JP2018148818A - 水素生成複合微生物群の優占化方法、水素発酵方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素収率に優れる水素生成複合微生物群の優占化方法および水素発酵方法を提供する。【解決手段】有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する水素生成複合微生物群の優占化方法。【選択図】なし

Description

本発明は、水素生成複合微生物群の優占化方法および水素発酵方法に関する。

水素は、石油、石炭等の化石燃料に替わる次世代エネルギーキャリアとして期待されている。嫌気性水素発酵は、食品廃棄物や農作物非可食部等のバイオマスから水素を生産する技術である。また、嫌気性水素発酵は、エネルギー生産技術としての機能だけではなく、廃棄物の減容化技術としての機能も有している。

嫌気性水素発酵で用いられる水素生成複合微生物群（ミクロフローラ）は、採取した微生物群を熱処理することによって優占化される。優占化された水素生成複合微生物群は、嫌気性水素発酵における水素収率の向上に寄与することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

小林拓朗、呉亜鵬、徐開欽、李玉友、稲森悠平、循環式水素・メタン二段発酵プロセスにおける消化液返送方法が水素発酵に及ぼす影響、水環境学会誌、Ｖｏｌ．３４（Ｎｏ．１１）、ｐｐ．１６１−１７１（２０１１）．

しかしながら、熱処理した水素生成複合微生物群を用いた連続水素発酵を進める上で、どの程度の期間、熱処理による優占化を行うことにより、菌叢が維持されるかについては知られていなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、水素収率に優れる水素生成複合微生物群の優占化方法および水素発酵方法を提供することを目的とする。

［１］有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化することを特徴とする水素生成複合微生物群の優占化方法。
［２］前記水溶液を１２１℃〜２３０℃かつ０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａに保持することを特徴とする［１］に記載の水素生成複合微生物群の優占化方法。
［３］前記水素生成複合微生物群は、クロストリジウム属の細菌であることを特徴とする［１］または［２］に記載の水素生成複合微生物群の優占化方法。
［４］有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する工程と、前記優占化された水素生成複合微生物群を用いて前記有機性廃棄物の水素発酵を行う工程と、を有することを特徴とする水素発酵方法。
［５］前記優占化する工程において、前記加圧熱水処理により前記有機性廃棄物を解繊することを特徴とする［４］に記載の水素発酵方法。
［６］前記水素発酵において、前記有機性廃棄物および前記水素生成複合微生物群を含む培養液のｐＨは４〜７であることを特徴とする［４］または［５］に記載の水素発酵方法。

本発明によれば、水素収率に優れる水素生成複合微生物群の優占化方法および水素発酵方法を提供することができる。

実施例１において、累積バイオガスの生成量と水素発酵の経過時間との関係を示す図である。 比較例１において、累積バイオガスの生成量と水素発酵の経過時間との関係を示す図である。 比較例２において、累積バイオガスの生成量と水素発酵の経過時間との関係を示す図である。

本発明の水素生成複合微生物群の優占化方法、およびそれを用いた水素発酵方法の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

［水素生成複合微生物群の優占化方法］
本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法は、有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する方法である。

有機性廃棄物とは、産業廃棄物の中でも、家畜排泄物、下水処理汚泥、食品等の製造工程から生じる、野菜かす、醸造かす、発酵かす、魚および獣のあら等の水分を含む固形状の不要物の総称である。
有機性廃棄物のメタン発酵とは、メタン菌の働きにより、有機性廃棄物からバイオガス（メタン約６０％／二酸化炭素約４０％）を取り出す技術である。

有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液（メタン発酵液）には、水素生成細菌のみならず、メタンを生成するメタン菌が多く含まれている。メタン菌は、水素生成細菌が生成した水素や有機酸を利用してメタンを生成する。そのため、メタン発酵では、水素がほとんど生成されない。

そこで、本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法では、消化液からメタン菌を分離して、消化液に含まれる水素生成複合微生物群（ミクロフローラ）を優占化する。優占化された水素生成複合微生物群は、有機性廃棄物の水素発酵に用いられ、水素発酵において、水素の生成を可能とする。

加圧熱水について説明する。
水の温度を１００℃以上に上げると、水蒸気（気体）の状態となる。この状態を沸騰、この温度を水の沸点という。しかし、水に飽和水蒸気圧以上の圧力を加えて温度を上げると水は沸騰しない。この状態の水を加圧熱水という。本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法では、温度１２１℃〜２３０℃、かつ圧力０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａの領域にある水を加圧熱水という。この範囲の温度および圧力の領域にある加圧熱水は、水（液体）の状態である。

本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法では、消化液を含む水溶液をオートクレーブ等の内部を高圧力にすることが可能な耐圧性容器または耐圧ホースに収容し、前記の水溶液を温度１２１℃〜２３０℃、かつ圧力０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａに保持することにより、前記の水溶液を加圧熱水で処理する。すなわち、前記の水溶液の加熱・加圧処理により、その水溶液に含まれる水を加圧熱水とし、その加圧熱水によって消化液を熱処理することにより、消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する。

