JP2019180339A - Method and apparatus for producing hydrogen - Google Patents

Method and apparatus for producing hydrogen Download PDF

Info

Publication number
JP2019180339A
JP2019180339A JP2018077834A JP2018077834A JP2019180339A JP 2019180339 A JP2019180339 A JP 2019180339A JP 2018077834 A JP2018077834 A JP 2018077834A JP 2018077834 A JP2018077834 A JP 2018077834A JP 2019180339 A JP2019180339 A JP 2019180339A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
culture
thermococcus
microorganism
tank
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018077834A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
靖文 久保田
Yasufumi Kubota
靖文 久保田
大槻 浩
Hiroshi Otsuki
浩 大槻
航士 田村
Koshi Tamura
航士 田村
忠行 今中
Tadayuki Imanaka
忠行 今中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Espec Corp
Original Assignee
Espec Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Espec Corp filed Critical Espec Corp
Priority to JP2018077834A priority Critical patent/JP2019180339A/en
Publication of JP2019180339A publication Critical patent/JP2019180339A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

To provide methods and an apparatus for efficiently producing hydrogen using a particular microorganism and for detoxifying acetic acid that is a by-product.SOLUTION: Provided is a method for producing hydrogen comprising culturing microorganisms of Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added to make the microorganisms of Thermococcus produce hydrogen; and detoxifying acetic acid produced during hydrogen production using at least one selected from waste, shellfish and bone that contain calcium as a component.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、微生物を用いた水素の製造方法および製造装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for producing hydrogen using microorganisms.

近年、化石燃料の枯渇や地球温暖化などの懸念から、石油由来の燃料の代替としてバイオマス由来の燃料生産が検討されている。現在検討されているバイオマスとしては、廃棄物由来のものとして、食品廃棄物、木材、紙類等が知られている。このような廃棄バイオマスから生成できるクリーンエネルギーとして水素ガスも注目されている。   In recent years, biomass-derived fuel production has been studied as an alternative to petroleum-derived fuels due to concerns such as depletion of fossil fuels and global warming. As biomass currently being studied, food waste, wood, paper, and the like are known as those derived from waste. Hydrogen gas is also attracting attention as clean energy that can be generated from such waste biomass.

現在、水素の製造法として工業的に実施されている代表的なものは、ナフサ、石油オフガス、ブタン、LPG、天然ガス(主にメタン)などを水蒸気改質する方法である。そのほか、重質油を部分酸化する方法も採用されている。いずれにせよ、水素の製造は、化石燃料に依存しているのが実態である。そのため、大分以前から将来的な化石燃料の枯渇が危惧されており、化石燃料に依存しない水素の製法が望まれているという実情もある。   At present, typical methods for industrial production of hydrogen are steam reforming of naphtha, petroleum off-gas, butane, LPG, natural gas (mainly methane) and the like. In addition, a method of partially oxidizing heavy oil is also employed. In any case, the actual production of hydrogen depends on fossil fuels. For this reason, there is a concern about the future depletion of fossil fuels before Oita, and there is a situation that a hydrogen production method that does not depend on fossil fuels is desired.

このような問題に対し、超好熱菌を利用することにより,この廃棄バイオマスからクリーンエネルギーである水素を効率的に生産する方法が報告されている。   In response to such problems, a method for efficiently producing hydrogen, which is clean energy, from this waste biomass by using hyperthermophilic bacteria has been reported.

このような水素発生超好熱菌の例として、Thermococcus属の微生物、特に、Thermococcus kodakaraensisを培養して水素を生物学的に製造する技術が、従来から提案されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1には、サーモコッカス属の微生物を培養することにより、菌体に水素を産生させる水素の製造方法が記載されている。   As an example of such a hydrogen-producing hyperthermophilic bacterium, a technique for biologically producing hydrogen by culturing a microorganism belonging to the genus Thermococcus, in particular, Thermococcus kodakaraensis, has been proposed (for example, see Patent Document 1). ). Patent Document 1 describes a method for producing hydrogen in which a microorganism is produced by culturing a microorganism of the genus Thermococcus.

また、同じくThermococcus属の微生物を用いて、支持体と一緒に培養することによって、前記支持体を核としてバイオフィルムを形成し、当該バイオフィルムの状態で前記菌体を培養することによって、水素を製造する水素の製造方法も報告されている(特許文献2)。   Similarly, by using a microorganism of the genus Thermococcus and culturing together with a support, a biofilm is formed using the support as a nucleus, and the microbial cells are cultured in the state of the biofilm to thereby generate hydrogen. A method for producing hydrogen to be produced has also been reported (Patent Document 2).

一方で、Thermococcus属の微生物は、デンプンなどの炭素源からピルビン酸を生成する過程で水素を生産することが知られているが、同時に、酢酸をも生成することがわかっている(非特許文献1)。酢酸は、Thermococcus属の微生物の増殖の阻害要因になるため、ある程度の水素を生成した後は水素生産が止まる。そこで、水素を連続生産する場合には、酢酸が所定量生成された後で、培地を一部入れ替えたり、酢酸を除去又は分解する等して酢酸濃度を低下させる必要があった。   On the other hand, microorganisms of the genus Thermococcus are known to produce hydrogen in the process of producing pyruvic acid from a carbon source such as starch, but at the same time, it is also known to produce acetic acid (non-patent literature). 1). Since acetic acid is an inhibitor of the growth of microorganisms belonging to the genus Thermococcus, hydrogen production stops after a certain amount of hydrogen is produced. Therefore, when hydrogen is continuously produced, it is necessary to lower the acetic acid concentration by partially replacing the medium, removing or decomposing acetic acid after a predetermined amount of acetic acid is produced.

特許3771475号公報Japanese Patent No. 3771475 特許5058536号公報Japanese Patent No. 5058536

Journal of Environmental Biotechnology, Vol.9, No.2, 65−68(2009年)、図4等Journal of Environmental Biotechnology, Vol. 9, no. 2, 65-68 (2009), Fig. 4 etc.

一般的な酢酸の除去方法として知られているのは、(1)活性炭に吸着させて除去する方法、または(2)OHラジカルを発生させて分解する方法等である。しかし、上記(1)の除去方法では、連続培養するために、酢酸を吸着させた活性炭を頻繁に新しい物と交換するか、再生させる必要がある。交換にはランニングコストがかかり、再生するにしても再生装置などが必要になり、イニシャルコストがかかる。また、培地には酢酸以外の水溶性有機物質が存在するため、活性炭の交換や再生の頻度が多くなり、より多くのコスト負担が必要になることも懸念される。   Known methods for removing acetic acid include (1) a method of removing it by adsorption on activated carbon, or (2) a method of generating and decomposing OH radicals. However, in the removal method (1) above, it is necessary to frequently replace or regenerate the activated carbon on which acetic acid has been adsorbed with a new one in order to perform continuous culture. Replacement requires a running cost, and even if it is played back, a playback device or the like is required, resulting in an initial cost. Moreover, since water-soluble organic substances other than acetic acid are present in the culture medium, there is a concern that the frequency of replacement and regeneration of activated carbon increases, and that more costs are required.

また、上記(2)の分解方法としては、光触媒を利用する方法、水中にプラズマを発生させる方法が知られているが、いずれもOHラジカルを発生させるための装置が必要となり、イニシャルコスト及びこれらの装置を運転し続ける電力が必要となる。さらに、過酸化水素を加える化学的方法も知られているが、薬品を常に投入し続けないといけないためランニングコストがかかってしまう。   As the decomposition method (2), a method using a photocatalyst and a method for generating plasma in water are known, both of which require an apparatus for generating OH radicals. Electric power is required to continue operating the device. Furthermore, although a chemical method for adding hydrogen peroxide is also known, running costs are incurred because chemicals must be constantly added.

