもよい。これにより、個々の微生物のニーズに基づいた管理戦略が可能になる。また、特定の(specific)供給原料(feedstock)のニーズを満たすように調整することができる特定の接種材料ブレンドを提供することも可能であろう。すなわち、特定の(particular)供給原料の組成に応じて、水素消費微生物と酢酸塩消費微生物とのバランスを特に調製する(prepared)ことができる。
嫌気性消化槽(digester)から生成されるメタンの量、および消化される物質が安定化され得る速度は、反応器内に存在するメタン生成微生物の数に関連する。典型的には、嫌気性消化槽の安定性および性能は、存在するメタン生成微生物の数の増加によって増強され、バイオガス生成速度の増加および固体安定化を提供するのに必要な時間の減少をもたらす。これは、存在する酢酸塩消費微生物の数を考慮する場合に特に当てはまる。酢酸塩消費メタン生成微生物（メタノゲン,methanogens）は一般に繊細であり、環境条件の変化に対してより敏感であり、ゆっくりと成長すると考えられている。さらに、酢酸塩消費メタノゲンは、消化される固形物と密接に関連している。結果として、嫌気性消化槽中に存在するメタン生成微生物の数、および特に酢酸塩消費メタノゲンの数は、後続のバッチの次に来る（incoming）フィードに添加される消化された固形物の量を反応器内で保持することによって増加させることができる。さらに、嫌気性消化プロセスの開始直前の次の(subsequent)バッチの新鮮な供給原料を含有する反応器にある量の消化された固体を移すことによって、嫌気性消化槽中に存在するメタノゲンの数を増加させることができる。存在するメタン生成微生物の数の増加は、固形物接種のない系と比較して、嫌気性消化槽をより小さくし、水力学的および固形物の保持時間を短くし、メタン生成微生物の安定した集団を維持することを可能にする。
新鮮な流入(incoming)材料が充填された反応器への固体接種物（嫌気性消化ステップの終わりに残っている固体残留物）の移送は、本出願人により、材料内に存在するメタン生成生物が国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／ ００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスおよび装置の初期通気期間中に存在する好気的条件に耐えることが見出されたので、有利であることが見出された。
接種物として反応器に移される、または反応器内に保持される消化された固形物の量は、本発明のいくつかの実施形態において、特定のパーセンテージ、例えば５〜２０重量％以上であってもよい。好ましい実施形態では、このパーセンテージは約１０重量％である。いくつかの実施形態では、このパーセンテージは、例えば、２５重量％以上、または５０重量％以上であってもよい。しかし、本出願人は、接種物として使用される固形物の好ましい範囲が約５〜２０重量％であると予想している。
本出願人による予備試験により、嫌気性消化期間（２０重量％）の完了時に反応器に残っている残留固形物を新鮮な流入(incoming)材料（８０重量％）に移すと、初期嫌気性消化期間中の酢酸塩蓄積（１，０２０ｍｇ／Ｌと比較した３，３６０）において７０％の減少、材料の安定化に要する時間において全体で１７％の減少をもたらした（７．５日と比較して９日）ことを確認した。
本発明は、以下の非限定的な実施例を参照して記載されるが、ここでは、上記プロセスの嫌気性相における微生物集団の測定(determination)が記載されている。
実施例１
本発明のプロセスにおいて使用されるメタン生成微生物の効率は、メタン生成培養のメタン生成速度によって測定される。本出願人は、このメタン生成速度が１日あたりの揮発性固形物(volatile solids)１グラム当たり約０．１２グラムの化学的酸素要求量（chemical oxygen demand,ＣＯＤ）（すなわち、０．１２ｇＣＯＤ／ｇ ＶＳ／ｄ）であると予測する。水素を消費するメタノゲンの効率は、バイオガス中の水素濃度を０．０１％（１０ｐｐｍ）未満(below)に維持し、揮発性脂肪酸、特に酢酸塩およびプロピオン酸塩を効率的に除去することによって推測することもできる。
本発明のプロセスにおいて使用されるメタン生成微生物の効率は、メタン生成培養のメタン生成速度によって測定される。本出願人は、このメタン生成速度が１日あたりの揮発性固形物(volatile solids)１グラム当たり約０．１２グラムの化学的酸素要求量（chemical oxygen demand,ＣＯＤ）（すなわち、０．１２ｇＣＯＤ／ｇ ＶＳ／ｄ）であると予測する。水素を消費するメタノゲンの効率は、バイオガス中の水素濃度を０．０１％（１０ｐｐｍ）未満(below)に維持し、揮発性脂肪酸、特に酢酸塩およびプロピオン酸塩を効率的に除去することによって推測することもできる。
嫌気性消化のための好ましい生物学的パラメータは以下の通りである：
（ｉ）約６．０と８．５との間、例えば６．５と７．５との間に維持されたｐＨ；
（ｉｉ）約１８０ｍＶ未満、例えば−２８０ｍＶに維持される酸化還元電位（oxidation reduction potential,ＯＲＰ）；
（ｉｉｉ）約３，０００ｍｇ／Ｌ未満、例えば約２，０００ｍｇ／Ｌで維持されるアンモニア（総アンモニウム窒素(total ammonium nitrogen)または「ＴＡＮ」）;
（ｉｖ）導電率が約２７ｍＳ ／ ｃｍ未満、例えば約２２ｍＳ ／ ｃｍに維持される。
（ｉ）約６．０と８．５との間、例えば６．５と７．５との間に維持されたｐＨ；
（ｉｉ）約１８０ｍＶ未満、例えば−２８０ｍＶに維持される酸化還元電位（oxidation reduction potential,ＯＲＰ）；
（ｉｉｉ）約３，０００ｍｇ／Ｌ未満、例えば約２，０００ｍｇ／Ｌで維持されるアンモニア（総アンモニウム窒素(total ammonium nitrogen)または「ＴＡＮ」）;
（ｉｖ）導電率が約２７ｍＳ ／ ｃｍ未満、例えば約２２ｍＳ ／ ｃｍに維持される。