前記の水溶液を加熱・加圧処理する際、その温度は１２１℃〜２３０℃であることが好ましく、１３０℃〜１８０℃であることがより好ましい。
温度が１２１℃未満では、多様な細菌が生存して、目的とする水素生成複合微生物群の優占化が難しい。一方、温度が２３０℃を超えると、目的とする水素生成複合微生物群も大きな障害を受ける。

前記の水溶液を加熱・加圧処理する際、その圧力は０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａであることが好ましく、０．２７ＭＰａ〜１．０ＭＰａであることがより好ましい。
圧力が０．２ＭＰａ未満では、温度が１２１℃のときに水溶液が沸騰し、水蒸気になる。一方、圧力が１０ＭＰａを超えると、耐圧性容器や耐圧ホースが破損することがある。

前記の水溶液を加熱・加圧処理する際、その時間は５分〜９０分であることが好ましく、１０分〜５０分であることがより好ましい。
５分未満では、細胞が芽胞を形成できないことがある。一方、９０分を超えると、芽胞から発芽しなくなることがある。

メタン菌を含む多くの微生物は、６０℃以上の高温環境下では活性を維持することができず、また、死滅するものも多い。
一方、水素生成能が高いクロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）属の細菌は、６０℃以上の高温環境下でも芽胞を形成して生き延びることができる。

一般に、殺菌・滅菌技術として普及しているオートクレーブは、温度１２１℃、かつ圧力０．２ＭＰａの環境下に、器具等を数十分間保持して、細菌等を死滅させる装置である。微生物実験で用いられる器具は、最初にオートクレーブにより、殺菌・滅菌処理される。

本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法では、上記のオートクレーブによる殺菌・滅菌処理の条件を大きく超える温度および圧力の領域にある加圧熱水を用いて、消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する。したがって、この加圧熱水処理後の消化液には、水素生成菌以外のメタン菌やその他の微生物はほとんど含まれない。

本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法によって優占化された水素生成複合微生物群は、主にクロストリジウム属の細菌であることが好ましい。
クロストリジウム属の細菌は、有機性廃棄物の水素発酵において水素収率に優れる。

本実施形態の水素生成複合微生物群の優占化方法によれば、有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液から、有機性廃棄物の水素発酵において高効率に水素を生産できる水素生成複合微生物群（主にクロストリジウム属の細菌）を優占化することができる。

［水素発酵方法］
本実施形態の水素発酵方法は、有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する工程（以下「工程Ａ」と言う。）と、優占化された水素生成複合微生物群を用いて有機性廃棄物の水素発酵を行う工程（以下「工程Ｂ」と言う。）と、を有する。

本実施形態の水素発酵方法において、工程Ａは、上述の水素生成複合微生物群の優占化方法と同様の工程である。

本実施形態の水素発酵方法では、工程Ａにおいて、消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化するとともに、加圧熱水処理により有機性廃棄物を解繊（微細化）することが好ましい。
加圧熱水処理で有機性廃棄物を解繊することにより、有機性廃棄物の比表面積が大きくなる。そのため、有機性廃棄物の水素発酵において、有機性廃棄物と水素生成複合微生物群との接触効率が向上し、結果として、水素収率を向上することができる。

工程Ｂでは、工程Ａで優占化された水素生成複合微生物群を用いて有機性廃棄物の水素発酵を行う。
すなわち、工程Ｂでは、有機性廃棄物に水素生成複合微生物群を添加して、有機性廃棄物の水素発酵を行う。これにより、水素を含むバイオガスを生成することができる。なお、バイオガスには二酸化炭素も含まれる。

工程Ｂにおいて、有機性廃棄物および水素生成複合微生物群を含む培養液のｐＨは４〜７であることが好ましく、５〜６であることがより好ましい。
培養液のｐＨが上記の範囲内であれば、水素生成複合微生物群による有機性廃棄物の水素発酵を効率的に行うことができる。

工程Ｂにおいて、水素生成複合微生物群による有機性廃棄物の水素発酵を行う温度は、２０℃〜６０℃であることが好ましく、３５℃〜６０℃であることがより好ましい。
水素発酵を行う温度が上記の範囲内であれば、水素生成複合微生物群による有機性廃棄物の水素発酵を効率的に行うことができる。