一方で、食品として利用した後の牡蠣やその他の貝類の殻、または、動物の骨等の廃棄が問題になっている。これらは、一部は土壌改質剤等として利用されているが、大部分は廃棄物となることが多い。よって、このような廃棄物の再利用方法も求められている。   On the other hand, disposal of oysters and other shells of shells after use as food, or animal bones has become a problem. Some of these are used as soil conditioners and the like, but most of them become waste. Therefore, there is also a need for such a waste recycling method.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、特定の微生物を用いて水素を効率よく製造する方法及び装置において、大きなコストをかけることなく有害物質である酢酸の発生を抑え、効率的に水素を連続生産することを目的とする。そして、本発明者らは、下記構成により、上記課題が解決できることを見出した。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a method and apparatus for efficiently producing hydrogen using a specific microorganism, the generation of acetic acid, which is a harmful substance, is suppressed without increasing the cost, and the efficiency The objective is to produce hydrogen continuously. And the present inventors discovered that the said subject can be solved with the following structure.

すなわち、本発明の一態様に係る水素の製造方法は、炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養することにより、前記Thermococcus属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化すること、を含むことを特徴とする。   That is, in the method for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention, the microorganism of the genus Thermococcus is produced by culturing the microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added. And detoxifying acetic acid produced during production using at least one selected from waste, shellfish and bone containing calcium as a component.

さらに、前記製造方法において、培養時に、支持体を入れて培養して水素を産生させることが好ましい。   Further, in the above production method, it is preferable to produce a hydrogen by culturing with a support during cultivation.

また、前記支持体が、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、及びガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる1種または2種以上であることが好ましい。   Further, the support is natural sponge, synthetic sponge, activated carbon, ceramic, ion exchange resin, zeolite, foam stone, molten slag, cellulose acetate fiber, and glass beads, carbon, silica gel, sand, alumina, molecular sieve, and One or more selected from the group consisting of titanium oxides are preferred.

あるいは、前記支持体が、前記カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種であることも好ましい。   Or it is also preferable that the said support body is at least 1 sort (s) selected from the waste, shellfish, and bone which contain the said calcium as a component.

さらに、前記製造方法において、前記Thermococcus属の微生物がThermococcus kodakarensisであることが好ましい。   Furthermore, in the production method, the microorganism of the genus Thermococcus is preferably Thermococcus kodakarensis.

さらに、Thermococcus kodakarensisが、Thermococcus kodakarensis KOD1(寄託機関:独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター、受託番号:FERM P−15007号)であることが好ましい。   Further, it is preferable that Thermococcus kodakarensis is Thermococcus kodakarensis KOD1 (depositing organization: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Patent Biological Depositary, Accession Number: FERM P-15007).

また、本発明の他の態様に係る水素の製造装置は、炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養する培養槽と、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化する無害化槽とを、少なくとも備えることを特徴とする。   In addition, the hydrogen production apparatus according to another aspect of the present invention includes a culture tank for culturing a microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added, acetic acid generated during hydrogen production, and calcium as a component. It includes at least a detoxification tank that is detoxified using at least one selected from waste, shellfish, and bone.

さらに、前記製造装置において、前記培養槽と前記無害化槽が一体化されていることが好ましい。   Furthermore, in the manufacturing apparatus, it is preferable that the culture tank and the detoxification tank are integrated.

本発明によれば、原料を化石に依存することなく、Thermococcus属の微生物を用いて効率良くクリーンなエネルギーである水素を発生させることができる。Thermococcus属の微生物が水素を発生させる過程で生成する酢酸を廃棄物等を用いて無害化できるため、コストをかけずに効率よく水素を連続生産することが可能となる。また、本発明の水素製造方法は、通常は廃棄される貝類や骨等を利用しているため、ランニングコストが発生しないだけでなく、廃棄物の有効利用ともなる。   According to the present invention, hydrogen, which is a clean energy, can be efficiently generated using a microorganism of the genus Thermococcus without depending on fossil as a raw material. Since acetic acid produced by a Thermococcus genus microorganism in the process of generating hydrogen can be detoxified using waste or the like, it is possible to produce hydrogen continuously and efficiently without cost. In addition, since the hydrogen production method of the present invention uses shells, bones and the like that are usually discarded, not only does the running cost occur, but also the waste is effectively used.

図1は、本実施形態に係る水素製造装置の一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a hydrogen production apparatus according to the present embodiment. 図2は、実施例で使用した水素製造装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of the hydrogen production apparatus used in the examples.

本発明者らは、鋭意努力の結果、Thermococcus属の微生物が水素を発生させる過程で生成する酢酸を、コストをかけずに効率よく無害化する方法を見出し、さらに研究を重ねて本発明を達成した。   As a result of diligent efforts, the present inventors have found a method for efficiently detoxifying acetic acid produced by a Thermococcus genus microorganism in the process of generating hydrogen, and further researched to achieve the present invention. did.

すなわち、本発明の水素製造方法は、炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養することにより、前記Thermococcus属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化すること、を含むことを特徴とする。   That is, the method for producing hydrogen of the present invention causes a microorganism of the genus Thermococcus to produce hydrogen by culturing the microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added, and is produced at the time of hydrogen production. And detoxifying acetic acid using at least one selected from waste, shellfish and bone containing calcium as a component.

以下、本発明の好適な実施形態を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定はされない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited thereto.

本実施形態の水素の製造方法では、炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養することにより、菌体に水素を産生させる。   In the method for producing hydrogen according to the present embodiment, a microorganism of the genus Thermococcus is cultured using a culture solution to which a carbon source is added, thereby producing hydrogen in the cells.

本実施形態では、前記Thermococcus属の微生物として、Thermococcus kodakarensisを用いることが好ましい。さらに、Thermococcus kodakarensisに属する菌である、Thermococcus kodakarensis KOD1を用いることがより好ましい。この菌株KOD1は、公的機関である独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターに、受託番号:FERM P−15007号として寄託されており、当業者は容易に入手することができる。上記寄託は、Pyrococcus sp.KOD1またはPyrococcus kodakarensis KOD1で登録されているが、正確にはThermococcus kodakarensis KOD1である(Journal of Bacteriology,Vol.182,No.22,Nov.2000,p.6424−6433等参照)。   In the present embodiment, Thermococcus kodakarensis is preferably used as the microorganism of the genus Thermococcus. Furthermore, it is more preferable to use Thermococcus kodakarensis KOD1, which is a bacterium belonging to Thermococcus kodakarensis. This strain KOD1 is deposited as a deposit number: FERM P-15007 at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), which is a public organization, and can be easily obtained by those skilled in the art. The deposit is Pyrococcus sp. Although it is registered with KOD1 or Pyrococcus kodakarensis KOD1, it is exactly Thermococcus kodakarensis KOD1 (Journal of Bacteriology, Vol. 182, No. 22, Nov. 2000, p. 6424-6433, etc.).

本実施形態の培養液としては、種々の培地組成を有するものが用いられる。代表的な一例としては、食塩を含む基礎培地や人工海水塩を加えた培地(MA培地)等が挙げられる。さらに培養液には酵母エキスやトリプトン等を加えてもよい。   As the culture solution of the present embodiment, those having various medium compositions are used. Typical examples include a basic medium containing salt, a medium (MA medium) added with artificial sea salt, and the like. Furthermore, yeast extract or tryptone may be added to the culture solution.

そして本実施形態においては、この培養液に、炭素源を基質として添加する。使用できる炭素源としては特に限定はされず、デンプン系多糖類、セルロース系多糖類、あるいは各種のバイオマス等が挙げられる。これらの炭素源は、単独で又は複数を組み合わせて用いられる。   And in this embodiment, a carbon source is added to this culture solution as a substrate. The carbon source that can be used is not particularly limited, and examples thereof include starch-based polysaccharides, cellulose-based polysaccharides, and various types of biomass. These carbon sources are used alone or in combination.

デンプン系多糖類としては、とうもろこしデンプン、馬鈴薯デンプン、甘藷デンプン、小麦デンプン、キャッサバデンプン、サゴデンプン、タピオカデンプン、米デンプン、豆デンプン、くずデンプン、わらびデンプン、はすデンプン、ひしデンプン等の生デンプン;α−デンプン、分別アミロース、湿熱処理デンプン等の物理的変性デンプン;加水分解デキストリン、酵素分解デキストリン、アミロース等の酵素変性デンプン;化学分解変性デンプン;化学変性デンプンなどが挙げられる。   As starch-based polysaccharides, raw starch such as corn starch, potato starch, sweet potato starch, wheat starch, cassava starch, sago starch, tapioca starch, rice starch, bean starch, waste starch, warabi starch, lotus starch, diamond starch; Physically modified starch such as α-starch, fractionated amylose, wet heat-treated starch; hydrolyzed dextrin, enzymatically modified dextrin, enzyme modified starch such as amylose; chemically degraded starch; chemically modified starch and the like.