（ｖ）約５５±２℃に維持される温度；
（ｖｉ）が約１５，０００ｍｇ未満の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）／Ｌ、例えば約１２，０００ｍｇ ＣａＣＯ３／Ｌで維持されるアルカリ度；および
（ｖｉｉ）約２０，０００ｍｇ／Ｌ未満、例えば約１５，０００ｍｇ／Ｌに維持される総溶解固形物。
（ｖｉ）が約１５，０００ｍｇ未満の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）／Ｌ、例えば約１２，０００ｍｇ ＣａＣＯ３／Ｌで維持されるアルカリ度；および
（ｖｉｉ）約２０，０００ｍｇ／Ｌ未満、例えば約１５，０００ｍｇ／Ｌに維持される総溶解固形物。
ＴＡＮの濃度は、従来技術の多くの嫌気性消化槽の濃度よりも高く、本発明のプロセスおよび方法では、処理液(process liquor)内に含まれる緩衝系の開発にとって重要である。アンモニア（ＴＡＮ）の存在は、溶液(liquor)のｐＨおよび炭酸−炭酸水素塩緩衝系の基礎をなす二酸化炭素ガスの溶解度を増加させる。高ＴＡＮ濃度は、好熱性高固形分バッチ嫌気性消化の初期の日々に生じる酸性化（１０．５ｇ／Ｌ酢酸塩；１５．０ｇ／Ｌ揮発性脂肪酸）の期間中、安定した操作を提供するために必要なかなりの量の緩衝液を確立するために必要である。高いＴＡＮ濃度は、遊離(free)アンモニアがメタノゲンに対して、特に高温で阻害する(inhibitory)ので、注意深い監視および制御を必要とする。高いＴＡＮ濃度はまた、従来技術の多くの嫌気性消化槽のアルカリ度よりも高いプロセス液のアルカリ度をもたらす。
さらに、嫌気性培養物(culture)は「飢餓状態」(starved)である。例えば、揮発性脂肪酸（volatile fatty acids,ＶＦＡ）の枯渇、特に、通常の操作では生じない場合のプロピオン酸塩の枯渇を確実にするために、使用と使用との間に、食物を導入することなく培養物を除外する(set aside)必要があり得る。微生物プロピオン酸塩(propionate)代謝は、酢酸塩が有意な濃度で存在する場合、熱力学的に好ましくない。その結果、プロピオン酸塩は、微生物飢餓の条件下で、嫌気的にしか消費されないか、または枯渇する可能性がある。典型的なバッチ嫌気性消化の初期段階において、酢酸塩は比較的高濃度（＞１０ｍＭ；＞６００ｍｇ／Ｌ）で存在し、結果としてプロピオン酸塩の分解が阻害され、プロセス水中にプロピオン酸塩が蓄積する。堆積したプロピオン酸塩は、酢酸塩が著しく枯渇した後、バッチ消化の終わりに向かってのみ分解することができる。プロセス水を次のバッチで再使用できる前に、少なくとも、プロピオン酸塩の濃度をバッチの開始時と同じ濃度に下げる必要がある。バッチ間のプロピオン酸塩枯渇を達成しない場合、プロピオン酸塩は、後続のバッチ(batches)中にメタノジェネシスを阻害する濃度まで蓄積し続け、結果的に反応器の酸性化および最終的なプロセスの失敗を招く。
実施例２
ターミナル制限フラグメント長多型（Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism,Ｔ-ＲＦＬＰ）による微生物学的コミュニティプロファイリング
Ｔ−ＲＦＬＰは、微生物の共同体を比較的迅速に探索することを可能にし、異なるタイムポイントで収集されたサンプルにおいてコミュニティプロファイルを比較することができる分子方法である。蛍光標識を有するプライマー対(pair)を用いて選択的に増幅されたサンプルからＤＮＡを抽出し、ＰＣＲプロダクトを特定の配列を切断する制限エンドヌクレアーゼで消化し（４ｂｐ酵素は最も頻繁に、２５６ｂｐごとに切断するので、使用される）、消化されたＰＣＲプロダクトは、末端標識された断片のみが正確にサイズ決定される(sized)ことを可能にするキャピラリーシーケンサー上で実行される。得られたプロファイルは、微生物の同一性（断片サイズ）および存在量(abundance)（ピーク面積）に関する情報を与えることができる。
ターミナル制限フラグメント長多型（Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism,Ｔ-ＲＦＬＰ）による微生物学的コミュニティプロファイリング
Ｔ−ＲＦＬＰは、微生物の共同体を比較的迅速に探索することを可能にし、異なるタイムポイントで収集されたサンプルにおいてコミュニティプロファイルを比較することができる分子方法である。蛍光標識を有するプライマー対(pair)を用いて選択的に増幅されたサンプルからＤＮＡを抽出し、ＰＣＲプロダクトを特定の配列を切断する制限エンドヌクレアーゼで消化し（４ｂｐ酵素は最も頻繁に、２５６ｂｐごとに切断するので、使用される）、消化されたＰＣＲプロダクトは、末端標識された断片のみが正確にサイズ決定される(sized)ことを可能にするキャピラリーシーケンサー上で実行される。得られたプロファイルは、微生物の同一性（断片サイズ）および存在量(abundance)（ピーク面積）に関する情報を与えることができる。
国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスの嫌気性相(phase)における優勢なメタノゲンがクローン化され、配列決定され、配列決定により幾つかの純粋な単離物が同定された。
メタノゲン(methanogens,メタン生成菌)