本実施形態の水素発酵方法によれば、有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化し、その水素生成複合微生物群を用いて有機性廃棄物の水素発酵を行うことにより、水素を高収率で生成することができる。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
有機性廃棄物としての豆腐粕をメタン発酵して、消化液を含む水溶液を得た。
メタン発酵においては、メタン菌源として、厨芥を原料とするメタン発酵施設のメタン発酵液を採取した。採取した発酵液に豆腐粕を投入して馴養し、３７℃にて１４日間、メタン発酵を行った。
得られた消化液を含む水溶液を、１５０℃かつ０．５ＭＰａにて４０分間保持した。
この加熱・加圧処理後の水溶液を次世代シーケンス微生物相解析により分析した結果、水素生成複合微生物群であるクロストリジウム属の細菌が優占化していることが確認された。
次いで、容量１００ｍＬのバイアル瓶に、発酵基質であるグルコース０．３７５ｇを含む発酵培地１００ｍＬを収容した。
次いで、バイアル瓶内の発酵培地に、加熱・加圧処理後の水溶液５ｍＬを加え、両者を混合した。
なお、塩酸により、発酵培地と加熱・加圧処理後の水溶液を含む培養液のｐＨを６に調整した。
次いで、この培養液を、温度３７℃のインキュベーター内で発酵させた。
発酵によって生成するバイオガスを６時間毎にシリンジ（商品名：テルモシリンジ、テルモ社製）によって回収するとともに、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）付ガスクロマトグラフ（商品名：ＧＣ−１４Ｂ、島津製作所製）によって分析し、バイオガスの成分と収量を測定した。なお、同様の実験を２回繰り返した。結果を表１および図１に示す。

［比較例１］
容量１００ｍＬのバイアル瓶に、発酵基質であるグルコース０．３７５ｇを含む発酵培地１００ｍＬを収容した。
次いで、バイアル瓶内の発酵培地に、実施例１と同様にして消化液を含む水溶液５ｍＬを加え、両者を混合した。
なお、塩酸により、発酵培地と加熱・加圧処理後の水溶液を含む培養液のｐＨを６に調整した。
次いで、この培養液を、実施例１と同様にして発酵させた。
結果を表１および図２に示す。

［比較例２］
実施例１として得られた消化液を含む水溶液を、常圧下、温浴により、９５℃にて２時間保持した。
この加熱処理後の水溶液を次世代シーケンス微生物相解析により分析した結果、水素生成複合微生物群であるクロストリジウム属の細菌が優占化していないことが確認された。
次いで、容量１００ｍＬのバイアル瓶に、発酵基質であるグルコース０．３７５ｇを含む発酵培地１００ｍＬを収容した。
次いで、バイアル瓶内の発酵培地に、加熱処理後の水溶液５ｍＬを加え、両者を混合した。
なお、塩酸により、発酵培地と加熱・加圧処理後の水溶液を含む培養液のｐＨを６に調整した。
次いで、この培養液を、実施例１と同様にして発酵させた。
結果を表１および図３に示す。

表１において、バイオガスの収量、水素の収量、水素の含有率、二酸化炭素の収量、二酸化炭素の含有率、消化液のｐＨおよび水素の収率は、発酵開始から１５０時間後の値である。また、水素および二酸化炭素の含有率は、バイオガス全量に占める、水素または二酸化炭素の含有率である。また、水素の収率は、発生した水素のモル量を基質として入れたグルコースのモル量で除した値である。
表１および図１〜図３の結果から、実施例１と、比較例１および２とを比べると、実施例１では、水素の収率が飛躍的に多くなることが分かった。

［１］有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を、１２１℃〜２３０℃かつ０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａに保持して加圧熱水処理し、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化することを特徴とする水素生成複合微生物群の優占化方法。
［２］前記水素生成複合微生物群は、クロストリジウム属の細菌であることを特徴とする［１］に記載の水素生成複合微生物群の優占化方法。
［３］有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を、１２１℃〜２３０℃かつ０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａに保持して加圧熱水処理し、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する工程と、前記優占化された水素生成複合微生物群を用いて前記有機性廃棄物の水素発酵を行う工程と、を有することを特徴とする水素発酵方法。
［４］前記優占化する工程において、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化するとともに、前記加圧熱水処理により前記有機性廃棄物を解繊することを特徴とする［４］に記載の水素発酵方法。
［５］前記水素発酵において、前記有機性廃棄物および前記水素生成複合微生物群を含む培養液のｐＨは４〜７であることを特徴とする［３］または［４］に記載の水素発酵方法。

Claims (6)

1. 有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化することを特徴とする水素生成複合微生物群の優占化方法。
2. 前記水溶液を１２１℃〜２３０℃かつ０．２ＭＰａ〜１０ＭＰａに保持することを特徴とする請求項１に記載の水素生成複合微生物群の優占化方法。
3. 前記水素生成複合微生物群は、クロストリジウム属の細菌であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素生成複合微生物群の優占化方法。
4. 有機性廃棄物のメタン発酵によって得られた消化液を含む水溶液を加圧熱水処理して、前記消化液に含まれる水素生成複合微生物群を優占化する工程と、
   前記優占化された水素生成複合微生物群を用いて前記有機性廃棄物の水素発酵を行う工程と、を有することを特徴とする水素発酵方法。
5. 前記優占化する工程において、前記加圧熱水処理により前記有機性廃棄物を解繊することを特徴とする請求項４に記載の水素発酵方法。
6. 前記水素発酵において、前記有機性廃棄物および前記水素生成複合微生物群を含む培養液のｐＨは４〜７であることを特徴とする請求項４または５に記載の水素発酵方法。

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