セルロース系多糖類としては、木材や紙類などが挙げられ、例えば、製材工場の残材や住宅解体材などの廃棄物、木屑(チップ化された木質廃材)、木質ペレット、枯れ葉・枯れ枝、紙屑などの紙材等、木質系および紙類の廃棄有機物を広く使用することができる。また、じゃがいもの皮等の不溶性食物繊維を多く含むものもセルロース系多糖類として使用することができる。   Examples of cellulosic polysaccharides include wood and paper. For example, waste materials from sawmills and housing demolition materials, wood waste (chip waste wood), wood pellets, dead leaves / dead branches, paper waste It is possible to use a wide variety of woody and paper waste organic materials such as paper materials. Moreover, what contains many insoluble dietary fibers, such as a potato peel, can also be used as a cellulosic polysaccharide.

培養液に添加する炭素源の濃度は、デンプン系多糖類やセルロース系多糖類の場合、0.01〜5%(w/w)とすることが適当である。このような濃度において、本発明の目的が最大限に達成できると考えられる。濃度の好ましい範囲は0.1〜3%(w/w)、より好ましい範囲は0.2〜2%(w/w)である。   The concentration of the carbon source added to the culture solution is suitably 0.01 to 5% (w / w) in the case of starch-based polysaccharides and cellulose-based polysaccharides. At such a concentration, it is considered that the object of the present invention can be achieved to the maximum extent. A preferable range of the concentration is 0.1 to 3% (w / w), and a more preferable range is 0.2 to 2% (w / w).

さらに、培養液には、菌体の培養に一般に用いられるアミノ酸源等を添加してもよい。   Furthermore, an amino acid source or the like generally used for culturing bacterial cells may be added to the culture solution.

実際の培養操作にあたっては、上述したような炭素源を添加した培養液に、別途、Thermococcus属の微生物を前培養したものを植菌し、ついで本培養を開始することが望ましい。   In the actual culturing operation, it is desirable to inoculate a culture solution to which a carbon source as described above is added separately from a pre-cultured microorganism of the genus Thermococcus, and then to start the main culture.

培養温度は、超好熱菌であるThermococcus属の微生物の生育温度、すなわち、温度60〜105℃に設定することが好ましい。より好ましくは、60〜100℃、さらに好ましくは70〜95℃、もっとも好ましくは80〜90℃に設定することが望ましい。60℃未満では水素の発生量が不足し、一方105℃を越えると、水素の発生量がかえって低下する傾向がある。本実施形態で好ましく用いられるThermococcus kodakarensis KOD1の最適生育温度は、一般の微生物にしては極めて高い85℃前後であるので、この温度から極端に乖離することは好ましくない。   The culture temperature is preferably set to a growth temperature of a microorganism of the genus Thermococcus that is a hyperthermophilic bacterium, that is, a temperature of 60 to 105 ° C. More preferably, it is desirable to set the temperature at 60 to 100 ° C, more preferably 70 to 95 ° C, and most preferably 80 to 90 ° C. When the temperature is lower than 60 ° C., the amount of hydrogen generated is insufficient, while when the temperature exceeds 105 ° C., the amount of generated hydrogen tends to decrease. The optimum growth temperature of Thermococcus kodakarensis KOD1 preferably used in the present embodiment is around 85 ° C., which is extremely high for general microorganisms, and it is not preferable to deviate from this temperature extremely.

さらに、培養に際しては、培養を、嫌気性雰囲気下に、光照射することなく、かつ元素硫黄(単体硫黄)の非存在下に行うことが好ましい。それにより、Thermococcus属の微生物を用いて、より効率よく水素を製造することができる。なお、その場合、雰囲気中に微量の酸素が含まれていたり、培養中に微量の光が入り込んだり、培養液に微量の元素硫黄が添加されていたりしても、それらが単に名目的なものであって本発明の趣旨を損なわないものであるときは、本発明の技術的範囲から外れることにはならないことに留意すべきである。   Furthermore, in culturing, it is preferable to perform the culturing in an anaerobic atmosphere without light irradiation and in the absence of elemental sulfur (elemental sulfur). Thereby, hydrogen can be produced more efficiently using a microorganism of the genus Thermococcus. In that case, even if a trace amount of oxygen is contained in the atmosphere, a trace amount of light enters during the culture, or a trace amount of elemental sulfur is added to the culture solution, they are merely nominal. However, it should be noted that it does not depart from the technical scope of the present invention if it does not detract from the spirit of the present invention.

一般に微生物は、高温の温泉等の噴出口などから単離される特殊な菌を除き、60℃以上の高温では死滅するかまたは生育しえない場合が多い。従って、本実施形態の微生物のように60〜105℃の高温で生育できることは、培養時に他の菌の繁殖による汚染を回避することができ、容易に目的の好熱菌のみを増殖させることができるという利点がある。   In general, microorganisms often die or cannot grow at a high temperature of 60 ° C. or more except for special bacteria isolated from a hot spring hot spring outlet. Therefore, being able to grow at a high temperature of 60 to 105 ° C. like the microorganism of the present embodiment can avoid contamination due to the propagation of other bacteria during culture, and can easily propagate only the desired thermophilic bacteria. There is an advantage that you can.

しかも本実施形態によれば、光合成細菌を利用して水素を発生する場合に不可欠である光照射を必要としないので、光照射に必要な設備を削減し簡素化することもできる。さらに、光照射部に発生付着する有機物等によって光が吸収されたり遮断されたりして、著しく水素の発生効率が低下する危険性を回避できる利点もある。   In addition, according to the present embodiment, light irradiation which is indispensable when hydrogen is generated using a photosynthetic bacterium is not required, so that facilities necessary for light irradiation can be reduced and simplified. Furthermore, there is an advantage that the risk of the hydrogen generation efficiency being significantly lowered due to light being absorbed or blocked by the organic matter generated and adhered to the light irradiation portion can be avoided.

また、好ましい一つの実施態様として、特に培養槽内の温度分布を改善するために培養液の撹拌を行う場合、撹拌手段が起こすせん断力によって前記微生物が破壊またはストレスを受けないようにするため、可能な限りゆっくりと撹拌すると共に、前記微生物の培養時に支持体を入れて培養することが好ましい。それにより、前記支持体を核としてバイオフィルムを形成し、当該バイオフィルムの状態で前記微生物の菌体をより高密度で培養できる。   Further, as one preferred embodiment, particularly when the culture solution is agitated in order to improve the temperature distribution in the culture tank, in order to prevent the microorganisms from being destroyed or stressed by the shearing force generated by the agitation means, It is preferable to stir as slowly as possible and to cultivate with a support when culturing the microorganism. Thereby, a biofilm is formed using the support as a nucleus, and the cells of the microorganism can be cultured at a higher density in the state of the biofilm.

本実施形態において、支持体は菌体を吸着するものである。この支持体は多孔質であることが好ましい。多孔性支持体における孔の孔径の分布は一定ではなく、統計学的分散が大きいものが大部分である。一方、菌体の大きさは、例えばKOD1株が成熟した場合において約1μmである。よって、多孔性支持体の孔の孔径は1μm以上であることが好ましい。これにより、菌体が多孔性支持体の内部に侵入して吸着され易くなる。   In the present embodiment, the support is one that adsorbs bacterial cells. This support is preferably porous. The distribution of pore diameters in the porous support is not constant, and most of them have a large statistical dispersion. On the other hand, the cell size is about 1 μm when the KOD1 strain matures, for example. Therefore, the pore diameter of the porous support is preferably 1 μm or more. This makes it easier for the bacterial cells to enter the porous support and be adsorbed.