配列決定は、嫌気相から４つのメタノゲンを同定した。液相中の最も優勢なメタノゲンはＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種（chikugoensiおよびsubmarinus）であり、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉはより少ない数であった。固相では、ただ１つのクローンタイプ、アセトクラスティックな(acetoclastic)Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａが同定された。別のメタノゲンを固相から単離し、精製し、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓとして配列決定することによって同定した。プライマーＡｒｃｈ ｆ３６４ＦＡＭおよびＡｒｃｈ ｒ１３８６ならびに制限酵素ＨａｅＩＩＩ（認識部位ＧＧＣＣ）を用いて、以下のサイズのフラグメントが予想される： Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ．ＩＩＩ； Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉ １８５；およびＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ １１５。クローンおよび純粋培養物をＴ−ＲＦＬＰ鋳型(templates)として使用し、得られたサイズ断片を予測サイズと一致させた。Ｈａｅ ＩＩＩ消化後、嫌気性消化相からの４つのサンプル中の古細菌（メタノゲン）の予備Ｔ−ＲＦＬＰプロファイルを得た。４つのサンプルすべてにおいて、最大のピーク、または最も優勢なメタノーゲンのグループは、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ．に起因した(attributed)。Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａに起因するピークも４つのサンプルに存在したが、はるかに小さかった（Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐに起因するレベルの約１０％レベル）。それらは時間とともにサイズが増加し、１０日目までにＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐのサイズの半分サイズに達した。これら２つの群の間の分離を大きくするために、２つの異なる制限酵素（ＴａｑＩおよびＡｌｕＩ）を次の試験で使用した。
配列決定は、嫌気相から４つのメタノゲンを同定した。液相中の最も優勢なメタノゲンはＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種（chikugoensiおよびsubmarinus）であり、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉはより少ない数であった。固相では、ただ１つのクローンタイプ、アセトクラスティックな(acetoclastic)Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａが同定された。別のメタノゲンを固相から単離し、精製し、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓとして配列決定することによって同定した。プライマーＡｒｃｈ ｆ３６４ＦＡＭおよびＡｒｃｈ ｒ１３８６ならびに制限酵素ＨａｅＩＩＩ（認識部位ＧＧＣＣ）を用いて、以下のサイズのフラグメントが予想される： Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ．ＩＩＩ； Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉ １８５；およびＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ １１５。クローンおよび純粋培養物をＴ−ＲＦＬＰ鋳型(templates)として使用し、得られたサイズ断片を予測サイズと一致させた。Ｈａｅ ＩＩＩ消化後、嫌気性消化相からの４つのサンプル中の古細菌（メタノゲン）の予備Ｔ−ＲＦＬＰプロファイルを得た。４つのサンプルすべてにおいて、最大のピーク、または最も優勢なメタノーゲンのグループは、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ．に起因した(attributed)。Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａに起因するピークも４つのサンプルに存在したが、はるかに小さかった（Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐに起因するレベルの約１０％レベル）。それらは時間とともにサイズが増加し、１０日目までにＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐのサイズの半分サイズに達した。これら２つの群の間の分離を大きくするために、２つの異なる制限酵素（ＴａｑＩおよびＡｌｕＩ）を次の試験で使用した。
リサイクルされた嫌気性液体からのサンプルおよび反応器の固形部分とともに、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスの全実行中に(好気性相および嫌気性相の両方）、サンプルを毎日集めた。サンプルからＤＮＡを抽出し、Ｔ−ＲＦＬＰにより集団の変化を調べた。５０ｂｐ未満のフラグメントサイズは、プライマーおよびプライマー二量体から生じる可能性があるため、一般に排除される（Ｏｓｂｏｒｎｅ， Ｃ．Ａ．， Ｒｅｅｓ， Ｇ． Ｎ．， Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ， Ｙ． ａｎｄ Ｊａｎｓｓｅｎ Ｐ． Ｈ． （２００６）． Ｎｅｗ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ａｎｄ Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ ｆｏｒ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ Ｆｒａｇｍｅｎｔ Ｌｅｎｇｔｈ Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｂａｃｔｅｒｉａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ． Ａｐｐｌｉｅｄ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ， ７２：１２７０−１２７８）。