また、多孔性支持体の孔の孔径は20μm以上であることがより好ましい。これにより、増殖した菌体を多孔性支持体の内部において保持することができる。結果、菌体を高密度化することができる。また、多孔性支持体の孔の孔径は100μm以上であることがさらに好ましい。これにより、多孔性支持体の内部に吸着されている菌体に培養液を効率的に供給するとともに、消費された培養液(廃液)を多孔性支持体の外部に効率的に排出することができる。結果、多孔性支持体内の菌体の増殖を促進することができる。その他にも、多孔性支持体の内部においてバイオフィルムを形成することができるため、多孔性支持体内の菌体をより固定化することができる。   Further, the pore diameter of the porous support is more preferably 20 μm or more. Thereby, the proliferated microbial cells can be held inside the porous support. As a result, the cell density can be increased. The pore diameter of the porous support is more preferably 100 μm or more. Thereby, while supplying a culture solution efficiently to the microbial cells adsorbed inside the porous support, the consumed culture solution (waste solution) can be efficiently discharged to the outside of the porous support. it can. As a result, it is possible to promote the growth of microbial cells in the porous support body. In addition, since a biofilm can be formed inside the porous support, the cells in the porous support can be more immobilized.

なお、多孔性支持体の孔の孔径は300μm以下であることが好ましい。これにより、多孔性支持体の表面積を十分に広くし、菌体の吸着量を増加することができる。   In addition, it is preferable that the hole diameter of the hole of a porous support body is 300 micrometers or less. Thereby, the surface area of a porous support body can be made sufficiently wide, and the adsorption amount of a microbial cell can be increased.

支持体の形状は特に限定されないが、体積は小さいことが好ましい。体積が小さいと、培養槽内に支持体を所定量充填した際、培養槽の容量体積に対する全支持体の表面積が広がり、菌体が固定化し易くなるとともに、支持体を核としてバイオフィルムを形成することができる。   The shape of the support is not particularly limited, but the volume is preferably small. When the volume is small, when a predetermined amount of the support is filled in the culture tank, the surface area of the entire support increases with respect to the volume of the culture tank, making it easier to immobilize the cells and forming a biofilm with the support as the core. can do.

また、支持体には、吸着剤のコーティングや表面処理を施すことが好ましい。これにより、菌体の吸着量をさらに増加することができる。この吸着剤や表面処理としては、微生物を吸着し、かつ、菌体の培養温度において安定であるものが好適に用いられる。例えば、キリンビール・酒伊エンジニヤリング社製のセルロース・キャリア(商品名:CellsnowTM)が挙げられる。   The support is preferably subjected to adsorbent coating or surface treatment. Thereby, the adsorption amount of a microbial cell can further be increased. As this adsorbent and surface treatment, those that adsorb microorganisms and are stable at the culture temperature of the cells are preferably used. For example, a cellulose carrier (trade name: Cellsnow ™) manufactured by Kirin Beer / Sake Engineering Co., Ltd. may be mentioned.

支持体の材質は、菌体を吸着する機能を有すればよく、例えば、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、ガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる1種または2種以上であることが好ましい。これらの支持体は、入手が容易であり、かつ加工が容易であるため、好適に用いることができる。   The material of the support only needs to have a function of adsorbing bacterial cells, for example, natural sponge, synthetic sponge, activated carbon, ceramic, ion exchange resin, zeolite, foam stone, molten slag, cellulose acetate fiber, glass beads, It is preferably one or more selected from the group consisting of carbon, silica gel, sand, alumina, molecular sieve, and titanium oxide. These supports can be suitably used because they are easily available and easy to process.

Thermococcus属の微生物は、増殖過程で水素を生成する一方、酢酸をも生成する。酢酸は、本実施形態の微生物の増殖の阻害要因になるため、ある程度の水素を生成した後は水素生産が止まる。そこで、本実施形態では、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化する。   Thermococcus microorganisms produce hydrogen during the growth process and also produce acetic acid. Since acetic acid becomes a factor that inhibits the growth of the microorganism of this embodiment, hydrogen production stops after a certain amount of hydrogen is produced. Therefore, in this embodiment, acetic acid produced during hydrogen production is rendered harmless using at least one selected from waste, shellfish, and bone containing calcium as a component.

本実施形態の無害化工程では、酢酸を、前記貝類や骨に含まれるカルシウムと反応させて無害な酢酸カルシウムに変化させる。この無害化工程によって、Thermococcus属の微生物の連続培養を特別な装置や薬品を用いることなく実現することができ、水素を効率よく連続生産することができる。   In the detoxification step of this embodiment, acetic acid is reacted with calcium contained in the shellfish and bones to change to harmless calcium acetate. By this detoxification step, continuous cultivation of microorganisms belonging to the genus Thermococcus can be realized without using special equipment or chemicals, and hydrogen can be produced efficiently and continuously.

カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類や骨としては、カルシウムを多めに含む廃棄物、貝類や骨であることが望ましい。本実施形態において、「カルシウムを成分として含む」とは、カルシウムを、生成される酢酸を酢酸カルシウムに変化させるに十分な量で含んでいることを意味する。   The waste, shellfish and bone containing calcium as a component are preferably waste, shellfish and bone containing a large amount of calcium. In the present embodiment, “comprising calcium as a component” means that calcium is contained in an amount sufficient to change the produced acetic acid to calcium acetate.

具体的な廃棄物、貝類や骨としては、例えば、牡蠣殻、その他貝類の貝殻、動物(例えば食用の魚等)の骨、カルシウム含有スラッジ等が挙げられる。このようなカルシウムを含む廃棄物、貝類や骨は一般家庭や外食産業等から廃棄物として出ることが多く、通常は再利用できずに廃棄されてしまうことが多い。本実施形態では、これらの廃棄物を再利用することによって、酢酸無害化にコストをかけないだけでなく、廃棄物の有効利用にも貢献できる。   Specific wastes, shellfish and bones include, for example, oyster shells, shells of other shellfish, bones of animals (for example, edible fish), calcium-containing sludge and the like. Such calcium-containing wastes, shellfish and bones often come out as wastes from ordinary households, restaurants, etc., and are usually discarded without being reused. In the present embodiment, by reusing these wastes, it is possible not only to spend no cost on acetic acid detoxification, but also to contribute to the effective use of wastes.

前記微生物(KOD1)は、でんぷん1モルに対し約4モルの水素を生成する。この時、約2モルの酢酸も生成することがわかっている。よって、酢酸の無害化に必要な前記廃棄物、貝類や骨の量は、炭酸カルシウム1モル(約100g)と酢酸2モル(約120g)から、酢酸カルシウム1モル(約160g)と水(HO)1モル及び二酸化炭素(CO)1モルが生成するとする化学式を用いることによって、必要なカルシウム量を求めることができるため、廃棄物、貝類や骨が含有しているカルシウムの割合によって適宜調整することができる。 The microorganism (KOD1) produces about 4 moles of hydrogen per mole of starch. At this time, it is known that about 2 mol of acetic acid is also produced. Therefore, the amount of waste, shellfish and bone necessary for detoxifying acetic acid is 1 mol (about 100 g) calcium carbonate and 2 mol (about 120 g) acetic acid, 1 mol (about 160 g) calcium acetate and water (H By using the chemical formula that 1 mol of 2 O) and 1 mol of carbon dioxide (CO 2 ) are generated, the required amount of calcium can be determined, and therefore, depending on the proportion of calcium contained in waste, shellfish and bones It can be adjusted appropriately.

また、無害化は高温下で行うことが好ましい。具体的には、60℃〜105℃(前記微生物の育成温度)程度で行うことが望ましい。特に本実施形態で使用する微生物は超好熱菌であるため、前記微生物の育成温度で無害化を行うことが好ましいと考えられる。   Further, detoxification is preferably performed at a high temperature. Specifically, it is desirable to carry out at about 60 ° C. to 105 ° C. (the growth temperature of the microorganism). In particular, since the microorganism used in the present embodiment is a hyperthermophilic bacterium, it is considered preferable to perform detoxification at the growth temperature of the microorganism.