一貫して、最大ピークは８９ｂｐであり、これはＭｅｔｈａｎｏｍｉｃｒｏｂｉａｃｅａｅファミリーのメンバー（例えば、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ）に割り当てられた。これは、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ．が国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００８６５（ＷＯ０１／０５７２９）のプロセスの嫌気相の液体中で優勢であることを確認し、また、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓが好気性相で生存することも示唆した。これらの種はリサイクルされた嫌気性液体でも優勢であったため、好気性相が浸水した(flooded)ときに大量に移動する可能性が高い。いくつかのメタン生成グループ（Ｍｅｔｈａｎｏｆｏｌｌｉｓ／Ｍｅｔｈａｎｏｃａｌｃｕｌｕｓ／Ｍｅｔｈａｎｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）に割り当てられた１４８ｂｐのフラグメントは好気性相全体に存在し、４日目までに、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ．より高いレベルに比例して増加した。嫌気相においては、１４８フラグメントは急速に消失し、６日目に、Ｍｅｔｈａｎｏｍｉｃｒｏｂｉａｌｅｓ属内の、２４９のフラグメントサイズを有する別のグループのメタノゲン(rnethanogens)によって置換された。１６０（Ｍｅｔｈａｎｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ／Ｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｕｍ／Ｍｅｔｈａｎｏｐｌａｎｕｓ）の別のピークが嫌気相において大量に現れた。７日目に、このピークはＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ集団のレベルの約半分であり、９日目までに、レベルはＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓより高かった。Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ種（３６７ｂｐ）は、好気性期の０日目および１日目に低レベルでしか存在せず、１０日目に再び現れ（既知のメタノゲンの約１０％）、嫌気性相の残りの期間中１１目（〜５％）および１２日目（〜２％）に減少した。増幅された唯一の固体サンプル（９日目）では、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａが優勢なメタノゲンであり、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓはわずか約１０％であった。これにより、固体材料のクローニングおよび配列決定によって見出された結果が確認された。Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｓｐｐ．（２７０）は、１つのサンプル（１日目）において高レベルで見出された（既知のメタノゲンの約６０％）。他のサンプルのいずれにも存在しなかったので、これは細胞の塊(clump)から生じた可能性がある。既知のメタノゲンに割り当てられなかった他のフラグメントサイズもまた、低レベルで見出され、これはユニークなメタノゲンを表し得る。
第２の制限酵素Ａｌｕ Ｉを用いたメタノゲンのＴ−ＲＦＬＰプロファイルは、上記所見を裏付けた。Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｐｐ。最も主要な既知のメタノゲンであり、且つ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａは、固体材料中の優勢なメタノゲンであった（４２％）。いくつかの追加の古細菌種がＡｌｕ Ｉで同定された。この酵素は、切断部位が高度に保存されているので、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｓｐｐ．の検出を改善した。Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒレベルは、好気性相の開始時で最も高く（７％）、その後は低レベルで存在した（１％）。２つの他の大きなピークが嫌気性相で同定されたが、既知のメタノゲンに割り当てることはできなかった。
以前の嫌気性消化ステップからのリサイクルまたは再使用された集団に加えて、または補充するために、いくつかの新規または新鮮な微生物を導入することが想定される。ＯＦＭＳＷ自体は、そのようなメタノゲン源の一つである。結果として、最初の好気性ステップ中の反応器内で、酸素濃度の、および有機材料が自己加熱する結果としての温度の、慎重な制御が必要とされる。理想的には、最初の通気期間中、有機材料の温度は、５０℃超７０℃未満、好ましくは６５℃未満、およびさらに好ましくは６０℃未満に維持されるべきである。
上記の説明から分かるように、本発明の有機廃棄物を処理する方法は、そのステップで必要とされる微生物の集団を管理することにより、嫌気性消化ステップの効率的な操作を提供する。この積極的な(proactive)管理は、重要な微生物および相(phases)（それらがそれぞれ一般的に存在する相(which)は液体または固体である）の同定を行うことを決定した結果としてのみ可能である。本発明の方法の効率的な操作は、好気性および嫌気性ステップのサイクルが何回繰り返され得るかに関して、比較的短い消化時間およびプロセスの寿命で一般に明らかである。