酢酸の無害化工程は、前記微生物を培養した後に行うこともできるが、培養と同時に行ってもよい。その場合は、上述したような支持体として、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いることもできる。多くの場合、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類や骨等(牡蠣殻や動物の骨等の廃棄物等)は多孔質であるため、前記支持体としても役割を果たすことができると考えられる。   The step of detoxifying acetic acid can be performed after culturing the microorganism, but may be performed simultaneously with the culturing. In that case, at least one selected from wastes containing calcium as a component, shellfish, and bone can be used as the support as described above. In many cases, wastes containing calcium as a component, shellfish, bones, etc. (wastes such as oyster shells and animal bones) are porous, and thus can also serve as the support. .

〈水素の製造装置〉
上記の方法を実施するための水素の製造装置は、図1に示すように、
・炭素源(6)を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養する培養槽(1)と、
・水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種(4)を用いて無害化する無害化槽(2)とを、少なくとも備える装置である。
<Hydrogen production equipment>
As shown in FIG. 1, an apparatus for producing hydrogen for carrying out the above method
A culture tank (1) for culturing a microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source (6) is added;
A detoxification tank (2) for detoxifying acetic acid produced during hydrogen production using at least one (4) selected from wastes, shellfish and bones containing calcium as a component. is there.

本実施形態の装置によれば、培養槽(1)で生成した酢酸を含む培地が無害化槽(2)に送られて無害化され、培養槽(1)に戻されることによって、前記微生物を連続培養し、水素を効率よく連続して製造することができる。   According to the apparatus of this embodiment, the medium containing acetic acid produced in the culture tank (1) is sent to the detoxification tank (2), detoxified, and returned to the culture tank (1), whereby the microorganisms are removed. Continuous culture allows hydrogen to be produced efficiently and continuously.

さらに、本実施形態の水素製造装置には、前記培養槽(1)にて発生した水素に富むガスを導出するガス導出手段(5)が好適に備えられている。   Furthermore, the hydrogen production apparatus of the present embodiment is suitably provided with gas deriving means (5) for deriving hydrogen-rich gas generated in the culture tank (1).

また、培養槽(1)から無害化槽(2)へ培養液を送る場合、培養槽(1)内の前記微生物が多く無害化槽(2)へ流れ出ないように、当該培養槽(1)中には支持体(3)が設置されていることが好ましい。   Moreover, when sending a culture solution from a culture tank (1) to a detoxification tank (2), the said culture tank (1) so that many said microorganisms in a culture tank (1) may not flow out to a detoxification tank (2). It is preferable that a support (3) is installed inside.

前記培養槽(1)と前記無害化槽(2)の間の連結手段には、ポンプなどが備えられていてもよく、それにより無害化槽(2)からクリーンな(微生物の育成を阻害する酢酸の濃度が抑えられた)培地を培養槽(1)に一定量で送ることができる。ただし、前記ポンプ等で培養液を送る場合には、培養槽(1)から流れ出た前記微生物がポンプを通過する際のせん断力でダメージを受けることがないように考慮することが好ましい。   The connecting means between the culture tank (1) and the detoxification tank (2) may be provided with a pump or the like, whereby clean (inhibiting the growth of microorganisms) from the detoxification tank (2). The medium (with reduced acetic acid concentration) can be sent to the culture tank (1) in a certain amount. However, when the culture solution is sent by the pump or the like, it is preferable to consider so that the microorganisms flowing out from the culture tank (1) are not damaged by the shearing force when passing through the pump.

図1では培養槽(1)と無害化槽(2)を分けて示したが、これらは一体化した一つの槽であってもよい。その場合は、前記廃棄物、貝類や骨(4)が前記支持体(3)の役割を果たすこともできる。   Although the culture tank (1) and the detoxification tank (2) are shown separately in FIG. 1, these may be one integrated tank. In that case, the waste, shellfish and bone (4) can also serve as the support (3).

廃棄物、貝類や骨(4)や支持体(3)としては、上述の「水素の製造法」の個所で述べたものと同様のものを使用できる。   As the waste, shellfish, bone (4) and support (3), the same materials as those described in the above-mentioned “Method for producing hydrogen” can be used.

本実施形態において槽(培養槽および無害化槽)の材質は、100℃前後の温度に耐えるものであることが要求される。そして、培地に高濃度の塩を使用すること、また培養時に硫化水素が発生する場合があることから、耐腐食性の高いものが用いられる。たとえば、アルミニウム、各種ステンレス鋼、ハステロイなどの耐酸性金属が用いられ、殊にステンレス鋼の場合はオーステナイト系ステンレス鋼が望ましく、特にSUS316L、SUS304等が最も望ましい。しかしながら、これらの金属は、耐腐食性に関しては完全ではない。耐腐食性を考慮した場合、樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどでもよいが、耐熱性が高いフッ素樹脂が望ましく、特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などが最も好ましい。ここで嫌気性菌の特性を考えた場合、培養時に極力酸素に接触させない方が望ましいことから、酸素透過性は小さいものほどよい。しかしながら、これらの樹脂は、金属に比しては酸素の透過性が高いという欠点があり、また樹脂を用いた場合、強度的に充分な形状を維持するためには、槽の肉厚を厚くする必要があり、コストも高くなるという欠点がある。また耐腐食性、酸素遮断性を考慮した場合には、各種ガラスでもよいが、破損しやすいという欠点がある。故に、耐腐食性が高く、酸素透過性が低く、かつ強度が大であるという観点から、SUS316L、SUS304等の金属に上記のようなフッ素樹脂をコーティングまたはライニングしたものが最適であるということができる。   In this embodiment, the material of the tank (culture tank and detoxification tank) is required to withstand a temperature of around 100 ° C. And since a high concentration salt is used for a culture medium and hydrogen sulfide may generate | occur | produce at the time of culture | cultivation, a thing with high corrosion resistance is used. For example, acid resistant metals such as aluminum, various stainless steels, and hastelloy are used. In particular, in the case of stainless steel, austenitic stainless steel is desirable, and SUS316L, SUS304, and the like are most desirable. However, these metals are not perfect with respect to corrosion resistance. In consideration of corrosion resistance, the resin may be polyethylene, polypropylene or the like, but a fluororesin having high heat resistance is desirable, and in particular, polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), tetrafluoroethylene. -Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) and the like are most preferable. Here, considering the characteristics of anaerobic bacteria, it is desirable not to contact oxygen as much as possible during culture. However, these resins have the disadvantage of high oxygen permeability compared to metals, and when the resin is used, the thickness of the tank is increased in order to maintain a sufficient shape in strength. There is a disadvantage that the cost is high. In consideration of corrosion resistance and oxygen barrier properties, various glasses may be used, but there is a drawback that they are easily broken. Therefore, from the viewpoint that corrosion resistance is high, oxygen permeability is low, and strength is high, it is optimal that a metal such as SUS316L or SUS304 is coated or lined with a fluorine resin as described above. it can.

培養槽(1)や無害化槽(2)は、単槽でもよいが、複数の槽を用いることもできる。槽の形状は、特に制限はないものの、円筒形とすることが望ましい。   The culture tank (1) and the detoxification tank (2) may be a single tank or a plurality of tanks. The shape of the tank is not particularly limited, but is preferably a cylindrical shape.

また、前記ガス導出手段(5)は、単なる配管で充分である。材質は、基本的に培養槽に適合するものと同様であることが望ましい。また自由度が高いという点で、各種ゴムを使用してもよく、特にガス透過性が小さいエチレン・プロピレンゴムやフッ素ゴム(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体等)などは、耐酸性や耐熱性の点で、好ましい材質の例である。   Further, a simple pipe is sufficient for the gas outlet means (5). It is desirable that the material is basically the same as that suitable for the culture tank. In addition, various rubbers may be used because of their high degree of freedom. Particularly, ethylene / propylene rubber and fluorine rubber (such as hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer) having low gas permeability are resistant to acid. It is an example of a preferable material in terms of heat resistance.

さらに、使用する微生物が超好熱菌であるため、培養槽(1)には培養温度を調整するための加熱手段(図示せず)が設けられていてもよい。加熱手段としては、ジャケットタイプ、電熱タイプをはじめとする種々の加熱機構を採用することができる。特に加熱方法に関しては、培養槽内を撹拌装置により撹拌する場合があるので、下部に加熱部(ヒータ)を具備したマグネチックスターラを装備し、また効率良くヒートアップするために槽の胴部を保温または加熱するためのマントルヒータを装備して、加熱するようにすることが望ましい。   Furthermore, since the microorganism to be used is a hyperthermophilic bacterium, the culture tank (1) may be provided with a heating means (not shown) for adjusting the culture temperature. Various heating mechanisms such as a jacket type and an electric heating type can be adopted as the heating means. Especially for the heating method, the inside of the culture tank may be stirred by a stirrer, so it is equipped with a magnetic stirrer equipped with a heating part (heater) at the bottom, and the tank body part is used to heat up efficiently. It is desirable to equip a mantle heater for heat retention or heating so as to heat.

なお、「水素の製造法」の個所で述べたように、上記のThermococcus属の微生物としてはThermococcus kodakarensisを用い、また培養を、嫌気性雰囲気下に、光照射することなく、かつ元素硫黄(単体硫黄)の非存在下に行うようにすることが好ましい。   As described in the section of “Method for producing hydrogen”, Thermococcus kodakarensis is used as the above-mentioned microorganism of the genus Thermococcus, and the culture is carried out in an anaerobic atmosphere without irradiation with light and elemental sulfur (single element It is preferable to carry out in the absence of sulfur.

その場合、培養を嫌気性雰囲気下で行うための不活性ガス供給手段(図示せず)を装置に備えていてもよい。   In that case, the apparatus may be provided with an inert gas supply means (not shown) for culturing in an anaerobic atmosphere.

不活性ガス供給手段としては、窒素ガスなどの不活性ガスを供給する手段が採用できる。不活性ガスの純度はできるだけ高い方が望ましく、特に酸素混入量の少ないものが望ましい。不活性ガスとしては、たとえば、半導体製造用に使用される半導体用材料窒素(純度99.9999%以上、含有酸素量0.1ppm(v/v)未満、大陽東洋酸素株式会社製)や超高純度窒素(USグレード窒素、純度99.99995%以上、酸素含有量0.1ppm(v/v)未満、大陽東洋酸素株式会社製)などが好適に用いられる。   As the inert gas supply means, means for supplying an inert gas such as nitrogen gas can be employed. It is desirable that the purity of the inert gas be as high as possible. Examples of the inert gas include semiconductor material nitrogen (purity 99.9999% or more, oxygen content less than 0.1 ppm (v / v), manufactured by Taiyo Toyo Oxygen Co., Ltd.) High purity nitrogen (US grade nitrogen, purity 99.99995% or more, oxygen content less than 0.1 ppm (v / v), manufactured by Taiyo Toyo Oxygen Co., Ltd.) and the like are preferably used.

不活性ガスの供給は、培養中必ずしも必要としないが、培養前に予め培養液中の溶存酸素を系外に排出するために必要であり、また培養中に発生する水素を培養液中からすみやかに系外移動させる目的の点でも、供給する方が望ましい。   The supply of inert gas is not always necessary during culture, but is necessary to discharge the dissolved oxygen in the culture solution out of the system in advance before culturing. In addition, the hydrogen generated during the culture is quickly removed from the culture solution. It is also desirable to supply it for the purpose of moving it out of the system.

また、光照射することなく培養を行うためには、本実施形態の水素製造装置は遮光手段を備えていることが好ましい(図示せず)。   Moreover, in order to culture without irradiating light, it is preferable that the hydrogen production apparatus of this embodiment is provided with a light shielding means (not shown).

なお、嫌気性とガス撹拌とを効率的かつ確実に維持するための不活性ガスの供給手段を省略し、密閉式の培養槽(1)を用いて機械的撹拌手段により撹拌する機械撹拌方式を採用したり、培養槽(1)から発生するガスの一部を培養槽(1)内の培養液中に戻して撹拌を図る自己ガス撹拌方式を採用したりすることもできる。そのほか、必要に応じ、水素ガスの濃縮分離のための種々の手段、各種制御手段、種々の除害手段などを付設することができる。   In addition, the mechanical stirring system which agitates with a mechanical stirring means using a closed culture tank (1) omits the inert gas supply means for maintaining anaerobic and gas stirring efficiently and reliably. It is also possible to adopt a self-gas stirring system in which a part of the gas generated from the culture tank (1) is returned to the culture solution in the culture tank (1) and stirred. In addition, various means for concentrating and separating hydrogen gas, various control means, various abatement means, and the like can be attached as necessary.

本実施形態の方法または装置により得られた水素は、油脂工業における水添反応、酸素・水素炎による溶接、金属の還元処理、ガラスの溶融、半導体工業における還元処理、ロケット燃料(液体水素)をはじめとする従来型の用途や、自動車用燃料電池燃料、家庭用燃料電池燃料をはじめとする新規用途に用いることができる。   Hydrogen obtained by the method or apparatus of this embodiment is used for hydrogenation reaction in the fat and oil industry, welding with oxygen / hydrogen flame, metal reduction treatment, glass melting, reduction treatment in the semiconductor industry, rocket fuel (liquid hydrogen). It can be used for new applications such as conventional fuel cell fuels and fuel cell fuels for automobiles.

本明細書は、上述したように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下にまとめる。   As described above, the present specification discloses various modes of technology, of which the main technologies are summarized below.

本発明の一態様に係る水素の製造方法は、炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養することにより、前記Thermococcus属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化すること、を含むことを特徴とする。   The method for producing hydrogen according to one aspect of the present invention includes causing a microorganism of the genus Thermococcus to produce hydrogen by culturing a microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added, and at the time of hydrogen production. Detoxifying the produced acetic acid using at least one selected from wastes, shellfish and bones containing calcium as a component.

このような構成により、原料を化石に依存することなく、効率良くクリーンなエネルギーである水素を発生させることができる。また、Thermococcus属の微生物が水素を発生させる過程で生成する酢酸を廃棄される貝類や骨等を用いて無害化できるため、コストをかけずに効率よく水素を連続生産することが可能となる。さらに、本発明の水素製造方法は、通常は廃棄される貝類や骨等を利用しているため、ランニングコストが発生しないだけでなく、廃棄物の有効利用ともなる。   With such a configuration, hydrogen that is clean energy can be efficiently generated without depending on fossil as a raw material. In addition, since acetic acid produced in the process of generation of hydrogen by Thermococcus microorganisms can be rendered harmless using shells, bones, or the like, hydrogen can be efficiently and continuously produced without cost. Furthermore, the hydrogen production method of the present invention uses shells and bones that are normally discarded, so that not only running cost does not occur, but also waste is effectively used.

さらに、前記製造方法において、培養時に、支持体を入れて培養して水素を産生させることが好ましい。それにより、より高密度で前記微生物を培養することができるため、水素産生の効率がより向上すると考えられる。   Further, in the above production method, it is preferable to produce a hydrogen by culturing with a support during cultivation. Thereby, since the said microorganisms can be cultured with higher density, it is thought that the efficiency of hydrogen production improves more.

また、前記支持体が、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、及びガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる1種または2種以上であることが好ましい。それにより、上述した効果がより確実に得られると考えられる。   Further, the support is natural sponge, synthetic sponge, activated carbon, ceramic, ion exchange resin, zeolite, foam stone, molten slag, cellulose acetate fiber, and glass beads, carbon, silica gel, sand, alumina, molecular sieve, and One or more selected from the group consisting of titanium oxides are preferred. Thereby, it is considered that the above-described effect can be obtained more reliably.

あるいは、前記支持体が、前記カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種であることも好ましい。それにより、培養と無害化を同時に行うことができ、より効率的であると考えられる。   Or it is also preferable that the said support body is at least 1 sort (s) selected from the waste, shellfish, and bone which contain the said calcium as a component. Thereby, culture and detoxification can be performed at the same time, which is considered to be more efficient.

さらに、前記製造方法において、前記Thermococcus属の微生物がThermococcus kodakarensisであることが好ましい。それにより、上述した効果がより確実に得られると考えられる。   Furthermore, in the production method, the microorganism of the genus Thermococcus is preferably Thermococcus kodakarensis. Thereby, it is considered that the above-described effect can be obtained more reliably.