当業者に明らかであるような変更および変形は、本発明の範囲内にあると考えられる。
発明の開示
本発明によれば、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)が提供され、当該プロセスは、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行う(alternating)ステップであって、前記嫌気性消化工程の完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からの自由排出流体（free draining fluid）の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる(directed)、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物(solids)は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む。
本発明によれば、有機廃棄物を処理するためのプロセス(process)または方法(method)が提供され、当該プロセスは、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行う(alternating)ステップであって、前記嫌気性消化工程の完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からの自由排出流体（free draining fluid）の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる(directed)、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物(solids)は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む。
本発明によれば、バッチプロセスにおける生物学(biology)の管理方法であって、
前記バッチプロセスが嫌気性消化プロセスであり、第１の嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記嫌気性消化ステップが行われる反応容器からの自由排出流体(free draining fluid)の少なくとも一部が、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られ、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物を脱水ステップに供し、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップでの再使用のためにまた送られる、方法がさらに提供される。
前記バッチプロセスが嫌気性消化プロセスであり、第１の嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記嫌気性消化ステップが行われる反応容器からの自由排出流体(free draining fluid)の少なくとも一部が、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られ、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物を脱水ステップに供し、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップでの再使用のためにまた送られる、方法がさらに提供される。
Claims (29)
- 有機廃棄物の処理方法であって、当該方法は、
単一の反応容器内で行われる嫌気性消化と好気性堆肥化とを交互に行うステップであって、前記嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記反応容器からのいずれの自由排出流体の少なくとも一部は、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、及び、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物は脱水ステップにかけられ、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、ステップ、
を含む方法。 - 前記反応容器からの前記自由排出流体と前記脱水ステップから得られる前記液体の両方が、有機廃棄物の嫌気性消化に寄与するメタン生成微生物を含有する、請求項１に記載の方法。
- 前記自由排出流体が、水素消費微生物を含有する、請求項１または２に記載の方法。
- 前記脱水ステップから得られた前記液体が、酢酸塩消費微生物を含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記自由排出液体に含まれる前記メタン生成微生物が、少なくとも１種のＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種を含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｕｓ種が、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｃｈｉｋｕｇｏｅｎｓｉｓおよびＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｕｂｍａｒｉｎｕｓの少なくとも１を含む、請求項５に記載の方法。