さらに、Thermococcus kodakarensisが、Thermococcus kodakarensis KOD1(寄託機関:独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター、受託番号:FERM P−15007号)であることが好ましい。それにより、上述した効果がより確実に得られると考えられる。   Furthermore, it is preferable that Thermococcus kodakarensis is Thermococcus kodakarensis KOD1 (Deposit organization: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Patent Organism Depositary, Accession Number: FERM P-15007). Thereby, it is considered that the above-described effect can be obtained more reliably.

また、本発明の他の態様に係る水素の製造装置は、炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養する培養槽と、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化する無害化槽とを、少なくとも備えることを特徴とする。   In addition, the hydrogen production apparatus according to another aspect of the present invention includes a culture tank for culturing a microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added, acetic acid generated during hydrogen production, and calcium as a component. It is characterized by comprising at least a detoxification tank that detoxifies using at least one selected from wastes, shellfish and bones to be contained.

さらに、前記製造装置において、前記培養槽と前記無害化槽が一体化されていることが好ましい。   Furthermore, in the manufacturing apparatus, it is preferable that the culture tank and the detoxification tank are integrated.

以下に、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
実施例では、図2にその概略を示すような水素製造装置(培養装置)を用いた。
Example 1
In the examples, a hydrogen production apparatus (culture apparatus) whose outline is shown in FIG. 2 was used.

〈培地の調製〉
(基礎培地)
食塩を加えた塩分濃度3%の水溶液を基礎培地とした。
<Preparation of medium>
(Basic medium)
An aqueous solution having a salt concentration of 3% with the addition of salt was used as a basal medium.

(前培養培地)
人工海水塩に酵母エキスとトリプトンとを各0.5%(w/v)加えた培地(MA培地)を基本とする次の培地を調製した。トリプトンは、タンパク質をトリプシンで部分加水分解したものである。マリンアートは、海水と同じ成分を含む塩類の混合物である。なお、以下の培地組成における各成分の含有量は「%(w/v)」としてあるが、それを「%(w/w)」で換算してもそれほどの数値の差はない。
(Pre-culture medium)
The following medium based on a medium (MA medium) obtained by adding 0.5% (w / v) each of yeast extract and tryptone to artificial sea salt was prepared. Tryptone is obtained by partially hydrolyzing a protein with trypsin. Marine art is a mixture of salts containing the same components as seawater. In addition, although content of each component in the following culture medium composition is set to “% (w / v)”, even if it is converted to “% (w / w)”, there is no significant difference in numerical values.

(培地組成1)
・0.39%(w/v)マリンアートSF(千寿製薬株式会社製)、規定量の0.8倍希釈
・0.5%(w/v)乾燥酵母エキス、微生物培地用特製(ナカライテスク株式会社製)
・0.5%(w/v)トリプトン、微生物培地用特製(ナカライテスク株式会社製)
・0.5%(w/v)ピルビン酸ナトリウム(ナカライテスク株式会社製)
(残余は水、系のpHは6.4)
〈培養操作〉
(準備)
上記基礎培地を、図2に示す培養槽(1)及び無害化槽(2)に充填し、高温滅菌処理(85℃、16.5時間)を行った。
(Medium composition 1)
・ 0.39% (w / v) Marine Art SF (manufactured by Senju Pharmaceutical Co., Ltd.), diluted 0.8 times the specified amount ・ 0.5% (w / v) dry yeast extract, specially made for microbial culture (Made by Co., Ltd.)
・ 0.5% (w / v) tryptone, specially made for microorganism medium
・ 0.5% (w / v) sodium pyruvate (manufactured by Nacalai Tesque)
(The balance is water, the pH of the system is 6.4)
<Culture operation>
(Preparation)
The culture medium (1) and detoxification tank (2) shown in FIG.

(前培養操作)
前培養は、内容積約100mlの密閉ガラス容器内に前記培地組成1の培養液100mlを充填し、嫌気性超好熱菌 Thermococcus kodakararensis KOD1を波長660nmの吸光度(absorbance)がOD660=0.1になるように調整した本菌の懸濁水1mlを植菌し、85℃で、20時間培養した。
(Pre-culture operation)
In the pre-culture, 100 ml of the medium composition 1 is filled in a sealed glass container having an internal volume of about 100 ml, and the anaerobic hyperthermophilic bacterium Thermococcus kodakararensis KOD1 has an absorbance at a wavelength of 660 nm of OD660 = 0.1. Inoculated with 1 ml of suspension water of the present bacterium thus adjusted and cultured at 85 ° C. for 20 hours.

(本培養及び無害化操作)
図2に示すように、滅菌処理を終えた20Lの培養槽(1)に前記基礎培地の培養液に加えて、炭素源(6)としてじゃがいも500gおよび米ぬか100gを投入した。そこへ、KOD1を前培養した培養液2000mlを全量植菌した。同時に、支持体(3)として、100℃の熱湯で30分間殺菌処理した合成スポンジ(以下、単にスポンジともいう)を240g入れ、本培養を開始した。
(Main culture and detoxification operation)
As shown in FIG. 2, 500 g of potato and 100 g of rice bran were added as a carbon source (6) to a 20 L culture tank (1) that had been sterilized, in addition to the culture medium of the basal medium. A total amount of 2000 ml of the culture solution in which KOD1 was precultured was inoculated there. At the same time, 240 g of a synthetic sponge (hereinafter also simply referred to as a sponge) sterilized with 100 ° C. hot water for 30 minutes was added as a support (3), and main culture was started.

一方で、18Lの無害化槽(2)に、前記基礎培地と共に牡蠣殻を1500g投入した。本実施例では、市販されている熱帯魚飼育用牡蠣殻と土壌改質肥料用牡蠣殻を約2:1の比率で混ぜて使用した。   On the other hand, 1500 g of oyster shells were put into the 18 L detoxification tank (2) together with the basal medium. In this example, commercially available tropical fish breeding oyster shells and soil modified fertilizer oyster shells were mixed at a ratio of about 2: 1.

培養槽(1)と無害化槽(2)はシリコンチューブ(10)で連結し、無害化槽(2)から培地をポンプ(7)で培養槽(1)へ一定量で送り、培養槽(1)からオーバーフローする培地を再び無害化槽(2)へ送り、培地を循環させた。   The culture tank (1) and the detoxification tank (2) are connected by a silicon tube (10), and the medium is sent from the detoxification tank (2) to the culture tank (1) by a pump (7) in a constant amount. The medium overflowing from 1) was sent again to the detoxification tank (2), and the medium was circulated.

本培養では、培養槽(1)と無害化槽(2)の培地温度をヒータによって85℃に保ったまま、680時間にわたる連続培養を行った。   In the main culture, continuous culture was performed for 680 hours while maintaining the culture medium temperature of the culture tank (1) and the detoxification tank (2) at 85 ° C. with a heater.

その結果、5.8Lの水素を得ることができた。   As a result, 5.8 L of hydrogen could be obtained.

なお、水素量の測定については、上記培養によって培養槽(1)で産生したバイオガスを、図2に示すようにシリコンチューブ(10)を介してバイオガス捕集瓶(11)に捕集した後、捕集瓶(11)から押し出されたバイオガスを、燃料電池(8)(株式会社FC−R&D製、HPFCRD−0505)に流し、発電電圧をレコーダ(9)で計測した。燃料電池による水素濃度と発電電圧の関係は予め計測しておき、発電電圧の値から水素濃度を計算した。   In addition, about the measurement of hydrogen amount, the biogas produced in the culture tank (1) by the said culture | cultivation was collected by the biogas collection bottle (11) through the silicon tube (10) as shown in FIG. Then, the biogas pushed out from the collection bottle (11) was passed through the fuel cell (8) (manufactured by FC-R & D, HPFCRD-0505), and the generated voltage was measured with the recorder (9). The relationship between the hydrogen concentration by the fuel cell and the generated voltage was measured in advance, and the hydrogen concentration was calculated from the value of the generated voltage.

また、本培養中、下記表1に示すように、培地の循環量(4L/時間〜20L/時間)を変化させて水素発生速度を計測した。その結果、循環量15L/時間の時に水素生産速度が最大となり、22mL/時間となった。   In addition, during the main culture, as shown in Table 1 below, the hydrogen generation rate was measured by changing the circulating amount of the medium (4 L / hour to 20 L / hour). As a result, the hydrogen production rate became maximum at a circulation rate of 15 L / hour, which was 22 mL / hour.

Figure 2019180339
Figure 2019180339

水素発生は680時間を過ぎても続いていたが、水素発生速度が低下し始めたので培養を打ち切った。   Hydrogen generation continued after 680 hours, but the culture was discontinued because the hydrogen generation rate began to decrease.

長時間の連続培養ができたことで酢酸の無害化は立証されているが、培養後の培地中の酢酸濃度を、培養槽中の培地を抜き取ってイオンクロマトグラフィで計測した。その結果、予想通り酢酸は検出できなかった。   Although acetic acid detoxification has been proved by continuous cultivation for a long time, the concentration of acetic acid in the culture medium after culturing was measured by ion chromatography after removing the medium in the culture tank. As a result, acetic acid could not be detected as expected.

以上より、本発明の微生物を用いた製造方法によって、連続培養を妨げる酢酸を無害化して、効率良く連続的に水素を産生できることが確認できた。   From the above, it has been confirmed that the production method using the microorganism of the present invention makes it possible to produce hydrogen continuously and efficiently by detoxifying acetic acid that hinders continuous culture.

1 培養槽
2 無害化槽
3 支持体
4 カルシウム成分として含む廃棄物、貝類や骨
5 ガス導出手段
6 炭素源
7 ポンプ
8 燃料電池
9 記録計
10 シリコンチューブ
11 バイオガス捕集瓶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Culture tank 2 Detoxification tank 3 Support body 4 Waste, shellfish, and bone containing as calcium component 5 Gas extraction means 6 Carbon source 7 Pump 8 Fuel cell 9 Recorder 10 Silicon tube 11 Biogas collection bottle

Claims (8)

炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養することにより、前記Thermococcus属の微生物に水素を産生させること、および、
水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化すること、
を含む水素の製造方法。
Culturing a microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added, to cause the microorganism of the genus Thermococcus to produce hydrogen, and
Detoxifying acetic acid produced during hydrogen production using at least one selected from waste, shellfish, and bone, containing calcium as a component;
A method for producing hydrogen comprising:
培養時に、支持体を入れて培養して水素を産生させる、請求項1に記載の水素の製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein during the cultivation, a support is placed and cultured to produce hydrogen. 前記支持体が、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、及びガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる1種または2種以上である、請求項2に記載の水素の製造方法。   The support is natural sponge, synthetic sponge, activated carbon, ceramic, ion exchange resin, zeolite, foamed stone, molten slag, cellulose acetate fiber, and glass beads, carbon, silica gel, sand, alumina, molecular sieve, and titanium oxidation. The manufacturing method of hydrogen of Claim 2 which is 1 type, or 2 or more types chosen from the group which consists of a thing. 前記支持体が、前記カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種である、請求項2に記載の水素の製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 2, wherein the support is at least one selected from waste, shellfish, and bone containing the calcium as a component. 前記Thermococcus属の微生物がThermococcus kodakarensisである、請求項1〜4のいずれかに記載の水素の製造方法。   The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 4, wherein the microorganism of the genus Thermococcus is Thermococcus kodakarensis. Thermococcus kodakarensisが、Thermococcus kodakarensis KOD1(寄託機関:独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター、受託番号:FERM P−15007号)であることを特徴とする、請求項5記載の水素の製造方法。   6. The method for producing hydrogen according to claim 5, wherein Thermococcus kodakarensis is Thermococcus kodakarensis KOD1 (Deposit organization: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Patent Biodeposition Center, Deposit Number: FERM P-15007). . 炭素源を添加した培養液を用いてThermococcus属の微生物を培養する培養槽と、
水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも1種を用いて無害化する無害化槽とを、少なくとも備える水素の製造装置。
A culture vessel for culturing a microorganism of the genus Thermococcus using a culture solution to which a carbon source is added;
An apparatus for producing hydrogen comprising at least a detoxification tank that detoxifies acetic acid produced during hydrogen production using at least one selected from waste, shellfish, and bone, containing calcium as a component.
前記培養槽と前記無害化槽が一体化されている、請求項7に記載の水素の製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 7, wherein the culture tank and the detoxification tank are integrated.
JP2018077834A 2018-04-13 2018-04-13 Method and apparatus for producing hydrogen Pending JP2019180339A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018077834A JP2019180339A (en) 2018-04-13 2018-04-13 Method and apparatus for producing hydrogen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018077834A JP2019180339A (en) 2018-04-13 2018-04-13 Method and apparatus for producing hydrogen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019180339A true JP2019180339A (en) 2019-10-24

Family

ID=68337614

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018077834A Pending JP2019180339A (en) 2018-04-13 2018-04-13 Method and apparatus for producing hydrogen

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2019180339A (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008061522A (en) * 2006-09-05 2008-03-21 Tadayuki Imanaka Apparatus for filtering and culturing anaerobic hyperthermophile, and method for producing hydrogen
JP2008061521A (en) * 2006-09-05 2008-03-21 Tadayuki Imanaka Method for producing hydrogen, and apparatus for producing hydrogen
JP2016070564A (en) * 2014-09-29 2016-05-09 株式会社博石館 Thermal storage device by thermophile

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008061522A (en) * 2006-09-05 2008-03-21 Tadayuki Imanaka Apparatus for filtering and culturing anaerobic hyperthermophile, and method for producing hydrogen
JP2008061521A (en) * 2006-09-05 2008-03-21 Tadayuki Imanaka Method for producing hydrogen, and apparatus for producing hydrogen
JP2016070564A (en) * 2014-09-29 2016-05-09 株式会社博石館 Thermal storage device by thermophile

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. ENVIROMENTAL BIOTECHNOLOGY, vol. 9, no. 2, JPN6021008367, 2009, pages 65 - 68, ISSN: 0004461899 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cheng et al. Advanced strategies for enhancing dark fermentative biohydrogen production from biowaste towards sustainable environment
KR102171932B1 (en) Process for treating organic material
Ashraf et al. Wastewater treatment and resource recovery technologies in the brewery industry: Current trends and emerging practices
US20050009159A1 (en) Hydrogen production from organic wastes, manures and energy crops using a two-phase bioreactor system
JP3617528B1 (en) Biomass processing method
Weijma et al. Methanol conversion in high-rate anaerobic reactors
Wang et al. Two-step continuous hydrogen production by immobilized mixed culture on corn stalk
CN114988651B (en) Microorganism-photocatalysis coupling degradation material, preparation method and wastewater treatment method
CN107473384B (en) Device and method for treating ammonia nitrogen wastewater by using microalgae
JP3771475B2 (en) Method and apparatus for producing hydrogen
Ayodele et al. Factors affecting biohydrogen production: Overview and perspectives
Mesa et al. Biological iron oxidation by Acidithiobacillus ferrooxidans in a packed-bed bioreactor
JP2019180339A (en) Method and apparatus for producing hydrogen
dos Reis et al. Simultaneous Coproduction of Hydrogen and Ethanol in Anaerobic Packed‐Bed Reactors
Mishra et al. Recent advancements and challenges of nanomaterials application in biofuel production
JP2010029746A (en) Biological desulfurization method and apparatus
JP2006212467A (en) Organic waste treatment method
JP5238513B2 (en) Method for treating oil-containing wastewater using yeast and novel yeast
JP5058536B2 (en) Method for producing hydrogen
JP2020124117A (en) Hydrogen production method
Subha et al. Bioenergy recovery from food processing wastewater—Microbial fuel cell
Albagnac Biomass retention in advanced anaerobic reactors
JP2011031217A (en) Organic waste treatment method, method for culturing compound microbe colony having organic matter decomposition activity, and culture medium containing compound microbe colony cultured therein
JP6766106B2 (en) Hydrogen production method
JP3931221B2 (en) Methods for treating hazardous chemical substances

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180424

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20180424

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200316

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210226

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210316

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210510

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20211019