- 前記自由排出液体が、少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒまたはＭｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ種をさらに含む、請求項５または６に記載の方法。
- 請求項７に記載の方法であって、前記自由排出液体は、Ｍｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉ種を含む方法。
- 前記脱水ステップから得られる液体中に含まれる前記メタン生成微生物が少なくともＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ種を含む、請求項２〜８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記脱水ステップから得られる前記液体に含まれる前記メタン生成微生物がＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ種をさらに含む、請求項９に記載の方法。
- 前記反応容器からの前記自由排出流体および前記脱水ステップから得られた前記液体が、別々に貯蔵される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 嫌気性消化中の総アンモウム窒素濃度が約３，０００ｍｇ／Ｌ未満に維持される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 嫌気性消化中の総アンモウム窒素濃度が約２，０００ｍｇ／Ｌに維持される、請求項１２に記載の方法。
- バッチプロセスにおける生物学の管理方法であって、
前記バッチプロセスが嫌気性消化プロセスであり、第１の嫌気性消化ステップの完了時またはそのほぼ完了時に、前記嫌気性消化ステップが行われる反応容器からのいずれの自由排出流体の少なくとも一部が、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られ、前記嫌気性消化ステップから前記反応容器に残っている固形物を脱水ステップに供し、そこから液体が得られ、最終的には少なくとも部分的にその後の嫌気性消化ステップでの再使用のためにまた送られる、方法。 - 前記反応容器からの前記自由排出流体と前記脱水ステップから得られる前記液体の両方が、有機廃棄物の前記嫌気性消化に寄与するメタン生成微生物を含有する、請求項１４に記載の方法。
- 前記自由排出流体が、水素消費微生物を含有する、請求項１４または１５に記載の方法。
- 前記脱水ステップから得られる前記液体が、酢酸塩消費微生物を含有する、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記自由排出液体中に含まれる前記メタン生成微生物が、少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ種を含む、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｕｓ種が、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ、Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｃｈｉｋｕｇｏｅｎｓｉｓおよびＭｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｓｕｂｍａｒｉｎｕｓの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記自由排出液体が、少なくとも１つのＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒまたはＭｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ種をさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
- 前記自由排出液体がＭｅｔｈａｎｏｔｈｅｒｍｏｂａｃｔｅｒ ｗｏｌｆｅｉｉ種を含む、請求項２０に記載の方法。
- 前記脱水ステップから得られた前記液体中に含まれるメタン生成微生物が、少なくとも前記Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ種を含む、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記脱水ステップから得られた前記液体中に含まれる前記メタン生成微生物が前記Ｍｅｔｈａｎｏｃｕｌｌｅｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ種をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 嫌気性消化中の総アンモニウム窒素濃度が約３，０００ｍｇ／Ｌ未満に維持される、請求項１４〜２３のいずれか一項に記載の方法。
- 嫌気性消化中の総アンモニウム窒素濃度が約２，０００ｍｇ／Ｌに維持される、請求項２４に記載の方法。
- 前記反応容器からの前記自由排出流体と前記脱水ステップから得られた前記液体とが、別々に貯蔵される、請求項１４〜２５のいずれか一項に記載の方法。
- 嫌気性消化から前記反応容器中に残っている前記脱水された固形物の一部が、その後の嫌気性消化ステップで再使用のために送られる、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の方法。
- 嫌気性消化から前記反応容器に残っている前記脱水された固形物の約５〜２０重量％が再使用のために送られる、請求項２７に記載の方法。
- 嫌気性消化から前記反応容器に残っている前記脱水された固形物の約１０重量％が再使用のために送られる、請求項２８に記載の方法。
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